Степень дифференциации профиля почв техногенных ландшафтов

УДК 631:618 О.В. Полохин, В.А. Кульшин

СТЕПЕНЬ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ПРОФИЛЯ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ

В статье рассмотрена дифференциация профиля молодых почв, развивающихся на разновозрастных самозарастающих отвалах техногенных ландшафтов. Показано, что специфика этих почв обусловлена особенностями формирования тела отвалов в техногенную фазу, а также появлением в по-сттехногенный период биогенных горизонтов.

Ключевые слова: техногенный ландшафт, почва, микроморфология, гумус, рекультивация, почвенный профиль.

O.V. Polokhin, V.A. Kulshin PROFILE DIFFERENTIATION DEGREE OF THE TECHNOGENIC LANDSCAPE SOILS

Profile differentiation of the young soils developing on the multiple-aged and self-growing dumps of the technogenic landscapes are considered in the article. It is shown that specificity of these soils is caused by the dump body formation peculiarities in a technogenic phase and by the biogenous horizon occurrence in the post technogenic period.

Key words: technogenic landscape, soil, micromorphology, humus, recultivation, soil profile.

Введение. В процессе добычи угля открытым способом в Назаровской котловине Красноярского края происходит уничтожение природных ландшафтных систем или коренное их преобразование с уничтожением почвенно-растительного покрова. Формируются обширные карьеры и отвалы вскрышных и вмещающих пород, т.е. качественно новые формы ландшафта - карьерно-отвальные техногенные ландшафты [3]. В результате буровзрывных и вскрышных пород происходит раздробление горных пород и преобразование техногенного элювия, который складируется в отвалы. Несмотря на то, что биологической рекультивации (сельскохозяйственного и лесного направления) нарушенных земель на Назаровском угольном разрезе уделяется значительное внимание, тем не менее, довольно большое количество отвалов остаются нерекультивиро-ванными. На этих площадях идут процессы самозарастания и самовосстановления почвенного покрова. Подобные объекты могут являться базой для изучения эволюции формирующихся биогеоценозов, начальных стадий почвообразования, их скорости, направленности и характера. Это важно в плане развития, как теоретических основ почвоведения, так и при оценке экологического состояния территорий, нарушенных в ходе добычи полезных ископаемых. Известно, что степень дифференциации почвенного профиля служит важными диагностическими и морфологическими признаками почвы. Качественная и количественная характеристика степени дифференциации профиля позволяет наряду с другими методами установить специфику генезиса почвы в зависимости от типа, возраста почвообразования и характера почвообразующей породы [13]. Особую актуальность это имеет при изучении почв техногенных ландшафтов на начальных этапах их формирования (эволюции). Имеется ряд публикаций, посвященных почвообразованию в техногенных ландшафтах Назаровской котловины [7, 9, 12, 14-16], однако сведения о комплексной оценке степени дифференциации почвенного профиля единичны.

Целью работы, являлось установление степени дифференциации профиля формирующихся почв техногенных ландшафтов на различных этапах их посттехногенного развития.

Объекты и методы исследований. Исследования проводились на карьерно-отвальных комплексах техногенных ландшафтах Назаровского угольного разреза Красноярского края (лесостепная зона Назаровской котловины). Климат Назаровской котловины характеризуется довольно холодной и продолжительной зимой и коротким теплым летом. Среднегодовая температура составляет минус ГС. Самый холодный месяц - январь (со средней температурой минус 18°С), а самый теплый - июль (со средней темпера-

турой 20°С). Вегетационный период (со средней температурой >5°С) продолжается 150-160 дней. Среднегодовое количество осадков 470 мм. Около половины годовой нормы осадков выпадает в мае-сентябре. Преобладающими почвами естественных ненарушенных ландшафтов являются высокогумуссированные маломощные сезонно-мерзлотные черноземы и серые лесные почвы [10].

Объектами изучения стали самозарастающие разновозрастные неспланированные внутренние отвалы вскрышных и вмещающих пород, отсыпанные в 1961, 1981, 1990 годах, сформированные в 3-5 км южнее г. Назарово. На момент начала наблюдений отвалы имели возраст 30, 10 и 1 год соответственно. Геоморфологически они представляют собой невысокие гряды гребневой формы и рассматриваются как формирующиеся катены [7-9]. На каждом отвале были выбраны три позиции: на вершине - элювиальная, на склоне - трансаккумулятивная, у подножия - аккумулятивная. Отвалы сходны по минералогическому составу пород, рельефу, экспозиции склонов.

Породы, слагающие отвалы, представлены техногенными элювиями песчаников (часто ожелезнен-ными), в различной степени пиритизированными углистыми аргиллитами, алевролитами, четвертичными рыхлыми покровными делювиально-элювиальными отложениями (лессы и лессовидные суглинки) продуктов выветривания красноцветных девонских пород [12].

В работе использована субстантивно-генетическая классификация почв техногенных ландшафтов, разработанная В.М. Курачевым [5]. Отбор образцов производился в первой декаде августа. Качественно степень дифференциации профиля устанавливалась при полевом описании почвы, по наличию или отсутствию органогенных горизонтов, гранулометрическому составу, плотности и т.д. [11]. Следует отметить, что существуют определенные трудности при идентификации генетических горизонтов формирующихся почв. В основном это касается диагностики переходного периода от дерновых к гумусово-аккумулятивным эмбрио-земам и переходных горизонтов от органно-аккумулятивных к нижележащим слоям. Это связано с тем, что на начальных этапах развития в составе гумусовых веществ преобладают слабоокрашенные фульвокисло-ты. Потемнение образующихся горизонтов часто маскируется цветом почвообразующих пород, высоким содержанием углистых частиц, невысоким количеством педогенно образованного органического вещества. В данном случае для точной диагностики стадии почвообразования необходимо проводить дополнительные химические и иные анализы почвенных образцов. В связи с этим отбор образцов осуществлялся на всех объектах послойно с одинаковых глубин. Кроме того это позволило унифицировать полученные результаты.

Определение химических свойств пород, слагающих отвалы, проводились общепринятыми методами [1]. Для количественной характеристики степени дифференциации профиля формирующихся почв использовались: метод микроморфологической оценки в шлифах; балансовый метод (определение запасов компонентов в каждом горизонте Оп); метод прямого сравнения (вычисление коэффициента дифференциации А), представляющего собой отношение содержание того или иного элемента (показателя) в горизонте накопления или вымывания к таковому в почвообразующей породе или к горизонту вмывания); определение общего и частных коэффициентов дифференциации Э, представляющих собой отношение содержания в горизонтах накопления и выноса тех или иных компонентов с учетом плотности сложения с1у [6,13].

Результаты исследований и их обсуждение. При разработке месторождения в результате неселективной технологии отвалообразования происходит первоначальное хаотичное смешение пород, различающихся по петрографическому и минералогическому составам, степени дисперсности, свойствам и химическому составу. Лессовидные суглинки заваливаются и/или перемешиваются с глубинными породами. Эти вскрышные и вмещающие породы, их элювии выполняют в дальнейшем роль "материнских пород” формирующихся эмбриоземов техногенных ландшафтов. При этом допускалось, что "материнская порода” однородна по своему вертикальному профилю и нижние горизонты не претерпели в процессе педогенеза никаких изменений. Большая часть пород относится к потенциально плодородным субстратам и не имеет токсичных компонентов. Из-за отсутствия карбонатов реакция среды изменяется от слабокислой (обусловленной наличием пиритов) до слабощелочной [9]. Переотложение лессового материала не отражается на изменении его гранулометрического состава - лессы, как и в естественном состоянии, сохраняют свою пылеватость. Толща пород, слагающих отвалы, очень неоднородна по макроморфологическим признакам. Отмечается наличие крупнозема, представленного плотными обломочными породами, пластинками и плитками алевролита, аргиллита и бурого угля, присутствуют включения каолинита. Окраска пестрая от черной до бурой (различных оттенков) за счет присутствия включений угля, окисленных и восстановленных соединений железа.

Показатели степени дифференциации разновозрастных эмбриоземов

Глубина, см сЬ/, г/см3 Собщ Ил Рвал

% Запас Оп, т/га А, % % А, % S % Запас Оп, т/га А, % Sp

Эмбриозем инициальный, 1 год

0-5 1,10 0,15 0,83 - - 19,6 - 0,162 - - -

5-10 1,11 0,18 0,99 - 17,2 - 0,169 - -

Эмбриозем инициальный, 10 лет. Элювиальная позиция

0-5 1,35 0,16 1,08 - 20,0 17,6 - 0,170 - - -

5-10 1,40 0,19 1,33 - 18,9 11,2 0,168 - -

10-20 1,38 0,18 2,48 - 17,2 1,2 0,160 - -

20-30 1,46 0,07 1,02 - 17,6 3,5 0,189 - -

30^0 1,47 0,11 1,62 - 19,4 14,1 0,165 - -

40-50 1,46 0,19 2,77 - 17,0 0 - - -

Эмбриозем дерновый, 10 лет Трансаккумулятивная позиция

0-5 1,19 0,98 5,83 308 22,2 13,8 0,186 1,11 17

5-10 1,32 0,44 2,90 83 24,6 26,2 0,163 1,08 3

10-20 1,33 0,27 3,60 13 2,0 23,7 21,5 0,163 2,18 3

20-30 1,41 0,39 5,50 63 22 12,8 1,2 0,130 1,83 -18 1,0

30^0 1,38 0,11 1,52 -54 18,1 -7,2 0,159 2,19 0

40-50 1,37 0,24 3,23 0 23,3 19,5 - - -

50-60 1,49 - - - 19,5 0 - - -

Эмбриозем гумусово-аккум улятивный, 30 лет. Элювиальная позиция

0-5 1,19 6,04 35,94 498 21,8 29,0 0,212 1,26 36

5-10 1,12 2,96 16,58 193 24,7 46,2 0,199 1,11 23

10-20 1,34 1,96 26,26 94 18,4 8,9 1 1 0,155 2,08 -21

20-30 1,37 1,37 18,77 36 2,7 15,9 -5,9 1 I 0,132 1,81 -44 1,3

30^0 1,36 1,15 15,64 14 17 0,6 0,193 2,62 17

40-50 1,34 1,01 13,53 0 16,9 0,0 0,176 2,36 0

50-60 1,38 - - - 16,9 0,0 - - -

Эмбриозем г /мусово-аккумулятивный, 30 лет. Трансаккумулятивная позиция

0-5 1,04 7,78 40,46 737 26,8 29,0 0,229 1,20 46

5-10 1,12 4,42 24,75 375 24,4 48,8 0,188 1,05 5

10-20 1,25 2,72 34,00 192 21,7 8,9 0,183 2,28 0

20-30 1,40 1,78 24,92 91 3,9 20,3 -5,9 1,6 0,190 2,66 7 0,95

30^0 1,40 1,46 20,44 57 31,1 0,6 0,199 2,79 16

40-50 1,36 0,93 12,65 0 31,6 0,0 0,183 2,49 0

50-70 1,42 - - - 31,3 0,0 - - -

При микроморфологическом исследовании в шлифах инициальных эмбриоземов наблюдается сильная неоднородность сложения - чередование компактного и рыхлого, присутствие обломков пород и частиц угля. В эмбриоземах инициальных, сингенетичных инициальным микробо- и фитоценозам отмечается практически полное отсутствие педогенной дифференциации субстрата на генетические горизонты. Органогенный горизонт отсутствует (формула профиля - С1(0-70 см)+С2(70-100 см)). Содержание органического углерода составляет в почвах однолетних отвалов 0,1-0,2 % от веса почвы (табл.). Профиль не дифференцирован. В инициальных эмбриоземах 10-летнего возраста отмечается слабая дифференциация по содержанию ила, что связано с процессами физической дезинтеграции и химического выветривания, приводящим к некоторому накоплению илистой фракции в верхних слоях профиля. По остальным показателям профиль не

дифференцирован (формула профиля - С 1(0-20 см) + С2(20-100 см)). Профиль дерновых эмбриоземов четко дифференцирован на органогенную часть (дерновый горизонт) и литогенную часть (формула профиля Ао(0-1см) +Ад(1-3 см) +01(3-20 см) + 02(20-50 см) + 03(50-100 см)). К 10-летнему возрасту в эмбриоземах данной стадии развития содержание органического вещества достигает значений 0,25-1,24 % (в мелкоземе дернового горизонта) с резким уменьшением в глубь по профилю. Наблюдается дифференциация профиля как по запасам органического вещества, степени накопления, так и по его коэффициенту дифференциации (сильнодифференцирован). Значительная часть органического вещества приходится на угольные частицы. В шлифах обнаруживаются также мертвые и живые корни. Отдельные комки глины, встречающиеся среди массы этих корней, имеют красновато-бурую, зеленовато-светло-серую окраску. В молодых эмбриоземах органическое вещество и минеральная часть сосуществуют рядом друг с другом, не перемешиваясь. По физическим и химическим свойствам (по содержанию ила и валового фосфора) профиль слабо дифференцирован (табл.). Можно отметить незначительное накопление валового фосфора в дерновом горизонте обусловленного воздействием поселяющейся растительности на перераспределение биофильных элементов. В результате происходит передвижение фосфатов из нижележащих слоев в верхние горизонты. Педо-генные преобразования субстрата отвалов затрагивают на данной стадии развития лишь самые верхние слои 0-5, 0-10 см. В гумусово-аккумулятивных эмбриоземах 20-40-летнего возраста, сингенетичных стадиям сложных растительных группировок, к ранее сформированным органогенным горизонтам (подстилке и дернины) добавляется гумусово-аккумулятивный горизонт. Несмотря на малую его мощность, минеральная часть профиля начинает преобразовываться под действием биологических процессов и трансформации органического вещества. Отмечается агрегирование субстрата, дифференцированность толщи пород по химическим, физическим и физико-химическим свойствам. Дифференциация отмечается в основном в корнеобитаемом (0-20 см) горизонте (формула профиля в элювиальной позиции Ад(0-2 см) + А1 (2—7 см) + ВС(7-20 см) +0(20-100 см), в трансаккумулятивной позиции Ад(0-4 см) + А1 (4—10 см) + ВС(10—24 см) + 01(24-33 см) + 02(33-100 см)). Кроме педогенно образованного органического вещества также наблюдается в шлифах органическое вещество, не связанное с минеральной основой. Можно предположить, что в гумусовоаккумулятивных эмбриоземах происходит прекращение формирования гумусово-минеральных комплексов и начинается формирование гумусовых образований, не связанных с глинистыми минералами. Эмбриоземы техногенных ландшафтов лесостепной зоны Красноярского края не подвергаются постоянному или временному переувлажнению и соответственно не может образовываться грубый гумус, торф и т.д. Возможно, мы наблюдаем процесс мумификации гумуса. Ранее такое образование скоплений гумусового вещества в дерновых и гумусово-аккумулятивных эмбриоземах техногенных ландшафтов Кузбасса было отмечено Е.Д. Ку-ляпиной [4].

В связи с тем, что отвалы имеют выраженный бугристый рельеф, то наблюдается делювиальная аккумуляция гумуса сверху вниз по катене. Это фиксируется как по данным химического анализа (табл.), так и визуально при морфологическом описании и по изменению цвета плазмы в шлифах. Таким образом, повышенное содержание органического углерода на трасаккумулятивных позициях по сравнению с элювиальными происходит как за счет смыва с последних мелкоземистого материала обогащенного гумусом (действие абиогенных факторов), так и за счет педогенных преобразований субстрата, обусловленных наиболее благоприятными условиями для развития биоты и гумусообразования по сравнению с другими позициями по катене. Если на вершине отвала в элювиальных позициях цвет шлифа желтый, буровато-желтый с полным отсутствием структуры, то в трансаккумулятивных позициях отвалов техногенного ландшафта цвет гораздо темнее с некоторой тенденцией к оструктуриванию. Наиболее ярко это выражено на 20-40-летних отвалах. В шлифах образцов из таких эмбриоземов отмечается некоторая выветрелость обломков пород (песчаников и алевритов), что проявляется по наличию пленок вдоль трещин и вокруг мелких обломков и появлению оптически ориентированной глины. То есть, мелкозем в породе техногенных ландшафтов, особенно фракции физической глины, в основном является не результатом внутрипочвенного выветривания, а унаследованным от вскрышных пород. Следует отметить, что к аналогичному выводу пришли и другие авторы при исследовании почв техногенных ландшафтов Кузбасса [2].

По мере развития почвообразовательных процессов в эмбриоземах заметно проявляется суспензионный перенос пылевато-илистых частиц из верхних горизонтов в средние и нижние с образованием микрозон с аллохтонным глинистым материалом. По этой причине иногда на глубине 5-40 см наблюдается увеличение содержания ила и иловатых фракций и появление указанных выше признаков. Сравнительный анализ встречаемости этого важного морфогенетического признака в эмбриоземах показывает, что он наиболее ярко выражен в почвах, развивающихся на пологих склонах (на транзитных позициях по катене), особенно на

трансаккумулятивных позициях техногенных ландшафтов, а также в отрицательных формах техногенного рельефа, то есть в тех профилях, в которых развиваются элювиально-иллювиальные явления. Глинистые натеки для эмбриоземов не характерны.

Заключение

Таким образом, эволюционно наиболее молодые инициальные эмбриоземы характеризуются отсутствием каких-либо свидетельств педогенной дифференцированности субстрата на генетические горизонты. В почвах дерновой стадии развития в связи с появлением четко выраженного генетического горизонта, представленного дерниной, отмечается начало существенного преобразования профиля по химическим и физическим свойствам исходного субстрата. Гумусово-аккумулятивные эмбриоземы, как наиболее развитые в эволюционном плане, характеризуются заметной развитостью почвенного профиля, что объясняется появлением гумусово-аккумулятивного горизонта. За очень короткий промежуток времени почвы, формирующиеся в постлитогенную фазу развития техногенного ландшафта, проходят несколько стадий развития, от инициальных до гумусово-аккумулятивных. При этом скорость развития эмбриоземов определяются рельефом, сформированным в техногенную фазу, породами, слагающими отвалы техногенных ландшафтов, и соответственно стадиями развития биоценозов.

Литература

1. Агрохимические методы исследования почв. - М.: Наука, 1975. -656 с.

2. Андроханов В.А., Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. -151 с.

3. Баранник Л.П. Биоэкологические принципы лесной рекультивации. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-

ние, 1988. -85 с.

4. Куляпина Е.Д. Поглощающий комплекс в почвах техногенных ландшафтов (Южный Кузбасс): автореф. дис.... канд. биол. наук. - Новосибирск, 2002. -21 с.

5. Курачев В.М., Кандрашин Е.Р., Рагим-заде Ф.К Сингенетичность растительности и почв техногенных ландшафтов: экологические аспекты, классификация II Сиб. экол. журн. -1994. - № 3. - С. 205-213.

6. Махонина Г.И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала. - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2003. - 356 с.

7. Мордкович В.Г., Шатохина Н.Г., Титлянова А.А. Степные катены. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1985. - 118 с.

8. Полохин О.В., Сиухина М.С. Катенный подход - как элемент методологии при изучении процессов почвообразования в техногенных ландшафтах II Современные проблемы почвоведения в Сибири: мат-лы Междунар. науч. конф., посвящ. 70-летию образования кафедры почвоведения в Томском гос-университете. - Томск: Изд-во ТГУ, 2000. - Т.1. - С. 26—29.

9. Полохин О.В. Специфика преобразования минеральных форм фосфатов при почвообразовании в техногенных ландшафтах II Сиб. экол. журн. - 2007. - № 5. - С. 843-847.

10. Почвенно-географическое районирование СССР. - М.: Наука, 1962. - 422 с.

11. Практикум по почвоведению / под ред. И.С. Кауричева. - М.: Колос, 1980. - 272 с.

12. Рагим-заде Ф.К. Техногенные элювии вскрышных пород угольных месторождений Сибири, оценка их потенциального плодородия и пригодности для восстановления почвенного покрова: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Новосибирск, 1977. -22 с.

13. Розанов Б.Г. Генетическая морфология почв. - М.: Изд-во МГУ, 1975. - 284 с.

14. Чупрова В.В., Шугалей П.С. Особенности макроморфогенеза почв на отвалах угольных разрезов На-заровской котловины II Вестн. КрасГАУ. - 2007. - № 1. - С. 61-70.

15. Шугалей Л.С. Органическое вещество в искусственных лесных экосистемах, созданных на отвалах

вскрышных пород угольных разрезов в Средней Сибири II Изв. Российской академии наук. Серия

биологическая. - 2007. - № 1. - С. 498-507.

16. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. - 305 с.