CC BY
44
УДК 634.948:581.5
ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОГО ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В НЕЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ КАРБОНАТНЫХ КАРЬЕРАХ
© Н.В. Прохорова, М.В. Самыкина, А.А. Головлёв
Ключевые слова: карбонатный карьер; первичное почвообразование; макроэлементы; микроэлементы. Актуальность темы обусловлена неизученностью карбонатных карьеров Самарской области в эколого -геохимическом отношении. Цель исследования - изучение эколого-геохимического статуса поверхностных слоев карбонатного субстрата, формирующегося в процессе первичного почвообразования. Впервые установлены эколого-геохимические особенности процесса первичного почвообразования, протекающего на вскрышных породах Усть-Сокского карьера, выведенного из эксплуатации в 70-х гг. XX в. Максимальное накопление большинства анализируемых элементов выявлено на верхней террасе в восточной части карьера и на его дне возле озера, что определяется аккумулятивным характером данных участков, а также длительностью и интенсивностью процесса первичного почвообразования.
ВВЕДЕНИЕ
Усть-Сокский (Сокский, Западный) карбонатный карьер располагается в Самарской области на северном макросклоне Сокольих гор в нескольких километрах от места впадения р. Сок в Саратовское водохранилище. Усть-Сокский карьер - старейший по времени освоения участок Сокского карбонатного месторождения, в пределах которого до 70-х гг. XX в. производилась промышленная добыча доломитов, известняков и их промежуточных разностей.
Вследствие длительной эксплуатации Усть-Сокского карьера в Сокольих горах возникла крупная техногенная выемка: максимальное протяжение карьера с севера на юг составляет до 1 км, с запада на восток -более 2 км. Борта отвесные, скальные, высотой в десятки метров (иногда до 100-150 м). Карьер имеет корытообразную форму с плоским дном, которое сложено плотными доломитизированными известняками. Монолитный скальный фундамент карьера во многих местах загроможден глыбами некондиционных пород.
С момента прекращения работы и до настоящего времени целенаправленные рекультивационные мероприятия в Усть-Сокском карьере не производились, но активно развивались естественные процессы ренатурализации образовавшегося техногенного ландшафта. Прежде на территории Самарской области подобные процессы не изучались, хотя карьерная разработка нерудного минерального сырья осуществляется с давних пор во многих местностях.
В этой связи целью настоящего исследования было изучение эколого-геохимического статуса поверхностных слоев карбонатного субстрата Усть-Сокского карьера, формирующегося на фоне первичного почвообразования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Как показали рекогносцировочные полевые исследования, сформированный почвенный покров в карьере
отсутствует. На скальном ложе карьера фрагментарно залегают почвогрунты мощностью до 10-15 см. Под пологом молодой лесной растительности формируется маломощный (до 1 см) биогенный слой, состоящий из древесного опада, мхов, лишайников и продуктов их микробиологической трансформации. Растительный покров карьера представлен разновозрастным самосевом березы повислой, тополя черного, сосны обыкновенной и нескольких видов ивы. Травостой слаборазвит и существенно разрежен. В карьере практически нет участков с сомкнутым пологом древесной или травянистой растительности. На открытом скальном и каменистом субстрате карьера отмечены пионерные виды лишайников, грибов, водорослей [1-2]. Выявлены существенные различия в формирования флористического состава Усть-Сокского карьера и подобных ему карбонатных карьеров на Самарской Луке, которые были рекультивированы [3-4].
Активно идущие процессы ренатурализации Усть-Сокского карьера, проявляющиеся в самозарастании древесной и травянистой растительностью, показывают, что на его вскрышных карбонатных породах осуществляется процесс первичного почвообразования. Подтверждением этого также может служить обогащение поверхностных субстратов разных участков карьера (днища, террас) элементами минерального питания растений и, как результат, изменение их экологогеохимических параметров.
Полевые исследования производились маршрутноключевым методом в весенне-осенний период 2013 г. При движении по маршруту пересекались основные элементы техногенного рельефа карьера (террасы, склоны и днище). По линии маршрута (с востока на запад) закладывались пробные площади, на которых производился отбор образцов почвогрунтов. Всего было заложено 9 пробных площадей, из которых 8 - в пределах днища и террас карьера, а 1 (контрольная) - в непосредственной близости от карьера на относительно ненарушенном участке каменистой степи Столового склона, обращенного в сторону Саратовского водохранилища.
1717
В камеральный период осуществлялась пробопод-готовка отобранных образцов, в которых затем по общепринятым методикам определяли pH, содержание органического углерода (Сорг.) и минеральных форм N. Количественное выявление валового содержания Са, А1, Р, К, Mg, Т1, V, Ее, Мп, Сг, N1, Си, 7п, Аз, Бг, РЬ осуществлено методом рентгенофлуоресцентного анализа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Показатель pH варьировал от 7,31 в сформированной дерново-карбонатной почве Столового склона (контроль) до 8,57 в поверхностном слое карбонатного субстрата днища карьера в его центральной части. Близкие к нейтральной реакции показатели pH были выявлены не только в контроле, но и на первой (верхней) террасе в восточной части карьера, активно зарастающей древесными растениями (береза, сосна). В почвогрунтах остальных пробных площадей этот показатель был более щелочным (pH 7,95-8,57), что связано с характером подстилающих карбонатных пород.
Содержание Сорг. в поверхностном слое почвогрун-тов карьера варьировало от 0,31 до 3,23 %, при этом и минимальная, и максимальная концентрации были выявлены в восточной части карьера (дно и вторая сверху терраса, соответственно). В сформированной почве Столового склона (контроль) содержание Сорг. составило 3,2 %. Пространственная динамика содержания Сорг. в целом демонстрировала отрицательную корреляцию с показателем pH.
Максимальные концентрации Сорг. (2,23-3,23 %) были выявлены в почвах Столового склона и почво-грунтах пробных площадей, расположенных в восточной части карьера. Именно для этих почвогрунтов было характерно более слабое защелачивание. На остальных пробных площадях в карьере содержание Сорг. варьировало в пределах от 0,31 до 1,22 %. При этом точек с нулевым содержанием Сорг. не было выявлено, что свидетельствует об определенном поступлении и трансформации органического вещества в поверхностном слое карбонатных субстратов на всей территории карьера.
Косвенно об активности микробиологических процессов и начальных стадиях гумификации могут свидетельствовать данные о содержании основных минеральных форм N в исследуемых почвах и почвогрун-тах. Как показал анализ полученных данных, максимальное содержание нитритной, нитратной и аммиачной форм N выявлено в почвах Столового склона (контроль). Причем нитритного N в них было на порядок больше, чем в поверхностном слое почвогрунтов карьера, аммиачного - в 4-8 раз больше, а различия по нитратному N оказались менее очевидными. Так, для восточной части карьера содержание нитратного N практически равно контролю (62,1 и 65,3 мг/кг, соответственно). В центральной части его меньше на половину, а в западной - на треть по сравнению с контролем. Следует отметить, что в вегетационный период 2013 г. в почвогрунтах центральной части карьера нитритная форма N не была выявлена, а содержание нитратного N было минимальным, что положительно коррелирует с низким уровнем содержания Сорг. на этой пробной площади.
Кроме Сорг. и доступных растениям форм N о характере первичного почвообразовательного процесса свидетельствует наличие и соотношение основных
макроэлементов - Са, К, М^, Р. Количественные данные о содержании указанных элементов в субстрате карбонатного карьера в Самарской области были впервые проанализированы нами в связи с изучением процесса первичного почвообразования.
Отметим, что все химические элементы в тех или иных количествах присутствуют в исследуемых почвах и почвогрунтах. Самый низкий показатель содержания Са был выявлен в сформированных естественных почвах Столового склона (65700 мг/кг). В поверхностном слое карбонатного субстрата карьера его содержание было ожидаемо высоким и варьировало от 193200 до 421900 мг/кг. Минимальное содержание Са было отмечено в наиболее старой, восточной части карьера, где процесс первичного почвообразования на вскрышных карбонатных породах начался существенно раньше, чем в его центральной и западной частях. Максимум содержания Са был характерен для почвогрунтов центральной части, а средний - для восточной части карьера. В целом содержание этого элемента в почвогрун-тах карьера было на порядок выше, чем в контроле (Столовый склон).
В распределении К наблюдается обратная зависимость: максимальная концентрация этого элемента установлена в почвах Столового склона (13900 мг/кг), а в почвогрунтах карьера она варьировала в пределах 1700-7600 мг/кг. Достаточно сходный с К характер распределения демонстрировал Р. Высокий уровень его концентрации обнаружен в почвах Столового склона (1990 мг/кг), еще несколько больший - в почвогрунтах центральной части карьера около озера (2240 мг/кг). В почвогрунтах остальных пробных площадей карьера содержание Р варьировало от 280 до 1160 мг/кг с заметной тенденцией повышения его в восточной части.
В пространственном распределении Mg наблюдалось определенное своеобразие. Минимальное его содержание (22900 мг/кг), как и для Са, было выявлено в сформированных естественных почвах Столового склона. В почвогрунтах карьера его концентрация варьировала от 49700 до 148100 мг/кг. Максимальные концентрации Mg были выявлены в восточной и центральной частях дна карьера, что, очевидно, связано с повышенной доломитизацией пород на этих участках.
Сходный характер пространственного распределения был выявлен для БІ и А1. Самые высокие их концентрации были установлены в почвах Столового склона (контроль). В карьере их содержание на всех пробных площадях существенно уступало контролю, но на этом фоне ростом содержания БІ и А1 отличались верхняя терраса в восточной части карьера и пробная площадь у озера в центральной его части.
Кроме пространственного распределения макроэлементов нами оценивалось содержание в почвогрунтах карьера микроэлементов (Ті, V, Ее, Мп, Сг, №, Си, 7п, Аз, Бг, РЬ).
Для Ті, Ее, Мп, V, Сг в целом выявлен сходный характер пространственного распределения в почвогрун-тах Усть-Сокского карьера. На фоне заметного варьирования их концентраций по пробным площадям максимальные показатели были выявлены в сформированных почвах Столового склона (контроль). В карьере повышенным, но уступающим контролю содержанием этих элементов характеризовались почвогрунты первой террасы в восточной части карьера и аккумулятивная пробная площадь у озера в центральной части днища карьера.
1718
Совсем иную картину демонстрирует пространственное распределение №, Си, 7п, Бг, РЬ и Аз в почвог-рунтах Усть-Сокского карьера. Выявлено определенное сходство в распределении № и Си, которое отличается относительной равномерностью в ряду изучаемых пробных площадей. Наиболее высокие концентрации № и Си характерны для всех пробных площадей восточной части карьера, что в целом коррелирует с особенностями накопления органического углерода. Концентрация Си и № в почвогрунтах карьера в 1,5-3 раза выше региональных кларков. Содержание Си достигает или слабо превосходит предельно допустимую концентрацию (ПДК) (55 мг/кг) на всех пробных площадях в карьере и в контроле. Содержание № несколько выше или равно ПДК (80 мг/кг) только на пробных площадях в восточной части карьера.
Содержание 7п в целом также характеризуется относительно равномерным распределением в почвогрунтах разных частей карьера и варьирует в пределах 100-150 мг/кг. Исключение составляет аккумулятивная пробная площадь в центральной части карьера возле озера (285 мг/кг). Для всех изучаемых пробных площадей уровень содержания 7п выше регионального фона для почв (71,65 мг/кг), равен или превышает ПДК (100 мг/кг).
Наиболее высокие концентрации Бг (230-333 мг/кг) выявлены на пробных площадях в центральной и западной части днища карьера. Максимальные и средние концентрации Бг существенно превышают региональный фон (168,64 мг/кг), а самая высокая его концентрация выявлена в почвогрунтах аккумулятивного участка в центральной части карьера около озера. На остальных участках карьера и в контроле содержание Бг уступает региональному фону и варьирует от 106 до 157 мг/кг. Очевидно, основной фактор поступления Бг в формирующийся мелкозем в разных частях карьера -это уровень его содержания в подстилающих карбонатных породах.
Региональный фоновый уровень содержания РЬ в почве составляет 11,95 мг/кг. В почвогрунтах карьера
этот показатель превышен в 2 раза только на аккумулятивном участке возле озера, близки к нему показатели для пробных площадей на первой и второй террасах в восточной части карьера. Небольшое превышение фона выявлено в сформированных почвах Столового склона. На остальных пробных площадях концентрация РЬ варьирует от 0 до 5 мг/кг.
Содержание Аз в почвогрунтах карьера варьировало от 0 до 5 мг/кг. ПДК валовой формы Аз равна 2 мг/кг, но региональный фоновый уровень для почв существенно выше этого показателя и составляет 7,36 мг/кг. Следовательно, уровень содержания Аз в почвогрунтах карьера можно считать относительно невысоким на фоне его регионального распространения в почвах.
Важной геохимической характеристикой поведения химического элемента в том или ином ландшафте является величина коэффициента его концентрации (Кк) относительно кларка земной кары или конкретных горных пород, на которых развивается почвообразовательный процесс. В данном случае процесс первичного почвообразования идет на вскрышных карбонатных породах днища и террас карьера, поэтому Кк изучаемых элементов рассчитывали относительно их кларка в карбонатных породах [5]. Полученные показатели представлены в табл. 1.
Сравнительный анализ Кк изученных макро- и микроэлементов показал, что для многих из них (А1, БІ, Р, К, Ті, V, Сг, Ее, Аз, РЬ) этот показатель наиболее высок в контроле.
Для №, Си, 7п очень высокие Кк характерны на всех пробных площадях, включая контроль, и только Мп и Бг рассеиваются на всех изученных пробных площадях. Суммарный показатель Кк наиболее высок для контрольной пробной площади (88). Среди пробных площадей в карьере лидирует пробная площадь в центральной части дна около озера (56) и несколько уступает ей верхняя терраса в восточной части карьера (51).
Таблица 1
Коэффициенты концентрации химических элементов в почвогрунтах Усть-Сокского карьера
Элемент Пр. пл. 1 Пр. пл. 2 Пр. пл. 3 Пр. пл. 4 Пр. пл. 5 Пр. пл. 6 Пр. пл. 7 Пр. пл. 8 Контроль
Mg 2,23 1,54 2,04 3,71 1,73 1,25 3,73 2,89 0,58
Al 2,12 4,31 1,99 0,92 1,12 2,71 1,00 1,12 6,76
Si 1,7 4,05 1,64 0,83 0,86 2,82 0,69 0,95 5,94
P 2,9 2,72 2,55 0,70 0,97 5,6 0,72 1,30 4,97
K 1,06 2,23 1,09 0,50 0,53 1,94 0,50 0,65 4,09
Ca 0,82 0,61 0,79 0,97 1,34 1,03 1,10 1,09 0,21
ті 1,17 2,67 1,17 0,50 0,67 2,67 0,67 0,67 5,50
V 1,16 1,95 1,21 0,10 0,00 1,00 0,16 0,00 4,31
Сг 5,18 5,82 4,82 3,64 3,36 5,54 3,00 2,91 9,73
Мп 0,93 0,38 0,24 0,12 0,13 0,4 0,13 0,16 0,94
¥в 0,47 1,23 0,51 0,14 0,30 1,18 0,24 0,24 2,94
Мі 7,67 6,8 7,58 7,75 3,50 3,75 6,33 6,00 5,80
Си 9,85 9,56 10,73 10,00 8,09 7,79 8,53 8,97 8,53
Хп 6,27 4,91 7,09 4,18 6,50 12,95 4,95 5,77 4,91
АЭ 0,63 1,25 1,87 0,00 1,87 2,5 0,00 0,00 3,12
Sr 0,20 0,26 0,24 0,26 0,53 0,62 0,43 0,42 0,29
РЬ 1,36 0,57 1,36 0,34 0,00 2,61 0,23 0,11 1,70
1719
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сравнительный анализ полученного массива геохимических данных показал, что в Усть-Сокском карбонатном карьере к настоящему времени сформировалось, по крайней мере, два геохимических аккумулятивных ландшафта: верхняя терраса в восточной части карьера и участок у озера в центральной части его дна. Данные ландшафты характеризуются большим развитием растительного покрова, и, соответственно, более интенсивным процессом почвообразования. На пробных площадях, заложенных в пределах этих ландшафтов, наиболее значимо проявился эффект аккумуляции большинства проанализированных химических элементов, связанный с более длительным и интенсивным процессом первичного почвообразования, на что указывает выраженная ренатурализация данных ландшафтов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прохорова Н.В. Эколого-биогеохимические особенности субстрата и растений в Усть-Сокском карьере // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2011. Т. 13. № 1 (4). С. 878-881.
2. Прохорова Н.В., Головлёв А.А., Куликова М.В., Макарова Ю.В. Эколого-геохимические особенности почв и почвогрунтов западной части Сокольих гор // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2012. Т. 14. № 1 (8). С. 2061-2063.
3. Макарова Ю.В., Куликова М.В., Прохорова Н.В., Головлёв А.А. К изучению флоры Усть-Сокского карьера // Вестн. Самар. гос. ун-та. 2013. № 3 (104). С. 161-167.
4. Чап Т.Ф. Некоторые аспекты растительности техногенных субстратов Средневолжского биосферного резервата // Вестн. Волж. ун-та им. В.Н. Татищева. Сер. Экология. 2011. Вып. 12. С. 95-99.
5. Интерпретация геохимических данных / под ред. Е.В. Склярова. М., 2001. 281 с.
Поступила в редакцию 6 июня 2014 г.
Prokhorova N.V., Samykina M.V., Golovlyov A.A. ECOLOGICAL-GEOCHEMICAL EVALUATION OF PRIMARY SOIL CREATION PROCESS IN EXPLORATION-FINISHED LIME CARRIERS
The actuality of discussed problem is connected with unsatisfactory volume of data on lime carriers ecological-geochemical features in Samara region. The aim of our study was to investigate the ecological-geochemical state of the upper layers of lime substrate that was formed as a result of primary soil-creation process. For the first time the ecological-geochemical features of primary soil creation process on the upper layers of Ust -Sokski carrier finished its exploration in 70s years of 20th century. The maximal accumulation of the most analyzed elements was found for the upper terrace of east part of carrier and on its bottom near the lake, what is connected with the accumulative character of these locations and comparative longevity and intensiveness of primary soil creation process.
Key words: lime carrier; primary soil creation; macroelements; microelements.
Прохорова Наталья Владимировна, Самарский государственный университет, г. Самара, Российская Федерация, доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры экологии, ботаники и охраны природы, e-mail: ecolo-gy@samsu.ru
Prokhorova Nataliya Vladimirovna, Samara State University, Samara, Russian Federation, Doctor of Biology, Professor, Professor of Ecology, Botany and Nature Protection Department, e-mail: ecology@samsu.ru
Самыкина Мария Вячеславовна, Самарский государственный университет, г. Самара, Российская Федерация, аспирант, кафедра экологии, ботаники и охраны природы, e-mail: ecology@samsu.ru
Samykina Maria Vyacheslavovna, Samara State University, Samara, Russian Federation, Post-graduate Student, Ecology, Botany and Nature Protection Department, e-mail: ecology@samsu.ru
Головлёв Алексей Алексеевич, Самарский государственный экономический университет, г. Самара, Российская Федерация, доктор географических наук, доцент, профессор кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности, е-mail: ecology@samsu.ru
Golovlyov Aleksey Alekseyevich, Samara State University, Samara, Russian Federation, Doctor of Geography, Associate Professor, Professor of Ecology, Botany and Nature Protection Department, e-mail: ecology@samsu.ru
1720
