Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль органических добавок в восстановлении свойств и режимов почв техногенных ландшафтов

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Роль органических добавок в восстановлении свойств и режимов почв техногенных ландшафтов"

На правах рукописи

ОВСЯННИКОВА СВЕТЛАНА ВАСИ,

Роль органических добавок в восстановлении свойств и режимов почв техногенных ландшафтов

03.00.27 — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Новосибирск — 1996

Работа выполнена в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук В. М. Курачев

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук А. А. Танасиенко

кандидат биологических наук Т. А. Горелова

Ведущее учреждение:

Кемеровский научный центр СО РАН Кузбасский ботанический сад

>ащита состоится «

____1996 года

г_часов на заседании специализированного совета Д—002.15.01

при Институте почвоведения и агрохимии СО РАН (630099, Новосибирск, ул. Советская, 18, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Автореферат разослан « ^ »_

.1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор биологических паук

М. И. Дергачева.

Актуальность темы:

Добыча полезных ископаемых приводит к нарушению, а в некоторых случаях и к полному уничтожению почвенного покрова, микробоценозов, ухудшению окружающей среды, сокращению площади плодородных земель и образованию безжизненных техногенных ландшафтов с неустойчивой средой обитания.

В результате проблема их рекультивации и возвращения в народнохозяйственное использование становится первоочередной сельскохозяйственной и экологической задачей, что требует постановки специфических экспериментов, разработки соответствующих методов изучения закономерностей развития почвообразовательных процессов на полях рекультивации. Поскольку ведущая роль в преобразовании исходного субстрата и, следовательно, почвообразования принадлежит процессам накопления и трансформации органического вещества, то основное внимание в технологиях биологической рекультивации необходимо уделять созданию условий для активизации процессов накопления и трансформации органического вещества, стимулирования его гумификации и, следовательно, формированию и развитию гумусовоаккумулятнвного горизонта в почве.

Целью работы является разработка такого способа биологической рекультивации техногенных ландшафтов, который позволит, с одной стороны, получить максимальное количество полезной продукции и создание предпосылок развития в почве свойств и режимов, обеспечивающих ее важнейшие экологические функции,' с другой.

Задачи исследований:

1. Определить роль органических добавок в создании свойств и режимов почв, формирующихся в ходе биологической рекультивации техногенных ландшафтов.

2. Изучить биологические, биохимические, химические, физико-химические и физические процессы, характеризующие особенности преобразования при реализации различных технологий биологической рекультивации техногенных ландшафтов.

3. Выявить диагностические признаки, характеризующие поч-венно-зкологическую эффективность методов биологической рекультивации.

Научная новизна:

— Впервые, в целях ускорения развития свойств и режимов почв при рекультивации техногенных ландшафтов, использованы приемы выращивания многолетних злаково-бобовых смесей при внесении в корнеобитаемый горизонт органических добавок в виде навоза и сидератов;

- •—Показано, что самым эффективным приемом восстановления свойств и режимов почв является использование варианта «спде-раты4-навоз-{-многолетние злаково-бобовые травы»;

—Установлено, что наиболее интенсивно в ходе биологической рекультивации развиваются процессы трансформации в субстрате внесенного и образовавшегося органического вещества и агрегирование минеральной части субстрата;

— Выявлено, что параметры, характеризующие пищевой режим почвы или ее дифференциацию по химическим и физико-химическим свойствам из-за сильной неоднородности вещественного состава пород отвалов не могут служить надежным диагностирующим признаком эффективности того или иного приема биологической рекультивации.

Защищаемые положения:

1. Интенсивность развития свойств и режимов почв при рекультивации техногенных ландшафтов определяется количеством и качеством вносимого в субстрат и образующегося в нем органического вещества.

2. Наибольшая активность процессов, преобразующих субстрат отвалов в почву, наблюдается в варианте биологической рекультивации «сидераты+навоз+многолетние злаково-бобовые травы».

. 3. Наиболее надежными диагностическими показателями эффективности восстановления свойств и режимов в ходе биологической рекультивации являются количество и качество образующегося органического вещества, микро — и макроагрегатный состав субстрата в корнеобитаемом горизонте.

Практическая значимость:

Результаты исследований по теме диссертации использовались при разработке рекомендаций для организации сенокосов и пастбищ на рекультивируемом гидроотвале. Теоретические выводы, полученные в результате исследования процессов почвообразования^ гумусообразования и эволюции свойств и режимов, молодых ночв техногенных ландшафтов позволяют решать проблемы экологии, биологической рекультивации, оптимизации функционирования восстанавливаемой экосистемы.

Апробация работы:

Основные положения диссертации доложены на республиканской научной конференции по «Экологии и охране почв засушливых территорий Казахстана» (Алма-Ата, 1991), на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава НГАУ по «Проблеме науки и производства в условиях аграрной реформы» (Новосибирск, 1993), на второй Всероссийской конференции но «Эколого-экономическим основам безопасной жизнедеятельности» (Новосибирск, 1993), на научной конференции по «Проблемам экологии в сельском хозяйстве» (Пенза, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, 2 работы находятся в печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на страницах 188 машинописного текста, содержит 76 таблиц и рисунков. Список литературы включает 176 наименований, в том числе 20 зарубежных авторов.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

Глава посвящена литературному обзору но проблеме восстановления почв техногенных ландшафтов методами биологической рекультивации. Дан анализ мирового опыта рекультивации и его применимости для Кузбасса, определены наиболее актуальные проблемы в изучении процессов восстановления свойств и режимов почв, оценены способы ускорения формирования и развития наиболее важных в хозяйственном и экологическом планах функций почвы.

2. ОБЪЕКТЫ И Д\ЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования послужил гидроотвал углеразреза №18 (Беловского административного района Кемеровской области), образованный в процессе гидромеханического перемещения вскрышных и вмещающих пород. Породы гндроотвала представляют собой смесь из лессовидных суглинков, песчаников, алевролитов и аргиллитов. Они не содержат фптотоксичных элементов (пирита) и не засолены легкорастворимыми солями. Поверхность его ровная. Благодаря транспортировке по трубопроводам, тело гндроотвала имеет четкую дифференциацию по гранулометрическому составу и имеет 4 зоны седиментации: 1 — приустьевая, 2 — основная, 3 — приядерная, 4 — ядерная. Зоны седиментации гндроотвала различны по гранулометрическому составу, свойствам.

Полевой опыт был заложен в приустьевой зоне седиментации гидроотвала. Эта часть гидроотвала не покрыта водой, первой подвергается заселению рудеральной растительностью, имеет легкий гранулометрический состав почвообразующих пород, обладает более удовлетворительными водно —и воздушно-физическими свойствами, чем остальные зоны седиментации, имеет ровную поверхность, пригодную для машинной обработки.

Для проведения исследований были выбраны следующие варианты: 1 «контроль» — посев злаково-бобовой травосмеси с последующим перепахиванием без сндератов; 2 «сидераты» — посев злаково-бобовой травосмеси с последующим использованием их на сндерат; 3 «спдераты+навоз»— посев злаково-бобовой траво-смеси+навоз с последующей запашкой травосмеси на сидерат; 4 «навоз» — посев злаково-бобовой травосмеси+навоз с перепахиванием без сидератов.

Дозы навоза составили 30 т|га. В качестве культур-освоителей были выбраны донник желтый и кострец безостый. Норма высева злаково-бобовой травосмеси составляет 50%.

Изучаемые молодые почвы гидроотвала в соответствии с классификацией постлнтогенных почв техногенных ландшафтов относятся к классу эмбриоземов трансформационных, типу техноземов карбонатных, подтипу — типичных (Гаджиев, Курачев, 1992).

В работе для определения химических, физико-химических, агрохимических, биологических, агрофизических свойств молодой почвы гидроотвала использованы общепринятые в почвоведении методики (Мишустин, 1949; Вадюнина, Корчагина, 1961, 1986; Лринушкина, 1970; Соколов, 1975; Теппер, 1979; Ягодин, 1987).

Результаты исследований обработаны на ЭВМ методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1967; 1985).

3. СПЕЦИФИКА УСЛОВИЙ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Исследования проводились в Кемеровской области на стыке двух геоморфологических провинций Западно-Сибирской равнинной низменности и Горной системы Алтая и Саян. Климат резко континентальный. Характеризуется продолжительной (до 5-6 месяцев) холодной зимой с умеренными, редко сильными ветрами и метелями, жарким и коротким летом, непродолжительными периодами с поздними весенними и ранними осенними заморозками (Природно-климатические условия, 1990).

Среднегодовая температура воздуха в районе исследований колеблется в пределах +0,3--[-1,0 С. Продолжительность безморозного периода составляет 100-120 дней, сумма температур боль-

ше+ЮС составляет 1850-1950С (Колобков, 1950). Снеговой покров на различных элементах рельефа распределяется неравномерно, мощность снегового покрова составляет 20-30 см в балках, оврагах, речных долинах на пониженных элементах рельефа снеговой покров достигает 1-1,5 м. Показатель увлажнения ранен 0,8-0,9. Годовое количество атмосферных осадков составляет 300400 мм.

Естественный рельеф исследуемой территории характеризуется как эрозпонно-аккумулятивный, образованный расчлененной мощной толщей (40-50 м) четвертичных отложений.

Техногенный рельеф часто нсупорядочен, представлен гребнями, осыпями (Трофимов, 1975). Рельеф гидроотвала имеет выровненную поверхность, устойчив к просадочным и оползневым явлениям.

Объект исследований расположен на террасах рек Пня и Мереть. Легкий гранулометрический состав способствует выносу из тела гидроотвала растворенных веществ в грунтовые воды н в эти реки. Поэтому применение минеральных удобрений в целях рекультивации может привести к загрязнению окружающей среды. Единственно экологически приемлемым решением, способствующим восстановлению почв в техногенных ландшафтах является использование многолетних трав и органических удобрений.

Естественные почвы представлены выщелоченными черноземами, сформированными на буровато-желтоватых лессовидных ило-влто-пылеватых тяжелых суглинках (Трофимов, 1975).

Естественная растительность исследуемой территории по бота-нико-геоморфологическому районированию области характеризуется как лесостепная, она представлена формациями луговой растительности, лесов и болот (Куминова, 1950). Безлесные пространства заняты луговыми формациям!!, относящимися к классу луго-во-степных лугов.

В результате горных разработок облик ландшафтов резко изменяется, отвалы вскрышных и вмещающих пород заселяются ру-дсральпо-сегетальпыми растениями, занесенными с окружающих территорий в первый же год после прекращения отсыпки отвалов. Развитие сукцессии ндс-т от инициальных форм к простым и затем сложным группировкам (Клевеиская, Кандрашип, 1985; Клевен-ская, 1989).

4. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ БИОМАССЫ МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ

Если целью горнотехнического этапа рекультивации нарушенных земель считается создание местообитаний с заданными свойствами и режимами в субстрате, то главной целью биологического

этапа — ускорение восстановления почвенно-экологических функций и экосистемы в целом (Курачев, 1993). Основным механизмом ускорения восстановления этих функций является активизация освоения субстрата живыми организмами. Показателем эффективности восстановленных почвенно-экологических функций служит образование органоаккумулятивного горизонта в почве ("Курачев, 1994). К сожалению, формирование органоаккумулятивных горизонтов в почве естественным путем идет очень медленно. Поэтому ведется интенсивный поиск способов ускорения этого процесса. В данной работе предполагалось, что своеобразными стимуляторами ускорения развития необходимого для формирования органоаккумулятивного горизонта комплекса биологических процессов будут навоз и сндераты злаково-бобовых многолетних трав, внесенных в ко р не о б ит а е м ы й с л ой.

Вопросу изучения корневой массы, а также общей биомассы, как основных поставщиков органического вещества в субстрат уделяется большое внимание. Использование бобовых и злаковых трав как культур-освоителей описано в работах (Пикалова, 1968; Етеревская, 1973; Узбек и др., 1975). Однако главной целью этих исследований становилось получение полезной продукции. Гораздо важнее для целей рекультивации выяснить значимость надземной и подземной частей выращиваемых растений, как источников органического вещества, определяющего интенсивность почвообразования.

В частности, при использовании сидератов в почву поступает от 0 до 18 т|га дополнительного органического вещества, что соответствует внесению навоза в количестве 20-60 т|га.

Наши исследования, проводимые на гидроотвале, показывают, что в первый и второй годы вегетации многолетних трав прирост корневой массы минимален во всех вариантах опыта (табл. 1), что объясняется бедностью субстрата элементами питания. По мере отмирания части корней н минерализации органического вещества количество корневой массы возрастает. Изменяется и ее состав. В частности, если в составе подземной массы многолетних трав третьего года вегетации основную долю корней (по объему подземной массы) составил донник, то к четвертому году развития в составе подземной массы травосмеси возрастает доля злаковых, к этому времени их доли составляет почти 40% от общей корневой массы злаково-бобовой травосмеси. Наилучшим вариантом, обеспечивающим максимальное накопление подземной органической массы оказался вариант «спдераты+навоз», в этом варианте на 4-й год вегетации травосмеси запасы подземной биомассы достигли и даже превзошли таковые в зональной ненарушенной почве.

Таблица 1

Продуктивность злаково-бобовой травосмеси на рекультивируемом гидроотвале, ц|га

Вариант Год Надзем- Под- Корни

возаелы- ная земная

опыта ваиия масса масса 0—10 10-20 20—30

«Контроль» 2 52,8 61,6 48,2 8,7 4,7

3 50,5 68,4 49,2 10,2 9,0

4 51,6 81,0 49,5 16,5 15,0

«Сндсраты» 9 54,3 82,9 68,2 10,7 4,0

3 57,5 113,5 79,5 19,0 15,0

4 59,1 130,4 75,7 37,0 17,7

«Спдераты

-|-навоз» 2 60,3 84,3 65,4 12,7 6,2

3 70,7 120,2 85,4 18,1 16,7

4 74.8 148,0 93,5 40,2 14,3

«Навоз» 2 63,5 84,2 64,5 13,7 6,0

3 61,2 104,7 69,3 19,9 15,5

4 59,4 121,5 74,3 29,0 18,2

Зональная почва: черно: зем выщелоченный (Трофп [мов, 1960)

74,4 127,8 — — —

НСР05 = 8,55

В первый год вегетации многолетних трав наиболее высокое содержание надземной биомассы получено на варианте «навоз» — 63,5 ц|га. Очевидно, навоз_,е одной стороны,выступает как удобрение, являющееся основным источником подвижного азота, и как среда, способствующая активному развитию микроорганизмов — с другой.

Во второй год развития растений картина изменилась. Лучшим вариантом по количеству надземной биомассы становится вариант «сндераты+навоз». В этом варианте уже на второй год вегетации многолетних трав количество надземной биомассы оказывается довольно высоким. К четвертому году развития растений величина достигает 70,7-74,8 ц|га.

В вариантах с внесением одного навоза или одних сидератов, где резко нарушен баланс по элементам питания, внесенное органическое вещество минерализуется слишком быстро. Образующиеся продукты быстро расходуются фитоценозом и дальнейшее его развитие проходит в субстрате, обедненном элементами питания. В результате продуктивность фитоценоза' оказывается заметно меньше:"! чем в варианте «сидераты+навоз». Кроме того, при использовании злаково-бобовых сидератов в субстрат вносится много лабильного органического вещества, что активизирует процессы гумусообразования и гумификации.

Для активизации процесса гумификации необходимо наличие в субстрате соответствующих групп микроорганизмов. В варианте с внесением одних сидератов таких микроорганизмов недостаточно для полного разложения органического вещества. Поэтому лучшим из вариантов опыта по всем этим показателям является вариант «сидераты+навоз», когда с навозом в субстрат вносится много активных микроорганизмов, способных разложить не только органическое вещество навоза, но и сидератов.

В целом, количество биомассы, полученной в этом варианте, достигает 70-80% от биомассы, получаемой на зональной почве (Щербинин, 1992).

5. ОСОБЕННОСТИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Среди функций микробоценозов, связанных с круговоротом углерода, выделяют процессы мобилизации и иммобилизации углерода. Эти два процесса характеризуют скорость разложения органического вещества в субстрате и его преобразование в гумус.

Процессы мобилизации углерода связаны с минерализацией растительных остатков, а процессы мобилизации — с вовлечением его в микробную биомассу.

По результатам наших исследований, накопление биомассы микроорганизмов в значительной степени зависит от количества и качества внесенного органического вещества. Установлено, что по мере уменьшения с глубиной количества корней, а также с изменением экологических условий (температуры, влажности, наличием кислорода и др.) биомасса микроорганизмов в нижних слоях пород гидроотвала резко сокращается. В структуре биомассы основная роль принадлежит мнцелярным формам микроорганизмов. Большой набор ферментов, которым они обладают, позволяет осуществлять сложные биохимические превращения органического вещества молодых почв. Кроме того, большая скорость ро-

ста этих организмов позволяет эффективно колонизировать субстрат (Мирчинк, Паинков, 1985).

Другое ростовое преимущество грибов заключается в дифференциации мицелия на периферическую активно растущую зону и нерпстущую часть, первая из которых непосредственно контактирует с разлагаемым органическим субстратом, а вторая выполняет транспортную функцию и служит местом образования репродуктивных и покоящихся структур (Клевепская, 1992).

Ранее было установлено, что в процессе мобилизации углерода для техногенных экосистем характерны следующие особенности: 1 — растительные остатки разлагаются довольно быстро, при этом происходит более или менее полное их преобразование; 2 — вновь образованные соединения углерода сначала поступают в микробную биомассу, затем в лабильные фракции вещества почвы; 3 — добавление свежих органических остатков приводит к стимуляции разложения «старых» органических веществ (Клевепская, 1992).

Исследования химического состава сидератов свидетельствуют о том, что сидсраты в своем составе содержат 18,5% гексозанов, 22,07% пентозанов, лигнина — 7% к сухому веществу. Корни травосмеси имеют следующий химический состав: гексозанов — 40%, пентозанов — 21,55%, лигнина — 18,5%. Такой химический состав сидератов предопределяет стимулирование формирования разнообразных микробоценозов с очень высокой численностью.

Для оценки физико-химических и структурных параметров сидератов, влияющих на реакционную способность, были определены индекс кристалличности (ИК), степень полимеризации (СП) и величина удельной поверхности, доступная молекулам ферментов. Показано, что сидсраты обладают сравнительно развитой поверхностью. Степень полимеризации сидератов составила 300 м2|г для надземной части, 260 м2|г —для корней. На основании этих данных можно утверждать, что сидсраты 'имеют" потенциально высокую реак цпонную способность.

Свежие надземные части растений во всех вариантах опыта содержали преимущественно песнорообразующие формы бактерии, особенно много их было в варианте «епдераты + иавоз». Большое количество вышеупомянутых бактерий свидетельствует о высоком содержании легкодоступных соединений. Наличие легкодоступного воднорастворимого вещества в свежем растительном материале определяло высокую численность микроорганизмов в начальный период и высокую интенсивность его разложения. При этом основные потери органического вещества происходят в первый месяц, причем надземная часть во всех случаях разлагается быст-

рее, чем корпи. Это.объясняется тем, что надземная часть растительных остатков содержит больше доступных органических веществ для микроорганизмов, чем корневые остатки.

Целлюлозу растительных остатков разлагали преимущественно бактерии и грибы. Наибольшая активность целлюлозоразру-шающих микроорганизмов на среде Гетченсопа наблюдается в варианте «сидераты+навоз» и составляет в летние месяцы 100% обрастания комочков. Такая активность близка к целлюлозораз-рушающеп способности микробоценозов зонального выщелоченного чернозема.

Несколько более низкая активность разложения целлюлозь наблюдается в варианте «сидераты» 80-84% и «навоз» 60-66% Таким образом, деятельность микроорганизмов в молодой почв( гидроотвала зависит от обеспеченности субстрата органические веществом.

6. ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Основные почвенные процессы, по которым оценивалось преоб разование субстрата гндроотвала в почву в соответствии с изло жепнымн представлениями о ведущей роли в этих явлениях про цессов накопления и преобразования органического вещества, бы ли разделены на три основные группы: первая группа — процессь непосредственно связаны с трансформацией и преобразование?, органического вещества; вторая группа — процессы относителык слабо контролируемые преобразованиями органического вещест на; третья — это процессы очень слабо связанные пли практиче ски не связанные с образованием и преобразованием органиче (.кого вещества (Курачев, 1991).

Понятно, что продукты гумификации органического веществ; не являются собственно гумусом, а лишь специфической фрак цней органического вещества, которая со временем преобразуете; в гумус {Stevenson , 1982). Поэтому в дальнейшем образую щиися а опытах гумус мы будем называть «органическим вещест пом».

IIa начальном этане эксперимента в слое 0-30 см содержать С— органического вещества было очень низким 0,6-0,7%. Ко вто рому году развития многолетних трав замечается увеличение ко лнчества"органического вещества во всех вариантах опыта. IT уже на третий и четвертый годы их вегетации содержание органи ческого вещества в корнеобитаемом слое относительно 0-момент изменилось существенно. Наибольшее количество С —органиче ского вещества оказалось в вариантах «сидераты+навоз» 2,3% «навоз» 2,0%. Следовательно, 1Можно предположить, что наилуч

шпми условиями для процесса гумификации и гумусообразования создаются в вариантах с внесением дополнительного количества органического вещества. При этом в профиле молодых почв, но сравнению с зональными, содержание С — органического вещества с глубиной снижается быстро.

Степень гумификации органического вещества в вариантах опыта за годи вегетации многолетних трав в субстрате гндроотва-ла была различной. Наиболее активно процесс гумификации проявился в варианте «сидераты+навоз». В целом степень гумификации органического вещества в вариантах «сидераты» и «сидера-ты+навоз» к четвертому году вегетации оказывается средней (Гришина, Орлов, 1978).

Для более глубокого диагностирования направленности процессов гумусообразования был проведен анализ основных компонентов гумусовых веществ. В первый год вегетации многолетних трав в слое 0-30 см содержание гуминовых и фульвокислот в групповом составе органического вещества было примерно одинаковым, с незначительным преобладанием гуминовых кислот над фульвокислотами. Соотношение Сг. к.: Сф. к. составило .1,2-1,0. К четвертому году развития растений в групповом .составе органического вещества гуминовые кислоты начинают заметно преобладать над фульвокислотами и их соотношение в корнеобнтаемом слое в вариантах «епдераты+навоз» н «навоз» достигает 2,6-2,9. Для сравнения, в зональной почве (черноземе выщелоченном) величина Сг. к.: Сф. к. в корнеобнтаемом горизонте равна 2,3. Поэтому в слое 0-30 см, где наиболее активно идут процессы гумусообразования, состав гумуса характеризуется как фульватио-гумат-ный, а ниже корпеобитаемого слоя — гуматно-фульватныи.

Необходимо отметить, что во всех вариантах опыта отмечается «ножничное перекрещивание» двух фракции гумусовых кислот. Проявляется оно на глубине 40-70 см. В зональной почве это происходит примерно на той же глубине.

Преобразование органического вещества в молодой почве тесно связано с повелением карбонатов кальция. Перед закладкой опыта и в первый год вегетации многолетних трап содержание СаС03 в породах гидроотвала до глубины 100 см колеблется п пределах от 8,0 до 14,0%. К четвертому году вегетации проявляется т!Теденцпя снижения содержания СаСО:( в корнеобнтаемом горизонте (0-30 см) во всех вариантах опыта. При этом более значительное изменение СаС03 отмечено на варианте «сидераты -{-навоз»— 7,6%.

В 0-момент породы техногенного субстрата гпдроотвала имели слабощелочную реакцию среды в слое 0-30 см и щелочную 8,0-8,3 ед. в слое 30-100 см. За годы вегетации многолетних трав во всех

вариантах опыта наибольшие изменения реакции среды отмечены также в корнеобитаемом слое. Особенно заметны изменения кислотности па четвертый год развития растений в варианте «спдера-ты+навоз» в слое 0-30 см. Можно предполагать, что и растворение карбонатов, и некоторое подкнсление реакции среды в корнеобитаемом слое обусловлено действием в этом слое больших количеств органического вещества кислотной природы, и в конечном счете профиль кислотности исследуемых почв станет похожим на черноземный.

Содержание обменных оснований относится к группе показателей, изменяющихся под влиянием процессов преобразования органического вещества. В начале исследований сумма поглощенных оснований в слое 0-30 см составляет 19,1-20,9 мг-экв|100 г породы, что при наличии карбонатов кальция указывало на низкую емкость обмена исследуемого субстрата. Содержание поглощенных оснований до глубины 100 см в 0-момент не превышало 17,0-21,6 мг-экв]100 г породы. За четыре года вегетации растений после действия на породу гидроотвала органических удобрений наблюдается устойчивая тенденция увеличения в ППК обменных оснований в корнеобитаемом слое' 0-30 см достигала 23,1-25,6 мг-экв) 100 г субстрата «сидераты+навоз».

Таким образом, изменения химических и физико-химических свойств пород прямо или косвенно отражает скорость и направленность процессов педогенпых преобразований минеральной части техногенного субстрата гидроотвала под действием органических добавок в виде навоза и сидератов, используемых в технологиях биологической рекультивации нарушенных земель.

7. ФИЗИЧЕСКИЕ И ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В результате наших исследований установлено, что гранулометрический состав.пород гпдроотвала очень неоднороден по содержанию отдельных фракций. В цело!М он более легкий и более онесчаненный, чем в зональном черноземе выщелоченном.

За время проведения эксперимента гранулометрический состав пород гидроотвала существенно не изменился, хотя при этом к четвертому году вегетации многолетних трав отмечено некоторое увеличение фракций физической глины в слое 0-30 см на вариантах «навоз» и «сидераты+навоз». Наиболее явно это отражается па процентном содержании илистой фракции в слое 0-30 см в вариантах с внесением сидератов и навоза.

Анализ микроагрегатпого состава субстрата гидроотвала в 0-момент показывает, что в слое 0-30 см преобладают микроагре-

гаты размером больше 0,01 мм. Наблюдается постепенное накопление крупных фракций и увеличение наиболее цепных структурообразующих фракций размерм>0,25 мм. Наиболее четко эта картина прослеживается па вариантах «сидераты» и «епдераты-}-навоз».

По данным результатов сухого и мокрого агрегатного анализа по методу П. И. Савгшнова, в начале исследований в породе гидроотвала практически отсутствовали водопрочные агрегаты раз-мером>10 мм, сумма агрегатов 1-10 мм в слое 0-30 см составляла (58,36—74,89%,' что свидетельствует о низкой структурной способности субстрата.

За четыре года вегетации растений выявлена тенденция положительного влияния органического вещества на изменения структурного состояния молодой почвы гидроотвала. Эта тенденция наиболее четко прослеживается в варианте «сидераты-|-навоз» (рис. 1). Хорошо видно, что при сухом просеивании в составе субстрата появляются агрегаты размером>10 мм, отсутствующие в 0-момеит. При этом увеличилось количество водопрочных агрегатов. Наиболее хорошим вариантом по содержанию водопрочных агрегатов оказались «сидераты+навоз» и «навоз».

Естественно, что развитие почвенной макроструктуры н ее во-допрочпостн накладывает отпечаток на водно-физические свойства субстрата. Исходные параметры, характеризующие эти свойства пород, по сравнению с аналогичными свойствами черноземов, отличаются сильной неупорядоченностью и комплексом неблагоприятных черт. За четыре года вегетации многолетних трав водно-физические свойства субстрата, улучшались, приближаясь к характеристикам соответствующих показателей в черноземах. Практически во всех вариантах опыта в 1,5-2 раза, по сравнению с исходными, увеличились показатели капиллярной и общей влагоем-кости, объемной массы и другие водно-физические характеристики.

Наиболее хорошими водно-физическими свойствами обладает вариант «сидераты+навоз».

В исходном состоянии разные по гранулометрическому составу слои пород гндроотвала обладают неодинаковой водопроницаемостью. Паши исследования показывают, что до закладки опыта водопроницаемость пород в целом была неудовлетворительной. Известно, что на водопроницаемость влияет гранулометрический и химическим состав пород, их влажность, плотность и пористость (Качинский, 1986). В процессе вегетации многолетних трав, развития корневой системы и разложения навоза уже ко второму и третьему году исследований водопроницаемость пород в опытах

>r¡ ■

■'i

~Ш 3,5 2,ß Л5 £<5

42 i-.;

%i4 IM s,-! ы g.a ííw

Маг.р<ил J-Л'КТЧ(-IiСЫН СОСЛШ мололо» ПОЧВЫ

i''ií,!pCKi'íl;:.m J;.;j;!!;¡Hr < cîUlô;ï.l • ы t- Шик«* A ííiiáíiíx- :;j.4>ceí!íí:¡(ií!!/; Б ■ •• CVXfX" i' J-X ^iíRílülK-

постепенно улучшилась (рис. 2). Наиболее хорошие показатели водопроницаемости наблюдались на вариантах «спдераты+навоз» и «павоз».

Таким образом, приведенные материалы показывают, что внесение органических добавок в корнеобитаемые горизонты под многолетние злаково-бобовые травосмеси, используемые в качестве механизма преобразования исходных пород гидроотвала в почву, благоприятно сказывается на развитии физических и водно-физических свойств и режимов почвы.

8. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПИЩЕВОГО

РЕЖИМА

Перед закладкой полевого опыта субстрат гидроотвала характеризовался очень слабым плодородием. При биологической же рекультивации, по мере развития биологического круговорота, начинает создаваться определенный пищевой режим. При этом одним из первых начинает формироваться круговорот азота.

Содержание общего азота и его подвижных форм в исходной породе гидроотвала па глубину до 100 см составляло общего азота 0,01-0,03%, аммонийного азота 1,2-4,5 мг|кг, нитратного азота 0,1-0,4 мг1100 г породы. Во второй год вегетации растений содержание общего азота в субстрате по различным вариантам опыта относительно 0-момента возросло. Наиболее высокий прирост отмечается в корнеобитаемом слое 0-30 см на вариантах «сидераты» и «сидераты4-навоз». К четвертому году вегетации максимальное содержание общего азота оказалось в варианте — «сндераты-{-на-воз».

В первый и второй годы вегетации многолетних трав начинает развиваться процесс аммонификации, причем его активность в опытах заметно выше, чем на молодых почвах с естественной пионерной растительностью. К четвертому году развития злаково-бо-бовых травосмесей содержание аммонийного азота в молодой почве гидроотвала увеличивается. Наиболее высокое содержание аммонийного азота отмечено в корнеобитаемом слое 0-30 см в варианте с внесением большого количества органического вещества

«сидераты+навоз».

Процессы нитрификации в исходных породах гидроотвала идут очень медленно. За четыре года вегетации многолетних трав процесс нитрификации постепенно активизируется благодаря внесению органического вещества, жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий. К четвертому году вегетации растений наиболее высокое содержание нитратного азота зафиксировано в варианте «сидераты+навоз» — 0,7 мг1100 г молодой почвы.

и

Рис. 2. м-.х- ;!:. cyOü'i'pniCí ;И;лр<ю;тола

ii слое 0-;;>(! ; Варианть; ■ •••• ммщкод 2 •••• сидсрэгы;

-, Я — iч>) -t- unmi. 4— ¡I.ÜÍ-.xs.

Известно, что на накопление и перераспределение фосфора в техногенном субстрате большое влияние оказывает гранулометрический состав: легкий, — песчаный или супесчаный обусловливает невысокое содержание общего фосфора. Содержание общего фосфора в субстрате гидроотвала в 0-момент составляло 0,10-0,12%, подвижного фосфора 6,10-8,10 мг|100 г породы.

За четыре года вегетации растений содержание общего фосфора во всех вариантах опыта изменилось незначительно. Некоторая тенденция накопления фосфора в слое 0-30 см в первую очередь связана с накоплением здесь органического вещества и его минерализацией.

Содержание подвижного фосфора уже на второй год развития растений заметно увеличивается во всех вариантах опыта относительно 0-момента. К четвертому году вегетации многолетних трав наиболее обеспеченным вариантом по содержанию фосфора в кор-нсобитаемом горизонте оказался « навоз».

Исследуемый техногенный субстрат гидроотвала представлен смесью рыхлых отложений, в составе которых есть все калийсо-держащие минералы, обеспечивающие достаточно высокое содержание валового калия. В начале исследований субстрат гидроотвала характеризовался достаточно высоким содержанием валового калия 1,55%, что свидетельствует о значительном содержании первичных и вторичных калийсодсржащих минералов в почвооб-разующей породе. Результаты исследований показывают, что наиболее хорошим вариантом по обеспеченности валовым калием к четвертому году исследований является вариант «ендераты», что, вероятно, является отражением гранулометрической и минералогической пестроты пород.

Анализ динамики содержания обменного калия в различных вариантах опыта показывает, что в начальный момент исследований содержание обменного калия составляет 1,26 мг1100 г породы. Уже ко второму году вегетации растений прослеживается устойчивая тенденция накопления в молодой почве обменной формы калия. К четвертому году исследований эта тенденция становится более- определенной. Наиболее высокое содержание калия выделяется в варианте «ендераты+павоз». По-видимому, основной причиной некоторого накопления в этом варианте обменного калия является внесение навоза и запашка надземной части растений в виде сидсратов в слой 0-30 см и разложение этого дополнительного, значительного по массе материала. В конечном счете это приводит к увеличению емкости катионного обмена и нарастанию количества поглощенных оснований, в том числе и калия.

выводы

Изучение влияния органических добавок, вносимых в корне-обптаемыи слои в виде навоза и сидератов, при выращивании многолетних злаково-бобовых травосмесей в целях поиска способов ускорения формирования свойств и режимов почв в технологиях биологической рекультивации техногенных ландшафтов выявило следующее:

!. Наибольшее влияние эти добавки оказывают на активность биологических процессов в субстрате и связанные с ним явления минерализации и гумификации органического вещества. Максимальной эффективности удалось добиться в варианте4-сидераты-|-павоз». Далее следуют варианты: «навоз», «сидераты», «контроль».

2. Существенное влияние органические добавки оказали на трансформацию физических и водно-физических свойств субстрата. Во всех вариантах значительно улучшилась агрегированность субстрата, возросло количество крупнодисперсных микроагрегатов, водостойких макроагрегатов. Улучшились показатели, характеризующие водно-физические свойства. Наибольшее влияние на трансформацию указанных свойств и режимов субстрата зафиксировано в варианте «сидераты+навоз». Далее следуют «навоз», «сидераты», «контроль».

3. Главной причиной улучшения физических, водно-физических свойств и режимов является воздействие на минеральный субстрат корней, их выделений, продуктов разложения навоза, микробных тел н большой массы сидератов. В результате в корнеобптаемом горизонте образуется много органических веществ, способных выступать в качестве клеющей основы при агрегировании минерального субстрата.

4. Установлено заметное влияние органических добавок на улучшение азотного режима в субстрате. Основной причиной накопления в молодой почве различных форм азота является активизация процессов разложения поступающего в корпеобптаемыг горизонт оргаинческого вещества сидератов или отмирающих корней микрофлорой, привнесенной с навозом. Существенно возрастает также количество симбиотически фиксированного азота. Последнее доказывается нарастанием подземной биомассы. Вариант

«сидераты+навоз» в наибольшей степени способствует активизации указанных процессов. Далее следуют варианты «навоз», «си-дераты» и «контроль».

5. Существенного улучшения фосфорного и калийного режимов в субстрате поля рекультивации под влиянием органических добавок установить не удалось. Главной причиной выступает резко выраженная пестрота гранулометрического, петрографического, минералогического и химического составов пород гидроотвала.

6. Наибольшее интегральное воздействие на преобразование субстрата гидроотвала в почву установлено в варианте «ендераты 4-навоз». Далее, в порядке убывания следуют «навоз», «ендераты», «контроль».

7. Наиболее надежным способом диагностики эффективности исследуемых приемов биологической рекультивации гидроотвала в плане преобразования его породы в почву является анализ количества и состава органического вещества почвы, микро — и макроструктуры. Параметры, характеризующие пищевой режим, малопригодны из-за их высокой динамичности, химические или физико-химические свойства—из-за длительных характерных их времен трансформации, пестроты вещественного состава пород отвала.

8. Анализ тенденций трансформации в толще субстрата поступающего в него органического вещества и явлений агрегирования минерального субстрата обнаруживает их зональную направленность.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Принципы биологической рекультивации техногенных ландшафтов при использовании навоза и ендератов в восстановлении нарушенных почв || Тез. докл. респ. науч. конф., 3-5 сентября. «Экология и охрана почв засушливых территорий Казахстана».— Алма-Ата, 1991.— С. 212-213. *

2. Влияние органических удобрении на образование гумуса почв техногенных ландшафтов 11 Материалы 2-й Всероссийской конф., 21-23 июня «Эколого-экопомические основы безопасной жизнедеятельности». — Новосибирск, 1993. — Ч. 1. — С. 69-71.

3. Влияние органических удобрений на микробиологическое состояние почв техногенных ландшафтов 11 Тез. докл., 25-26 февраля «Проблемы экологии в сельском хозяйстве». — Пенза, 1993. — Ч. 1. — С. 68-69 (в соавторстве).

4. Накопление органического вещества в почвах техногенных ландшафтов ] | Межвуз. сб. тр. Кем. филиал НГАУ.— Кемерово, 1993, — Вып. 5 — С. 49-51.

5. Влияние органических удобрений на эколого-микробиологи-ческое состояние почв техногенных ландшафтов 11 Тез. докл. науч. конф. профес.— преподав, состава НГАУ «Проблемы науки и производства в условиях Аграрной реформы». Новосибирск, 1993.

— С. 129-131.

6. Накопление общего азота в почвах техногенных ландшафтов 11 Меж. вуз. сб. науч. тр. Кем. филиал НГАУ. — Кемерово, 1994.

— Выи. 6.'—С. 89-91.

7. Влияние органического вещества на интенсификацию микробиологических процессов и формирование плодородия почв техногенных ландшафтов 11 Вестник Кем. СХИ. — Кемерово, 1995.— Вып. 2. — С. 12 (в соавторстве).