Особенности процессов почвообразования на участках самозаростающих золоотвалов твердотопливной теплоэлектро станции | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2018. № 43. DOI: 10.17223/19988591/43/1

Особенности процессов почвообразования на участках самозаростающих золоотвалов твердотопливной теплоэлектро станции

Рассмотрены особенности почв, формирующихся на участках самозарастающих золоотвалов ТЭЦ-1 г. Тюмени. Изученные почвы характеризуются наличием гумусово-слаборазвитого горизонта W, переходного WTCHQ и стратифицированной толщи техногенных отложений, представляющей собой чередование слоев золы уноса и зольного остатка, различающихся по плотности, гранулометрическому и вещественному составу. Слои, сложенные золой уноса, характеризуются преобладанием фракций пыли и состоят преимущественно из силикатных и алюмосиликатных пористых окатышей и микросфер. Слои зольного остатка отличаются значительным содержанием фракций песка, в составе преобладают крупные угловатые частицы недожога и зерна кварца. Показано, что изучение почв и техногенных субстратов целесообразно проводить на мезо-, микро- и субмикроморфологических уровнях, поскольку ряд элементарных почвообразовательных процессов проявляется только на конкретных иерархических уровнях. Наиболее значимыми процессами в изученных почвах являются дезинтеграция техногенного субстрата, карбонатизация, коагуляционноеи, вменьшейстепени, биогенное оструктуривание, выщелачивание, процессы метаморфизма органического вещества, миграции вещества в суспензиях. Оглеение наблюдается в локальных понижениях рельефа в условиях близкого залегания грунтовых вод. Процессы дезинтеграции, коагуляционного оструктуривания, карбонатизации, выщелачивания хотя и играют важную роль в понимании направленности развития почв золоотвалов, диагностируются только при микро- и субмикроморфологических исследованиях. Установлено, что интенсивность процессов почвообразования в значительной степени определяется особенностями рельефа, характером растительности и неоднородностью техногенного субстрата. Разнообразие и количество педогенных карбонатов является важным индикатором интенсивности почвообразования. Наиболее развитые почвы формируются на хорошо дренированных участках под разреженными древесными сообществами с развитым травянистым ярусом в периферийных частях золоотвалов.

Special features of soil development within overgrowing fly ash deposit sites of the solid fuel power plant.pdf Введение Твердотопливные тепловые электростанции являются важным источником электроэнергии как в России, так и в других странах мира. Производство электроэнергии за счет сжигания горючих полезных ископаемых угольного ряда приводит к образованию значительного объема промышленных отходов, представляющих собой высокодисперсный песчано-пылеватый материал золы уноса и топливных шлаков [1]. Примеры успешного использования золошлаковых отходов в качестве строительного или техногенного сырья для извлечения ценных компонентов единичны. Наиболее распространенной практикой обращения с отходами твердотопливных тепловых электростанций является их размещение в специальных гидротехнических сооружениях - золоотвалах [2]. В крупных городах Урала, Сибири и Дальнего Востока, таких как Троицк, Серов, Тюмень, Омск, Томск, Новосибирск, Барнаул, Красноярск, Хабаровск, Владивосток и др. [2], имеются как действующие, так и законсервированные золоотвалы, которые могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду вследствие пыления, радиационного загрязнения местности, отчуждения земель и изменения гидрологических условий [1, 3]. Следовательно, для оценки потенциальных экологических рисков, связанных с долгосрочным функционированием подобных объектов, и при планировании рекультивации является актуальным изучение процессов формирования растительного и почвенного покровов в пределах данных территорий. В современной отечественной и зарубежной литературе достаточно подробно освещены вопросы формирования и развития растительных сообществ золоотвалов [4-6], а также методы их биологической рекультивации [7-9], но в то же время особенности почв и техногенных субстратов рассматриваются поверхностно, в основном, с точки зрения их лесорастительных, агрохимических и реже физическо-механических свойств, устойчивости к эрозионным процессам [10-11]. В мире наиболее подробно охарактеризованы почвы разновозрастных золоотвалов тепловых электростанций Рурского и Силезского угольных бассейнов в Центральной и Восточной Европе [1215]. Результаты исследований территорий рекультивированных и самозарастающих золоотвалов ТЭЦ Польши и Германии позволили установить, что формирование и развитие почв на золошлаковых отходах во многом определяются характером использованного топлива, а процессы почвообразования непосредственно связаны с трансформацией вещественного состава исходного техногенного субстрата [16]. В настоящей работе представлены результаты исследования процессов почвообразования на золоотвалах ТЭЦ-1 г. Тюмени. В отличие от большинства золоотвалов крупных электростанций Урала и Западной Сибири, золошлаковые отходы ТЭЦ-1 являются продуктом сжигания торфов Тар-манского месторождения Тюменской области, а не угля [17]. Первичное почвообразование протекает 30-35 лет с момента прекращения функционирования исследуемых участков золоотвала. Рекультивация золоотвалов не производилась. Цель работы - изучить на участках самозарастающих золоотвалов характер, интенсивность и разнообразие почвообразовательных процессов на основе признаков трансформации исходного субстрата на различных иерархических уровнях организации почвенной массы. Современный растительный покров мозаичен; представлены два основных вида растительных сообществ - древесно-кустарничковые и травяни- Материалы и методики исследования Золоотвалы Тюменской ТЭЦ-1 состоят из двух участков общей площадью более 100 га (участок 1 - 54,0 га, участок 2 - 46,0 га) [18] и располагаются в непосредственной близости от делового и исторического центра города (рис. 1). Размещение золошлаковых отходов прекращено более 30 лет назад по причине перехода ТЭЦ-1 на использование газа; в настоящее время в пределах территории отвалов происходит постепенное самозарастание [19]. Поверхность золоотвалов выровнена, встречаются просадочные формы рельефа, перепад высот составляет 1-3 м. Более разнообразный и сложный рельеф характерен для участка 1. Уровень грунтовых вод существенно варьирует в зависимости от положения в рельефе: от 0,5-0,6 м в локальных понижениях и до 2 м и более на возвышенных участках. N Рис. 1. Расположение почвенных разрезов в пределах золоотвалов ТЭЦ-1 г Тюмени [Fig. 1. Location of the studied soil pits within the fly ashdeposit sites of Tyumen CHP-1 plant. Profile 1 - 57°8'47,30''N, 65°38'8,70''E; Profile 2 - 57°8'23,50"N,65°38'22,80"E; Profile 3 - 57°8'23,90''N, 65°38'17,80''E; Profile 4 - 57°8'38,10''N, 65°37'30,50''E] стые [18]. Для первых основными ярусообразующими породами являются тополь бальзамический (Populus balsamifera L.), осина (Populus tremula L.), различные виды ив, в меньшей степени клен ясенелистный (Acer negundo L.). Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) встречается редко, а участки ее распространения тяготеют к периферийным частям золоотвала. Открытые пространства, покрытые травянистой растительностью, занимают около половины площади участка 1 и менее трети участка 2. В травянистых сообществах преобладают вейник наземный (Calamagrostis epigejos (L.) Roth), тростник обыкновенный (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.); значительную роль играют крапива двудомная (Urtica dioica L.), хамаенерион узколистный (Epilobium angustifolium L.), мать-и-мачеха (Tussilago farfara L.). В 2007-2008 гг. сотрудниками Уральского государственного лесотехнического университета проведен экспериментальный посев травосмесей на участке 1 [17, 19]. Полевые исследования почвенного покрова золоотвалов Тюменской ТЭЦ-1 проведены летом 2017 г. На каждом из участков золотвалов заложена пара почвенных разрезов (см. рис. 1) под древесной и травянистой растительностью (разрезы 1 и 4, 2 и 3 соответственно). Поскольку вопрос включения техногенных почв в КиДПР остается открытым, что порождает многообразие возможных подходов к его решению в рамках конкретной задачи, в данной работе диагностика почв проведена согласно классификации почв России [20] с учетом дополнений, предложенных для техногенных почв [21-22]. Названия почв также даны согласно Мировой коррелятивной базе данных почвенных ресурсов редакции 2015 г. [23]. Разрез 1 (57°8'47,30"N, 65°38'8,70"E) заложен на локальном возвышении в периферийной части участка 1 под разреженным ивовым лесом с подростом ивы и осины и развитым травянистым ярусом. Почва - пелозем техногенный гумусовый потечно-гумусовый артииндустратный суглинистый стратифицированный на золошлаках (Spolic Technosol (Arenic, Endoprotocalcic, Fluvic, Hyperartefactic, Laxic, Amphivitric)). Разрез 2 (57°8'23,50"N, 65°38'22,80"E) приурочен к выположенной поверхности участка 2, осложнённой просадоч-ными формами, под лугово-травянистой ассоциацией с присутствием злаковых. Почва - пелозем техногенный гумусово-слаборазвитый артииндустрат-ный стратифицированный суглинистый на золошлаках (Spolic Technosol (Epiarenic, Endoprotocalcic, Fluvic, Hyperartefactic, Laxic, Amphivitric)). Разрез 3 (57°8'23,90"N, 65°38'17,80"E), характеризует локальное понижение на участке 2. Растительность представлена осиново-ивовым лесом c развитой подстилкой. Почва - пелозем техногенный подстилочно-торфяный глеева-тый артииндустратный стратифицированный суглинистый на золошлаках (Spolic Technosol (Endoprotocalcic, Fluvic Hyperartefactic, Laxic, Stagnic, Amphivitric)). Разрез 4 (57°8'38,10"N, 65°37'30,50"E) заложен на участке 1 вместе с выраженным техногенным присадочным рельефом. Характерна луговая растительность с подростом ивы, осины и облепихи. Почва - пелозем техногенный гумусовый глееватый артииндустратный суглинистый стратифицированный на золошлаках (Spolic Technosol (Amphiprotocalcic, Fluvic, Hyperartefactic, Laxic, Amphivitric)). Гранулометрический состав почв и техногенных отложений определен на основе измерения размеров частиц методом лазерного светорассеяния анализатором LS 13 320 «Beckman Coulter» (США) с предварительным диспергированием проб пирофосфатом натрия. Цвет почвенных горизонтов и техногенного субстрата оценивали по системе Манселла. Микроморфологические исследования проведены в прозрачных шлифах поляризационным микроскопом Eclipse LV100POL «Nikon» (Япония) и инвертированным микроскопом отраженного света Axio Vert.A1 «Carl Zeiss» (Германия). Микроскопические и субмикроскопические исследования - с использованием сканирующего электронного микроскопа TM3000 «Hitachi» (Япония) с рентгеновской приставкой для элементного анализа поверхности Quantax 70 при увеличениях от 100 до 5 000. Данная модель микроскопа является эффективным инструментом диагностики процессов почвообразования в техногенных почвах [24]. Результаты исследования и обсуждение Морфологическая характеристика почв. Почвы золоотвалов ТЭЦ-1 характеризуются наличием гумусово-слаборазвитого горизонта W мощностью до 5-7 см и переходного к техногенному субстрату горизонта WTCHQ (15-30 см), нижняя граница которого лучше выражена на участках под древесной растительностью, и устанавливается по увеличению степени сохранности изначальной текстуры субстрата, в меньшей степени по цвету, а также резкому уменьшению числа крупных горизонтальных корней деревьев (рис. 2). В изученных почвах мощность гумусового горизонта не превышает 5 см, а сам горизонт представляет собой темный маломощный слой, густо переплетенный живыми корнями, что позволяет рассматривать его в рамках принятой классификации как гумусовый слаборазвитый (W). Нижележащий переходный горизонт WTCHQ выделен как зона интенсивной переработки золошлаковых отложений процессами почвообразования, что морфологически выражено в обилии корней и частичной потере исходной слоистой текстуры техногенного субстрата. Горизонты W и WTCHQ имеют темно-серый (10YR 4/1) или черно-серый (2,5YR 3/1), унаследованный от техногенного субстрата, содержащего большое количество темноцветных частиц недожога. Таким образом, темный цвет обусловлен не процессами гумусонакопле-ния, а исходными хроматическими особенностями техногенного субстрата. В отдельных случаях (разрез 3) на участках под древесной растительностью формируется лесная подстилка, состоящая из листьев осины и ивы различной степени разложенности. Артииндустраты под незадернованными участками в составе почвенного покрова отсутствуют. a b c d Рис. 2. Профили исследованных почв: a - разрез 1; b - разрез 2; c - разрез 3; d - разрез 4. Автор фото А.О. Константинов [Fig. 2. Soil profiles: a - Pit 1; b - Pit 2; c - Pit 4; d - Pit 4. Photos by AO Konstantinov] Техногенный субстрат представляет собой чередование плотных слоев крупнопылеватого плотно спрессованного сизовато-серого (2,5Y 5/1, 2,5Y 6/1) и буровато-коричневого (10YR 2/2) материала, иногда с кремовым оттенком (10YR 5/2), чередующихся с рыхлыми темно-серыми (N2,5, 2,5Y 3/1, 2,5Y 2,5/1) прослоями песчаного материала, иногда с включениями крупных частиц (>2 мм) недожога и строительного мусора. Содержание отдельных фракций изменяется в значительных пределах (рис. 3): ил (

Ключевые слова

ТЭЦ, почвообразовательные процессы, техногенные почвы, пелоземы техногенные, Spolic Technosols, fly ash deposit sites of power plants, soil forming processes, spolic technosol, technogenic soil

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Константинов Александр ОлеговичТюменский индустриальный университетспециалист НОЦ «Геология нефти и газа»konstantinov.alexandr72@gmail.com
Лойко Сергей ВасильевичТомский государственный университетканд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаборатории биогеохимических и дистанционных методов мониторинга окружающей средыs.loyko@yandex.ru
Новоселов Андрей АндреевичТюменский государственный университетаспирант кафедры физической географии и экологии, Институт наук о землеMr.andreygeo@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Делицын Л.М., Ежова Н.Н., Власов А.С., Сударева С.В. Золоотвалы твердотопливных тепловых электростанций как угроза экологической безопасности // Экология промышленного производства. 2012. № 4. С. 15-26.
Зеньков И.В., Нефедов Б.Н., Барадулин И.М., Кирюшина Е.В., Вокин В.Н. Экологические проблемы при эксплуатации золошлаковых накопителей в топливно-энергетическом комплексе России // Экология и промышленность России. 2015. № 2. С. 24-28.
Зверева В.П. Экологические последствия формирования золоотвалов ТЭЦ // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2005. № 1. C. 30-34.
Чибрик Т.С., Елькин Ю.А. Формирование фитоценозов на нарушенных промышленностью землях: биологическая рекультивация. Свердловск : Изд-во Урал. ун-та, 1991. 220 с.
Раков Е.А., Чибрик Т.С. К вопросу формирования флоры на нарушенных промышленностью землях // Экология. 2009. № 6. С. 473-476.
Juwarkar A.A., Jambhulkar H.P. Restoration of fly ash dump through biological interventions. // Environmental Monitoring and Assessment. 2008. Vol. 139, № 1-3. PP. 355-365.
Махнев А.К., Чибрик Т.С., Трубина М.Р., ЛукинаН.В., Гебель Н.Э., ТеринА.А., Еловиков Ю.И., Топорков Н.В. Экологические основы и методы биологической рекультивации золоотвалов тепловых электростанций на Урале. Екатеринбург : УрО РАН, 2002. 356 с.
Махнев А.К., Махнева Н.Е. Ландшафтно-экологические и популяционные аспекты стратегии восстановления нарушенных земель // Сибирский экологический журнал. 2010. Т. 17, № 3. С. 453-459.
Pandey V.C. Assisted phytoremediation of fly ash dumps through naturally colonized plants // Ecological Engineering. 2015. № 82. PP. 1-5.
Назаркина А.В., Крупская Л.Т., Дербенцева А.М., Зверева В.П., Морина О.М. Артииндустраты теплоэлектростанций юга Дальнего Востока: физико-механические свойства, оценка противоэрозионной стойкости, рекультивация // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2012. № 3. С. 122-126.
Назаркина А.В., Арефьева О.Д., Дербенцева А.М. Взаимосвязь физико-механических, противоэрозионных и водных свойств артиндустратов ТЭЦ юга Дальнего Востока // Проблемы региональной экологии. 2013. № 2. С. 140-143.
Zikeli S., Jahn R., Kastler M. Initial soil development in lignite ash landfills and settling ponds in Saxony-Anhalt, Germany // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2002. Vol. 165, № 4. PP. 530-536.
Zikeli S., Kastler M., Jahn R. Cation exchange properties of soils derived from lignite ashes // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2004. Vol. 167, № 4. PP. 439-448.
Zikeli S., Kastler M., Jahn R. Classification of anthrosols with vitric/andic properties derived from lignite ash // Geoderma. 2005. Vol. 124, № 3-4. PP. 253-265.
Uzarowicz L., Zagorski Z. Mineralogy and chemical composition of technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from selected thermal power stations in Poland // Soil Science Annual. 2015. Vol. 66, № 2. PP. 82-91.
Uzarowicz L., Zagorski Z., Mendak E., Bartminski P., Szara E., Kondras M., Oktaba L., Turek A., Rogozinski R. Technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from thermal power stations combusting bituminous coal and lignite. Part I. Properties, classification, and indicators of early pedogenesis // Catena. 2017. Vol. 157. PP. 75-89.
Суслова Н.Г., Аткина Л.И., Чижов Б.Е., Агафонов Е.Ю. Создание рекреационных объектов на территории золоотвала г. Тюмени // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2008. № 2. С. 219-222.
Чижов Б.Е., Парыгина Н.Г., Суслов А.В., Аткина Л.И. Инвентаризация территории золоотвала и методы создания на них парковых насаждений Тюмени // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2007. № 8. С. 85-91.
Чижов Б.Е., Аткина Л.И., Агафонов Е.Ю., Суслова Н.Г. Испытание травосмесей для рекультивации золоотвала в Тюмени // Вестник Московского государственного университета леса. 2008. № 3. С. 90-93.
Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.
Прокофьева Т.В., Герасимова М.И., Безуглова О.С., Бахманова К.А., Гольева А.А., Горбов С.Н., Жарикова Е.А., Матинян Н.Н., Наквасина Е.Н., Сивцева Н.Е. Введение почв и почвоподобных образований городских территорий в классификацию почв России // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1155-1164.
Брагина П.С. Почвообразование на отходах горнодобывающих предприятий Кемеровской области : дис.. канд. геогр. наук. М. : МГУ, 2016. 156 с.
IUSS Working Group WRB World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps. World Soil Resources Reports No. 106. Rome: FAO, 2015. 192 p.
Соколов Д.А., Кулижский С.П., Лойко С.В., Доможакова Е.А. Использование сканирующей электронной микро скопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2014. № 3 (27). С. 36-52.
Sokol E.V., Maksimova N.V., Volkova N.I., Nigmatulina E.N., Frenkel A.E. Hollow silicate microspheres from fly ashes of the Chelyabinsk brown coals (South Urals, Russia) // Fuel Processing Technology. 2000. Vol. 67, № 1. PP. 35-52.
Sokol E.V., Kalugin V.M., Nigmatulina E.N., Volkova N.I., Frenkel A.E., Maksimova N.V. Ferrospheres from fly ashes of Chelyabinsk coals: chemical composition, morphology and formation conditions // Fuel. 2002. Vol. 81, № 7. PP. 867-876.
Ranjbar N., Kuenzel C. Cenospheres: A review // Fuel. 2017. Vol. 207. PP. 1-12.
Kutchko B.G., Kim A.G. Fly ash characterization by SEM-EDS // Fuel. 2006. Vol. 85, № 17-18. PP. 2537-2544.
Dudas M.J., Warren C.J. Submicroscopic model of fly ash particles // Geoderma. 1987. Vol. 40, № 1-2. PP. 101-114.
Брагина П.С., Герасимова М.И. Почвообразовательные процессы на отвалах горнодобывающих предприятий (на примере юга Кемеровской области) // География и природные ресурсы. 2014. № 1. С. 45-51.
Uzarowicz L., Skiba M., Leue M., Zagorski Z., Gqsinski A., Trzcinski J. Technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from thermal power stations combusting bituminous coal and lignite. Part II. Mineral transformations and soil evolution // Catena. 2018. Vol. 162. PP. 255-269.
Элементарные почвообразовательные процессы: Опыт концептуального анализа, характеристика, систематика / отв. ред. Н.А. Караваева, С.В. Зонн. М. : Наука, 1992. 184 с.
Warren C.J., Dudas M.J. Weathering processes in relation to leachate properties of alkaline fly ash // Journal of Environmental Quality. 1984. Vol. 13, № 4. PP. 530-538.
Warren C.J., Dudas M.J. Formation of secondary minerals in artificially weathered fly ash // Journal of Environmental Quality. 1985. Vol. 14, № 3. PP. 405-410.
Zevenbergen C., Bradley J.P., Van Reeuwijk L.P., Shyam A.K., Hjelmar O., Comans R.N.J. Clay formation and metal fixation during weathering of coal fly ash // Environmental Science and Technology. 1999. Vol. 33, № 19. PP. 3405-3409.
 Особенности процессов почвообразования на участках самозаростающих золоотвалов твердотопливной теплоэлектро станции | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2018. №  43. DOI:  10.17223/19988591/43/1

Особенности процессов почвообразования на участках самозаростающих золоотвалов твердотопливной теплоэлектро станции | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2018. № 43. DOI: 10.17223/19988591/43/1