Organic matter formation processes research in lands damaged after mining operation.pdf Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 1 (17). С. 18-31ВведениеСовременное экологическое состояние регионов горнодобывающей промышленности вызывает не только экономическую, но и социальную тревогу. Проблема рекультивации почв, нарушенных в результате техногенной деятельности человека, является очень важным звеном в системе мероприятий по охране окружающей среды, оптимизации экологической обстановки как в целом по России, так и в отдельных ее регионах. По данным О.И. Глебовой [1], в результате горнодобывающих работ в равнинной части Кузнецкой котловины почвенный покров полностью нарушен на площади около 100 тыс. га, из которых 80 тыс. га - работой угольных предприятий. По доле нарушенных земель в общей территории региона Кузбасс в 10 раз опережает средний показатель по России. Такие воздействия привели к необходимости обратить особое внимание на охрану природы и разработку специальных мероприятий по восстановлению нарушенных ландшафтов, таких как рекультивация. За время эксплуатации Кузнецкого угольного бассейна рекультивировано менее 20% нарушенных земель. Для оценки эффективности мероприятий по рекультивации почв существует множество показателей, среди которых ведущая роль принадлежит гумусу. Органическое вещество, прежде всего гумусовые кислоты, как известно, выполняет ряд функций, которые направлены на регуляцию устойчивого функционирования почв и экосистем в биосфере. Однако при проведении биологической рекультивации почв техногенных ландшафтов необходимы знания особенностей трансформации органического вещества почв, формирующихся в конкретных почвенно-литологических условиях. Цель исследования - изучение процессов накопления и превращения органического вещества в техногенно нарушенных при угледобыче почвах в пределах Кузнецкой котловины.Материалы и методики исследованияОбъектами исследования послужили естественные и техногенные почвы Кузнецкой котловины: зональная фоновая почва (чернозем обыкновенный среднемощный среднегумусный среднесуглинистый) и техногенные почвы угольных разрезов различного возраста: «Виноградовского» - эмбриозем инициальный (возраст 1 год), эмбриозем дерновый (15 лет); «Сартаки» - эмбриозем инициальный (3 года), эмбриозем дерновый (9 лет). В морфологическом отношении эти типы эмбриоземов имеют сходства и отличия. Сходны они в том, что имеют очень малую мощность почвенного профиля, не превышающую (до горизонта почвообразующей породы) 30-40 см, и слабую степень морфологической дифференциации минеральной части почвенного профиля на генетические горизонты. Различаются перечисленные типы эмбриоземов главным образом по степени выраженности биоаккумулятивных процессов, морфологии и генезису биогенных горизонтов, в частности органогенных. В инициальных эмбриоземах какие-либо органогенные горизонты отсутствуют; в органо-аккумулятивных - обязательно присутствует горизонт подстилки древесного или травянистого происхождения; в дерновых - подстилка может отсутствовать, но обязательно наличие дернины; в гумусово-аккумулятивных - всегда есть гумусово-аккумулятивный горизонт [2-4]. Характерной особенностью всех типов эмбриоземов можно считать формирование своеобразной зоны окисления в верхней части породы. Морфологически эта зона отличается от нижележащей более бурым цветом мелкозема.Аналитические исследования фоновой почвы и эмбриоземов выполнены с использованием общепринятых в почвоведении методов. Определение содержания общего органического углерода (Собщ) и углерода лабильного органического вещества (СЛОВ) проведено методом Тюрина по ЦИНАО (ГОСТ 26213-91) [5] с фотометрическим окончанием на колориметре фотоэлектрическом концентрационном КФК-2 производства Загорского производственного объединения «ЗОМЗ» (Россия). При оценке процесса накопления и превращения органического вещества на техногенных почвах извлечение лабильного органического вещества (ЛОВ) проведено 0,1 н NaOH [6]. Дляопределения углерода гуминовых кислот (СГК) в составе ЛОВ использован ускоренный пирофосфатный метод - извлечение ЛОВ проведено смесью пирофосфата натрия и гидрооксида натрия [7]. Определение оптических свойств гуминовых кислот проведено согласно рекомендациям Д.С. Орлова [7]. Ферментативная активность определена по Ф.Х. Хазиеву [8].Результаты исследования и обсуждениеРегулятором всех главнейших свойств почвы, ее устойчивости, обусловливающим водно-воздушный и питательный режимы растений, выступает гумус. Гумусовые компоненты стабилизируют многие почвенные процессы, поэтому изучение природы и свойств органического вещества в почвах исключительно важно для оценки их устойчивости к техногенному давлению. Учитывая современные подходы к изучению и оценке органического вещества почвы с точки зрения его мобильности, считается целесообразным разделение его на две большие группы: группу консервативных, устойчивых соединений и группу лабильных веществ [9]. Группа консервативных соединений объединяет те компоненты органического вещества почвы, которые характеризуют типовые показатели почв, формирующиеся в течение длительного времени и сохраняющиеся в вековых циклах. Это прежде всего зрелые гумусовые кислоты почвы, гуматы кальция, другие органоминеральные производные, гумин, частично лигнин и его производные. Они существуют в почве сотни и тысячи лет, слабо вовлекаются в минерализацию и обусловливают устойчивые свойства почвы, присущие ей типовые признаки. С содержанием, составом и свойствами этих веществ связаны окраска почв, тепловой режим, водно-физические характеристики, емкость поглощения, кислотно-основные свойства, буферность почв, потенциальные запасы элементов питания. Консервативные вещества довольно устойчивы к минерализации, поэтому их роль как непосредственного источника питательных элементов для культурных растений очень незначительна; они определяют потенциальное плодородие почв. Лабильные органические вещества наименее устойчивы в биохимическом отношении, они относительно легко поддаются минерализации, участвуют в формировании водопрочной структуры, выполняют защитную функцию в отношении консервативного органического вещества, служат непосредственным и наиболее доступным источником питания растений и микроорганизмов и характеризуют эффективное плодородие почв. Ценность ЛОВ проявляется более отчетливо и заключается в том, что его содержание в почве легко регулировать путем внесения различных органических удобрений, тем самым управляя гумусовым состоянием почвы в целом [10].Процесс накопления и превращения органического вещества на рассматриваемых фоновых и техногенно нарушенных при угледобыче почвах оценивался содержанием углерода общего (Собщ) и углерода лабильного органического вещества (СЛОВ), извлекаемого 0,1н NaOH. Зональные черноземы, представленные подтипом черноземов обыкновенных, наиболее распространенных в районе исследования и являющихся эталоном для техногенных почв, характеризуются достаточно высоким содержанием органического углерода в биогенно-аккумулятивном горизонте (табл. 1). Т а б л и ц а 1Содержание и запасы углерода в черноземе обыкновенном Кузнецкой котловиныГенетический горизонтГлубина, смГумус, %Собщ, %Сщ/р, %Сщ/р, % от СобщЗапасы углерода в слое 0- 20 см, т/гаА0-1011,486,661,1617,4206,7А13-2310,796,261,1617,5АВ27-373,672,130,7635,7В1к50-601,390,81--В2к85-951,050,31--влиянии на их формирование некогда преобладающих здесь лесных биогеоценозов, сменявшихся в последующем луговыми степями [15]. Именно по этим причинам черноземы Кемеровской области характеризуются повышенным гумусонакоплением, несколько большей мощностью прокрашенных гумусом горизонтов, а также хорошей оструктуренностью. Формирование их шло на незасоленных лессовидных карбонатных суглинках или на флювиогляциально-озерного происхождения слоистых, но не соленосных отложениях. В целом черноземы лесостепной зоны Кузнецкой котловины отличаются не только высоким общим содержанием гумуса, но и углерода лабильного органического вещества (табл. 1), что позволяет отнести их к потенциально плодородным почвам.Почвообразовательный процесс, протекающий на отвалах вскрышных пород, характеризуется значительной пространственной изменчивостью по различным показателям химического состояния почв, прежде всего по углероду (табл. 2), что объясняется пестротой состава вскрышных пород, сложностью макро- и микрорельефа и характером восстановления растительного покрова. Т а б л и ц а 2 Содержание и запасы углерода в эмбриоземахсуглинками. Как указывается в работе [17], все это создает предпосылки для проявления асинхронности биологических и почвообразовательных процессов, что, в конечном счете, предопределяет высокую изменчивость аккумуляции углерода в различных типах эмбриоземов. Как известно, на начальных этапах почвообразования фитоценоз и микробоценоз развиты недостаточно, поэтому процессы гумификации в таких почвах развиты слабо. В связи с этим инициальные техноземы характеризуются отсутствием типодиагностического горизонта и их морфологический профиль представлен только горизонтом С, т.е. почвообразующей породой [4]. Данные эмбриоземы в связи с малой развитостью профиля характеризуются самой максимальной степенью каменистости (92,4-94,6%).В эмбриоземе инициальном угольного разреза «Виноградовский» не отмечено закономерного снижения по профилю содержания общего углерода. Самая высокая величина Собщ и самое низкое относительное содержание СЛОВ от Собщ обнаружены на глубине 20-30 см. Это объясняется тем, что данный эмбриозем в основном представлен хаотичным набором минеральной и углистой составляющих с незначительным содержанием почвенного мелкозема (5,4-7,6%). Особенностью дерновой стадии почвообразования техногенных экосистем является резкое преобладание в минеральном профиле процессов аккумуляции остатков растительной биомассы над процессами их разложения и гумификации, что приводит к дифференциации профиля и появлению типодиагностического дернового горизонта [4], в котором накапливаются значительные количества органического вещества. С увеличением возраста эмбриоземов мощность органогенного горизонта увеличивается, при этом происходит и возрастание содержания общего углерода (см. табл. 2). Так, в дерновом эмбриоземе (возраст 15 лет) этого же угольного разреза, по сравнению с инициальными, отмечено значительное возрастание общего углерода, а также закономерное снижение его величины по профилю, характерное для сформированной почвы. Можно полагать, что к этому возрасту в верхних горизонтах произошло накопление Собщ за счет деструкции органического растительного материала. Наблюдается увеличение относительного содержания СЛОВ от Собщ, приближающегося к таковому зональных почв. Аналогичная закономерность в содержании и распределении общего органического углерода и углерода лабильного органического вещества наблюдается и для эмбриоземов различного возраста угольного разреза «Сартаки (см. табл. 2). Анализ данных свидетельствует о том, что в благоприятных биоклиматических и почвенно-экологических условиях Кузнецкой лесостепи процессы аккумуляции гумуса протекают достаточно интенсивно. И, тем не менее, более чем за 15 лет формирования и развития эмбриоземов запасы органического вещества не достигли уровня зональной почвы.Для понимания закономерностей изменения состава органического вещества в нарушенных при угледобыче почвах совершенно не достаточно сведений о процессах накопления общего углерода и углерода лабильногоорганического вещества. Необходимы исследования по определению качественного состава органического вещества, содержания в составе лабильных гумусовых веществ гуминовых кислот, их оптических характеристик, позволяющих установить степень сформированности гуминовых кислот. Для оценки результатов эксперимента по восстановлению почв нарушенных экосистем определено содержание различных групп органических веществ не только зональной (фоновой) почвы - чернозема обыкновенного, но и различных типов эмбриоземов. В частности, было выявлено, что преобладающими группами в составе органического вещества черноземов обыкновенных являются легкоокисляемая (49%) и среднеокисляемая (33%) группы. Можно считать, что именно эти показатели характеризуют сформировавшуюся систему гумусовых веществ зональной почвы. Содержание отдельных групп в составе органического вещества нарушенных при угледобыче почв в значительной степени зависит от возраста эмбриоземов. Выявлено, что во всех исследованных образцах инициальных эмбриоземов по содержанию углерода в легко- и трудноокисляемой группах органического вещества получены результаты, близкие к таковым зональных почв. И только на более поздних этапах развития техногенных почв (возраст 9, 15 лет) в дерновых эмбриоземах, по сравнению с фоновыми почвами, в 1,3 раза снижается содержание углерода в легкоокисляемой группе и в 1,8 раза возрастает в трудноокисляемой. Сопоставление состава органического вещества зональной почвы и нарушенных в результате угледобычи почв свидетельствует о том, что среднеокисляемая группа органических веществ является наиболее стабильной, обеспечивающей устойчивое равновесное состояние почвы, а процессы трансформации органического вещества затрагивают легко- и трудноокисляемую группы. Это можно объяснить тем, что если в начальный период формирования техноземов продукты распада органического материала вовлекаются в процессы гумификации и образование лабильных гумусоподобных соединений, то в последующем усиливается гумификация органических соединений, входящих в группу трудноокисляемых. Подобные закономерности отмечены и в работе [18]. Для исследуемых образцов техноземов угольных разрезов определено содержание углерода гуминовых кислот в составе ЛОВ. Для их определения использовали пирофосфатную вытяжку (0,1 М Na4P2O7 × 10H2O + 0,1 н NaOH, при рН = 13), которая, в отличие от щелочной (0,1н NaOH), позволяет более полно извлекать ЛОВ и при определении в этой вытяжке гуминовых кислот не требуется предварительного их декальцинирования. Результаты эксперимента (табл. 3) свидетельствуют о том, что с увеличением возраста эмбриоземов происходит значительное увеличение содержания не только СЛОВ, но и углерода гуминовых кислот (Сгк) в составе лабильного органического вещества, что характерно для эмбриоземов обоих рассматриваемых угольных разрезов.Т а б л и ц а 3Влияние возраста эмбриоземов на процесс накопления органического вещества и оптические свойства гуминовых кислотСЛОВ, %Сгк в ЛОВ, %Собщ, %Сгк от Собщ, %А=Е465/Е650Зональная почва2,7501,5676,6623,52,34Угольный разрез «Виноградовский»Эмбриозем инициальный (возраст 1 год)0,1600,0611,703,63,57Эмбриозем дерновый (возраст 15 лет)2,1221,2775,5023,22,86Угольный разрез «Сартаки»Эмбриозем инициальный (возраст 3 года)0,1470,0731,186,274,06фотометрическая кривая гуминовой кислоты, тем ниже коэффициент ее цветности. 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4 315 364 400 440 490 540 590 670 750 Рис. 1. Спектрометрические кривые гуминовых кислот эмбриоземов угольного разреза «Сартаки»: ▬▲▬ - фоновая почва; ▬■▬ - эмбриозем инициальный (возраст 3 года); ▬X▬ - эмбриозем дерновый (возраст 9 лет) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 315 364 400 440 490 540 590 670 750 Рис. 2. Спектрометрические кривые гуминовых кислот эмбриоземов угольного разреза «Виноградовский»: ▬▲▬ - фоновая почва; ▬■▬ - эмбриозем инициальный (возраст 1 год); ▬X▬ - эмбриозем дерновый (возраст 15 лет)Таким образом, по мере увеличения возраста эмбриоземов степень сформированности гуминовых кислот возрастает, о чем свидетельствуют более высокая их оптическая плотность в измеряемом интервале длин волн и более низкий коэффициент цветности в дерновых эмбриоземах (см. рис. 1, 2; табл. 3).Почвообразовательный процесс протекает при участии ферментов, увеличивающих скорость биохимических реакций. Активность ферментовможно широко использовать для биодиагностики и индикации почв: с ее помощью можно выявить особенности биохимических процессов почвообразования, оценить биологическую активность и плодородие почв. Исследованиями [19-20] установлено, что в процессе почвообразования в каждом типе почв создаются определенный уровень и соотношение активности ферментов, что определяет интенсивность и направленность почвенных биохимических процессов. Известно, что в техногенных ландшафтах накопление и трансформация органического вещества являются наиболее значимыми проявлениями инициального почвообразования, и эти процессы также протекают при участии ферментов, среди которых важное место принадлежит окислительно-восстановительным. В табл. 4 представлена активность оксидоредуктаз техногенных почв различного возраста рассматриваемых угольных разрезов. Т а б л и ц а 4Активность оксидоредуктаз в рассматриваемых эмбриоземахГлубина взятия образцов, смКаталаза, мл О2Дегидрогеназа, мг ТТФ/10 г за суткиПолифенолоксидаза, мг 1,4 - п - бензохинон / 10 г за 30 минПероксидаза, мг 1,4 - п - бензохинона / 10 г за 30 минУгольный разрез «Виноградовский»Эмбриозём инициальный (возраст 1 год)0-103,150,000,455,5110-201,850,160,337,9920-301,250,120,005,28Эмбриозем дерновый (возраст 15 лет)0-103,2012,600,482,8010-203,2515,270,351,9620-302,6011,580,255,00Угольный разрез «Сартаки»Эмбриозем инициальный (возраст 3 года)0-102,200,350,376,60Эмбриозем дерновый (возраст 9 лет)довольно отчетливо прослеживается общая тенденция - снижение каталазной активности в нижележащих горизонтах.В соответствии со шкалой Д.Г. Звягинцева [21] оценки степени обогащенности почв некоторыми ферментами дегидрогеназная активность инициальных эмбриоземов находится на очень низком уровне. Это обусловлено тем, что основным источником ферментов, поступающих в почву, являются растительные остатки, а также ферменты эпифитной микрофлоры. Специфической особенностью инициального почвообразования является характерное для данной фазы присутствие незначительного по массе органического субстрата дегидрирования, преимущественно углеводов и органических кислот, что обусловливает заторможенность биохимических процессов, связанных с дегидрированием органического вещества. В последующие годы в процессе накопления растительных остатков и их трансформации произошло формирование пула ферментов и субстратов для них, что привело к значительному росту дегидрогеназной активности, что наблюдается в дерновых эмбриоземах. Высокий уровень дегидрогеназной активности сохраняется в дерновых эмбриоземах 9- и 15-летнего возраста. Фермент полифенолоксидаза в настоящее время является объектом особого внимания исследователей в связи с тем, что его роль в процессах гумификации органического вещества в почве несомненна [21]. Максимальная величина активности полифенолоксидазы отмечается в верхнем 10-сантиметровом слое всех рассматриваемых эмбриоземов с резким снижением в нижележащих горизонтах. В рассматриваемых эмбриоземах угольного разреза «Сартаки» полифенолоксидазная активность оказалась ниже, чем в случае эмбриоземов Виноградовского угольного разреза. В динамике пероксидазной активности в зависимости от возраста эмбриоземов наблюдаются следующие закономерности: наиболее высокая ее активность характерна для техногенных почв, находящихся на инициальной стадии формирования; по мере увеличения возраста эмбриоземов пероксидазная активность снижается.Таким образом, в результате проведенных исследований выявлены определенные закономерности изменения ферментативной активности разновозрастных эмбриоземов. Отчетливо прослеживаются увеличение ферментативной активности в направлении от инициальных эмбриоземов к дерновым и накопление значительного содержания органического углерода и углерода лабильного органического вещества, которое относительно легко поддается минерализации. Однако характер трансформации органических веществ и выраженность гумусово-аккумулятивных процессов даже на поздних стадиях развития техноземов отличаются от таковых зональных почв, хотя к этому возрасту исследуемые эмбриоземы по содержанию некоторых ферментови лабильного углерода приближаются к фоновым почвам.Выводы На ранних этапах развития эмбриоземов содержание общего углерода и углерода лабильного органического вещества определяется главным образом литогенными свойствами пород, слагающих угольные отвалы техногенных ландшафтов.Установлено, что в условиях лесостепной зоны Кузнецкой котловины по мере увеличения возраста эмбриоземов возрастает содержание общего углерода, углерода лабильного органического вещества, а также углерода гуминовых кислот.Исследование оптических свойств гуминовых кислот показало, что в ходе эволюции эмбриоземов в направлении от инициальных эмбриоземов к дерновым, благодаря накоплению и преобразованию растительного материала, возрастает степень их сформированности, усиливается их биохимическая активность, т.е. нарушенная в процессе угледобычи почва стремится к самовосстановлению. Результаты динамики накопления и превращения органического вещества в изученных эмбриоземах могут быть использованы как показатели эффективности рекультивации техногенно нарушенных почв.

Скачать электронную версию публикации