1. Введение

Территории, занятые отходами горнопромышленного производства, представляют значительную экологическую проблему для России. Ежегодно образуется около 57 млн т металлургических шлаков, большая часть которых складируется в отвалах [1], [2], занимая 2,2 тыс. га и негативно влияя на среду и здоровье людей [3].

В Свердловской области накоплено 61,2 тыс. га техногенно нарушенных земель, что в 2,9 раза выше среднего по стране [4]. Основной проблемой таких земель является загрязнение почв тяжелыми металлами и изменение кислотно-основных свойств, что мешает восстановлению растительности.

Доменный шлак — отход выплавки чугуна, обладающий потенциалом сорбента-мелиоранта. Высокое содержание оксидов кальция, магния, кремния и алюминия обуславливает его щелочные свойства и способность к иммобилизации тяжелых металлов [6]. Зарубежный опыт подтверждает эффективность его применения для рекультивации в Германии, Японии, Китае и других странах [7], [8].

Традиционные методы рекультивации требуют значительных затрат. Доменный молотый шлак обладает меньшей стоимостью [5], поэтому его применение как вторичного ресурса уменьшает накопление отходов и решает проблему дорогих сорбентов.

В России шлак используется для дорожного строительства, а вопросы доз внесения и влияния на растения изучены слабо [9], поэтому цель работы — оценка мелиоративного потенциала шлака и определение оптимальных доз для восстановления растительности на кислых почвах.

2. Методы и принципы исследования

Исходные образцы шлака диаметром 1,8–6,1 см дробили для увеличения площади поверхности, при этом первичное дробление выполнили на щековой дробилке, вторичное — на валковой, после чего шлак просеивали. В исследованиях использовали фракцию менее 0,5 мм.

Определение состава проведено методом РСФА на спектрометре «Clever A-17». Для подготовки шлак был измельчен до ≤73 мкм, затем смешан с борной кислотой и спрессован в таблетку. Значение pH измеряли на анализаторе «Эксперт-001» по ГОСТ 26423-85 [10].

Оценка мелиоративных свойств проведена в вегетационном эксперименте с использованием травосмеси «Альпийские луга 7 трав» (пшеница, ячмень, овес, рожь, сорго, вика, просо). В качестве субстрата использовали почву с техногенно нарушенных земель Левихинского медноколчеданного месторождения. Сильно кислая почва имела pH=2,1, нейтральная — pH=6,8. Также была взята почва с оптимальными условиями влажности, структуры почвы, насыщенная азотом, фосфором и калием, с pH=6,6, которая использовалась в качестве фоновой. Доменный шлак вносили в дозах 5 и 10% от массы почвы.

Эксперимент был поставлен в две серии: с удобрением (гумат калия) и без него, проводили 21 день при температуре 24-26°С с ежедневным поливом, оценивая всхожесть, высоту растений и тургор листьев по 5-балльной шкале.

Оценка токсичности проведена с использованием червей Eisenia fetida по ГОСТ 33036-2014 [11], для чего была выбрана почва Левихинского месторождения с pH=3,0 и фоновый почвогрунт из торфа, известняка и удобрения с pH=5,5.

3. результаты и обсуждение

Результаты анализа показали, что в шлаке преобладают диоксид кремния (31,24%) и оксид кальция (30,85%) (таблица 1), а сумма оксидов кальция и магния составляет 42,55%, что обуславливает щелочные свойства и потенциал для раскисления почв. Диоксид кремния является удобрением, так как обладает растворимостью и повышает стрессоустойчивость [12], а SiO2 и Al2O3 создают потенциал для сорбционной емкости.

В кислых почвах элементы находятся в труднодоступной форме, но с CaO и MgO способны раскислять почву и способствовать усвоению кальция и магния, укреплению корней и улучшению фотосинтеза [13].

Результаты вегетационного эксперимента представлены в таблице 2 и на рисунках 1, 2.

В сильно кислой почве (pH=2,1) без внесения шлака всхожесть семян составляет 0%, что свидетельствует о полной непригодности такой почвы для произрастания растений. Внесение 5% доменного шлака повышает всхожесть до 60%, а 10% — до 80% (рисунок 1). Максимальная высота растений в кислой почве при внесении 10% шлака составляет 21,5 см, что на 39% выше фонового значения.

Более эффективным является применение 5% шлака в нейтральной почве, поскольку это повышает всхожесть на 27% по сравнению с контрольной почвой без шлака и на 60% по сравнению с фоном. При этом зона роста составляет 7 дней, за которые семена прорастают ежедневно до 80%.

В нейтральной почве без шлака и с 10% шлака тургор был равен 3, а с 5% шлака тургор составлял 4 из-за повышения влагоудерживающей способности листьев. В кислой почве без шлака всходов нет, но при добавлении шлака тургор оценен в 3 балла, тогда как в фоновой почве он оценивался в 2 балла.

Сравнение результатов эксперимента с внесением гумата калия и без него показало, что доменный шлак не требует дополнительного внесения удобрений. Максимальные параметры по высоте растений (21,5 см) и всхожести (80%) были достигнуты без использования удобрения, однако отмечено повышение значения тургора на 1 балл при использовании гумата калия.

Полученные данные подтверждают результаты зарубежных исследований, где также отмечено, что доменный шлак способствует увеличению биомассы растений без дополнительного внесения удобрений. А именно, фитомасса растений, посаженных на почве с добавлением доменного шлака, в среднем в 2,8 раза больше, чем в его отсутствии на контрольной почве

[14][15]

Результаты оценки токсичности на примере красных калифорнийских червей

С добавлением 1% шлака смертность червей начала расти на 4-е сутки и составила 20% к окончанию эксперимента.

С добавлением 2,5% доменного шлака выживаемость червей составила 100 и не отличалась от таковой в фоновом образце. Черви находились в клубке в почве, на третьи сутки были более активными, чем черви в емкости с добавлением 1% шлака. В конце эксперимента также оставались активными, кожный покров чище, чем у червей в фоновом образце.

Рекомендовано внесение 2,5% шлака, поскольку при такой дозе выживаемость червей равна фоновой. Шлак является безопасным для Eisenia fetida: выживаемость в контрольной почве без шлака составляет 0%, с 1% шлака — 80%, а с 2,5% — 100%. Зафиксирован рост выживаемости с увеличением дозы. Шлак в дозе 2,5% повышает выживаемость на 100% по сравнению с контрольной почвой и на 20% по сравнению с кислой почвой, улучшенной 1% шлака.

4. Заключение

Исследования показали, что шлак обладает мелиоративным потенциалом и может быть использован для рекультивации техногенно нарушенных кислых почв.

Установлено, что шлак характеризуется щелочной реакцией (pH=10,5) и содержанием оксидов кальция и магния 42,55%, что обусловливает его способность к раскислению.

Вегетационный эксперимент показал, что в кислой почве (pH=2,1) без шлака всхожесть составляет 0%, 10% шлака повышает всхожесть до 80% и обеспечивает высоту растений 21,5 см, тогда как в нейтральной почве доза 5% обеспечивает всхожесть 80% и высоту 35,2 см. При этом шлак не требует внесения удобрения: максимальные параметры были достигнуты без гумата калия.

Оценка токсичности на червях Eisenia fetida показала, что доза внесения 2,5% шлака обеспечивает 100% выживаемость, что подтверждает безопасность данной концентрации для почвенной биоты.

Рекомендованы дозы 5% для нейтральных и 10% для сильно кислых почв. Шлак может быть эффективно использован без удобрений для рекультивации техногенно нарушенных земель в горнопромышленных регионах.

The additional file for this article can be found as follows: