Material composition of embriozems developing on dumps of iron ore deposits in the south of Western Siberia.pdf Введение Основными источниками негативных изменений экологической обстановки в регионах юга Сибири выступают техногенные ландшафты, площадь которых составляет несколько сотен тысяч гектаров. В результате добычи железных руд и угля подземным и открытым способами на поверхность почвы выносятся глубинные неплодородные породы (отвальные породы), в результате чего на значительных территориях происходит неупорядоченная трансформация почвенных горизонтов, наступает деградация, а иногда и полное уничтожение экосистем. Процесс формирования таких ландшафтов сопровождается извлечением и перегруппировкой ряда химических элементов и их соединений [1]. Это обусловливает ряд негативных экологических последствий для биогеоценозов данных территорий, что отражается и на состоянии почв. Вопросы классификационной принадлежности и диагностики почвообразовательных процессов почв, формирующихся на отвальных породах, остаются до сих пор дискуссионными как в отечественной, так и в зарубежной литературе [2-6]. Однако, несмотря на дискуссионность этой проблемы, как российскими [7-9], так и зарубежными учеными [10-13] признается тот факт, что с момента появления на отвальных породах растительности, последовательно проходящей стадии сукцессии, начинается почвообразовательный процесс В настоящее время в пределах Западной Сибири довольно хорошо исследованы почвы техногенных ландшафтов лесостепной и степной зон [14-17]. Техногенные почвы ландшафтов горно-таежного пояса, куда входит и Одра-Башское железорудное месторождение, на сегодняшний день изучены недостаточно. На фоне заметного числа публикаций, в которых освещаются морфологические особенности, состав гумуса, физико-химические параметры, практически отсутствуют работы, в которых были бы представлены результаты исследований петрографического и минералогического составов таких почв. Вместе с тем эти показатели относятся к наиболее устойчивым признакам почв, определяя особенности почвообразовательных процессов, особенно в «молодых» почвах. Цель данной работы - изучить вещественный состав техногенных почв железорудных месторождений юга Западной Сибири. Материалы и методики исследования В геолого-географическом отношении Одра-Башское месторождение входит в состав Темир-Тельбесской группы железорудных месторождений Горно-Шорского горнорудного района. Тельбесский железорудный район расположен в бассейне рек Мундыбаш и Тельбес (53°12'23'N, 87°17'53''E). Объектами исследования послужили техногенные почвы: эмбриозем инициальный (разрез 1), эмбриозем органо-аккумулятивный (разрез 2), эмбриозем дерновый (разрез 3), формирующиеся на транспортных отвалах Одра-Баш-ского месторождения. В соответствии с профильно-генетической классификацией почв техногенных ландшафтов [2] эмбриоземы относятся к стволу постлитогенных почв, классу биогенно-неразвитых, подтипу типичных, роду обычных. Согласно классификации и диагностики почв России [6, 18] инициальным эмбриоземам соответствует подгруппа литостратов из группы натурфабрикатов техногенных поверхностных образований. Органо-ак-кумулятивным эмбриоземам соответствует тип псаммоземов, относящихся к отделу слаборазвитых почв из ствола первичного почвообразования. Дерновым типам эмбриоземов наиболее близки псаммоземы и пелоземы гумусовые, относящиеся к отделу слаборазвитых почв, также входящих в ствол первичного почвообразования. В соответствии с системой классификации WRB [19] данные почвы можно отнести к реферативной почвенной группе (RSG) регосолей и споликтовых антросолей. В работах американских почвоведов [4] часто используется термин «Minesoils» для названия большой группы молодых почв, развивающихся на субстратах, представленных смесью горных пород и грунтов, образующихся при добыче полезных ископаемых. Майнсоли в зависимости от наличия почвенных горизонтов разделяются на энтисоли (Entisoils) и инсептисоли (Inceptisoils). Термин «энтисоли» вполне можно использовать для обозначения молодых почв, формирующихся на самых начальных стадиях восстановления экосистем на отвалах, без признаков или с очень слабыми признаками развития почвенных горизонтов. В процессе развития почв на отвальных породах в них появляются отдельные диагностические горизонты, такие почвы ближе к инсептисолям. В качестве фоновой почвы взята зональная бурая горно-таежная почва (разрез 4). Морфологическое описание профилей почв проведено в соответствии с рекомендациями Б.Г. Розанова [20]. В исследованных типах эмбриоземов отобраны образцы почв по генетическим горизонтам с последующей пробо-подготовкой, осуществляемой согласно принятым в почвоведении методам [21]. Гранулометрический состав почв выполнен в соответствии с методикой Н.А. Качинского [22]. В полевых условиях произведено сухое фракционирование почв на ситах, выделены следующие фракции в миллиметрах: > 10; 10-7; 7-5; 5-3; 3-2; 2-1; < 1. Петрографический анализ каменистой части эмбриоземов проведен методом поляризационной микроскопии специально изготовленных шлифов из фрагментов плотной породы [23]. Исследования минералогического состава проводились с помощью методов рентгеновского фазового анализа на рентгеновском дифрактометре X»Pert PRO (PANalytical) в центре коллективного пользования «Аналитический центр геохимии природных систем» Томского государственного университета. Условия съемки: трубка с медным анодом (CuKa), напряжение на трубке 40 кВ, ток 30 мА, шаг 0,02°, диапазон углов 20 - 4.60°, вращение 30 об./мин, выдержка 0,1 с в точке, рабочий радиус 141 мм. Расшифровка дифрактограмм проводилась с помощью программного обеспечения PDF-4 и HighScore. Съемка проведена троекратно: для ориентированных препаратов из отмученной илистой фракции, осажденной на стеклянную пластину, в интервале углов отражения от 4 до 60° 20; в воздушно-сухом состоянии после прокаливания; после насыщения глицерином в интервалах углов 4-32° 20. Диагностика и определение минералов при анализе рентгенограмм, полученных в ходе работы на рентген-дифрактометре X»Pert PRO, проведены по базальным отражениям (для ориентированных препаратов) и их межплоскостным расстояниям. Для определения минералов группы монтмориллонита используется насыщение глицерином. Монтмориллонит определяется по базальному отражению [001] - 14,2 А, которое смещается в сторону малых углов 20 до 17,8 А (рис. 1). Рис. 1. Дифрактограммы илистой фракции инициального эмбриозема (разрез 1, горизонт С1): А - в воздушно-сухом состоянии; В - после насыщения глицерином; С - после прокаливания [Fig. 1. Diffractograms of the initial embriozem clay fraction (profile 1, horizon Ct): A - In the air-dry state; B - After saturation with glycerin; C - After calcination] Определение полуколичественного содержания кристаллических фаз (минералов), входящих в состав исследуемого образца, проведено путем сравнительной оценки интенсивности дифракционных максимумов на порошковой рентгеновской дифрактограмме. Метод позволяет улавливать содержание минерала в исследуемом полиминеральном веществе от 100 до 3%. Результаты исследования и обсуждение В пределах Одра-Башского железорудного массива наиболее распространенными типами эмбриоземов являются инициальные, органо-аккуму-лятивные и дерновые. Морфологическое описание профилей эмбриоземов, сформированных на изученной территории Одра-Башского железорудного месторождения, указывает на то, что дифференциация «молодых» почв по морфологическим признакам происходит через образование системы специфических горизонтов, резко отличающихся от горизонтов зональной горной бурой таежной почвы. В соответствии с субстантивно-генетической классификацией почв техногенных ландшафтов, разработанной И.М. Гаджиевым и В.М. Курачевым [2], каждый почвенный тип определяется по наличию соответствующего типодиагностического горизонта. Инициальные эмбриозе-мы не имеют каких-либо морфологически выраженных генетических горизонтов и характеризуют первые стадии преобразования почвообразующего субстрата. Профиль данного типа почв, как правило, не дифференцирован в связи со сравнительно небольшим возрастом, что обусловливает их широкое распространение на молодых и средневозрастных отвалах. В эмбриоземах инициальных из-за отсутствия устойчиво функционирующих биогеоценозов интенсивность педогенного преобразования глинистого материала отвалов крайне слабая, в связи с чем для этих почв характерен неразвитый почвенный профиль с отсутствием биогенного горизонта. Подобная закономерность свойственна почвам Центральной Сибири [24] и Приморья [25]. Следующая стадия эволюции почв техногенных ландшафтов - органо-ак-кумулятивные эмбриоземы, имеющие ярко выраженный генетический горизонт биогенной аккумуляции, формирующийся в результате накопления органических остатков на поверхности почвы (в нашем конкретном случае это опад хвойных и лиственных пород естественного лесовозобновления). Дерновые эмбриоземы, в отличие от двух предыдущих типов, не имеют широкого распространения на территории Одра-Башского железорудного массива и формируются только на средневозрастных отвалах. Они сохранились на тех территориях, где по различным причинам затруднено развитие древесной растительности. Наибольшее распространение данный тип почв имеет на отвалах, расположенных в лесостепной зоне. В морфологическом отношении профили эмбриоземов различаются по набору и выраженности органогенных горизонтов, что отражает ведущую роль биологических процессов в формировании профиля почв. Биологические процессы специфичны и отличаются от таковых в фоновых бурых горно-таежных почвах. В климаксных почвах основные звенья трансформации органической части почв (синтез, аккумуляция, минерализация, гумификация) сбалансированы, в то время как в эмбриоземах процессы синтеза и аккумуляции органического вещества, как указано ранее [26-28], преобладают над минерализацией и гумификацией. В этой связи подстилка эмбриоземов сохраняется дольше, чем в горной бурой таежной почве, а мелкозем в дерновом горизонте слабо прокрашен гумусом. По этой же причине в эмбриоземах слабее выражены структурообразовательные процессы, т.е. образование почвенных агрегатов, а высокая каменистость профилей эмбриоземов по сравнению с фоновыми почвами (табл. 1) обусловливает промывной тип водного режима и их низкую водоудерживающую способность. Во всех типах эмбриоземов в составе крупнозема в верхних горизонтах, наиболее активных в почвообразовании, доминирует фракция > 10 мм. По содержанию этой фракции все исследованные эмбриоземы можно расположить в следующий ряд: эмбриозем инициальный > эмбриозем органо-аккумулятив-ный > эмбриозем дерновый. Полученная закономерность объясняется ослаблением в данном эволюционном ряду физического выветривания, физической дезинтеграции субстрата и усилением роли и интенсивности проявления биохимических процессов, что детально отражено в работе [9]. Т а б л и ц а 1 [Table 1] Соотношение крупнозема и мелкозема в исследованных почвах [Proportion of coarse and fine earth in the studied soils], % Горизонт, глубина, см [Horizon, depth, cm] Фракции, мм [Fractions, mm] Крупнозем [Coarse earth] Мелкозем [Fine earth] > 10 I 10-7 I 7-5 1 5-3 1 3-2 1 2-1 < 1 Разрез [Profile] 1 С, 0-18 30,3 22,8 10,1 14,5 4,6 18,7 15,4 С218-28 41,1 15,0 8,7 11,1 4,4 10,5 8,2 Разрез [Profile] 2 АЛ 1-3 26,0 11,0 17,1 19,5 3,8 5,1 8,7 АВ 3-9 39,5 8,3 8,3 14,0 12,4 4,0 12,0 В 20-30 46,0 12,1 8,4 10,2 3,1 9,0 11,1 ВС 50-60 25,2 15,5 14,1 20,9 6,3 13,4 5,0 Раз] эез [Profile] 3 A 1-3 7,4 14,1 14,3 19,1 2,9 15,7 26,6 AВ 10-20 44,9 12,4 10,9 11,3 3,1 8,3 9,3 В 25-35 38,0 14,2 9,9 12,3 3,7 10,1 11,0 ВС 40-50 42,6 12,3 7,8 11,7 3,7 10,5 11,4 Разрез [Profile] 4 АО 0-5 2,7 6,2 5,2 21,8 6,8 29,6 27,6 AY 5-15 9,2 7,1 9,7 22,0 8,1 22,4 21,6 ВМ 20-30 17,9 7,6 7,2 15,1 6,9 20,6 24,5 ВМС 70-80 23,3 11,8 12,6 17,6 5,0 14,6 14,8 Специфической особенностью инициального и органо-аккумулятивно-го эмбриоземов, существенно отличающей их от фоновых почв, является в 2-3 раза меньшее содержание мелкозема, что является косвенным показателем относительно низкого плодородия данных типов. На дерновой стадии развития эмбриоземов содержание мелкозема значительно возрастает в связи с постепенным развитием биоаккумулятивного процесса, следствием чего является формирование дернового горизонта. Гранулометрический состав мелкозема (табл. 2) свидетельствует о том, что преобладающими в эмбриоземах инициальном и органо-аккумулятивном являются песчаные фракции, в эмбриоземе дерновом и зональной бурой горной таежной почве - фракция тонкой пыли. Содержание песчаной фракции, как правило, увеличивается вниз по профилю эмбриоземов. По гранулометрическому составу мелкозема эмбриозем инициальный относится к легкосуглинистой, эмбриозем органо-аккумуля-тивный - к среднесуглинистой, а эмбриозем дерновый и бурая горная таежная почва - к тяжелосуглинистой разновидности. Т а б л и ц а 2 [Table 2] Гранулометрический состав почв [Soil texture] Горизонт, глубина, см [Horizon, depth, cm] Фракции, %; размер частиц, мм [Fractions, %; particle diameter, mm] 1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 20%) Второ степенные минералы [Minor minerals] (5-20%) Редкие минералы [Rare minerals] (< 5%) ВМ 20-30 Кварц [Quartz] Плагиоклаз, хлориты, каолинит [Plagioclase, chlorites, kaolinite] Слюда, калиевые полевые шпаты, гематит [Mica, potassium feldspars, ferric oxide] ВМС 70-80 Кварц [Quartz] Хлорит, гематит [Chlorite, ferric oxide] Слюда, калиевые полевые шпаты, гематит [Mica, potassium feldspars, ferric oxide] Исследованные типы эмбриоземов имеют сходство в качественном и количественном содержании минералов. В состав первичных минералов входят кварц, минералы группы граната, амфиболов, магнетит, доломит; в некоторых горизонтах отмечаются калиевые полевые шпаты и цеолит. Основными железосодержащими минералами являются пирит и гематит. В минеральном скелете эмбриоземов главным минералом является кварц. Второстепенными минералами являются типичные породообразующие минералы Алтае-Саянской горной страны: гроссуляр (группа граната), козулит (группа амфиболов). Редкие минералы техногенных почв - цеолит, гематит, а также слюды (преимущественно мусковит). Допуская малое содержание в исходной породе слюды, можно предполагать недавно начавшиеся процессы выветривания вскрышных и вмещающих пород, оказавшихся на дневной поверхности в результате техногенеза. Вполне вероятно, что пионерная растительность, развивающаяся на эмбриоземах, особенно инициальном, испытывает в настоящее время недостаток некоторых питательных элементов, особенно калия, одним из основных источников которого являются слюды. Появление в эмбриоземе дерновом монтмориллонита в числе главных минералов является очень важным фактором увеличения емкости катион-ного обмена данных почв и усиления способности к структурообразованию. Поскольку монтмориллонит выделен как главный минерал (содержание более 20%), можно предполагать, что повышенное содержание монтмориллонита на данной стадии развития эмбриоземов может вызвать нежелательные последствия. Это связано с тем, что почвы с преобладанием смектитовых минералов в составе тонкодисперсных фракций, особенно при низком количестве агрегирующих компонентов и малом содержании Сорг, в условиях избыточного увлажнения могут значительно набухать, ухудшая водно-физические свойства, что следует учитывать при разработке и реализации плана рекультивации техногенно нарушенных почв. Заключение Различия в петрографическом составе, качественном и количественном содержании минералов в фоновой почве и эмбриоземах обусловлены рядом факторов. Ведущую роль среди них играют особенности состава материнских пород, разновозрастность, обусловливающая разную степень развития профилей эмбриоземов, хаотичное распределение минералов в эмбриозе-мах, вызванное техногенным воздействием. Минералогический состав фоновых бурых горно-таежных почв указывает на то, что основные минералы, присутствующие в них, унаследованы от подстилающей породы. Важным диагностическим показателем петрографического состава, характеризующим свойства фоновых почв, является наличие железосодержащих минералов - гематита и пирита. По вещественному составу эмбриоземы, формирующиеся на отвалах железорудных месторождений, обладают иными, нежели фоновые почвы, свойствами и характеристиками. Они, как правило, имеют более высокую каменистость, что определяет неблагоприятный водный режим и низкий актуальный потенциал плодородия, связанный с незначительным содержанием в них элементов минерального питания. Поскольку бурые горно-таежные почвы и эмбриоземы сформированы на разных породах, то и минеральный состав их существенно отличается. В минеральном составе эмбриоземов присутствуют минералы группы гранатов, амфиболов, цеолитов, в то время как в бурой горно-таежной почве главными минералами являются кварц и плагиоклазы. Полученные результаты вещественного состава, наряду с другими параметрами, дают возможность проведения географо-генетического анализа связей особенностей развития того или иного типа эмбриоземов с определяющими факторами и условиями почвообразования, а также оценки почвенно-экологического состояния техногенных ландшафтов.

Скачать электронную версию публикации