Регенерационное почвообразование в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада России

Интенсивное и разнообразное антропогенное воздействие на природные ландшафты становится в настоящее время все более серьезной проблемой. Нарушение почвенно-растительного покрова относится к числу самых древних форм негативного воздействия человека на природу. Техногенное воздействие на природные экосистемы сопровождается безвозвратным изъятием и нарушением природных и антропогенных экосистем на обширных территориях. Особенно губительные последствия нарушений, вплоть до полного уничтожения земель, наблюдаются в районах функционирования горнодобывающих комплексов. Открытый (карьерный) способ добычи полезных ископаемых признан наиболее дешевым, поэтому он и является преобладающим в системе способов добычи полезных ископаемых.

Общая площадь техногенно нарушенных земель Российской Федерации по состоянию на 2002 год составляет 1,1 млн га, из них около 9% приходится на земли, нарушенные при разработках месторождений строительных полезных ископаемых, 16% - на земли, связанные с разработками торфяников, на объекты газовой, нефтяной, металлургической и угольной промышленности соответственно — 12, 9, 35 и 19% (Андроханов, 2000, Гос. Доклад, 1999, 2000). Постепенное отчуждение земель под населенные пункты, дороги, горную промышленность и прочие нужды из сельскохозяйственного фонда приводит к сокращению площади пашни на душу населения: за период с 1975 по 2000 г. этот показатель уменьшился с 0,93 га до 0,73 га в среднем по России (Ковда и др, 1988, Махонина, 2003). Высокие темпы разработки месторождений полезных ископаемых и, следовательно, растущие нарушения почвенно-растительного покрова требуют принятия срочных мер по реабилитации техногенных ландшафтов. Традиционным способом быстрого возвращения нарушенных земель в сельскохозяйственное использование является их рекультивация. Направление рекультивации земель относительно молодо, оно стало активно развиваться в нашей стране с 1970;х годов. Следует отметить, что рекультивация в техногенных ландшафтах в подавляющем большинстве случаев не является экономически рентабельной, не всегда отличается эффективностью, поэтому темпы восстановительных работ значительно отстают от скоростей разработки новых месторождений и регенерации экосистем на нарушенных территориях, вследствие этого площадь рекультивированных земель в нашей стране составляет лишь 50% от всей территории техногенных бедлендов (Гос. Доклад, 1999,2000).

Регенерация почвенно-растительного покрова в посттехногенных экосистемах осуществляется либо при рекультивации, либо в процессе самозарастании отвалов. Наряду с данными об эффективности рекультивационных мероприятий в различных комбинациях литологических и биоклиматических условий почвообразования, итоги исследований закономерностей и результатов естественных восстановительных процессов, протекающих при самовосстановлении почвенно-растительного покрова, могут способствовать созданию целостной концепции регенерации экосистем после деструктивных техногенных воздействий.

Кроме большого практического значения, исследования антропогенного почвообразования важны для развития почвоведения как фундаментальной дисциплины. Разновозрастные самозарастающие и рекультивируемые отвалы являются не только очень удобным объектом для изучения становления современных биогеоценозов. Научная значимость этих исследований обусловлена тем, что они представляют собой своеобразную физическую модель педогенеза в пределах хронокатен регенерации почв. В рамках общей проблемы изучения генезиса почв особенно актуальной становится задача исследования именно ранних стадий почвообразования (до 100 лет) с целью изучения последовательности наиболее интенсивного проявления различных ЭНН, выявления дифференциации трендов почвообразования на различных по вещественному составу литогенных основах.

На территории Северо-Запада Русской равнины проводится интенсивная добыча торфов, песков, песчано-гравийных отложений, кирпичных глин, гранитов и гранито-гнейсов, известняков и доломитов, фосфоритов. По различным оценкам площадь земель, нарушенных в результате открытых горных разработок, составляет от 0,1 до 0,5% от территории Северо-Западного региона. Из них рекультивировано всего 4 — 8%. Северо-Западный регион сильно отстает от средних показателей доли рекультивированных земель в других регионах страны, где эта величина составляет около 20−50%. Основные площади техногенных бедлендов приурочены к крупным горнодобывающим комплексам по добыче фосфоритов, известняков, сланцев, гранито-гнейсов, огнеупорных и кирпичных глин, песков. Главные месторождения находятся в пределах Ижорской возвышенности, Приневской низменности, Балтийского кристаллического щита, Валдайской возвышенности и Лужской гряды. Как правило, в районах разработок крупных месторождений полезных ископаемых формируются относительно крупные населенные пункты (гг. Каменногорск, Кингисепп, Боровичи, Сланцыпоселки Кузнечное, Окладнево, Елизаветино и мн. др.). Для поддержания благоприятной экологической обстановки в указанных населенных пунктах необходимо принятие мер по реабилитации основных источников загрязнениятехногенных ландшафтов. Реабилитированы они могут быть только при восстановлении важнейшего компонента биосферы — «кожи земли» — почвенного покрова.

Исследования регенерации почв и растительности после деструктивного воздействия в нашей стране интенсивно проводились лишь в течение последних трех десятилетий. На начальном этапе исследования в этой отрасли науки сводились к обобщению фактического материала о скорости и направленности инициального почвообразования в техногенных ландшафтах (Трофимов и др., 1986, Таранов и др., 1977, Фаткулин, 1979, Ужегова и др., 1984, Гагарина и др., 2003, Махонина, 2003). В 1980;х годах начинаются более углубленные, в т. ч. и мониторинговые исследования почвовостановления в процессе рекультивации земель, продолжающиеся и в настоящее время (Бурыкин, 1985, 1991, Баева и др, 1992, Капельки на, 1996, Андроха-нов и др, 2000, Арчегова, 2000). При этом исследованиям самовосстановления поч-венно-растительного покрова уделялось очень мало внимания. Результаты исследований по этому вопросу были обобщены Г. И. Махониной (2003). Хорошо изученными в плане регенерационного почвообразования в настоящий момент являются лесостепные и степные регионы (Махонина и др., 1975, Ужегова и др, 1984, Трофимов и др., 1986, Голеусов и др., 1999, Клевенская, 1992, Андроханов и др., 2000, Махонина, 2003 и мн. др.), районы Севера (Капелькина, 1996, Арчегова, 2000,2003, Посттехногенные. ., 2002), центральной части южнотаежной подзоны Русской равнины (Пономаренко, 1986, Гельцер и др., 1989 и мн. др.), Прибалтики (Петров и др., 1994, Рейнтам, 1989, 2001, Reintam et al, 2002). Северо-Западный регион оказался практически незатронутым подобными исследованиями, за исключением единичных работ.

В связи с вышесказанным целью настоящей работы было выявление основных закономерностей природного и рекулътивационного восстановления почв на различных литогенных основах в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада Русской равнины.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Оценить объемы техногенных отложений и площади, занимаемые отвалами в районах открытых разработок полезных ископаемых в Северо-Западном регионе, определить основные факторы, затрудняющие рекультивацию различных грунтов в условиях таежной зоны.

2. Подобрать серию объектов исследования, позволяющих оценить специфику восстановления почвенно-растительного покрова на различных временных стадиях посттехногенной эволюции карьерных ландшафтов при рекультивации и естественном зарастании для различных по вещественному и гранулометрическому составу отвальных пород. Исследовать особенности развития растительных сообществ на различных отвальных субстратах.

3. Дать сравнительную характеристику макрои микроморфологических особенностей, гранулометрического, химического состава и физико-химических свойств почв, формирующихся в различных литолого-фитоценотических комбинациях почвообразования.

4. Изучить основные параметры гумусовоаккумулятивного процесса в молодых почвах: содержание гумуса, его фракционно-групповой состав, особенности формирования гумусового профиля, состав и свойства гуминовых кислот, степень внутримолекулярной окисленности гумуса, темпы аккумуляции органического вещества и параметры гумусного состояния.

5. Определить сочетания главных почвенных процессов, исследовать темпы дифференциации профиля на горизонты, провести период изацию начального педогенеза на различных литогенных основах.

6. Обосновать практические рекомендации по реабилитации посттехногенных ландшафтов с учетом особенностей состава и физических свойств отвальных пород карьеров.

Научная новизна работы! Впервые для территории Северо-Западного региона выполнено систематическое исследование начальных стадий развития почв при рекультивации и в процессе природного восстановления. Выявлены стадии начального почвообразования, проведена характеристика молодых почвенных горизонтов. Описаны механизмы природной регенерации почв на различных литогенных основах. Подробно изучены эволюционные закономерности развития гумусового профиля молодых почв на различных породах. Исследованы процессы трансформации органического вещества органоминеральных смесей, наносимых на поверхность отвалов при их землевании. Научная значимость работы дополняется тем, что впервые для условий Северо-Запада проведена подробная характеристика почв на ранних стадиях эволюцйи для широкого спектра литолого-фитоценотических комбинаций почвообразования.

Основные защищаемые положения: Специфика реабилитации посттехногенных ландшафтов Северо-Запада связана с низкой устойчивостью техногенных отвалов к экзогенным воздействиям, невысоким плодородием грунтов и с особенностями гидрологии отвальных пространств. В регенерационном почвообразовании доминируют процессы, тесно связанные с накоплением и трансформацией органического вещества, скорость и стадийность развития гумусового профиля определяют закономерности развития основных почвенных процессов, скорость и специфика которых определяются в основном литогенным фактром.

Практическая значимость: Данные о скорости развития почвенного профиля на различных стадиях становления посттехногенных экосистем в конкретных литолого-фитоценотических комбинациях могут быть учтены при разработке регионально-адаптированных технологий рекультивации земель. Учет отвальных пород в рядах благоприятности для восстановления почвенно-растительного покрова может быть полезным при планировании горнотехнического этапа рекультивации и позволит осуществлять селективную укладку вскрыши в отвалы с учетом свойств отдельных генетических типов пород.

Личное участие автора в работе заключается в постановке задач исследования, подборе объектов и методов, организации и проведении экспедиционных работ, выполнении лабораторных анализов, в обобщении и интерпретации полученных результатов, в реализации и апробации работы.

Апробация работы: Материалы работы докладывались на Конференции Болгарского общества по изучению гуминовых веществ (Бороветц, Болгария, 2003), Конференции Международного союза организаций по изучению леса (IUFRO-2004, Монпелье, Франция), Ш и IV Съездах Всероссийского общества почвоведов при РАН, ежегодных Докучаевеких молодежных чтениях в СПбГУ с 1997 по 2004 г, на конференциях «Ломоносов-1999, 2001» в МГУ им. М. В. Ломоносова, международных конференциях «Агрофизика XXI века» (СПб, 2002), «Биогеография почв» (Сыктывкар, 2002), «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (МГУ, 2003), Международной конференции «Экология-2003» (Архангельск, 2003), Международном экологическом форуме «Сохраним планету Земля» (СПб, 2004) и на трех тематических конференциях «Гумус и почвообразование», проведенных в 2001,2002 и 2003 гг. в СПбГАУ.

Публикации. Результаты исследований отражены в 12 статьях (из них 3 на английском языке).

Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю исследований проф., д.б.н. Э. И. Гагариной и признательность проф. д.б.н. О. Г. Чертову, к.б.н., доцешу СПбГУ О. Г. Растворовой, к.б.н. с.н.с. АФИ РАСХН B.C. Зуеву, к. с-х.н., с.н.с., доц. СПбГУ А. И. Попову, к. с-х. н., с.н.с. БиНИИ СПбГУ М. А. Надпорожской за консультации и под держку в работе.

Кроме того, автор считает своим долгом выразить признательность Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку работы в рамках проектов 0304—48 297,02−04−6 057,02−04−48 269, Министерству общего и профессионального образования за возможности расширения аналитической базы исследований в рамках проекта поддержки НИР аспирантов АОЗ 2.12−769, фонду ИНТАС и Конкурсному центру фундаментального естествознания при СПбГУ за неоднократную поддержку исследований по теме диссертации. t.

ВЫВОДЫ.

1. На территории открытых горных разработок Северо-Запада складировано около 5% от всех отвальных вскрышных грунтов, находящихся на поверхности карьеров Российской Федерации. При достаточно благоприятных химических и агрохимических характеристиках техногенные отвалы представляют собой неустойчивые поверхностные образования, для которых основным фактором, лимитирующим реабилитацию являются физические свойства.

2. Восстановление растительности при самозарастании проходит по типу экогенетических сукцессий, каждой стадии развития растительного сообщества соответствует своеобразная почва с определенным набором признаков и свойств. При рекультивации, связанной с агрохимической и физической оптимизацией грунтов сукцессии растительности осуществляются быстрее, чем при самозарастании.

3. На начальных стадиях генетический тип почвообразующих пород оказывает на регенерационное почвообразование большее влияние, чем тип фитоценоза. Скорость дифференциации почвенного профиля на горизонты в процессе самовосстановления увеличивается в ряду отвальных пород: карбонатные техногенные элювии ~ кембрийские глины ~ слабощелочные песчаные отсевы < моренные и озерно-ледниковые суглинки < водноледниковые пески. По благоприятности для почвовосстановления рекультивируемые грунты располагаются в следующий возрастающий ряд: потенциально-сульфатнокислые суглинки — карбонатные суглинки — гумусированные пескигумусированные карбонатные суглинки.

4. Гумусонакопление в первые 5−20 лет регенерации почвы в травяных экосистемах развивается особенно стремительно, аккумулятивные процессы доминируют над трансформационными. С появлением сомкнутого древесного яруса наблюдается дифференциация однородного гумусированного горизонта на специфические микрогоризонты, что связано с трансформацией органического вещества, миграцией гумусовых кислот и их взаимодействием с минеральной частью почвы.

5. Мшфомофологические исследования выявили, что в песчаных почвах гумусирование минеральной массы связано с закреплением гумусовых пленок на поверхности песчаных частиц, в суглинистых — с аккумуляцией глинисто-гумусовой плазмы. Интенсивное выветривание мелкозема по времени совпадает с интенсификацией процессов трансформации органического вещества.

6. Морфологические признаки отдельных процессов почвообразования формируются уже через 10−20 лет. В развитии почвенного профиля можно выделить три типа горизонтов: короткоживущие — OA, AvC, ОС, появляющиеся на самых начальных стадиях освоения субстрата растительностью, быстроразвивающиеся — О (L, F, H), Av, А, для которых характерна быстрая стабилизация всех признаков уже через 10−20 лет, и постепенно развивающиеся (АС, АВ, АЕ, Е, В), интенсивное развитие которых происходит после 20 лет (рекультивированные субстраты), 30 лет (четвертичные пески и суглинки) и 60 лет (сухие отсевы, плотные глины и карбонатные щебнистые породы). Выделены стадии: поверхностно гумусированного почвогрунта, появления собственно почвенных горизонтов и формирования эмбрионального профиля почвы, продолжительность которых зависит от особенностей отвальных пород.

7. По составу и свойствам ГК молодых почв можно заключить, что процесс гумификации наиболее полно осуществляется на богатых в минералогическом и химическом отношении рекультивированных карбонатных суглинках, менее выражен в кислых почвах на четвертичных песках и суглинках и практически не осуществляется по классической схеме на плотных и сухих грунтах, где трансформация органических остатков приводит к формированию гуминовых веществ сходных с ФК.

8. Формирование фракционно-группового состава гумуса молодых почв определяется особенностями субстрата почвообразования. Для почв на карбонатных щебнистых породах и кембрийских глинах характерно очень низкое содержание ГК и ФК, что связано с низкой степенью гумификации органического вещества. В случае воднолендиковых песков и отсевов дробления гранитов на фоне значительного содержания ГК, существенно преобладают ФК. В случае четвертичных суглинков, рекультивированных субстратов и 200−300 летних рендзин относительное содержание ГК значительно увеличивается. 9. Рекультивация оптимизирует свойства вскрышных пород и вызывает быстрое развитие фитоценозов, что способствует более интенсивному проявлению биогенно-аккумулятивных процессов, высокой степени гумификации органического вещества и существенному преобразованию минеральной части почвы, чем в почвах участков самозарастания карьеров.