Использование сканирующей электронной микроскопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 3 (27).

Использование сканирующей электронной микроскопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири

Впервые для почв техногенных ландшафтов проведены исследования на микро- и субмикроморфологическом уровне. С использованием средств сканирующей электронной микроскопии проведена диагностика почвообразовательных процессов молодых почв, формирующихся на поверхности отвалов каменноугольных разрезов. Выявлены общие и отличительные микроморфологические признаки начальных стадий почвообразования в условиях гумидного, субгумидного, семиариадного, аридного и аридного экстраконтинентального климата. Показано, что микромасса исследуемых почв характеризуется преобладанием унаследованных породных признаков. Тонко- и грубодисперсные частицы эмбриоземов имеют пластинчатую форму. По результатам микроморфологического анализа почвенных микроарегатов и новообразований, установлено, что в условиях гумидного и субгумидного климата происходит сезонное поверхностное переувлажнение почв, создающее предпосылки для протекания глеевого и подзолистого процессов. Почвы техногенных ландшафтов аридных областей характеризуются более выраженным ксероморфизмом по сравнению с зональными. В этих условиях процесс трансформации органического вещества сопровождается не гумификацией, а мумификацией растительных остатков.

Using electronic scanning microscopy for diagnostics of soil-forming processes on the surface of coal-mine dumps in Sibe.pdf Введение Проблема диагностики процессов почвообразования, определения скорости их протекания в молодых почвах в настоящее время является одной из самых острых, поскольку тесным образом связана с проблемой восстановления техногенных ландшафтов. Особенно она актуальна для угледобывающих регионов, где площади отвалов вскрышных и углевмещающих пород составляют несколько сотен тысяч гектаров [1, 2]. Длительное время эти объекты функционируют как техногенные пустыни, тем самым наносят непоправимый вред окружающей среде и здоровью населения прилегающих территорий [3]. Минимизация негативных экологических последствий достигается в том случае, если на поверхности техногенных образований начинают протекать почвообразовательные процессы. Их направленность и интенсивность могут быть установлены только посредством многоуровневых морфогенети-ческих исследований, которые, будучи дополненными оценкой почвообразовательного потенциала климатогенных и геогенных факторов, позволяют выявить почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов. В настоящее время исследованию морфологических свойств почв техногенных ландшафтов уделяется достаточное внимание в таких регионах, как Дальний Восток [4-6], Средняя [7-10] и Западная Сибирь [11-14], Урал [15], а также Центральная [16] и Северо-Западная Россия [17-19]. Однако, несмотря на немалый интерес, процесс обобщения обширного материала (в основном регионального характера) в этой области находится в фазе становления и во многом сделался возможным только после появления генетической классификации почв техногенных ландшафтов [20] и выделения в классификации почв России ствола первичного почвообразования [21]. Проводимые на их основе макроморфологические исследования позволили выявить специфику дифференциации почвенного профиля молодых почв в различных климатических условиях, охарактеризовать основные почвообразовательные процессы, а в ряде случаев оценить и потенциал геогенных факторов. Однако более детальные - микро- и субмикроморфологические - исследования с использованием новейших инструментальных методов, дающие возможность в полной мере оценить характер основных и выявить сопутствующие процессы в молодых почвах, в нашей стране сегодня не проводятся. Почвы техногенных ландшафтов как сравнительно молодые образования, не используемые в хозяйственной деятельности, до недавнего времени объектами детальных морфологических исследований не являлись [22]. В то же время, как указывает Г.В. Добровольский [23], изучение микроморфологии почв позволяет производить раннюю диагностику почвенных процессов, развитие которых находится на начальных стадиях, и прогнозировать дальнейший ход эволюции молодых почв. Подобные исследования, на взгляд авторов, возможны с применением средств электронной сканирующей микроскопии. Выявление микро- и субмикроморфологических особенностей почв техногенных ландшафтов Сибири и оценка характера протекающих в них процессов с применением таких средств и явилось целью настоящего исследования. Материалы и методики исследований В качестве объектов исследований выбраны молодые почвы техногенных ландшафтов, по своим свойствам резко отличающиеся от естественных почв. Важным условием выбора также явилась значительная площадь области распространения подобных объектов, позволяющая охватить разнообразные климатические зоны. Поэтому выбор пал на почвы отвалов каменноугольных разрезов, широко представленных в различных регионах Сибирского федерального округа, где их суммарная площадь по разным оценкам составляет от 100 до 300 тыс. га. Были исследованы почвы автономных позиций техногенных объектов, расположенных в гумидном и субгумидном (горно-таежная и лесостепная зоны Кемеровской области), а также семиаридном (степи Хакасии), аридном и аридном экстраконтинентальном климате (степи Тувы). Таким образом, ряд исследованных объектов можно выстроить по степени увеличения аридности и континентальности климата (таблица). Климатические условия почвообразования исследуемых объектов / Climatic conditions of soil formation of the studied objects Название углеразреза / Name of the coal mine Параметры / Options Ольжерасский / Olzherassky Листвянский / Listvyansky Черногорский / Chernogorsky Чаданский / Chadansky Каа-Хемский / Kaa-Khemsky Геоморфологический район / Geomorphological area Кузнецкий Алатау / Kuznetsk Alatau Кузнецкая котловина / Kuznetsk Depression Минусинская котловина / Minusinsk Depression Хемчикская котловина / Khemchuk Depression Централь-но-Ту-винская котловина / Central Tuva Depression Тип климата / Climate type Гумидный/ Humid Субгумидный / Subhumid Семиа-ридный / Semi-arid Аридный/ Arid Аридный экстра-континентальный / Arid extrac-ontinental Сумма активных температур, °С / Sum of active 1 500-1 700 1 700-1 900 1 900-2 000 2 100-2 200 2 100-2 200 temperatures, °С Осадки за год, мм / Precipitations, mm per year 750-1400 400-500 250-300 220-270 170-250 ГТК по Селянинову / Selyanov hydrothermal coefficient 1,9 1,5 1,2 1 0,7 Коэффициент увлажнения по Иванову / Ivanov precipitation-evaporation ratio 2,2 1,3 0,7 0,6 0,3 Для всех этих территорий характерны разновозрастные техногенные ландшафты, исходно сложенные хаотичной смесью различных по размеру обломков углевмещающих пород (аргиллиты, алевролиты и песчаники). На таком субстрате формируются молодые почвы отвалов, для которых высокая каменистость является общим свойством. Содержание каменистых фракций в профиле превышает 70%, мелкозема - от 7 до 25%, физической глины - от 2 до 8%. Помимо указанных выше обломков плотных осадочных пород в почвах отвалов угольных разрезов встречаются углистые частицы различного гранулометрического состава. В связи с этим содержание углерода в исследуемых почвах может варьировать от 2 до 15% [2]. Проведенная ранее [14] макроморфологическая диагностика исследуемых почв выполнялась на основе классификации почв техногенных ландшафтов, разработанной И.М. Гаджиевым и В.М. Курачевым [20]. В соответствии с ней на исследуемых участках были выделены инициальные, органо-аккумулятивные, дерновые и гумусово-аккумулятивные эмбриозе-мы. Установлено также, что дифференциация почв на генетические горизонты проявляется через формирование специфического для каждой климатической зоны органопрофиля. Наиболее выражен процесс дифференциации органопрофиля в условиях субгумидного климата, где на старых отвалах формируются почвы, в профиле которых выделяются гумусово-аккумуля-тивные, дерновые и горизонты подстилки. По мере усиления аридности и гумидности территорий степень дифференциации органопрофиля почв замедляется [24]. Для диагностики процессов почвообразования при помощи микро- и субмикроморфологических методов образцы для анализа отбирались из горизонтов верхней части почвенного профиля. Кроме того, исследовались образцы естественных почв, расположенных вблизи техногенных ландшафтов, а также почвообразующих пород, на которых они сформированы. Отобранные образцы мелкозема упаковывались в боксы. В силу причин, связанных со сложностью работы с сильнокаменистыми почвами, изготовление почвенных шлифов не выполнялось, поэтому исследовались сыпучие образцы, состоящие из агрегатов естественной размерности. Россыпь мелкозема, состоящую из агрегатов, помещали на липкую ленту, прикрепленную к предметному столику. На отвалах каждого углеразреза было обследовано по 3 почвенных профиля одного типа. Микроскопирование проводили в два этапа: 1) поиск и идентификация почвенных агрегатов и новообразований; 2) определение элементного состава поверхности выявленных объектов. Наблюдения проводились с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi TM-3000 с приставкой для элементного анализа поверхности Bruker Quantax 70 при увеличении до 3 000. Элементный анализ на приставке выполнялся в режиме аналитического тока (30 кВ). Проводилась площадная съемка поверхности, совпадающая с размерами изображения, характерными для каждого из увеличений. Так, элементный состав микроконкреций (3 повторности для горизонта) определялся в круге диаметром 35 мкм. Результаты исследования и обсуждение Микро- и субмикроморфологические наблюдения показали, что грубо- и тонкодисперсный материал исследуемых почв резко отличается от такового в естественных почвах прилегающих территорий. Так, если частицы мелкозема естественных почв и лессовидного суглинка имеют близкую к сферической (окатанную) форму, то частицы мелкозема почв отвалов по своей конфигурации ближе к плитчатой или чешуйчатой форме (рис. 1). И это не случайно, поскольку почвообразующие породы исходно имеют слоистую текстуру. В дальнейшем, по мере выветривания, обломки этих пород распадаются на отдельные макро- и микропластины. Благодаря этому, а также за счет различной скорости прогревания и остывания частиц различных размеров происходит их горизонтальная ориентация в профиле. При этом образовавшийся в результате дезинтеграции мелкозем, вследствие миграции, занимает полости между более крупными отдельностями. Это обстоятельство, по нашему мнению, обусловливает свойственную эмбриоземам отвалов каменноугольных разрезов высокую плотность сложения [25], а сформированный в результате такой упаковки горизонт, несмотря на высокую каменистость, служит водоупором [26]. Рис. 1. Микрофотографии фракции

Ключевые слова

zonal soils, coal-mine dumps, embryozems, evolution of soils, micromorphology, soil-forming processes, man-caused landscapes, зональные почвы, эмбриоземы, отвалы угольных разрезов, эволюция почв, микроморфология, почвообразовательные процессы, техногенные ландшафты

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Кулижский Сергей ПавлиновичТомский государственный университетд-р биол. наук, проректор по социальным вопросамkulizhskiy@yandex.ru
Лойко Сергей ВасильевичТомский государственный университетканд. биол. наук, с.н.с. лаборатории биогеохимических и дистанционных методов мониторинга окружающей средыs.loyko@yandex.ru
Доможакова Евгения АлександровнаТувинский институт комплексного освоения природных ресурсов Сибирского отделения Российской академии наук (г. Кызыл)канд. биол. наук, с.н.с. лаборатории биоразнообразия и геоэкологииsollygeohennet@mail.ru
Соколов Денис АлександровичИнститут почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)канд. биол. наук, н.с. лаборатории рекультивации почвsokolovdenis@mail.ru
Всего: 4

Ссылки

Кауричев И.С., Орлов Д.С. Окислительно-восстановительные процессы и их роль в генезисе и плодородии почв. М. : Колос, 1982. 247 с.
Водяницкий Ю.Н. Тяжелые и сверхтяжелые металлы и металлоиды в загрязненных почвах. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2009. 184 с.
Зайдельман Ф.Р., Никифорова А.С. Классификация, свойства и информационное значение марганцево-железистых конкреционных новообразований // Память почв. М. : Изд-во ЛКИ, 2008. С. 314-351.
Шоба В.Н. Миграция и аккумуляция продуктов почвообразования в дерново-глубокоподзолистых поверхностно-оглееных почвах Салаира : автореф. дис.. канд. биол. наук. Новосибирск, 1978. 20 с.
Зайдельман Ф.Р. Подзоло- и преобразование. М. : Наука, 1974. 208 с.
Ковалев Р.В., Корсунов В.М., Шоба В.Н. Процессы и продукты почвообразования в темнохвойных лесах. Новосибирск : Наука, 1981. 121 с.
Шоба С.А., Балабко П.Н. Микростроение и состав марганцево-железистых новообразований почв лесной зоны // Микроморфология, диагностика почв и почвообразовательных процессов. М. : Наука, 1983. С. 21-33.
Зайдельман Ф.Р. Генезис и экологические основы мелиорации почв и ландшафтов. М. : КДУ, 2009. 720 с.
АндрохановВ.А., КуляпинаЕ.Д., КурачевВ.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004. 151 с.
Гуркова Е.А. Почвенно-географическая специфика Центрально-Тувинской котловины : автореф. дис.. канд. биол. наук. Новосибирск, 2009. 19 с.
Куминова А.В. Растительный покров Алтая. Новосибирск : Изд-во СО АН СССР, 1960. 205 с.
Волковинцер В.И. Степные криоаридные почвы. Новосибирск : Наука, 1978. 208 с.
Семина И.С., Беланов И.П., Шипилова А.М., АндрохановВ.А. Природно-техногенные комплексы Кузбасса: Свойства и режимы функционирования. Новосибирск : Наука, 2013. 396 с.
Волковинцер В.И. О почвообразовании в степных котловинах юга Сибири // Почвоведение. 1969. № 8. С. 3-11.
Герасимова М.И., Губин С.В., Шоба С.А. Микроморфология почв природных зон СССР. Пущино : ОНТИ ПНЦ РАН, 1992. 214 с.
Госсен И.Н. Водопроницаемость почв на участках рекультивации различного направления // Рекультивация нарушенных земель в Сибири. Кемерово, 2009. С. 8-10.
Добровольский Г.В., Шоба С.А. Растровая электронная микроскопия почв. М. : Изд-во Мос. ун-та, 1978. 144 с.
Соколов Д.А. Географо-генетическая концепция характеристики почв отвалов каменноугольных разрезов Сибири // Природно-техногенные комплексы: рекультивация и устойчивое функционирование : материалы международной научной конференции. Новосибирск ; Новокузнецк, 2013. С. 173-178.
Турсина Т.В., Морозова Т.Д. Основные этапы развития микроморфологии почв в России // Почвоведение. 2011. № 7. С. 878-893.
Гаджиев И.М., Курачев В.М. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новосибирск : Наука, 1992. 305 с.
Полевой определитель почв России. М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
Абакумов Е.В., Максимова Е.И., Лагода А.В., Копцева Е.М. Почвоообразование на отвалах карьеров по добыче известняка и глин в районе г. Ухта // Почвоведение. 2011. № 4. С. 417-423.
Переверзев В.Н., Ивлиев А.И., Горбунов А.В., Ляпунов С.М. Первичное почвообразование на отвалах обогащения апатито-нефелиновых руд Кольского полуострова // Почвоведение. 2007. № 8. С. 1006-1013.
Солнцева Н.П., Герасимова М.И., Рубилина Н.Е. Морфогенетический анализ техно-генно преобразованных почв // Почвоведение. 1990. № 8. С. 124-129.
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.
Соколов Д.А., Кулижский С.П., Доможакова Е.А., Госсен И.Н. Особенности формирования почв техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах юга Сибири // Вестник Томского государственного университета. 2012. № 364. С. 225-229.
Махонина Г.И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала. Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2003. 356 с.
Андроханов В.А. Специфика и генезис почвенного покрова техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2005. №5. С. 795-800.
Курачев В.М., Андроханов В.А. Классификация почв техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2002. № 3. С. 255-261.
Рагим-Заде Ф.К. Техногенные элювии вскрышных пород угольных месторождений Сибири, оценка их пригодности для восстановления почвенного покрова : автореф. дис.. канд. биол. наук. Новосибирск, 1977. 22 с.
Шугалей Л.С., Чупрова В.В. Почвообразование в техногенных ландшафтах лесостепи Назаровской котловины Средней Сибири // Почвоведение. 2012. № 3. С. 246-256.
Лопатовская О.Г., Двуреченский В.Г., Лазарева С.Д., Киселева Н.Д. Почвы техногенных ландшафтов гипсового рудника «Новонукутский» в Приангарье // Известия Иркутского государственного университета. Сер. Биология. Экология. 2012. № 2. С. 81-87.
Бабаев М.В., Кураченко Н.Л. Микроструктурная организация почв техногенных ланд шафтов Назаровской котловины // Вестник КрасГАУ 2011. № 7. С. 66-72.
Чупрова В.В., Шугалей Л.С. Особенности макроморфогенеза почв на отвалах угольных разрезов Назаровской котловины // Вестник КрасГАУ 2007. № 1. С. 61-70.
Комачкова И.В. Экологическое состояние почв техногенных ландшафтов юга Примо рья // Вестник КрасГАУ 2012. № 2. С. 68-73.
Назаркина А.В., Крупская Л.Т., Арефьева О.Д., Дербенцева А.М., Трегубова В.Г., Самчинская Л.П., Бровко П.Ф., Костенков Н.М., Степанова А.И., Волобуева Н.Г., Черно-валова А.В. Техногенная трансформация свойств почв угольных и горнопромышленных комплексов. Владивосток : Изд. Дом ДВФУ, 2012. 143 с.
КостенковН.М., Пуртова Л.Н. Общие закономерности формирования почв на отваль ных породах и их гумусовое состояние // Вестник КрасГАУ 2009. № 6. С. 17-23.
Андроханов В.А., Курачев В.М. Почвенно-экологическое состояние техногенных ланд шафтов: динамика и оценка. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2010. 224 с.
Глушков А.Н., Бондарь Г.В., Мун С.А., Ларин С.А., Браиловский В.В., Чухров Ю.С., Магарилл Ю.А., Зинчук С.Ф., Грищенко С.В., Кузнецова Л.Н., Дмуховская Е.А., Нильсен Н.Т. Заболеваемость раком легкого населения угледобывающих районов России и Украины // Здравоохранение РФ. 2009. № 5. С. 37-40.
Потапов В.П., Мазикин В.П., Счастливцев Е.Л., Вашлаева Н.Ю. Геоэкология угледо бывающих районов Кузбасса. Новосибирск : Наука, 2005. 660 с.
 Использование сканирующей электронной микроскопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 3 (27).

Использование сканирующей электронной микроскопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 3 (27).