CC BY
37
Д.А. Соколов
СПЕЦИФИКА НАКОПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФРАКЦИЙ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПРОДУКТОВ В ЭМБРИОЗЕМАХ КУЗБАССА
Изучены особенности накопления и распределения фракций восстановленных продуктов в почвах инициальной, органоаккумулятивной, дерновой и гумусово-аккумулятивной стадий почвообразования в техногенных ландшафтах Кузбасса. Рассматриваются вопросы происхождения фракций, а также значимость вторичных, педогенных восстановленных продуктов в трансформации исходных (первичных), литогенных окислительно-восстановительных систем.
Предприятия угольной промышленности в Кузбассе выносят на поверхность 1,5 млрд т в год восстановленной глубинной породы. В частности, в толще породы, вскрываемой при открытой разработке месторождения, зона восстановления начинается с глубины 6-7 м. Отсюда следует, что практически все 1,5 млрд т породы, вынесенные на поверхность, являются восстановленными. На поверхности, попадая в зону окисления, эти продукты начинают окисляться. Процесс окисления сопровождается образованием новых продуктов. Последние либо накапливаются на месте образования, либо мигрируют в ландшафтах. В этом случае они способны осложнить экологическую обстановку территории.
Известно, что почвообразование как гипергенный процесс сопровождается глубокой и всесторонней трансформацией вещественного состава и свойств исходных пород. Процессы трансформации можно разделить на две большие группы: процессы окисления и процессы восстановления исходного субстрата и биогенного вещества, поступающего при почвообразовании. Процессы эти взаимосвязаны, и в каждом почвенном профиле они образуют сложную специфическую систему, так называемую педогенную окислительновосстановительную систему.
Окислительно-восстановительные системы почв техногенных ландшафтов в своем развитии имеют ряд особенностей, отличающихся от других, непочвенных окислительно-восстановительных систем. Специфичность почвенных систем заключается в особенностях накопления и распределения восстановленных и окисленных продуктов, определяемых состоянием почвообразовательных процессов. Так как продукты окислительно-восстановительных систем почв техногенных ландшафтов имеют литогенную и биогенную природу, то специфика их накопления и распределения заключается в соотношении биогенных (педогенных) и унаследованных литогенных продуктов на различных стадиях почвообразования и различных глубинах почвенных профилей.
Целью данного исследования является изучение специфики распределения восстановленных педоген-ных и литогенных фракций в почвах техногенных ландшафтов Кузбасса.
Объектами исследований были выбраны почвы, сформированные на отвалах Ольжерасского каменноугольного разреза, расположенного в горно-таежной зоне Кузбасса. В настоящее время на поверхности отвала сформированы эмбриоземы, относящиеся, в соответствии с классификацией почв техногенных ландшафтов [1], к типам инициальных, органо-акку-мулятивных, дерновых и гумусово-аккумулятивных. В
профиле каждого типа эмбриозема по глубинам 0-10, 20-30 и 40-50 см отбирали образцы почвы, из которой впоследствии удаляли растительные остатки. Для сравнения были отобраны и проанализированы образцы зональных дерново-подзолистых почв, а также образцы углистых частиц и свежеотсыпанной вскрышной породы.
Сумму восстановленных продуктов в почвах определяли методом В.И. Савича [2]. Определение фракций восстановленных продуктов выполняли методом сжигания навески избытком бихромата калия в различных временных и температурных условиях.
Полученные материалы позволяют отметить несколько особенностей распределения фракций восстановленных продуктов в профилях различных типов эмбриоземов. Так, оказалось, что в инициальном эм-бриоземе, на глубине 0-10 см, содержание восстановленных продуктов более чем в полтора раза выше, чем в органо-аккумулятивном и дерновом эмбриоземе, и на треть выше, чем в гумусово-аккумулятивном (таблица).
Поскольку инициальный эмбриозем представляет собой не дифференцируемую на почвенные горизонты породу, то высокое содержание восстановленных продуктов свидетельствует об их литогенной природе. В последующие стадии эволюции почв [3] при формировании органо-аккумулятивного и дернового эмбриозе-мов наблюдается резкое снижение количества восстановленных продуктов литогенной природы. Это вызвано развитием в этих типах почв биологических процессов, что сопровождается интенсивным окислением литогенных веществ.
В отличие от ранее названных стадий развития, в последующих за ними стадиях формирования гумусово-аккумулятивных эмбриоземов снова наблюдается увеличение количества восстановленных продуктов, при этом общее их количество превышает таковое в верхних горизонтах зональных почв (см. таблицу). Это объясняется тем, что в профиле гумусово-аккумулятивного эмбриозема хотя и сосуществуют вещества как литогенной, так и педогенной природы, тем не менее начинают накапливаться восстановленные продукты педогенного происхождения.
Фиксируемая закономерность, снижения количества восстановленных продуктов от инициального до органо-аккумулятивного и дернового и вновь увеличения в гумусово-аккумулятивном эмбриоземе, отмечается также и на всех глубинах почвенных профилей. При этом содержание восстановленных продуктов с глубиной уменьшается, что говорит о наличии педо-генной дифференциации окислительно-восстановительной системы по всему почвенному профилю и во всех типах эмбриоземов.
Вскрышная порода Содержание фракций востан. продуктов, мг. экв. на 100 г почвы Процентная доля фракций, % от валового количества
валов. кол-во трудно- окисл. средне- окисл. легко- окисл. трудно- окисл. средне- окисл. легко- окисл.
415,9 184,4 201,1 30,4 44,3 48,4 7,3
Уголь Из почвенного разреза 17051 8844 7572 635 51,9 44,4 3,7
Свежедобытый 36820 21867 13146 1807 59,4 35,7 4,9
Дерново- подзолистая почва Ад (0-3 см) 1725 210 719 796 12,2 41,7 46,1
А1А2 (3-15 см) 1285 65 620 600 5,1 48,2 46,7
А2 (15-57 см) 285 16 88 181 5,6 30,9 63,5
В1 (57-110 см) 264 17 165 82 6,4 62,5 31,1
Инициал. эмбриозем 0-10 см 2525,6 250,2 1762,6 512,8 9,9 69,8 20,3
20-30 см 2556,9 526,8 1367,2 663 20,6 53,5 25,9
40-50 см 1744,6 212,8 1086,8 445,1 12,2 62,3 25,5
Органо-аккум. эмбриозем 0-10 см 1462 238,2 886,1 337,7 16,3 60,6 23,1
20-30 см 1112,1 132,6 728,8 250,7 11,9 65,5 22,5
40-50 см 1238,5 175,2 726,4 336,9 14,1 58,6 27,2
Дерновый эмбриозем 0-10 см 1342 159,9 844,4 337,6 11,9 62,9 25,2
20-30 см 1107,9 113,1 738,5 256,2 10,2 66,7 23,1
40-50 см 1116,6 68,3 767,8 280,4 6,1 68,8 25,1
Гумусово- аккум. эмбриозем 0-10 см 1906,4 424,5 995,8 486,1 22,3 52,2 25,5
20-30 см 1537,4 165,3 934,2 437,9 10,8 60,8 28,5
40-50 см 1502,9 80,5 958,4 463,9 5,4 63,8 30,9
Для того чтобы установить происхождение фракций восстановленных продуктов и причины их дифференциации в профилях почв, восстановленные продукты в навеске окислялись избытком бихромата калия в различных временных и температурных условиях. Так, в колбу к приготовленному образцу почвы приливалось 10 мл 0,4 н соли. Полученный раствор помещался в сушильный шкаф, затем смесь нагревалась до 150°С, после чего начинался отсчет времени. Для определения валового количества восстановленных продуктов время нагрева колб составляло 30 мин, после чего они остужались и титровались 0,2 н сульфатом двухвалентного железа (соль Мора). Как показали наши эксперименты, при более продолжительном нагревании в сушильном шкафу и постоянной температуре (150°С) значения суммы восстановленных продуктов практически не изменяются. Ранее замечалось [4], что при более продолжительном (несколько часов) воздействии температур или повышении температуры происходит испарение хромовой кислоты, вследствие чего анализ становится не достоверным. Другая партия образцов подвергалась температурному воздействию 5 мин. Разница величин, полученных при 30- и 5-минутном нагревании, позволяет установить количество трудноокисляе-мых восстановленных продуктов.
Анализ образцов на содержание трудноокисляемых соединений позволяет подтвердить предположение, что эта фракция в почвах техногенных ландшафтов имеет преимущественно литогенную природу. Так, в образце вскрышной породы содержание трудноокис-ляемой фракции составляет 44% в окислительновосстановительной системе, что значительно больше, чем во всех типах эмбриоземов (см. таблицу). В окислительно-восстановительных системах естественных почв содержание трудноокисляемых восстановленных веществ в процентном выражении ниже, чем в породе, в элювиальных горизонтах (А2 и А1А2) почти в девять раз и в семь раз - в иллювиальном (В1), в то же время в дерновом всего в три раза, что объясняется наличием
неразложившихся органических веществ в этом горизонте. Однако в количественном выражении содержание фракции трудноокисляемых восстановленных веществ в вскрышной породе превышает таковое в естественных почвах в десятки раз (см. таблицу). Поэтому использование процентного соотношения фракций с целью сравнения различных окислительно-восстановительных систем предпочтительнее. Кроме того, содержание восстановленных веществ во вскрышной породе и эмбриоземах рассчитывалось относительно мелкозема с учетом каменистости. Грубообломочный каменистый материал мы рассматриваем как инертный при почвообразовании. Поэтому содержание в них восстановленных продуктов не учитывается.
Анализ углистых частиц показывает, что в образцах свежего угля количество трудноокисляемых восстановленных продуктов в окислительно-восстановительной системе составляет более половины (5259%). Это позволяет нам предположить, что значительная часть трудноокисляемых восстановленных веществ в профилях эмбриоземов обусловлена наличием углистых частиц.
Во всех профилях эволюционного ряда эмбриозе-мов дифференциация содержания фракции трудно-окисляемых восстановленных продуктов повторяет распределение фракции суммы восстановленных продуктов. Однако вниз по профилю, в дерновом эмбрио-земе, наблюдается дифференциация трудноокисляемой фракции, напоминающая таковую в естественных почвах. Отмеченная тенденция свидетельствует о том, что в дерновых эмбриоземах и, тем более, в гумусово-аккумулятивных окислительно-восстановительные системы в большей степени являются педогенными, нежели литогенными. Это подтверждается также и тем, что процентное содержание фракции трудноокисляемых восстановленных соединений в техногенных почвах практически выравнивается с таковым у зональных почв. Так, в слое 0-10 см у дернового и в слое 40-50 см у дернового и гумусово-аккумулятивного эмбриозема
процентная доля трудноокисляемой фракции равна доле таковой в верхнем горизонте и в горизонте В1 соответственно зональных почв (см. таблицу).
При окислении одной партии образцов нагревание не производилось. Раствор, находящийся при комнатной температуре, был оттитрован солью Мора спустя 10 мин после добавления к навеске раствора бихромата калия. Результаты, полученные в этом случае, показывают содержание фракции легкоокисляемых соединений.
Полученные данные позволяют предположить, что фракция легкоокисляемых восстановленных продуктов в эмбриоземах имеет в основном педогенное происхождение. Это подтверждается тем, что в дерновоподзолистой почве доля этой фракции в окислительновосстановительных системах в верхних горизонтах Ад и А1А2 составляет 46%, ниже в горизонте А2 - 63%, и в горизонте В1 - 31%. Для сравнения: в образцах угля процентное содержание фракции легкоокисляемых соединений не превышает 4-5%, а во вскрышной породе - 7% (см. таблицу). Следует обратить внимание на то, что распределение этой фракции в профиле дерново-подзолистой почвы несколько отличается от такового в эмбриоземах. Максимальное её накопление отмечается в элювиальном горизонте А2, а не в верхних слоях профилей эмбриоземов. Такое распределение свидетельствует о том, что фракция легкоокисляемых соединений является продуктом почвообразования, способным к миграции.
Количественное содержание фракции легкоокис-ляемых восстановленных веществ вниз по профилю (на глубине 20-30 см) снижается в органо-аккуму-лятивном и в дерновом эмбриоземе на 25 и на 11% - в гумусово-аккумулятивном. Затем в более глубоком слое, 40-50 см, снова наблюдается увеличение содержания этой фракции соответственно на 25,9 и 6%, что объясняется различной активностью элювиальноиллювиальных процессов в разных типах эмбриоземов. Характер количественного распределения фракции легкоокисляемых восстановленных продуктов в верхнем слое различных типов эмбриоземов повторяет распределение фракции суммы восстановленных продуктов. Однако процентная доля этой фракции, характеризующая соотношение с другими восстановленными продуктами, увеличивается синхронно накоплению гумусовых веществ (см. таблицу).
Вследствие развития элювиально-иллювиальных процессов отмечается увеличение фракции легкоокис-ляемых продуктов с глубиной. Так, в гумусово-аккумулятивном эмбриоземе процентное соотношение фракции в окислительно-восстановительной системе на глубине 40-50 см выравнивается с таковым в горизонте В1 зональных почв. Это еще раз подтверждает то, что окислительно-восстановительная система гумусовоаккумулятивного эмбриозема функционирует как педо-генная система.
Высокое количество легкоокисляемых восстановленных продуктов отмечается и в инициальном эм-бриоземе. Причем в этом эмбриоземе как количественное, так и процентное содержание легкоокисляемых веществ часто превышает другие типы эмбриоземов (см. таблицу). Это объясняется тем, что в данном типе эм-
бриоземов активно идут окислительно-восстановительные процессы, преобразующие продукты литогенного происхождения. При этом в силу недифферен-цированности профиля на горизонты [5] и неразвитости в нем элювиально-иллювиальных явлений окислительно-восстановительные процессы не имеют ярко выраженной направленности и, по-видимому, имеют, наряду с биогенной, и хемогенную природу.
Разница в количестве восстановленных продуктов, полученных при 5-минутном нагревании, определяет количество фракции среднеокисляемых восстановленных веществ. Эта фракция включает в себя продукты как литогенной, так и педогенной природы, и поэтому её доля оказывается значительной как в окислительновосстановительных системах зональных почв, так и в системах эмбриоземов. Такая картина свидетельствует о том, что восстановленные продукты литогенного происхождения медленно трансформируются не только в почвах техногенных ландшафтов, но и в естественных, что, возможно, является фациальной спецификой почвообразования. Достаточно много среднеокисляе-мых веществ и в окислительно-восстановительных системах угля и во вскрышной породе (см. таблицу). Высокие значения среднеокисляемой фракции во всех анализируемых образцах обусловлены сложной природой фракции. Так, в образцах дерново-подзолистых почв высокое содержание фракции объясняется наличием сложных гумусовых веществ и неразложившихся растительных остатков. В образцах угля и во вскрышной породе значение фракции велико, по-видимому, за счет частичного окисления фракции трудноокисляемых соединений. Однако наибольшее содержание фракции среднеокисляемых восстановленных веществ отмечается в эмбриоземах, где и идут все вышеперечисленные процессы.
Процентные значения фракции среднеокисляемых восстановленных продуктов в эмбриоземах колеблются от 52 до 68% от суммы восстановленных веществ и оказываются обратно пропорциональными сумме значений других фракций. Так, в инициальных и органоаккумулятивных эмбриоземах процентная доля фракции увеличивается вниз по профилю на глубине 2030 см и снова уменьшается на глубине 40-50 см. В дерновых и гумусовых эмбриоземах наблюдается увеличение процентного содержания фракции среднеокис-ляемых восстановленных продуктов вниз по профилю (см. таблицу) вследствие большей активности элювиально-иллювиальных процессов.
Во всех профилях эволюционного ряда эмбриозе-мов дифференциация содержания фракции средне-окисляемых восстановленных продуктов повторяет распределение суммы всех восстановленных продуктов. Однако вниз по профилю в инициальном эмбрио-земе наблюдается снижение количества среднеокис-ляемых восстановленных веществ. Фиксируемая закономерность свидетельствует о том, что в верхних горизонтах эмбриозема наряду с унаследованными литогенными продуктами в процессе почвообразования и химического выветривания добавляются педогенные и хемогенные вещества. В последующие стадии эволюции почв, при формировании органо-аккумулятивных, дерновых и гумусово-аккумулятивных эмбриоземов, со-
держание фракции вниз по профилю уменьшается только до глубины 20-30 см и ниже практически не изменяется (см. таблицу). Это говорит об установлении равновесия между литогенными и педогенными составляющими окислительно-восстановительных систем эмбриоземов.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы.
1. Формирование эмбриоземов в техногенных ландшафтах Кузбасса сопровождается накоплением в профилях почв восстановленных продуктов. Темпы и характер накопления восстановленных продуктов и их фракций сингенетичны стадиям почвообразования.
2. Процессы образования и накопления в эмбриозе-мах восстановленных веществ являются следствием трансформации исходной литогенной окислительновосстановительной системы в педогенную и педоген-
ного их новообразования. При этом фракция трудно-окисляемых восстановленных продуктов в большинстве своем имеет литогенное происхождение. Фракция среднеокисляемых восстановленных соединений имеет как литогенную, так и биогенную природу. Фракция легкоокисляемых восстановленных веществ имеет преимущественно педогенное происхождение.
3. В ходе эволюции эмбриоземов, в процессе образования педогенной и трансформации литогенной окислительно-восстановительных систем образуются подвижные восстановленные вещества, способные мигрировать в почвенном профиле. Характер их дифференциации в почвенном профиле отражает активность биогенных и элювиально-иллювиальных процессов в том или ином типе эмбриоземов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Курачев В.М., Андроханов В.А. // Сиб. экол. журн. 2002. № 3. С. 255-261.
2. Савич В.И., Сидоренко О.Д., Трубицина Е.В., Улько Н.Г. Оценка окислительно-восстановительного состояния в системе почва - растение. М.,
1983. С. 93.
3. Андроханов В.А., Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. Новосибирск, 2004. С. 151.
4. АринушкинаЕ.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970. С. 132.
5. Рагим-заде Ф.К. Техногенные элювии вскрышных пород угольных месторождений Сибири, оценка их потенциального плодородия и при-
годности для восстановления почвенного покрова. Новосибирск, 1977. С. 22.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 10 июня 2008 г.
