Оценка биологического состояния техноземов Назаровской котловины

ПОЧВОВЕДЕНИЕ И РАСТЕНИЕВОДСТВО

УДК631.46 (571.51) Л.А. Прищепа

ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЗЕМОВ НАЗАРОВСКОЙ КОТЛОВИНЫ*

Описаны показатели биологической активности искусственно созданных почв техногенных ландшафтов, из которых более подробно рассмотрены процессы нитрификационной способности и целлю-лозоразложения. Установлено, что изучение биологических свойств формирующихся почв позволяет влиять на процессы педогенеза и оценки возможности управлять ими. Результаты исследований показали, что техногенные почвы обладают плодородием, не уступающим плодородию естественных почв Назаровской котловины.

Ключевые слова: техногенные ландшафты, оценка, плодородие.

L.A. Prischepa

ESTIMATION OF THE TECHNOZEM BIOLOGICAL CONDITION IN THE NAZAROV BASIN

The main markers of the biological activity of the unnatural soils on the technological origin landscapes are analysed, among them the process of ammonic transformation into nitrate and defragmentation of cellulose are examinated in detail in the article. It is proved, that the research of the forming soils biological features allows to influence on the process of padogenesis and estimation of possibility to govern them. The results of the research showed that the technological origin soils have fertility, which is not worse than natural soils of the Nazarov basin.

Key words: technological origin landscapes, estimation, fertility.

Развитие открытого способа добычи угля сопровождается значительными нарушениями агропро-дуктивных земель, негативным изменением режима грунтовых и поверхностных вод на значительных площадях, уничтожением ценных видов растительности (Семикобыла, 2000).

Экологические последствия таких воздействий во всех промышленно развитых странах приводят к необходимости обратить особое внимание на охрану природы, ее рациональное использование и разработку специальных научно обоснованных мероприятий по восстановлению разрушенных ландшафтов (Махони-на, 2003). Восстановление может осуществляться созданием благоприятных экологических условий на отвалах, ускоряющих ход естественного почвообразовательного процесса (Бурыкин, 1980). По этой причине важно изучить биологические свойства формирующейся почвы с целью прогнозирования процессов педогенеза и оценки возможности управлять ими (Курачев, Батурина, 2005).

Цель данной работы заключается в анализе биологических показателей в искусственных почвах на рекультивированных отвалах.

Объекты и методы исследования. Исследования проводились на нарушенных землях в зоне разреза «Назаровский», расположенном в юго-восточной части Назаровского угольного месторождения. Объектами исследований являются агрочернозем глинисто-иллювиальный (ненарушенный и используемый в качестве контроля) и техноземы на Бестранспортном отвале, Восточном и Сереженском гидроотвалах, прошедших сельскохозяйственную рекультивацию. Она проводилась после технического этапа рекультивации в период с 1968 по 1981 год и заключалась в покрытии отвалов вскрышных пород гумусным горизонтом, сня-

* Работа выполнена при поддержке РФФИ - ККФН (грант 05-04-97704).

тым и складированным перед началом разработки угольных разрезов. На рекультивированных отвалах в 2004 году были вскрыты почвенные профили, в которых из каждого 10-см слоя до глубины 120-130 см отобраны образцы сплошной колонкой. В них выделены генетические горизонты и описаны морфологические признаки. Из показателей биологической активности определили нитрификационную способность и целлю-лозоразложение. Целлюлозоразлагающая способность определялась методом аппликации по методу Вос-трова и Петровой (1961); нитрификационная способность - ионометрическим методом с помощью ионоселективного электрода (Методические указания..., 1984).

Результаты и обсуждение. Отвалы Назаровского угольного разреза представляют собой хаотичные смеси вскрышных пород. Гидроотвалы отличаются от Бестранспортного отвала наличием слоистого сложения грунтосмеси, образующегося в результате неравномерного оседания частиц различных размеров в процессе намывания пульпы (Чупрова, Шугалей, 2007). Вскрышные породы угольных разрезов имеют различный гранулометрический состав. Наибольшее содержание илистой фракции отмечено в палевых карбонатных глинах, суглинках и аргиллитах (Шугалей, Яшихин, Дмитриенко, 1996). В морфологическом отношении сравниваемые почвы имеют черты сходства и различия, обусловленные особенностями их образования. Гумусово-аккумулятивный слой почвы техноземов Восточного гидроотвала и Бестранспортного отвала достигает 70-80 см, в Сереженском гидроотвале и на контроле - 30-40 см. Техноземы имеют неоднородную окраску профиля, крупные железистые новообразования и тяжелосуглинистый гранулометрический состав. Техноземы различаются преимущественно по глубине залегания карбонатов (на Сережском гидроотвале вскипание неравномерное на глубине 60-80 см, в Бестранспортном и Восточном гидроотвалах вскипание не отмечено) и сложению мелкозема. В зональной почве карбонаты появляются с 78 см.

За период почвообразования отвалов произошли определенные изменения в валовом составе (табл.). В техноземах и на контроле наибольшее количество оксида кремния содержится в верхних горизонтах и уменьшается по профилю до материнской породы. Верхние гумусовые горизонты Восточного и Сереженского гидроотвалов относительно обогащены оксидом кремния (70-80%) по сравнению с нижележащими горизонтами и обеднены алюминием (12-14%), кальцием (1-7%), железом (1-4%) и магнием (1-3%). Аналогичная картина наблюдается и на агрочерноземе глинисто-иллювиальном. В техноземе на Бестранспортном отвале наибольшее количество SiO2 (90%) содержится в верхних и средних горизонтах по сравнению с тех-ноземами на гидроотвалах и контрольной почвой (70%). В агрочерноземе глинисто-иллювиальном в слоях 0-20 см отмечается более интенсивное поглощение оксидов алюминия, железа, кальция и магния и их накопление в нижележащих слоях по профилю почвы. В Восточном и Сереженском гидроотвалах заметно более интенсивное вымывание AW3 Fe2O3 CaO MgO на глубине 0-50 см и накопление этих элементов в нижележащих слоях профиля почвы. В техноземе Бестранспортного отвала отмечается скачкообразное распределение оксидов железа, кальция и магния по всему профилю почвы. Например, минимальное содержание CaO (0,31%) содержится в слое 70-80 см, а в следующем слое 80-90 см - максимальное (5,48%). По нашему мнению, это обусловлено спецификой формирования Бестранспортного отвала во время рекультиваци-онных работ (Прищепа, Борцов, 2006).

Характер распределения гумуса по профилю техноземов обусловлен приемами сельскохозяйственной рекультивации. Мощность рекультивируемого гумусного горизонта в них превышает мощность гумусоаккумулятивного горизонта в агрочерноземе глинисто-иллювиальном. На гидроотвалах и Бестранспортном отвале отмечается высокое и одновременно равномерное распределение гумуса, чем в зональной почве (см. табл.). В профиле агрочернозема глинисто-иллювиального наблюдается наибольшее содержание гумуса в PU, и постепенное его убывание по профилю. На Бестранспортном отвале (12,5%) и гидроотвалах (8,1 и 5,4%) отмечается более высокое содержание гумуса в верхних и средних слоях, чем в аналогичных слоях агрочернозема глинисто-иллювиального (4,3%).

Распределение гумуса и валового состава химических элементов по профилю почвы, %

Глубина, см Гумус SiO2 AhO3 Fe2O3 CaO MgO

1 2 3 4 5 6 7

2п-04 Восточный гидроотвал

PU(0-10) 7,65 75,62 13,22 4,69 6,30 3,16

(10-30) 7,99 74,35 12,93 4,31 6,6 3,49

AU(30-40) 8,56 75,02 13,20 4,54 6,75 3,78

Окончание табл.

1 2 3 4 5 6 7

(40-70) 7,67 74,86 13,77 4,57 6,45 3,86

C1C70-80) 4,76 70,54 13,80 5,30 6,81 3,93

(80-100) 2,09 63,54 14,57 8,70 7,97 3,73

C2(100-120) 1,51 61,65 14,96 10,16 8,44 3,78

(120-130) 1,52 62,92 14,93 10,15 8,52 3,68

3п-04 Бестранспортный отвал

O (0-2) 9,33 80,30 10,54 1,77 1,34 1,19

AU1(10-20) 12,24 73,00 9,78 2,95 1,83 2,66

(20-40) 14,30 81,42 9,46 1,11 1,60 3,93

AU2(40-50) 12,50 76,36 9,18 1,39 0,94 2,95

(50-80) 10,58 98,44 8,86 0,96 0,59 1,81

C1 (80-90) 8,56 71,61 8,53 3,53 5,48 2,73

(90-100) 5,90 71,21 8,53 2,94 4,21 1,67

С2(120-130) 4,67 66,73 7,51 4,32 8,07 2,87

4п-04 Сереженский гидроотвал

O (0-3) 7,63 67,47 14,28 4,44 7,26 2,33

AU(10-20) 5,44 67,91 15,00 4,73 7,40 2,50

(20-30) 5,00 68,54 15,11 5,25 7,20 2,68

С1 (30-40) 4,75 67,98 15,50 5,54 7,05 2,72

(40-60) 4,12 66,83 15,70 6,05 7,40 2,94

С2(60-70) 3,71 63,87 17,08 6,77 7,05 2,88

(70-80) 3,95 31,58 18,62 7,63 6,75 2,94

C3 (80-90) 3,84 59,08 18,34 6,60 9,62 3,99

(90-100) 2,6 62,84 18,96 4,48 12,58 5,41

5п-04 агрочернозем глинисто-иллювиальный

PU(0-10) 7,23 73,43 12,89 4,46 7,09 2,88

AU(10-20) 6,38 73,93 13,11 4,65 7,65 2,98

BI(20-30) 3,55 66,82 14,18 6,50 9,07 3,61

(30-40) 2,34 62,20 14,93 7,80 9,45 3,63

Вса(40-50) 1,98 62,05 15,07 9,55 9,00 3,74

(50-60) 1,63 60,57 15,67 8,28 10,38 4,59

ВСса(60-70) 0,61 57,98 13,89 7,47 10,83 4,70

(70-80) 0,67 60,84 13,17 7,22 10,45 4,44

Сса (80-100) 1,09 61,37 13,64 7,43 9,54 4,03

Поскольку все факторы почвообразования действуют комплексно и трудно выделить роль каждого в отдельности, рассмотрим два показателя биологической активности пород - нитрификационную способность и целлюлозоразложение.

Азот является одним из наиболее важных элементов, необходимых для нормального роста и развития растений. Наличие в почве азота, так же, как и гумуса, связано с жизнедеятельностью населяющих почву организмов. В процессе почвообразования по мере обогащения выветривающихся горных пород органическим веществом происходит аккумуляция азота в поверхностных горизонтах земной коры. Количество азота находится в непосредственной зависимости от содержания в почве органических соединений, общие запасы которых в значительной степени определяют потенциальное плодородие почв. Органические соединения в результате разложения выделяют аммиак, который должен нитрифицироваться, чтобы быть пригодным для растений. В этой связи процессу нитрификации придавали важное значение (Попова, Лубите, 1975).

Сравниваемые почвы по биологической активности имеют черты сходства и различия, обусловленные их образованием. Результаты наших исследований по нитрификационной способности представлены на рисунке 1. Нитрификационная способность техноземов в слое 0-10 см не уступает таковой в зональной почве (см. рис.1). Это свидетельствует о том, что количество микроорганизмов увеличивается по мере старения отвалов и зарастания их растительностью. А.М. Бурыкин (1980) в своей работе пишет, что в свежих породах

из карьера (глина, мел) микроорганизмы практически отсутствуют или достигают ничтожных количеств. Тех-нозем на Восточном гидроотвале по сравнению с Бестранспортным отвалом (в среднем 0,3 мг/100г), Сереженским гидроотвалом (0,8 мг/100г) и контролем (1 мг/100г) отличается высокой (1,5 мг/100г) способностью к нитратообразованию. Высокая интенсивность накопления нитратов связана с хорошей обеспеченностью их органическим веществом, благоприятной реакцией среды. Наибольшая нитрификационная способность на Сереженском гидроотвале наблюдается в верхних слоях, но с глубиной она резко уменьшается. Можно предположить, что содержание микроорганизмов в слоях 0-20 см с обильными растительными остатками превышает их количество в нижележащих слоях. В профиле технозема Бестранспортного отвала обнаруживается неравномерность в накоплении нитратов: «вспышка» N-NO3 в слое 70-80 см обусловлена наличием включений в виде углей и достаточно высоким содержанием гумуса (9,85%). Увеличение интенсивности нитратообра-зования в нижних слоях технозема объясняется скоплением новообразований в виде гумусовых языков.

На агрочерноземе глинисто-иллювиальном наиболее интенсивное накопление нитратов наблюдается в слое почвы 0-10 см (1,56 мг/100г), на глубина 40-50 см отмечено понижение до 0,53 мг/100г. Нитрификационная способность зональной почвы согласуется с распределением гумуса: уменьшение количества гумуса пропорционально снижает нитрификационную способность.

0-10 П

10-20 »

§ 30-40 »

1 40-50 ~Р

ю .

сТ 70-80 II

90-100 II

120-130 Р

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Разрез 2п - 04

Разрез 3п - 04

0-10

10-20

2 30-40

І 40-50

ю

с

50-60

70-80

90-100

Л

D

D

D

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Разрез 4п - 04

0-10

10-20

(О

г

40-50

50-60

70-80

90-100

---1-----1------1-----1----1------1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Разрез 5п - 04

Рис. 1. Нитрификационная способность

О биологической активности пород можно судить также по разложению клетчатки. Целлюлозоразрушающие микроорганизмы осуществляют минерализацию клетчатки растительных остатков и принимают участие в гумификации органического вещества в почвах. Существует прямая зависимость между разложением целлюлозы и содержанием нитратов в почве. Микроорганизмы, разлагающие целлюлозу растительных остатков, принимают участие в метаболизме не только углерода, но и азота, и фосфора (Шугалей, 1991). Результаты наших исследований по целлюлозоразложению представлены на рисунке 2. Интенсивность целлюлозоразложения (среднее значение) в профилях техноземов Восточного гидроотвала (12%) и Бестранспортного отвала (11%) отличается большей активностью по сравнению с техногенной почвой на Се-режском гидроотвале (8%) и зональной почвой (7%) (см. рис. 2). Это объясняется тем, что профили технозе-мов по сравнению с зональной почвой отличаются большой неоднородностью, слоистостью и высоким содержанием гумуса в насыпном гумусово-аккумулятивном горизонте, наличием обломков и пластин угля. В почве Восточного гидроотвала процессы разложения целлюлозы характеризуются более высокой интенсивностью (14,7 %) по всему профилю.

Разрез 2п - 04

5

о

<в

X

5

£

е;

0-10

10-20

30-40

40-50

70-80

90-100

120-130

О

0 5 10 15

Разрез 3п - 04

0-10

10-20

2 и 30-40

гз X X ю 40-50

> £ 50-60

70-80

90-100

0 5 10 15

Разрез 4п - 04

0-10

10-20

5 о 30-40

го X 40-50

%

£ 50-60

70-80

90-100

5 10 15

Разрез 5п - 04

0

Рис. 2. Интенсивность целлюлозоразложения

Это связано с наличием большего количества включений в виде корней и высоким содержанием гумуса вплоть до глубины 70-80 см (7,65-4,46 %). Интенсивность целлюлозоразложения в профиле технозема на Сереженском гидроотвале снижается постепенно. В агрочерноземе глинисто-иллювиальном обнаруживается низкая деятельность целлюлозоразлагающих групп с глубины 30 см. Целлюлозоразлагающая способность в верхнем слое технозема на Бестранспортном отвале протекает слабо. Однако в слоях 10-20 и 40-80 см отмечается довольно резкое повышение скорости распада целлюлозы. Объяснить это можно тем, что профиль почвы на этом отвале отличается наибольшей неоднородностью, слоистостью и обилием включений в виде углей, железистых новообразований, по сравнению с техноземами на других отвалах.

Т.В. Аристовская (1973) отмечает, что одним из основных источников поступления элементов зольной пищи в растения, а также почвенных микроорганизмов являются минералы почвообразующих пород. Видно (рис. 3), что почвы Восточного гидроотвала обладают наибольшей биологической активностью, свидетельствующей об активности протекающих здесь биохимических процессов.

Рис. 3. Интенсивность целлюлозоразложения на пробных площадях

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Биологическое состояние техноземов незначительно отличается от такового в зональной почве.

2. Техногенные почвы обладают плодородием, не уступающим плодородию естественных на этой территории почв, и могут использоваться в качестве пахотных и пастбищных угодий.

Литература

1. Аристовская, Т.В. О некоторых аспектах геохимической деятельности почвенных микроорганизмов

как составной части биогеоценоза / Т.В. Аристовская // Проблемы биогеоценологии. - М., 1973. -

С. 11-23.

2. Бурыкин, А.М. Условия почвообразования в техногенных ландшафтах в связи с их рекультивацией (на

примере Курской магнитной аномалии) / А.М. Бурыкин // Рекультивация земель и улучшение малопродуктивных угодий на территории КМА: науч. тр. Воронеж. СХИ. - Т. 108. - Воронеж, 1980. - С. 11-42.

3. Вострое, И.С. Определение биологической активности почвы различными методами / И.С. Вострое,

A.Н. Петрова // Микробиология. - Т.30. - 1961. - № 4. - С.665-669.

4. Курачев, В.М. Темпы разложения растительных остатков в почвах техногенных ландшафтов / В.М. Кура-чее, В.Б. Батурина // Сиб. экол. журн. - 2005. - № 5. - С.789-793.

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

6. Методические указания по определению нитрификационной способности почв. - М.: ЦИНАО, 1984. - 16 с.

7. Прищепа, Л.А. Особенности состава и строения техноземов в Назаровской котловине / Л.А. Прищепа,

B.С. Борцов // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регионал. науч.-практ. конф. Ч.1 / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2007. - С. 49-54.

8. Попова, Э.П. Биологическая активность и азотный режим почв Красноярской лесостепи / Э.П. Попова, Я.И. Лубите. - Красноярск: Краснояр. кн. изд-во, 1975. - 272 с.

9. Семикобыла, Я.Г. Прогноз допустимого техногенеза природных ресурсов района открытой угледобычи / Я.Г. Семикобыла. - М.: Росинформуголь, 2000. - 169 с.

10. Шугалей, Л.С. Антропогенез лесных почв юга Среденей Сибири / Л.С. Шугалей. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 185 с.

'---------♦-----------

УДК 631.175:633.1 Е.Г. Артемьев, Д.И. Еремин

РОЛЬ АЗОТФИКСАЦИИ В ФОРМИРОВАНИИ ГОРОХА В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Исследования показывают, что горох на выщелоченных черноземах способен на 20-60 % обеспечить себя азотом. Максимальная эффективность азотфиксации проявляется при нормах посева 1,2 млн всхожих семян на гектар. Дальнейшее загущение приводит к снижению азотфиксации гороха. Результаты исследований можно использовать при программировании урожайность гороха.

Ключевые слова: азотфиксация, нормы высева, загущение, выщелоченный чернозем, вынос азота, горох, сорт.

E.G. Artemiev, D.I. Yeremin NITROGEN FIXATION ROLE FOR THE PEAS FORMING IN THE NORTH FORESTSTEPPE CONDITIONS OF THE TYUMEN REGION

The research demonstrates that the peas on leached chernozems are capable to provide itself with nitrogen by 20-60% . The maximum of the nitrogen fixation efficiency is exhibited at such norms of sowing as 1,2 million seeds on hectare. The further gelling results in the peas azotfixation decrease. The research results can be used for the peas productivity programming.

Key words: nitrogen fixation, norms of sowing, gelling, leached chernozem, nitrogen, peas, sort.

В Тюменской области предпочтение из зернобобовых культур отдается гороху, как наиболее ценной и в то же время малотребовательной к условиям выращивания культуре. Основное достоинство его - высокое содержание протеина в зерне и вегетативных органах, что определяет его разнообразное использование. Включение гороха в севооборот повышает плодородие почвы, так как он накапливает в почве до 130 кг азота на 1 га за счет симбиотической деятельности азотфиксирующих микроорганизмов.

Однако, несмотря на положительные качества гороха, его посевы в России сокращаются. С 1999 по 2002 год посевные площади зернобобовых культур в целом по России сократились с 3,96 до 1,19 млн га, или в 3,3 раза, а валовое производство гороха - с 3,24 до 0,70 млн т.

Вопрос азотного питания гороха более сложен, и решение его не может быть однозначным для различных почвенно-климатических условий (Кореньков Д.А., 1990). При оптимальных условиях возделывания