CC BY
14
УДК 631.4 (574.22)
А.А. Новоселов
Тюменский государственный университет, Mr.andreygeo@mail.ru
ИНДИКАТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ НА ТЕХНОГЕННЫХ СУБСТРАТАХ ЗОЛООТВАЛОВ
В работе представлены результаты исследования процессов почвообразования на законсервированных самозарастающих золоотвалах ТЭЦ-1 г. Тюмень. Почвы золоотвалов отличает существенная вариабельность физических и химических свойств, что связано со стратификацией исходного субстрата. Основными индикаторами почвообразования на золоотвалах являются снижение щелочности в верхней части профиля, нарушение исходной стратификации субстрата, формирование педогенных карбонатов на глубинах 70-100 см. Максимальное количество и разнообразие карбонатных новообразований обнаруживаются в разрезах, сформированных в условиях хорошо дренированных возвышенных участков под древесной растительностью.
Ключевые слова: золоотвалы; ТЭЦ; педогенные карбонаты; аутигенное минералообразова-ние.
Введение
Несмотря на устойчивое развитие альтернативной энергетики сжигание твердых видов топлива, таких как уголь и торф, продолжает оставаться важнейшим источником тепло- и электроэнергии для обеспечения потребностей городов и промышленных предприятий. Использование торфа и угля в качестве топлива имеет ряд негативных последствий для окружающей среды, одним из которых является накопление значительных объемов отходов, складирование и утилизация которых является актуальной проблемой в области экологии и вторичного использования сырья (Делицын и др., 2012).
Распространенной практикой обращения с отходами тепловых электростанций является их складирование в пределах специализированных гидротехнических сооружений - золоотвалов. Подобные инженерные сооружения зачастую располагаются в непосредственной близости от предприятий топливно-энергетического комплекса, которые, как правило, находятся в городской черте крупных промышленных агломераций.
В настоящее время на золоотвалах ТЭЦ промышленных центров Сибири и Дальнего Востока, традиционно использующих уголь в качестве основного источника электроэнергетики, накоплено огромное количество отходов, проблема утилизации которых продолжает оставаться нерешенной (Зеньков и др., 2015). Складирование золы приводит к отчуждению земель, радиационному и химическому загрязнению местности, ухудшению эстетической привлекательности городских ландшафтов. Примеры успешной рекуль-
тивации и повторного использования отходов, накопленных на золоотвалах немногочисленны, большинство законсервированных золоотвалов в пределах сибирского региона находятся в стадии самозарастания.
Изучение процессов почвообразования на техногенных субстратах золоотвалов является актуальной научной проблемой, решение которой позволит прогнозировать долгосрочное функционирование таких объектов, а также подготовить максимально эффективные решения по их рекультивации или консервации.
Исследования процессов техногенных почв самозарастающих золоотвалов Центральной и Восточной Европы ^кеП et а1., 2002, 2004; Uzarowicz et а1., 2015) показали, что процессы почвообразования на таких субстратах непосредственно связаны с трансформацией минерального состава золы.
Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследования при выполнении данной работы были выбраны почвы золо-отвалов ТЭЦ-1 города Тюмени. Золоотвалы Тюменской ТЭЦ-1 состоят из двух участков общей площадью более 100 га. Размещение золошлако-вых отходов было прекращено более 30 лет назад, после перехода предприятия на использование природного газа; в настоящее время наблюдается постепенное самозарастание образованных за период эксплуатации ТЭЦ золоотвалов (Чижов и др., 2007).
Поверхность золоотвалов выравнена, встречаются просадочные формы рельефа. Перепад
российский журннл ИМ! экологии
высот составляет 1-3 м, уровень грунтовых вод изменяется от 0.5-0.6 м в локальных понижениях и до 2 м и более на возвышенных участках. Современный растительный покров мозаичен; здесь представлены два основных вида растительных сообществ - древесно-кустарничковые и травянистые. Для первых основными породами являются тополь бальзамический, осина, различные виды ив, в меньшей степени клен. Открытые пространства, покрытые травянистой растительностью, занимают около половины площади участка 1 и менее трети участка 2; в травянистых сообществах преобладает вейник наземный, тростник обыкновенный, значительную роль играет крапива двудомная.
Для исследований техногенных почв золоотва-лов были заложены 4 почвенных разреза. Образцы для аналитических исследований отбирались поинтервально из всех генетических горизонтов или слоев техногенного материала.
Гранулометрический состав почв и техногенных отложений определен на основе измерения размеров частиц методом лазерного светорассеяния на анализаторе LS 13 320 «Beckman Coulter» (США) с предварительным диспергированием проб пирофосфатом. Микроморфологические исследования проведены в прозрачных шлифах поляризационным микроскопом Eclipse LV100POL «Nikon» (Япония) и инвертированным микроскопом отраженного света Axio Vert.Al «Carl Zeiss» (Германия). Микроскопические и субмикроскопические исследования выполнены с использованием сканирующего электронного микроскопа TM3000 «Hitachi» (Япония) с приставкой для элементного анализа поверхности Quantax 70 при увеличениях от 100 до 5000. Реакцию среды водной и солевой вытяжки определяли потенцио-метрическим методом, содержание органического углерода - окислением с бихроматом калия. Полуколичественное определение валового минерального состава карбонатных новообразований проводилось рентгеноструктурным методом в ООО «ЗапСибГЦ» (г. Тюмень) на порошковом рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.
Результаты и их обсуждение
Техногенные почвы золоотвалов могут быть классифицированы как пелозем техногенный ар-тииндустратный суглинистый стратифицированный на золошлаках, в соответствии с классификацией почв России, или как Spolic Technosols, согласно Мировой коррелятивной базе данных почвенных ресурсов редакции 2015 г.
Мощность толщи, достаточно интенсивно переработанной процессами почвообразования,
не превышает 25-30 см. Под маломощным гу-мусово-слаборазвитым горизонтом W и переходным WTCHQ залегают стратифицированные отложения золоотвалов. Техногенный субстрат представляет собой чередование рыхлых пыле-вато-песчанистых слоев зольного остатка и более плотных пылеватых (пеплообразных) слоев золы уноса. Именно поэтому содержание отдельных фракций изменяется в значительных пределах: ил (<0.001 мм) - 1-6%, пыль мелкая (0.001-0.005 мм) - 4-27%, пыль средняя (0.005-0.01 мм) -3-23%, пыль крупная (0.01-0.05 мм) - 14-53%, песок мелкий (0.5-0.25 мм) - 4-65%, песок средний и крупный (0.25-1 мм) - 1-28%.
Величина реакции среды изменяется в значительных предела: рНв от 6.88 до 7.51 для горизонтов W и WTCHQ и от 6.73 до 8.05 для техногенных отложений; рНс в пределах 5.63-7.19 для гумусовых горизонтов до 6.06-8.02 в нижней части профиля. Более низкие значения рН среды, а также более однородное распределение ее величины по профилю обнаруживаются в верхних горизонтах почв с развитой подстилкой, сформированной в локальном понижении (разрез 3). В большинстве изученных разрезов отмечается увеличение рН (Н2О и КС1) в интервале 50-70 см, что, вероятно, связано с образованием педогенных карбонатов.
Содержание органического углерода демонстрирует существенную вариабельность по профилю от 0.38 до 13.71 %. Более высокие значения (5% и более) обнаруживаются в образцах, представляющих слои зольного остатка, в то время как в слоях золы уноса данное значение, как правило, не превышает 1-2%. Подобная закономерность обнаруживается в почвах, формирующихся на продуктах сжигания бурых углей (Uzarowicz et а1., 2018). В целом необходимо отметить, что достаточно высокие содержания органического углерода не отражают интенсивность процессов почвообразования, поскольку они связаны не столько с процессами гумификации органических остатков, сколько с наличием углистых частиц недожога, имеющих литогенную природу (Соколов и др., 2017).
Результаты рентгеноструктурного анализ показали, что основными минеральными компонентами техногенных субстратов являются кварц ^Ю2) и муллит (А1^2013), а в отдельных образцах и кальцит (СаС03) (табл.). На дифрактограм-мах в интервале 25-27 20 фиксируется четкий пик, относящийся к аморфным стекловидным соединениям. Среди обнаруженных во всех образцах минералов представлены натриевые и калиевые полевые шпаты - главным образом альбит (Ка[А^308]) и микроклин (К[А^308]). Среди
Таблица. Результаты полуколичественного определения минерального состава в почвах
золоотвалов ТЭЦ-1 города Тюмени
Разрез Глубина, см Кварц Муллит НПШ КПШ Кальцит ССО Гидрослюда Хлорит Смектит
0-5 61.0 14.7 15.1 0.0 6.4 0.0 0.0 0.0 2.7
20-25 44.2 26.1 9.0 8.8 0.0 6.2 0.0 3.0 2.8
40-45 44.8 24.5 9.3 0.0 13.9 3.8 0.0 3.8 0.0
1 70 46.6 25.1 9.2 0.0 11.9 2.0 0.0 2.3 2.9
95-100 27.5 7.9 6.5 0.0 52.3 1.5 0.0 0.0 4.2
110-120 35.6 18.3 8.2 8.5 21.3 3.0 0.0 1.9 3.1
150 40.5 18.7 9.0 10.6 8.1 2.4 5.1 3.7 1.8
0-5 58.9 22.0 9.7 0.0 0.0 0.0 2.7 4.2 2.6
5-15 57.1 21.3 10.9 0.0 0.0 3.4 3.9 0.0 3.4
20-30 56.2 24.7 9.3 0.0 7.5 0.0 0.0 0.0 2.3
2 35-45 56.9 19.5 14.9 0.0 0.0 2.5 3.4 0.0 2.7
50-60 47.1 27.3 9.3 0.0 10.1 2.8 0.0 0.0 3.5
70-80 51.2 19.3 12.3 8.5 0.0 2.1 3.1 3.4 0.0
100-110 46.6 24.8 5.7 8.6 10.5 1.5 0.0 0.0 2.2
140 57.8 17.4 7.1 8.4 9.3 0.0 0.0 0.0 0.0
2-5 61.5 19.6 11.6 0.0 0.0 3.7 0.0 3.7 0.0
10-15 43.8 28.3 10.7 9.8 0.0 4.3 0.0 3.0 0.0
25 49.2 32.1 0.0 0.0 16.2 0.0 0.0 0.0 2.5
35-40 47.9 21.7 13.6 0.0 10.7 6.1 0.0 0.0 0.0
50 45.9 16.7 13.1 8.1 8.7 2.2 0.0 2.8 2.4
3 60-65 52.2 11.9 16.7 0.0 16.7 2.6 0.0 0.0 0.0
70 51.4 22.5 10.4 0.0 13.0 0.0 0.0 0.0 2.7
85 48.8 20.9 6.0 0.0 19.8 2.5 0.0 0.0 2.0
90-95 51.5 22.1 11.3 0.0 12.3 2.7 0.0 0.0 0.0
110 49.3 22.8 8.0 0.0 14.3 2.6 0.0 3.0 0.0
115-120 49.0 21.9 11.7 0.0 8.1 2.7 0.0 2.7 3.9
140 50.5 32.9 0.0 0.0 16.6 0.0 0.0 0.0 0.0
2-5 61.4 13.2 10.4 0.0 9.3 1.8 0.0 2.2 1.8
10-15 74.9 0.0 6.0 6.7 12.4 0.0 0.0 0.0 0.0
30-35 73.0 0.0 8.4 7.6 7.0 0.0 2.0 0.0 1.9
4 55-68 55.6 19.8 11.4 0.0 11.1 2.0 0.0 0.0 0.0
80-85 37.2 16.6 5.5 5.7 28.3 2.5 2.0 0.0 2.1
100-105 59.2 14.7 11.3 0.0 10.0 0.0 0.0 4.8 0.0
150 74.9 10.2 12.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.7
глинистых минералов диагностированы смеша-нослойные образования, гидрослюды, хлорит и минералы группы смектита. В то же время в большинстве образцов их суммарное содержание не превышает 10%. Минералы железа не определены по результатам рентгеноструктурного анали-
за, но выявлены с использованием сканирующего электронного микроскопа. Это, в первую очередь, магнетит Fe3(Fe2+Fe3+)O4, представляющий один из основных минералов, составляющих железосодержащие микросферы, и, вероятно, гетит FeO(OH).
48
российский журннл лриклнлной экологии
Важнейшим индикатором педогенных преобразований техногенных субстратов золоотвалов является кальцит (Uzarowicz et а1., 2018). Распределение карбонатов по профилю хорошо отображает трансформацию исходного субстрата в процессе почвообразования. Наиболее высокие содержания кальцита наблюдаются на глубинах 70-100 см. Количество и разнообразие форм выделения кальцита достаточно хорошо отражает интенсивность процессов почвообразования и трансформации исходного субстрата. Более высокие содержания кальцита в разрезах 1-4 (табл.) обусловлены, с одной стороны, более благоприятными гидрологическими условиями (промывной водный режим), а с другой, вероятно, более продолжительным временем почвообразования на данном участке. При микроскопических исследованиях образцов обнаружено два типа новообразований кальцита - повсеместно встречающиеся стяжения и звездчатые микрокристаллы, обнаруженные в средней части разреза 4, отличающегося наиболее развитым профилем и наибольшей мощностью горизонтов W и WTCHQ. Выщелачивание карбонатного материала в результате разрушения частиц зол и шлаков процессами почвообразования и за счет физического выветривания приводит к снижению величины рН в верхней части профиля и формированию горизонта аккумуляции педогенных карбонатов с повышенным значениями рН в нижней и средней части профиля.
Заключение
Процессы почвообразования, несмотря на визуально слабо дифференцированный профиль почв золоотвалов, приводят к значительной трансформации исходного техногенного субстрата, одним из проявлений которого является ау-тигенное минералообразование. Формирование горизонтов, обогащенных карбонатными новообразованиями, на глубинах 70-100 см является одним из наиболее четких индикаторов процессов почвообразования в таких условиях. Стяжения и микрокристаллические формы кальцита наиболее многочисленны и хорошо выражены в почвах, формирующихся на хорошо дренированных участках в периферийных частях золоотвала под разреженной древесной растительностью с развитым травянистым ярусом.
Список литературы
1. Делицын Л.М., Ежова Н.Н., Власов А.С., Сударева С.В. Золоотвалы твердотопливных тепловых электростанций как угроза экологической безопасности // Экология промышленного производства. 2012. №4. С. 15-26.
2. Зеньков И.В., Нефедов Б.Н., Барадулин И.М., Кирю-шина Е.В., Вокин В.Н. Экологические проблемы при эксплуатации золошлаковых накопителей в топливно-энергетическом комплексе России // Экология и промышленность России. 2015. №2. С. 24-28.
3. Соколов Д.А., Кулижский С.П., Лим А.Г., Гуркова Е.А., Нечаева Т.В., Мерзляков О.Э. Сравнительная оценка методов определения педогенного органического углерода в углесодержащих почвах // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2017. №39. С. 29-43.
4. Чижов Б.Е., Парыгина Н.Г., Суслов А.В., Аткина Л.И. Инвентаризация территории золоотвала и методы создания на них парковых насаждений Тюмени // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2007. № 8. С. 85-91
5. Uzarowicz L., Zagorski Z. Mineralogy and chemical composition of technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from selected thermal power stations in Poland // Soil Science Annual. 2015. V. 66. №2. P. 82-91.
6. Uzarowicz L., Skiba M., Leue M., Zagorski Z., Gqsinski A., Trzcinski J. Technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from thermal power stations combusting bituminous coal and lignite. Part II. Mineral transformations and soil evolution // Catena. 2018. V. 162. P. 255-269.
7. Zikeli S., Jahn R., Kastler M. Initial soil development in lignite ash landfills and settling ponds in Saxony-Anhalt, Germany // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2002. V. 165. №4. P. 530-536.
8. Zikeli S., Kastler M., Jahn R. Cation exchange properties of soils derived from lignite ashes // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2004. V. 167. №4. P. 439-448.
A.A. Novoselov. Indicators of soil formation on the technogenic substrates of ash dumps.
The paper presents the results of the study of soil formation processes on canned self-overgrowing ash dumps of CHPP-1, Tyumen. The soils of the ash dumps are distinguished by significant variability of physical and chemical properties, which is associated with the stratification of the initial substrate. The main indicators of soil formation at ash dumps are a decrease in alkalinity in the upper part of the profile, a violation of the initial stratification of the substrate, the formation of pedogenic carbonates at depths of 70-100 cm. The maximum number and variety of carbonate neoplasms are found in cuts formed in well-drained, elevated areas under tree vegetation.
Keywords: ash dumps; central heating and power plant; pedogenic carbonates; authigenic mineral formation.
Сведения об авторах
Новоселов Андрей Андреевич, аспирант, Тюменский государственный университет, Россия, 625008, Тюмень, ул. Володарского 6, E-mail: mr.andreygeo@mail.ru.
Information about the authors
Andrei A. Novoselov, Graduate Student, Tyumen State University, 6, Volodarsky st., Tyumen, 625008, Russia, E-mail: mr.andrey-geo@mail.ru.
50
российский ил ииой экологии
