CC BY
50
4,5; 3,8 и 6,1 мг/кг и на 1,2 и 3,8; 2,8 и 5,4; 3,9 и 6,8 мг/кг соответственно. Наиболее благоприятный азотный режим почв в период вегетации риса складывается при внесении повышенных норм азота N150 и N180 на фоне фосфорно-калийных удобрений.
Литература.
1. Гамзиков Г. П. Агрохимия азота в агроценозах. Новосибирск: НовосибГАУ, 2013. 790 с.
2. Сычев В. Г., Соколов В. А., Шмырева Н. Я. Роль азота в интенсификации продукционного процесса сельскохозяйственных культур // Агрохимические аспекты роли азота в продукционном процессе. М.: ВНИИА, 2009. Т. 1. 424 с.
3. Влияние предшественника и минеральных удобрений на структуру урожая и продуктивность ячменя в лесостепи При-ангарья / Р. Ф. Байбеков, В. Ю. Гребенщиков, В. В. Верхотуров и др. // Плодородие. 2019. № 3 (108). С. 32-36.
4. Афанасьев Р. А., Иванчик В. А. Урожайность и качество зерна яровой пшеницы в условиях Нечерноземья при внесении минеральных удобрений // Плодородие. 2019. № 6 (111). С. 11-14.
5. Effects of long-term full straw return on yield and potassium response in wheat-maize rotation / Y-L. Bai, L. Wang, Y-L. Lu, et al. // Journal of Integrative Agriculture. 2015. Vol. 14. No. 12. P. 2467-2476.
6. Завалин А. А., Соколов О. А. Потоки азота в агроэкосистеме: от идей Д. Н. Прянишникова до наших дней. М.: ВНИИА, 2016. 519 с.
7. Nitrogen in chernozems under traditional and direct seeding cropping systems: a review / A. A. Zavalin, V. P. Belobrov, S. A. Yudin, et al. // Eurasian Soil Science. 2018. Т. 51. No. 12. P. 1497-1506.
8. Kudeyarov V. N. Soil-biogeochemical aspects of arable farming in the Russian federation // Eurasian Soil Science. 2019. Т. 52. No. 1. P. 94-104.
9. Optimizing Nitrogen Fertilizer Application for Rice Production in the Taihu Lake Region, China / M. H. Deng, X. J. Shi,Y H. Tian, et al. // Pedosphere. 2012. Vol. 22. No. 1. P. 48-57.
10. Шеуджен А. Х. Агрохимия и физиология питания риса. Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2005. 1012 с.
11. Changes in the Nitrogen Budget and Soil Nitrogen in a Field with Paddy-Upland Rotation with Different Histories of Manure Application / F. Takakai, T. Kikuchi, T. Sato, et al. // Agriculture. 2017. Т 7. No. 5. P. 1-20.
12. Гуторова О. А., Шеуджен А. Х. Эколого-агрохимические состояние почв рисовых агроландшафтов: монография. Майкоп: Полиграф-ЮГ, 2020. 348 с.
13. Agrogenic soil evolution of rice agrolandscapes / A. Kh. Sheudzhen, O. A. Gutorova, E. V. Shein, et al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 368. 012044.
14. Мобилизация почвенных фосфатов при возделывании риса / А. Х. Шеуджен, О. А. Гуторова, Х. Д. Хурум, и др. // Земледелие. 2019. № 6. С. 12-15.
15. Агрохимические методы исследования почв / под ред. А. В. Соколова. Изд. 5-е. М: Наука, 1975. 656 с.
16. Алешин Е. П., Сметанин А. П., Тур Н. С. Удобрение риса. Краснодар: Краснодарское книжное издательство, 1973. 160 с.
Nitrogen in the soils of rice fields
A. Kh. Sheudzhen12, O. A. Gutorova1, H. D. Hurum1, S. V. Esipenko1, T. A. Illarionova1, P. N. Khachmamuk2
1I. T. Trubilin Kuban State Agrarian University, ul. Kalinina, 13, Krasnodar, 350044, Russian Federation 2Federal scientific rice centre, pos. Belozernyi, 3, Krasnodar, 350921, Russian Federation
Abstract. The paper considers the effect of mineral fertilizers on the nitrogen regime of meadow and meadow-boggy soils of rice fields in the Republic of Adygea. The experiment design included the following treatments: without fertilizers (the control), N90P60K45, N120P80K60, N150P100K75, and N180P120K90. The soil was sampled before sowing, during vegetation and after rice harvesting from the arable layer(0-20 cm). We determined the content oftotal, mineral and organic nitrogen, the fractional composition of organic and mineral nitrogen compounds. In meadow and meadow-boggy soils, the fraction of organic nitrogen is 90.6-92.5% and 91.3-92.8%, the fraction of mineral nitrogen is 7.5-9.4% and 7.2-8.7% oftotal nitrogen, respectively. In organic nitrogen of soils, the proportion of the content of non-hydrolyzable compounds is 69.9-74.5% and 74.1-77.0 %; resistant to hydrolyze -14.7-15.7% and 13.2-14.0 %; easily hydrolysable - 3.1-4.3% and 2.9-3.3 % of total nitrogen, respectively. In meadow and meadow-boggy soils, mineral nitrogen is represented by fixed ammonium by 6.4-8.0% and 6.0-7.4%, respectively; exchange-absorbed ammonium -by 0.5-0.8 and 0.4-0.6%, nitrates - by 0.5-0.8 and 0.4-0.5%. The role of nitrites in the nitrogen pool of soils in rice fields is small. The application ofnitrogen fertilizers with phosphorus-potassium fertilizers at increased rates (N150P100K75 and N180P120K90) increased the content of easily hydrolyzable nitrogen by 14 and 22 mg/kg in meadow soils and by 6-10 mg/kg in meadow-boggy soils, respectively. The most favourable nitrogen nutrition of plants during the growing season of rice was formed at N150P100K75 and N180P120K90. At these rates, the content of ammonium nitrogen in both soils increased by 4.5-5.4 and6.1-6.8 mg/kg, nitrate nitrogen - by 2.8-3.1 and3.8-3.9 mg/kg respectively.
Keywords: rice (Oryza sativa); meadow soil; meadow-boggy soil; fertilizers; total nitrogen; mineral nitrogen; organic nitrogen.
AuthorDetailis:A. Kh. Sheudzhen, member of the RAS, D. Sc. (Biol.), head of department, head of division (e-mail: ashad.sheudzhen@mail.ru); O. A. Gutorova, Cand. Sc. (Biol.), assoc. prof., leading research fellow (e-mail: oksana.guto-rova@mail.ru); H. D. Hurum, D. Sc. (Agr.), prof.; S. V. Esipenko, Cand. Sc. (Agr.), assoc. prof.; T. A. Illarionova, postgraduate student; P. N. Khachmamuk, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow.
For citation: SheudzhenAKh, Gutorova OA, Hurum HD, et al. [Nitrogen in the soils of rice fields]. Zemledelie. 2020. (8):15-9. Russian. doi: 10.24411/0044-3913-2020-10803.
СсИ 10.24411/0044-3913-2020-10804 УДК 631.481 (452)
Почвенно-биологические основы оценки и повышения плодородия технозёмов и эмбриозёмов на сульфидных отвалах
Ю. В. ПЛУГАТАРЬ, член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук, директор
В. В. КОРЖЕНЕВСКИЙ, доктор биологических наук, главный научный сотрудник М. Л. НОВИЦКИЙ, научный сотрудник (е-таМ: тах1т.поуюк1у@ bk.ru)
Никитский ботанический сад -Национальный научный центр РАН, Никитский спуск, 52, пгт. Никита, Ялта, Республика Крым, 298648, Российская Федерация
Исследования проводили с целью выявления особенностей формирования эмбриозёмов и технозёмов при использовании физико-химического и рельефоформирую-щего способов рекультивации на сульфидных шахтных отвалах. Основная задача этих способов заключается в нейтрализации либо значительном снижении неблагоприятных эдафическихусловий в породе. Работу проводили в2005-2019гг. на отвалах шахт «Першо-травнева» и «Самарская» Днепропетровской области. При рекультивации беззатратным рельефоформирующим способом был создан бугристо-западинный рельеф, благодаря чему со склонов бугров в понижения попадала дополнительная влага от атмосферных осадков и происходил снос мелкодисперсных частиц шахтной породы. Вследствие этого за 20...22года после завершения рекультивации в понижениях сформировалась молодая почва с рН = 5,3.6,9 ед., концентрация токсичного для растений алюминия уменьшиласьдо 4,3 смоль/кг, содержание экстрагируемого углерода увеличилось до 0,5 %. Количество скелетных частиц (фракции > 1 мм) 0 значительно снизилось в среднем до 28 %. ш Малозатратный физико-химический способ л рекультивации путём внесения необходимого ш количества карбонатного суглинка и тщатель- Ш ного перемешивания с породой на глубину 20 и см позволил нейтрализоватьдействие серной Ф кислоты в сульфидной породе. Благодаря этому уже через 6.8 лет после завершения ю рекультивации реакция почвенной среды м становится щелочной (рН=8,4), содержание 2 экстрагируемого углерода увеличивается, по
сравнению с контрольным вариантом, более чем в два раза, количество скелетных частиц снижается на 17 %. Через 12...16 лет после завершения рекультивации отмечено интенсивное накопление органического вещества в верхнем слое и уменьшение количества скелетных частицдо 7%. В результате рекультивации отвалов физико-химическим и ре-льефоформирующим способами произошло формирование технозёмов и эмбриозёмов, что привело к интенсивному протеканию процессов первичной автогенной сукцессии.
Ключевые слова: рекультивация, сульфидная горная порода, автогенная сукцессия, эмбриозёмы, молодая почва, оптимизация, бугристо-западинный рельеф.
Для цитирования: Плугатарь Ю. В., Корженевский В. В., Новицкий М. Л. Почвенно-биологические основы оценки и повышения плодородия технозёмов и эмбриозёмов на сульфидных отвалах // Земледелие. 2020. № 8. С. 19-23. doi: 10.24411/0044-3913-2020-10804
Технический и технологический прогресс развития человечества неминуемо ведёт к различным нарушениям естественных ландшафтных комплексов и формированию так называемых антропогенных экосистем, включающих не только «рукотворные сады», но и обезображенные территории, покрытые различными бытовыми отходами, вскрышной горной породой, твёрдым мусором и др. В результате прямого воздействия изменяется или уничтожается естественный природный рельеф и образуется антропогенный (карьеры, отвалы, шахты, терриконы, плотины, каналы и др.). Антропогенные формы рельефа располагаются среди природных, но они также в той или иной мере преобразуются в связи с воздействием человека на растительность, почвы и другие компоненты ландшафта, сопровождаемым изменением типа и интенсивности природных процессов.
Сегодня предельно ясно: для «человеческого» образа жизни необходим не просто безупречно функционирующий, но и красивый, гармоничный, эстетически совершенный ландшафт, в котором нет более или менее важных элементов. Усилия Homo sapiens должны быть направлены на охрану, восстановление и формирование всех компонентов, составляющих такие ландшафты [1]. В этом случае, наиболее приемлем комплекс работ, подразумевающих их оптимизацию, направленную на восстановление хозяйственной, медико-биологической и эстетической ценности нарушенных компонентов ландшафта. Вариантами ° исправлений нарушений могутвыступать со фитомелиорация и рекультивация. В ^ нашем случае более приемлема рекуль-о тивация, которая, как известно, чаще | всего включает два последовательных этапа - технический и биологический. ® При осуществлении технического этапа S проводят подготовку техногенного суб-$ страта путем планировки поверхности,
формирования безопасных склонов (не превышающих угла естественного откоса) и террас. Последующий биологический этап рекультивации начинается с оценки абиотических условий на месте трансформированного антропогенного ландшафта с последующим подбором видов растений фундаментальные экологические ниши которых, соответствовали бы новым условиям среды.
Шахтные и карьерные отвалы с сульфидными горными породами широко распространены во всех странах мира с развитой горнодобывающей промышленностью. Они содержат фито-токсичные серосодержащие углистые и глинистые сланцы, аргиллиты с включением таких минералов серного ряда, как пирит (РеБ2), халькопирит (СиРеБ2) и др. [2]. Перемещение подобных пород каменноугольного периода палеозоя на дневную поверхность активизирует под влиянием факторов-условий такие процессы, как физическое выветривание, окисление, растворение, гидролиз, гидратация, освобождение большого запаса химической энергии, горение и пыление отвалов [3, 4, 5].
Окисление дисульфидов железа при активном участии тионовых бактерий приводит к образованию серной кислоты и гидролизующихся сульфатов железа и алюминия. При незначительном содержании в породе щелочноземельных металлов развивается высокая обменная и активная кислотность (рН 2...3 ед.), разрушается кристаллическая решётка алюмосиликатов, в результате чего увеличивается концентрация токсичных для растений соединений алюминия, железа, марганца [6, 7, 8].
Сульфидные горные породы в силу этих причин по классификациям А. И. Савича(1974) отнесены к непригодным для использования в сельском и лесном хозяйстве без коренного улучшения [9, 10].
На практике чаще всего реализуется модель рекультивации сульфидных пород способом засыпки («захоронения») их суглинками, глиной, песком слоем 1,0.1,5 м с последующим нанесением на эти экраны 60.80 см плодородной почвы [11, 12, 13]. Это сопряжено с перемещением и отсыпкой 12.18 тыс. м3/га почво-грунтов, что очень дорого, трудоёмко, да и неэкологично.
Из-за острой необходимости увеличения темпов работ по рекультивации, поскольку площади отвалов постоянно растут, ограниченности запасов плодородного мелкозема почв, были разработаны малозатратный физико-химический и беззатратный рельефомоделирующий способы рекультивации сульфидных пород, с использованием которых были рекультивированы шахтные отвалы площадью более 5 га.
В результате применения рельефо-формирующего способа на отвале шахты
«Першотравнева» сформировались эм-бриозёмы (молодая почва), а на отвале шахты «Самарская», рекультивированного физико-химическим способом, -технозёмы [4].
Цель исследований - выявить особенности формирования эмбриозёмов и технозёмов при использовании рельефоформирующего и физико-химического способов рекультивации на сульфидных шахтных отвалах.
Работу проводили с 2005 по 2019 гг на двух стационарных опытно-производственных участках: 1) на вершине трапециевидного отвала закрывающейся шахты «Першотравнева» (г Першотравенск Павлоградского района Днепропетровской области), рекультивированного рельефоформирующим способом в 1998 г на площади 0,8 га; 2) на плоском отвале шахты «Самарская» (расположенной рядом с пгт. Богдановка Павлоградского района Днепропетровской области), рекультивированном в 1997 г малозатратным физико-химическим способом на площади 0,15 га.
После завершения формирования отвала шахты «Першотравнева» на его вершине последовательной отсыпкой шахтной породы автомашинами был смоделирован бугристо-западинный рельеф. В исследования включены 20. 22-летние эмбриозёмы межбугорных понижений (молодые почвы). На этом отвале были выделены эмбриозёмы инициальные, органо-аккумулятивные и дерновые. Для выявления особенностей формирования молодых эмбриозёмов на отвалах в межбугорных понижениях, заросших травами, изучали их физические, физико-химические и химические свойства. Площадь таких понижений на терриконе шахты «Першотравнева» составляла от 3,5 до 10 м2. Проективное покрытие естественной растительности на их поверхности варьировало от 30 до 95 %. Контролем служила сульфидная горная порода, отобранная с не заросших вершин или склонов бугров.
На отвале шахты «Самарская» для ускорения процессов нейтрализации кислотности и улучшения свойств породы был применен малозатратный физико-химический способ рекультивации. Он заключался во внесении и многократной перепашке с оборотом пласта на глубину 20 см карбонатного суглинка и горной породы. Норму отсыпки карбонатного желто-бурого лессовидного суглинка рассчитывали по содержанию Са2+ в суглинке и серы (Зо6щ) общей в сульфидной породе. В среднем на 1 га вносили 800.1000 т суглинка, что значительно дешевле, чем засыпать сульфидную породу слоем 1,0.1,5 м плодородного субстрата. Смеси горной породы и карбонатного суглинка были классифицированы как технозёмы.
Образцы сульфидной горной породы, технозёмов и эмбриозёмов отбирали
1. Основные свойства эмбриозёмов понижений и сульфидной горной породы через 12...15 лет после завершения
рекультивации
Слой, см рН Г" вод 5 б , % общ' Обменная кислотность, смоль/кг Подвижные формы, смоль/кг Экстрагируемый углерод, % Физическая глина, % Скелетность, %
А13+ | Рв3+
Эмбриозёмы понижений
0.20 5,8±0,34 0,12±0,03 0,3±0,06 0,1±0,04 23±0,9 0,4±0,07 42,8±1,0 21±1,9
20.40 6,7±0,36 0,09±0,03 0,1±0,02 0,1±0,03 23±0,8 0,2±0,05 40,8±0,9 36±2,0
40.60 7,9±0,30 0,08±0,03 0,1±0,02 0,1±0,03 20±0,8 0,1±0,03 48,4±1,1 58±1,9
Сульфидная горная порода (контроль)
0.20 3,6±0,30 0,29±0,04 2,8±0,25 24,3±0,8 60±1,7 0,2±0,04 39,2±0,9 52±1,9
20.40 3,5±0,29 0,19±0,02 4,1±0,29 33,7±0,7 45±1,2 0,2±0,03 35,8±0,8 59±2,2
40.60 3,5±0,31 0,20±0,03 3,7±0,20 30,5±0,7 46±1,5 0,2±0,04 39,7±0,8 64±2,0
для анализов по слоям 0.20, 20.40 и 40.60 см. Повторность - 9-кратная, рассчитывали средние значения по этим повторениям и ошибку средних.
При проведении исследований определяли рН водной суспензии, обменную кислотность (как один из показателей кислотности породы), содержание серы общей 5общ), подвижных форм АР+ и Рв3+, экстрагируемого углерода, физической глины (суммы фракций размером < 0,01 мм), скелетных фракций или скелет-ность (суммы фракций размером >1 мм) и плотность сложения мелкозёма как основного вместилища питательных веществ, гумуса и корней растений. При полевых и лабораторных исследованиях использовали общепринятые в почвоведении ГОСТы, ДСТУ и методики.
При выносе на поверхность свеже-отсыпанная сульфидная горная порода характеризовалась различной степенью скелетности, при этом скелет был представлен в основном углистыми сланцами и в меньшей степени - песчаниками. Содержание скелетных фракций (> 1 мм) доходило до 75 %, что обусловлено не столько различной устойчивостью сланцев к выветриванию, сколько смывом мелкозёмистых частиц на периодически обнажаемой поверхности породы по бортам отвалов.
Гранулометрический состав свеже-отсыпанной сульфидной горной породы был беден илом. Преобладала фракция средней пыли, наиболее неблагоприятная в агрономическом смысле и обусловливающая низкую водо- и воздухопроницаемость. В целом для вскрышной породы характерна бесструктурность и распыляемость, высокая плотность сложения (1,85 г/см3) и довольно низкая пористость (27 %).
Порода сильно-солонцеватая, содержит незначительное количество кальция,
концентрация валовой серы доходит до 4 %, засолена легкорастворимыми солями. В незначительных количествах обнаружены экстрагируемый углерод (гумус 0,03 %) и доступные для растений формы азота и фосфора.
Сульфидсодержащие компоненты в породе под воздействием биотических и абиотических факторов окисляются с выделением определённого количества тепла, газообразных веществ, а также серной кислоты, что, в силу высокой агрессивности субстрата, тормозит, а зачастую надолго приостанавливает формирование пионерной растительности.
Создание бугристо-западинного рельефа на вершине сульфидсодержа-щего отвала шахты «Першотравнева» способствовало активизации начальных стадий первичной автогенной сукцессии, ведущих к формированию эмбриозёмов. Уже через 12.15 лет после завершения отсыпки отвала в понижениях на молодой почве сформировались пионерные сообщества растений. По свойствам и количественным показателям эмбрио-зём значительно отличается от сульфидной горной породы (табл. 1). Так, в слое 0.60 см содержание скелета в депрессиях (понижениях) снизилось, по отношению к контролю, в 1,5 раза. Гранулометрический состав молодой почвы и сульфидной породы представлен средним суглинком. В молодой почве преобладают мелко- и крупнопылеватые фракции, в породе - мелкопесчанисто-крупнопылеватые. Преобладание крупной пыли в молодой почве и породе указывает на их подверженность водной и ветровой эрозии, так как эти частицы наиболее эрозионноопасны. В результате на обсуждаемой стадии почвообразования намечается тенденция
к накоплению тонкодисперсных фрак-
2. Основные свойства эмбриозёмов понижений и сульфидной горной
после завершения рекультивации
ций пыли средней и мелкой, и что очень важно - ила, в котором концентрируются вторичные минералы, гумусовые и питательные вещества.
Количество общей серы 5 ) в молодых почвах вдвое ниже, чем в горной породе, что указывает на более интенсивную трансформацию сульфидов железа. В породе продолжается процесс окисления, о чем свидетельствуют кислая реакция субстрата, высокая обменная кислотность и концентрация подвижного алюминия. Кроме того, порода характеризуется низким содержанием гумусовых веществ. В эмбриозёмах произошли процессы раскисления и реакция почвенной среды изменилась до слабокислой и даже слабощелочной, снизились величины обменной кислотности и концентрации подвижного А13+. В верхнем слое накопление гумуса происходит интенсивнее, чем в породе (см. табл. 1).
За 22-летний период после завершения отсыпки шахтной породы на вершине отвала был создан бугристо-западинный рельеф (табл. 2). В результате произошло перераспределение и сортировка породы по фракциям под влиянием гравитации, дефляции, смыва дождевыми и талыми водами, а также контрастного водного и температурного режимов.
В силу этих причин и из-за выветривания скелетность в контрольном варианте в слое 0.60 см доходит до 69 %, а в среднем величина этого показателя составляет более 60 %. В понижениях она уменьшается до 3.38 %. Изучение послойного распределения скелетных и мелкоземистых фракций показало, что скелетность по всем элементам мезорельефа нарастает сверху вниз, а количество мелкозема - снизу вверх. Наибольшее количество мелкозема накапливается в западинах, где его за-породы через 20.22 года
Слой, см рН вод 5 б , % общ Обменная кислотность, смоль/кг Подвижные формы, смоль/кг Экстрагируемый углерод, % Физическая глина, % Скелетность, %
А13+ | Рв3+
Эмбриозёмы понижений
0. 20 5,3±0,38 0,10±0,04 0,4±0,04 2,0±0,03 74±2,0 0,5±0,35 53,8±1,7 14±0,9
20. 40 5,9±0,40 0,08±0,02 0,2±0,02 4,0±0,03 64±1,9 0,3±0,32 53,3±1,5 26±0,8
40. 60 6,9±0,41 0,03±0,02 0,1±0,02 7,1±0,04 80±2,0 0,3±0,32 49,5±1,5 45±1,0
Сульфидная горная порода (контроль)
0. 20 3,5±0,33 0,20±0,03 2,3±0,21 36,3±0,87 100±5,1 0,2±0,02 47,2±2,8 52±1,9
20. 40 3,5±0,34 0,17±0,02 3,5±0,30 39,6±0,72 80±4,3 0,1±0,02 39,8±2,2 59±2,5
40. 60 3,5±0,35 0,18±0,02 3,8±0,30 39,7±0,81 80±4,3 0,1±0,02 39,7±2,5 64±2,8
(О Ф
Ш, ь
Ф
д
ф
ь
Ф
00
О м о
пасы в слое 0.. .60 см в 1,5 выше, чем в контрольном варианте (соответственно 5103 и 3260 т в расчете на 1 га). Это подтверждает снос преимущественно мелкоземистого материала в понижения, хотя поступает в них и небольшое количество скелетных фракций.
Одно из важнейших в экологическом отношении физических свойств почвы - плотность сложения. Она влияет на распределение корней по профилю. Плотность сложения мелкозема в понижениях во всех вариантах в слое 0. 20 см составляла 1,03.1,10 г/см3, а ниже доходила до 1,40 г/см3. Контроль (горная порода) в свою очередь характеризовался высокой плотностью сложения -1,41.1,54 г/см3.
Особенности водного режима определяют многие свойства и параметры почвы, один из наиболее важных - общая порозность. От неё зависят воздухо-емкость и влагоемкость, испарение, водопроницаемость. Наилучшая общая порозность отмечена у эмбриозёма в слое 0.40 см, в слое 40.60 см она была хорошей по шкале Качинского, а сульфидная горная порода по этой шкале обладала удовлетворительной порозностью.
Гранулометрический состав мелкозема молодых почв межбугорных понижений и горной породы был неоднородным и варьировал от легкоглинистого до среднесуглинистого. В понижениях преобладали мелко- и крупнопылеватые фракции, в горной породе - песчано-крупнопылеватые частицы. Количество илистых фракций и пыли мелкой в породе было меньше, чем в почвах понижений, на 2.6 % и 4.14 % соответственно.
По содержанию физического песка, физической глины, ила и пыли мелкой наиболее благоприятной сбалансированностью этих гранулометрических частиц отличались эмбриозёмы с соотношением соответственно 1: 2: 2, тогда как в горной породе оно составляло 1: 1,5: 1. Водно-физические свойства и агрофизические показатели почв понижений были более благоприятны [14].
Содержание серы валовой в эм-бриозёмах понижений снизилось по отношению к горной породе в 2,5 раза и в среднем составило соответственно 0,07 и 0,18 %. Это свидетельствует о том, что в горной породе всё ещё интенсивно протекают процессы окисления и развивается в различной степени кислотный комплекс (см. табл. 2). ^ Через 22 года после вынесения по° роды на поверхность процессы окис-оо ления всё ещё незначительно проте-^ кали, о чём свидетельствуют величины о» рН водной суспензии. Молодая почва | обладала неоднородной реакцией почвенной среды, которая изменялась от ® кислой до нейтральной, а на вершине 5 бугра она была сильнокислой по всему $ профилю.
3. Основные свойства технозёмов и сульфидной горной породы через 6...8 лет после завершения рекультивации
Слой, см рНвод Обменная кислотность, смоль/кг Подвижные формы АР+, смоль/кг СаС03, % Экстрагируемый Скелет- ность, % Физическая Плотность сложения мелкозёма, г/см3
углерод, % глина, %
Технозёмы
0.20 8,5±0,4 0 0 3,0±0,4 0,10±0,02 15±2,5 43,0±1,7 1,25±0,9
20.40 7,9±0,3 0 0 1,9±0,4 0,07±0,02 63±1,9 43,6±1,9 1,28±1,1
40.60 7,8±0,3 0 0 2,7±0,5 0,06±0,02 67±2,0 40,0±2,0 1,34±0,9
Сульфидная горная порода (контроль)
0.20 5,4±0,4 0,05±0,02 0,2±0,02 0 0,04±0,02 51± 46,0±1,8 1,26±1,1
20.40 4,8±0,4 0,3±0,02 1,8±0,03 0 0,03±0,02 69± 45,5±1,9 1,54±1,2
40.60 6,9±0,2 0 0 0 0,02±0,02 76± 44,5±1,8 1,56±0,9
Кроме того, в сульфидной горной породе при кислой реакции среды появляется подвижный алюминий, концентрация которого достигала 40 смоль/кг что токсично для растений [8]. Вместе с поглощенным водородом алюминий обусловливает обменную кислотность. В молодой почве понижений его было в несколько раз меньше, чем в породе. В понижениях обменная кислотность была низкой и с глубиной уменьшалась. При этом в породе она в среднем составляла 3,2 смоль/кг что свидетельствует об интенсивном течение процессов окисления. Мы установили, что обменная кислотность породы и молодой почвы определяется, в основном, обменным алюминием (г=0,91; п=43), при этом сам алюминий и обменная кислотность с содержанием общей серы не коррелируют.
Несколько другую картину наблюдали после внесения карбонатного суглинка и его перемешивания с сульфидной горной породой на отвале шахты «Самарская». Улучшение ряда свойств и показателей отмечали уже через 6.8 лет (табл. 3). При этом сульфидная горная порода всё ещё оставалась сильноскелетной и содержала в слое 0.60 см 65 % каменисто-щебенчатых и плотных хрящеватых отдельностей. Смешивание породы с карбонатным суглинком «разбавило» скелетность шахтной породы. Разумеется, чем меньше в породе или в субстрате скелета, тем выше запасы мелкозёмистых фракций (размером менее 1 мм) - основного вместилища влаги и питательных веществ.
Гранулометрический состав вскрышной породы можно характеризовать как тяжелосуглинистый с преобладанием
мелко- и крупнопылеватых фракций (18 и 33 %) при содержании 15 % илистых частиц. Внесение и перемешивание суглинка с породой несколько уменьшило количество физической глины, но увеличило содержание ила до 19 %, что заметно обогатило субстрат вторичными минералами и увеличило его поглотительную способность, что, в целом, интенсифицировало физико-химические процессы.
По плотности сложения мелкозёма вариант горная порода + карбонатный суглинок был значительно лучше контроля, особенно начиная со слоя 20.40 см и глубже, где величина этого показателя в контрольном варианте превышала допустимые нормы [14].
Реакция водной суспензии породы была сильнокислой и кислой, концентрация подвижного алюминия и обменная кислотность - невысокими. Это позволяет судить о том, что в породе только начал развиваться кислотный комплекс. Слой 40.60 см оказался в меньшей степени затронут процессами окисления. Реакция среды окарбоначенной породы была щелочной. Можно предположить, что внесение карбонатного мелиоранта нейтрализовало действие серной кислоты.
Сульфидная порода была значительно беднее гумусовыми веществами, чем окарбоначенная. Через 12.16 лет после внесения карбонатного суглинка и перемешивания с породой содержание скелета, по сравнению с предыдущими годами исследований, значительно уменьшилось, увеличилась концентрация гумусовых веществ и ила, произошла усадка корнеобитаемого слоя, что привело к уплотнению верхней части
16
4. Основные свойства технозёмов и сульфидной горной породы через 12. лет после завершения рекультивации
Слой, см рН ^ вод. Обменная кислотность, смоль/кг Подвижные формы АР, смоль/кг СаС03, % Экстрагируемый углерод, % Скелетность, % Физическая глина, % Плотность сложения мелкозёма, г/см3
Технозёмы
0.20 8,55±0,3 0,2±0,02 0 3,66±0,5 0,7±0,03 8,0±0,3 50,0±1,9 1,41±0,9
20.40 8,44±0,3 0,2±0,02 0 3,33±0,5 0,3±0,03 4,0±0,3 58,8±2,0 1,30±0,8
40.60 8,53±0,2 0,2±0,02 0 3,40±0,6 0,3±0,03 10,0±0,3 60,1±1,5 1,32±0,9
Сульфидная горная порода (контроль)
0.20 3,5±0,3 2,82±0,03 18,5±0,6 0 0,2±0,02 24,0±1,2 45,2±1,8 1,46±0,7
20.40 4,1±0,4 1,15±0,02 12,5±0,7 0 0,2±0,03 28,0±1,3 43,6±1,7 1,52±0,9
40.60 4,1±0,3 1,15±0,03 12,3±0,7 0 0,1±0,02 35,0±1,2 43,2±1,8 1,52±0,9
профиля (табл. 4). Запасы мелкозёма в полуметровом слое технозёма были на 1817 т/га больше, чем в контрольном варианте.
Сульфидная горная порода с привнесением карбонатного суглинка через 12.16 лет по своим свойствам и показателям стала пригодна для формирования растительных сообществ разного флористического состава. Без использования этого способа рекультивации она всё ещё обладала высокой скелетностью и плотностью сложения, а также характеризовалась течением окислительных процессов, что видно из количества подвижного А13+ и реакции среды. Содержание гумусовых веществ в породе было в 2,5 раза меньше, чем в окарбоначенном субстрате.
Таким образом, рельефоформирую-щий способ рекультивации сульфидных отвалов, предусматривающий создание бугристо-западинного рельефа, способствует дополнительному привнесению мелкозема и влаги в понижения, вследствие чего через 12...16 лет формируется среднескелетный слабогумусированный эмбриозём со слабокислой реакцией среды и пониженной концентрацией подвижного алюминия, что позволяет развиваться травянистой растительности. Через 22 года образуется молодая почва с нейтральной реакцией среды, скелетно-стью в среднем в слое 0.60 см до 28 %, низкой концентрацией подвижного алюминия (до 4,3 смоль/кг) и увеличением содержания экстрагируемого углерода до 0,5 %. Она пригодна для произрастания древесно-кустарниковой растительности, что, в свою очередь, дает основание считать период 20.22 года оптимальным для начала биологического этапа рекультивации.
Физико-химический способ, основанный на тщательном смешивании сульфидсодержащих пород с карбонатным суглинком, уже через 6.8 лет обеспечивает формирование технозё-мов, пригодных для проведения биологического этапа рекультивации путем высаживания не только травянистой, но и древесно-кустарниковой растительности. Такие технозёмы в слое 0.20 см характеризуются щелочной реакцией среды, содержат до 0,1 % экстрагируемого углерода и 15 % скелетных частиц. Через 12.16 лет после завершения рекультивации в верхнем слое техноземов происходит еще более интенсивное (до 0,7 %) накопление органического вещества и уменьшение количества скелетных частиц до 7 %.
Физико-химический способ позволяет более чем в 2 раза ускорить начало биологического этапа рекультивации сульфидных отвалов. Преимущество ре-льефоформирующего способа состоит в его низкой затратности.
Литература.
1. Плугатарь Ю. В., Корженевский В. В. Создание и оптимизация защитных насаждений в Крыму // Бюл. ГНБС. 2014. Вып. 113. С. 7-17.
2. Дмитракова Я. А., Абакумов Е. В. Восстановление почвенно-растительного покрова на участках рекультивации Кингисеппского месторождения фосфоритов // Почвоведение. 2018. № 5. с. 630-640. doi: 10.7868/ S0032180X18050118.
3. Трансформация и загрязнение почв в районах добычи железных руд (обзор литературы) / И. В. Замотаем, И. В. Иванов, П. В. Михеев и др. // Почвоведение. 2017. № 3. С. 370-384. D0I:10.7868/S0032180X17030121.
4. Андроханов В. А., Курачев В. Н. Почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов: динамика и оценка. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. 224 с. ISBN 978-5-76921084-6.
5. Сёмина И. С., Андроханов В. А., Куляпина Е. Д. Опыт использования отходов углеобогащения для рекультивации нарушенных участков // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 9. С. 159-175. doi: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-159-175.
6. Динамика сукцессионных процессов на сульфидсодержащих шахтных отвалах в результате их оптимизации / Ю. В. Плугатарь,
B. В. Корженевский, Н. Е. Опанасенко и др. // Биология растений и садоводство: теория, инновации. 2019. № 1 (150). С. 13-22. doi: 10.36305/2019-1-150-13-22.
7. Водяницкий Ю. Н., Шоба С. А. Магнитная восприимчивость как индикатор загрязнения тяжелыми металлами городских почв (обзор литературы) // Вестник Московского университета. Серия 17: почвоведение. 2015. №1
C. 13-22.
8. Махонина Г. И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2003. 355 с.
9. Савич А. И. К вопросу о классификации вскрышных пород для биологической рекультивации // Проблемы рекультивации земель в СССР. Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1974. С. 124-130.
10. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 184 с.
11. Опыт создания опытно-производственной площадки по рекультивации нарушенных земель на разрезе «Заречный» АО «СУЭК-КУЗБАСС» / В. А. Андроханов, А. Т Лавриненко, И. Н. Госсен и др. // Уголь. 2019. № 12 (1125). С. 60-65.
12. Архипов А.В., Земцовская Е.В. Возможность рекультивации породных отвалов в условиях заполярья и влияние рекультивации на отвалообразование / Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 4. С 110-121.
13. Динамика растительного сообщества и микробиома хроносерий посттехногенных почв в известняковом карьере в условиях рекультивации / Я. А. Дмитракова, Е. В. Абакумов, Е. В. Першина и др. // Сельскохозяйственная биология. 2018. Т 53. № 3. С. 557-569. doi: 10.15389/agrobiology.2018.3.557rus.
14. Новицкий М. Л., Плугатарь Ю. В. Водно-физические свойства эмбриозёмов в понижениях и сульфидной горной породы на отвалах шахт Западного Донбасса // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада. 2019. №131. С. 9-15. doi:10.25684/NBG. boolt.131.2019.01.
Soil and biological basis for assessing and increasing the fertility of technosol and embryozem on sulfide dumps
Yu. V. Plugatar, V. V. Korzhenevsky, M. L. Novitsky
Nikitskii Botanical Garden - National Scientific Center of the RASciences, Nikitskii spusk, 52, pgt. Nikita, Yalta, Respublika Krym, 298648, 298648, Russian Federation
Abstract. The work aimed to identify the formation peculiarities of embryozems and technosols when using physicochemical and relief-forming methods of reclamation on sulfide mine dumps. The main task of these methods is to neutralize unfavourable edaphic conditions in the rock or to significantly reduce them. The studies were carried out from 2005 to 2019 on the dumps of the mines "Pershotravneva" and "Samarskaya" in the Dnepropetrovsk region. During reclamation by a cost-free relief-forming method, a hummock-and-hollow topography was created, due to which additional moisture from atmospheric precipitation got from the slopes of the hills into the depressions and fine particles of mine rock were demolished. 4s a result, in 20-22 years after the completion of reclamation, a young soil with pH = 5.3-6.9 was formed in the depressions, the concentration of aluminium, toxic to plants, decreased to 4.3 cmol/kg, the content of extracted carbon increased to 0.5%. The number of skeletal particles (the fractions with the size of more than 1 mm) significantly decreased on average by 28%. The low-cost physicochemical method of reclamation made it possible to neutralize the action of sulfuric acid in the sulfide rock by introducing the required amount of carbonate loam and thorough mixing with the rock to a depth of 20 cm. Due to this, in 6-8 years after the completion of reclamation, the reaction of the soil medium became alkaline (pH = 8.4), the content of extracted carbon was more than doubled compared to the control variant, the number of skeletal particles reduced by 17%. Already in 12-16 years after the completion of reclamation, there was an intensive accumulation of organic matter in the upper layer, the number of skeletal particles decreased to 7%. As a result of dumps reclamation by physicochemical and relief-forming methods, the formation of technosols and embryozems occurred, which led to intensive processes of primary autogenous succession.
Keywords: reclamation; sulfide rock; autogenous succession; embryozems; young soil; optimization; hummock-and-hollow topography.
Author Details: Yu. V. Plugatar, Corre- f sponding member of the RAS, D. Sc. (Agr.), e director; V. V. Korzhenevsky, D. Sc. (Biol.), S chief research fellow; M. L. Novitsky, research ° fellow (e-mail: maxim.novickiy@bk.ru). 0
For citation: PlugatarYuV, Korzhenevsky u VV, Novitsky ML [Soil and biological basis o for assessing and increasing the fertility of Z technosol and embryozem on sulfide dumps]. w Zemledelie. 2020. (8):19-23. Russian. doi: 2 10.24411/0044-3913-2020-10804. °
■ O
