Посттехногенное почвообразование на отвальных породах как фактор восстановления природных ландшафтов

Л.Т. Крупская [9, 10] предложила классификацию техногенных факторов и техногенных ландшафтов и выделила 3 фазы образования первичных экосистем: фаза первичной дезинтеграции, посттехногенного развития и фаза оптимизации посттехногенного ландшафта. С.А. Шляховым [16] приведены морфологическое описание и физикохимические характеристики техногенных поверхностных образований (ТПО) различных типов вскрышных отвалов, эфельных отвалов, дражных отвалов, днищ отстойников и пазух, формирующихся на месте разработки россыпных месторождений золота на Буреинском нагорье.

Рекультивации почв Дальневосточного региона посвящены работы Н.М. Костенкова, В.И. Ознобихина [7] в которых подробно рассмотрены основные направления биологической рекультивации земель и отвалов с целью восстановления плодородного слоя на техногенных образованиях, предложены показатели, которые отражают степень пригодности отвалов пород для биологической рекультивации, приведены их агрохимическая, физикохимическая и гидрофизическая характеристики. Исследованию органического вещества почв, сформированных на отвалах вскрышных пород в фазу их посттехногенного развития, частично рассмотрены в работах Костенкова Н.М и Пуртовой Л.Н [8], Комачковой И.В. и Пуртовой Л.Н. [6].

Главным показателем восстановления природного ландшафта на отвальных породах является процесс образования гумусовых веществ и формирование генетических горизонтов. В зависимости от литологического состава почвообразующих пород, временного интервала становления регенерационных экосистем по-разному проявляется процесс гуму-сообразования и гумусонакопления, отражаясь в облике формирующегося почвенного профиля, показателях гумусного состояния и энергетических параметрах почв, что в конечном итоге определяет и начальный облик формирования почвенного профиля.

Основная цель работы состояла в изучении поэтапного формирования органического вещества на отвальных породах в зависимости от эволюции почв в фазу посттехногенного развития процессов почвообразования.

Объекты и методы исследований. Объектом исследований являются почвы, сформированные на рыхлых тяжелых суглинках отвальных пород Лучегорского угольного бассейна (Приморье) различной временной стадии появления растительности:

• 1)    нчальная (инициальная), когда формируются куртинные растительные группировки от сорняков до гречишной, осоковой, тростниковой. Этот период локального зарастания отвальных пород продолжается до 3 лет;

• 2)    органо-аккумулятивная стадия продолжительностью до 10 лет, когда происходит формирование простых растительных группировок лугового типа - полынно-хвощевых, злаково-хвощевых;

• 3)    дерновая - продолжительностью до 15 лет, когда образуются сложные лесо-луговые формации: березовые редины от хвощевых до лугово-тополево-ивовых и полынно-злаково-хвощевых;

• 4)    гумусово-аккумулятивная стадия продолжительностью более 15 лет характеризуется преобладанием на отвальных породах лесных формаций: мелколесных хвощевых березняков, топольников разнотравно-злаковых.

При полевом картировании почв на отвальных породах мы придерживались субстантивно-генетической классификации, разработанной И.М. Гаджиевым, В.М. Кураче-вым и др. [4]. Полевые исследования проводили общепринятыми методами [14], а отбор почвенных проб осуществлялся с обязательным просеиванием мелкозема через сито с диаметром 1 мм, что позволяло в значительной мере освободиться от включений углистого материала. Для исследования гумусового состояния почв, сформировавшихся на отвальных породах, использовали следующие методики: определение углерода выполнены по Тюрину, фракционно-групповой состав гумуса по Кононовой-Бельчиковой [11]. Оптическая плотность гуминовых кислот первой щелочной вытяжки (1Щ) измерена при длинах волн 465 и 650 нм на фотоэлектроколориметре

КФК 2МП. Оценка показателей гумусного состояния почв проведена по параметрам, предложенным Д.С. Орловым с соавторами [13]. В работе рассмотрены основные показатели гумусового состояния почв техногенных ландшафтов - тип гумуса, содержание водорастворимого органического вещества, степень гумификации, обогащенность гумуса азотом. Учитывалось также распределение С_орг по профилю и оптические параметры гуминовых кислот, т.е. коэффициент цветности (Q_4/6), запасы энергии, связанные с содержанием С орг , рассчитаны по формуле [11], энергетические параметры формирования почв, т.е. затраты энергии на почвообразование Q 1 - по В.Р. Волобуеву [3].

Результаты и обсуждение. В административном отношении объекты исследований расположены в Приморском крае и согласно схеме гидротермического районирования [16] входит в южный округ Бикинской гидротермической провинции, для которой свойственно значительное выпадение осадков (700-750 мм), из них 70% приходится на теплый период. Сумма активных температур достигает 2000-2100°. Затраты энергии на почвообразование составляют 31,1 ккал/см² в год. Климатические показатели накладывают отпечаток на развитие растительных сообществ, направленности процессов гумусонакопления, соответственно и формирование почвенного профиля.

Детальное картирование территории растительности отвальных пород и анализ морфолого-генетического строения более 35 профилей с различным временным периодом их формирования позволяет выделить (с определенной долей условности) 4 временные стадии формирования почвенного профиля: 1 - начальная (инициальная) продолжительностью до 3 лет; 2 - органо-аккумулятивная продолжительностью до 10 лет; 3 - дерновая -до 15 лет; 4 - гумусово-аккумулятивная - более 15 лет.

Формирующиеся почвы в фазу посттехногенного развития наиболее четко различаются главным образом по морфологии и генезису биогенных горизонтов, в частности органогенных. В то же время во всех эмбриоземах, исключая инициальные, четко выделяются почвенные горизонты А1 и А1В. Разделение нижних горизонтов обусловлено окраской (отвальных пород), степенью их увлажнения и проявления глеевых процессов. Характерные морфологические профили эмбриоземов с интервалами мощности их органогенных горизонтов и слоев, которые хорошо выделяются по различным морфологическим признакам, имеют следующее строение.

Инициальный (начальная стадия разви- 29' 842"; 1340 14' 807". Растительность: на-тия почвообразовательных процессов) – воз- чальная стадия зарастания: куртинами, в ос-раст до 3 лет. Разрез 81-05. Координаты: 460 новном сорняки, осоки, хвощ.

н о со S л о	I	0-3см	светло-серый, сухой, легкосуглинистый, бесструктурный, переход заметный, встречаются включения углей
	II	3-18 см	серо-бурый, среднесуглинистый, увлажнен, непрочнокомковатый, уплотнен, встречаются включения углей
	III	18-53 см	светло-бурый, среднесуглинистый, комковатый, увлажнен, встречаются включения углей
	IV	53-90 см	бурый, тяжелосуглинистый, уплотнен, влажный, непрочно-ореховатый
	Vg	90-130 см	охристый, тяжелосуглинистый, непрочнокомковатый, плотный, много углистых частиц

Органо-аккумулятивный – возраст до 10 лет. Разрез 76-05. Координаты: 480 29' 582";

134016'282". Растительность: разнотравно-хвощевая, полынно-хвощевая.

о со S & О	А1	0-4 см	cерый, среднесуглинистый, уплотнен, комковатый, много корней растений, переход заметный
	АВ	4-10 см	буровато-серый, тяжелосуглинистый, уплотнен, встречаются корни, комковатый
	I	10-27 см	охристо-бурый, тяжелосуглинистый, глыбистый, плотный, липкий
	II	27-65 см	неоднородный от темно-бурого до черного, тяжелосуглинистый, глыбистый, плотный
	III	65-110 см	черно-бурый, тяжелосуглинистый, плотный, часто встречаются частицы углей

Дерновый – возраст до 12 лет. Разрез 73-05. Координаты 460 29' 823"; 1340 15' 071". Растительность: осиново-березовый лес: полынно-злаковво-хвощевый.

н о со S л о	А 1	0-7 см	серо-бурый, рыхлый, среднесуглинистый (подстилка до 1 см) комковатый, густо переплетен корнями, переход заметный,
	А 1 В	7-18 см	неоднородный, от бурого до охристого, тяжелосуглинистый, уплотнен, встречаются корни, комковатый, переход заметный
	I	18-47 см	охристо-бурый, тяжелосуглинистый, уплотнен, глыбистокомковатый
	II	47-83 см	буро-охристый, тяжелосуглинистый, уплотнен, глыбистокомковатый
	III	83-120 см	охристый, тяжелосуглинистый, липкий, плотный, встречаются включения угля

Гумусо-аккумулятивный – возраст более 18 лет. Разрез 74-05. Координаты 460 29' 364";

1340 15' 583". Растительность: березняк разнотравно-злаковый.

о со S & о	А 1	0-10 см	темно-серый,   рыхлый,   среднесуглинистый,   непрочно комковатый, переход заметный
	А 1 В	10-20 см	темно-бурый, среднесуглинистый, комковатый, уплотнен, переход заметный
	Ig	20-40 см	неоднородный от черного до охристого, тяжелосуглинистый, глыбистый, липкий, встречаются сизые потеки
	IIg	40-70 см	от бурого до охристого, тяжелосуглинистый, глыбистый, мокрый, есть глеевые пятна
	IIIg	70-110 см	от темно-сизого до черно-бурого, тяжелосуглинистый, глыбистый, мокрый, видны глеевые пятна по горизонту
	GIV	110-150	сизо-бурый, тяжелосуглинистый, сочится вода с горизонта, глыбистый, часто встречаются углистые камни, пластинки

Морфологическое описание профилей эмбриоземов свидетельствует о том, что они достаточно четко различаются по степени формирования органогенных горизонтов и подчиненность всех других профилеобразующих процессов биологическим. Начальный период гумусообразования соответствует инициальной эволюционно-динамичной стадии почвообразования. На этой стадии гумусовый профиль только начинает формироваться и соответствует неразвитому типу. На формирование почв наиболее благоприятное влияние оказывает практически однотипный гранулометрический состав отвальных пород – тяжелосуглинистый или глинистый иногда с небольшой примесью (до 2%) каменистой фракции плотных пород диаметром от 3 до 10 мм. Кроме того, в толще пород содержатся углесодержащие включения, которые оказывают стимулирующее влияние на развитие растительных сообществ.

В эмбриоземах инициальных из-за отсутствия устойчиво функционирующих биоценозов интенсивность педогенного преобразования материала отвалов выражена слабо. Видовой состав растений однотипный и в структуре биомассы преобладает надземная часть (до 75%). Поэтому для данного типа почв свойственен неразвитый профиль с отсутствием четко выраженного биогенного горизонта. Наблюдается лишь пропитка верхнего слоя органическими соединениями на глубину до 3 см. Это является одним из основных морфологических признаков эмбриоземов инициальных. Подобная закономерность свойственна и почвам техногенных ландшафтов Западной Сибири [1]. Содержание органического углерода в эмбриоземе инициальном составляет 2,25% и, в основном, обусловлено наличием углистого материала в отвальной породе (см. табл.). Количество водорастворимого углерода находится на уровне выше средних и средних значений. Для эмбриозе-мов инициальных свойственна слабая степень гумификации органического вещества и очень низкая степень обогащенности его азотом. Тип гумуса вниз по профилю изменяется от чисто гуматного до фульватно-гуматного и гуматно-фульватного. В составе гумуса, судя по высоким показателям цветности гуминовых кислот 1Щ вытяжки, преобладают «молодые» коричневые гуматы с низкими молекулярными массами, в структуре строения которых преобладают боковые цепи. Энергозапасы (QCорг) в двадцатисантиметровом слое почв, связанные с содержанием Сорг, за вычетом Сорг привнесенного с углистым материалом, составляют 20,3 Мдж/м2, а соотношение затрат энергии на почвообразование (Q1) к QCорг достигает 65, что явно отличает их от зональных почв.

Органо-аккумулятивные почвы, как и инициальные, относятся к почвам переходной стадии эволюции. Диагностическим показателем эмбриозема органо-аккумулятивного является наличие слоя неразложившийся подстилки и слабое развитие биогенных процессов с невысокой интенсивностью педогенных преобразований. По сравнению с инициальными в органо-аккумулятивных почвах количество С орг возрастает до 3,06%. Вниз по профилю содержание органического углерода уменьшается с последующим увеличением в горизонте С 3 . По соотношению С:N верхние горизонты имеют высокую степень обогащен-ности гумуса азотом, в нижних слоях параметры С:N возрастают, а обогащенность азотом снижается до низких показателей. Степень гумификации органического вещества в верхних горизонтах достигает уровня средних значений, а количество водорастворимого углерода возрастает до высоких показателей. По типу гумуса характерна двучленность профиля – гуматный и фульватно-гуматный в верхних и гуматно-фульватный в нижележащих горизонтах. Гуминовым кислотам из верхних горизонтов органо-аккумулятивных эмбрио-земов свойственны более низкие параметры цветности гуминовых кислот (1,83-2,41), что свидетельствует о формировании более зрелых гуминовых кислот, в строении которых преобладает ароматическое конденсированное ядро. Показатели энергозапасов в эмбриозе-мах органо-аккумулятивных возрастают до 131,7 Мдж/м², а показатели Q 1 /Q Cорг уменьшаются до 9,9, что явно свидетельствует о более интенсивном процессе гумусообразования.

Профиль эмбриоземов дерновых четко дифференцирован на две части – органогенную часть (дерновый горизонт) и литогенную часть (горизонты АВ, С1, С2). Выделяется небольшой по мощности горизонт диагностический горизонт А1. Эволюция гумусового профиля на дерновой стадии соответствует грубогумусовому типу. Стадия активизации процесса гумусонакопления соответствует переходной эволюционно-динамичной стадии почвообразования к метастабильному состоянию. Формирование дерновых почв связано с развитием разнотравно-злаковой растительности, в составе которой сокращается доля длиннокорневищных растений и возрастает количество рыхлокустовых злаков, при этом сильно возрастает видовое разнообразие растительного покрова. Содержание органического углерода в дерновом горизонте варьирует от 3,54 до 1,77%. Вниз по профилю количество его, как правило, возрастает на глубине 40 см, что обусловлено вымыванием продуктов гумификации из верхних горизонтов в нижележащие. Обогащенность гумуса азотом верхних горизонтов очень высокая и высокая, в нижних слоях низкая (см табл.). Степень гумификации по сравнению с органоаккумулятивными возрастает со средних (27,8) до высоких значений (39,1%). По содержанию водорастворимых органических веществ (Свод. в % от Собщ.) профиль явно дифференцирован. Наибольшее их количество, соответствующее уровню высоких и очень высоких значений, приурочено к верхним горизонтам. В нижней части профиля содержание Свод высокое и среднее. Тип гумуса варьирует в широких пределах от фульватного (Сгк/Сфк=0,7), до гуматного (Сгк/Сфк=1,8). По показателям цветности гуминовых кислот резких различий в пределах почвенного профиля не установлено. Для верхнего дернового горизонта характерны меньшие значения параметров Q4/6, что свидетельствовало о преобладании «молодых» гуматов с более низкими молекулярными массами. Для эмбриоземов дерновых из-за увеличения подвижности гумусовых кислот свойственны более высокие показатели энергозапасов (до 259,2 Мдж/м2), при этом соотношение Q1/QCорг сокращается до 5,3, что свидетельствует о более интенсивном характере проявления гумусообразовательного процесса, что характерно и для зонального почвообразования.

Эмбриоземы гумусово-аккумулятивные характеризуются более поздней стадией развития в техногенных ландшафтах. Формируются они под разнотравно-злаковыми сообществами с довольно богатым видовым составом растительности.

Таблица. Показатели гумусного состояния различных почв на отвальных породах

Горизонт, глубина отбора проб, см	г орг , %	Степень гумификации С гк /С общ , %	С води , % от С общ	С гк /С фк	C:N	N общ	Q 4/6
эмбриозем инициальный
I (0-3)	2,25	18,0	0,9	2,8	16	0,14	3,36
II(3-15)	2,46	10,8	0,5	1,3	22	0,11	3,22
III(20-30)	2,25	9,6	0,3	0,8			4,71
эмбриозем органо-аккумулятивный
А0 (1-4)	3,06	27,8	1,7	1,9	5	0,68	2,41
АВ(4-10)	1,86	34,4	1,2	1,6	8	0,24	3,66
I (20-30)	0,93	35,1	3,09	1,3			3,40
II (40-50)	2,25	12,0	0,7	0,8			3,37
эмбриозем дерновый
А дерн (0-7)	3,54	39,1	1,6	0,7	5	0,83	3,08
А1В(7-15)	3,24	25,0	1,4	2,01	15	0,22	3,58
I (20-30)	3,39	10,2	0,3	1,0			3,13
II (40-50)	4,08	7,0	0,4	1,3			3,78
эмбриозем гумусово-аккумулятивный
А 1 (0-10)	4,68	37,4	1,3	1,1	6	0,76	1,22
А 1 В(10-20)	1,59	31,5	3,1	0,9	8	0,19	3,34
I g (20-40)	1,74	28,7	1,3	1,2			3,32
II g (40-50)	0,84	32,1	5,0	2,3			2,73

По сравнению с эмбриоземами органоаккумулятивными и дерновыми для гумусовоаккумулятивных характерно более интенсивное развитие гумусообразовательного процесса, который проявляется в формировании гумусового горизонта. Мощность его варьирует от 5 см до 10 см. Количество органического углерода в горизонте А1 изменяется от 2,19 до 4,69%. Распределение Сорг по профилю, как правило, бимодальное. Обогащенность гумуса азотом высокая. Содержание водорастворимого углерода находится на уровне высоких значений в верхних горизонтах, а в нижней части профиля количество его достигает очень высоких показателей. Для эмбриоземов гумусово-аккумулятивных в верхней части профиля свойственны высокие показатели степени гумификации органического вещества, что свидетельствует о более интенсивном характере процессов трансформации органического вещества растительных остатков. На данном этапе развития почв стадия стабильного гуму-сонакопления соответствует эволюционно-метастабильной стадии почвообразования, для которой свойственно аккумулятивное гумусо-накопление и переход в стабильное состояние почвенной системы. Особенное явное проявление этот процесс нашел в гумусовоаккумулятивном эмбриоземе сформированным под вейниковой растительностью. В горизонте С2, где степень гумификации органического вещества была высокой (37,4%), прослеживается возрастание водорастворимого органического углерода до сверх высоких значений (5% от Собщ). Тип гумуса в гумусовоаккумулятивных горизонтах изменялся от фульватно-гуматного до чисто гуматного. Возрастание показателей Сгк/Сфк зафиксировано в нижних горизонтах эмбриоземов гумусово-аккумулятивных, что, на наш взгляд, связано с привносом гумусовых кислот бурых углей, которые присутствовали в дисперсном состоянии в почвообразующей породе. В составе гумуса в горизонте А1 преобладали более «зрелые» гуминовые кислоты с низкими показателями цветности (Q4/6=1,2) и более высокими показателями молекулярных масс. В средней части профиля распространены «молодые» коричневые гуматы с меньшими молекулярными массами с развитыми периферическими группировками в строении гуминовых кислот. Энергетические запасы почв из-за более низких показателей Сорг в горизонте А1В в связи с уменьшением подвижности гуминовых кислот в горизонте А1 по сравнению с дерновыми несколько снижались (222,2 Мдж/м2), а показатель Q1/QCорг соответствовал 5,8 . Это явно указывало на интенсивный характер проявления гумусообразовательного процесса и переходу почвенной системы в более стабильное состояние процессов почвообразования.

Выводы.

• 1.    Морфологическое строение профилей почв, сформированных на угольных отвалах, позволяет во временном отрезке до 30 лет проследить динамику процесса почвообразования и выделить различные типы почв от эм-бриоземов инициальных до гумусоаккумулятивных. Это свидетельствует о поэтапном динамическом развитии почвообразовательных процессов на рыхлых глинистых породах угольных отвалов.

• 2.    Установлено, что формирование почвенного профиля обусловлено образованием и

• эволюцией гумусового горизонта. Начальная стадия гумусообразования соответствует инициальной эволюционно-динамичной стадии почвообразования. На этой стадии гумусовый профиль соответствует неразвитому типу. Показатели Q1/QCорг очень высокие (65), что свидетельствует о начальной стадии процессов гумусонакопления.

• 3.    В почвах, сформированных на отвалах вскрышных пород, наблюдается значительная вариабельность в содержании С орг и азота, водорастворимых органических веществ и степени гумификации органического вещества. Наибольшие показатели содержания органического углерода и высокая степень гумификации органического вещества свойственна гумусово-аккумулятивному периоду.

• 4.    По показателям гумусового состояния установлено биогенное происхождение гумусовых веществ верхних горизонтов, что свидетельствует о развитии почвообразовательных процессов, которые начинают формировать морфологический облик почв.

Стадия активизации процесса гумусонако-пления соответствует переходной к органо-метастабильному состоянию. На этот период происходит формирование грубогумусового слоя. Для почв на этой стадии свойственно высокая вариабельность в типе гумуса от фульватного до гуматного. Соотношение Q 1 /Q Cорг резко снижается (до 5,3), что характеризует явное усиление гумусообразовательного процесса.

Стадия стабильного гумусонакопления соответствует гумусо-аккумулятивному периоду почвообразования. В этот период происходит интенсивное образование гумуса, который проявляется в формировании четко выраженного гумусового горизонта. Мощность его варьирует от 5 см до 10 см. Гумусообразова-ние протекает по фульватно-гуматному типу.

В стадии стабильного гумусонакопления в почвах, сформированных на отвальных породах, происходит более четкая дифференциация отвальных пород на генетические горизонты. Это свидетельствует о том, что формирующиеся экосистемы в фазу их посттехногенного развития обладают высокими регенерационными возможностями, т.к. происходит формирование почв на рыхлых отвальных породах за относительно короткий отрезок времени (до 30 лет). В связи с этим снижается острая необходимость в проведении биологического этапа рекультивационных работ, направленных на восстановление почвеннорастительного покрова.