Assessing the effectiveness of sewage sludge in the reclamation of disturbed areas in the Kola subarctic zone (a case study of a sand quarry)
- 1 — Ph.D., Dr.Sci. Chief Researcher N.A.Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden-Institute, Kola Science Centre of the RAS ▪ Orcid
- 2 — Ph.D. Senior Researcher Laboratory of Nature-Inspired Technologies and Environmental Safety of the Arctic NMC, Kola Science Centre of the RAS ▪ Orcid
- 3 — Ph.D. Researcher Institute of North Industrial Ecology Problems, Kola Science Centre of the RAS ▪ Orcid
Abstract
An assessment was made of the effectiveness of reclamation using sewage sludge for the accelerated formation of a stable erosion-proof vegetation cover on the unproductive anthropogenic soil of a sand quarry in the context of the Kola North. The experiment, launched in 2017, included three treatments: control – no treatment, experiment 1 – fragmentary (50 %) application of sewage sludge, experiment 2 – continuous application. In the sixth growing season, anthropogenic soil samples were examined, and measurements of CO 2 emissions were carried out. It was shown that the application of sewage sludge had a positive effect on the physicochemical and agrochemical properties of the soils: in situ pH and density decreased, hygroscopicity increased, available phosphorus and potassium increased. Significant differences ( p < 0.05) were found between CO 2 emissions in the control and experimental treatments. The content of organic carbon in the control treatment was lower than in the experimental ones; under fragmentary application of sewage sludge, it was three times lower, and under continuous application, it was nine times lower. Significant( p < 0.05) differences in the content of carbon and nitrogen in cold and hot water extracts between control and treatment samples were found under continuous application of sewage sludge. At the same time, by calculating the C/N ratio,a very low level of nitrogen was found in the humus. The main factors behind the variability of the estimated parameters were identified – the treatment itself and the method of its application, the contribution of the treatment alone was 60 %, the contribution of the application method was 14 %. Taking into account the economic factors, fragmentary application of sewage sludge onto the anthropogenic sand quarry soil is recommended to support the establishment of a stable erosion-proof phytocenosis.
References
- Даббаг А. Изучение свойств растений песчаных карьеров Московской области для восстановления растительности песчаных карьеров // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2018. Т. 26. № 3. С. 299-308. DOI: 10.22363/2313-2310-2018-26-3-299-308
- Gentili R., Casati E., Ferrario A. et al. Vegetation cover and biodiversity levels are driven by backfilling material in quarry restoration // CATENA. 2020. Vol. 195. № 104839. DOI: 10.1016/j.catena.2020.104839
- Мосейкин В.В., Гальперин А.М., Ермолов В.А., Круподеров В.С. Анализ ситуации с горнопромышленными отходами (геоэкологические аспекты) // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № S1. С. 7-23.
- Li Wang, Bin Ji, Yuehua Hu et al. A review on in situ phytoremediation of mine tailings // Chemosphere. 2017. Vol. 184. P. 594-600. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.06.025
- Иванова Н.А. Биологическая рекультивация песчаных карьеров Марийского Заволжья созданием лесных культур сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.): Автореф. дис. … канд. с.-х. наук. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2020. 21 с.
- Осипенко Р.А., Зарипов Ю.В., Белов Л.А., Морозов А.Е. Опыт рекультивации песчаных карьеров в северной подзоне тайги // Леса России и хозяйство в них. 2020. № 4 (75). С. 12-19. DOI: 10.51318/FRET.2020.40.90.002
- Копцик Г.Н., Копцик С.В., Смирнова И.Е. Альтернативные технологии ремедиации техногенных пустошей в Кольской Субарктике // Почвоведение. 2016. № 11. С. 1375-1391. DOI: 10.7868/S0032180X16090082
- Лусис А.В., Иванова Л.А., Горбачева Т.Т., Румянцева А.В. Формирование противоэрозионного растительного покрова на песчаном карьере в условиях Арктики с помощью осадка сточных вод // Горные науки и технологии. 2023. Т. 8. № 3. С. 223-231. DOI: 10.17073/2500-0632-2023-01-73
- Garbini G.L., Caracciolo A.B., Rolando L. et al. Effects of municipal waste compost on microbial biodiversity and energy production in terrestrial microbial fuel cells // New Biotechnology. 2023. Vol. 78. P. 131-140. DOI: 10.1016/j.nbt.2023.10.009
- Asemaninejad A., Langley S., Mackinnon T. et al. Blended municipal compost and biosolids materials for mine reclamation: Long-term field studies to explore metal mobility, soil fertility and microbial communities // Science of The Total Environment. 2021. Vol. 760. № 143393. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.143393
- Shengguo Xue, Feng Zhu, Xiangfeng Kong et al. A review of the characterization and revegetation of bauxite residues (Red mud) // Environmental Science and Pollution Research. 2016. Vol. 23. Iss. 2. P. 1120-1132. DOI: 10.1007/s11356-015-4558-8
- Asensio V., Covelo E.F., Kandeler E. Soil management of copper mine tailing soils – Sludge amendment and tree vegetation could improve biological soil quality // Science of The Total Environment. 2013. Vol. 456-457. P. 82-90. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2013.03.061
- Novo L.A.B., Covelo E.F., González L. The use of waste-derived amendments to promote the growth of Indian mustard in copper mine tailings // Minerals Engineering. 2013. Vol. 53. P. 24-30. DOI: 10.1016/j.mineng.2013.07.004
- Lingyan Zhou, Zhaolong Li, Wen Liu et al. Restoration of rare earth mine areas: organic amendments and phytoremediation // Environmental Science and Pollution Research. 2015. Vol. 22. Iss. 21. P. 17151-17160. DOI: 10.1007/s11356-015-4875-y
- Lin Zhang, Wen Liu, Shenghong Liu et al. Revegetation of a barren rare earth mine using native plant species in reciprocal plantation: effect of phytoremediation on soil microbiological communities // Environmental Science and Pollution Research. 2020. Vol. 27. Iss. 2. P. 2107-2119. DOI: 10.1007/s11356-019-06645-2
- Копцик Г.Н., Смирнова И.Е., Копцик С.В. и др. Эффективность ремедиации почв техногенных пустошей вблизи комбината «Североникель» на Кольском полуострове // Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение. 2015. № 2. С. 42-48.
- Виноградов Д.В., Василева В.М., Макарова М.П. и др. Агроэкологическое действие осадка сточных вод и его смесей с цеолитом на агроценозы масличных культур // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 3. С. 127-133. DOI: 10.25750/1995-4301-2019-3-127-133
- Asensio V., Vega F.A., Andrade M.L., Covelo E.F. Technosols Made of Wastes to Improve Physico-Chemical Characteristics of a Copper Mine Soil // Pedosphere. 2013. Vol. 23. Iss. 1. P. 1-9. DOI: 10.1016/S1002-0160(12)60074-5
- Петрова Т.А., Рудзиш Э. Рекультивация техногенно-нарушенных земель с применением осадков сточных вод в качестве мелиорантов // Записки Горного института. 2021. Т. 251. С. 767-776. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.16
- Пуртова Л.Н., Костенков Н.М., Семаль В.А., Комачкова И.В. Эмиссия углекислого газа из почв природных и антропогенных ландшафтов юга Приморья // Фундаментальные исследования. 2013. № 1. Ч. 3. С. 585-589.
- Иванова Л.А., Лусис А.В., Горбачева Т.Т., Красавцева Е.А. Пора восстанавливать Арктику. Использование отходов производства и потребления региональных водопроводно-канализационных хозяйств для реабилитации нарушенных ландшафтов. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 2023. 77 с. DOI: 10.37614/978.5.91137.494.5
- Шмакова Н.Ю., Иванова Л.А., Ермолаева О.В., Лусис А.В. Фотосинтетическая продуктивность искусственно созданных фитоценозов с применением осадка сточных вод // Маркшейдерия и недропользование. 2023. № 3 (125). С. 60-68. DOI: 10.56195/20793332_2023_3_60_68
- Hamkalo Z., Bedernichek T. Total, cold and hot water extractable organic carbon in soil profile: impact of land-use change // Zemdirbyste-Agriculture. 2014. Vol. 101. № 2. P. 125-132. DOI: 10.13080/z-a.2014.101.016
- Корнейкова М.В., Васенев В.И., Салтан Н.В. и др. Анализ эмиссии СО2 городскими почвами в условиях Крайнего Севера // Почвоведение. 2023. № 11. С. 1385-1399. DOI: 10.31857/S0032180X23600373
- Mikha M.M., Benjamin J.G., Stahlman P.W., Geier P.W. Remediation/Restoration of Degraded Soil: I. Impact on Soil Chemical Properties // Agronomy Journal. 2014. Vol. 106. Iss. 1. P. 252-260. DOI: 10.2134/AGRONJ2013.0278
- Хордан М.М., Бек Дж., Гарсия-Санчес Э., Гарсия-Оренес Ф. Анализ объемной плотности и агрегатной устойчивости в перколяционных колоннах // Записки Горного института. 2016. Т. 222. С. 877-881. DOI: 10.18454/PMI.2016.6.877
- Matiasek S.J., Pellerin B.A., Spencer R.G.M. et al. Water-soluble organic carbon release from mineral soils and sediments in an irrigated agricultural system // Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 343. № 118184. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.118184
- Бобрик А.А. Закономерности эмиссии парниковых газов почвами северотаежных и лесотундровых экосистем Западной Сибири: Автореф. дис. … канд. биол. наук. М.: Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 2016. 26 с.
- Singh A.K., Kumar S., Kalambukattu J.G. Assessing aggregate stability of soils under various land use/land cover in a watershed of Mid-Himalayan Landscape // Eurasian Journal of Soil Science. 2019. Vol. 8. Iss. 2. P. 131-143. DOI: 10.18393/ejss.514319
- Хлыстов И.А. Углерод и азот органических соединений почвы в условиях загрязнения выбросами медеплавильного завода // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. № 5. С. 17-22.
- Šeremešić S., Milošev D., Sekulić P. et al. Total and hot-water extractable carbon relationship in chernozem soil under different cropping systems and land use // Journal of Central European Agriculture. 2013. Vol. 14. Iss. 4. P. 1496-1504. DOI: 10.5513/JCEA01/14.4.1382
- Ortner M., Seidel M., Semella S. et al. Content of soil organic carbon and labile fractions depend on local combinations of mineral-phase characteristics // SOIL. 2022. Vol. 8. Iss. 1. P. 113-131. DOI: 10.5194/soil-8-113-2022
- Шамрикова Е.В., Кубик О.С., Денева С.В., Пунегов В.В. Состав водорастворимой фракции почв побережья Баренцева моря: органический углерод и азот, низкомолекулярные компоненты // Почвоведение. 2019. № 11. С. 1322-1338. DOI: 10.1134/S0032180X19110108
- Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г., Зукерт Н.В. и др. Межгодовые изменения ФАР и влажности почвы в теплый сезон могут быть важнее для направления годового углеродного баланса в тундрах, чем колебания температуры // Журнал общей биологии. 2013. Т. 74. № 1. С. 3-22.
- Гончарова О.Ю., Семенюк О.В., Матышак Г.В., Богатырев Л.Г. Биологическая активность городских почв: пространственная вариабельность и определяющие факторы // Почвоведение. 2022. № 8. С. 1009-1022. DOI: 10.31857/S0032180X22080032
- Xiaomei Chen, Muying Liu, Zhanying Xu, Hui Wei. Influences of temperature and moisture on abiotic and biotic soil CO2 emission from a subtropical forest // Carbon Balance and Management. 2021. Vol. 16. № 18. DOI: 10.1186/s13021-021-00181-8