Научная статья на тему 'Специфика накопления и распределения фракций восстановленных продуктов в эмбриоземах Кузбасса'

Специфика накопления и распределения фракций восстановленных продуктов в эмбриоземах Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
90
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Соколов Денис Александрович

Изучены особенности накопления и распределения фракций восстановленных продуктов в почвах инициальной, органо-аккумулятивной, 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Соколов Денис Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Specificity of accumulation and allocation effractions of the restored products in embriozems of Kuzbas

Features of accumulation and allocation of fractions of the restore products in soils at the initial, organic-accumulative, turfy and humuc-accumulative stages of pedogenesis in technogenic landscapes of Kuzbas are studied. Questions of a parentage of fractions, and also the significance secondary, pedogenical the restored products in transformation primary, litogtnical oxidation-reduction systems are considered.

Текст научной работы на тему «Специфика накопления и распределения фракций восстановленных продуктов в эмбриоземах Кузбасса»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.