Продуктивность растительности и процессы гумусонакопления в почвах техногенных ландшафтов юга Приморья

Почвоведение

Вестник ДВО РАН. 2010. № 4

УДК 631.46.51

Л.Н.ПУРТОВА, Л.Н.ЩАПОВА, И.В.КОМАЧКОВА

Продуктивность растительности и процессы гумусонакопления в почвах техногенных ландшафтов юга Приморья

Выявлены основные закономерности в накоплении органического вещества и проявлении процессов гумусо-образования в почвах на отвальных породах Павловского угольного разреза. Исследована микрофлора молодых почв (эмбриоземов), проведена оценка темпов накопления гумуса в зависимости от временной стадии посттех-ногенного почвообразования.

Ключевые слова: органическое вещество, растительность, микроорганизмы, микрофлора, почвы, гумус, кислотность почв.

Vegetation productivity and humus accumulation processes in soils of technogenic landscapes of the South Primorye. L.N.PURTOVA, L.N.SHCHAPOVA, I.V.KOMACHCOVA (Institute of Biology and Soil Science, FEB RAS, Vladivostok).

The basic regularities of organic substance accumulation and display of processes of humus formation in soils of recrement of the Pavlovski coal cut are revealed. Microflora of young soils (embriozem) is investigated, and estimation of humus accumulation rates depending on the time stage ofposttechnogenic soil formation is made.

Keywords: organic substance, vegetation, microorganisms, microflora, soils, humus, acidity of soils.

Пространственная локализация и нейтрализация отрицательного воздействия горных работ на почвенный покров достигаются его своевременной рекультивацией. В свою очередь, степень эффективности рекультивационных работ во многом зависит от специфики гумусообразовательного процесса, темпов накопления органического вещества и активности микрофлоры. Отвалы вскрышных пород являются образованиями, не имеющими аналогов в природе. Основной компонент формирующихся биогеоценозов - молодая почва, свойства которой во многом определяют направление развития биологических систем. В связи с этим представляется актуальным исследование закономерностей формирования почв и характера гумусообразовательного процесса в техногенных ландшафтах.

Изучению почв техногенных ландшафтов на юге Дальневосточного региона посвящен ряд работ [7, 9, 15], однако процессы гумусообразования в почвах техногенных ландшафтов Приморского края в связи с продуктивностью растительности и деятельностью микрофлоры исследованы мало. Наиболее детально рассмотрены процессы гумусообразова-ния и гумусонакопления с учетом воздействующих на них факторов почвообразования (климат, рельеф, растительность, состав горных пород и временной интервал) в почвах техногенных ландшафтов Сибири и Урала [1, 2, 10, 14]. Между тем в связи со спецификой климатических условий юга Дальнего Востока, в зависимости от временного интервала становления регенерационных экосистем в техногенных ландшафтах здесь процесс гумусонакопления проявляется по-разному, отражаясь как в облике формирующегося почвенного профиля, так и в содержании и запасах гумуса почв [8].

ПУРТОВА Людмила Николаевна - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, ЩАПОВА Людмила Никифоровна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, КОМАЧКОВА Ирина Владимировна - аспирант (Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток). E-mail: Purtova@ibss.dvo.ru

Цель настоящей работы - исследование процессов гумусонакопления в почвах, сформированных на отвальных породах угольных разрезов юга Приморья (на примере Павловского угольного разреза).

Объект исследований - почвы и растительность, сформированные на отвальных породах Павловского угольного разреза (пос. Новошахтинский) на различной временной пост-техногенной стадии: участки Северо-Восточный (2 года, 8 лет) и внутренний Павловский (18 лет), Северная депрессия (13 лет). Исследуемые почвы представлены инициальным, органоаккумулятивным, дерновым и гумусово-аккумулятивным типами эмбриоземов. В работе мы придерживаемся субстантивно-генетической классификации почв [5]. Определение гумуса проводили по методу Тюрина, актуальную и обменную кислотность почв исследовали потенциометрически [3]. Запасы фитомассы и общие запасы растительного органического вещества определены по методике, описанной в работе [4]. Экологотрофические группы микроорганизмов выделяли на общепринятых питательных средах, рекомендованных ИМ РАН. Аммонифицирующие микроорганизмы, участвующие в процессах разложения органического вещества, определяли на мясопептонном агаре (МПА); использующие минеральный азот или амилолитические - на крахмально-аммиачном агаре (КАА); микроскопические грибы - на среде сусло-агар; олигонитрофильные - на среде Эшби [11].

Результаты и обсуждение

В Павловском разрезе при добыче угля открытым способом на поверхность выносятся тяжелоглинистые и песчано-галечниковые породы. Район исследований относится к Приханкайской гидротермической провинции и входит в юго-западный округ [13], которому свойственно теплое и дождливое лето со значительным выпадением годового количества осадков (до 700 мм). Сумма активных температур достигает 2450-2500°. Климатические особенности накладывают отпечаток на развитие растительности, формирование почв и направленность процессов гумусонакопления в данном разрезе. Наиболее качественный признак, по которому образующиеся почвы отличаются от материнских пород, - развитие микроорганизмов и накопление гумуса.

Основным источником гумусообразования и гумусонакопления на начальных стадиях формирования почв техногенных ландшафтов служат растительные остатки фитоценозов. Поэтому соотношение между их общей биологической продуктивностью и содержанием гумуса в почве - весьма важный критерий, который можно использовать для оценки уровня устойчивости состояния и эволюции техногенных ландшафтов [14]. На участке Северо-Восточный на глинистых отвалах двухлетнего возраста произрастают отдельные представители семейства злаковых и астровых: тимофеевка луговая (Phleum prantense L.) и полынь Арги (Artemisia argyi Levl. et Vaniot). На начальных стадиях становления фитоценозов в техногенных ландшафтах общие запасы растительного органического вещества очень низкие - до 8,14 г/м2 (табл. 1). Мортмасса на этих участках не накапливается, а прирост растительной массы очень низкий - 0,06 т/га. В структуре фитомассы преобладает надземная часть. Соответственно, процессы гумусонакопления развиты слабо, а интенсивность педогенного преобразования материала отвалов крайне ослаблена. В этих условиях идет формирование инициальных эмбриоземов, для которых характерно отсутствие четко выраженного биогенного горизонта (табл. 2).

Микробиологические исследования отвалов разного возраста показали, что биоген-ность последних определялась временем пребывания на дневной поверхности. Так, био-генность отвалов двухлетнего возраста крайне низкая (табл. 3), однако ее величина превышала экологически значимый минимум, равный 1 млн клеток [12], что свидетельствует о жизнеспособности зарождающегося микробного ценоза. В нем представлены все микроорганизмы, отвечающие за трансформацию углерод- и азотсодержащих соединений.

Запасы растительного органического вещества на отвальных породах угольных разрезов

юга Приморья, г/м2

Участок Возраст отвала, лет Фитомасса Мортмасса

надземная подземная

Северо-Восточный 2 6,05 2,09 -

8 256,98 54,99 276,97

Северная депрессия 13 228,78 229,78 124,30

Павловский 18 179,06 65,71 29,74

Таблица 2

Физико-химические показатели почв техногенных ландшафтов Приморья

Возраст Почва - Глубина, см рН Гумус, %

Участок отвала, лет эмбриозем Горизонт рНв рНс

С1 0-9 4,40 4,01 Следы

2 Инициальный С11 С111 9-25 25-53 5,03 4,49 4,32 3,45 0,25

С1У 53 и ниже 5,28 4,57 Следы

Северо-Восточный А1 1-5 5,48 4,46 0,63

8 Органоаккумуля- тивный АВ С1 С11 5-17 17-44 44-79 5,08 4,99 4,72 3,63 3,68 3,65 0,32 0,31 0,21

С111 79 и ниже 4,70 3,55 0,11

Ад 0-3 5,25 4,80 1,11

А1 3-6 5,21 4,10 0,37

Северная депрессия 13 Дерновый АВ С1 6-19 19-30 5,19 5,15 3,92 4,00 0,44 0,48

С11 30-50 5,29 3,99 0,34

С111 50 и ниже 5,18 3,96 0,19

А1 0-5 4,77 3,90 7,98

АВ 5-17 4,26 3,85 1,13

Павловский 18 лет Эмбриозем гумусово-аккуму- лятивный С1 С11 С111 С1У 17-28 28-50 50-66 66-100 4,54 3,96 3,92 3,71 3,85 3.63 3.63 3,42 0,24 0,02 Следы

СУ 100-137 4,36 3,82 - “ -

СУ! 137 и ниже 3,92 3,34 - “ -

Примечание. В скобках - запасы гумуса в слое 20 см (т/га).

Отсутствие свежего органического вещества сдерживает развитие микроорганизмов, использующих органический азот, небольшое их число обнаружено в слоях 0-9 см и 9-25 см. Содержание микроорганизмов, развивающихся за счет минерального азота (среда КАА), несколько больше.

В микробном сообществе инициального эмбриозема представлены олигонитрофи-лы, функциональная особенность которых - накопление азота. Однако микробный ценоз инициального эмбриозема не отличается разнообразием. Отсутствие актиномицетов и спороносных форм бактерий сдерживает процессы разложения органического вещества. Основная масса микроорганизмов представлена неспороносными формами. Бактериальное население не отличается разнообразием: в него входят в основном бактерии рода

Численность и групповой состав микроорганизмов в техногенных ландшафтах, тыс. КОЕ / г почвы

Участок (возраст отвала, лет) Глубина, см Горизонт Микроорганизмы на МПА Грибы Микроорганизмы на КАА Олиго- нитрофилы

бактерии актино- мицеты

Эмбриозем инициальный

Северо- 0-9 С1 1280 2,0 1690 Нет 1310

Восточный (2) 9-25 С11 1140 5,7 1360 -«- 1690

Эмбриозем органоаккумулятивный

Северо-Восточный (8) 0-4 А1 17750 123,5 1500 10 18 300

4-17 АВ 1820 12,3 5 850 Нет 1820

Эмбриозем дерновый

Северная депрессия (13) 0-3 Ад 20950 23,5 18 500 6,5 16 500

3-6 А1 1790 52,0 21 000 40 28 800

6-19 АВ 3310 5,0 10 700 40 38 700

Эмбриозем гумусово-аккумулятивный

Разрез 0-5 А1 6280 86,5 20 000 60 20 400

Павловский (18) 5-17 АВ 1090 11,3 6050 550 6 100

17-28 С1 96 3,7 1200 20 750

артробактер - гетеротрофы, участвующие в разложении органического вещества. Известно, что их доля возрастает там, где почвы бедны свежими органическими остатками, а также в экстремальных условиях [6, 16].

В процессе удлинения временной стадии посттехногенного почвообразования состав растительности изменяется. На глинистых отвалах восьмилетнего возраста преобладают представители семейств астровых, бобовых и хвощовых: осот щетинистый (Cirsium setosum (Willd.) Bieb), осот полевой (Sonchus arvensis L.), полынь Арги (Artemisia ar-gyi Levl. et Vaniot), клевер гибридный (Trifolium hubridum L.), хвощ луговой (Equise-tum pratense L.). В фитоценозе явно доминирует полынь Арги (Artemisia argyi Levl. et Vaniot) и клевер гибридный (Trifolium hubridum L.). Общие запасы растительного органического вещества возрастают, прирост растительной массы составляет до 2,75 т/га, в ее структуре преобладает надземная часть и существенно возрастает подземная. Количество мортмассы также увеличивается (табл. 1). При таком соотношении надземной, подземной частей фитомассы и мортмассы идет формирование органоаккумулятивного эмбриозема, относящегося к почвам ранних стадий эволюции. Содержание гумуса по профилю органоаккумулятивных эмбриоземов низкое. Запасы гумуса по сравнению с эмбриоземами инициальными несколько увеличиваются, оставаясь на уровне очень низких значений. В поверхностных горизонтах почв параметры актуальной кислотности возрастают. По профилю почв актуальная кислотность изменялась от слабокислой до кислой (табл. 2). В период заселения отвала осотом, полынью, клевером и т.д. нарастала численность микроорганизмов и увеличивалось их разнообразие. В органоаккумулятивных эмбриоземах продолжают активно развиваться олигонитрофильные микроорганизмы, но их содержание едва превышает таковое типичных сапрофитов, усваивающих органический и минеральный азот. В микробном ценозе присутствуют нокардии, выполняющие функцию минерализации органического вещества на поздних стадиях сукцессии, и актиномицеты. Численность микроскопических грибов резко увеличивается, их разнообразие возрастает (грибы определены Л.Н.Егоровой). Преобладают Penicilluim velutinum, но встречаются и другие роды (Umbelopsis ramaniana, Coniothyrium fuckelii, Paecilomyces variotii). Появляются также бациллы рода Bac. mycoides, что свидетельствует о наличии в субстрате свежего органического вещества, но минерализационные процессы выражены слабо.

На отвалах участка Северная депрессия (возраст отвала 13 лет) в составе растительности преобладали представители семейства бобовых - клевер гибридный (Trifolium hubridum L.), Куммеровия полосатая (Kummerowia striata (Thunb.) Schindl.), донник душистый (Melilotus suaveolens Lebed) и злаки - вейник наземный (Calamagrostis epigeios (L.) Roth). Общий запас растительного органического вещества составил 583,06 г/м2, а прирост растительной массы по сравнению с ранее рассмотренными участками увеличился до 3,10 т/га. В структуре фитомассы произошли существенные изменения. Доля наземной и подземной частей в формировании запасов фитомассы была практически одинаковой, при этом значительно снизилось количество мортмассы, что свидетельствует об усилении интенсивности процессов гумусонакопления. В этих условиях формировались эмбриоземы дерновые с профилем, четко дифференцированным на две части - органогенную (дерновый и гумусово-аккумулятивный горизонты) и литогенную (горизонты АВ, С1, С11, С111). Количество гумуса по сравнению с органоаккумулятивными эмбриоземами возросло до

I,11%. Этому во многом способствовало снижение кислотности почв и активизация микробиологических процессов.

Заметное увеличение биогенности в дерновом эмбриоземе связано с преобладанием в составе растительности представителей семейства бобовых и увеличением общего запаса растительного органического вещества. Большая численность микроорганизмов, развивающихся за счет органического азота, обеспечивает разложение органического вещества, богатого азотом. При этом численность олигонитрофилов продолжает нарастать, что способствует обогащению верхних слоев отвалов азотом. Таким образом, установлена тесная связь между содержанием гумуса и численностью олигонитрофилов (коэффициент корреляции составил +0,81).

Содержание микромицетов в слое 0-3 см невысокое, но их состав становится разнообразным в отличие от такового микробных ценозов угольных отвалов Кузбасса [14]. И хотя в их составе продолжает доминировать Penicillium velutinum, появляются микроскопические грибы других родов - Aspergillus niger, A.clavatus, Mortierella isabellina, Mucor, Botrytis, Acremonium и другие, типичные для почвенных горизонтов. Большая численность микроорганизмов, развивающихся за счет минерального азота, свидетельствует об интенсивно идущих минерализационных процессах (коэффициент минерализации 11,7).

По всему профилю эмбриоземов дерновых реакция среды слабокислая. Показатели актуальной кислотности изменялись от 5,25 в поверхностных до 5,18 в нижележащих горизонтах. Запасы гумуса из-за низких параметров объемной массы (0,88 г/см3) составили

II,4 т/га.

На песчано-галечниковых отвалах участка Павловский в составе растительности явно доминировали представители семейств бобовых - клевер гибридный (Trifolium hubridum L.), куммеровия полосатая (Kummerowia striata (Thunb.) Schindl.)), астровые (ястребинка зонтичная (Hieracium umbellatum L.), полынь тенистая (Artemisia umbrosa (Bess)Turcz. ex DC) и хвощовых - хвощ луговой (Equisetum pratense L.). В структуре фитомассы преобладала надземная часть. Общий запас растительного органического вещества по сравнению с Северной депрессией сократился. Прирост растительной массы составил 2,0 т/га. Сокращение количества мортмассы характеризовало ускорение темпов разложения органического вещества и усиление процессов гумусонакопления в поверхностных горизонтах почв. В этих условиях на более поздних стадиях развития техногенных ландшафтов формируются эмбриоземы гумусово-аккумулятивные. Им свойственно более интенсивное развитие гумусообразовательного процесса, который проявляется в формировании гумусового горизонта, в данном случае мощностью 5 см, среднегумусированного (до 7,98%) с резко убывающим внутрипрофильным распределением. В поверхностных горизонтах почв реакция среды кислая (рНв 4,77).

Сокращение запасов растительного органического вещества в гумусово-аккумулятивном эмбриоземе приводит к уменьшению биогенности данных отвалов. Заметно снижается

содержание микроорганизмов, участвующих в разложении свежего органического вещества, и продолжает увеличиваться численность микроорганизмов, развивающихся за счет минерального азота (коэффициент минерализации 3,18). С глубиной резко сокращается пул микроорганизмов. Большое содержание актиномицетов в этом эмбриоземе свидетельствует о наличии трудноразлагаемого органического вещества. В составе микроскопических грибов по численности (70%) доминирует Penicillum purpurogenum, 25% составляет Pen. velutinum, присутствуют микромицеты родов Myrothecium verrucaris, Mortierella isabellina, Acremonium roseum. Большой набор пенициллов типичен для зональных бурых лесных почв [16].

Микробный ценоз гумусово-аккумулятивных эмбриоземов еще более напоминает микробную систему зональных почв (представлены все таксономические и физиологические группы микроорганизмов), однако высокая степень олиготрофности микрофлоры свидетельствует о некоторой его незрелости. Если сравнивать микробный ценоз эмбриоземов 18-летней стадии развития с микробоценозами эмбриоземов Кузбасса, можно отметить идентичность численности микроорганизмов, развивающихся на органическом азоте (среда МПА), и заметно меньшую численность остальных функциональных групп [14]. Это значит, что в эмбриоземах Приморья, посттехногенный возраст которых 18 лет, интенсивнее развиваются минерализационные процессы, которые способствуют более глубокой трансформации гумусовых веществ.

Выводы

На юге Приморья в ходе временной стадии эволюции посттехногенного почвообразования в связи с развитием растительности и ростом ее продуктивности в формирующихся почвах гумусонакопление носит различный характер. Скорость гумусообра-зования во многом зависит от характера растительности, структуры фитомассы, условий кислотно-щелочного состояния почв и активности микрофлоры.

На кислых глинистых породах с низкими параметрами рНв и рНс накопление гумуса замедляется. В инициальных эмбриоземах отмечено доминирование артробактера и пигментированных форм микроорганизмов. В составе микрофлоры отсутствуют спороносные формы бактерий. Структуре общего запаса растительного органического вещества свойственно преобладание мортмассы и надземной части фитомассы (Северо-Восточный участок).

На отвалах глинистых пород в восьмилетней стадии посттехногенного почвообразования идет формирование органоаккумулятивных эмбриоземов. В них наряду с артро-бактером появляются спороносные формы, увеличивается количество пигментных кори-неподобных бактерий, появляются бациллы рода Bac. mycoides, что свидетельствует о наличии в субстрате свежего органического вещества. Однако минерализационные процессы выражены слабо.

На 13-летней стадии посттехногенного развития ландшафтов, когда в структуре общего запаса растительного органического вещества доля мортмассы резко сокращается, а соотношение надземной и подземной массы практически одинаковое, формируются дерновые эмбриоземы. Для них также характерно низкое содержание гумуса и его запасов. Оба типа эмбриозема по составу микробных ценозов и характеру их деятельности становятся похожими на микробные ценозы зональных почв.

Наибольшее количество гумуса накапливается под растительными группировками с развитым травянистым покровом. В общем запасе растительного органического вещества наблюдается резкое сокращение доли мортмассы и общего запаса растительного органического вещества. В таких условиях формируются гумусово-аккумулятивные эмбриозе-мы, для которых характерно среднее содержание гумуса, а численность, состав и распределение микроорганизмов по горизонтам напоминают микрофлору зональных почв.

Следовательно, процессы гумусонакопления в посттехногенную стадию формирования ландшафтов идут более интенсивно к восемнадцати годам.

Процессы гумусонакопления в почвах, сформированных на угольных отвалах естественным путем, происходят медленно. Для их ускорения необходимы специальные приемы биологической рекультивации, включающие возделывание многолетних трав, применение углесодержащих суспензий, обогащенных штаммами микроорганизмов. Это будет способствовать активизации процессов почвообразования, а следовательно, увеличению содержания гумуса и усилению стабильности техногенных экосистем в целом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абакумов Е.В., Гагарина Э.И. Почвообразование в посттехногенных экосистемах карьеров на Северо-Западе Русской равнины. СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 2006. 208 с.

2. Андроханов В.А., Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. Новосибирск: Наука, 2004. 151 с.

3. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970. 487 с.

4. Базилевич Н.И., Титлянова А. А., Смирнов В. В. и др. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М.: Наука, 1978. 183 с.

5. Гаджиев И.М., Курачев В.М., Андроханов В.А. Стратегия и перспективы решения проблем рекультивации нарушенных земель. Новосибирск: Наука, 2001.

6. Добровольская Т.Г. Структура бактериальных сообществ почв. М.: Академкнига, 2002. 282 с.

7. Костенков Н.М., Ознобихин В.И. Биологическая рекультивация пород угольных отвалов. Владивосток: Дальнаука, 2007. 99 с.

8. Костенков Н.М., Пуртова Л.Н. Общие закономерности формирования почв на отвальных породах и их гумусовое состояние // Вестн. КрасГАУ 2009. № 6. С. 17-22.

9. Крупская Л.Т., Новикова Е.В. О рекультивации горных пород в условиях муссонного климата // Научные и прикладные вопросы мониторинга земель Дальнего Востока. Владивосток: ДВО РАН, 1993. С. 97-103.

10. Махонина ГИ. Состав гумуса почв, образующихся на буроугольных отвалах при естественном зарастании // Проблемы рекультивации земель в СССР. Новосибирск: Наука, 1974. С. 205-209.

11. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1991. 303 с.

12. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975. 740 с.

13. Степанько А.А. Агрогеографическая оценка земельных ресурсов и их использование в районах Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 1992. 115 с.

14. Трофимов С. С., Наплекова Н.Н., Кандрашин Е.Р. и др. Гумусообразование в техногенных экосистемах. Новосибирск: Наука, 1986. 164 с.

15. Шляхов С. А. Техногенные поверхностные образования в местах золотодобычи на Буреинском нагорье. Владивосток: Дальнаука, 2002. 36 с.

16. Щапова Л.Н. Микрофлора почв юга Дальнего Востока России. Владивосток: ДВО РАН, 1994. 186 с.