Биогенные свойства почвенного покрова при угледобыче (на примере Азейского месторождения)

Территории разработок угольных месторождений занимают значительные пространства, а их влияние на окружающую среду усиливается. Горнотехническая деятельность человека является причиной образования техногенных ландшафтов, в которых почва, как неотъемлемый и незаменимый компонент биосферы, полностью или в значительной степени нарушена. Изучение экологических характеристик почвенного покрова нарушенных земель при угледобы- че всегда было и остается актуальной задачей современности. На исследуемой территории в условиях Восточной Сибири (Тулунский район) был проведен экологический мониторинг, целью которого являлось ежегодное наблюдение за состоянием природных сред (в том числе почвенного покрова нарушенных земель), их преобразованием и мерой снижения негативного воздействия на окружающую среду.

В этой связи ключевые задачи сводились к следующему: отбор почвенных образцов в вегетационный период, определение их биологической активности, установление степени фитотоксичности, характеристика микробиоценоза и интерпретация полученных результатов.

Объекты и методы исследования

Исследуемая территория угольного месторождения «Азейский» находится в Восточной Сибири на западе Иркутской области (Тулунский район). Район является индустриально-аграрным. Основные отрасли — угледобывающая и сельское хозяйство вносят свой вклад в развитие экономики и обеспечения продовольственной безопасности Приангарья. Климат района резко континентальный с продолжительной и холодной зимой. Значительное удаление от морей и океанов обусловило слабое влияние на его климат теплых воздушных масс, но предопределило сильное воздействие Азиатского антициклона. Среднегодовая температура воздуха составляет от — 1,8–3,5 °С, средняя температура января — 20,5–22,8 °С, июля от +15,1–17,3 °С. Годовое количество осадков изменяется в зависимости от высоты местности и составляет около 400 мм в районе Тулуна. На территории Тулунского района широкое распространение получили почвы: дерново-подзолистые, а также серые лесные глееватые и глеевые. Растительный мир представлен характерной для Восточной Сибири тайгой (Атлас. Иркутская область: экол…, 2004).

Площадь нарушенных земель Азейского месторождения угля составляет около 1000 га, что позволяет отнести их к крупноплощадным. Из них 800 га отработано в отвалы и спланировано (Дубынина, 2017). Нарушенная поверхность представляет систему гребней, поднимающихся на 14–16 м. По составу вскрытых пород они относятся к мелкозёмистым (пески, супеси, суглинки, глины).

Объектом детального исследования служили почвогрунты, одного из законсервированных участков горных работ разреза «Азейский». Консервирование эксплуатационной площади было вызвано временной приостановкой угледобычи. Участок занимает Юго-Западную территорию месторождения, который является северным крылом Заазейской впадины. Он отделен от других горных участков отработанными площадями.

Почвенный покров спланированных и выровненных поверхностей представляет собой гетерогенный субстрат, что характерно для любых нарушенных земель. (Андроханов, Курачев, 2010, Напрасникова, 2004). Почвенный покров месторождения представлен почвогрунтами (смесью почвы с горными породами с включением частиц угля), которые характеризуются как малообогащенные азотом (от 0,1 до 0,33 %) и гумусом (от 1,14 до 7,1%). Щелочно-кислотные условия субстратов колеблются от слабокислых до слабощелочных. (Воробьева,

Власова, 2012). Известно, что особенности химизма изучаемых, почвогрунтов и их токсичные свойства, определяются составом токсичных ионов и их солей. Основными показателями является количественное содержание ионов: HCO3-, Cl-, SO42-. Эти сведения важны для определения и интерпретации порога токсичности изучаемых почвогрунтов, особенно при определении фитотоксичности субстратов. Анализы показали, что количественное содержание ионов в почвогрунтах низкое, так как не достигает порога токсичности (Базилевич, Панкова, 1968). На выровненной поверхности законсервированного участка преобладают: осиново-березовые леса с разнотравно-хвощево-злаковой травяной фитомассой; сосновые леса с осиной и березой с высокотравным злаково-костяничным сообществом, а также разнотравно-злаковые и разнотравно-бобово-злаковые луга (Дубынина, 2017).

Образцы почв и почвогрунтов отбирались согласно общепринятым методикам (Методы почв…, 1991). Показатели рН почв установлены потенциометрическим методом. Для определения биологической активности почвогрунтов был использован экспресс-метод Т. В. Аристовской, М. В. Чугуновой (1989), который является биодиагностическим и высокоинформативным. Сущность метода состоит в определении скорости (в часах) изменения рН индикатора от выделяемого аммиака при разложении карбамида, как суммарного результата биохимической деятельности почвенной микрофлоры и отчасти растительности. Фитотоксичность почвогрунтов определена методом прорастания семян высших растений. В качестве тест-объекта служили мелкие семена редьки в соответствии с методическими указаниями (Методы почв…, 1991). По ингибированию прорастания испытуемых семян (в %) судили о степени фитотоксичности почвенных субстратов. Микробиологический анализ выполнен путем высева на стандартные питательные среды по общепринятым методикам (Методы почв…, 1991).

Результаты и обсуждение

Результаты исследований биологической активности почвогрунтов (БАП) участка консервации в разные годы представлены графически на рис. 1. Уровень БАП за период наблюдения (2010–2013 гг.) значительно менялся на всех почвенных разрезах. Чем меньше скорость разложения карбамида, тем выше степень активности испытуемого субстрата. Так, пределы её колебаний составили от 7,5 до 16,5 часов. При этом размах колебаний показывает 9 ч. Такие изменения связываем с гидротермическими факторами. Контрольные почвы природных рубежей не явились исключением, но показали меньшую вариабельность. Значения БАП изменялись от 9,5 до 14 часов, размах колебаний составил 4,5. Сравнительный анализ показал, что БАП нарушенных земель неустойчива, но вполне сопоставима с контрольной. Значения БАП законсервированного участка (за редким исключением: рис.1 — т. 1; 4; 19), можно отнести к среднеактивным. Следует отметить, что рассмотренная БАП, по своей биохимической сущности полифункциональное явление, так как, показывает возможность существенного вклада уреазной активности почвогрунтов в эмиссию углекислого газа.

№ разрезов почвогрунтов

Рис. 1. Уровень биологической активности нарушенных земель законсервированного участка месторождения «Азейский» (слой — 0–10 см).

Примечание: номера разрезов по годам — 1–7 — 2010; 9–11 — 2011; 13–15 — 2012;

17–19 — 2013 гг.; разрезы: 8; 12; 16; 20 — контрольные (фоновые).

Наряду с природными токсическими продуктами, в окружающую среду промышленных районов поступают разные по составу и свойствам техногенные загрязнители. Трудности диагностики не позволяют четко дифференцировать эти вещества и определять степень их влияния на отдельные компоненты окружающей среды. В связи с проблемами их прямого определения, в познании ингибирующей функции почвы, используются косвенные методы. Речь идет об оценке степени фитотоксичности по биотестам — семенам высших растений. Результаты этих определений в лабораторных условиях представлены на рис. 2. Не смотря на то, что преобладающее

1 2 3 4 5 6 7 S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 IS 19 20

№ разрезов почогр\гнтов

Рис. 2. Степень фитотоксичности нарушенных земель законсервированного участка месторождения «Азейский».

Примечание: номера разрезов по годам такие же, что на рис.2.

количество испытуемых почвогрунтов показали отсутствие фитотоксичности, некоторые из них (т. 9; т. 11; т. 17), в отдельные годы, приблизились к порогу токсичности. Данный факт связываем с гидротермическими факторами и отчасти с присутствием токсичных ионов и их солей, которые могут проявляться от свойств почвенного покрова: состава, увлажненности, видов произрастающей растительности, наличия тяжелых металлов.

Кроме всхожести семян дополнительным показателем явилась биомасса проростков в лабораторных условиях. Данные представлены графически (см. рис. 3). Кривая четко показывает тренд постепенного убывания показателей

Рис.3. Биомасса проростков испытуемых семян нарушенных земель законсервированного участка месторождения «Азейский»

Примечание: номера разрезов по годам — 1–3 (2010); 4–6 (2011);

7–9 (2012); 10–12 (2013).

по годам наблюдения. Биомасса проростков имеет достаточное сходство между собой, но только внутригодичное. Сравнение результатов опытных почвогрунтов с контрольной почвой, выявило, что они уступают (по биомассе отростков) почти в два раза. Степень фитотоксичности такой картины не показала, за исключением результатов в 2011 году, который был засушливым, в отличие от других лет. Причинами различий показателей по годам, можно считать гидротермический фактор и малообогащенность почвогрунтов биогенными элементами.

Изучение биогенных свойств почвогрунтов было бы не полным без исследования незаменимого и неотъемлемого компонента — почвенно-микробного комплекса. Известно, что экологическая значимость микробиоты состоит в том, что она не просто обитатель, а созидатель почв. Иными словами, биологическая активность почв или почвоподобных субстратов зависит от полифункциональной деятельности микробиоты, как участников почвообразования.

На репрезентативных разрезах были отобраны образцы почвогрунтов в верхних биологически активных слоях. Результаты анализов представлены в таблице. Как количественные, так и качественные показатели, были вполне ожидаемы и сопоставимы с техногрунтами нарушенных земель в других регионах Сиби-

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

БИОЛОГИЯ, ГЕОГРАФИЯ ри (Напрасникова, 2004, Шергина и др., 2015). Качественный состав эубакте-рий представлен в основном бациллами и псевдомонадами. Доминируют: Род Bacillus: B. cereus, B. mesentericus-subtilis, B. mycoides; Род Pseudomonas. Акти-номицеты однообразны и представлены белыми и серыми цветовыми линиями секций Albus и Cinereus.

Таблица

Численность микроорганизмов нарушенных земель законсервированного участка (млн. КОЕ* /г почвы), слой — 0–10 см

№ образца	Аммонифицирующие бактерии на мясопептонном агаре	Актиномицеты на Крахмало-ммиачном агаре	Микромицеты на сусло-агаре
1	0,6±0,1	0,11±0,01	0,01±0,001
2	0,9±0,1	0,15±0,01	0,02±0,002
3	1,1± 0,12	0,23±0,02	0,03±0,003
Контроль, дерновая лесная оподзол. почва	2,1±0,23	0,51±0,05	0,06±0,006

*колониеобразующие единицы

Доминируют в почвенном покрове толерантные к нейтральным и слабощелочным значениям рН микроскопические грибы родов: Fusarium, Aspergillus, Penicillium тоже время в контрольной почве, кроме вышеуказанных, обнаружены роды: Alternaria , Mucor .

Заключение

Биодиагностические принципы, с использованием индикационных методов и выбором интегральных показателей, позволили выявить биогенные свойства почвенного покрова нарушенных земель при открытой добыче угля и их функциональные особенности в пространственно-временном аспекте. Отмечена тенденция увеличения биологической активности почвогрунтов, что характеризует развитие сложных биохимических процессов по прогрессивному типу. Этому способствуют нетоксичность отвальных пород вскрышной толщи, оптимальное соотношение тепла и влаги в вегетационный период, наличие разнообразного и активного микробного комплекса, включающего в себя все основные систематические группы. Совокупность результатов по долгосрочному исследованию биогенных свойств почвогрунтов законсервированных участков позволяет отнести их к эмбриозёмам.

Таким образом, в результате продолжительных исследований сложных почвенно-биохимических процессов, выявлена их направленность, установлена структурно-динамическая характеристика микробиоценозов, показана нетоксичность субстратов для произрастания растений. В целом, биогенные свойства почвенного покрова законсервированных участков угольного разреза «Азейский», в реальном времени можно охарактеризовать как удовлетворительные.