Эколого-биологические свойства литостратов рекультивированных отвалов Кизеловского угольного бассейна

Горнодобывающая деятельность оказывает значительное негативное воздействие на окружающую среду. Нарушения ландшафтной структуры имеют место на всех этапах недропользования: разведке, подземной и открытой добыче, строительстве коммуникаций и переработке полезных ископаемых [Li et al., 2015; Dutta, Jain, Kumar, 2025; Thakur et al., 2025]. В результате происходят прямое изъятие земель под хранение твердых и жидких отходов, изменение рельефа, гидрологического режима территории, загрязнение поверхностных и подземных вод, почв и атмосферного воздуха [Максимович, Пьянков, 2018; Arefieva et al., 2019; Kostin et al., 2021]. При эксплуатации шахт и горной инфраструктуры отмечается трансформация структуры и состава поверхностного слоя земной коры, в частности почвеннорастительного покрова. При отсутствии мероприятий по рекультивации земель в техногенно-нарушенных ландшафтах усиливаются процессы эрозии [Харионовский, Данилова, 2020], увеличиваются ареалы загрязненных земель.

Рекультивация отвалов в угледобывающих ландшафтах способствует снижению негативного воздействия. Так, рекультивация предотвращает горение и загрязнение воздуха полиароматическими углеводородами [Bragina et al., 2014]. Покрытие отвалов на месторождениях сернокислых углей помогает снижению объемов кислых шахтных дренажей, обогащенных микроэлементами и тяжелыми металлами [Соколов, Камахина, 2011; Mitrakova et al., 2024]. Кроме того, рекультивация отвалов содействует более быстрому восстановлению почвенно-растительного покрова. Нормативными документами регламентирована рекультивация нарушенных земель, в том числе в горнодобывающих районах, она включает два этапа – технический и биологический1.

Процесс почвообразования на отвалах затруднен и продолжителен в связи с бедностью субстрата отвала или его токсичностью. На Кузбассе на отвалах антрацитового месторождения происходит формирование почв непосредственно на субстратах вскрышных пород, образуются почвы – эмбриоземы, со временем происходит накопление в них органического вещества, мелкозема и восстановления травяного покрова [Андроханов, Соколова, 2022]. На токсичных отвалах вскрышных пород восстановление растительности невозможно без его покрытия плодородным или потенциально плодородным слоем, при этом применение мелиоративных мероприятий ускоряет восстановление почвенно-растительного покрова [Осинцева, Дюкова, 2024]. Ученые предлагают новые способы рекультивации земель на территориях, нарушенных горной добычей. Так, предложен способ формирования откоса породного отвала с формированием пионерной отвальной насыпи вдоль раздвоенной границы отвала слева и справа навстречу друг к другу с последующей посадкой саженцев древесных растений [Галайко, Зеньков, 2024]. В качестве наносимого на отвал материала предлагаются мелкодисперсные грунты, такие как мелкодисперсные (без крупных включений) моренные отложения, хвосты флотационного обогащения руд, илы и сапропели водоемов, илы очистных сооружений [Архипов, Земцовская, 2016]. Устойчивый фитоценоз предотвращает эрозионные процессы на отвалах, горение и загрязнение прилегающих территорий. Для наибольшей эффективности рекультивации необходимо проводить два этапа – технический и биологический, с включением мелиоративных и агротехнических мероприятий.

Цель работы – изучение биолого-экологических свойств литостратов рекультивированных отвалов Кизеловского угольного бассейна. Задачами являются анализ физико-химических, биологических свойств литостратов и оценка их экологического состояния.

Объекты и методы исследования

Кизеловский угольный бассейн (КУБ) расположен в восточной части Пермского края. КУБ находится в пределах Западно-Уральской зоны складчатости, прилегающей к Предуральскому краевому прогибу [Геология месторождений …, 1967]. Территория КУБа относится к Западному предгорному району тяжелосуглинистых подзолистых, дерново-подзолистых и заболоченных почв; район исследования расположен в средне- и южнотаежных предгорных пихтово-еловых и елово-пихтовых лесах. Для территории месторождения характерен умеренно-континентальный климат [Атлас Пермского края, 2012].

Площадь КУБа около 1500 км². Добыча на месторождении велась подземным способом на протяжении 200 лет, в начале 2000-х годов месторождение было ликвидировано. В настоящее время на территории КУБа насчитывается несколько десятков отвалов вскрышных пород. Угли бассейна характеризуются повышенной зольностью и высоким содержанием серы, в основном пиритной [Максимович, Пьянков, 2018]. Наличие серы обуславливает образование кислых шахтных вод, которые поступают на поверхность из скважин, штолен шахт и стоков с отвалов.

Объекты исследования – техногенные поверхностные образования (литостраты) (рис. 1). Литостраты образованы в результате отсыпки глинистого материала на поверхность спланированных угольных отвалов. Рекультивация отвалов вскрышных пород на КУБе имеет очень важное значение в связи с уменьшением объемов кислых шахтных вод.

Рис. 1. Территория исследования и литостраты на отвалах [Study area and lithostrats on dumps]

Территория отбора проб включала центральную часть КУБа. Пробы почв отобраны на отвалах шахт Шумихинская (пос. Юбилейный) (1Ю, 3Ю), Гореловская (пос. Шумихинский) (4Г), Усьва (пос. Усьва) (2У), Нагорная (пос. Нагорнский) (1Н). Литостраты отобраны по слоям с шагом 10 см, глубина прикопок обусловлена мощностью насыпного грунта. Фоновые почвы территории исследования – серогумусовые глинистые.

Актуальную и обменную кислотность почв определяли потенциометрическим методом. Содержание органического вещества (ОВ) определено по методу Тюрина, гидролитическая кислотность – по методу Каппена; активность каталазы (АК)– по пермарганатному методу Джонсона и Темпле; определение активности уреазы (АУ) (карбамид-амидогидролаза) выполнено колориметрическим методом Щербакова и Райхинштейна; активность инвертазы (АИ) определена по методу Бертрана с последующим колориметрированием [Практикум по агрохимии, 2001]; проведение эксперимента по фитотестированию осуществлено с использованием кресс-салата в качестве тест-культуры [Еремченко, Митракова, 2017]. Для изучения биологических свойств литостратов заложен опыт по фитотестированию. В качестве тест-культуры использован кресс-салат Lepidium sativum L. сорта ‘Весенний’. В качестве контрольного варианта кресс-салат выращивали на вермикулите с раствором Кнопа. Тест-культуру выращивали в течении 10 дней при температуре 25°С под фитолампами. Определение плотности проводили пикнометрическим методом; определение гранулометрического состава – по методу пипетки Н.А. Качинского (фракции диаметром более 1 см были определены ситовым методом, а фракции менее 1 см – ареометрическим). Микроэлементный состав (Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb) определен методом спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой на Elan 900.

Для эколого-геохимической оценки поверхностных слоев почв использовали суммарный индекс загрязнения Zc и индекс геологического накопления элементов в почвах (Igeo). Igeo связывает содержание элементов природного фона почвы с влиянием деятельности человека на содержание элементов в техногенно-нарушенной почве. Igeo рассчитывается для каждого элемента по уравнению [Martinez, Poleto, 2014]:

/ Cn X Igeo , где Cn – содержание микроэлемента в почве; Bn – локальное природное фоновое содержание микроэлемента в почве; коэффициент K – компенсация фонового содержания за счет литогенных факторов, обычно устанавливаемый равным 1.5 [Martinez, Poleto, 2014]. Igeo делится на семь классов: 1) Igeo ≤0 – практически незагрязненный; 2) 0 < Igeo <1 – незагрязненный до умеренно загрязненного; 3) 1

Программное обеспечение MS Exel, Past и Statistica 4.03 использовалось для расчета статистических показателей. Показатели растений проанализированы с использованием t-теста, показатели почв сравнивались дисперсионным непараметрическим методом (критерий Крускала – Уоллиса). Значимые различия между сравниваемыми средними значениями считались с уровнем достоверности 95% и выше (р <0.05). Для анализа полученных данных использовали регрессионный и корреляционный анализы с доверительной вероятностью 95%.

Результаты и их обсуждение

Верхние слои литостратов характеризуются кислой и слабокислой реакцией (рНвод=4.1–6.2; рНсол=5.5–3.2), при этом с глубиной кислотность увеличивается. Это связано с наличием в нижней части почв включений пород отвала, имеющих очень кислую реакцию за счет сульфидных минералов. Гидролитическая кислотность (Нгк) также свидетельствует о возрастании кислотности с глубиной (табл. 1). Кислотность верхнего слоя литостратов не отличается от кислотности фоновых почв; судя по всему, глинистый материал для отсыпки отвалов представляет собой местную породу. Известно, что кислотность негативно влияет на питание растений, их рост и развитие. При проведении рекультивации необходимо учитывать мелиоративные мероприятия, например известкование почв.

Таблица 1

Химические свойства литостратов

[Chemical properties of lithostrats]

Содержание ОВ в литостратах увеличивается вниз по профилю (табл. 1). Увеличение ОВ с глубиной связано со смешиванием отсыпанной глины и углистых частиц, количество которых увеличивается с глубиной. Уменьшение количества органического вещества с глубиной может быть признаком того, что отсыпку глины на поверхность отвала произвели сравнительно недавно. Содержание ОВ в фоновой серогумусовой почве уменьшается с глубиной. Количество ОВ в верхнем слое серогумусовой почвы достоверно превышает содержание ОВ в верхних слоях литостратов. Это связано с молодостью почв на отвалах и отсутствием устойчивого растительного покрова. Накопление ОВ со временем развития почв подтверждает публикация [Bandyopadhyay et al, 2020], в которой приведены данные по исследова- нию почв врайонах угледобычи. В почвах деградированных земель угольных шахт через 5, 10 и 25 лет после добычи запасы углерода и азота увеличивались по сравнению с первоначальным состоянием.

Информативными показателями эколого-биологического состояния почв являются почвенные ферменты. Ферменты участвуют в процессах разложения органики и образования гумуса. Активность ферментов используется как интегральный показатель активности биологических процессов. Также активность ферментов можно использовать в качестве индикаторов развития процессов восстановления почв в промышленных районах [Li et al., 2015], ферменты чувствительны к загрязнению тяжелыми металлами [Сайранова, Еремченко, 2024]. Каталаза относится к группе ферментов оксидоредуктаз, она катализирует окислительно-восстановительную реакцию расщепления молекулы перекиси водорода до воды и кислорода. Каталаза является чувствительным ферментом к изменению почвенных условий: температуры, кислотности, аэрации и др. [Новоселова, Волкова, 2017]. Инвертаза гидролизует сахарозу, рафинозу, генцианозу, стахиозу: катализирует фруктотрансферазные реакции на глюкозу и фруктозу. По активности инвертазы можно судить о скорости разложения углесодержащих органических соединений [Саетга-лиева, 2014]. Фермент уреаза катализирует гидролиз мочевины до аммиака, углекислого газа и воды.

Активность каталазы в верхних слоях серогумусовой почвы достоверно превышает показатели АК в литостратах 1Ю, 4Г и 2У (табл. 2). Активность каталазы имеет тенденцию к снижению с глубиной, однако в некоторых литостратах АК с глубиной увеличивается. Возможно, это связано с содержанием ОВ и слабокислой реакцией почв.

Активность уреазы в верхних слоях фоновой серогумусовой почвы (1.9 мг N-NH на 10 г почвы за 24 ч) в несколько десятков раз превышает АУ в литостратах (0.01–0.75 мг N-NH на 10 г почвы за 24 ч). Активность уреазы в большинстве литостратов снижается с глубиной. Показатели активности уреазы в литостратах свидетельствуют о низком содержании органического вещества и нарушении способности почвы эффективно осуществлять азотный обмен.

Статистический анализ показал достоверные отличия в активности инвертазы в верхних слоях фоновой серогумусовой почвы и литостратов (табл. 2). Активность инвертазы максимальна в поверхностном слое почвы, далее вниз по профилю ее активность снижается, что соответствует снижению содержания гумуса и численности микрофлоры [Магда, Мазиров, Зинченко, 2022].

Таблица 2

Биологические свойства литостратов и морфометрические показатели тест-культуры [Biological properties of lithostrats and morphometric parameters of the test culture]

Примечание: * – достоверные отличия от фона.

Фитотестирование применяется для оценки экологического состояния почв разных ландшафтов и при различном антропогенном воздействии. Так, с помощью фитотестирования проведена оценка эффективности технической рекультивации нефтезагрязненных почв и способности создавать условия для роста и развития культурных растений [Еремченко и др., 2022]. При изучении состояния почв в урбанизированных и техногенных ландшафтах применение фитотестирования явилось информативным методом оценки экологических свойств почв [Еремченко, Митракова, 2016]. В настоящем исследовании фитотестирование показало достоверное отличие массы и высоты кресс-салата, выращенного на вермикулите, от массы кресс-салата, выращенного на пробах верхних слоев литостратов и фоновой почвы. Масса растений, выращенных на фоновой серогумусовой почве, достоверно превышает массу растений, выращенных на литострате 1Н (табл. 2). Высота кресс-салата, выращенного на фоновой почве, достоверно ниже, чем высота растений, выращенных на литостратах 2У и 4Г (рис. 2). В целом фитотестирование свидетельствует об удовлетворительном состоянии как литостратов, так и фоновой почвы по отношению к контрольному варианту на вермикулите, т. к. разница в показателях не превышает 30% [Еремченко, Митра-кова, 2017].

Гранулометрический состав определяет физические, химические, биологические свойства почвы, а также ее плодородие. Литостаты на отвалах плотные, удельная плотность верхних слоев составляет около 2.6 г/см3, что соответствует минеральным горизонтам почв. С глубиной плотность снижается до 2.0– 2.3 г/см3, что связано с воздействием техники на горнотехническом этапе рекультивации. Плотность серогумусовой почвы в верхнем слое достоверно ниже, чем в литостратах.

Литостраты по всей глубине профиля имеют глинистый гранулометрический состав, как и фоновая почва (рис. 2). Содержание физической глины и физического песка составило в основном 60 на 40%. Верхние слои почв характеризуются как глина легкая и глина тяжелая крупнопылевато-иловатая или суглинок тяжелый крупнопылевато-иловатый. Нижние слои менее плотные за счет большого количество включений в виде угля, гальки и минералов, составляющих породный отвал. Гранулометрический состав нижних слоев чаще всего представлен суглинком тяжелым мелкопесчано-иловатым, а также глиной легкой крупнопылевато-иловатой. Уплотнение неблагоприятно сказывается на водном и воздушном режиме почвы, способствует снижению биологической активности и препятствует восстановлению растительности. Плотность имеет большое влияние на урожайность сельскохозяйственных культур [Дридигер, Стукалов, Матвеев, 2017], а также на восстановление почвенно-растительного покрова на отвалах горной добычи. Так в работе [Гуркова, Андроханов, Лавриненко, 2020] показано, что низкая плотность отсыпаемых на рекультивированные отвалы угледобычи в Хакасии потенциально плодородных пород способствует более эффективному восстановлению растительности. Механическая обработка почвы оказывает влияние на подавляющее большинство биохимических почвенных процессов, ее отсутствие способствует замедлению процессов разложения органического вещества [Магда, Мазиров, Зинченко, 2022]. Таким образом, механическая обработка поверхности литостратов в период рекультивации будет играть важную роль для произрастания растений.

Рис. 2. Гранулометрический состав почв (А – серогумусовая почва, Б- литострат 2У, С – литострат 1Н) [Granulometric composition of soils (A – gray humus soil, B – lithostrat 2U, C – lithostrat 1N)]

Исследование тяжелых металлов обусловлено их токсичностью для живых организмов и значительным распространением. Содержание таких элементов, как Cd, Cu, Zn, Hg Pb в почвах данной территории связано с его халькофильной природой и геохимическими особенностями данного ландшафта [Копылов, 2013]. Минералы вскрышных пород угольных отвалов обогащены рядом тяжелых металлов, что также является причиной их появления в почвах угледобывающих территорий [Yiwei et al., 2008; Lewinska-Preis et al., 2021].

Содержание тяжелых металлов в корнеобитаемом слое литостратов превышает фоновые значения (табл. 3). Количество Cd и Pb в литостратах также превышает кларк и ОДК, что, по-видимому, связано с халькофильной природой элементов. Так, согласно [Bragina et al., 2014], кадмий и свинец являются одними из наиболее распространенных элементов, накапливающихся в почвах в угледобывающих районах.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почв (0–10 см), мг/кг

[Heavy metal content in the root layer of soils (0-10 cm), mg/kg]

Примечание: * – кларк по Виноградову (1962); ** – СанПин 1.2.3685-21 (рН-KCl <5.5); Zc – интегральный показатель загрязнения; жирным шрифтом превышения относительно кларка, курсивом – относительно ОДК/ПДК.

Суммарный показатель загрязнения Zc варьирует от 5.1 до 8.3, что указывает на допустимый уровень содержания тяжелых металлов. Индекс геоаккумуляции (Igeo) показал умеренное загрязнение Hg верхних слоев литостратов 1Ю и 3Ю, для литострата 1Н выявлено загрязнение Cu, для почвы 2У – умеренное загрязнение Cd. Для данных почв значение Igeo составило 1.3–1.6.

Заключение

Литостраты на отвалах Кизеловского угольного бассейна характеризуются слабокислой реакцией поверхностных слоев, с глубиной кислотность увеличивается до сильнокислой. Содержание органического вещества очень низкое, что объясняется молодостью данных почв. Активность каталазы и инвертазы почти во всех почвах незначительно меньше фонового уровня. Активность уреазы в фоновой почве в десятки раз превышает АУ в литостратах, что может быть обусловлено низким содержанием азота в почвах и фрагментарным растительным покровом. Фитотестирование в целом свидетельствует об удовлетворительном состоянии поверхностных слоев литостратов. Несмотря на то, что содержание тяжелых металлов превышает фоновые значения, индексы загрязнения свидетельствуют о допустимом уровне загрязнения. Однако, кроме отсыпки на поверхность отвалов глинистого материала, необходимы мелиоративные и агротехнические мероприятия, такие как вспашка, внесение минеральных и органических удобрений, посадка травянистых культур.