Оценка литогенного потенциала гумусонакопления в почвах отвалов каменноугольных месторождений Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2015. № 399.

Оценка литогенного потенциала гумусонакопления в почвах отвалов каменноугольных месторождений Сибири

Статья посвящена решению важной проблемы, возникающей при оценке экологического состояния техногенных ландшафтов, - определению содержания углерода педогенных органических веществ (гумуса) в обогащенных углистыми частицами почвах. Авторами предложен подход, позволяющий определять литогенный потенциал гумусонакопления как максимально возможное содержание гумуса в почвах. Выявлены зональные закономерности формирования литогенной основы гумусонакопления в зависимости от выраженности аридности или гумидности климата.

Estimation of lythogene potential of humus accumulating in soils of coal-mine dumps of Siberia.pdf Введение Проблеме определения содержания педогенного органического вещества (гумуса) и его накопления в почвах техногенных ландшафтов в настоящее время во всем мире уделяется немало внимания [13]. Особенно эта проблема актуальна для техногенных объектов, представленных отвалами угольных разрезов, где почвообразующие породы характеризуются смесью, содержащей значительное количество углистых частиц, окисление которых сопровождается образованием ряда соединений, обладающих канцерогенными, мутагенными и тератогенными свойствами. Известны попытки установить содержание гумуса на «угольном фоне» с использованием радиоуглеродных [2, 3] и оптических методов [4], тяжелых жидкостей [5], окислительного фракционирования [1, 6], определения среднего содержания углерода по профилю [7] и седиментационного разделения [8]. Принято считать, что достаточно достоверные данные получаются при помощи радиоуглеродных методов [9]. Однако их использование остается дорогостоящим и трудоемким, делая невозможным определение содержания педогенного органического вещества при проведении массовых анализов [10]. Несмотря на значительный интерес, проявляемый в мировой литературе к оценке гумусового состояния почв отвалов каменноугольных разрезов, работы, посвященные этому вопросу, часто проводятся без учета особенностей органоми-неральных взаимодействий педогенного органического вещества и литогенной основы почв. Учитывая, что 95-97% педогенного органического вещества в почвах связывается с минеральной частью [11-13], возникает необходимость в оценке возможности к накоплению гумуса почвами. С этой целью в данной работе нами предпринята попытка, посредством оценки литогенного потенциала гуму-сонакопления выявить зональные закономерности аккумуляции педогенных органических веществ в почвах отвалов каменноугольных месторождений Сибири. Принципы, объекты и методы исследований Весьма часто в почвоведении при оценке какого-либо признака используют термин «потенциал». Впервые этот термин стали применять при оценке окислительно-восстановительного или кислотно-щелочного состояния почв. Поначалу данное слово носило исключительно физический смысл и характеризовало силовое поле, возникающее в почвах в процессе их функционирования [14]. Несколько позже термин стали употреблять в гидрофизике почв [15], где под ним подразумевалась затраченная на перемещение влаги работа. Параллельно с этим слово «потенциал» стало употребляться как отражение совокупности почвенных свойств, выступающих в качестве определенного ресурса [16]. Более широкий смысл термин «потенциал» приобрел в почвоведении, когда им стали выражать также скрытые или в неполной мере реализованные условия почвообразования [17]. В частности, для процессов гумусонакопления употребляется словосочетание «почвообразующий потенциал климата» [18]. Такое понимание этого термина, закрепившееся в отечественном почвоведении, позволило его использовать и при оценке других условий, определяющих процессы образования и аккумуляции гумуса в почве. В первую очередь - при характеристике не менее важной для гумусонакопле-ния литогенной основы [19]. Для удобства ее количественной оценки был предложен литогенный потенциал гумусонакопления (ЛПГ), под которым понимается способность минеральной части почвы аккумулировать максимально возможное количество органического вещества при наиболее благоприятных условиях гумусонакопления. Из данного определения следует, что для оценки ЛПГ исследуемых объектов важны два критерия - количество и качество тонкодисперсных частиц, с которыми взаимодействует органическое вещество. Поскольку для Сибири максимально гумусирован-ными автоморфными почвами принято считать тяжелосуглинистые выщелоченные черноземы Кузнецкой котловины [20, 21], то и расчет ЛПГ для почв техногенных ландшафтов следует проводить, опираясь на свойства черноземов. Максимальное содержание гумуса в выщелоченных черноземах составляет 12%. При этом стабилизация такого количества гумуса в почвах обеспечивается благодаря наличию тонкодисперсных фракций (физической глины) гидрослюди-сто-монтмориллонитового состава, содержание которых составляет в среднем 55%. Исходя из этого, лито-генный потенциал гумусонакопления можно выразить по следующей формуле: ЛПГ = R(э) • Щтф) • R(n.c.) , где ЛПГ - литогенный потенциал гумусонакопле-ния, %; Я(э) - максимальное количество гумуса в эталонной почве. В данном случае за эталонную почву принимается тяжелосуглинистый выщелоченный чернозем с содержанием гумуса 12%. К (т.ф.) - коэффициент специфичности исследуемых почв по содержанию тонкодисперсных фракций. Рассчитывается как отношение содержания физической глины в исследуемой почве к содержанию таковой в черноземе, т.е. к 55. Измеряется в долях от 1. К (п. с.) - коэффициент специфичности исследуемых почв по поглотительной способности минеральной части, в долях от 1. Рассчитывается как отношение поглотительной способности почвообразующих пород техногенных ландшафтов (техногенного элювия) к таковой черноземов (лессовидных суглинков). Измеряется в долях от 1. Объектами исследования послужили эмбриоземы, сформировавшиеся на поверхности старых (более 20 лет) отвалов каменноугольных разрезов Сибири. На исследуемых территориях были отмечены инициальные, органо-аккумулятивные, дерновые и гумусо-во-аккумулятивные эмбриоземы. Как указывают авторы используемой нами классификации [22], каждому типу эмбриоземов соответствует определенная стадия почвообразования. Поскольку добыча каменного угля открытым способом в Сибири ведется в нескольких регионах и техногенные ландшафты занимают довольно большую площадь (100-300 тыс. га по разным оценкам), климатические условия формирования эмбриоземов неоднородны. Для изучения были выбраны эмбриоземы автономных позиций, расположенных в гумидном и субгумидном (горнотаежная и лесостепная зоны Кемеровской области), семиаридном (степи Хакасии), а также аридном и аридном экстраконтинентальном климате (степи Тувы) (табл. 1). Общность геологических условий залегания каменных углей обусловила сходство почвооб-разующего субстрата, представленного, как правило, техногенным элювием осадочных пород (аргиллитов, алевролитов, песчаников). В состав элювия часто входит до 10 и более процентов угля [23]. Такой субстрат способствует формированию сильнокаменистых эмбриоземов: в их гранулометрическом составе присутствует более 70% каменистых фракций и менее 10% глинистых частиц. Для расчета коэффициентов специфичности определение содержания тонкодисперсных фракций осуществлялось методом Н.А. Качинского [26]. Однако, поскольку применение седиментометрических методов при работе с углесодержащими образцами дает искусственное увеличение содержания тонких фракций и, как следствие, расчетное утяжеление гранулометрического состава [27], то для корректировки полученных данных учитывалось также содержание органического углерода во фракции физической глины. Помимо исследуемых почв, содержание тонких частиц определялось и в почвообразующих породах (лессовидных суглинках и техногенном элювии). Коэффициенты специфичности по поглотительной способности оценивались по значениям ёмкости ка-тионного обмена, определяемой методом Бобко-Аскинази-Алешина в модификации ЦИНАО [28]. Емкость катионного обмена определялась в образцах лессовидных суглинков, взятых с борта Листвянского угольного разреза Кемеровской области, а также в образцах безуглистого техногенного элювия, выступающего в качестве почвообразующей породы для рассматриваемых объектов. Эталоном при оценке возможностей эмбриоземов к гумусонакоплению были выбраны тяжелосуглинистые выщелоченные черноземы Кузнецкой котловины, которые принято считать максимально гумусированными автоморфными почвами для Сибири [20, 21]. Результаты и обсуждение Рассматривая гранулометрический состав мелкозема и фракционный состав крупнозема как показатели, характеризующие условия гумусонакопления, следует обратить внимание на то, что в момент формирования отвалов почвообразующие породы представляют собой хаотическую смесь из обломков различного материала [29]. При этом количество способных образовывать органоминеральные комплексы частиц в материале отвалов редко превышает 10% [30]. В почвах их содержание может изменяться в зависимости от скорости и типа выветривания обломочного материала. Выраженное накопление тонкодисперсных частиц происходит только в процессе химической, биохимической, реже биофизической дезинтеграции [31]. Расчет коэффициентов специфичности по содержанию тонкодисперсных фракций показал, что при всей исходной хаотичности литогенной основы поч-вообразующих пород в гранулометрическом составе почв существуют определенные различия, которые носят закономерный характер. Проявляется это, во-первых, в эволюционном ряду: коэффициенты специфичности увеличиваются в органо-аккумулятивных эмбриоземах по сравнению с инициальными и далее - в дерновых и гумусово-аккумулятивных. Во-вторых, существуют различия в географическом ряду. Коэффициенты максимальны в почвах территорий, для которых индекс аридности (Ia) близок к 0, и уменьшаются по мере усиления аридности и гумидности климата. Отмечается, что специфичность исследуемых почв по содержанию тонкодисперсных фракций определяется в большей степени эволюцией почв, а в меньшей - климатическими условиями их формирования. Исключение составляют почвы, сформированные в условиях гу-мидного климата (Ia = - 0,40), что, по всей видимости, связано с проявлением здесь элювиальных процессов, интенсивно протекающих в автоморфных почвах данной климатической зоны [32]. Т а б л и ц а 1 Климатические условия гумусонакопления в почвах исследуемых объектов Показатель Название углеразреза Ольжерасский Листвянский Черногорский Чаданский Каа-Хемский Геоморфологический район Кузнецкий Алатау Кузнецкая котловина Минусинская котловина Хемчикская котловина Центрально-Тувинская котловина Тип климата Гумидный Субгумидный Семиаридный Аридный Аридный экстраконтинентальный Сумма температур выше 10, °С 1 500-1700 1 700-1 900 1 900-2 000 2 100-2 200 2 100-2 200 Среднегодовая температура, °С - 0,1 2,1 1,6 - 2,0 - 1,3 Осадки за год, мм 750-1 400 400-500 250-300 220-270 170-250 Индекс аридности, Ia* - 0,40 - 0,10 0,15 0,20 0,51 Эмбриоземы ** Инициальные, органо-аккумулятивные Инициальные, дерновые, органо- и гумусово-аккумулятивные Инициальные, органо-аккумулятивные, дерновые Инициальные, органо-аккумулятивные Инициальные, органо-аккумулятивные *Ia - индекс аридности, рассчитывался как k)g10 (E/P), где Е - средняя многолетняя испаряемость с открытой водной поверхности, Р -средняя многолетняя сумма осадков [24]. "Перечислены типы почв, встречающиеся на отвалах каменноугольных разрезов районов исследований [25]. Т а б л и ц а 2 Коэффициенты специфичности эмбриоземов по содержанию тонкодисперсных фракций Индекс аридности Эмбриоземы инициальные органо-аккумулятивные дерновые гумусово-аккумулятивные - 0,40 0,05 0,07 0,09 - - 0,10 0,13 0,16 0,29 0,45 0,15 0,16 0,29 0,33 - 0,20 0,10 0,25 - - 0,50 0,07 0,16 - - Поскольку литогенный потенциал гумусонакоп-ления определяет не только содержание в почвах тонкодисперсных частиц, но и их способность взаимодействовать с органическим веществом [33], была предпринята попытка дать качественную оценку почвообразующим породам исследуемых объектов. Как известно, основным источником тонкодисперсных фракций в почвах каменноугольных отвалов являются аргиллиты, алевролиты и песчаники [29, 31]. Несмотря на то что тяжелые фракции этих пород представлены преимущественно кварцем и слюдами, а легкие - рудными минералами, цементирующий их материал представлен глинистыми частицами. Доля цемента от объема породы колеблется в пределах 65-70% у аргиллитов, 15-35% у алевролитов и 520% у песчаников. Как указывает Ф.К. Рагим-заде [34], преобладающими минералами во фракции

Ключевые слова

техногенные ландшафты, почвообразовательные процессы, органическое вещество почв, эволюция почв, эмбриоземы, man-caused landscapes, soil-forming processes, soil organic matter, evolution of soils, embryozems

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Соколов Денис АлександровичИнститут почвоведения и агрохимии СО РАН (г. Новосибирск)канд. биол. наук, науч. сотр. лаборатории рекультивации почвsokolovdenis@mail.ru
Мерзляков Олег ЭдуардовичТомский государственный университетканд. биол. наук, доцент кафедры почвоведения и экологии почвmolege@mail.ru
Доможакова Евгения АлександровнаТувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН (г. Кызыл)канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаборатории биоразнообразия и геоэкологииsollygeohennet@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Schmidt M. W.I., Skjemstad J.O., Czimczik C.I., Glaser B., Prentice K.M., Gelinas Y., Kuhlbusch T.A.J. Comparative analysis of black carbon in soils // Global Biogeochemical Cycles. 2001. № 15. Р. 163-167.
Rumpel C., Balesdent J., Grootes P., Weber E., Kogel-Knabner I. Quantification of lignite- and vegetation-derived soil carbon using 14Cactivity measurements in a forested chronosequence // Geoderma. 2003. № 112. P. 155-166.
Ussiri D.A.N., Lal R. Method for determining coal carbon in the reclaimed minesoils contaminated with coal // Soil science society of America journal. 2008. № 72. P. 231-237.
Brodowski S., Amelung W., Haumaier L., Abetz C., Zech W. Morphological and chemical properties of black carbon in physical soil fractions as revealed by scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy // Geoderma. 2005. № 128. Р. 116-129.
Фаткулин Ф.А. Органическое вещество молодых почв техногенных экосистем Кузбасса : автореф. дис.. канд. биол. наук. Новосибирск, 1988. 17 с.
Соколов Д.А. Окислительно-восстановительные процессы в почвах техногенных ландшафтов : автореф. дис.. канд. биол. наук. Новоси бирск, 2009. 17 с.
Семина И.С. Оценка и рациональное использование природных ресурсов для рекультивации почв в горно-таежной зоне Кузбасса : авто реф. дис.. канд. биол. наук. Новосибирск, 2011. 19 с.
Соколов ДА. Специфика определения органических веществ педогенной природы в почвах техногенных ландшафтов Кузбасса // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 2. С. 17-25.
Morgenroth G., Kretschmer W., Scharf A., Uhl T., Fettweis U., Bens, O., Huttl R.F. 14C мeasurement of soil in post-mining landscapes // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2004. № 223. Р. 568-572.
UssiriD.A.N., LalR. Methods for determination of coal carbon in reclaimed minesoils // Geoderma. 2014. № 214. Р. 155-167.
Кононова М.М. Органическое вещество почвы. М. : Изд-во АН СССР, 1963. 314 с.
Lutzow M., Kogel-Knabner I., Ludwig B., Matzner E., Flessa H., Ekschmitt K., Guggenberger G., Marschner B., Kalbitz K. Stabilization mechanisms of organic matter in four temperate soils: development and application of a conceptual model // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2008. № 171. P. 111-124.
Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы. М. : ГЕОС, 2010. 240 с.
Кононова М. М. ОВ потенциал как метод характеристики почвенных условий при различных способах орошения // Почвоведение. 1932. № 3. С. 365-376.
Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М. : МГУ, 1984. 204 с.
Переверзев В.Н. Агроэкологический потенциал окультуренных подзолистых почв как основа устойчивого земледелия на Севере // Ре сурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности России. СПб. : Изд. Дом СПбГУ, 2011. С. 86-87.
Шоба С.А., Герасимова М.И., Таргульян В.О., Урусевская И.С., Алябина И.О., Макеев А.О. Почвообразующий потенциал природных факторов // Генезис, география и экология почв. Львов, 1999. С. 90-92.
Почвообразующий потенциал климата для процесса гумусонакопления. Масштаб 1:35 000 000 / М.И. Герасимова, И.О. Алябина, И.С. Урусевская и др. // Федеральный атлас Природные ресурсы и экология России. М. : НИА Природные ресурсы, 2002. С. 82-83.
Гуркова Е.А. Специфика внутренней структуры элементов кольцевой зональности почвенного покрова Центрально-Тувинской котловины // Вестник Томского государственного университета. 2009. № 321. С. 184-188.
Трофимов С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. Новосибирск : Наука, Сиб. отд-е, 1975. 300 с.
Хмелев В.А., Танасиенко А.А. Почвенные ресурсы Кемеровской области и основы их рационального использования. Новосибирск : Издво СО РАН, 2013. 477 с.
Курачев В.М., Андроханов В.А. Классификация почв техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2002. № 3. С. 255261.
Андроханов В.А., Соколов ДА. Фракционный состав окислительно-восстановительных систем почв отвалов каменноугольных разрезов // Почвоведение. 2012. № 4. С. 453-457.
Dai X.F., Jia X., Zhang W.P., Bai Y.Y., Zhang J.Y., Wang Y., Wang G.X. Plant height-crown radius and canopy coverage-density relationships determine above-ground biomass-density relationship in stressful environments // Biology Letters. 2009. № 5. P. 571-573.
Соколов Д.А., Андроханов В.А., Кулижский С.П., Доможакова Е.А., Лойко С.В. Морфогенетическая диагностика процессов почвообразования на отвалах каменноугольных разрезов Сибири // Почвоведение. 2015. № 1. С. 106-117.
Качинский Н.А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения. М. : Изд-во АН СССР, 1958. 192 с.
Кулижский С.П., Коронатова Н.Г., Артымук С.Ю., Соколов Д.А., Новокрещенных Т.А. Сравнение методов седиментометрии и лазерной дифрактометрии при определении гранулометрического состава почв естественных и техногенных ландшафтов // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2010. № 4. С. 21-31.
ГОСТ 17.4.4.01 - 1984 «Охрана природы. Почвы. Методы определения ёмкости катионного обмена».
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.
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.
Кусов А.В. Гранулометрическая диагностика внутрипочвенного выветривания обломочного материала в техногенных ландшафтах // Сибирский экологический журнал. 2007. № 5. С. 837-842.
Соколов Д.А., Кулижский С.П., Лойко С.В., Доможакова Е.А. Использование сканирующей электронной микроскопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2014. № 3. С. 36-52.
Травникова Л.С. Закономерности гумусонакопления: новые данные и их интерпретация // Почвоведение. 2002. № 7. С. 832-843.
Рагим-заде Ф.К. Почвообразующие породы техногенных ландшафтов // Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новоси бирск: Наука, Сиб. отд-е, 1992. 305 с.
Угольная база России. Том III. Угольные бассейны и месторождения Восточной Сибири (южная часть). М. : ООО «Геоинформцентр», 2002. 488 с.
Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). М. : ООО «Геоинформцентр», 2003. 604 с.
 Оценка литогенного потенциала гумусонакопления в почвах отвалов каменноугольных месторождений Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2015. № 399.

Оценка литогенного потенциала гумусонакопления в почвах отвалов каменноугольных месторождений Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2015. № 399.