CC BY
1
УДК 631.481 Б01: 10.24412/1816-1863-2024-3-54-59
ПОЧВО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
НА ОТВАЛАХ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД КАМЕННОУГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЮЖНОЙ ЯКУТИИ
А. А. Петров, к. б. Н.у с. н. с. НИИ прикладной экологии Севера
им. проф. Д. Д. Саввинова СВФУ, [email protected], г. Якутск, Россия,
Г. Н. Саввинов, д. б. н., г. н. е., директор НИИ прикладной экологии Севера
имени профессора Д. Д. Саввинова СВФУ, [email protected], г. Якутск, Россия,
С. И. Миронова, д. б. н., профессор, г. н. е., НИИ прикладной экологии Севера
имени профессора Д. Д. Саввинова СВФУ, [email protected], г. Якутск, Россия
В статье рассматриваются вопросы почво-восстановительных процессов в посттехногенных ландшафтах Южной Якутии. Исследованы разновозрастные отвалы вскрышных пород, сформированные при разработке каменноугольных месторождений. Целью данной работы является определение потенциала к самовосстановлению почвенного покрова. Согласно классификации молодых почв техногенного ландшафта, выделены и охарактеризованы классы и типы молодых почв. Приводятся результаты анализа корреляционных связей и пределов колебаний основных физико-химических показателей молодых почв. Выявлено, что отвалы угольных месторождений Южной Якутии обладают удовлетворительным потенциалом для протекания почво-восстанови-тельных процессов. Исходя из этого, авторы предлагают рекомендации по проведению биологического этапа рекультивационных мероприятий.
The article discusses issues of soil restoration processes in post-teclmogenic landscapes of Southern Yakutia. Overburden dumps of different ages formed during the development of coal deposits were studied. The purpose of this work is to determine the self-healing potential of the soil cover. According to the classification of young soils of the technogenic landscape, classes and types of young soils are identified and characterized. The results of an analysis of correlations and limits of fluctuations in the main phys-icochemical parameters of young soils are presented. It was revealed that the dumps of coal deposits in Southern Yakutia have satisfactory potential for soil restoration processes. Based on this, the authors offer recommendations for carrying out the biological stage of reclamation measures.
Ключевые слова: отвалы угледобычи, техногенный ландшафт, элювиоземы, эмбриоземы, восстановление почвенного покрова, почвообразование.
Keywords: coal mining dumps, technogenic landscape, eluviozems, embryozems, soil restoration, soil formation.
54
Введение
Угледобывающая промышленность — одна из традиционных базовых отраслей экономики Республики Саха (Якутия). Прогнозные ресурсы углей Южно-Якутского угольного бассейна оцениваются более 40,0 млрд т [1]. В настоящее время в Южной Якутии активно разрабатываются такие крупные месторождения, как «Не-рюнгринский», «Денисовский» и «Ина-глинский». Добыча каменного угля производится преимущественно открытым способом, что предполагает большие объемы вскрышных работ, в результате которых формируются крупные карьерно-отваль-ные комплексы. В этих техногенных ланд-
шафтах уничтожен почвенный и растительный покров, сформирован неорельеф из техногенного делювия или элюво-де-лювия. Даже после окончания техногенной фазы эти техногенные ландшафты продолжают негативно влиять на окружающую среду, являясь источником загрязнений. С развитием начальных стадий сукцессии и почвообразовательных процессов и негативное воздействие горных работ на экосистемы существенно уменьшается.
Целью исследований является определение потенциала к самовосстановлению почвенного покрова отвалов вскрышных пород каменноугольных месторождений Южной Якутии.
Материалы и методы исследований
Район исследований расположен в бассейне среднего течения реки Чульман — левого притока реки Тимптон, в пределах Приалданской горнотаежной почвенной провинции Якутии. Исследованы отвалы вскрышных пород, которые были сформированы при разработке Инаглинского и Денисовского месторождений каменного угля.
Климат района резкоконтинентальный. Сумма среднегодовых осадков составляет 500—600 мм. Район исследований находится в зоне прерывистого распространения многолетнемерзлых пород (50—60 %) с мощностью 50—100 м [2].
Техногенный ландшафт чаще всего представляет собой экоклин, внедренный в экосистему, который в постгехноген-ную фазу функционирует под воздействием естественных факторов, и его антропо-генность является стартовой спецификой генезиса [3]. В эту фазу развития естественные процессы начинают преобладать над антропогенными. И под воздействием естественных факторов почвообразования в техногенных ландшафтах формируется специфический почвенный покров с ограниченным набором экологических функций [4].
Для изучения почво-восстановитель-ных процессов был исследован процесс почвообразования на разновозрастных отвалах вскрышных пород Южной Якутии, образованных при открытой разработке месторождений каменного угля.
Почвообразовательный процесс в посттехногенных ландшафтах протекает под воздействием естественных факторов. Поэтому для изучения молодых почв и почвообразовательного процесса использовали такие же методы и подходы, которые применяются для изучения естественных почв
[5—8]. Аналитические исследования почвенных образцов были проведены в ла- ее1 боратории физико-химических методов 8 анализа НИИПЭС СВФУ (аттестат ак- о кредитации КА.ЬШ.210В48 от 30.11.2020). о Кроме методов изучения почв, были ис- ^ пользованы программные обеспечения для статистических расчетов 81аЙ8Йса 10.0. В настоящей работе мы придерживались профильно -генетической классификации почв техногенных ландшафтов [3, 9].
В Нерюнгринском районе нами исследованы почво-восстановительные процессы на отвалах открытой разработки каменного угля, где не были проведены рекультивационные работы. На момент исследований возраст отвалов составлял от 1—10 лет. Их тела сложены из мергелей, алевролитов и каменного угля. По своим параметрам они имеют трапециевидную форму (одно- или многоярусную) с относительно выровненной поверхностью на вершине трапеции. В соответствии с классификацией нарушенных земель (ГОСТ 17.5.1.02—85) эти отвалы относятся к высоким (У;ср = 30—40 м) [10].
Результаты и обсуждение
Согласно классификации почв техногенных ландшафтов [9], нами выделены классы литогенно-неразвитых и биоген-но-неразвитых почв, которые подразделяются на три типа (табл. 1).
Класс: Литогенно-неразвитые почвы.
Тип: Элювиоземы инициальные. Особенностью инициальной стадии развития элювиоземов на угольных отвалах является то, что горные породы под воздействием внешних факторов начинают быстро выветриваться. При этом происходит постепенное накопление слоя с преобладанием мелкозема (частиц >3 мм), и в дальнейшем почвообразовательный процесс при-
Таблица 1
Систематический список молодых почв и грунтов отвалов вскрышных пород карьеров добычи каменного угля
Ствол Класс Тип Формула профиля
Постлитогенные Литогенно-неразвитые Элювиоземы инициальные д
Биогенно-неразвитые Эмбриоземы инициальные с
Эмбриоземы органо-аккумулятивные Ао + С
55
О ^
(Г)
о
CD
14 12
Й? -¿10 2 5 - 8 о
^ 6 ГЗ
5 4 м
s 1
е 2
о
и'
Типы
Типы
о
□
П н £ -
□
_L
эди ЭмИ ЭмОА зп
7,0 6.5 6,0 5,5 Р. 5.0 4.5 4,0 3,5
0,8 0.7 0.6
0,5 | 0.4 ^ 0,3 0,2 0,1 0.0
ЭлИ
Типы
ЭмИ
ЭмОА
Типы
.Ля
6v*39c
□ Median П 25 %—75 % J Non-Outlier Range ° Outliers Extremes
Рис. 1. Пределы колебаний основных показателей молодых почв отвалов добычи каменного угля Чульманской впадины: ЭлИ — элювилземы инициальные; ЭмИ — эмбриоземы инициальные; ЭмОА — эмбриоземы органо-акку-мулятивные; ЗП — зональные почвы
□
обретает характер развития молодых почв из класса биогенно-неразвитых. Иными словами, в инициальной стадии развития элювиоземов происходит подготовка субстрата для развития эмбриоземов. Инициальная стадия развития элювиоземов длится 2—7 лет, в зависимости от состава и структуры горных пород.
Профиль элювиоземов инициальных не имеет органогенных горизонтов. Поверхность практически лишена растительного покрова, но встречаются единичные экземпляры сорной растительности.
Поверхностный слой элювиоземов инициальных состоит из массивно-кристаллических, грубообломочных, сцементированных горных пород. В результате выветривания горных пород между камнями накапливается незначительное ко- личество мелкозема, который имеет рых-5 ■ ло-песчаный гранулометрический состав.
Реакция среды слабокислая (рН 6,0—6,6). Высокое содержание биогенных элементов (Сорг - 4,5 %, Мобщ - 0,475 %) (рис. 1) объясняется содержанием частиц каменного угля и каменноугольной пыли.
Класс: Биогенно-неразвитые почвы.
Как отмечено, тело отвалов состоит из пород, которые быстро разрушаются в процессе гипергенеза, и при накоплении достаточного количества мелкозема начинают свое развитие молодые почвы из класса биогенно-неразвитых почв.
Первую стадию развития биогенно-неразвитых почв представляют эмбриоземы инициальные, у которых в профиле отсутствует органогенный горизонт. Поверхность отвалов занимают рудеральные виды растений с проективным покрытием лишь до 20 %. В инициальной стадии развития эмбриоземов не происходит педо-генное преобразование субстрата. В этот
Таблица 2 _
Корреляционная матрица свойств молодых почв добычи каменного угля а>
Таксоны Физ. глина, % рН Соргэ % Чбщ, % стс
Типы 1,00
Физ. глина, % 0,25 1,00
рН -0,82 -0,22 1,00
С % 0,76 0,33 -0,63 1,00
N064, % 0,32 0,33 -0,36 0,18 1,00
стс -0,02 0,07 -0,03 0,13 0,10 1,00
период формируются растительные сообщества. Только при достижении достаточного уровня развития фитоценоза происходит переход на органо-аккумулятивную стадию развития эмбриоземов.
В строении профиля эмбриоземов инициальных не выделяются органогенные горизонты. Поверхностные грунты представлены слоем С, состоящим из мелкозема и камней с мощностью до 20 см, который обладает легким гранулометрическим составом. Реакция среды в основном слабокислая (рН 5,4—6,3). Содержание биогенных элементов высокое, содержание общего углерода колеблется в пределах 2,1—5,7 %, а содержание общего азота колеблется в пределах 0,1—0,7 % (рис. 1). Высокое содержание биогенных элементов передается от частиц каменного угля [10].
Отсутствие фитотоксичности и благоприятные литогенные условия в дальнейшем позволяют быстро заселить поверхность отвалов устойчивым растительным сообществам. И при достаточно активном развитии фитоценоза эмбриоземы достигают органо-аккумулятивной стадии эволюционного развития. На исследованных нами отвалах эмбриоземы органо-акку-мулятивные можно выделить уже на четвертый год после окончания техногенной фазы развития отвалов.
В органо-аккумулятивную стадию развития эмбриоземов происходит накопление растительных остатков на поверхности отвалов и накопление пула микроорганизмов-деструкторов [11].
Эти молодые почвы развиваются под травянистыми и древесными растительными ассоциациями, проективное покрытие которых составляет 60—100 %. В морфологическом строении эмбриоземов ор-гано-аккумулятивных выделяется орга-
ногенный горизонт Ад, который является типодиагностическим признаком выделения данного таксона. Мощность минеральной части этих молодых почв достигает 25 см. Слой не дифференцируется на четко выраженные слои. Гранулометрический состав мелкозема супесчаный. Реакция среды слабокислая (рН 5,4—5,5). Из-за наличия частиц и пыли каменного угля эмбриоземы обладают высоким содержанием биогенных элементов (Сорг — 5,5-5,9 %, ]Чобщ — 0,3—0,7 %). Молодые почвы обеспечены обменными основаниями и подвижным фосфором (рис. 1). Эта стадия развития эмбриоземов лимитируется недостаточным количеством организмов-деструкторов [11].
Проведенный нами анализ корреляционных связей между основными физико-химическими показателями молодых почв отвалов каменноугольных месторождений региона показал достоверную связь (свыше 0,5) между следующими показателями: таксоны — рН (—0,82); таксоны — Сорг, % (0,76), рН - Сорг, % (-0,63) (табл. 2). Анализ пределов колебаний основных показателей молодых в сравнении с зональными почвами показал достоверное отличие по реакции среды и содержанию органического углерода, что указывает на низкий уровень педогенного преобразования.
Выводы
Отвалы угольных месторождений Южной Якутии обладают благоприятными литогенными условиями для протекания почвообразовательных процессов. Эти отвалы сформированы из горных пород, которые быстро выветриваются в условиях гипергенеза. На их поверхности
57
О ^
(Г)
о
CD
образуется рыхлый слой, на котором начинают свое развитие биогенно-неразви-тые почвы. Исходные грунты содержат углистые частицы, которые также благоприятно влияют на почвообразовательный процесс.
Благодаря вышеуказанным факторам эмбриоземы Южной Якутии за прагматически приемлемый срок достигают органо-аккумулятивной стадии развития. А дальнейшая их динамика развития не описана в силу незначительного времени почвообразования на исследованных отвалах.
В целом, на отвалах Южной Якутии рекультивационные мероприятия должны быть направлены, прежде всего, на сни-
жение отрицательного влияния посттехногенных ландшафтов на окружающую среду. Исходя из того, что грунты изученных отвалов обладают удовлетворительным потенциалом к самовосстановлению, биологический этап рекультивационных мероприятий можно провести без дополнительного внесения потенциально плодородных пород или плодородных слоев почвы. В то же время мероприятия могут быть направлены на ускорение и стимуляцию процесса самовосстановления путем формирования устойчивых растительных сообществ при внесении оптимальных норм минеральных и органических удобрений.
Библиографический список
1. Сальва А. М. Состояние и перспективы развития угольной промышленности Республики Саха (Якутия) // Science Time. - 2014. - № 7. - С. 368-375.
2. Фотиев С. М. Поземные воды и мерзлотные породы Южно-Якутского угленосного бассейна. — М.: Наука, 1965. - 230 с.
3. Гаджиев И. М., Курачев В. М. Генетические и экологические аспекты исследования и классификации почв техногенных ландшафтов // Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. — 1992. - С. 6-15.
4. Андроханов В. А. Почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов: динамика и оценка: специальность 03.00.27: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. — Новосибирск, 2005. — 32 с.
5. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. — М.: Изд-во МГУ, 1970. — 244 с.
6. Агрохимические методы исследования почв. — М., 1975. — 656 с.
7. Воробьева JI. А. Химический анализ почв. — М.: Изд-во МГУ, 1998.
8. Вадюнина А. Ф., Корчагина 3. С. Методы исследования физических свойств почв. — М.: Агро-промиздат, 1986. — 415 с.
9. Курачев В. М., Андроханов В. А. Классификация почв техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. — 2002. — № 3. — С. 255—261.
10. Петров А. А. Почвенный покров бассейна ручья Дежневка Чульманской впадины и его трансформация при добыче каменного угля // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. - 2020. - № 6 (80). - С. 20-33.
11. Петров А. А. Особенности почвенно-восстановительных процессов в посттехногенных ландшафтах Западной Якутии: автореф. дис. ... канд. биол. наук / НИИПЭС СВФУ. — Якутск, 2013. — 22 с.
SOIL RESTORATION PROCESSES ON COAL DEPOSIT DUMPS IN SOUTHERN YAKUTIA
A. A. Petrov, Ph. D. (Biology), Senior Researcher of the Re-search Institute of Applied Ecology of the NEFU, [email protected], Yakutsk, Russia,
G. N. Sawinov, Dr. Habil. (Biology), Chief Researcher-Director of the Research Institute of Applied Ecology of the NEFU, [email protected], Yakutsk, Russia,
S. I. Mironova, Chief Researcher, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Professor, Research Institute v of Applied Ecology of the North, North-Eastern Federal University, [email protected], ' ® Yakutsk, Russia
№3, 2024
References
CD'
Sal'va, A. M. Sostoyanie i perspektivy razyitiya ugolnoj promyshlennosti Respubliki Saha (Yakutiya) [The
state and prospects of development of the coal industry of the Republic of Sakha (Yakutia)]. Science Time. 2014. № 7. P. 368-375 [in Russian],
2. Fotiev S. M. Groundwater and permafrost rocks of the South Yakut coal basin [Groundwater and permafrost rocks of the South Yakut coal basin]. M., Nauka, 1965, 230 p. [in Russian].
3. Gadzhiyev I. M., Kurachev V. M. Geneticheskiye i ekologicheskiye aspekty issledovaniya i klassifikatsii pochv tekhnogennykh landshaftov [Genetic and ecological aspects of the study and classification of soils in technogenic landscapes]. Ekologiya i rekul'tivatsiya tekhnogennykh landshaftov. Novosibirsk, Nauka, 1992. P. 6-15.
4. Androkhanov V. A. Pochvenno-ekologicheskoye sostoyaniye tekhnogennykh landshaftov: dinamika i otsenka [Soil-ecological state of technogenic landscapes: dynamics and assessment]. Avtoreferat diss. dok. biol. nauk. Novosibirsk, 2005. 32 p. [in Russian].
5. Arinushkina E. V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv [Guide to chemical analysis of soils]. Moscow: Izd-vo MGU, 1970 [in Russian],
6. Agrohimicheskie metody issledovaniya pochv [Agrochemical methods of soil research], M., 1975. 656 p. [in Russian]
7. Vorob'eva L. A. Himicheskij analiz pochv [Chemical analysis of soils]. M., Izd-vo MGU, 1998 [in Russian].
8. Vadyunina A. F., Korchagina Z. S. Metody issledovaniya fizicheskih svojstv pochv [Methods of research of physical properties of soils]. Moscow: Agropromizdat, 1986 [in Russian].
9. Kurachev V. M., Androhanov V. A. Klassifikaciya pochv tehnogennyh landshaftov [Classification of soils of technogenic landscapes]. Sibirskij ekologicheskij zhurnal [Siberian ecological journal]. 2002. № 3. P. 255—261 [in Russian],
10. Petrov A. A. Pochvennyy pokrov basseyna ruch'ya Dezhnevka Chul'manskoy vpadiny i yego transformatsiya pri dobyche kamennogo ugly a [Soil cover of the Dezhnevka stream basin of the Chulman depression and its transformation during coal mining]. Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta im. M. K. Ani-mosova. 2020. № 6 (80). P. 20-33 [in Russian],
11. Petrov A. A. Osobennosti pochvenno-vosstanovitel nykh protsessov v posttekhnogennykh landshaftakh Zapad-noy Yakutii [Features of soil restoration processes in post-technogenic landscapes of Western Yakutia]. Av-toref. dis. kand. biol. nauk / NIIPES SVFU. Yakutsk, 2013. 22 p. [in Russian],
59
