ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Проект направлен на изучение и развитие возможностей применения органических веществ в восстановлении почв, подверженных техногенному загрязнению. Актуальность проблемы не вызывает сомнений в связи с большими масштабами техногенного загрязнения и важной ролью органического вещества в почвообразовании, формировании почвенного плодородия и контроле поведения поллютантов в почвах. Главное внимание будет уделено альфегумусовым почвам Кольского полуострова, в течение 70 лет испытывающим воздействие крупнейшего в северной Европе источника атмосферных выбросов диоксида серы и тяжелых металлов – комбината “Североникель”. Предыдущие исследования были посвящены деградации лесных экосистем под воздействием длительного атмосферного загрязнения и некоторым подходам к восстановлению почв, включая почвы под существующей инфраструктурой. В предлагаемом проекте будет оценено современное состояние почв техногенных пустошей, установлены основные закономерности и особенности их деградации под воздействием интенсивной техногенной нагрузки, выявлены специфика, динамика процессов и эффективность ремедиации почв с помощью разных методов в условиях сокращения выбросов. На основе системного подхода, с позиций целостности системы «почва – растения» и тесной взаимосвязи ее компонентов, с учетом биологической активности почв, будут проанализированы возможности использования органических веществ различной природы в ограничении мобильности, биологической доступности и токсичности тяжелых металлов для ремедиации загрязненных почв. Сочетание теоретического анализа, полевых исследований и лабораторных экспериментов позволит критически оценить проблемы и перспективы применения органических веществ, в том числе промышленных гуминовых препаратов, в ремедиации техногенных почв в зависимости от их свойств и уровня загрязнения.
The project is aimed at studying and developing the possibilities of using organic substances in the restoration of soils subject to technogenic pollution. The urgency of the problem is unquestionable due to the large scale technogenic pollution and the important role of organic matter in soil formation, soil fertility and control of the behavior of pollutants in soils. The main attention will be paid to alfehumus soils of the Kola Peninsula, which for 70 years have been affected by the largest in North Europe source of atmospheric emissions of sulfur dioxide and heavy metals - the Severonickel Industrial Complex. Previous studies have been devoted to the degradation of forest ecosystems under the influence of long-term atmospheric pollution and some approaches to soil restoration, including soils under the existing infrastructure. The proposed project will assess the current state of soils in technogenic barren lands, establish the main regularities and peculiarities of their degradation under the influence of intensive technogenic load, identify the specifics, dynamics of processes and the effectiveness of soil remediation using different methods in conditions of emission reductions. Based on the systematic approach, from the point of view of the integrity of the "soil – plant" system and the close interconnection of its components, taking into account the biological activity of soils, the possibilities of using organic substances of various nature in limiting the mobility, bioavailability and toxicity of heavy metals for the remediation of contaminated soils will be analyzed. The combination of theoretical analysis, field research and laboratory experiments will make it possible to critically evaluate the problems and prospects of using organic substances, including industrial humic preparations, in the remediation of technogenic soils, depending on their properties and the level of contamination.
В результате выполнения предлагаемого проекта будет дана комплексная оценка современного состояния почв техногенных пустошей вблизи комбината «Североникель» в Кольской Субарктике, сделано заключение о необходимости ремедиации или возможности самовосстановления экологического качества почв при снижении техногенной нагрузки в реальных условиях действующего производства. Состояние растительности техногенных пустошей и ее отклик на обработку почв будут оценены с помощью анализа видового состава и структуры фитоценозов, повреждений древесно-кустарникового яруса и листовой диагностики. Будет охарактеризовано накопление элементов питания и элементов-загрязнителей растениями-доминантами древесно-кустарникового и травяно-кустарничкового ярусов. Будет проверена возможность использования скорости биодеградации органического вещества и интенсивности почвенного дыхания в качестве критериев деградации и восстановления загрязненных почв. В результате проведения модельных экспериментов будут углублены знания об основных процессах, определяющих подвижность и биологическую доступность тяжелых металлов в почвах, оценены возможности различных органических веществ, в том числе гуминовых препаратов, в стабилизации тяжелых металлов. Будут проанализированы проблемы и перспективы использования гуминовых веществ и даны рекомендации по их применению в ремедиации загрязненных тяжелыми металлами почв техногенных территорий в зависимости от свойств почв и уровня загрязнения. Сопряженная характеристика изменений свойств растительности, почв и их биологической активности позволит дать научно-обоснованное заключение об эффективности способа обработки и применения тех или иных мелиорантов при широкомасштабной ремедиации почв в условиях сокращения атмосферных выбросов.
В результате многолетних исследований участниками проекта накоплен большой объем информации о составе, свойствах и реакции на техногенное загрязнение альфегумусовых почв Кольского полуострова, вошедший в коллективные монографии, учебные пособия и в отдельные статьи, имеющие обобщающий характер. Выявлены особенности аккумуляции органического вещества, никеля и меди в почвах. Оценена реакция растительных и микробных сообществ на атмосферное загрязнение. Критически проанализированы и апробированы разные подходы к ремедиации загрязненных тяжелыми металлами почв. Изучены некоторые закономерности взаимодействия почв и ряда природных сорбентов с тяжелыми металлами. В лабораторных и микрополевых опытах протестированы промышленные гуминовые препараты и выявлены их эффективные дозы для применения в качестве детоксикантов почв, загрязненных токсичными для растений тяжелыми металлами.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 9 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | этап 2018 года |
Результаты этапа: На основе результатов систематических экспериментальных исследований выявлены основные закономерности деградации морфологических, химических, физических и биологических свойств почв техногенных пустошей под прямым и косвенным воздействием атмосферного промышленного загрязнения. Результаты полевых исследований 2018 года подтвердили выявленные ранее изменения морфологических свойств и классификационной принадлежности почв техногенных пустошей по сравнению с лесными. Типичные для лесных экосистем региона природные иллювиально-гумусовые подзолы на завалуненных моренных отложениях вследствие загрязнения, обеднения элементами питания и органическим веществом трансформируются в иллювиально-железистые (Folic Leptic Albic Podzol) химически загрязнённые подзолы. Сильное загрязнение поверхностного слоя сопровождается формированием хемозёмов (Podzol (Phytotoxic)), загрязненных никелем и медью по подзолу. Утрата растительного покрова и последующее развитие эрозии приводят к разрушению и потере верхних органогенного и подзолистого горизонтов, обнажению иллювиального горизонта BHF/BF и образованию абраземов альфегумусовых (Entic Podzol). Таким образом, в результате деградации верхней части почвы пустошей изменяют свою классификационную принадлежность на подтиповом или даже типовом уровне. Согласно результатам аналитических исследований, подзолы, хемоземы и абраземы техногенных пустошей сильнокислые (pHH2O 4.3-4.5, pHKCl 3.7-4.5). Эти почвы крайне обеднены элементами питания. В большинстве случаев содержание в верхних органогенных горизонтах доступных Ca (20-230 мг/кг), Mg (10-80 мг/кг), K (40-120 мг/кг) и P (следы) существенно ниже фонового уровня (1400-2100, 290-560, 650-1400 и 100-230 мг/кг соответственно). Содержание Mn и Zn не превышает единиц и даже десятых долей мг/кг. Наряду с техногенным загрязнением обеднение элементами питания может быть дополнительным фактором, вызывающим стресс у растений локальной зоны. Показаны особенности восстановления свойств почв и растительности в результате ремедиации техногенных пустошей, проведенной разными методами. Наряду с сокращением атмосферных промышленных выбросов успех восстановления растительности и почвенной микробиоты в конкретных биоклиматических условиях во многом определяется состоянием почв и выбором стратегии и технологии ремедиации. Экологически благоприятная и экономически выгодная хемофитостабилизация дает лишь краткосрочный эффект, нуждающийся в непрерывном поддержании. Более перспективным, но и дорогостоящим способом быстрого восстановления пустошей является нанесение на поверхность загрязненных почв богатого органическим веществом плодородного слоя в сочетании с посадкой лиственных деревьев и посевом многолетних трав. По полученным результатам опубликовано 2 статьи и направлено в печать 3 статьи. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, способствовали завершению и успешной защите М.С. Кадулиным диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук на тему «Эмиссия диоксида углерода почвами в фоновых и подверженных атмосферному загрязнению экосистемах Кольской Субарктики» (18 декабря 2018 г.). | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | этап 2019 года |
Результаты этапа: В соответствии с общим планом работ исследования 2019 года были направлены на решение значительной части третьей и четвертой задач проекта. В ходе выполнения третьей задачи проекта проведен анализ влияния органических веществ на мобильность, биологическую доступность и токсичность тяжелых металлов в почвах в условиях лабораторных экспериментов. Краткосрочные модельные лабораторные эксперименты включали применение промышленных гуминовых препаратов разных марок для выяснения их влияния на свойства загрязненных почв, поведение тяжелых металлов и состояние тест-культур. Марки гуматов для тестирования были отобраны на основании предварительного анализа их свойств и включали препараты на основе угля и торфа, в частности, торфяной гумат «Флексом» и угольный гумат «Экстра», а также гуматы, инокулированные биологическими препаратами – микоризообразователями. Апробированы также другие коммерческие органические препараты – торфогель “Humic land” и биоуголь “Bio-Sannie”. Эксперименты проведены в контролируемых условиях в климатической камере Binder с режимом освещения, имитирующим полярный день, при температуре и влажности, характерных для летнего сезона в Мончегорском районе. В качестве тестовых использованы монокультуры ‒- щучка дернистая (Deschampsia cespitosa), нативная для Кольского полуострова, и овсяница красная (Festuca rubra), часто применяемая в целях ремедиации. Одновременно оценены микробная биомасса и дыхание почв. Эффективные марки и дозы гуматов, выявленные в лабораторных экспериментах, применены в качестве детоксикантов почв в длительных полевых экспериментах на техногенных пустошах, загрязненных тяжелыми металлами (завершение в 2020 году). Результатом выполнения модельных экспериментов стало углубление знаний об основных процессах, определяющих подвижность и биологическую доступность тяжелых металлов в почвах. Выявлены возможности различных минеральных и органических веществ в ограничении мобильности и биологической доступности тяжелых металлов с помощью процессов адсорбции, ионного обмена и осаждения. В рамках выполнения четвертой задачи проекта в 2019 году продолжен начатый ранее анализ отклика биоты как критерия эффективности ремедиации почв (2019-2020 годы). Эффективность ремедиации загрязненных почв в значительной степени определяется восстановлением их биологической активности и растительного покрова. Исследования 2019 года направлены на анализ элементного состава растений-доминантов древесно-кустарникового и травяно-кустарничкового ярусов. Охарактеризованы условия питания растений, оценено поглощение элементов питания и элементов-загрязнителей растениями и их отношение к накоплению тяжелых металлов в зависимости от способа обработки. Для оценки отклика почвенной биоты детально исследована биологическая активность, в первую очередь микробная биомасса и интенсивность почвенного дыхания in situ, включая вклады микробного и корневого дыхания, в почвах техногенных пустошей до и после ремедиации. Выявлены закономерности и факторы изменений потоков СО2 с поверхности почв, уточнены вклады автотрофного и гетеротрофного дыхания, величины полевого микробного метаболического коэффициента и температурной чувствительности дыхания почв в зависимости от степени загрязнения и метода ремедиации почв. Сделан вывод о возможности использования почвенного дыхания в качестве критерия деградации и эффективности восстановления техногенно нарушенных экосистем. Для выбора наиболее эффективных подходов к восстановлению растительности и почв проведен сравнительный анализ изменений широкого спектра их свойств под воздействием разных методов ремедиации и различных мелиорантов с использованием методов описательной статистики, корреляционного, регрессионного и многомерного статистического анализов. Разрабатывается научно-обоснованное заключение об эффективных способах ремедиации и применения тех или иных мелиорантов в условиях сокращения атмосферных выбросов. | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | этап 2020 года |
Результаты этапа: В соответствии с целями и задачами проекта основные усилия были направлены на изучение и развитие теоретических и экспериментальных основ использования органических веществ в ремедиации почв, подверженных загрязнению тяжелыми металлами. Главное внимание уделено альфегумусовым почвам Кольской Субарктики, в течение восьмидесяти лет испытывающим воздействие крупнейшего в северной Европе источника атмосферных выбросов диоксида серы и тяжелых металлов – комплекса предприятий Кольской ГМК. Многолетнее воздействие атмосферных выбросов предприятий цветной металлургии привело к формированию вблизи источников загрязнения техногенных пустошей с загрязненными и сильно деградированными почвами. На основании длительного мониторинга оценено современное состояние и динамика свойств почв на постоянных участках мониторинга вблизи Мончегорска (Мурманская область). Участки мониторинга заложены на пустошах и в посадках березы и ивы после ремедиации, выполненной в 2003-2008 годах двумя методами – хемофитостабилизации и перекрытия загрязненных почв искусственно созданным плодородным слоем. Результаты исследований свидетельствуют о продолжающемся подкислении почв и их загрязнении тяжелыми металлами (ТМ). Несмотря на сокращение выбросов, содержание доступных соединений ТМ в верхнем слое почв техногенных пустошей и участков хемофитостабилизации не снижается, а нанесенные сконструированные слои накапливают Ni, Cu, Co, Fe, Cd, Pb и Mn. Обеспеченность почв элементами питания устойчиво улучшается лишь при нанесении плодородного слоя. Согласно результатам многомерного анализа, почвы пустошей и участков ремедиации закономерно распределены и обособлены в пространстве двух первых главных компонент по мере улучшения почвенных свойств в ходе восстановления, а позиции участков хемофитостабилизации отражают неустойчивый характер улучшений. Рекомендации по развитию стратегии и диверсификации методов ремедиации техногенных территорий должны учитывать разные уровни загрязнения и деградации почв в окрестностях предприятий цветной металлургии, необходимость соблюдения технологических требований и проведения поддерживающих мероприятий. Для оценки состояния растений и их реакции на факторы внешней среды исследованы видовой состав и структура фитоценозов, эколого-морфологические (функциональные) признаки и элементный состав листьев широко распространенных и толерантных к загрязнению видов – Betula pubescens и Salix caprea – на участках мониторинга. На техногенных пустошах, примыкающих к промышленной площадке, подрост отсутствует или представлен единичными угнетенными экземплярами березы пушистой или ивы козьей. Ремедиация техногенных пустошей приводит к улучшению жизненного состояния и условий питания растений, степень которого зависит от технологии ремедиации. Участки хемофитостабилизации слабо отличаются от техногенных пустошей по состоянию высаженных деревьев и кустарников. Хотя количество подроста на единицу площади увеличивается на этих участках по сравнению с техногенными пустошами, преобладающая часть высаженных деревьев ивы козьей и березы пушистой относится к категории сильно ослабленных и усыхающих. На участках ремедиации с нанесенным плодородным слоем из высаженных лесных культур сформировались разреженные лиственные молодняки с преобладанием ивы козьей и/или березы пушистой. Количество подроста на единицу площади варьирует от 0.9 до 2.2 тысяч особей на 1 га. Подавляющее большинство высаженных деревьев имеет кустовидную форму. Деревья на участках ремедиации отличаются более высоким уровнем жизненности по сравнению с пустошами и участками хемофитостабилизации. Согласно результатам листовой диагностики, оба вида испытывают заметный дефицит K, P, Ca и особенно Mn и Zn. В листьях обоих видов накапливаются Ni, Cu, Co, Cr, Fe, Al и S, а также Pb, V и As. Листья ивы содержат в среднем в полтора-два раза больше металлов, чем листья березы. Хемофитостабилизация мало влияет, а нанесение сконструированного плодородного слоя приводит к обогащению листьев березы и ивы Ca, K и P, наиболее заметно проявляющемуся с удалением от предприятия. Накопление ТМ в листьях практически не зависит от метода ремедиации, а в значительной степени определяется удаленностью от источника загрязнения, подтверждая вклад атмосферного осаждения. Сокращение выбросов не уменьшило аккумуляцию металлов в листьях в 2018 по сравнению с 2011 годом. Низкие коэффициенты концентрации ТМ и слабая связь их содержания в листьях подроста и почвах свидетельствует о сохранении способности растений к регулированию своего химического состава даже в условиях экстремального загрязнения и деградации почв. Для оценки экологических стратегий растений исследованы эколого-морфологические (функциональные) признаки B. pubescens и S. caprea. В экстремальных условиях техногенных пустошей площадь листа и удельная листовая поверхность (УЛП) B. pubescens снижаются, а S. сaprea изменяются по-разному, что свидетельствует о сложности ответных реакций на действие стрессовых факторов. Ремедиация сопровождается ростом УЛП, зависящим от технологии обработки почв и видовых особенностей подроста. Показана прямая связь УЛП с обеспеченностью почв элементами питания и обратная – с содержанием тяжелых металлов в листьях и в почвах. Поток диоксида углерода из почв в условиях полярного дня и утепляющего эффекта Гольфстрима достигает сравнительно высоких величин в фоновых сосновых кустарничково-лишайниковых (198 г С•м-2•лето-1), берёзовых кустарничково-зеленомошных (456 г С•м-2•лето-1) и еловых кустарничково-зеленомошных (417 г С•м-2•лето-1) лесах Кольской Субарктики. Основная часть СО2 в почвах этих лесов продуцируется за счёт дыхания корней растений (45-70% в среднем за лето). По мере приближения к источнику загрязнения в почвах наблюдается сокращение микробной и растительной биомассы, обеднение органическим веществом и элементами минерального питания, накопление тяжёлых металлов. В результате происходит существенное снижение потока диоксида углерода из почв лесов зоны дефолиации (до 1.5 раз), техногенных редколесий (до 10 раз) и пустошей (до 20 раз). При дефолиации растительности может происходить активизация микробного дыхания в результате поступления в почву дополнительного субстрата для развития микроорганизмов. Сокращение растительной биомассы приводит к закономерному снижению корневого дыхания вплоть до его полного исчезновения на техногенных пустошах. Техногенные пустоши характеризуются заторможенным выделением CO2 из почв (10–30 мг С м–2 ч–1, или 12–26 г С м–2 лето–1). Ремедиация пустошей способствует росту корней растений и микроорганизмов, дыхание которых ускоряет поток СО2 из почв вдвое при хемофитостабилизации и впятеро – при нанесении плодородного слоя; при этом доля корневого дыхания возрастает от 0 до 40–60%. Интенсивность эмиссии СО2 почвами и структура его продуцирования могут использоваться в качестве критериев эффективности ремедиации техногенных пустошей. В контролируемых лабораторных экспериментах исследовано действие органических веществ разного состава и происхождения – угольных гуматов, торфогеля, извести, азофоски, микоризной инфекции и биочара – на свойства почв и тест-культуры при разной степени загрязнения. Эксперимент проведен на почвах разной степени деградации – подзоле иллювиально-железистом химически загрязненном и абраземе альфегумусовом. В качестве тест-культуры была высеяна овсяница красная. Период предварительной инкубации составил 30 дней, длительность эксперимента – 90 дней. При умеренном загрязнении (ниже уровня содержания водорастворимых форм Ni и Cu 5-6 мг/кг почвы) эффективны все вносимые добавки. Торфогель теряет, а угольные гуматы сохраняют свою эффективность с ростом загрязнения. Судя по распределению ТМ между корнями и побегами тест-культуры, можно заключить, что гуматы, известь и биоуголь обладают лучшим протекторным действием по сравнению с торфогелем, особенно в абраземе. Потенциальным преимуществом органических добавок перед неорганическими мелиорантами является улучшение физических свойств почв, что критически важно в условиях водной и ветровой эрозии и жесткого микроклимата. Это качество, в совокупности с возобновлением поступления свежего растительного материала, может способствовать более быстрому восстановлению экосистемных функций почв благодаря корректировке водно-воздушного режима и гумусного состояния. В ходе долговременного полевого эксперимента по ремедиации хемоземы и подзолы контрольных вариантов сохраняют сильную кислотность, бедность элементами питания и высокий уровень загрязнения тяжелыми металлами, свойственные почвам техногенных пустошей. Внесение гуминового препарата приводит к росту рН, обогащению почв пустошей калием и связыванию водорастворимых форм тяжелых металлов. Влияние биоугля на свойства почв менее выражено. Гуматы содействуют приросту фитомассы, обогащению ее калием, снижению доступности никеля, меди, кобальта и ограничению их транспорта из корней в побеги тест культуры. Внесение биоугля дозой 0.5% почти не влияет, а дозой 1% усиливает формирование фитомассы, особенно вдали от комбината. При этом биоуголь слабо ограничивает поглощение тяжелых металлов корнями овсяницы, но активно тормозит их транслокацию из корней в побеги. Устойчивость к тяжелым металлам и их относительное накопление в корнях характеризует овсяницу красную как вид, пригодный для фитостабилизации при совместном использовании с органическими веществами, такими как гуматы калия и биоуголь. Гуминовый препарат «Экстра» может быть рекомендован в качестве детоксиканта и стимулятора роста при ремедиации загрязненных тяжелыми металлами почв техногенных пустошей. Таким образом, степень деградации и эффективность ремедиации почв в значительной степени определяются обеспеченностью органическим веществом и его составом. Интенсивность почвенного дыхания наряду с состоянием растительности может служить диагностическими критериями ‘здоровья’ почв, их деградации и восстановления. Гуминовые вещества могут использоваться в качестве эффективного мелиоранта при ремедиации почв техногенных пустошей, загрязненных тяжелыми металлами. Применение гуминовых препаратов способствует стабилизации тяжелых металлов в почвах и улучшению питания растений, создавая условия для восстановления растительного покрова и последующей секвестрации углерода. Эффективность использования биоугля как сорбента тяжелых металлов при ремедиации техногенных территорий менее очевидна и нуждается в дальнейших исследованиях. По полученным результатам принято в печать 3 статьи. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".