СВОЙСТВА ЭМБРИОЗЕМОВ УГОЛЬНЫХ ОТВАЛОВ КИЗЕЛОВСКОГО БАССЕЙНА Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 631.618

А.А. Каракульева, М.А. Кондратьева A.A. Karakulieva, M.A. Kondrateva

Пермский государственный аграрно- Perm State Agro-Technological University

технологический университет 23, Petropavlovskaia str., Perm, 614990

614000, Пермь, ул. Петропавловская, 23

e-mail: pochva@pgsha.ru

СВОЙСТВА ЭМБРИОЗЕМОВ УГОЛЬНЫХ ОТВАЛОВ КИЗЕЛОВСКОГО БАССЕЙНА

В работе рассмотрены некоторые свойства молодых почв - эмбриоземов, формирующихся на поверхности угольных отвалов Кизеловского бассейна. Изучены природные и техногенные факторы почвообразования в техногенных ландшафтах угледобывающего района, а также состав эмбриоземов, их морфология, физические и физико-химические свойства. Почвы отвалов диагностированы как эмбриоземы инициальные, органо-аккумулятивные и гумусово-аккумулятивные. Их отличает маломощность и слабая дифференциация профиля на горизонты, низкое содержание тонкодисперсных фракций 2-4%, неблагоприятные физико-химические свойства, выражающиеся в сильно кислой реакции среды с рН<3,0, ненасыщенность почвенного поглощающего комплекса основаниями. Ключевые термины: эмбриоземы, угольные отвалы, техногенные ландшафты, самовосстановление.

PROPERTIES OF EMBRYOSES OF COAL MINES DUMPS OF THE KIZELOVSKY BASIN

In this paper, some properties of young soils, embryozems, formed on the surface of the coal dumps of the Kizel basin, are considered. The natural and technogenic factors of soil formation in technogenic landscapes of the coal-mining region, as well as the composition of embryozems, their morphology, physical and physicochemical properties were studied. The soils of dumps are diagnosed as initial, organ-accumulative and humus-accumulative embryozems. They are distinguished by low power and low profile differentiation into horizons, low content of fine fractions of 2-4%, unfavorable physicochemical properties, expressed in a strongly acidic reaction with pH <3.0, unsaturation of the soil absorbing complex with bases. Key words: embryozems, coal dumps, technogenic landscape, self-restoration.

Изучение процессов посттехногенного восстановления ландшафтов является актуальной проблемой районов разработки месторождений, так как под отвалы пустой породы и открытые разработки угольной промышленности в России ежегодно изымается от 6 до 8 тысяч га земель. Эксплуатация Кизеловского угольного бассейна на территории Пермского края велась с 1797 по 1997 годы. За время его эксплуатации общая площадь техногенных ландшафтов, утративших природные характеристики под влиянием угледобычи, составила 456 га [2]. Нарушенные ландшафты на сегодняшний день предоставлены процессам естественного самовосстановления. На поверхности угольных отвалов сингенетично друг другу протекают процессы самозаростания и педогенной трансформации. Образующиеся молодые

примитивные почвы определяются в научной литературе как эмбриоземы [1].

Изучение эмбриоземов проводились на примере отвалов шахт «Центральная» (№15), «1 Мая» и «Крупской», расположенных на территории городского округа Губаха Пермского края. В общей сложности в районе исследования было заложено 23 разреза.

Территория округа расположена в подзоне южной тайги на западном склоне Среднего Урала. Коренной тип растительности - темнохвойные елово-пихтовые и пихтово-еловые леса [5]. Значительную часть

© Каракульева А.А., Кондратьева М.А., 2018

территории занимают вторичные березняки и смешанные леса.

Шахты были закрыты в 90-е годы, таким образом возраст отвалов составляет не менее 20 лет. Форма планировки отвалов различна: отвал шахты «Центральная» имеет коническую форму. На вершине отвала сформирована система плосковершинных гряд и понижений между ними. Отвал шахты «Крупская» имеет плоскую вершину и террасированные склоны, южный склон круто обрывается к р. Косьва. Отвал шахты «1 мая» не имеет четкой планировки, он располагается на склоне горы Крестовая. Породы отвалов представляют собой смесь мелкозема с обломками вскрышных пород -пиритизированных аргиллитов, алевролитов и тонкозернистых песчаников с включениями каменного угля. Вершины отвалов шахт «Центральная» и «Крупская» большей частью представляют собой пустоши. В составе растительности присутствуют пионерные виды -мать-и-мачеха, метла, лютик едкий, одуванчик, полынь обыкновенная, пырей ползучий, горошек мышиный. В межгрядовых понижениях, на северных склонах, характеризующихся большей

влагообеспеченностью, растительность представлена одновидовыми сообществами березы.

Видовой состав фитоценозов определяет характер формирующихся почв. На открытой поверхности отвалов, без участия растительного опада, формируются эмбриоземы инициальные. Их профиль представляет собой чередование слоев слегла дезинтегрированной углесодержащей породы.

Эмбриоземы органо-аккумулятивные формируются под березовым редколесьем со слаборазвитым надпочвенным покровом из мхов. Их профиль имеет вид А0-^)-Я: лесная подстилка из лиственного опада имеет мощность до 2 см, в нижней части подстилки возможно нахождение маломощного (около 2 см) гумусового горизонта W, за ним сразу идет углесодержащая порода.

Эмбриоземы гумусо-аккумулятивные развиваются под хорошо развитой травянистой растительностью. Эти почвы представлены вариантами грубогумусовых и серогумусовых. Строение профиля Ад-АО(АУ)-Я. Гумусовые горизонты имеют мощность до 16 см. Таким образом, в профиле

_Гранулометрический

эмбриоземов морфологически заметны только органогенные и гумусовые горизонты. Граница перехода в нижележащие горизонты Я - резкая и ровная.

Гранулометрический состав наследуется от пород отвалов, которое сразу после отсыпки подвергаются процессам физической дезинтеграции. В составе фракций абсолютно преобладает песок. Содержание ила очень низкое 1-4% (табл.1). На отвалах шахт «Крупская» и «1 Мая» доля ила несколько возрастает, достигая 8-10%. Гранулометрический состав эмбриоземов отвалов шахты Центральной -песчаный, «Крупской» и «1 мая» как легкосуглинистый.

Таблица 1

состав эмбриоземов_

Объем

выборки 1-0,25

Содержание фракций размером (мм), % от массы мелкозема

0,25-0,05

0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001

<0,001

<0,01

Отвал шахты «Центральная»

17

48,61±12,03 25,55±9,41 16,11±11,61 2,33±1,31 2,64±1,86 4,44±3,36 9,41±5,14

Отвал шахты «Крупская»

13

41,01±12,52 20,54±7,08 15,81±4,35 5,64±2,00 4,94±3,89 12,03±6,93 22,62±9,54

Отвал шахты «1 Мая»

22

35,84±14,85 26,39±10,86 13,75±5,66 5,84±3,82 7,78±8,89 10,40±4,92 24,03±10,77

Высокая доля крупнозема в составе породы способствует провальной фильтрации влаги, поступающей на поверхность отвала. Высокая доля песка обуславливает низкую влагоемкость субстратов. Оба эти фактора могут создавать ксероморфность условий местообитаний.

Поверхность отвалов в ряде случаев сильно переуплотнена и имеет значения плотности 1,4-1,7 г/см3, объем пор в верхних слоях 40-45 %, в ряде случаев снижается до 30%. В нижней части склонов субстрат, как правило, более рыхлый, его плотность снижается до 1 г/см3, а пористость увеличивается до 50-68 % [6].

Поглощающий комплекс эмбриоземов инициальных имеет преимущественно литогенное происхождение и представлен минеральными и углистыми частицами. Значительную роль в поглощающем комплексе принадлежит включениям угля, количество карбоксильных групп которых, определяющих емкость поглощения органических соединений, может достигать 240-430 мг-экв./100 г [3]. Емкость катионного обмена сильно варьирует в пределах 7-34 мг-экв./100 г почвы. Поглощающий комплекс не насыщен основаниями - степень ненасыщенности р 70-80% (табл.2). Эмбриоземы инициальные имеют сильнокислую реакцию среды с рНкс1 2,0-3,0, что обусловлено окислением сульфидсодержащих пород.

В гумусово-аккумулятивных эмбриоземах поглощающий комплекс состоит из детрита, гумусовых веществ и продуктов органо-минеральных взаимодействий. Реакция среды 4,2-6,0, емкость катионного обмена возрастает: 29-47 мг-экв./100 г. В

составе обменных катионов гумусовых горизонтов высока доля оснований при р 2-4%.

Содержание углерода гуминовых кислот (ГК) в эмбриоземах зависит от состава растительных группировок. Концентрация ГК варьирует в диапазоне 0,02-0,41% от массы. Максимальное количество углерода ГК получено в эмбриоземе грубогумусовом (разрез 133) 1,28-1,34%, сформированном под травянистой растительностью.

Для идентификации гумусовых веществ, содержащихся в пирофосфатной вытяжке, были получены растворы гумата натрия, оптические свойства растворов изучались на спектрофотометре PD-303 при длинах волн 465,496, 533, 574, 619, 665, 720 нм. Для сравнения использованы спектральные кривые гуминовых кислот фоновых почв ландшафтов Среднего Урала (разрез 131). Оценка крутизны падения кривой и соответственно характера окраски гумусовых кислот производилась в соответствии с коэффициентом цветности Q (коэффициент У. Шпрингера). В качестве дополнительного показателя оптических свойств рассчитан коэффициент экстинкции, который характеризует оптическую плотность 0,001% раствора гуминовых кислот в слое 1 см, при длине волны 465 нм.

На спектральных кривых фоновых почв (р. 131) (рис. 1) выделяется небольшой максимум в области длин волн 619 нм. Этот максимум принято связывать с Pg фракцией, продуцируемой некоторыми грибами. Он является индикатором гидроморфных условий почвообразования. Отсутствие этого максимума на спектрометрических кривых растворов ГК эмбриоземов указывает, что почвообразование происходит исключительно в автоморфных условиях.

Физико-химические свойства эмбриоземов отвала шахты «Крупская»

Глубина взятия образца РНН2О РНКС1 Нг £ ЕКО Сорг.,%

мг-экв/100гр

Разрез 10 (7) - Эмбриозем инициальный, верхняя часть склона отвала

Слой 1 (0-10) 2,31 2,18 9,41 3,5 12,91 73 2,18

Слой 2 (10-20) 2,30 2,16 9,84 3,75 13,59 72 2,16

Разрез 416 - Эмбриозем органо-аккумулятивный, горизонтальная вершина отвала

W (2-5) 3,43 2,83 11,16 4,50 15,66 71 2,10

Я(5-10) 3,21 2,76 11,16 2,50 13,66 82 2,03

Я(10-15) 3,15 2,63 11,16 1,50 12,66 88 1,67

Я (25-30) 3,04 2,51 11,16 1,25 12,41 90 2,06

Разрез 132 - Эмбриозем серогумусовый, горизонтальная ве ршина отвала

АУ (1-17) 6,04 5,09 0,88 46,50 47,38 2 2,69

Я (17-35) 5,83 5,41 2,41 10,75 13,16 18 2,57

Разрез 133 - Эмбриозем грубогумусовый, терраса на юго-восточном склоне отвала

АО (5-10) 4,24 3,56 1,09 28.00 29,09 4 5,96

АО (10-15) 4,23 3,51 9,63 12.25 21,88 44 6,18

Я(15-20) 3,45 2,81 26,03 10.75 36,78 71 5,10

Разрез 12 (5) - Литозем грубогумусовый

Ас(0-7) 4,03 3,37 21,00 2.25 23,25 90 2,00

АО (7-12) 4,04 3,62 13,78 2.22 15,03 92 0,86

Я (12-40) 3,76 3,42 12,03 2.00 14,26 84 0,62

Разрез 416

465 496 533 574 619 665 726 Длина волны

Разрез 132

400

£ 350

0

| 300

1 250

465 496 533 574 619 665 726

Длина волны

Рисунок 1. Кривые оптической плотности растворов гуминовых кислот

В наиболее распространенных почвах низкогорий Среднего Урала (р.131) содержание гуминовых кислот в гумусовом горизонте (гор. ЛУ) составило 0,3-0,5% от массы почвы (табл.3). Выделенные кислоты характеризуются значениями коэффициента цветности Q на уровне 5,3-5,5, что свидетельствует о преобладании в их составе бурых кислот. В эмбриоземах коэффициент цветности Q изменяется от 3,9-4,3 в минеральных слоях до 11-14 в грубогумусовых горизонтах эмбриозема

грубогумусового (р. 133). Таким образом, в составе новообразованного органического вещества

эмбриоземов преобладают желто-бурые и бурые гуминовые кислоты.

Показатель экстинкции Е465а001% для гор. АО и AY составляет 0,05-0,06, что типично для дерново-подзолистых и бурых лесных почв [6]. В эмбриоземе органо-аккумулятивном (р. 317) величина экстинкции 0,08 - под лиственным опадом образуются гуминовые кислоты с более выраженной ароматической составляющей. В целом макромолекулы гуминовых кислот молодых почв в химическом отношении сходны с фоновыми.

Оптические свойства растворов гуминовых кислот_

Горизонт Сгк,% В465 а ТР 0.001% Е465

Отвал шахты «Крупская»

Разрез 416 - Эмбриозем органо-аккумулятивный, горизонтальная вершина отвала

W(2-5) 0,213 0,147 5,7 0,06

Я (5-10) 0,329 0,125 3,9 0,03

Я (10-15) 0,233 0,185 3,9 0,06

Я (15-20) 0,097 0,065 4,6 0,05

Я (20-30) 0,233 0,112 5,6 0,04

Разрез 133 - Эмбриозем грубогумусовый, терраса на юго-восточном склоне отвала

АО (5-10) 1,299 2,258 14,1 0,05

АО (10-15) 1,338 2,113 13,8 0,06

Я (15-20) 1,279 1,934 11,5 0,12

Разрез 132 - Эмбриозем серогумусовый, верхняя часть отвала шахты

АУ (1-17) 0,310 0,173 6,4 0,05

Я (17-35) 0,233 0,204 4,1 0,07

Разрез 131 - Серогумусовая глинисто-иллювиированная

АУ1 (2-9) 0,470 0,565 5,28 0,09

Таким образом, в профиле эмбриоземов морфологически заметны только органогенные и гумусовые горизонты, выделяемые в органо-аккумулятивных и гумусово-аккумулятивных подтипах. На начальных этапах почвообразования эмбриоземы характеризуются относительно низкой емкостью катионного обмена, слабой насыщенностью поглощающего комплекса основаниями,

сильнокислой реакцией растворов. В процессе эволюции эмбриоземов увеличивается количество носителей катионно-обменных свойств, в составе обменных катионов возрастает доля оснований.

Библиографический список

1. Андроханов В.А. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция / В.А. Андроханов, Е.Д. Куляпина, В.М. Курачев. Новосибирск, 2004. 151с.

2. Ворончихина Е.А. Рекультивация нарушенных ландшафтов: теория, технологии, региональные аспекты: монография. Пермь, 2010. 163 с.

3. Комиссаров И.Д., Стрельцова И.Н., Кузнецова Т.П. Химическая природа гумусовых веществ молодых почв, техногенных элювиев и окисленных углей Кузбасса и их взаимодействие с минералами // Почвообразование в техногенных ландшафтах. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1979. С.212-258.

4. Криницына Т.А. Органическое вещество литостратов угольных отвалов Кизеловского бассейна // Материалы Международной научной конференции XXI Докучаевские молодежные чтения «Почвоведение - мост между науками» / Под ред. Б.Ф. Апарина. СПб., 2018. С. 157-159.

5. Овеснов С.А. Конспект флоры Пермской области. Пермь: Изд-во ПГУ, 1997. 252 с.

6. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ, 1985. 376 с.

7. Ульяничева А.А. Трансформация поверхностных техногенных образований угольных отвалов Кизеловского бассейна // Молодежная наука 2014: технологии, инновации: Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. Ч.1: в 3 ч. Пермь: Изд-во ИПЦ «Прокростъ», 2014. С. 360-362.

8. Ульяничева А.А. Физико-химические свойства мелкозема субстратов угольного отвала Кизеловского угольного бассейна // Молодежная наука 2015: технологии, инновации: Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. Ч.1: в 3 ч. Пермь: Изд-во ИПЦ «Прокростъ», 2015. С. 309-312.

9. Ульяничева А.А., Смолякова А.Д.Водно-физические свойства и органическое вещество отвалов Кизеловского угольного бассейна // Молодежная наука 2017: технологии и инновации: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов (2017; Пермь). В 2 ч. Ч 1. Пермь: ИпЦ «Прокростъ», 2017. С. 209-211.