Состав гумуса почв, формирующихся на отвалах вскрышных пород Павловского угольного разреза при естественном зарастании

УДК 631.4 И.В. Комачкова, Л.Н. Пуртова

СОСТАВ ГУМУСА ПОЧВ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ НА ОТВАЛАХ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ПАВЛОВСКОГО УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ ЗАРАСТАНИИ

Исследованы процессы гумусонакопления и состав гумуса почв, образующихся на отвалах Павловского буроугольного разреза, в зависимости от временной стадии посттехногенного развития при их естественном зарастании. Выявлены основные закономерности в накоплении органического вещества и проявлении процессов гумусообразования. Проведена оценка темпов накопления гумуса и формирования почв.

Ключевые слова: органическое вещество, растительность, почва, гумус, буроугольный отвал.

I.V. Komachkova, L.N. Purtova

HUMUS STRUCTURE OF THE SOILS BEING FORMED ON THE STRIPPING ROCK DROPS OF THE PAVLOVSK COAL MINE AT NATURAL GRASSING

Humus accumulation processes and humus structure of the soils being formed on the Pavlovsk brown coal mine drops, depending on the posttechnogenic development time period at their natural grassing are researched. The basic laws of organic matter accumulation and humus formation processes efficiency are revealed. The estimation of humus accumulation and soils formation rates is made.

Keywords: organic matter, vegetation, soil, humus, brown coal drop.

Введение

Современный техногенез сопровождается рядом отрицательных последствий, оказывающих влияние на все компоненты ландшафта. К элементам техногенеза относится добыча полезных ископаемых, в том числе и бурого угля. В результате жесткого антропогенного прессинга происходит разрушение почвеннорастительного покрова и ландшафты долгое время сохраняют облик техногенных пустынь. Проведение ре-культивационных работ во многом ускоряет формирование почвенного покрова в техногенных ландшафтах, а увеличению их эффективности способствует учет специфики гумусообразовательных процессов в зависимости от стадийности развития растительных сукцессий и темпов накопления органического вещества. В связи с этим, исследование закономерностей формирования почв в экстремальных условиях техногенных ландшафтов и изучение протекания в них гумусообразовательных процессов приобретают особую значимость и актуальность.

На юге Дальневосточного региона изучению почв техногенных ландшафтов посвящены работы Л.Т. Крупской, Е.В Новиковой [9] С.А. Шляхова [17], Н.М. Костенкова, Л.Н. Пуртовой [7], Н.М. Костенкова и В.И. Ознобихина [8]. Однако процессы гумусообразования в почвах техногенных ландшафтов Приморского края в зависимости от временной стадии формирования растительных сукцессий и накопления органического вещества рассмотрены незначительно. Наиболее детально процессы гумусообразования и гумусонакоп-ления с учетом складывающихся факторов почвообразования исследованы в почвах техногенных ландшафтов Сибири и Урала и освещены в работах Е.В. Абакумова и др. [1], В.А. Андроханова и др. [2], В.М. Кураче-ва [10], Г.И. Махониной [11, 12], А.А. Титляновой и др. [15], С.С. Трофимова и др. [16].

Основная цель работы состояла в исследовании состава гумуса почв, образующихся на буроугольных отвалах на отвалах вскрышных пород Павловского угольного разреза, в зависимости от временной стадии становления регенерационных экосистем и их продуктивности, а также от породного состава отвалов.

Объект и методы исследований

Объектом исследований явились основные компоненты техногенных ландшафтов - почвы и растительность, сформированные на отвальных породах различных участков Павловского угольного разреза на различной временной посттехногенной стадии - участок Северо-Восточный (3 года, 8 лет), Южный (12 лет), Северная депрессия (13 лет), Внутренний Павловский (18 лет). Исследуемые почвы представлены следующими типами эмбриоземов: инициальный, органо-аккумулятивный, дерновый и гумусово-аккумулятивный. В работе использована субстанстивно-генетическая классификация почв, разработанная И.М. Гаджиевым,

В.М. Курачевым и др. [6]. Определение гумуса проводили по методу Тюрина [2], групповой и фракционный состав гумуса по схеме И.В.Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [2]. Запасы фитомассы и общие запасы растительного органического вещества определены по методике Н.И. Базилевич, А.А. Титляновой с соавторами [5].

Результаты и обсуждения

При добыче угля открытым способом в угольном разрезе Павловский на поверхность выносятся тяжелоглинистые и песчано-галечниковых породы. Согласно схеме гидротермического районирования юга Дальнего Востока, район исследований относится к Приханкайской гидротермической провинции и входит в юго-западный округ [12], для которого свойственно теплое и дождливое лето со значительным выпадением годового количества осадков (до 700 мм). Сумма активных температур достигает 2450-2500°С. Климатические особенности накладывают отпечаток на развитие растительности, формирование почв и направленность процессов гумусонакопления. Наиболее качественным признаком, по которому образующиеся почвы отличаются от материнских пород, является накопление гумуса. Основным источником гумусообразования и гумусонакопления на начальных стадиях формировании почв техногенных ландшафтов являются растительные остатки фитоценозов. Поэтому соотношение между их общей биологической продуктивностью и содержанием гумуса в почве является весьма важным критерием, который можно использовать для оценки уровня устойчивости состояния и эволюции техногенных ландшафтов [14].

На участке Северо-Восточный на глинистых отвалах трехлетнего возраста в растительном покрове доминирует хвощ луговой (Equisetum pratense L). В состав растительности входят также представители семейств бобовых и астровых. Это клевер гибридный (Trifolium hubridum L.), полынь тенистая (Artemisia umbrosa (Bess)Turcz. ex DC). В составе фитомассы преобладает надземная часть. Прослеживается процесс накопления мертвого органического вещества (мортмассы). Прирост растительной фитомассы составляет 2,52 т/га. На этой стадии формируется эмбриозем инициальный.

Содержание гумуса в поверхностном горизонте составляет 0,22 %. Рассмотрение данных, полученных при фракционном анализе гумуса, позволяет отметить, что для поверхностного горизонта трехлетней почвы характерно преобладание фульвокислот, гумус отличается подвижностью, величина отношения Сгк:Сфк составляет 0,49, гумус имеет фульватный состав. В составе гуминовых кислот преобладают первая и третья фракции. Содержание второй фракции гуминовых кислот, связанных с кальцием, незначительно. Велика доля негидролизуемого остатка (63,8 %). В составе фульвокислот преобладающей является третья фракция. В нижележащем горизонте общее содержание гумуса увеличивается в два раза, что, по нашему мнению, связано с преобладанием в поверхностном горизонте фракции гуминовых кислот подвижных и связанных с полуторными окислами, которые мигрируют вниз по профилю и закрепляются в горизонте II. По сравнению с вышележащим горизонтом увеличивается содержание всех фракций гуминовых кислот, среди которых преобладает третья фракция гуминовых кислот, прочно связанная с глинистыми минералами. Для фульвокислот также характерно доминирование третьей фракции. Отношение Сгк:Сфк составляет 0,63. Доля негидролизуемого остатка несколько уменьшается (до 55,5 %). Однако на этой стадии посттехногенного формирования почв темпы гумусонакопления несколько замедленны и запасы гумуса очень низкие.

В процессе удлинения временной стадии посттехногенного почвообразования состав растительности несколько изменяется. На глинистых отвалах восьмилетнего возраста в составе растительности преобладают представители семейств астровых, бобовых и хвощевых. Это осот щетинистый (Cirsium setosum (Willd.) Bieb), осот полевой (Sonchus arvensis L), полынь Арги (Artemisia argyi Levl.et Vaniot), клевер гибридный (Trifolium hubridum L.), хвощ луговой (Equisetum pratense L). В фитоценозе явно доминируют 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 структуре фитомассы преобладает надземная часть и существенно возрастает подземная часть. Количество мортмассы также увеличивается (табл.1). При таком соотношении надземной, подземной частей фитомассы и мортмассы идет формирование органо-аккумулятивного эмбриозема, относящегося к почвам ранних стадий эволюции. Содержание гумуса по профилю органо-аккумулятивных эмбриоземов низкое. В поверхностном горизонте содержание гумуса составляет 0,63 %, что согласно показателям гумусного состояния почв соответствует уровню очень низких значений [14]. По данным группового и фракционного состава гумуса в составе гумино-вых кислот преобладает третья фракция. По сравнению с трехлетней почвой увеличивается содержание всех фракций гуминовых кислот и, в частности, второй фракции гуминовых кислот, связанной с Са2+, что свидетельствует о развитии процесса гумификации. Величина Сгк:Сфк составляет 0,68, что несколько

больше, чем в эмбриоземе инициальном, гумусообразование идет по гуматно-фульватному типу. В горизонте АВ в составе гуминовых кислот преобладают фракции свободные и связанные с глинистыми минералами. Содержание фульвокислот по сравнению с горизонтом А увеличивается с 33,1 до 45,6 %. Это объясняется весьма высокой подвижностью фульвокислот, вследствие чего они передвигаются по профилю, как в свободном состоянии, так и связанные с подвижными полуторными окислами. По величине Сгк:Сфк гумус в горизонте АВ относится к фульватному типу. Запасы гумуса несколько увеличиваются, оставаясь на уровне очень низких значений.

Таблица 1

Запасы растительного органического вещества на отвальных породах угольных разрезов юга Приморья, г/м2

Участок Возраст Запас фитомассы Мортмасса Общий запас растительного органического вещества

Надземная Подземная

Северо-восточный 3 года 244,96 21,48 208,69 475,15

8 лет 256,98 54,99 276,97 588,94

Южный 12 лет 174,05 32,26 305,44 511,75

Северная депрессия 13 лет 228,78 229,78 124,30 583,06

Павловский 18 лет 179,06 65,71 29,74 274,50

На песчано-галечниковых отвалах участка Южный отмечалось значительное накопление мортмассы. Видовой состав растений несколько изменялся. В фитоценозе увеличилась доля представителей семейства астровых (крылатосемянник индийский (Pterocypsela indica (L.) Shih), горлюха даурская (Picrisdavurica Fisch.), мелколистник едкий (Erigeron acris L.), полынь тенистая (Artemisia umbrosa (Bess)Turcz. ex DC) и злаковых (ячмень гривастый (Hordeum jubatum L.), вейник наземный (Calamagrostis epigeios(L.) Roth)). Общий запас растительного органического вещества несколько уменьшился (с 588,94 до 511,75 г/м2) и снизился прирост растительной массы до 1,84 т/га. На данном участке формировались эмбриоземы органо-аккумулятивные, для которых свойственно наличие небольшой по мощности подстилки (1 см). Содержание и запасы гумуса возросли (с 0,63 до 0,74 % и с 10,4 до 12,7 т/га), оставаясь на уровне очень низких значений. Гумус органоаккумулятивного эмбриозема по величине отношения Сгк:Сфк в горизонте А относится к гуматно-фульватному типу. Среди гуминовых кислот преобладающей является первая фракция. Наблюдается также значительное содержание группы гуминовых кислот, прочно связанных с глинистыми минералами. Содержание гуминовых кислот, связанных с Са2+, значительно ниже, чем в эмбриоземе инициальном, сформированном на восьмилетнем отвале. Содержание гуминовых кислот в нижележащем горизонте АВ уменьшается, гумус имеет гуматно-фульватный состав. В составе фульвокислот преобладает третья фракция. Доля негидролизуемого остатка в гумусоаккумулятивном горизонте составляет 34,8 % и увеличивается до 49,7 % в нижележащем.

На глинистых 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 и прирост растительной массы по сравнению с ранее рассмотренными участками увеличились до 583,06 г/м2 и 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. Все это свидетельствовало об усилении интенсивности процессов гумусонакопления. В этих условиях формировались эмбриоземы дерновые с профилем, четко дифференцированным на две части -органогенную (дерновый горизонт, гумусово-аккумулятивный горизонт) и литогенную (горизонты АВ, I, II, III). Количество гумуса по сравнению с эмбриоземами органо-аккумулятивными возросло до 1,11%. Величина отношения Сгк:Сфк в верхнем горизонте составляет 0,83 т.е., гумус является гуматно-фульватным. В нижележащем горизонте эта величина снижается до 0,51. Гуминовые кислоты в верхнем горизонте представлены в основном третьей фракцией, прочно связанной с глинистыми минералами. В поверхностном горизонте

содержатся гуминовые кислоты, связанные с кальцием, содержание которых несколько больше по сравнению с ранее рассмотренными почвами. Среди фульвокислот в поверхностном горизонте преобладает третья фракция. Количество негидролизуемого остатка в горизонтах Ас1 и А остается практически на одном уровне и составляет 47,3-46,5%. Запасы гумуса из-за низких параметров объемной массы (0,8г/см3) несколько уменьшились и составили 11,4 т/га.

На песчано-галечниковых отвалах участка Павловский в составе растительности явно доминировали представители семейства бобовых (клевер гибридный (Trifolium hubridum L.), куммеровия полосатая (Kum-merowia striata (Thunb.) Schindl.)), астровые (ястребинка зонтичная (Hieracium umbellatum L.), полынь тенистая (Artemisia umbrosa (Bess)Turcz. ex DC)) и хвощевых (хвощ луговой (Equisetum pratense L). В структуре фитомассы преобладала надземная часть. Общий запас растительного органического вещества по сравнению с участками Южный и Северная депрессия сократился. Прирост растительной массы составил 2,0 т/га. Сокращение количество 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. Для них свойственно более интенсивное развитие гумусообразовательного процесса, который проявляется в формировании гумусового горизонта, в данном случае мощностью 5 см, среднегумусированного (до 7,98%). Величина отношения Сгк:Сфк в поверхностном горизонте составляет 1,05. Гумус имеет фульватно-гуматный состав, в нижележащем горизонте накапливается гумус гуматно-фульватного типа (Сгк:Сфк=0,63). По сравнению с эмбриоземами, формирующимися на глинистых отвальных породах Лучегорского угольного бассейна [7], исследованные нами почвы имеют более фульватный состав гумуса. В верхнем горизонте в составе гуминовых кислот преобладает третья фракция. По сравнению с эмбриоземом дерновым значительно увеличивается содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием (табл. 2). Фульвокислоты представлены третьей фракцией в поверхностном горизонте и второй в нижележащем горизонте АВ. Количество фульво-кислот с глубиной возрастает, также увеличивается доля негидролизуемого остатка от 35,2 % в горизонте А до 45,5 % в горизонте АВ.

Таблица 2

Фракционно-групповой состав гумуса эмбриоземов буроугольных отвалов различного возраста

Гори- зонт Глуби- на, см С общ, % Гуминовые кислоты Фульвокислоты Нераство- римый остаток Сгк/ Сфк

% к С общ. почвы

1 2 3 I 1а 1 2 3 I

Эмбриозем инициальный

I 1-12 0,12 5,05 1,67 5,2 11,9 6,4 3,04 7,04 7,8 24,3 63,8 0,49

II 12-35 0,31 5,64 3,46 8,1 17,3 5,1 4,3 6,5 11,3 27,2 55,5 0,63

Эмбриозем органо-аккумулятивный

А 1-4 0,37 4,6 8 10,1 22,7 9,8 2,7 6,5 14,1 33,1 44,2 0,68

АВ 4-17 0,18 7,6 2,5 7,9 18,2 12,9 3,9 12 16,8 45,6 36,2 0,40

Эмбриозем органо-аккумулятивный

А 3-10 0,43 12,5 4,1 10 26,6 8,5 7,9 7,6 14,6 38,6 34,8 0,69

АВ 10-21 0,18 8,1 3,2 6,86 18,2 8,6 3,8 10,3 9,35 32,05 49,7 0,57

Эмбриозем дерновый

Ас1 0,1-3 0,65 5,4 8,8 9,6 23,9 7,1 0,02 8,7 10,2 28,8 47,3 0,83

А 3-6 0,215 6,6 3,8 8,8 19,2 13 2,8 11,6 9,9 37,3 46,5 0,51

Эмбриозем гумусово-аккумулятивный

А 0,1-5 4,63 9,2 10,5 13,4 33,1 5,0 6,7 8,9 11 31,5 35,2 1,05

АВ 5-17 0,65 6,35 5,3 9,3 21 4,0 4,6 12,5 12,4 33,5 45,5 0,63

Заключение

Таким образом, на юге Приморья в ходе временной стадии эволюции посттехногенного почвообразования в связи с развитием растительности и роста ее продуктивности в формирующихся почвах обеспечи-

вается различный поступательный процесс гумусонакопления. Скорость гумусообразования во многом зависит от характера произрастающей растительности, структуры фитомассы и от состава почвообразующих пород. Выявлено, что в почвах, сформированных на угольных отвалах в течение трех-восьми лет, в составе гумуса преобладают фульвокислоты, т.е. гумусонакопление идет с преимущественным образованием подвижных форм гумуса. На глинистых отвалах в интервале от трех до тринадцати лет в составе гуминовых кислот преобладает третья фракция, прочно связанная с глинистыми минералами. Для почв, формирующихся на песчано-галечниковых отвалах 12-летнего возраста, характерно преобладание фракции гуминовых кислот, подвижных и связанных с полуторными окислами. Содержание гуминовых кислот, связанных с Са2+, по сравнению с 8-летними почвами в несколько раз меньше и лишь к 18-летнему возрасту на песчано-галечниковых отвалах увеличивается содержание второй и третьей фракций гуминовых кислот, что свидетельствует о более тесном взаимодействии между минеральной и органической частями почв в процессе эволюции эмбриоземов.

Состав гумуса в исследуемых почвах меняется в зависимости от временной стадии посттехногенного развития: от фульватного в эмбриоземах инициальных до гуматно-фульватного в эмбриоземах органоаккумулятивных, дерновых и до фульватно-гуматного в эмбриоземах гумусово-аккумулятивных. Процессы гумусонакопления в почвах, сформированных на угольных отвалах в течение трех-восьми лет естественным путем, происходят медленно. Для ускорения этого процесса необходимо разрабатывать специальные приемы биологической рекультивации, включающие возделывание многолетних трав, применение углесодержащих суспензий, обогащенных штаммами микроорганизмов, что активизировало бы процессы почвообразования, и, следовательно, увеличило содержания гумуса, способствуя возрастанию стабильного состояния техногенных экосистем в целом.

Литература

1. Абакумов Е.В., Гагарина Э.И. Почвообразование в посттехногенных экосистемах карьеров на северо-западе Русской равнины. - СПб., 2006. - 208 с.

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

3. Андроханов В.А., Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. -

Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - 151 с.

4. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 487 с.

5. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах / Н.И. Базилевич [и др.]. -

М., 1978.

6. Гаджиев И.М., Курачев В.М., Андроханов В.А. Стратегия и перспективы решения проблем рекультивации нарушенных земель. - Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. - 37 с.

7 Костенков Н.М., Пуртова Л.Н. Общие закономерности формирования почв на отвальных породах и их

гумусовое состояние // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2009. - Вып. 6. - С. 17-22.

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

9. Крупская Л.Т., Новикова Е.В. О рекультивации горных пород в условиях муссонного климата // Научные и прикладные вопросы мониторинга земель Дальнего Востока. - Владивосток, 1993. - С.306-316.

10. Курачев В.М. Рекультивация почв техногенных ландшафтов. Проблемы и перспективы исследований

// Сиб. вестн. с.-х. науки. - 1993. - №1.

11. Махонина Г.И. Состав гумуса почв, образующихся на буроугольных отвалах при естественном зарастании // Проблемы рекультивации земель в СССР. - Новосибирск, 1974а. - С. 205-209.

12. Махонина Г.И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала // Изв. Урал. гос. ун-та. - 2002. - № 23.

14. Орлов Д.С., ГришинаЛ.А. Практикум по химии гумуса. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 376 с.

15. Степанько А.А. Агрогеографическая оценка земельных ресурсов и их использование в районах

Дальнего Востока. - Владивосток, 1992.

16. Титлянова А.А., Миронычева-Токарева Н.П., Наумова Н.Б. Круговорот углерода в травяных экосистемах при зарастании отвалов // Почвоведение. - 1988. - №7.

15. Гумусообразование в техногенных экосистемах / С.С. Трофимов [и др.]. - Новосибирск, 1986. - 165 с.

17. Шляхов С.А. Техногенные поверхностные образования в местах золотодобычи на Буреинском нагорье. - Владивосток, 2002.

'---------♦-----------