Способ рекультивации глинистых и суглинистых земель в таежной зоне, загрязненных высокоминерализованными водами Российский патент 2023 года по МПК A01B79/02 B09C1/00 

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности, к биологической рекультивации почв (почвогрунтов), загрязненных

высокоминерализованными сульфатными водами, например, в результате аварий и эксплуатационных потерь при добыче, и может быть использовано в калийной и нефтяной промышленности.

Рекультивация земель - это комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народно-хозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества.

Основными объектами рекультивации на месторождениях добычи чаще всего являются засоленные участки почв, утратившие в связи с их загрязнением свою народнохозяйственную ценность. В результате хозяйственной деятельности происходит нарушение состояния почвы и образуется избыток солей, в частности, сульфатов, что пагубно влияет на биоценоз. Следует указать, что загрязнение в условиях калийной добычи и нефтедобычи обычно хлоридно-натриевое. Однако при прекращении поступления минерализованных вод хлориды быстро вымываются в условиях промывного режима, а в почве остаются сульфаты, которые и обеспечивают в дальнейшем сульфатное засоление земель и гипсообразование. Сульфаты могут действовать как яды на растения, вызывая солевое отравление, корни при этом теряют способность усваивать воду из почвы. О плодородии почвы и высоких урожаях на засоленных почвах не может быть и речи - основа плодородия - гумус теряется, минерализуется, связывается почвенная влага, физические свойства почвы становятся неблагоприятными для растений, угнетается деятельность почвенных организмов. Вот почему проблема рекультивации таких загрязненных почв, да еще в таежной зоне является актуальной.

А учитывая, что большое количество промышленных производств калийной и нефтедобычи, которые являются основными источниками загрязнения почв сульфатными пластовыми водами, располагаются в таежной зоне, то поиски новых методов рекультивации именно таежных земель приобретают первостепенное значение.

Обычно для целей рекультивации в условиях солевого загрязнения применяют биологический способ рекультивации, который предусматривает посев многолетних трав с внесением удобрений, способствующих быстрому зарастанию нарушенных и засоленных почв и активизации процессов самоочищения.

Традиционным способом рекультивации является засыпка выработанного карьера слоем торфа с последующим его дискованием и перемешиванием с верхним слоем песка, а затем посадкой лесных культур или посевом многолетних трав (ГОСТ 17.5.3.05-84 «Охрана природы. Рекультивация земель. Общие требования к землеванию»).

Известен способ рекультивации нарушенных почв путем покрытия рекультивируемой поверхности органическим субстратом. При этом сначала укладывают слой опилок, а затем слой ила очистных сооружений. В органический субстрат вносят дополнительно дезинфицирующее вещество, например хлорную известь, а после укладки ила его обрабатывают аммиаком. (Авт. св. СССР N 1360615). Недостатком способа является низкая его эффективность из-за трудоемкости формирования плодородного слоя, низкой приживаемости растений на субстрате и вследствие этого длительность процесса рекультивации нарушенных почв.

Известен способ биологической рекультивации плодородных земель, загрязненных минерализованными пластовыми водами ("Временные рекомендации по рекультивации земель, загрязненных нефтепромысловыми пластовыми водами. Агропромышленный комитет Татарской АССР. Казанский Ордена Ленина "Знак почета" сельскохозяйственный институт им. М. Горького, Казань, 1987 г.), включающий такие технологические операции, как рассоление, а именно выполнение влагонакопительных агроприемов в виде глубокой вспашки, задержания талых вод, промывка водой, рассолонцевание путем внесения в почву химического мелиоранта, посев солеустойчивых культур. Однако способ, осуществляемый по данной методике не имеет четкой, последовательной технологии выполнения работ, не учтены степень загрязнения и время проведения технологических операций в зависимости от начала работ по временам года, отсутствует зависимость между этапами проведения работ и видами и последовательностью агроприемов и фитомелиоративных мероприятий, отсутствуют такие необходимые технологические операции, как внесение минеральных и органических удобрений.

Известны способы удаления неорганических и органических водорастворимых соединений из почвы и грунтов, основанные на применении сорбентов, содержащих сфагнум (Патент РФ №2019943) или гидролизный лигнин (Патент РФ №2147165). Недостаток этого способа - трудность механического удаления с поверхности почв и грунтов, ограниченность применения.

Также известно, что удаление неорганических и органических соединений из почв и грунтов может быть усилено применением раствора гуминовых веществ в качестве хелатирующего агента (Патенты РФ №2109425 и №2108016).

Из патента РФ №2113094 известен Способ биологической рекультивации песчаных земель, загрязненных буровыми сточными водами в зонах пустынь и полупустынь. Согласно известному способу производят обработку земли, рекультивацию осуществляют поэтапно в течение трех лет, и в первый год обработку земли проводят путем рыхления на глубину 22-25 см, затем проводят чизеливание на такую же глубину и внесение химмелиорантов, после чего осуществляют вспашку на глубину 25-27 см, на второй год проводят фитомелиоративные мероприятия в виде посадки кустарников и полукустарников, на третий год также высаживают кустарники, полукустарники и высевают травы, причем в первый год перед рыхлением осуществляют нанесение на поверхность земли сорбентов, после нанесения сорбентов рыхление осуществляют на глубину 25-27 см с последующей промывкой дождеванием. Однако данный способ применим только в пустынных условиях на песчаных почвах.

Из уровня техники (патент РФ №2459398) известен способ рекультивации почв, загрязненных минерализованными водами. Этот способ включает интенсивное рыхление, внесение сорбента, химмелиоранта, интенсивный полив дождеванием и высадку растительных культур. При этом в качестве сорбента используют сухие запрессованные брикеты избыточного ила. Отработанные брикеты удаляют из почвы путем просеивания последней на виброситах. В качестве химмелиоранта используют рассыпчатый влажный избыточный ил. При содержании солей в почве более 10 мас. %, осуществляют предварительный вывоз и промывку засоленного грунта пресной водой. Расход воды на полив дождеванием составляет 450-500 м³/га. В качестве растительных культур используют растения-галофиты, например, амарант, полынь. Метод не подходит для рекультивации земель с сульфатным методом засоления и может вызывать поднятие уровня грунтовых вод.

Существует метод рекультивации засоленных почв (заявка на патент РФ №97109011), заключающийся в высевании на засоленной почве галофитов: солерос европейский и/или сарсазан шишковатый, при этом высевание ведут вместе с ксероформными растениями - кокпеком и/или биюргуном с последующей их уборкой Известный способ подходит для глинистых почв, приуроченных к аридным условиям и с хлоридным типом засоления. Сульфатное засоление не учитывается.

При этом из уровня техники не были выявлены известные способы рекультивации глинистых и суглинистых земель в таежной зоне, загрязненных высокоминерализованными сульфатными водами, поэтому сделать выбор ближайшего аналога к заявляемому объекту не представляется возможным.

Технической задачей изобретения является разработка метода рекультивации и восстановления устойчивого травянистого покрова на глинистых и суглинистых почвах таежной зоны, после загрязнения почвы высокоминерализованными сульфатными водами.

Техническим результатом является повышение эффективности рекультивации нарушенных земель в таежной зоне за счет улучшения водно-физических свойств почвы, снижения содержания в ней сульфатных солей, снижения щелочности почвы, снижение содержания гипса, при одновременном повышении содержания органического вещества и минеральных элементов в почве.

Поставленный технический результат достигается предлагаемым способом рекультивации глинистых и суглинистых земель в таежной зоне, загрязненных высокоминерализованными водами, согласно которому рекультивацию проводят в течение двухлетнего периода, для этого в первый год весной участок обрабатываемых загрязненных земель распахивают, вносят в него опил лиственных пород, далее вносят карбамид из расчета 6-8 кг карбамида на 1 м³ внесенного опила, с последующим культивированием верхнего слоя почвы, на второй год в весенний период в почву вносят верховой торф, имеющий слабокислую среду, из расчета 25-30 м³ на 1 га, а затем вносят комплексное минеральное азотно-фосфорно-калийное удобрение из расчета 200 кг этого удобрения на 1 га, проводят культивирование верхнего слоя почвы на глубину 10-15 см, далее через 2-3 недели формируют на обрабатываемых землях растительный покров посредством засевания почвы травосмесью, состоящей из тимофеевки луговой, клевера красного, овсяницы луговой и овсяницы красной, взятых в массовом соотношении 1:1:2,8:1,2 соответственно, причем соотношение объема внесенного в почву в первый год опила с карбамидом к объему внесенного в почву во второй год верхового торфа составляет 1 к 0,125-0,150 соответственно.

Опил лиственных пород вносят в обрабатываемую почву из расчета 200 м³ на 1 га при 15-20% влажности.

Культивирование верхнего слоя почвы после внесения опила и карбамида производят на глубину 10-15 см.

Комплексное минеральное азотно-фосфорно-калийное удобрение включает азот: фосфор: калий в соотношении 16%: 16%: 16%.

Засевание почвы травосмесью производят из расчета тимофеевки луговой 15 кг/га, клевера красного 15 кг/га, овсяницы луговой 42 кг/га и овсяницы красной 18 кг/га. Указанный технический результат обеспечивается за счет следующего.

Следует отметить, что рекультивация земель всегда предполагает ведение восстановительных работ, которые в результате своего проведения должны повысить плодородность почвы и вернуть ей ее прежние природные качества. Существует два этапа рекультивации: технический и биологический. Обычно для восстановления засоленных почв применяют биологическую рекультивацию, которая включает в себя спектр агротехнических работ, проводимых с целью восстановления плодородия и иных показателей почвы.

При этом методы биологической рекультивации для различных типов земель, как правило, отличаются друг от друга. Это обусловлено тем, что различные почвы различаются по составу, по физическим параметрам, по структуре. Например, рекультивация засоленных песчаных земель направлена не только на восстановление их плодородия путем очистки от токсикантов, но предусматривает технологические приемы для исключения ветровой эрозии песчаного грунта; рекультивация земель в условиях Крайнего Севера предусматривает приемы, направленные на сохранения тепла в почве, чтобы высаживаемые растения не замерзли, например, гранулирование семян и т.п.

Главной особенностью таежной зоны, почвы которой предусматривает рекультивировать заявляемый способ, является наличие заболоченных территорий, ввиду низкого испарения. Основная особенность, характерная для таежных почв, это наличие кремнезема. Из-за него образуется горизонт вымывания. В результате этого грунт сверху вымывается и оседает внизу, образовывая плотный горизонт бурного цвета. Все таежные почвы объединяет отсутствие глубокого плодородного слоя. Верхний слой тонкий и малоплодородный. Особенно не хватает кальция и азота. Низкие температуры замедляют процесс разложения органических веществ (https://karatu.ru/pochva-tajgi/#i-30). Исходя из этого, совокупность признаков предлагаемого способа имеет свою особенность, в отличие от известных способов рекультивации на других почвах, и направлена на рекультивацию именно таежных земель, загрязненных сульфатными соединениями.

Особенностью засоления почв высокоминерализованными водами в таежных ландшафтах и промывном водном режиме является образование гипссодержащих почв (почвогрунтов), которые характеризуются неблагоприятными механическими свойствами и щелочной реакцией.

Благодаря тому, что рекультивацию предлагаемым способом проводят в течение двухлетнего периода и в каждый период предусматривается обработка почвы определенным рекультивационным материалом, обеспечивается гарантированное снижение сульфатных солей. При этом важным является то, что рекультивационные материалы в первый и во второй год обработки различаются по составу и одновременно используются в строго заявляемом соотношении, а именно: объем внесенного в почву в первый год опила с карбамидом к объему внесенного в почву во второй год верхового торфа составляет 1 к 0,125-0,150 соответственно. Экспериментально было установлено, что при другом соотношении указанных смесей снижение содержания сульфатных солей в почве таежной зоны происходит менее эффективно, что не позволяет за два года в полном мере восстановить плодородие земли.

Кроме того, также экспериментальным путем было установлено, что при рекультивации почв в таежной зоне, загрязненных солями сульфатов, важным моментом явился подбор трав при засевания почвы травосмесью. Учитывая особенности структуры таежных земель, предлагаемая травосмесь должна состоять из тимофеевки луговой, клевера красного, овсяницы луговой и овсяницы красной, взятых в массовом соотношении 1:1:2,8:1,2 соответственно. Тимофеевка луговая, овсяница луговая и овсяница красная относятся к злаковым растениям. А клевер красный - к бобовым. Все указанные многолетние растения являются зимостойкими. Бобовые растения со стержневым корнем способны извлекать питательные вещества и воду из глубоких слоев почвы, злаковые - из верхних. По всему корнеобитаемому слою питательные вещества и влага используются равномерно, что дает возможность получить значительно больший урожай, чем при возделывании этих культур раздельно. То есть в присутствии бобовых, злаковые растения лучше растут. Причем, как оказалось, при использовании именно заявляемого качественного и количественного состава травосмеси, обеспечивается одновременное снижение содержания в почве сульфатных солей и снижение щелочности почвы.

Внесение в почву опила с мочевиной (карбамидом) и последующее внесение во второй год верхового торфа с комплексным азотно-фосфорно-калийным удобрением в заявленных соотношениях опила и торфа, обеспечивает повышение содержания органического вещества и минеральных элементов в почве, при одновременном снижении содержания сульфатов.

Благодаря совокупности агромелиоративных приемов заявляемого способа обеспечивается высокая эффективность рекультивации земель таежной зоны, загрязненных минерализованными сульфатными водами, обеспечивается восстановление плодородия.

В результате осуществления предлагаемого способа образуется новая миниэкосистема, обладающая способностью к самовосстановлению, связыванию, обезвреживанию и разложению токсических сульфатных соединений.

Были проведены дополнительные исследования на опытной делянке, почва которой также характеризовалась наличием большого количества сульфатов.

Рекультивация выполнялась с тем отличием, что количество опила с мочевиной (карбамидом) на первом этапе и последующее внесение на втором этапе верхового торфа было в другом объемном соотношении, а именно 1 к 0,09 соответственно. Остальные операции выполнялись в соответствии с заявляемым способом. Были получены следующие результаты: снижение сульфатов на 10% к первоначальному; рН практически остался прежним; семена травосмеси взошли очагами, неравномерно, т.е. отсутствовал единый растительный покров. Это доказывает существенность заявляемого признака по соотношению используемых рекультивационных материалов в первом и втором году рекультивации. А также существенным является связь этого признака с предлагаемым составом травосмеси.

Таким образом, предлагаемое изобретение характеризуется совокупностью взаимообусловленных признаков, которые все участвуют в обеспечении достижения технического результата, т.к. этот результат проявляется только при использовании этого технического решения в целом.

Кроме того, любые определения, использующиеся в настоящей заявке, следует рассматривать как поясняющие, но не как ограничивающие настоящее изобретение.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими рисунками:

- на Рис. 1. приведена динамика содержания сульфат-ионов и ионов кальция в водной вытяжке исследуемого почвогрунта таежной зоны (слой 0-10 см);

- на Рис. 2. приведена кислотность почвогрунта в разные периоды рекультивации. Пример реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ использовался для рекультивации засоленного в результате аварийного разлива рассолов участка в таежной зоне.

Перед рекультивацией почвогрунт характеризовался щелочной реакцией (рНвод=8,2), содержание сульфат-ионов и ионов кальция в водной вытяжке корнеобитаемого слоя загрязненного почвогрунта составило 17,6 ммоль/100 г и 9,5 ммоль/100 г соответственно. Хлоридное засоление на участке отсутствует.

Рекультивацию почвы проводили в два этапа в следующей последовательности.

В первый год весной (конец апреля - начало мая) верхний слой почвогрунта распахивали, после этого вносили опилки, которые равномерно разместили по участку, затем внесли мочевину (карбамид). Опил с мочевиной перемешивали с верхним слоем почвы путем культивирования на небольшую глубину (около 10-15 см). При этом использовали опил лиственных пород из расчета 40 тонн (200 м³) на 1 га при 15-20% влажности. Расчет необходимого количества карбамида (мочевины) для подкисления опилок и устранения дефицита азота в корнеобитаемом слое почвы рассчитывали на объемную массу, и это количество в конкретном примере составляло 6 кг мочевины на 1 м³ указанных опилок (предлагаемый способ в оптимальных вариантах предусматривает использование мочевины в количестве 6-8 кг на 1 м³ опила).

На второй год в весенний период на участок вносили верховой торф, имеющий слабокислую среду, из расчета 25 м³ на 1 га (предлагаемый способ в оптимальных вариантах предусматривает использование верхового торфа в количестве 25-30 м³ кг на 1 га), далее вносили азотно-фосфорно-калийные минеральные удобрения в виде NPK, нитроаммофоски, которые включают азот: фосфор: калий, например, (но не ограничиваясь только этим), в соотношении 16%:16%:16%, из расчета 200 кг на 1 га. При этом принимали во внимание, что соотношение объема внесенного в почву в первый год опила с карбамидом к объему внесенного в почву во второй год верхового торфа составляло 1 к 0,125 соответственно (предлагаемый способ в оптимальных вариантах предусматривает соотношение объема внесенного в почву в первый год опила с карбамидом к объему внесенного в почву во второй год верхового торфа 1 к 0,125÷0,150 соответственно).

Далее проводили культивацию верхнего 10-15 см слоя почвогрунта.

Через 2-3 недели производили засев травосмеси, состоящей из тимофеевки луговой, клевера красного, овсяницы луговой и овсяницы красной, взятых в массовом соотношении 1:1:2,8:1,2 соответственно. Посев трав производили равномерным распределением семян по поверхности почвогрунта методом разброса. После разброса семян проводили культивацию поверхностного слоя почвы. Конкретный состав травосмеси был следующим: овсяница луговая 42 кг/га, овсяница красная 18 кг/га, тимофеевка луговая 15 кг/га и клевер красный 15 кг/га (но, не ограничиваясь только этим оптимальным вариантом). Для расчета нормы высева использовали коэффициент 1,5, так как подразумевалось восстановление почвенно-растительного покрова именно в таежной зоне и при негативном воздействии климата в этой зоне.

После рекультивации наблюдался следующий эффект:

- снижение количества сульфат-ионов на 60% (было 17,6 ммоль/100 г почвы; стало 10,5 ммоль/100 г почвы) (см. Рис. 1);

- снижение водородного показателя рН с 8,2 до 7,7 (т.е. практически почва стала нейтральной) (см. Рис. 2).

Также следует отметить улучшение водно-физических свойств почвы и увеличение содержания органического вещества.

До рекультивации загрязненный сульфатами почвогрунт таежной зоны характеризовался очень плотным сложением, глинистым составом, содержание органического вещества было менее 1%. Механическая обработка поверхностного слоя, внесение на первом этапе опилок и мочевины, а на втором этапе - верхового торфа комплексного удобрения, способствовали появлению комковатой структуры до глубины 10-12 см и увеличению содержания органического вещества до 6,3%.

Содержание гипса в поверхностном слое обрабатываемой почвы немного возросло, однако совокупность мелиоративных мероприятий предлагаемого способа уменьшили негативное водоудерживающее действие гипса на растительность, что подтвердилось наличием сплошного поверхностного покрова засеваемыми травами.

По итогам второго года проведения рекультивационных работ для мелиоративных культур наблюдается хорошая всхожесть и рост растений до созревания семян.

Таким образом, предлагаемая технология является эффективной для рекультивации минерализованных почв таежной зоны, загрязненных сульфатами, и позволяет за два года полностью восстановить плодородие нарушенных земель.

Отмечается необходимость полива, если погодные условия летнего периода будут характеризоваться высокими температурами и малым количеством осадков.

Заявляемый способ позволяет значительно уменьшить фитотоксичность почвы, повысить плодородие почвы, оптимизировать механические свойства и обеспечить устойчивый растительный покров.

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к биологической рекультивации почв и почвогрунтов, загрязненных высокоминерализованными сульфатными водами. В способе рекультивацию проводят в течение двухлетнего периода, для этого в первый год весной участок обрабатываемых загрязненных земель распахивают, вносят в него опил лиственных пород. Далее вносят карбамид из расчета 6-8 кг карбамида на 1 м³ внесенного опила, с последующим культивированием верхнего слоя почвы. На второй год в весенний период в почву вносят верховой торф, имеющий слабокислую среду, из расчета 25-30 м³ на 1 га, а затем вносят комплексное минеральное азотно-фосфорно-калийное удобрение из расчета 200 кг этого удобрения на 1 га. Проводят культивирование верхнего слоя почвы на глубину 10-15 см, далее через 2-3 недели формируют на обрабатываемых землях растительный покров посредством засевания почвы травосмесью, состоящей из тимофеевки луговой, клевера красного, овсяницы луговой и овсяницы красной, взятых в массовом соотношении 1:1:2,8:1,2 соответственно. Причем соотношение объема внесенного в почву в первый год опила с карбамидом к объему внесенного в почву во второй год верхового торфа составляет 1:0,125÷0,150 соответственно. Способ обеспечивает повышение эффективности рекультивации нарушенных земель в таежной зоне за счет улучшения водно-физических свойств почвы, снижения содержания в ней сульфатных солей, снижения щелочности почвы, снижение содержания гипса, при одновременном повышении содержания органического вещества и минеральных элементов в почве. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ рекультивации глинистых и суглинистых земель в таежной зоне, загрязненных высокоминерализованными водами, характеризующийся тем, что рекультивацию проводят в течение двухлетнего периода, для этого в первый год весной участок обрабатываемых загрязненных земель распахивают, вносят в него опил лиственных пород, далее вносят карбамид из расчета 6-8 кг карбамида на 1 м³ внесенного опила, с последующим культивированием верхнего слоя почвы; на второй год в весенний период в почву вносят верховой торф, имеющий слабокислую среду, из расчета 25-30 м³ на 1 га, а затем вносят комплексное минеральное азотно-фосфорно-калийное удобрение из расчета 200 кг этого удобрения на 1 га, проводят культивирование верхнего слоя почвы на глубину 10-15 см, далее через 2-3 недели формируют на обрабатываемых землях растительный покров посредством засевания почвы травосмесью, состоящей из тимофеевки луговой, клевера красного, овсяницы луговой и овсяницы красной, взятых в массовом соотношении 1:1:2,8:1,2 соответственно, причем соотношение объема внесенного в почву в первый год опила с карбамидом к объему внесенного в почву во второй год верхового торфа составляет 1:0,125÷0,150 соответственно.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что опил лиственных пород вносят в обрабатываемую почву из расчета 200 м³ на 1 га при 15-20% влажности.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что культивирование верхнего слоя почвы после внесения опила и карбамида производят на глубину 10–15 см.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что комплексное минеральное азотно-фосфорно-калийное удобрение включает азот:фосфор:калий в соотношении 16%:16 %:16%.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что засевание почвы травосмесью производят из расчета тимофеевки луговой 15 кг/га, клевера красного 15 кг/га, овсяницы луговой 42 кг/га и овсяницы красной 18 кг/га.