Особенности формирования почв техногенных ландшафтовв различных природно-климатических зонах юга Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 364.

Особенности формирования почв техногенных ландшафтовв различных природно-климатических зонах юга Сибири

Рассмотрены особенности почв, формирующихся на отвалах каменноугольных разрезов в различных природноклиматических зонах Алтае-Саянской горной системы. Установлено, что процессы почвообразования в условиях горной тайги, лесостепи, степи и сухой степи идут разнонаправленно и имеют различную интенсивность.

Soil forming features under different environmental conditionsin anthropogenic landscapes of south Siberia.pdf ВведениеПроблема загрязнения окружающей среды в насто-ящее время является одной из самых острых. Особенноона актуальна для регионов юга Сибири, где сосредо-точены крупные промышленные и ресурсные центры(Кемеровская область, Красноярский край, республикиХакасия и Тува). Основными источниками загрязненияв этих регионах выступают техногенные ландшафты,площадь которых составляет несколько сотен тысячгектаров. Процесс формирования этих ландшафтовсопровождается извлечением и перегруппировкой рядахимических элементов и их соединений [1]. Породы,вынесенные из иной геохимической обстановки в ре-зультате горнодобывающей деятельности, неустойчивыв сложившейся, что влечет их неупорядоченнуютрансформацию [2, 3]. Это обусловливает ряд негатив-ных экологических последствий, связанных с миграци-ей продуктов такого преобразования [4].Минимизация этих последствий достигается либопосредством процессов самовосстановления, либо спомощью рекультивации. И в том и в другом случае наповерхности техногенных ландшафтов происходитформирование почвенного покрова. Преобразованиеисходных пород при почвообразовании протекает бо-лее упорядоченно и направлено на приближение хими-ческих (точнее, геохимических) и физических свойствсубстратов к таковым в зональных почвах. Следова-тельно, отличительной особенностью процесса форми-рования молодых почв техногенных ландшафтов явля-ется то, что главную роль среди факторов почвообра-зования играют геогенные (прежде всего свойства по-роды). В то время как в зональных почвах основныесвойства определяются природно-климатическимиусловиями конкретной зоны [5].В связи с этим целью нашего исследования явилосьвыявление специфики почвообразования в техноген-ных ландшафтах, расположенных в различных клима-тических зонах.Объекты и методы исследованийВ самом широком понимании объектами исследо-ваний выступили почвы, сформированные на поверх-ности техногенных ландшафтов, представленных отва-лами каменноугольныхпреобразования, протекающие с различной скоро-стью.К первой группе относятся морфологические крите-рии, которые благодаря набору легко диагностируемыхпризнаков позволяют вне лабораторных условий какможно точнее оценить происходящие изменения. Припочвообразовании в различных природно-климатическихзонах морфологические особенности выражаются черезформирование характерной для каждого почвенного типасистемы генетических горизонтов [6]. В молодых почвахтехногенных ландшафтов организация этой системы про-исходит через образование органогенных горизонтов (ор-гано-аккумулятивных, дерновых, гумусово-аккумулятив-ных). Морфологическая диагностика исследуемых почвпроводилась на основе классификации почв техногенныхландшафтов, разработанной И.М. Гаджиевым и В.М. Ку-рачевым [7].Во вторую группу критериев входят те признаки,которые позволяют охарактеризовать процесс форми-рования системы органических веществ. Однако в силутого что почвообразующий субстрат включает большоеколичество углистых частиц, в исследуемых образцахопределение содержания гумуса традиционными мето-дами не проводилось. В данном случае учитывалисьвсе процессы, затрагивающие преобразования восста-новленных соединений углерода. Были применены ме-тоды, позволяющие разделить органическое веществопочв по степени его устойчивости к окислению [8]. Осо-бое внимание при этом уделялось содержанию фракциитрудноокисляемых соединений как индикатору содер-жания исходных литогенных веществ [9].Третья группа критериев позволяет оценить степеньпреобразования минеральной части субстрата. Сюдаможно отнести основные физические, физико-химичес-кие и химические свойства почв. Важнейшим из этогоряда показателем для сравнительно молодых почв тех-ногенных ландшафтов является механический (грану-лометрический) состав, характеризующий степень дез-агрегирования (деспергирования) исходного субстратав результате почвообразования. Для определения этихпоказателей использовались общепринятые в почвове-дении методы [10].Результаты и обсуждениеОписания профилей почв, сформированных на от-валах каменноугольных разрезов и расположенных вразличных климатических зонах, показали, что диффе-ренциация молодых почв по морфологическим призна-кам происходит через образование системы специфи-ческих органогенных горизонтов.При этом согласно классификации почв техноген-ных ландшафтов [11] каждый почвенный тип опреде-ляется по наличию соответствующего типодиагности-ческого горизонта. Так, на исследуемых территорияхбыли выделены инициальные, органо-аккумулятивные,дерновые и гумусово-аккумулятивные эмбриоземы.Инициальные эмбриоземы, не имеющие каких-либоморфологически выраженных генетических горизон-тов, характеризуют первые стадии преобразованияпочвообразующего субстрата. Дифференциация про-филя данного типа почв, как правило, не происходит попричине сравнительно небольшого возраста, что обу-словливает их широкое распространение на молодых исредневозрастных отвалах (табл. 2). Также инициаль-ные эмбриоземы сохраняются и на старых отвалах, гдеони присущи местообитаниям с экстремальными эда-фическими условиями.Т а б л и ц а 2Дифференциация эмбриоземов по техногенным ландшафтам юга Западной СибириЭмбриоземыУглеразрезИнициальные Органо-аккумулятивные Дерновые Гумусово-аккумулятивныеМолодые (менее 10 лет) отвалыОльжерасский + + - -Листвянский + + + -Черногорский + + - -Чаданский + - - -Каа-Хемский + - - -Средневозрастные (10-20 лет) отвалыОльжерасский + + + -Листвянский + + + -Черногорский + + - -Чаданский + + - -Каа-Хемский + - - -Старые (более 20 лет) отвалыОльжерасский + + - -Листвянский + + + +Черногорский + + + -Чаданский + + - -Каа-Хемский + + - -Следующая стадия эволюции почв техногенныхландшафтов - органо-аккумулятивных эмбриоземов -имеет ярко выраженный генетический горизонт биоген-ной аккумуляции. Это выражается в накоплении органи-ческих остатков на поверхности почвы (подстилки). Впочвах, сформированных на молодых и средневозрастныхотвалах, этот горизонт представлен неразложившимися ислаборазложившимися остатками травянистой раститель-ности. Тем же материалом сложен этот горизонт у органо-аккумулятивных эмбриоземов и на старых отвалах, заисключением тех, которые расположены в горно-таежнойклиматической зоне. Здесь в условиях ярко выраженногогумидного климата в составе растительной группировкина старых отвалах начинают доминировать древесныерастения. Поэтому горизонт подстилки в органо-аккумулятивных эмбриоземах представлен преимуще-ственно неразложившимися листьями деревьев. Еще од-ной важной особенностью распространения этих почв потехногенным ландшафтам юга Сибири является то, чтоданный тип почв не формируется на молодых отвалахдвух наиболее аридных участков исследований - Чадан-ского и Каа-Хемского углеразрезов. Так, на участке Каа-Хемского углеразреза (Центральная Тува) формированиеоргано-аккумулятивного эмбриозема не происходит и насредневозрастных отвалах.Дерновый эмбриозем, в отличие от двух предыдущихтипов почв, не так широко распространен. Формированиеего происходит только на отвалах, расположенных в усло-виях с менее выраженной аридностью климата. При этомв гумидной горно-таежной зоне, в которой находитсяОльжерасский углеразрез, дерновый эмбриозем был отме-чен только на средневозрастных отвалах. Это объясняетсятем, что по мере развития здесь древесной растительностидерновый процесс уступает процессу подстилконакопле-ния. Подобное явление отмечалось также и другими ис-следователями. Характеризуя молодые почвы песчаныхкарьеров северо-запада Русской равнины, Е.В. Абакумов иИ.И. Гагарина противопоставляют эти два процесса, назы-вая их конкурентами [12]. Поэтому на старых отвалах насмену дерновым эмбриоземам вновь приходят органо-аккумулятивные. Дерновые эмбриоземы сохраняютсятолько на тех участках, где по различным причинам за-труднено развитие древесной растительности (участкибывших дорог, технологических площадок и т.п.).Наибольшее распространение данный тип почвимеет на отвалах, расположенных в лесостепной зоне.Так, на территории Листвянского углеразреза дерновыеэмбриоземы присутствуют как на средневозрастных,так и на старых отвалах. На Черногорском разрезе,следующем в ряду нарастания аридности, дерновыеэмбриоземы были отмечены только на старых отвалах.Гумусово-аккумулятивные эмбриоземы, помимоописанных выше горизонтов подстилки и дернины,имеют горизонт аккумуляции гумуса. Они весьма ред-ко распространены на отвалах каменноугольных угле-разрезов. Формирование их происходит только в лесо-степной зоне на старых отвалах. Это обусловленопрежде всего лимитирующим влиянием геогенногофактора на образование горизонта аккумуляции гуму-са. В первую очередь это связано с тем, что изначальнопочвообразующие субстраты в техногенных ландшаф-тах отличаются низким содержанием физической гли-ны (не более 15%), необходимой для связывания обра-зующихся гумусовых веществ с минеральной частьюпочвы. Развитие гумусонакопления становится воз-можным только на старых отвалах и в том случае, еслипроцессы выветривания обеспечивают накопление до-статочного количества тонкодисперсных фракций.Таким образом, обобщая вышеописанные морфоло-гические особенности почв исследуемых объектов,можно сказать о том, что в ряду нарастания аридностипроисходит замедление развития почвообразователь-ных процессов.Оценивая специфику формирования систем органи-ческих веществ в почвах отвалов угольных разрезов,важно отметить, что изначально все почвообразующиесубстраты представлены смесью пород с различнымсодержанием восстановленных веществ. Поэтому соот-ношение между фракциями этих веществ (табл. 3) можетрезко меняться как в различных типах эмбриоземов, таки на различных глубинах. Для характеристики были вы-браны почвы, сформированные на старых отвалах ис-следуемых углеразрезов. Кроме того, были отобраныобразцы свежеотсыпаемых пород и каменный уголь.Исследования показали, что самым высоким содержани-ем восстановленных веществ характеризуется образецугля. Во фракционном составе преобладает фракциятрудноокисляемых соединений. В отсыпаемых породахсодержание восстановленных веществ колеблется отнескольких сотен до нескольких тысяч миллиграмм-эквивалентов на 100 г мелкозема. Высокое содержание вэтих образцах трудноокисляемых веществ свидетель-ствует о том, что восстановленные вещества этих суб-стратов представлены преимущественно углем.Т а б л и ц а 3Содержание и распределение фракций восстановленных веществУглеразрез Объект исследований ГоризонтСодержание фракций восстановленных ве-ществ, мг-экв на 100 г мелкоземаДоля фракций,% от валового количестваВаловоекол-воТрудно-окисл.Средне-окисл.Легко-окисл.Трудно-окисл.Средне-окисл.Легко-окисл.ОльжерасскийПочвообразующие породы 416 184 201 30 44,3 48,4 7,3Инициальный С1(0-6) 2 526 250 1 763 513 9,9 69,8 20,3С2(6-29) 2 557 527 1 367 663 20,6 53,5 25,9Органо-аккумулятивныйС1(1-8) 1 462 238 886 338 16,3 60,6 23,1С2(8-50) 1 112 133 729 251 11,9 65,5 22,5Дерновый С1(3-12) 1 108 113 739 256 10,2 66,7 23,1С2(12-50) 1 117 68 768 280 6,1 68,8 25,1ЧерногорскийПочвообразующие породы 7 019 2 587 4 052 379 36,6 57,9 5,4Инициальный С1(0-12) 2 183 105 1 737 341 4,8 79,6 15,6С2(12-34) 2 428 266 1 522 640 10,9 62,7 26,4Органо-аккумулятивныйС1(1-10) 2 255 247 1 244 764 11,0 55,2 33,9С2(10-40) 2 214 432 1 356 427 19,5 61,3 19,3Каа-ХемскийПочвообразующие породы 3 320 828 2 151 341 24,9 64,9 10,3Инициальный С1(3-13) 3 525 272 2 093 1 160 7,3 59,7 33,1С2(15-23) 2 097 252 1 380 465 12,0 65,8 22,2Органо-аккумулятивныйС1(0-11) 456 143 118 195 31,3 26,0 42,7С2(11-21) 289 103 24 162 36,2 7,6 56,2Каменный уголь 36 820 21 867 13 146 1 807 59,4 35,7 4,9В исследуемых почвах доля трудноокисляемых ве-ществ значительно уступает другим фракциям. Приэтом наименьшее их содержание отмечается в горизон-тах С1 инициальных эмбриоземов. Ниже в горизонтахС2 содержание этих веществ увеличивается, что свиде-тельствует о менее активном преобразовании системорганических веществ в данных горизонтах. Повыше-ние содержания трудноокисляемых веществ в верхнихгоризонтах наблюдается и при переходе от инициаль-ных к органо-аккумулятивным эмбриоземам.Из табл. 3 видно, что отмечаемая направленность висследуемых почвах нарастает с усилением аридизацииклимата. Несмотря на то что процессы преобразованияорганических веществ наиболее активны при наличиивысокого содержания влаги, необходимой для проте-кания реакций, на фоне ярко выраженного ксеромор-физма исследуемых участков интенсивнее преобразо-вание идет там, где имеет место больший приход тепла.По нашему мнению, такая тенденция обусловлена тем,что исходное органическое вещество в исследуемыхпочвах представлено углистыми частицами. Уголь, какизвестно, по сравнению с другими породами болеегидрофилен [3]. Таким образом, содержание гигроско-пической влаги, получаемой углем во влажные перио-ды, является достаточным для протекания процессовхемогенного окисления восстановленных веществ вэмбриоземах. По мере того как на стадии органо-аккумулятивных эмбриоземов формируется горизонтподстилки, поступление влаги в субстрат уменьшается,хемогенные процессы ослабевают, что способствуетсохранению трудноокисляемых веществ.Прежде чем оценивать дифференциацию механиче-ских фракций в исследуемых почвах, напомним, чтоисходно почвообразующие породы представляют со-бой хаотичную смесь различных по размеру обломковвскрышных и вмещающих пород. Кроме того, эти по-роды отличаются также и по устойчивости к выветри-ванию. Наиболее долго разрушаются песчаники, быст-рее - алевролиты и аргиллиты на углистом цементе[13]. Обусловленная этими причинами неоднородностьв механическом составе сохраняется в последующем ив почвах. Особенно наглядно это проявляется в распре-делении фракции более 3 мм на глубинах 10-20 см(рис. 1). В слое 0-10 см содержание каменистых фрак-ций уменьшается во всех исследуемых эмбриоземах.Это обусловлено развитием процессов выветривания вверхней части профиля почв. При этом более ярко вы-ражены эти процессы в дерновых эмбриоземах, чтовызвано наложением биохимического и биофизическо-го типов выветривания на физическое [14]. Уменьше-ние площади областей диаграммы на глубинах 0-10 смсвидетельствует о том, что процессы выветриванияисходного субстрата усиливаются по мере нарастанияаридности территории.Ольжерасский углеразрез Листвянский углеразрез Черногорский углеразрезРис. 1. Дифференциация фракции > 3 мм в исследуемых почвахЕще одной важной особенностью дифференциациифракций восстановленных веществ в исследуемыхпочвах является то, что при переходе от гумидного каридному климату увеличивается содержание способ-ных к миграции легкоокисляемых веществ. Учитываято, что более 70% площади техногенных ландшафтовпредставляют собой склоновые поверхности, это можетнегативно сказаться на состоянии прилегающих к нимтерриторий.По тем же причинам, но в обратном порядке рас-пределяются фракции менее 1 и менее 0,01 мм. Причемразница между содержанием этих фракций на различ-ных глубинах возрастает при переходе от инициально-го к органо-аккумулятивному и далее к дерновому эм-бриозему (рис. 2-3).Следует отметить, что эта тенденция нарастает помере уменьшения гумидности исследуемых террито-рий. Так, в профилях эмбриоземов, сформированныхна отвалах в горно-таежной зоне (Ольжерасский угле-разрез), содержание мелкозема и физической глинывниз по профилю практически не изменяется. Этообусловлено проявлением зональной специфики поч-вообразования, для которой свойственно интенсивноеразвитие элювиально-иллювиальных процессов. Учи-тывая то, что зональными для данной территории яв-ляются дерново-глубокоподзолистые почвы, можносделать вывод: вся исследуемая толща 0-20 см функ-ционирует как элювиальный горизонт. В условияхлесостепи (Листвянский углеразрез) и тем более степи(Черногорский углеразрез) процессы текстурнойдифференциации профиля значительно ослабляются.Наиболее ярко эта тенденция выражена в прошедшемнаибольшее количество стадий эволюции дерновомэмбриоземе (рис. 3).Таким образом, обобщая все вышесказанное, отме-тим, что формирование почв на отвалах каменноуголь-ных разрезов в различных природно-климатическихзонах происходит не одинаково. При этом дифферен-циация почвенного профиля на генетические горизон-ты наиболее выражена в техногенных ландшафтах,расположенных в лесостепной зоне. Здесь эволюцияпочв проходит инициальную, органо-аккумулятивную,дерновую стадии и достигает гумусово-аккумуля-тивной, отражающей зональной специфику почвообра-зования. По мере усиления аридности территорий эво-люция почв замедляется и доходит до дерновой стадиив условиях степи и органо-аккумулятивной в условияхсухой степи. В гумидном климате горно-таежной зоныКузнецкого Алатау могут формироваться дерновые идаже иногда гумусово-аккумулятивные эмбриоземы,которые со временем все же уступают место органо-аккумулятивным. Зональная специфика почвообразо-вания в этих условиях заключается в формированиипочв с мощным элювиальным горизонтом.Ольжерасский углеразрез Листвянский углеразрез Черногорский углеразрезРис. 2. Дифференциация фракции < 1 мм в исследуемых почвахОльжерасский углеразрез Листвянский углеразрез Черногорский углеразрезРис. 3. Дифференциация фракции < 0,01 мм в исследуемых почвахОценивая специфику трансформации систем орга-нических веществ в этих почвах, следует отметить, чтоинтенсивность преобразования исходных литогенныхкомпонентов возрастает в ряду усиления аридностиклимата. Наряду с этим в профиле почв увеличиваетсясодержание легкоподвижных органических соедине-ний.Процессы дезинтеграции обломков исходных породи, как следствие, образование мелкозема и тонкодис-персных фракций наиболее существенны там, где эво-люция почв достигает стадии дернового эмбриозема.Вместе с тем интенсивность перераспределения попрофилю образовавшихся частиц снижается по мереуменьшения количества атмосферных осадков.

Ключевые слова

техногенные ландшафты, восстановленные вещества, эволюция почв, инициальные, органоаккумулятивные, дерновые, гумусово-аккумулятивные эмбриоземы, anthropogenic landscapes, restored substances, evolution of soils, initial, organic-accumulative, turf, humus-accumulative soils

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Соколов Денис АлександровичИнститут почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)канд. биол. наук, нс лаборатории рекультивации почвsokolovdenis@mail.ru
Кулижский Сергей ПавлиновичНациональный исследовательский Томский государственный университетд-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой почвоведения и экологии почв, директорИнститута биологии, экологии, почвоведения, сельского и лесного хозяйстваsoil@land.ru
Доможакова Евгения АлександровнаТувинский институт комплексного освоения природных ресурсов Сибирского отделения Российской академии наук (г. Кызыл)канд. биол. наук, снс лаборатории биоразнообразия и геоэкологииsollygeohennet@mail.ru
Госсен Игорь НиколаевичИнститут почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)мнс лаборатории рекультивации почвigor-gossen@yandex.ru
Всего: 4

Ссылки

Реймерс Н.Ф. Природопользование. М. : Мысль, 1990. 275 с.
Андроханов В.А., Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004. 151 с.
Андроханов В.А., Курачев В.М. Почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов: динамика и оценка. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2010. 224 с.
Соколов Д.А. Окислительно-восстановительные процессы в почвах техногенных ландшафтов : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Новосибирск, 2009. 18 с.
Соколов И.А. Теоретические проблемы генетического почвоведения. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004. 288 с.
Розанов Б.Г. Генетическая морфология почв. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1975. 292 с.
Гаджиев И.М., Курачев В.М. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новосибирск : Наука, 1992. 305 с.
Соколов Д.А. Специфика накопления и распределения фракций восстановленных продуктов в эмбриоземах Кузбасса // Вестник Томского государственного университета. 2008. № 315. С. 214-218.
Андроханов В.А., Соколов Д.А. Фракционный состав окислительно-восстановительных систем почв отвалов каменноугольных разрезов // Почвоведение. 2012. № 4. С. 453-457.
Качинский Н.А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения. М. : Изд-во АН СССР, 1958. 192 с.
Курачев В.М., Андроханов В.А. Классификация почв техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2002. № 3. С. 255-261.
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.
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.
Кусов А.В. Гранулометрическая диагностика внутрипочвенного выветривания обломочного материала в техногенных ландшафтах // Сибирский экологический журнал. 2007. № 5. С. 837-842.
 Особенности формирования почв техногенных ландшафтовв различных природно-климатических зонах юга Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 364.

Особенности формирования почв техногенных ландшафтовв различных природно-климатических зонах юга Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 364.

Полнотекстовая версия