CC BY
124
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.
