Effect of long-term phytoremediation on the soil genesis potential of the technozems of the pokrov research station

Abstract

Topicality. In Ukraine, reclaiming the vast areas of mined lands is critical for improving the environment, human health, and agricultural production. Land reclamation is particularly relevant due to large-scale manganese mining in the Nikopol district of Dnipropetrovsk region. Purpose. Our research is aimed to create land use technologies that maximize soil fertility and agricultural productivity while minimizing the time, cost and negative environmental effects of the remediation. Methods. The experiment was placed on loess-like red-brown loam (quaternary). The species mixture included Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Medicago sativa L., Melilotus albus Medik., Agropyron pectiniforme Roem. et Schult., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub. Avena sativa with Vicia sativa were the cover crops of this species mixture. Results. A legume-grass mixture used for hay or forage is the most appropriate transition to profitable field-crop production on the bare, drastically disturbed soil that remains after mining operations. The most appropriate composition (in mln. seed per hectare) of legume-grass mixture during sowing included about 1.8 mln. seeds/ha of Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Medicago sativa L. and Melilotus albus Medik., 0.6 mln. seeds/ha of Agropyron pectiniforme Roem. et Schult. and 0.5 mln. seeds/ha of Bromopsis inermis (Leyss.) Holub. This system produced high quality hay yields of 2.4 to 4.9 t/ha even without topsoil replacement. The percentage of harvested legume biomass decreased from 85 to 5 %, humus content – from the initial 0.32 % to 1.52 % at 0–5 cm, and to 1.24 % at 0–20 cm, depending on cultivation variants and the time period after planting. It was found that macronutrient content increased by 2.4–4 times. Bulk density of substrate at depth of 0–40 cm varied from 1.24–1.33 g/cm3 . Conclusion. In the Southern Steppe of Ukraine, it was found that the long-term (over 50 years) intensive phytoremediation, primarily with perennial legume-grass agrocenosis, contributed to increasing the nutrient content of technosols and optimising their physical and biological properties. Рекультивація величезних площ порушених земель, які залишилися спустошеними, є критично важливою в Україні для покращення навколишнього середовища, здоров’я людей та сільськогосподарського виробництва. Особливо актуальною є потреба у рекультивації Нікопольського району Дніпропетровської області, оскільки тут великий видобуток марганцю. Метою нашого дослідження було створення такої технології землекористування, яка б сприяла відновленню родючості ґрунтів та продуктивності сільського господарського використання при мінімізації часу, вартості та негативних екологічних наслідків проведення рекультивації. Матеріали і методи. Дослідні ділянки розміщували на різноякісних конструкціях з лесоподібних, червоно-бурих суглинків. Вирощувана суміш видів включала Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Medicago sativa L., Melilotus albus Medik., Agropyron pectiniforme Roem. et Schult., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub. Ця видова суміш була розміщена під покровом таких культур: Avena sativa з Vicia sativa. Результати. Злаково-бобова суміш, яка використовується на сіно або корм, є найдоцільнішим переходом до рентабельного вирощування польових культур з порушеного ґрунту, що залишився після гірничих робіт. Найбільш прийнятний агрофітоценоз (у млн. насінин на гектар) бобових і злакових компонентів при сівбі становив близько 1,8 млн. насіння/га Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Medicago sativa L. та Melilotus albus Medik., 0,6 млн. насіння/га Agropyron pectiniforme Roem. et Schult. та 0,5 млн. насіння/га Bromopsis inermis (Leyss.) Holub. Від 2,4 до 4,9 т/га високоякісного сіна за цією схемою можна одержувати навіть без нанесення верхнього родючого шару ґрунту. Відсоток урожайної біомаси, отриманої від бобових, зменшувався з роками після сівби з 85 до 5 % залежно від варіантів вирощування та тривалості після сівби. Вміст гумусу збільшився з початкових 0,32 % до 1,5 % в 0–5 см, і до 1,2 % в 0–20 см. Вміст макроелементів збільшився в 2,4–4 рази. Щільність складення субстрату в 0–40 см коливається від 1,24–1,33 г/см3 . Висновки. В умовах Південного Степу України на рекультивованих землях встановлено, що довготривалий (понад 50 років) вплив інтенсивної фітомеліорації, насамперед багаторічними бобово-злаковими агроценозами, сприяв збільшенню в техноземах поживних речовин, оптимізації фізичних і біологічних властивостей.