Humus state and energy stocks of soilsof technogenic landscapes of the south of Primorye.pdf ВведениеПроцесс освоения минерального сырья на юге Дальнего Востока способ-ствует возникновению техногенных, в частности карьерно-отвальных ланд-шафтов, занимающих обширные площади. Эта проблема остро касается иПриморского края, где общий объем вскрышных пород только от ежегоднойугледобычи составляет около 80 тыс. т. В настоящее время в крае зареги-стрировано 63 отвала вскрышных и вмещающих пород, 17 хвостохранилищ,7 крупных золоотвалов общей площадью более 7 тыс. га [1]. Поэтому про-блема рекультивации промышленных отвалов, т.е. устранение их вредонос-ного воздействия и возвращение землям, занятым отвалами, утраченной био-логической продуктивности приобретает важное народно-хозяйственное исоциальное значение. При технико-экономическом обосновании проведениярекультивационных работ необходимо учитывать специфику почвообразо-вательных процессов на отвальных породах, что можно использовать дляускорения формирования почвенного покрова. В связи с этим исследованиезакономерностей формирования почв в условиях техногенных ландшафтовприобретает большую значимость и актуальность. Как известно, основнымипроцессами почвообразования в молодых почвах техногенных ландшафтовявляются процессы накопления и трансформации органического веществав гумусовые соединения. В зависимости от временного интервала станов-ления регенерационных экосистем по-разному проявляется процесс гуму-сообразования, отражаясь в облике формирующегося почвенного профиля,показателях гумусного состояния и энергетических параметрах почв. Приэтом энергетические условия почвообразования и оптико-энергетическиепараметры органоминеральной основы почв служат важными интегральны-ми характеристиками, позволяющими наиболее полно познать спецификувнешних экологических условий формирования почв и внутренних почвен-но-экологических свойств [2].Целью работы является выявление общих закономерностей в изменениигумусово-энергетических параметров почв техногенных ландшафтов в за-висимости от временной стадии их развития.Материалы и методики исследованияПочвы техногенных ландшафтов предлагается, согласно классификациипочв 2004 г. [3], отнести в группу натурфабрикаты, подгруппу - литостраты(по мере эволюции органического вещества, придерживаясь ранее разрабо-танной И.М. Гаджиевым и В.М. Курачевым классификации [4]) и разделитьна литостраты инициальные, органо-аккумулятивные, дерновые и гумусо-во-аккумулятивные [5].Исследования проводились на территории Павловского буроугольно-го месторождения, расположенного в Михайловском районе Приморскогокрая. Согласно схеме гидротермического районирования Приморского края,Павловское месторождение входит в Приханкайскую гидротермическуюпровинцию, где сумма активных температур достигает 2 500°С, осадков вы-падает до 600 мм в год [6]. Затраты энергии на почвообразовательные про-цессы составляют 30,6 ккал/см2 в год [7]. Характер рельефа низменный. ИзрастительностиОпределение гумуса, его фракционно-групповой состав, запасы энергиив почвенном гумусе исследовали общепринятыми методами [9, 10]. По-казатели гумусного состояния почв характеризовали согласно оценочнымшкалам, предложенным Д.С. Орловым с соавт. [11]. Отражательную спо-собность почв определяли на спектрофотометре СФ-18 (Россия). Для рас-шифровки спектров рассчитан показатель интегрального отражения [12].Результаты исследования и обсуждениеСамозарастание изученных породных отвалов происходит постепенно.Так, на отвальных породах территории Павловского месторождения можновыделить четыре стадии становления растительности.Первая - пионерная, длительностью до 3 лет, характеризуется заселени-ем отвалов преимущественно представителями семейств хвощевых и астро-вых. Проективное покрытие на годичном отвале составляет 5%. Общие за-пасы растительного органического вещества очень низкие и не превышают10 г/м2. Мортмасса на этих участках не накапливается. На трехлетнем от-вале проективное покрытие увеличивается до 80-90%. Общий запас расти-тельного органического вещества возрастает до 330 г/м2 (табл. 1). На отвалеместами отмечается накопление мертвого органического вещества в видефрагментарной подстилки.Вторая - стадия простой растительной группировки продолжительностью до12 лет, когда развиваются хвощево-злаково-полынные и хвощево-бобово-полын-ные группировки. На восьми- и двенадцатилетних отвалах представители пио-нерной растительности начинают выпадать из состава травостоя. В фитоценозерезко сокращается доля представителей хвощевых и увеличивается количествопредставителей бобовых и астровых. Проективное покрытие растительности ко-леблется от 70 до 90%. По сравнению с трехлетним отвалом увеличились общиезапасы растительного органического вещества до 500-590 г/м2. На этом этапепроисходит интенсивное накопление мертвого растительного органическоговещества в виде подстилки в среднем от 270 до 300 г/м2.Третья стадия - сложная растительная группировка продолжительно-стью примерно до 15 лет. В данном случае доминантами становятся зла-ково-бобовые травы, в меньшем количестве развитие получают полынныегруппировки. Проективное покрытие на тринадцатилетнем отвале составля-ет 90-100%. Общий запас растительного органического вещества, по срав-нению с ранее рассмотренными отвалами, увеличился до 583 г/м2, и значи-тельно снизилось количество мортмассы до 124 г/м2.Четвертая стадия - развитие экосистемы с замкнутой растительной груп-пировкой - отмечена на отвалах, возраст которых более 15 лет. В видовомсоставе растительности возрастает количество бобовых и разнотравья, врезультате чего на этой стадии формируется разнотравно-злаково-бобовыйфитоценоз. Проективное покрытие растительности составляет 90-100%.Общий запас растительного органического вещества сократился до 275 г/м2,и резко уменьшилось количество мортмассы (до 30 г/м2), что в первую оче-редь связано с явным усилением процессов трансформации органическоговещества и переходом фитоценозов в более устойчивое состояние.Т а б л и ц а 1Запасы растительного органического вещества на отвальных породахПавловского угольного месторождения, г/м2Возраст отвала Запасы фитомассы Мортмасса Общий запас растительногоорганического веществаг/м21 год 8 Не накапливается 83 года 266 64 3308 лет 312 277 58912 лет 207 305 51213 лет 459 124 58318 лет 245 30 275В зависимости от временной стадии развития растительности на отваль-ных породах, накопления мертвого растительного органического веществаи усиления процессов его трансформации изменяется и поступательныйпроцесс гумусонакопления. Все это приводит к формированию морфологи-ческого профиля и дифференциации его по основным физико-химическимпоказателям. Сравнительный анализ морфолого-генетического строенияболее 20 почвенных профилей с различным временным периодом их фор-мирования позволяет выделить (с определенной долей условности) 4 типапочв: литостраты инициальные, период формирования до 3 лет; литостра-ты органо-аккумулятивные, формирующиеся в период до 12 лет; литостра-ты дерновые, формирующиеся на отвалах, возраст которых не превышает15 лет; литостраты гумусово-аккумулятивные, развивающиеся на отвалах свозрастом более 15 лет. Таким образом, каждой из выделенных стадий раз-вития растительности соответствует определенный тип почв. Как отмечаетВ.А. Андроханов, одновременность, взаимозависимость и взаимообуслов-ленность развития почвы и почвенных биоценозов определяют спецификупочв техногенных ландшафтов: сингенетичность почвенно-генетических ибиологических процессов [13].В литостратах инициальных из-за отсутствия устойчиво функциониру-ющих биоценозов интенсивность педогенного преобразования глинистогоматериала отвалов крайне ослаблена. Поэтому для данного типа почв свой-ствен неразвитый профиль с отсутствием четко выраженного биогенного го-ризонта. В связи с этим они отличаются очень малым содержанием гумуса(до 0,5%) и его запасов (до 6 т/га). Характерный морфологический профильлитострата на 3-летнем отвале имеет следующий вид: СI (0-12 см) - СII(12-35 см), СIII (35-50 см). Литостраты инициальные характеризуются сла-бой степенью гумификации органического вещества и высоким содержани-ем водорастворимых органических соединений. Поверхностные горизонтыимеют высокую степень обогащенности гумуса азотом. Гумус имеет оченьфульватный состав (CГК/СФК < 0,5) в поверхностном горизонте и фульват-ный - в нижележащем (0,63). На долю гуминовых кислот, «свободных»и связанных с полуторными окислами, приходится 43%, что оцениваетсякак среднее содержание. Количество гуминовых кислот, связанных с Са2+,характеризуется как очень низкое, «агрессивной» фракции (1а), фульво-кислот - среднее (табл. 2). Оптическая плотность гуминовых кислот в по-верхностных горизонтах литостратов инициальных характеризовалась каккрайне низкая (< 0,02). В однолетнем литострате зафиксированы высокиепоказатели интегрального отражения (R): от 65% в поверхностном горизон-те до 70% - в нижележащем.Т а б л и ц а 2Показатели гумусного состояния литостратовГори-зонтГу-мус,%Доля «сво-бодных»гуминовыхкислотДоля гу-миновыхкислот,связан-ных сСа2+ДоляФК-1а,% отСобщСГК/СФКСтепеньгумифика-цииСгк/Собщ∙100, %Сводн,% отСобщС:NОпти-ческаяплот-ностьГК% от суммы ГКЛитострат инициальный 3 годаCI 0,21 42,8 14,3 6,4 0,49 11,9 1,8 2,0 0,018CII 0,53 32,5 20,3 5,1 0,63 17,2 1,6 - -Литострат органо-аккумулятивный 8 летCI 0,63 20,3 35,2 9,8 0,68 22,7 1,3 4,1 0,023CII 0,32 41,7 13,7 12,9 0,40 18,2 1,5 - -Литострат органо-аккумулятивный 12 летCI 0,74 47,0 15,4 7,9 0,69 26,2 1,3 3,9 0,024CII 0,32 44,5 17,6 3,8 0,57 18,2 1,4 - -Литострат дерновый 13 летAY 1,11 22,8 36,9 7,1 0,83 23,8 1,1 4,3 0,031CI 0,37 34,4 19,9 13,0 0,51 19,2 1,5 - -Литострат гумусово-аккумулятивный 18 летAU 8,00 27,8 31,7 5,0 1,1 33,1 0,2 19 0,21C 1,13 30,1 25,3 4,0 0,62 20,9 1,2 - -Примечание. ГК - гуминовые кислоты; ФК-1а - «агрессивная» фракция фульвокислот;Сводн - водорастворимые органические соединения; С:N - обогащенность гумуса азотом.В литострате на трехлетнем отвале максимальное значение интегрально-го отражения (53%) соответствует поверхностному горизонту С1, ниже на-блюдается снижение интегрального отражения до 43%, что, по-видимому,связано с неравномерным распределением гумусовых веществ по профилюпочвы и с некоторой неоднородностью породного состава отвала. С содер-жанием гумуса в почве тесноэтапе, в связи с тем что гумус практически отсутствует, накопление энергиив почве происходит в малых количествах, не превышающих 13 МДж/м2.Органо-аккумулятивные литостраты, как и инициальные, относятся кпочвам ранних стадий развития. Для них характерны слабое развитие био-генных процессов и невысокая интенсивность педогенных преобразований.Отличительной чертой морфологического строения профиля органо-акку-мулятивных литостратов является наличие горизонта подстилки мощно-стью от 1 до 3 см: АО (0-1 см) - СI (1-4 см) - СII (4-17 см) - СIII (17-50 см).Литостратам органо-аккумулятивным свойственно некоторое увеличениесодержания гумуса в поверхностных горизонтах до 0,6-0,75%. Вниз по про-филю содержание гумуса сокращается до 0,2-0,3%. Запасы гумуса в слое0-20 см составляют 10-13 т/га, количество энергии, аккумулированной вгумусе, увеличивается до 22,7-27,5 МДж/м2. Степень гумификации органи-ческого вещества возрастает до средних значений. Обогащенность гумусаазотом и содержание водорастворимых органических соединений остаютсяна уровне очень высоких и высоких значений. Гумус органо-аккумулятив-ных литостратов имеет фульватный состав. Содержание 1-й фракции гуми-новых кислот в поверхностных горизонтах литостратов на 12-летнем отвалехарактеризуется как среднее, на 8-летнем - низкое. Количество гуминовыхкислот, связанных с Са2+, очень низкое и низкое, содержание «агрессивной»фракции (1а) фульвокислот - среднее. Показатель интегрального отраженияв поверхностных горизонтах литостратов органо-аккумулятивных умень-шается от 43 до 39%.Формирование дерновых литостратов связано с развитием разнотравно-злаковой растительности, в составе которой сокращается доля длиннокорне-вищных растений и возрастает количество рыхлокустовых злаков. Строениепрофиля дерновых литостратов имеет следующий вид: АO (0-0,5 см) - АY(0,5-3 см) - СI (3-6 см) - СII (6-19 см) - СIII (19-30 см) - СIV (30-50 см).Содержание гумуса в дерновом горизонте возрастает до 1,1%, по сравне-нию с почвами более ранних стадий развития. Запасы гумуса и количе-ство энергии в слое 0-20 см несколькоинтегрального отражения в поверхностных горизонтах профиля снизи-лись до 30%.Для литостратов гумусово-аккумулятивных свойственно более интен-сивное развитие гумусообразовательного процесса, который проявляетсяв формировании гумусового горизонта мощностью 5-6 см. Характерноестроение профиля гумусово-аккумулятивного литострата имеет вид АO(0-0,5 см) - АU (0,5-6 см) - СI (6-17 см) - СII (17-28 см) - СIII (28-50 см).Для них свойственно резкое увеличение содержания гумуса до 8,0%, егозапасов (до 66 т/га) и, следовательно, энергозапасов в слое 0-20 см в сред-нем до 136 МДж/м2. Вниз по профилю происходит резкое снижение гумусадо 1,1-0,2%. Степень гумификации органического вещества в поверхност-ных горизонтах соответствует уровню высоких значений, содержание во-дорастворимых органических соединений среднее (0,2% от Собщ). Обога-щенность гумуса азотом снижается до уровня очень низких значений, чтосвязано с медленными темпами накопления азота в почвах. Поверхностныегоризонты отличаются фульватно-гуматным составом гумуса, в нижеле-жащих гумус имеет фульватный состав. Содержание фракций гуминовыхкислот, «свободных» и связанных с полуторными окислами, связанныхс Са2+, а также «агрессивной» фракции (1а) фульвокислот - низкое (см.табл. 2). Что касается доли гуминовых кислот, прочно связанных с мине-ральной основой, то она оценивается как высокая во всех рассмотренныхлитостратах и составляет более 30%. Оптическая плотность гуминовыхкислот в поверхностных горизонтах литостратов гумусово-аккумулятив-ных характеризовалась как высокая. На явное усиление гумусообразова-тельных процессов указывало и снижение параметров интегрального от-ражения до 23%.Стоит отметить, что между содержанием органического углерода в лито-стратах и интегральным отражением установлена обратная корреляционнаязависимость (коэффициент корреляции 0,80). Кроме того, были установленыкорреляционные связи показателей основных компонентов, фракций гуму-са с энергетическими запасами и интегральным отражением. Зависимостьмежду интегральным отражением и суммой гуминовых кислот, а такжеэнергозапасами почв является обратной (табл. 3). Слабая корреляционнаязависимость установлена между суммой фульвокислот (ΣФК), содержани-ем агрессивной фракции фульвокислот (1а ФК), первой фракции гуминовыхкислот (ГК1) и интегральным отражением почв (R).Корреляционная связь энергозапасов почв с суммой фульвокислот, агрес-сивной фракцией фульвокислот и с содержанием 1-й фракции гуминовыхкислот носит обратный характер. Связь остальных показателей фракций гу-муса с энергозапасами почв выражена очень слабо либо не выражена совсем(табл. 3).Если предположить нелинейную экспоненциальную аппроксимацию[14], то для литостратов Павловского месторождения зависимость инте-грального отражения от содержания гумуса, выражающаяся формулойR (C) = (Rmax - Rmin) ∙ ekC , где R(C) - интегральное отражение; Rmax, Rmin - тоже с максимальным и минимальным содержанием гумуса; С - содержаниегумуса в почве; k - коэффициент связи, может быть представлена следую-щей формулой: R (C) = 23 + 30,2е -0,75 С. Числовые значения коэффициентовэтой формулы отличаются от величин, соответствующих ненарушенным по-чвам равнинных территорий Приморского края: R(C) = 9,3 + 32е-0,15 С [15].Это обусловлено более высокой отражательной способностью в связи с низ-ким содержанием гумуса в поверхностных горизонтах литостратов и пре-обладанием в его составе фракций фульвокислот, по сравнению с почвамиприродных ландшафтов.Т а б л и ц а 3Корреляционная связь между показателями основных компонентов (ΣГК, ΣФК),фракций гумуса с интегральным отражением и энергозапасами литостратовКорреляционныепарыКоэффициенткорреляцииКорреляционныепарыКоэффициенткорреляцииСорг - R -0,80 ΣГК - QСорг +0,09ΣГК - R -0,56 ΣФК - QCорг -0,80ΣФК - R +0,44 ГК1 - QCорг -0,66ГК1 -R +0,32 ГК2 - QCорг +0,31ГК2 -R -0,59 ГК3 - QCорг -0,44ГК3 - R -0,13 1а ФК - QCорг -0,711а ФК - R +0,59 R - QСорг -0,68Примечание. С орг - содержание органического углерода в почве, %; R - интегральноеотражение, %; QCорг - энергозапасы органической части почв в слое 0-20 см (МДж/м2);ΣГК, ΣФК - суммы гуминовых и фульвокислот; ГК1, ГК2, ГК3 - фракции гуминовыхкислот; 1а ФК - «агрессивная» фракция фульвокислот.ЗаключениеУстановлено, что на изученных естественно зарастающих отвалах уголь-ных разрезов процесс формирования фитоценозов протекает через ряд по-следовательных стадий (сукцессий). Для начальных этапов развития рас-тительности на отвалах характерно преобладание процессов накоплениярастительного органического вещества над процессами его разложения. Наболее поздних этапах отмечено усиление процессов трансформации органи-ческого вещества.Почвенный покров техногенных ландшафтов Приморья представленлитостратами инициальными, органо-аккумулятивными, дерновыми игумусово-аккумулятивнымимусовых горизонтов, что обусловлено благоприятными гидротермиче-скими условиями и физико-химическими параметрами почвообразующихпород. Отмечено прогрессирующее увеличение органического углеродав верхних горизонтах почв по мере удлинения временного периода раз-вития почвообразовательного процесса. Это свидетельствует о биогенномпроисхождении органического вещества в сформировавшихся почвенныхгоризонтах на отвальных породах. С удлинением временного периодаформирования литостратов отмечены также увеличение запасов гумуса,степени гумификации органического вещества и уменьшение доли «агрес-сивных» фракций фульвокислот в поверхностных горизонтах. Тип гумусаменяется от очень фульватного в инициальных до гуматно-фульватного - вдерновых и фульватно-гуматного в гумусово-аккумулятивных литостра-тах. Низкие величины оптических плотностей свидетельствуют о преоб-ладании в молекулах гуминовых кислот периферических группировок, чтоуказывает на химическую «молодость» молекул гуминовых кислот в лито-стратах ранних стадий развития. По мере прохождения литостратами ос-новных этапов развития снижается интегральное отражение и увеличива-ются энергозапасы почв. Установлена тесная корреляционная связь междуинтегральным отражением и содержанием гумуса (-0,80), что позволяетиспользовать показатель интегрального отражения в качестве критериядля оценки содержания гумуса и энергозапасов почв, а также стадийностипротекания гумусообразовательного процесса на отвальных породах.

Скачать электронную версию публикации