Научная статья на тему 'Трансформация морфологии почв в зоне воздействия Карабашского медеплавильного завода'

Трансформация морфологии почв в зоне воздействия Карабашского медеплавильного завода Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
199
140
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЧВЫ / МОРФОЛОГИЯ / МЕДЕПЛАВИЛЬНЫЙ ЗАВОД / ТРАНСФОРМАЦИЯ / SOILS / MORPHOLOGY / COPPER-SMELTING PLANT / TRANSFORMATION

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Кайгородова Светлана Юрьевна

Исследована морфология почв, находящихся в зоне воздействия медеплавильного завода на Южном Урале. Почвы диагностированы в соответствии с современной субстантивной классификацией почв России. Показано, что под действием хронического загрязнения наиболее сильно преобразованы супесчаные почвы импактной зоны. В техногенной пустоши сформировались техногенные поверхностные образования.

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

SOILS MORPHOLOGY TRANSFORMATION IN THE ZONE EXPOSED TO THE KARABASHSKY COPPER­SMELTING PLANT IMPACT

Morphology of soils situated in the zone exposed to the impact of Karabashsky copper­-smelting plant in the South Urals has been studied. The soils have been diagnosed according to the up­-to­-date substantial soil classification of Russia. It is shown that among the soils, most transformed as result of the chronic pollution impact, are the sandy loam soils. There have been observed technogenic surface formations on the waste lands exposed to pollution.

Текст научной работы на тему «Трансформация морфологии почв в зоне воздействия Карабашского медеплавильного завода»

Трансформация морфологии почв в зоне воздействия Карабашского медеплавильного завода*

С.Ю. Кайгородова, к.б.н., Институт экологии растений Общая масса выбросов в атмосферу КМЗ за и животных УрО РАН период 1907—2004 гг. составила 14,3 млн т; в

1970—1980 гг. выбросы достигали 210—290 тыс. Карабашский медеплавильнй завод (КМЗ) т/год. Основным компонентом выбросов по (ЗАО «Карабашмедь») — один из крупнейших массе был сернистый ангидрид, среди тяжёлых заводов Южного Урала, действует с 1907 г. металлов преобладали цинк, свинец, медь,

* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 08-04-91766) и президиума УрО РАН (проект 12-М-45-2072).

мышьяк [1]. К настоящему времени уровень выбросов снижен до 9—13 тыс. т/год.

Почвенный покров вокруг предприятий цветной металлургии существенно преобразован, вплоть до формирования техногенных пустошей [2]. Ранее нами был описан характер трансформации морфологических признаков тяжелосуглинистых почв в зоне воздействия Среднеуральского медеплавильного завода [3]. Подробных и систематических исследований почв в зоне воздействия КМЗ не проводилось.

Цель данной работы — выявить особенности морфологического строения почв и техногенных грунтов; диагностировать почвы в соответствии с субстантивно-генетической классификацией почв России [4, 5] и международной классификацией WRB [6, 7]; проанализировать особенности техногенной трансформации почв в градиенте загрязнения выбросами КМЗ.

Методика исследований. Почвенный покров в градиенте загрязнения выбросами КМЗ изучали в ходе комплексных экологических исследований лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН в 2009—2011 гг. Были заложены трансекты в южном и северном направлениях от завода, выделены зоны техногенной нагрузки на экосистемы, выбрано 10 ключевых участков на расстоянии 1,2; 3,5; 9,0; 11,9; 25,5; 26,6 км в южном направлении и 5,0; 10,8; 18,4; 32,0 км в северном направлении. Индексы ключевых участков содержат информацию о расстоянии (в км) и направлении от завода. Участок К18 находится в техногенной пустоши, участки К48 и К5М — в импактной зоне, К98, К12Б, К1Ш, К18М - в буферной, К268, К278, К32М — фоновой. Зоны нагрузки выделены на основе геоботанических описаний и определения содержания тяжёлых металлов в лесной подстилке.

На каждом ключевом участке было заложено по три пробные площадки. Площадки закладывали на склонах, в средних и нижних позициях мезорельефа, на высоте 330—390 м над ур. моря в трансэлювиальных и трансаккумулятивных геохимических ландшафтах, т.е. в позициях, где происходит относительно свободный сток веществ в окислительных условиях, а аккумулятивные барьеры формируются в органогенных и гумусовых горизонтах почв. Растительность пробных площадей представлена берёзовыми и смешанными сосново-берёзовыми лесами, в разной степени нарушенными комплексным техногенным воздействием КМЗ. Всего было заложено и описано 30 полнопрофильных почвенных разрезов (по одному на пробную площадку), проведено 600 измерений мощности лесной подстилки (линейкой с точностью 0,5 см, по 20 измерений на площадку).

Результаты исследований. Территория, примыкающая с севера и юга к Карабашскому медеплавильному заводу, весьма разнородна по комплексу физико-географических условий — климату, строению рельефа, геологии, почвам и растительному покрову [4]. Предприятие находится в подножии горы (высотой 612 м). На юг от завода располагаются крупные горные хребты — Ильменский и Таловский, протянувшиеся меридионально отдельными цепями, с отметками высот 420—682 м и окружённые высокими расчленёнными предгорьями. В северном направлении встречаются отдельно стоящие горы (высотой до 480—661 м), в отрогах которых развиты холмы и увалы (высотой 280—380 м), а также выражена межгорная котловина с базисом эрозии на уровне 270 м и холмами высотой около 350 м. Ведущие факторы почвообразования в районе исследований — рассечённость рельефа (крутизна и экспозиция склонов), неоднородность почвообразующих пород и комплексное техногенное воздействие на ландшафты.

Для данной территории характерен низкогорный макрорельеф с хребтовыми, долинными, горными и холмисто-увалистыми формами (табл. 1).

Среди почвообразующих пород встречаются элювии и элюво-делювии магматических и метаморфических пород (габбро, гранита, серпентинита, миаскита, хлорит-серицитовых сланцев, филлитов), а также суглинистые делювиальные и четвертичные отложения.

Техногенное воздействие на почвенный покров выражается в комплексе механических и химических преобразований ландшафтов: рубки леса и уничтожение почв при строительстве промышленных объектов и линейных сооружений, многократные пожары, хроническое подкисление и загрязнение депонирующих сред тяжёлыми металлами. Разнообразие факторов почвообразования приводит к сильной неоднородности почв в районе исследований. Почвенный покров пробных площадей представлен горными, щебнистыми автоморфными почвами разного гранулометрического состава: дерново-подбурами, литозёмами, бурозёмами, дерновоподзолистыми, серыми и тёмно-серыми метаморфическими почвами, а также производными от них химически преобразованными почвами и техногенными поверхностными образованиями (ТПО) от супесчаного до суглинистого состава (табл. 2). Наиболее дренированы литозёмы, псам-мозёмы и дерново-подбуры, серые и тёмно-серые метаморфические и дерново-подзолистые имеют признаки умеренного увлажнения. На фоновых участках представлены зональные почвы разных отделов и типов. Широкий спектр почв фоновой территории позволяет сопоставлять их свойства с признаками разнообразных почв импактной

1. Положение ключевых участков в рельефе и типы элементарных геохимических ландшафтов

Ключевой участок Макрорельеф / мезорельеф Микрорельеф / нанорельеф Элементарный ландшафт

K1S Горный / средняя часть западного склона горы Полого-покатый участок склона / эрозионные формы: выровненные участки в комплексах с промоинами и оврагами Трансэлювиальный, техногенно-нарушенный

K4S Горный / подножие горы, средняя часть западного склона увала Покатый участок террасированного склона / бугристо-западинистый (воронки (!=4-5м искусственного происхождения) Трансэлювиальный, техногенно-преобразованный

K5N Горный / средняя часть западного склона горы Полого-покатый участок склона / бугристо-западинистый (большие воронки, бугорки и терраски искусственного происхождения) Трансэлювиальный, техногенно-преобразованный

K9S Хребтовый-придолинный / нижняя часть западного склона Ильменского хребта Круто-покатый участок склона / сглаженные и террасированные участки Трансэлювиальный

K12S Хребтовый-придолинный / средняя часть западного склона Ильменского хребта Покатый участок склона, перегиб склона / сглаженный Трансэлювиальный

K11N Холмисто-увалистый, межгорная котловина / небольшой холм Нижняя часть юго-восточного склона холма, лог / сглаженный с ветровальными комплексами Трансэлювиальный

K18N Холмисто-увалистый, межгорная котловина / небольшой холм Нижняя часть южного склона холма / мелкозападинистый Трансэлювиальный

K26S Хребтовый-придолинный / подножие южного склона Ильменского хребта Пологий участок склона / выровненный Трансаккумулятивный с сильновыраженным процессом аккумуляции гумуса

K27S Хребтовый-придолинный / подножие южного склона Таловского хребта Покато-пологий участок склона / сглаженный Трансэлювиальный переходный к трансаккумулятивному

K32N Горный / нижняя часть юго-восточного склона горы Сугомак, увал Покатый участок склона увала / сглаженный Трансэлювиальный

и буферной зон. Травяно-листовые подстилки фоновой зоны хорошо разложившиеся, их мощность равна 1,0—2,0 см (рис. 1). Почвы средне- и сильногумусированы, минеральная часть профиля развита в соответствии с типом почв (табл. 2).

В минеральной части почв буферной зоны нарушений не обнаружено. Техногенная трансформация выражена в химическом преобразовании подстилок: травяно-листовые подстилки здесь преимущественно среднеразложенные, а их мощность варьирует от 1,0 до 4,0 см (рис.).

В импактной зоне техногенная трансформация морфологических признаков почв связана с механическими нарушениями профиля и эрозионными процессами, а также с химическим загрязнением и преобразованием подстилок. На данной территории выявлены нарушения микро- и нанорельефа в виде террасок, бугорков и многочисленных воронок-западин диаметром 3,5—5,0 м и глубиной 0,5—1,0 м, в которых происходит накопление органогенного и гумусированного материала, снесённого с вышележащих участков склона (табл. 1). Мощность органического горизонта на выпуклых участках

склона составляет 1,5—2,0 см, на террасках 8,0—10,0 см, в западинах — 11,0—18,0 см (рис.). Подстилки представляют собой неразложивший-ся берёзовый опад, в нижней части — тёмнокоричневый, оторфованный, с включениями техногенной пыли. На выпуклых участках склона органические горизонты представлены слоем плотного мха и разреженным листовым опадом, под которым находится сильноэродированный гумусовый горизонт мощностью до 1,5 см, угли либо минеральный материал нижних горизонтов профиля. На менее выпуклых участках и в западинах гумусовые горизонты представляют собой серо-бурый бесструктурный или пылеватый лёгкий суглинок мощностью 3,0—9,0 см с включениями грубогумусового материала, техногенной пыли и углей.

В нижележащих горизонтах бурозёмов участка К48 наблюдаются признаки оподзоливания и разрушения почвенных агрегатов. Супесчаные почвы участка К5М имеют очень слабые признаки структурного метаморфизма. В настоящее время эти почвы по своему строению больше напоминают псаммозёмы, хотя определить их систематическое положение сложно, так как

ключевые участки Рис. - Мощность подстилки в градиенте загрязнения КМЗ (среднее ± ошибка, п = 3)

2. Почвы ключевых участков в градиенте загрязнения выбросами ЗАО «Карабашмедь»

Клю- чевой учас- ток Классификация почв России, 2004 WRB

Отдел / тип / подтип Род / вид / разновидность Тип

K1S Техногенные поверхностные образования (ТПО) / натурфабрикаты / литостраты в комплексах с абралитами Сильноненасыщенные / эродированные и стратифицированные грунты овражных комплексов с погребёнными гумусовыми горизонтами / песчано-гравелисто-галечные наносы на суглинке с дресвой и щебнем сланца и песчаника; и обнажения элюво-делювия сланцев Regosols/ Protic Arenosols

K4S Химически преобразованные / бурозёмы в сочетании с литозёмами грубогумусовыми / химически загрязнённые по типичным и оподзоленным Слабоненасыщенные / крайне мелкие, эродированные, очень слабо гумусированные, оторфованные / среднесуглинистые, сильноскелетные на элюво-делювии габбро Haplic Cambisols, Folic Leptosols

K5N Химически преобразованные / псаммозёмы / химически загрязнённые, реградированные Ненасыщенные / крайне мелкие, эродированные, очень слабо гумусированные / легкосуглинистые / супесчаные, слабоскелетные на элюво-делювии сланцев Spodic Regosols/ Cambic Podzol

K9S Структурно-метаморфические в сочетании с альфегумусовыми / бурозёмы в сочетании с подбурами / оподзоленные Слабоненасыщенные / мелкие, среднегумусированные / легкосуглинистые и супесчаные, сильноскелетные на элюво-делювии гранита Haplic Cambisols, Cambic Podzol

K12S Структурно-метаморфические / серые в сочетании с тёмно-серыми метаморфическими / типичные Насыщенные / мелкие, сильногумусированные, слабозадернованные / среднесуглинистые, слабоскелетные на делювиальных отложениях Eutric Cambisols, Phaeozems

K11N Альфегумусовые / дерново-подбуры / оподзоленные и иллювиально-железистые Ненасыщенные / крайне мелкие, мало-и среднегумусированные, слабозадернованные / супесчаные-легкосуглинистые, сильноскелетные на делювии сланца Cambic Podzol

K18N Альфегумусовые / дерново-подбуры / иллювиально-железистые и псевдофибровые Ненасыщенные / крайне мелкие, мало- и среднегумусированные, слабозадернованные / супесчаные, сильноскелетные на элюво-делювии сланца Cambic Podzol

K26S Структурно-метаморфические / тёмно-серые метаморфические / типичные Насыщенные / маломощные, сильногумусированные / среднесуглинистые, слабо-скелетные на делювиальных отложениях Eutric Cambisols/ Phaeozems

K27S Текстурно-дифференцированные / дерново-подзолистые / типичные Слабоненасыщенные / крайне мелкие, среднегумусированные, слабозадернованные / среднесуглинистые, слабоскелетные на делювиальных отложениях Umbric Albeluvisols

K32N Альфегумусовые почвы / дерново-подбуры / оподзоленные и псевдофибровые Слабоненасыщенные / мелкие, сильногумусированные, слабозадернованные / супесчаные/легкосуглинистые, сильноскелетные на элюво-делювии миаскита Cambic Podzol

почвенный профиль местами перевёрнут, перемешан либо лишен всей верхней части, включая гумусовые и подгумусовые горизонты, что вызвано, возможно, лесозаготовками на данной территории (табл. 2).

Изменение строения и увеличение мощности подстилок в буферной и импактной зонах в 2—4 раза по сравнению с фоновым уровнем было неоднократно описано ранее для таёжных ландшафтов [8]. Это объясняется сокращением численности и гибелью сапрофагов почвенной мезофауны, а также снижением активности микромицетов при высоких концентрациях тяжёлых металлов.

В техногенной пустоши наблюдается полное уничтожение почвенного покрова и формирование техногенных поверхностных образований (ТПО) на месте исходных почв. Основными факторами образования ТПО можно считать разрушение естественных ландшафтов, обусловленное уничтожением растительности и тотальной эрозией почв вследствие хронического загрязнения. Эрозия привела к образованию овражной сети с временными водотоками, селевых наносов на выровненных участках и полному уничтожению поверхностных органогенных и гумусово-аккумулятивных горизонтов почв. Вертикальный профиль ТПО дифференцирован на 5—8 горизонтов либо представляет собой недифференцированную зеленовато-бурую массу мелкозёма. На поверхности ТПО минеральный наносной материал формирует слой песчано-

гравийно-галечной смеси мощностью 5,0—25,0 см, под которой местами сохранились прослойки оторфованных подстилок и гумусированного материала. Гумусовые горизонты фрагментарно сохранились в виде погребённых на различной глубине прослоев (20—35 см, 50—70 см) или в виде отдельных органогенно-гумусовых наносов в западинах нанорельефа. ТПО диагностированы нами как натурфабрикаты, а именно — литостра-ты в комплексах с абралитами. Эти грунты не закреплены и постоянно перемещаются вследствие непрекращающейся эрозии. Следовательно, ТПО не выполняют экологических функций почв для развития биоты (растительности, почвенной фауны и микрофлоры).

Литература

1. Комплексная экологическая оценка техногенного воздействия на экосистемы южной тайги / А.М. Степанов [и др.]. М.:ЦЕПЛ. 1992. 246 с.

2. Kozlov M.V., Zvereva E.L. Industrial barrens: extreme habitats created by non-ferrous metallurgy // Reviews in Environmental Science and Biotechnology. 2007. № 6. P. 231-259.

3. Кайгородова С.Ю., Воробейчик E.JI. Трансформация некоторых свойств серых лесных почв под действием выбросов медеплавильного комбината // Экология. 1996. № 3. С, 187-193.

4. Классификация и диагностика почв России / Л.Л. Шшпов [и др.]. Смоленск: Ойкумена. 2004. 342 с.

5. Полевой определитель почв. М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.

6. Почвенная номенклатура и корреляция. Петрозаводск: Карельский науч. центр РАН. 1999. 435 с.

7. World Reference Base for Soil Resurces. Draft. ISSS\ISRIC\ FAO. Wageningen/Rome. 1994. 161 p.

8. Воробейчик Ё.Л. Реакция лесной подстилки и её связь с почвенной биотой при токсическом загрязнении // Лесоведение. 2003. № 2. С, 32-42.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.