Техноземы и изменение их свойств на биологическом этапе рекультивации: На примере КАТЭКа

Исследование особенностей восстановления свойств и режимов техно-земов КАТЭКа проводилось в лаборатории рекультивации Института почвоведения и агрохимии СО РАН в рамках темы «Экология Канско-Ачин-ского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК)», входящих в ГНТП «Сибирь» .

Актуальность исследований. В процессе разработки буроугольных месторождений Канско-Ачинского бассейна неизбежно занимаются все новые площади сельскохозяйственных и лесных угодий. Соответственно возрастают площади нарушенных земель. Такие земли принято называть техногенными ландшафтами. Поскольку территориально все объекты формирующегося КАТЭКа расположены в наиболее освоенной части Канско-Ачинской лесостепи, то техногенные ландшафты не только изменяют структуру сельскохозяйственных и рекреационных угодий, но и оказывают многостороннее негативное экологическое воздействие на окружающую среду.

В настоящее время общая площадь техногенных ландшафтов на КАТЭКе по разным оценкам составляет 25 -30 тысяч гектар. Более 80% этой территории ранее было занято сельскохозяйственными угодьями. Скорость отчуждения земель под горные работы значительно опережает темпы возвращения рекультивированных земель (Географические условия ., 1979; Комплексная программа., 1990). При этом, поскольку экологическая и хозяйственная эффективность традиционной технологии рекультивации, как правило, невелика, рекультивированные земли редко используются по назначению. В результате проблема рекультивации и возвращения в народнохозяйственное использование нарушенных земель становится первоочередной сельскохозяйственной и экологической задачей в регионе. Решается эта задача осуществлением комплекса различных мероприятий, одним из которых является использование технологии рекультивации по-средством формирования, так называемых, насыпных почв, с отсыпкой на спланированной поверхности отвалов материала плодородного слоя почвы (ПСП). Эти насыпные почвы в соответствии с классификацией (Гаджиев, Курачев, 1992) следует отнести к типу техноземов гумусоаккумулятивных, (далее, для краткости в тексте, — техноземов). Несмотря на наличие ряда публикаций, посвященных этим почвам (Масюк, 1975; Етеревская, 1977; Бекаревич, 1984; ЫеЬегоИ!, 1969; и др.) их свойства, режимы и экологические функции тем не менее мало изучены. Отсутствуют, в частности, сведения о характере трансформации свойств и режимов субстрата ПСП, используемого для формирования техноземов на этапах технологической цепочки и его изменениях по мере прохождения этапов биологической рекультивации. По этой причине экологическая эффективность такой технологии рекультивации остается неоцененной. Вместе с этим известны случаи возникновения неблагоприятных экологических и хозяйственных последствий, проявившихся после формирования техноземов. Поэтому изучение свойств, режимов и экологических функций техноземов, особенно в климатических условиях КАТЭКа, характеризующихся неустойчивым и недостаточным увлажнением, приобретает особую актуальность, обостряющуюся, помимо прочего, и значительными финансовыми расходами, необходимых для реализации названой технологии. В связи с этим исследование процессов, протекающих в техноземах в течение всех циклов их создания и развития является весьма важной и технологически, и экологически оправданной задачей. Полученная при этом информация может найти научное и практическое применение.

Цель и задачи исследования

Целью исследования являлось изучение направленности, характера и интенсивности восстановления генетических, агрофизических и агрохимических свойств и режимов техноземов, находящихся на различных этапах мелиоративного освоения, анализ достоинств и недостатков устоявшейся технологии их формирования. Реализация этой цели потребовала изучения следующих сторон почвообразования: 1) преобразования материала плодородного слоя почвы на различных этапах технологической цепочки- 2) трансформации гумусного состояния в процессе их мелиоративного освоения- 3) формирования агрофизических свойств технозе-мов в период их мелиоративного освоения- 4) развития водно-физических свойств техноземов и специфики их водного режима- 5) изменения агрохимических свойств и особенностей питательного режима техноземов.

Научная новизна. Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые дано развернутое описание особенностей развития генетических, агрофизических и агрохимических свойств и режимов техноземов КАТЭКа. Дана эколого-генетическая оценка технологии их формирования. Показано, что применение традиционной технологии формирования техноземов препятствует развитию педогенных преобразований техногенного субстрата, обусловливает малую скорость восстановления генетической сопряженности различных слоев техноземов и трансформации этих слоев в генетические горизонты почвы. Выявлена разнонаправленность процессов трансфомации ПСП на различных этапах технологической цепочки. Изучены особенности изменения и восстановления гумусного состояния ПСП. Исследованы особенности развития агрохимических свойств техноземов. Описана динамика преобразования агрофизических свойств от техногенной стадии развития техноземов до педогенной. Выявлена специфика водного режима. Установлено, что уже на начальных этапах мелиоративного освоения техноземов первыми трансформируются агрофизические свойства и режимы. Эти процессы сопровождаются трансформацией гумусного состояния ПСП. Показатели, характеризующие развитие пищевого режима, отражают их генетическую связь с агрофизическими и генетическими процессами в технозе-ме.

Защищаемые положения:

1. В период мелиоративного освоения техноземов их исходные техно-генно-литогенные свойства и режимы преобразуются в педогенные.

2. С наибольшей активностью преобразуются в техноземах свойства и режимы, характеризующие их агрофизическое и гумусное состояние.

3. Свойства и режимы техноземов, обусловленные недостатками технологии их формирования, которые не поддаются педогенным преобразованиям, способствуют развитию негативных последствий.

Практическая значимость и реализация. Материалы проведенных исследований могут быть использованы для разработки проектов рекультивации нарушенных земель угледобывающими предприятиями КУЗБАССа, КАТЭКа, ЧеремБАССа с применением наиболее эффективных технологий, направленных на ускоренное и экологически безопасное восстановление функций почвенного покрова техногенных ландшафтов. Результаты исследований используются для составления технологических карт и разработки агротехнических приемов на период освоения техноземов, а также для определения стратегии дальнейшего их использования в сельскохозяйственном производстве. В частности, полученные материалы частично использованы при разработки технологической карты по рекультивации отдельных участков Назаровского угольного разреза, что подтверждено соответствующими документами. Некоторые теоретические выводы, имеющие научное и познавательное значение, включены в лекционные курсы по почвоведению, охране природы и рекультивации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 печатных работах. Результаты исследований докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия» (Москва, 1988), на VIII-Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), на Первой научной конференции «Растение и промышленная среда» (Днепропетровск, 1990), на Межотраслевой научно-технической конференции «Технологические аспекты охраны окружающей среды в горной промышленности» (Пермь, 1994), на Международной конференции «Проблемы антропогенного почвообразования» (Москва, 1997), а также на конференциях молодых ученых ИПА СО РАН 1991, 1992 и 1997 годов.

Автор глубоко признателен за приобщение к проблеме рекультивации земель ныне покойному, доктору биологических наук, профессору С. С. Трофимову. Выражаю свою благодарность за многочисленные консультации и помощь в работе руководителю диссертационной работы, заведующему лабораторией рекультивации ИПА СО РАН, доктору биологических наук В. М. Курачеву. В проведении практического этапа научно-исследовательской работы большую помощь оказали с.н.с. Ф. А. Фаткулин и в.н.с. Ф.К.Рагим-заде, а также начальник участка рекультивации разреза «Назаровский» В. Ф. Авдусь. В сборе и обработке материалов участвовали студенты агрономического факультета Новосибирского агроуниверситета С. В. Клюквин, И. И. Винников, С. А. Шлык и лаборанты лаборатории рекультивации Л. В. Свирщевская, Т. Ф. Зайцева, И. И. Мирошнечонко. Автор благодарит всех, кто тем или иным образом способствовал завершению научно-исследовательской работы по теме.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Исследования проводились в период 1987;1997 гг. Объектами изучения были выбраны техногенные ландшафты Назаровского угольного разреза, входящего в производственное объединение Красноярскуголь. Эти ландшафты представлены внешними и внутренними отвалами вскрышных и вмещающих пород и внутренним гидроотвалом.

Согласно проекту разработки и добычи угля на Назаровском угольном разрезе было предусмотрено отведение части отработанных площадей для проведения рекультивации сельскохозяйственного направления. Для этого на первом (горно-техническом) этапе было проведено выполаживание отвалов с помощью мощных карьерных бульдозеров. При этом общий уклон не должен был превышать 3° (Кандрашин, 1981; Методические рекомендации ., 1982). В дальнейшем на спланированные участки отвалов вскрышных пород был отсыпан ПСП и, следовательно, сформированы техноземы. Транспортировка и отсыпка ПСП осуществляется автомобильным транспортом. Так как технология отсыпки и планировки ПСП полностью не отработана, плодородный слой отсыпается неравномерно, часто на переуплотненное основание. Мощность отсыпаемого ПСП колеблется от 20 до 50 см.

На втором (биологическом) этапе рекультивации на сформированных описанным образом участках техноземов был произведен посев многолетних трав с целью устранения неблагоприятных, техногенных свойств, приобретенных насыпными почвами на горно-техническом этапе рекультивации. На необходимость фитомелиоративного периода указывают многие исследователи (Маляр, 1978; Масюк, 1984). Продолжительность мелиоративного периода зависит от климатических и эдафических условий определенного участка рекультивации (Сокольников, 1980; Федотов 1985). Время, затраченное на восстановление основных свойств техноземов на этапе биологической рекультивации, удобно назвать мелиоративным периодом (Краткий толковый словарь ., 1980).

Для изучения восстановления физических, химических и экологических свойств и режимов в мелиоративный период освоения техноземов были выбраны рекультивированные участки с различным уровнем мелиоративного освоения: а) первый год после отсыпки ПСПб) 3 года после отсыпки ПСП, посев люцерныв) 10 лет после отсыпки ПСП, посев люцерныг) 20 лет после отсыпки ПСП, естественное залужение. За эталон-сравнения принимался прилегающий участок почвы естественного строения — чернозема выщелоченного под посевом люцерны третьего года возделывания. Этот подтип черноземов выбран в качестве своеобразного контроля (эталона) по той причине, что как и выбранные нами объекты исследования, функционирует в автоморфном, автономном режиме и развивается на рыхлых четвертичных отложениях тяжелосуглинистого гранулометрического состава.

С целью изучения особенностей трансформации материала ПСП были отобраны образцы на всех звеньях технологического процесса от снятия ПСП до его отсыпки на спланированную поверхность отвалов вскрышных пород. Исследование процессов, происходящих в период хранения ПСП, осуществлялось в разновозрастных буртах: 1-го, 3-го, 5-го и 11-го годов хранения.

В полевых исследованиях изучали морфологическое строение техноземов, характер распределения в них корней, проводился отбор монолитов и образцов для определения физических и химических свойств субстрата. Ниже приводится морфологическое описание ключевых разрезов, расположенных на изучаемых участках техноземов.

Разрез 30. Технозем гумусоаккумулятивный, сформированный на внутреннем отвале, первый год после отсыпки ПСП. Мощность ПСП 42 см. Платообразный участок с небольшим уклоном на юго-запад с микрои мезопонижениями в виде блюдец. Растительность первого года самозарастания представлена в основном сорными видами: овсюгом, осотом, горцем перечным, марью белой, вьюнком полевым и другими. Покрытие от 10 до 40%.

I. 0−5 см. Темно-серый, зернисто-пылеватый, сухой, тяжелый суглинок, разрыхлен процессами иссушения-увлажнения и корнями поселяющихся растений. Переход резкий по плотности и структуре.

II. 5−42 см. Темно-серый, глыбистокомковатый, влажный, тяжелый суглинок, включающий субстрат горизонта В черноземов в виде гнезд от 0,5 до 10 см в диаметре, выраженная вертикальная трещиноватость. Переход резкий по всем морфологическим признакам.

III. 42−60 см. Материал отвала — светлокоричневый, почти желтый, бесструктурный, легкий суглинок, плотный, включения бурой глины, окисленного железа охристого цвета. Переход по цвету и плотности.

IV. 60−105 см. Серо-бурый, средний суглинок, бесструктурный, плотнее предыдущего. Включение частиц глинистого состава, сизого цвета и частиц угля. Переход по плотности и гранулометрическому составу.

V. 105−150 см. Окраска неравномерная от желтой до бурой, легкий суглинок, бесструктурный, менее плотный, чем предыдущий, включения частиц угля и гальки. Разрез 12. Технозем гумусоаккумулятивный, сформирован на внутреннем отвале, три года после отсыпки ПСП. Мощность ПСП 40 см. Посев люцерны. Платообразная поверхность с мезопонижениями в виде блюдец. Растительность: посев люцерны, сорняки: пырей, мышиный горошек, осот. 0−2 см. Дернина, фрагментами. Серый, слегка буроватый от разложения опада, рыхлый, тяжелый суглинок, структура порошистая, густо пронизан корнями растений. Переход ясный по плотности и структуре.

I. 2−23 см. Темно-серый, с бурыми включениями горизонта В черноземов, тяжелый суглинок, ореховато-комковатой структуры, слабо выраженная вертикальная трещиноватость. Обилие корней. Переход резкий по плотности, структуре и количеству корней.

II. 23−40 см. Темно-серый, с буроватыми включениями горизонта В черноземов, тяжелый суглинок, комковато-глыбистой структуры, при разрушении распадается на крупные обломки, очень прочные. Плотный, ходы корней по трещинам. Переход ясный по всем морфологическим признакам.

III. 40−56 см. Материал вскрышных пород. Светло-бурый, неоднородный, с белесыми и охристыми пятнами, сухой, плотный, бесструктурный, легкий суглинок. Редкие корни люцерны. Включение угля. Переход резкий по плотности и окраски.

IV. 56−104 см. Бурый, средний суглинок с неясной структурой, более плотный чем предыдущий. Размытые пятна окисного железа, редкие глинистые включения белесо-серого цвета. Корней практически нет, переход ясный по цвету и плотности.

V. 104−150 см. Неоднородной, серо-бурой окраски, легкий суглинок, бесструктурный. Менее плотный, чем предыдущий слой. Включение угля и гальки. Разрез 7. Технозем гумусоаккумулятивный, сформирован на внешнем транспортном отвале. Десять лет после отсыпки ПСП. Платообразная поверхность с мезопонижениямн в виде блюдец. Незначительный общий уклон на юго-запад. Растительность: посев люцерны, сорняки: костер, пырей, тимофеевка, мышиный горошек и осот.

0−3 см. Дернина. Серая, слегка буроватая, рыхлая, средний суглинок, слегка опесчанен. Структура мелкокомковатая, пылеватая. Свежий, мощность дернины неравномерна по микрорельефу. Переход по структуре и плотности.

I. 3−13 см. Темно-серый, буроватый. Свежий, хорошо оструктурен, структура мелкоореховато-комковатая. Тяжелый суглинок, средней плотности, много корней, включения бурого цвета. В нижней части слоя увеличивается плотность и размеры структурных отдельностей. Переход по структуре, плотности и количеству корней.

II. 13−22 см Тено-серый, более уплотнен чем предыдущий слой, тяжелый суглинок, комковатой, непрочной структуры. Заметна тонкая плитчатость. Редкие мелкие включения угля. Переход резкий по всем морфологическим признакам.

III. 22−42 см. Светло-бурый, почти желтый, неоднородный по окраске, легкий суглинок, бесструктурный, плотный, мелкие включения угля. В нижней части слоя встречаются более крупные включения угля и щебня. Переход заметен по окраске.

IV. 42−70 см. Бурый, с крупными пятнами скоплений окисного железа. Мелкие включения угля, белесые, размытые пятна, легкий суглинок, бесструктурный. Переход по цвету и плотности. Граница неровная .

V. 70−110 см. Светло-коричневый, средний суглинок с неясно выраженной мелкокомковатой структурой. Среднего уплотнения, пористый. Включения серой глины. Переход по плотности.

VI. 110−150 см. Темно-коричневый, легкий суглинок, мелкокомковатой структуры, плотный, пористый. Углистые включения. Разрез 5. Технозем гумусоаккумулятивный, сформированный на внутреннем гидроотвале. Двадцать лет после отсыпки ПСП. Мощность ПСП 43 см. Естественное залужение. Платообразная поверхность с незначительным уклоном на юг. Разрез заложен в приустьевой зоне гидроотвала. Растительность: мятлик, пырей, костер, полевица, подорожник. 0−16 см. Дернина. Черный, увлажнен, средний суглинок, рыхлый, густо пронизан корнями, встречаются ходы дождевых червей. Верхняя часть мелкозернистой структуры, нижняя часть слоя мелкокомковато-ореховатой. Переход по плотности, структуре и количеству корней.

I. 16−31 см. Темно-серый, средний суглинок, с хорошо выраженной мелкокомковатой структурой, уплотнен, много корней. Переход ясный по плотности.

II. 31−43 см. Темно-серый, средний суглинок, уплотнен, пористый, глыбисто-комковатый. Заметная вертикальная трещиноватость. Крупные структурные отдельности легко распадаются на мелкие, с ярко выраженными гранями. Переход резкий по всем морфологическим признакам.

III. 43−60 см. Материал гидроотвала — желтовато-белесоватая супесь, крупнопесчаная, бесструктурная, неоднородная, встречаются линзочки охристого цвета. Переход ясный, по окраске, структуре и гранулометрическому составу.

IV. 60−82 см. Бурый, средний суглинок, листовато-плитчатой структуры, легко разделяется на структурные отдельности. Уплотненный, мелкопористый, редкие мелкие корни растений. Переход ясный по структуре и гранулометрическому составу.

V. 82−150 см. Серо-желтый легкий суглинок, бесструктурный, плотный, тонкопористый, содержит мелкие включения угля. Переход ясный по цвету и плотности.

VI. 105−150 см. Темно-коричневый, средний суглинок со слабовыраженной структурой, плотный, тонкопористый. Включения угля и мелкой гальки. Разрез 18. Контроль — чернозем выщелоченный. Расположен в верхней части южного склона. Мощность Апах + АВ — 40 см. Посев люцерны третьего года возделывания. Растительность: посев люцерны, сорняки: пырей, осот, бодяг.

Arav 0−28 см.

АВ 28−39 см.

В 39−72 см.

Вк 72−111 см.

Темно-серый, со слабым буроватым оттенком, тяжелосуглинистый, комковато-пылеватой структуры, уплотнен, терщиноватый, большое количество корней. Переход неровный, прокраска языковатая. Серо-бурый, неравномерно окрашенный, тяжелосуглинистый, комковато-ореховатой структуры, плотный, заметна вертикальная трещиноватость, ходы корней, переход постепенный по окраске.

Т-1 и ЧУ.

Бурый, тяжелосуглинистыи, крупнокомковатыи, трещиноватый, тонкопористый, плотный, переход по границе вскипания.

Бурый, тяжелосуглинистый, с неотчетливо выраженной комковатой структурой, менее плотный чем предыдущий. Тонкопористый, карбонаты в виде псевдомицелия, переход постепенный по окраске. ВСК 111−123 см. Бурый, тяжелый суглинок ближе к глине, с неотчетливо выраженной структурой, уплотнений, тонкопористый, переход постепенный по плотности. Ск 123−150 см. Желто-бурый, тяжелый суглинок, бесструктурный, менее плотный чем предыдущий. Тонкопористый, корней мало, карбонатов несколько меньше.

Все изучаемые участки расположены в радиусе 7 км от г. Назарово и слабо подвержены выбросам местной ГРЭС.

В полевых условиях определялась водопроницаемость техноземов методом заливаемых площадей и определение НВ техноземов. Максимальная гигроскопичность определялась гигроскопическим методом по Николаеву, остальные гидрологические характеристки — расчетным методом (Роде, 1965; Вадюнина, Корчагина, 1986). На стационаре «Назаровский» ИПА СО РАН методом сухого и мокрого просеивания исследовалась макроструктура техноземов, плотность пикнометрическим методом и плотность сложения — буровым методом Качинского, плотность агрегатов — методом насыщения керосином. Отбор образцов на влажность проводился ежедекадно на ключевых участках. Влажность определялась термовесовым методом в трехкратной повторности (Принципы и методы ., 1976).

В лабораторных условиях в Институте почвоведения и агрохимии определялись физико-химические и химические свойства техноземов: рНпотенциометрическим методомопределение углерода органического вещества — по методу Тюрина (Аринушкина, 1970) — определение группового состава гумуса по КононовойБельчиковой (Кононова, 1963) — определение общего азота — методом Несслеранитратов — методом с использованием дисульфофеноловой кислотыаммиака — методом Несслеравалового фосфора — по Гинсбургуподвижный фосфор — методом Труогасодержание валового калия — пламенно-фотометрическим методом на атомно-адсорбционном спектрометре марки АА8−1- подвижный калий — методом Чирикова, карбонатные образцы — методом Мачигина (Агрохимические исследования почв, 1975).

Все использованные методы отвечают современным требованиям и являются необходимым минимумом для решения поставленной задачи. Анализы проводились в 5−10 кратной повторности. Результаты исследований обработаны на ЭВМ методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1985; Дмитриев, 1972).