Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса 7
Глава 2. Объекты и методы исследований 20
Глава 3. Природно-климатические условия района исследования 28
3.1. Климатические условия 28
3.2. Геологические условия 29
3.3. Многолетнемерзлые породы 31
3.4. Ландшафтно-геоморфологические условия 32
3.5. Растительный покров 36
3.6. Почвенный покров 41
Глава 4. Почвенный покров посттехногенных ландшафтов заладной якутии 54
4.1 Разные подходы к классификации почв и грунтов техногенных ландшафтов 54
4.2 Пространственное соотношение молодых почв и грунтов на отвалах вскрышных пород Мирнинского ГОК 57
4.3 Класс литогенно-неразвитьте почвы 61
4.4 Класс биогенно-неразвитые почвы 64
4.5 Сравнение физико-химических свойств объектов исследований 82
Глава 5. Особенности почво-восстановительных процессов на посттехногенных ландшафтах западной якутии 78
5.1 Общая микробиологическая характеристика отвальных грунтов 90
5.2 Особенности сапротрофного микробного населения эмбриоземов 95
5.3 Функциональный спектр микробного сообщества 97
5.4 Ферментативная активность 99
5.5 Оценка состояния почв и фунтов методом биотеста на высших растениях 102
Выводы 106
Список использованной литературы
- Геологические условия
- Ландшафтно-геоморфологические условия
- Пространственное соотношение молодых почв и грунтов на отвалах вскрышных пород Мирнинского ГОК
- Особенности сапротрофного микробного населения эмбриоземов
Введение к работе
Актуальность темы. По разведанным запасам и прогнозным ресурсам алмазов Россия занимает первое место в мире, при этом 78 % месторождений сосредоточено в Якутии, где добывается более 99 % российских алмазов. Промышленная добыча алмазов в Якутии начата с эксплуатации трубки «Мир» в 1956 г. и в настоящее время география и объем добычи значительно расширились.
Отвалы пустых пород карьеров «Мир» и «Интернациональная» Мирнинского ГОК (МГОК) АК «АЛРОСА» (ЗАО) занимают территорию 2674 га, из них рекультивировано только 84 га или 3,1 % от всей площади отвалов.
Высокие темпы разработки месторождений полезных ископаемых, а, следовательно, и растущее нарушение почвенно-растительного покрова предполагают принятие срочных мер по ремедиации техногенных ландшафтов. Для эффективного их восстановления, прежде всего, необходимо изучить особенности процессов почвообразования. Результаты этих исследований могут способствовать созданию целостной концепции почвенно-восстановительных мероприятий в экстремальных условиях Севера.
Кроме большого практического значения, исследования антропогенного почвообразования важны для развития почвоведения как фундаментальной дисциплины. Разновозрастные самозарастающие и восстановленные по различным схемам рекультивации отвалы являются удобным объектом для изучения начальной стадии становления современных биогеоценозов. В этом плане достаточно хорошо изучены отвалы угледобывающей промышленности в Западной Сибири, являющиеся относительно благоприятным субстратом для заселения растительности (Махонина, 1976, Гаджиев, Курачев, 1992). Отвалы же горнорудной промышленности в Якутии из-за сложности их как объекта исследований вследствие низкой скорости восстановления биогеоценоза мало изучены.
Цель работы: Изучение особенностей почвенно-восстановительных процессов в почвах и грунтах отвалов вскрышных пород алмазодобывающей промышленности Западной Якутии и оценка информативности различных методических подходов для классификации почв техногенных ландшафтов.
В соответствии с целью исследований, поставлены следующие задачи:
классифицировать почвы и грунты согласно профильно-генетической классификации почв техногенных ландшафтов;
выявить закономерности пространственной дифференциации почв и грунтов посттехногенных ландшафтов;
изучить химические, физико-химические свойства почв и грунтов;
изучить биологические свойства почв и грунтов;
оценить информативность различных методических подходов для классификации почв техногенных ландшафтов.
Научная новизна. Впервые в зоне сплошного распространения многолетней мерзлоты получены сведения о начальных стадиях развития почв при рекультивации и в процессе природного восстановления. Согласно профильно-генетической классификации почв техногенных ландшафтов (Курачев, Андроханов, 2002), выделены два класса и три типа почв. Экспериментально показано, что выделение таксономических единиц вследствие низкой скорости почвообразования возможно только по почвенно-биологическим показателям. Установлено, что микробное сообщество молодых почв на отвалах алмазодобывающей промышленности имеет характерные черты для начальной стадии почвообразования: более высокую в сравнении с зональными почвами численность; низкую активность утилизации целлюлозы и невысокую инвертазную активность, отсутствие профильной дифференциации грунтов по ферментативной активности, что свидетельствует о слабой скорости формирования органо-минерального комплекса почвы. Проведена оценка информативности физико-химических, почвенно-микробиологических свойств и метода биотеста для дифференциации классов и типов молодых почв на отвалах алмазодобывающей промышленности.
Защищаемые положения:
-
На посттехногенных ландшафтах территории Мирнинского ГОК доминируют элювиоземы инициальные из класса литогенно-неразвитых, при этом на участках, где проводились рекультивационные мероприятия, распространены эмбриоземы инициальные и органо-аккумулятивные из класса биогенно-неразвитых.
-
На начальных этапах почвообразования на отвалах МГОК дифференциация эмбриоземов до типа возможна по способности субстратов поддерживать начальный рост тест-растений, а до классов – по почвенно-микробиологическим показателям. Стандартные физико-химические характеристики недостаточны для дифференциации класса литогенно-неразвитых от класса биогенно-неразвитых.
Фактический материал собран в период с 2006 по 2011 гг. в рамках программы НИР Федерального государственного научного учреждения «Институт прикладной экологии Севера». Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Республики Саха (Якутия) для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, а также при финансовой поддержке государственной стипендии Академии наук Республики Саха (Якутия) для молодых научных сотрудников.
Практическая значимость. Данные о восстановлении почвенного покрова на различных стадиях становления посттехногенных экосистем могут использоваться при разработке регионально-адаптированных технологий рекультивации земель, оценки состояния почвенного покрова в посттехногенных экосистемах, а также для расчета ущерба техногенного воздействия и экономической эффективности биологического этапа рекультивации.
Апробация. Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V международной конференции по криопедологии «Разнообразие мерзлотных и сезонно-промерзающих почв и их роль в экосистемах» (Улан-Удэ, 2009), на II международной научной конференции «Разнообразие почв и биоты Северной и Центральной Азии» (Улан-Удэ, 2011), на V всероссийском съезде почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на Дону, 2008), на всероссийской научной конференции «XIII Докучаевские молодежные чтения «Органо-минеральная матрица почв» (Санкт-Петербург, 2010), на всероссийской научной конференции «XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург, 2011), а также на региональных научно-практических конференциях «Прикладная экология Севера: экологические проблемы северных городов» (Якутск, 2008), «Экологическая безопасность Якутии» (Якутск, 2008 г.), «География и краеведение в Якутии» (Якутск, 2009 г.), «Современные проблемы мерзлотного почвоведения» (Якутск, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из которых 3 в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 126 стр., содержит 15 таблиц и 27 рисунков. Список литературы включает 180 отечественных, 16 иностранных источников.
Геологические условия
Людей всегда интересовали способы восстановления нарушенных ими земель. На начальных этапах добыча полезных ископаемых проводилась на незначительных площадях примитивными орудиями производства. Это не приводило к масштабным нарушениям естественных экосистем. Как правило, такие нарушенные территории восстанавливались естественными процессами. В более позднее время по мере совершенствования производительных сил площади и степень нарушения многократно возросли.
Первые попытки осмысленно восстанавливать растительность на нарушенных землях начали предпринимать в промышленно развитых странах. Один из первых исторических фактов рекультивации описан Кнабе (Knabe, 1964) - высадку ольхи на отвалах, образованных после добычи угля по приказу короля Саксонии Фридриха в 1784 году. Однако до начала XX века эти работы можно считать единичными и как исключение из правил. В более значительных масштабах восстановление нарушенных территорий, по данным того же автора, производилось в Германии при облесении отвалов в Рейнском угольном бассейне в 20-х годах XX века. В Англии примерно в тоже время в Мидленде также были предприняты первые попытки рекультивировать нарушенные земли (Моторина, Овчинников, 1975).
Бурное развитие промышленности после окончания Второй мировой войны привело к резкому возрастанию темпов разрушения естественных природных ландшафтов и замены их техногенно-нарушенными территориями или природно-техногенными комплексами (Колесников, 1974; Моторина, 1975). К настоящему времени объемы и степень нарушения промышленностью природных ландшафтов возросли настолько, что становится абсолютно очевидной справедливость положения В.И. Вернадского о сопоставимости деятельности человека с геологическими процессами (Вернадский, 1926; 1965). Разрушение природных ландшафтов приводит к возникновению очагов активного загрязнения почв, атмосферы и вод и способствует значитель ному снижению качества жизни на прилегающих территориях. Негативное влияние их на окружающие экосистемы заставило исследователей вплотную заняться проблемой рекультивации нарушенных земель. В развитых странах Европы на нарушенных землях проводятся широкомасштабные рекультива-циоииые мероприятия, которые преимущественно направлены на возврат территорий для лесо- и сельскохозяйственного использования.
Особенно большой всплеск работ по рекультивации нарушенных земель произошел в 60-70-е годы прошлого столетия. К этому времени был собран большой экспериментальный материал о негативном влиянии техногенных ландшафтов на окружающую среду, и площади нарушенных земель стали сопоставимы с площадями сельскохозяйственных угодий (Knabe, 1959; Beaver, 1960; Arguile, 1971). В эти годы в большинстве промышленно развитых стран были разработаны и приняты законы, государственные программы и проекты, направленные на защиту окружающей среды и содержащие разделы по рекультивации земель. Особенно большое внимание к рекультивации земель уделяется в Германии, Англии, Чехословакии, Польше, США и др. В этих странах общепринятым становится требование к разравниванию и селективному формированию отвалов. Так, например, в Германии слой плодородных грунтов, насыпаемых на отвалы, должен быть не менее 1 м для основных сельскохозяйственных и 1,5 - 2 м для плодовых древесных культур (Veromung ..., 1965), откосы отвалов должны быть выположены до крутизны 1:4 (Werner, 1966). В то же время необходимо отметить, что требования селективной отсыпки потенциально плодородных пород появляются только в тех странах, где при разработке месторождений на поверхность выносятся фитотоксичные породы, которые длительное время не зарастают и наносят ощутимый вред окружающим ландшафтам. Особенно жесткие требования к проведению рекультивационных работ и восстановлению почвенно-растительного слоя в этот период принимаются в странах, где существует дефицит сельскохозяйственных угодий (Германия, Англия, Венгрия и др.). В Германии под лесную рекультивацию используются только участки, не при годные для сельскохозяйственного производства, в основном склоны и откосы отвалов.
В настоящее время для восстановления нарушенных земель в США используют в основном технологии рекультивации с отсыпкой ранее снятых плодородных слоев почв или без отсыпки, обходясь только планировкой поверхности нарушенных земель, но с обязательным последующим посевом смесей многолетних трав для предотвращения развития эрозионных процессов. В некоторых случаях проводят гидропосев или посев семян многолетних растений с самолета.
В европейских странах в связи с общим сокращением площади сельскохозяйственных угодий и уменьшением доли пашни на душу населения наибольшее значение приобретает именно сельскохозяйственное направление рекультивации, поэтому там, где имеются необходимые условия, создаются сельскохозяйственные угодья различного вида использования (пашни, сенокосы, пастбища и т.д.). Так, в Германии, где рекультивируются практически все нарушенные земли, более 50 % восстановленных земель используются для сельскохозяйственного производства. При этом применяются различные технологии рекультивации, как с нанесением потенциально плодородных пород (111111) и плодородного слоя почвы (ПСП), так и без их нанесения, с использованием многолетних трав, а на фитотоксичных (в основном сульфидсодержащих) породах путем химической мелиорации при помощи извести и буроугольной золы (Briming, 1962; lllner, Lorenz, 1965).
В Венгрии, Румынии и Болгарии большое внимание уделялось созданию растительного покрова на потенциально плодородных породах без нанесения ПСП. В таких технологиях рекультивации предусматривалось внесение повышенных доз органических и минеральных удобрений и посевом в мелиоративный период многолетних трав.
В Польше и Чехословакии основным направлением восстановления нарушенных земель стало создание на этих территориях лесных насаждений с целью «оздоровления» нарушенных природных ландшафтов, улучшения санитарно-гигиенической обстановки в промышленных районах (Грешта, 1966; Stys, Dimitrovsky., 1981).
В Англии накоплен большой опыт проведения рекультивационных работ на терриконах и отвалах шахтных пород, попытки занесения которых начаты в 1921 году (Geffrey, Maybury, Levinge, 1975). В настоящее время основным способом рекультивации в Англии считается создание сенокосно-пастбищных угодий в сочетании с рекреационными участками с водоемами и посадками декоративных лесных насаждений.
В Китае ранее работы по рекультивации не проводились. Основные площади нарушенных земель оставлялись под естественное зарастание. Однако и здесь в последние десятилетия ведутся разработки быстрых и эффективных технологий рекультивации земель. При этом наиболее эффективным способом является нанесение на поверхность отвалов ПСП. При отсутствии ресурсов ПСП возможно применение и других технологий рекультивации с внесением удобрений, извести и использования других почвоулучшителей, способствующих развитию фитоценозов на нарушенных землях. При этом подчеркивается, что после проведения рекультивационных мероприятий необходимо независимо от примененной технологии давать оценку успешности метода рекультивации (Xia Hanping, Cai Xi, 2002).
Ландшафтно-геоморфологические условия
Резкоконтинентальный климат с большой амплитудой абсолютных температур способствует к физическому выветриванию горных пород. Короткий летний период и небольшое количество осадков лимитирует почвообразую-щие процессы.
Геологические условия. Мирнинское кимберлитовое поле расположено в пределах Мало-Ботуобинского алмазоносного района, относящегося к Западно-Якутскому алмазоносному региону. Основными геоструктурными элементами района являются Ботуобинская седловина, восточный борт Тунгусской синеклизы, западный борт Вилюйской синеклизы и наложенный Ан-гаро-Вилюйский прогиб (Колганов, 2011).
В геологическом строении района участвуют метаморфические и осадочные породы различного возраста, слагающие платформенный комплекс, и прорывающие их магматические породы основного и ультраосновного состава.
В платформенном комплексе выделяют три структурных яруса. Первый ярус представлен архейскими отложениями (кристаллический фундамент), второй - венднижнекаменноугольными и третий - верхнепалеозойскими-мезозойскими отложениями. Архейский кристаллический фундамент сложен глубокометаморфизованными образованиями и вскрыт скважинами на глубинах 1900-2100 м. Нижняя часть второго структурного яруса представлена вендским комплексом мощностью до 440 м, сложенным песчаниками, доломитами с прослоями аргиллитов.
Отложения нижнего кембрия (средняя мощность 1300-1400 м) представлены сульфатно-галогенно-карбонатными породами и расчленяются на пять свит (снизу вверх): юедейскую (юрегинскую), зльгянскуіо, толбачанскую (средняя мощность 345 м), олекминскую (средняя мощность 185 м) и чар-скую (средняя мощность 301 м). Кроме того, в состав этой толщи входит нижняя часть (-30 м) ичерской свиты нижнего-среднего кембрия. Мощные прослои каменной соли отмечаются в разрезах пестроцветной (20-25 м), тол-бачанской (10-25 м) и чарской (4-12 м) свит (Колганов, 2011). Отложения среднего кембрия (мощность - 175 м) характеризуются кремнисто-карбонатно-доломитовым составом. По литологии и фаунистиче-ским остаткам они разделены на ичерскую (средняя мощность 80 м) и ме-тегерскую (средняя мощность 112 м) свиты.
Верхнекембрийские отложения (средняя мощность 460 м) заканчивают разрез и выходят на дневную поверхность.
В результате среднепалеозойского тектономагматического этапа развития района были заложены зоны разломов, которые предопределили очертания основных структур - Вилюйско-Мархинской и Ахтарандинекой. В пределах первой выделяются Западный, Центральный, Параллельный, Восточный и Аипаинский субмеридиональные разломы. По этой зоне на протяжении среднего палеозоя происходили наиболее интенсивные проявления магматизма. В частности, в этот период происходило внедрение изверженных пород трапповой и кимберлитовой формации.
Основные породы трапповой формации (долериты) слагают не выходящие на поверхность дайки и силлы. Силл долеритов в районе трубки Мир внедрился между отложениями ичерской и чарской свит. Мощность силла колеблется от 24 до 36 м. Его контакты с вмещающими породами неровные, извилистые. Дайки траппов трассируются через всю площадь алмазоносного района и выполняют субмеридиональные разрывные нарушения Вилюйско-Мархинской зоны, в том числе Параллельный разлом.
Группа пород кимберлитовой формации выполняет трубочные и жильные тела. В настоящее время в районе известно семь кимберлитовых трубок и более десятка сопряженных с ними жил трубки Мир. Спутник и Дачная пространственно приурочены к Параллельному разлому, остальные - к зоне Западного разлома.
В плане кимберлитовые трубки имеют вид неправильных овалов, длинные оси которых ориентированы по азимуту 315-345. Трубками прорваны все вышеперечисленные отложения осадочного чехла, в том числе и силл долеритов. В кровле трубки перекрыты маломощным покровом мезокай нозойских отложений. В частности, трубка Мир была перекрыта лишь современными четвертичными отложениями.
По геологическим данным, возраст кимберлитового магматизма в районе определяется как среднепалеозойский.
Геологическое строение Мирнинского кимберлитового поля, приуроченного к Параллельному разлому, отличается хорошей выдержанностью в распространении свит как в плане, так и по глубине и субгоризонтальным залеганием с небольшими углами падения (1-6) на северо-восток. Как правило, мощности и интервалы залегания (в абс. отметках) выделенных свит в различных точках бурения разведочных скважин различаются на 10-15 м.
В пределах разведанного интервала глубин преобладающим развитием пользуются карбонатные породы - доломиты и известняки с их многочисленными фациальными разностями. Взаимные переходы среди последних как в плане, так и в разрезе могут происходить на весьма незначительных расстояниях. Мощности отдельных разновидностей пород колеблются в широких пределах: от нескольких метров до 20-30 м.
Таким образом, почвообразующими породами являются преимущественно карбонатные, известково-доломитовьте отложения ордовика, а таюке юрские песчаники и пластовые интрузия базитов. Почвообразующей породой для молодых почв техногенных ландшафтов являются доломиты и известняки, которые составляют тело отвалов.
Пространственное соотношение молодых почв и грунтов на отвалах вскрышных пород Мирнинского ГОК
Разрез Р-4-И-08 заложен на северной стороне вершины отвала «Южный» карьера трубки «Интернациональная» МГОК АК «АЛРОСА» (ЗАО). Микрорельеф волнистый, разрез выкопан на низине. Растительность: лиственница, ива, сосна, разнотравье, зеленый мох (рис. 4.4.6). А о 0(1)-1(2) см - На поверхности неразложившейся опад трав. Сі 1(2)-11(19) см - Темно-коричневый, влажный, рыхлый, крупнокомкова тый, среднесуглинистый, густо переплете}шый мелкими корнями растений слой. Видны камни сизого цвета. Переход постепенный, граница неровная. С? /1(19)-21(37) см - Темно-коричневый, влажный, неуплотненный, слоистый, среднесуглинистый, густо переплетенный мелкими корнями растений слой. Переход постепенный, граница неровная. Cj 21(37)-44(50) см - Коричневый с черными горизонтальными примазками, влажный, слабо уплотненный, слоистый, супесчаный слой (фрагмент). Видны ржавые пятна. С/ 44(50)-62(68) см - Темно-бурый, влажный, неуплотненный, крупнокомковатый, легкосуглинистый слой. В пределах слоя обнаружены плотные, слоистые, влаоїсньїе суглинистые фрагменты грунта. Переход ясный, граница неровная. С$ 62(68)-141 см - Темно-бурый, влажный, неуплотненный, слоистый, легкосуглинистый слой. В пределах слоя обнаружен рыхлый, песчаный, крупнокомковатый, влажный фрагмент грунта. Реакция на НС1 не наблюдается по всему профилю разреза. Рис. 4.4.6 Разрез Р-4-И-08. Тип эмбриоземы органо-аккумулятивные.
Эмбриоземы органо-аккумулятивные имеют профиль с мощностью 35-250 см, в морфологическом строении минеральная часть не дифференцирую-ется на четко выраженные слои, в отличие от инициальных эмбриоземов имеют горизонт Ао, который представлен подстилкой.
Гранулометрический состав этих ірунтов варьирует от рыхлого песка до среднего суглинка. Доля физической глины в этих грунтах варьирует от 3,5 до 39,3 % (табл. 4.4.4), в профиле не наблюдается закономерное распределение механических частиц.
По оценке объемного веса суглинистых и глинистых почв Н.А. Качин-ского (Вадюнина, Корчагина, 1986), эмбриоземы органо-аккумулятивные отвала «Южный» относятся к уплотненным (1,04-1,26 г/см ), кроме верхнего слоя разреза Р-1-И-08. Во всех разрезах с глубиной грунты уплотняются, менее уплотненные верхние слои могут свидетельствовать о педогенной трансформации исходного материала. Реакция среды в пределах почвенного профиля в основном нейтральная, реже встречаются щелочные (рН=6,8-7,8) (табл. 4.4.5). С глубиной реакция среды незначительно колеблется, закономерности не наблюдается. Содержание биогенных элементов незначительное. Содержание общего углерода колеблется от 0,09 да 1,79 %, закономерности в вертикальном распределении не наблюдается. Содержание общего азота органо-аккумулятивных почв колеблется от 0,004 до 0,045 %. В некоторых разрезах наблюдается убывание с глубиной содержание общего азота, что может быть связано с деятельностью почвенных микроорганизмов.
На вершине и на подошве отвалов в слое 0-10 см выявлено некоторое накопление Собш в сравнении с исходной породой, примерно на 0,25-0,52%.
Отношение углерода к азоту колеблется от 9,4 до 38,1, распределение по профилю незакономерное, что говорит о низком уровне разложения растительных остатков. Эмбриоземы оргаио-аккумулятивные слабо обеспечены обменными основаниями и подвижными формами. Содержание карбонатов незначительное. Эти почвы не засолены (табл. 4.4.6).
Таким образом, на исследуемых техногенных ландшафтах доминируют элювиоземы инициальные из класса литогенно-неразвитых, которые занимают 96,8% исследуемой территории. Эмбриоземы инициальные и органо-аккумулятивные приурочены к территориям, где проводились рекультиваци-онные мероприятия. Таблица 4.4.4. Гранулометрический состав эмбриоземов органо-аккумулятивных Разрез Горизонт, глубина, см. Гигр.влага,% Потеря от HCL,% Значение фракций, % Краткое названиепочвы погран.составу
Для обобщения экспериментального материала, изложенного в настоящей главе, попытались вычислить пределы колебания физико-химических показателей грунтов и почв. Результаты расчетов приведены на рис. 4.5.1 в виде так называемых в статистике «ящиков с усами», показывающих в нашем случае среднюю величину показателя и доверительный интервал, который при первом приближении показывает пределы колебания показателя в полученном экспериментальном массиве данных.
Отметим, что для статистической обработки массивы данных сформировали на основе всех значений соответствующих показателей, полученных отдельно для каждого слоя грунтов мощностью 10 см до глубины 40 см, в случае естественных почв - для отдельных генетических горизонтов.
Гранулометрический состав отражает свойства нанесенных при рекультивации на поверхность отвалов потенциально плодородных пород, характеризующихся преимущественно как легкие суглинки и супеси.
Величина рН по объектам исследования отражает, скорее всего, не процесс почвообразования на эмбриоземах, а состав исходных и нанесенных при рекультивации пород. По представленным данным, рекультивация сопровождалась снижением кислотности водной вытяжки от щелочной до нейтральной. При этом величина рН водной вытяжки зональных почв, развивающихся преимущественно под лесной растительностью, находилась в нейтральном диапазоне. Основной вывод из этих данных заключается в том, что величина рН эмбриоземов инициальных не отличалась от соответствующих показателей эмбриоземов органо-аккумулятивных.
Содержание общего углерода и общего азота являются важнейшими показателями почвообразовательного процесса. По данным критериям эм-бриоземы не отличались от элювиоземов, что, вероятно, свидетельствует о низких темпах биогенного накопления углерода и азота на рекультивированных отвалах.
Предпринята попытка сравнения темпов почвообразования на отвалах алмазодобывающей промышленности Якутии с таковыми на других отвалах, различающихся по происхождению и географическому расположению (табл. 4.5.1).
По литературным сведениям (табл. 4.5.1), наибольшая скорость накопления органического вещества отмечается на отвалах, сформированных из нетоксичных грунтов, добытых из относительно малых глубин (отвалы карьеров образовавшихся при добыче строительных материалов). Относительно высока скорость этих процессов на отвалах угледобычи. На этих объектах исходный материал благоприятен для роста растений, поэтому отвалы достаточно быстро зарастают. На отвалах горно-рудной промышленности процесс почвообразования существенно замедлен, что, прежде всего, связано с составом исходных пород, которые в сравнении с вышеуказанными содержат , обычно ряд токсичных агентов и обеднены элементами питания растений. На фоне представленных данных скорость почвообразования на отвалах алмазодобывающей отрасли Западной Якутии, судя по накоплению органического вещества, резко заторможена, что вполне коррелирует с неблагоприятными свойствами исходных пород и криоаридным климатом территории.
Таким образом, по основным физико-химическим показателям, эмбри-оземы достоверно не отличались от элювиоземов, то есть по изученным критериям почвообразовательный процесс на рекультивированных отвалах практически отсутствует.
Особенности сапротрофного микробного населения эмбриоземов
Формирование ферментативной активности является важнейшим этапом и признаком почвообразовательного процесса. Здесь уместно процитировать известного почвенного энзимолога Т.А. Щербакову (1983), которая считает, что «инертная горная порода становится почвой только тогда, когда она приобретает способность поглощать ферменты и сохранять на определенном уровне их активность».
Из всего спектра почвенных ферментов, активность которых в настоящее время мы в состоянии определять, в начальном этапе исследований выбрали инвертазную активность почв. Инвертазы участвуют в разложении сложных углеводов до более простых. В нашем исследовании мы изучали са-харазу, расщепляющую полимер сахарозу на мономеры - глюкозу и фруктозу. Данный фермент широко распространен в почве и, как считал основоположник почвенной энзимологии в СССР В.Ф. Купревич (Купревич, Щербакова, 1966), основным источником инвертаз являются корни растений. То есть, на наш взгляд, инвертазная активность молодых почв может служить показателем результата взаимодействия трех составляющих молодых почв -исходного субстрата, корней растений и микроорганизмов.
По результатам наших исследований, на элювиоземах ферментативная активность практически не обнаруживается. Уровень показателя на эмбриоземах существенно уступал таковым зональным почвам (рис. 5.4.1). Как известно, формирование профиля почвы идет обычно сверху вниз, так как процесс поступления растительного вещества и взаимодействия его с микроорганизмами наиболее интенсивен именно в поверхностных слоях. Поскольку на эмбриоземах дифференциация профиля по данному показателю еще не обнаруживается, то можно предположить, что отмеченный уровень активности может быть унаследован от нанесенного условно плодородного субстра та. Таким образом, в этих объектах еще заторможен процесс формирования специфической органоминеральной фракции, способствующей фиксации и сохранению активности ферментных белков, выделяемых корнями растений и микроорганизмами 20
Физико-химические свойства изученных эмбриоземов на отвалах пустых пород Мирнинского ГОК незначительно отличаются от таковых элю-виоземов. Однако, применение почвенно-микробиологических методов исследования позволило зафиксировать начальные этапы формирования микробного сообщества субстратов. При этом установлено, что пока этот процесс находится на стадии простого накопления пула микробных клеток с низкой скоростью роста и не способных к утилизации составных частей растительных остатков. Микробное сообщество, вероятно, слабо воздействует на исходный субстрат и пока не способствует образованию своеобразной матрицы для закрепления ферментных белков, выделяемых корнями высших растений и клетками микроорганизмов.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что закономерности восстановления биологических свойств отвалов алмазодобывающей промышленности Якутии в целом согласуются с таковыми установленными на отвалах угледобывающей и горнорудной промышленности Сибири и Урала (Наплекова и др., 1982, Клевенская и др., 1985, Наумова, 1993, Артамонова, 2002, Махонина, 2004, Напрасникова, 2008 и др.). Так, повышение числа КОЕ с глубиной при самозарастании отвалов отмечено авторами как выраженная закономерность формирующихся экосистем. Нам удалось дифференцировать этот пул по скорости роста, что дало возможность показать преобладание в нем медленно растущих клеток. Очевидно, что микробные клетки вместе с нисходящими потоками попадают в нижние слои почвогрунта и в условиях неблагоприятных для активного заселения остаются в покоящемся состоянии, постепенно образуя некоторый запас микробных клеток. Их высокая численность и низкая актуальная активность, экспериментально установленные, в литературе описаны.
Изучение функционального спектра микробного сообщества эмбриозема позволило показать, что последнее практически не приспособлено к потреблению основного почвенного полимера - целлюлозы, то есть, несмотря на свою высокую численность еще функционально не развилось до осуществления основной экологической функции - разложения растительных остатков.
Сравнение полученных данных с таковыми, полученными в других регионах, показывает более низкую скорость изменения биологических свойств отвалов алмазной промышленности Якутии по сравнению, например, с угольными отвалами. Это понятно, так как последние обычно сложены нетоксичными породами, наличием в них органического углерода и резерва NPK является существенным фактором для ускоренного заселения субстрата. Кроме того, сама специфика свойств отвалов горнорудной промышленности обусловливает более низкие в сравнении с угольными темпы заселения субстратов (Артамонова, 2002). В условиях отвалов алмазной промышленности
Западной Якутии, как было отмечено выше, дополнительными ограничива 101 ющими факторами выступают токсичность исходных пород и криоаридность климата, обусловливающие низкую зарастаемость техноземов высшей растительностью.
На основе полученных данных можно оценить эффективность рекульги-вационных мероприятий, проведенных на отвалах алмазодобывающей промышленности, с почвенно-микробиологических позиций. Безусловная необходимость рекультивационных мероприятий даже по самой простой схеме становится ясной при сравнении показателей, присущих эмбриоземам и элю-виоземам. При этом сопоставление биологических свойств эмбриоземов ор-гано-аккумулятивных на рекультивированных отвалах с таковыми молодых почв на самозарастающем отвале указывает на низкую биологическую эффективность проведенных мероприятий.
Оценка состояния почв и грунтов методом биотеста па высших растениях. На посттехногенных ландшафтах произрастание растений зависит от многих условий, в том числе и от свойств субстратов.
Одним из важных свойств субстратов промышленных отвалов, которое может оказать угнетающее действие и препятствовать заселению и росту растений, является фитотоксичность слагающих их пород.
Фитотоксичность субстратов мы оценили при помощи биотеста на проростках редиса. В опыте №1 оценивали первоначальный рост проростков растений за 4 суток после посева. Динамику роста оценивали по общей живой биомассе проростков на сосуд (10 шт). Как видно на рис. 5.5.1., на элю-виоземах прорастание семян было резко подавлено.
Похожие диссертации на Особенности почвенно-восстановительных процессов на посттехногенных ландшафтах Западной Якутии
