Результат интеллектуальной деятельности: Способ рекультивации на склонах в условиях Крайнего Севера

Изобретение относится к области рекультивации нарушенных земель и может применяться для укрепления, защиты от эрозионных процессов и восстановления склоновых участков ландшафтов, нарушенных в результате освоения территорий Крайнего Севера, например, откосов грунтовых (песчаных) планировочных насыпей, автомобильных и железных дорог, карьеров, откосов земляных плотин.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является техническое решение, в котором биомат размещают на предварительно подготовленной поверхности, выстилают биомат таким образом, чтобы между материалом и грунтом по возможности не оставалось воздушных прослоек, осуществляют стыковку отдельных полос биомата путем укладки полос внахлест друг на друга, после укладки биомата производят присыпку грунтом, соединение полотен биомата между собой и крепление их к грунту осуществляют крепежными элементами и проводят разовый полив. Биомат содержит нижний слой, выполненный из несущей биоразлагаемой сетки, над которой расположен слой водопроницаемой бумаги, наполнитель - внутренний слой, в состав которого входят семена растений, минеральные и/или органические удобрения, стимуляторы роста, влагоудерживающие компоненты и т.п. Верхний защитный слой выполнен в виде тканых или нетканых полотен из разлагающихся натуральных материалов. Над верхним защитным слоем расположен полимерный противоэрозионный мат, представляющий слой сетки толщиной 10-40 мм, выполненной из полиамида, либо полипропилена, либо полиэтилена и обеспечивающий удержание склона, несущая способность которого усиливается при появлении всходов трав. Все слои биомата скреплены нитепрошивным способом. Для предотвращения разрывов бумаги в процессе производства, транспортировки и укладки используется несущая биоразлагаемая сетка (патент RU 133138, Е01С 5/00, E02D 17/20, 10.10.2013).

Вышеуказанное техническое решение имеет серьезные недостатки. Применяемые в упомянутом техническом решении удобрения имеют кратковременный срок воздействия, что приводит к быстрому обеднению почв микроэлементами.

Синтетическое волокно, входящее в состав биомата, имеет длительный период разложения (более 10 лет) и не позволяет биомату разложиться в течение 2-3 лет в условиях Крайнего Севера, и, как следствие, препятствует последующему поколению семян проникнуть в грунт. В настоящее время применение биоматов, содержащих искусственное волокно, в условиях Крайнего Севера ведет к созданию опустыненных, покрытых неразложившимися биоматами, территорий, фактически «техногенных пустынь».

Таким образом, упомянутое выше техническое решение не эффективно при применении для восстановления почвенно-растительного покрова тундровых земель и его затруднительно использовать в условия Крайнего Севера.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка надежного и эффективного способа рекультивации на склонах в условиях Крайнего Севера.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности рекультивации, повышение качества и сокращение сроков восстановления эрозионно-опасных участков, расположенных на склонах, за счет создания устойчивого многолетнего почвенно-растительного покрова, способствующего надежной защите от проявления водно-эрозионных процессов.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе рекультивации на склонах в условиях Крайнего Севера выравнивают и очищают поверхность расположенного на склоне рекультивируемого участка, после чего осуществляют укладку на поверхность рекультивируемого участка биоматов, состоящих из верхнего и нижнего слоев, выполненных из нетканого биоразлагаемого материала, между которыми расположен средний армирующий слой, представляющий собой сетку из натуральных волокон, например, льняных волокон и слой рекультиванта, включающий в себя смесь семян растений, адаптированную к условиям Крайнего Севера, сухие гранулы сапропеля и порошковую форму биопрепарата, содержащего культуры Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998 и Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416, после чего биоматы соединяют между собой внахлест, каждый из биоматов закрепляют на поверхности рекультивируемого участка посредством крепежных элементов, а затем осуществляют полив биоматов водой.

Все слои биомата скрепляют между собой иглопробивным методом, например, посредством прошива на иглопробивном станке.

Выполнение верхнего и нижнего слоев из биоразлагаемого материала и выполнение среднего армирующего слоя из сетки из натуральных волокон обеспечивает повышение экологической эффективности заявленного способа рекультивации эрозионно-опасных участков тундровых земель.

Использование рекультиванта, включающего в себя смесь семян растений, адаптированных к условиям Крайнего Севера, обеспечивает высокую всхожесть семян именно в условиях Арктики и Субарктики. Добавление сапропеля в рекультивант обеспечивает улучшение механической структуры почвы, влагопоглотительной и влагоудерживающей способности, и ее аэрацию, дает увеличение в почве гумуса, а также активирует почвенные процессы. Сапропель является органическим удобрением и способствует мобилизации почвенного состава, приводит к самоочищению от болезнетворных растений, грибков и вредных микроорганизмов.

Биопрепарат, содержащий культуры Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998 и Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 обладает высоко выраженной окисляющей активностью в отношении углеводородов нефти и нефтепродуктов и переводит их в экологически нейтральные соединения, не образуя при этом токсичных соединений в окружающей среде, что обеспечивает сокращение сроков и повышение качества восстановления эрозионно-опасных участков.

Включение в состав рекультиванта биопрепарата, содержащего культуры Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998 и Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 именно в порошковой форме обеспечивает равномерное распределение биопрепарата по биомату и, следовательно, по поверхности рекультивируемого участка, что повышает эффективность рекультивации за счет получения равномерного травяного покрытия с развитой корневой системой, которого сложно добиться при осуществлении полива биопрепаратом биомата.

Кроме того при применении упомянутого выше биопрепарата в порошковой форме исключается продолжительный и трудоемкий процесс предварительного приготовления суспензии из пророшковой формы биопрепарата, что позволяет сократить срок восстановления нарушенных площадей.

Плотное прикрепление посредством деревянных крепежных элементов каждой из биоматов к поверхности рекультивируемого участка обеспечивает надежную фиксацию биополотна на поверхности эрозионно-опасного участка, расположенного на крутых склонах и, следовательно, минимизацию риска сползания биополотна с поверхности склонов при эрозионных процессах в почве, выпадении ливневых осадков, порывах ветра и других погодных явлениях.

Заявленное изобретение поясняется чертежами и таблицей.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема биомата.

На фиг. 2 схема укладки полотна биомата на нарушенную грунтовую поверхность

На фиг. 3 показана схема расположения на биомате крепежных элементов.

В таблице приведены составы травосмесей, хорошо зарекомендовавшие себя в условиях Крайнего Севера

На фиг. 1-3 обозначены следующие позиции: нижний слой 1, верхний слой 2, средний армирующий слой 3, содержащий армирующую сетку из биоразлагаемых волокон, слой 4 присыпного грунта, слой 5 рекультиванта, биомат 6, рекультивируемый участок 7, ненарушенный участок 8, места крепления 9 для крепежных элементов.

Биомат 6, используемый в заявленном способе, состоит из и нижнего 1 и верхнего 2 слоев, выполненных из нетканого биоразлагаемого материала, между которыми расположен средний армирующий слой 3, представляющий собой сетку из биоразлагаемых волокон, а также слой 5 рекультиванта. Нижний 1 и верхний 2 слои выполнены из нетканого биоразлагаемого материала, например из хлопковых и/или льняных полотнищ, способных в течение 2-3 летних периодов в условиях Крайнего Севера разложиться более чем на 90%, что дает возможность последующим поколениям семян беспрепятственно проникать в почву и возобновлять отмирающую растительность.

Рекультивант состоит из смеси семян растений, подобранных с учетом территориальных, климатических и гидрографических условий Крайнего Севера. Например, для рекультивации в условиях Крайнего севера часто используют травосмеси содержащие семена костреца безостого, овсяницы луговой, овсяницы красной, тимофеевки луговой, пырея ползучего, овса и ржи.

Биомат имеет места крепления 9 к поверхности рекультивируемый участка 7. Места крепления могут быть расположены параллельными рядами: верхним, нижним и одним или несколькими средним рядами. Места крепления в верхнем, среднем (средних), нижнем рядах расположены одинаковым шагом S_м. Крайние отверстия верхнего и нижнего ряда расположены с одинаковым отступом К_м от края биомата 6. Крайние отверстия среднего ряда или средних рядов расположены с одинаковым отступом К_м+S_м/2 от края биомата 6. Верхний и нижний ряды расположены друг от друга на растоянии L_м. Средний ряд или верхний из средних рядов (при выполнении нескольких средних рядов) и верхний ряд расположены друг от друга на растоянии L_м/2. Средний ряд или нижний из средних рядов (при выполнении нескольких средних рядов) и нижний ряд расположены друг от друга на растоянии L_м/2 (см. фиг. 3). При выполнении нескольких средних (промежуточных) рядов, упомянутые средние ряды располагают друг от друга на растоянии L_м/2.

Биомат закрепляют на рекультивируемом участке 7, подвергшемся деградации, и на части прилегающего ненарушенного участка 8 посредством крепежных элементов. Крепежные элементы могут быть выполнены в виде деревянных колышков со шляпками.

Способ рекультивации на склонах в условиях Крайнего Севера осуществляют следующим образом.

Выравнивают и очищают поверхность от посторонних предметов (камни, щебень и комки грунта диаметром более 50 мм).

Подготавливают рекультивант следующим образом.

Подготавливают смесь семян растений, адаптированную к условиям Крайнего Севера. Особенно хорошо зарекомендовавшие себя в условиях Крайнего Севера смеси семян приведены в таблице. Количество смеси семян определяют в соответствии с природно-климатическими условиями местности.

В качестве смеси семян можно использовать одну из ниже перечисленных смесей семян:

- семена мятлика лугового 8% масс., семена костреца безостого 23% масс., семена овсяницы луговой 23% масс., семена овсяницы красной 23% масс., семена тимофеевки луговой 23% масс.;

- семена мятлика лугового 30% масс., семена костреца безостого 10% масс., семена овсяницы луговой 10% масс., семена овсяницы красной 40% масс., семена тимофеевки луговой 10% масс.;

- семена костреца безостого 10% масс., семена овсяницы луговой 15% масс., семена овсяницы красной 5% масс., семена тимофеевки луговой 12,5% масс.; семена пырей ползучий 7,5% масс, семена овса 25% семена ржи 25%.

При приготовлении рекультиванта используют порошковую форму биопрепарата, содержащего культуры Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998 и Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416.

При этом культуры штаммов Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 и Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998, входящих в состав биопрепарата, выращивают раздельно на жидкой питательной среде. Полученную биомассу высушивают, например, в сушилке, для получения порошковой формы каждой из культур. Далее составляют консорциум из штаммов микроорганизмов, взятых в соотношении 1:1.

Штамм бактерий Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416, используемый в упомянутом биопрепарате имеет оптимальный состав минеральной среды для размножения штамма: K₂HPO₄ - 1,5 г/л, MgSO₄ -1,5 г/л, пептон - 20,0 г/л, глицерин - 8 мл/л. Клетки данного штамма представляют собой прямые подвижные палочки с закругленными концами размером (0,4-0,5)×(1,7-2,5) мкм. Выделенный штамм образует колонии (на 5-е сутки культивирования на L-агаре) круглые, шероховатые, матовые, с зубчатым краем 3-5 мм, розового цвета, мягкие, хорошо суспендируемые в воде. Штамм непатогенный и нетоксичный.

Штамм бактерий Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998, используемый в упомянутом биопрепарате, имеет оптимальный состав минеральной среды для размножения штамма: K₂HPO₄ - 0,5 г/л, KH₂PO₄ - 0,5 г/л, (NH₄)₂SO₄ - 0,5 г/л, MgSO₄ - 0,2 г/л, ZnSO₄ - 0,01 мг/л, CaCO₃ - 2,5 г/л, NaCl - 0,2 г/л, MoO₄ - 0,005 г/л, FeSO₄ - 12,5 мг/л, дрожжевой экстракт 1,0 г/л, глюкоза - 10 г/л, рН - 7,0-7,2. Штамм непатогенный и нетоксичный.

Штаммы депонированы во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов (ВКПМ) ФГУП ГосНИИгенетика.

Далее для приготовления рекультиванта смешивают смесь семян растений, адаптированную к условиям Крайнего Севера, сухие гранулы сапропеля и порошковую форму биопрепарата, содержащего культуры Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998 и Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416.

Норма смеси семян, которая вносится в состав рекультиванта, составляет 60-75 г на 1 м² рекультивируемого участка,

Норма сапропеля, которая вносится в состав рекультиванта, составляет 67-85 г на 1 м² га.

Норма биопрепарата, которая вносится в состав рекультиванта, составляет 5-8 г на 1 м² рекультивируемого участка.

Подготовленный таким образом слой 5 рекультиванта, а также средний армирующий слой 3 размещают между нижним 1 слоем и верхним слоем 2. Все слои биомата 6 скрепляют между собой иглопробивным методом на иглопробивной машине, таким образом, чтобы смесь семян была вшита между полотнищами. В результате выше описанного получают биомат 6, готовый для использования при рекультивации на склонах в условиях Крайнего Севера.

После чего осуществляют укладку биоматов 6 на поверхность склона. Укладку биоматов 6 осуществляют на склоне в направлении его уклона сверху вниз, таким образом, чтобы биоматы 6 образовали единое биополотно, имеющее площадь, достаточную для покрытия всего подвергшегося деградации рекультивирумого участка 7. Все уложенные биоматы 6 соединяют между собой внахлест на 10-15 см.

Осуществление работ по укладке биоматов 6 производят при минимальных суточных температурах воздуха выше 5°С. Наиболее благоприятное период года - начало летнего периода (после схода снежного покрова и оттаивания слоя сезонного промерзания на глубину не менее 20 см). Стрелкой на фиг. 2 указано направление уклона.

Далее каждый из биоматов 6 закрепляют на поверхности рекультивируемого участка 7 посредством установки крепежных элементов, например, деревянных колышков, располагая упомянутые крепежные элементы в местах крепления 9 равномерно по всей поверхности биомата. Рекомендуемая схема расположения мест крепления 9 крепежных элементов для биоматов, укладываемых на грунтовой поверхности показана на фиг. 3.

После укладки биоматов 6 осуществляют отсыпку сверху биоматов слоя 4 присыпного грунта. Слой насыпают местным грунтом либо песком по всей поверхности биополотна из биоматов. После чего осуществляют полив биоматов водой.

С целью ускорения появления всходов обеспечивают регулярный полив до появления травостоя. Объем полива корректируют исходя из климатических и погодных условий.

В первый год развития растений, биомат, покрывающий дневную поверхность, выполняет все защитные функции, предотвращая эрозионные процессы. В течение 2-3-х лет к моменту образования равномерного травостоя с обильной корневой системой, которая, проникая глубоко в почву, связывает грунт и образует дернину, биоразлагаемая сетка армирующего слоя усваивается в почве.

Пример осуществления способа рекультивации на склонах в условиях Крайнего Севера.

Осуществляют приготовление рекультиванта (смесь семян, сухие гранулы сапропеля, биопрепарат) путем смешения входящих в него ингредиентов из расчета: порошковая форма биопрепарата 7 г/м², сухие гранулы сапропеля 80 г/м² и смесь семян 65 г/м²

Для приготовления рекультиванта используют смесь семян, содержащую семена в следующем соотношении: семена мятлика лугового 8%, семена костреца безостого 23%, семена овсяницы луговой 23%, семена овсяницы красной 23%, семена тимофеевки луговой 23%.

Укладывают половину рекультиванта на нижний слой, далее укладывают средний армирующий слой 3, затем укладывают вторую половину рекультиванта и накладывают верхний слой. После чего все слои биомата скрепляют между собой посредством соединения на иглопробивной машине.

Биоматы 6, полученные упомянутым выше способом, укладывают на поверхность рекультивируемого участка. Все уложенные биоматы 6 соединяют между собой внахлест от 10 до 15 см.

Далее биоматы 6 закрепляют на поверхности рекультивируемого участка 7, располагая упомянутые крепежные элементы, равномерно по всей поверхности биомата 6, в местах крепления 9, которые расположены параллельными рядами: верхним, нижним и несколькими средним рядами.

После укладки биоматов 6 осуществляют отсыпку сверху биоматов местным грунтом либо песком толщиной 3-7 см по всей поверхности биополотна.

После укладки биоматов и их отсыпки осуществляют их полив водой из расчета не менее 100 м³ воды на 1 га (10 л/м²).

После полива биоматов водой, содержащиеся в них сухие гранулы сапропеля начинают разбухать в соотношении 1:300 и достигают объема 0,015 м³, а также при поливе водой происходит активация биопрепарата.

В результате использования данного способа будет достигаться экологический и экономический эффект.

Экологический эффект обусловлен тем, что при использовании указанного способа в течение 1-2 лет будет получен устойчивый травостой с развитой корневой системой, которая, проникая глубоко в почву, будет связывать грунт и образовывать дернину, обладающую высокой механической прочностью, препятствующей развитию опасных экзогенных процессов.

Социально-экономический эффект связан с традиционным природопользованием: восстанавливаемые нарушенные склоновые участки являются частью кормовых угодий для поголовья северного оленя.

Заявленное изобретение позволяет в условиях Крайнего Севера в течение двух-трех летних сезонов восстановить естественный почвенно-растительный покров, а также обеспечить защиту грунтовой поверхности от эрозионных процессов, сохранность семян растений и удобрений в течение времени прорастания, а также обеспечить эффективное развитие корневой системы растений в период ее формирования.