Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Географо-генетическая характеристика форм железа в эмбриоземах Кузбасса

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Географо-генетическая характеристика форм железа в эмбриоземах Кузбасса"

" ----¿р'

Двуреченский Вадим Геннадьевич

ГЕОГРАФО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФОРМ ЖЕЛЕЗА В ЭМБРИОЗЕМАХ КУЗБАССА

03.02.13 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

3 О ИЮН 2011

Новосибирск - 2011

4851451

Работа выполнена в лаборатории рекультивации почв Учреждения Российской академии наук Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН.

Научный руководитель:

доктор биологических наук Андроханов Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Кленов Борис Максимович

доктор биологических наук Шоба Владимир Николаевич

Ведущая организация:

Уральский Федеральный университет, г. Екатеринбург

Защита состоится 30 июня 2011г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 003.013.01 при Институте почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН по адресу 630099, г. Новосибирск, ул. Советская, д. 18, ИЛА СО РАН. Тел/факс 8(383) 222-76-52.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН. Автореферат размещен на официальном сайте ИЛА СО РАН: http://sibsoil.nsc.ru.

Автореферат разослан 26 мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук

Якименко В.Н.

Актуальность исследований. Изучение проблем генезиса, классификации, диагностики земель, нарушенных горнодобывающими и горно-перерабатывающими предприятиями в Сибири, осложнено большими масштабами и экологическим разнообразием территорий, подвергшихся техногенной нагрузке. Географическое расположение техногенных ландшафтов и виды нарушений могут быть самыми разными. Это - обширные породные отвалы Красноярского края, карьерные выемки с различными системами отвалообразо-вания Кузбасса, территории, где ведется дражная разработка месторождений в речных долинах бассейнов рек, шламо - и хвостохранилшца перерабатывающих и обогатительных фабрик, золоотвалы ТЭЦ, а также почвы, нарушенные при строительстве дорог, нефте - и газопроводов и т.п. [Колесников, 1974; Мо-торина, 1975; Гаджиев, Курачев, Андроханов, 2001].

Изучение процессов почвообразования на отвалах техногенных ландшафтов, представляет большой теоретический интерес, являясь частью проблемы эволюции почв и почвенного покрова [Роде 1971; Таргульян, 1971; и др.]. При этом возникает необходимость выявления различных индикаторов, характеризующих почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов, по которым можно было бы проследить развитие и направленность почвообразовательных процессов. Одним из таких индикаторов является железо [Зонн, 1982; Водяницкий, 1989]. Однако, работ по изучению железа и его группового состава в почвах техногенных ландшафтов мало [Ужегова, 1988; Махонина, 2003]. Исследования, отражающие распределение форм железа в профилях эмбриозе-мов на датируемых отвалах в различных природно-климатических зонах Кузбасса и сравнение их с фоновыми почвами не проводились. Работа в этом направлении будет способствовать выявлению индикационных свойств железа и возможностей использования его для определения направленности процессов почвообразования на техногенно нарушенных территориях.

Цель исследования - на основе сравнительного географо-генетического анализа группового состава железа и распределения его форм в профиле разных типов эмбриоземов лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса, выявить направленность эволюции эмбриоземов техногенных ландшафтов.

Задачи исследований:

1. Изучить групповой состав железа и дифференциацию его форм в каждом типе эмбриоземов техногенных ландшафтов лесостепной зоны и горнотаежного пояса Кузбасса, а также провести сравнение их с фоновыми почвами естественных ландшафтов.

2. Выявить сходства и различия дифференциации форм железа в однотипных эмбриоземах лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса.

3. Определить физико-химические свойства эволюционного ряда эмбриоземов, формирующихся в лесостепной зоне и горно-таежном поясе Кузбасса и выявить их отличия от фоновых почв.

4. Выявить направленность эволюции эмбриоземов в процессе становления профиля и дать прогноз развития почвенного покрова техногенных ландшафтов, расположенных в степном ядре лесостепной зоны и в горно-таежном поясе Кузбасса с учетом трансформации соединений железа во времени.

з

Научная новизна.

Впервые выявлены уровни содержания различных форм железа и особенности их дифференциации в профиле эмбриоземов техногенных ландшафтов, расположенных в разных почвенно-климатических зонах Кузбасса и предложено рассматривать распределение форм железа как диагностический показатель характера и направленности формирования профиля эмбриоземов.

Установлено различие физико-химических свойств и содержания форм железа в разных типах эмбриоземов техногенных ландшафтов Кузбасса. Показано, что в процессе эволюции эмбриоземов возникает некоторое сходство в распределении форм железа с фоновыми почвами.

Генетико-географический анализ однотипных эмбриоземов, расположенных в различных природно-климатических зонах Кузбасса позволил установить, что на начальных этапах развития профилей эмбриоземов они не различаются; специфика распределения форм железа по профилю начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горно-таежном поясе и на дерновой стадии - в лесостепной зоне.

Выявлено, что эволюция эмбриоземов техногенных ландшафтов на начальных этапах развития профиля имеет однотипную направленность, независимо от географической приуроченности эмбриоземов, тогда как на последующих стадиях эволюция приобретает черты зональной направленности.

Защищаемые положения:

1. Распределение форм железа и их дифференциация в профиле различных типов эмбриоземов в разных природно-климатических зонах Кузбасса может служить диагностическим показателем характера и направленности почвенных процессов.

2. На начальных этапах развития профилей эмбриоземов они не различаются по содержанию и распределению форм железа; специфика распределения форм железа по профилю эмбриоземов начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горно-таежном поясе и на дерновой стадии - в лесостепной зоне, приобретая некоторые черты зональной направленности.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что познание географо-генетических закономерностей распределения форм железа в различных типах эмбриоземов позволяет определить особенности развития эмбриоземов, а также использовать данные закономерности при обосновании восстановления почвенного покрова техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах. Распределение форм железа в развивающихся эмбриоземах может использоваться в качестве одного из признаков, характеризующих стадийность развития почв техногенных ландшафтов. Результаты работы могут быть применены в целях почвенно-географического и почвенно-экологического районирования, картографирования, а также в учебном процессе ВУЗов соответствующего профиля, для более глубокого изучения эволюции почв.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях: «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 2003); «Проблемы промыш-

4

ленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2009); «Отражение био-гео-агггропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); «Современное состояние и воспроизводство плодородия почв» (Алматы, 2010).

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в «Перечень...» ВАК РФ.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом многолетних (2002-2010 гг.) исследований автора. Автором сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования, сделаны итоговые выводы. Автор принимал личное участие в основной части экспедиционных исследований, проводил лабораторные анализы, обобщение полученных результатов, их публикацию и апробацию.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов. Работа изложена на 202 страницах текста, включает список литературы из 135 наименований, в том числе 14 иностранных, 43 рисунка и 60 таблиц, а также 23 таблицы приложений.

Благодарности. Выражаю свою искреннюю благодарность д.б.н., профессору В.М. Курачеву, д.б.н,, профессору В.А. Хмелеву, д.б.н., профессору М.И. Дергачевой, д.б.н. В.А. Андроханову, к.б.н. Соколову Д.А., инженеру H.A. Соколовой, а также всем сотрудникам лаборатории рекультивации почв ИПА СО РАН за консультации, ценные замечания и советы.

Глава 1. Состояние изученности вопроса и постановка проблемы

Бурное развитие промышленности в XX веке привело к резкому возрастанию темпов разрушения естественных природных ландшафтов и заменой их техногенно нарушенными территориями или природно-техногенными комплексами [Колесников, 1974; МоторинаД975]. Объемы и степень нарушения горнодобывающей промышленностью природных ландшафтов возросли настолько, что появилась проблема их изучения и восстановления, так как разрушение природных ландшафтов приводит к загрязнению почв, атмосферы и вод и способствует значительному снижению качества жизни на прилегающих территориях. Изучением данной проблемы занимались JI.B. Етеревская [1973, 1977], Н.Т. Масюк [1974, 1984], Г.И. Махоиина [1974, 1976, 2003], А.Н. Куприянов [1979, 1989], И.А. Ужегова [1988] и др. Проблемами восстановления техногенно нарушенных территорий в Сибири занимались С.С. Трофимов [1975], Ф.А. Фаткулин [1977, 1979], Л.П. Барашшк [1979, 1991], Е.Р. Кандра-шин [1988], ИЛ. Клевенская [1989, 1992], A.A. Титлянова [1993], B.C. Артамонова [2000], Ю.А. Манаков [2000], В.М. Курачев, В.А. Андроханов [2002, 2010], В.А. Андроханов, [2005] и др. Исследования по содержанию железа в почвах проводились Л.А. Кармановой [1978], C.B. Зонном [1982], В.Ф. Бабаниным [1972,1973], Ю.Н. Водяницким [1981, 1992, 2002], A.B. Ивановым [2003], А.О. Алексеевым [2010].

Анализ литературных данных показал, что наибольшее количество исследований, посвященных эволюции почвенного покрова и скорости почвообразо-

5

вания, проводились в различных типах почв естественных ландшафтов. Существует достаточное количество работ, характеризующих почвообразовательные процессы и развитие почв техногенных ландшафтов. Однако, исследований по изучению географо-генетических особенностей молодых почвенных образований (эмбриоземов) на основе содержания различных форм железа в разных природно-климатических зонах Кузбасса и сравнение их с фоновыми почвами ранее не проводилось. Особенности содержания и распределения форм железа в эмбриоземах могут дополнять основные диагностические показатели, а также позволяют решить важные почвенно-генетические и почвенно-экологические задачи.

Глава 2. Объекты и методы исследований

В работе использовалась профильно-генетическая классификация молодых почвоподобных образований. Основы данной классификации разработаны учеными Института почвоведения и агрохимии СО РАН И.М. Гаджиевым и В.М. Курачевым [Экология..., 1992]. В этой классификации молодые почвы, формирующиеся в техногенных ландшафтах, впервые названы эмбриоземами и, согласно профильно-генетическим принципам они классифицированы на типы, подтипы, роды и виды.

В качестве объектов исследования были выбраны техногенные ландшафты, расположенные в лесостепной зоне (отвал Моховского угольного разреза) и в горно-таежном поясе (отвал Ольжерасского угольного разреза) Кузбасса. На этих отвалах в течение 37 лет сформировались эмбриоземы. В качестве почв сравнения (фоновых) взяты наиболее распространенные в районах исследования черноземы выщелоченные и бурые таежные почвы, сформированные на лессовидных суглинках и покровных глинах соответственно.

Для изучения, сформировавшегося почвенного покрова и исследования распределения форм железа было заложено 10 разрезов (8 - на эмбриоземах, 2 -на фоновых почвах). Почвенные образцы отбирались из каждого генетического горизонта и исследовались в 3-х повторностях.

Согласно классификации С.В. Зонна [1982] в работе железо подразделялось на основные формы. Определялось силикатное и несиликатное железо; а также окристаллизованные и аморфные формы. Общее (валовое) содержание железа (Fe.ra), несиликатное или свободное железо (Ред), извлекаемое из почвы методом Мера и Джексона в модификации по Коффину. Аморфные формы железа по Тамму, железо по Баскомбу определялись общепринятыми методами [Аринушкина, 1970; Зонн, Рукака, 1978], что позволило произвести дифференцированное разделение свободного железа на сильно - и слабоокристаллизо-ванные формы, выделить аморфные органо-минеральные и минеральные формы железа. Таким образом, учитывались следующие формы железа: FeBajI - валовое содержание железа в почве; Fefl - содержание железа по Мера-Джексону; РеБ(ехцГК) - железо, экстрагируемое пирофосфатом калия (Feext) и остаточное железо, экстрагируемое дитионитом натрия (Feres); Feo - железо по Тамму [Зонн, Рукака, 1978].

б

При определении химических и физико-химических свойств эмбриоземов и почв, выбранных для сравнения, использовались общепринятые методы исследования [Агрохимические методы..., 1975; Аринушкина, 1970]. Состав гумуса определялся по схеме И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [1968], физические свойства определялись методами Н.А. Качинского [1965] и А.Ф. Вадюниной, З.А. Корчагиной [1973]. Статистический дисперсионный анализ выполнялся по программе О.Д. Сорокина [2004].

Глава 3. Условия почвообразования в техногенных н естественных ландшафтах Кузбасса

Сравнительная географо-генетическая характеристика фоновых почв и эмбриоземов проводилась с учетом особенностей климата, рельефа, специфики развития растительных сообществ и почвообразующих пород в ландшафтах.

Основными компонентами субстрата, на котором развиваются эмбриозе-мы, состоящего из хаотичной смеси вскрышных и вмещающих пород, являются обломки и продукты выветривания песчаников, аргиллитов, алевролитов и углистых частиц, с примесью лессовидных суглинков. Черноземы выщелоченные формируются на лессовидных суглинках; бурые таежные почвы - на покровных глинах и щебнистых отложениях.

Климатические условия степного ядра лесостепной зоны обусловливают развитие степных экосистем, и, в связи с этим, распространение степной ксеро-фитной растительности. Климатические условия горно-таежного пояса Кузбасса способствуют распространению темнохвойных лесов, из которых наиболее широко представлены пихтовые и кедрово-пихтовые (черневые) [Баранник, Щербатенко, 1977; Таранов и др. 1979 и др.].

В отличие от естественного рельефа лесостепной зоны, рельеф техногенных ландшафтов представляет собой сильно расчлененную местность с неупорядоченной поверхностью, в основном с крутыми инсолируемыми склонами, что приводит к иссушению образовавшихся местообитаний. Естественный и техногенный рельеф ландшафтов горно-таежного пояса Кузбасса имеет достаточно сложное строение из-за сильной расчлененности поверхности и трансформации естественных форм рельефа в техногенные.

В лесостепной зоне Кузбасса в составе растительного покрова в техногенных ландшафтах преобладают злаково-бобово-разнотравные растительные группировки, которые хорошо себя чувствуют в условиях дефицита влаги, тогда как в горно-таежном поясе растительный покров представлен, в основном, таежным разнотравьем и видами древесных растений, попавшими на отвал в результате естественного зарастания [Кавдрашин, 1988 и др.].

Анализ литературных данных [Ужегова, 1988; Махонина, 2003 и др.] и собственные исследования [Двуреченский, 2010а, г] показали, что биотические и абиотические процессы развиваются в направлении устойчивых метастабиль-ных в данной природно-климатической зоне образований, то есть стремятся к зональному типу. Однако в результате техногенеза происходит изменение условий почвообразования, что приводит к формированию специфического поч-

7

венного покрова на нарушенных территориях с определенным набором эмбрио-земов, с присущими только им характерными особенностями в различных природно-климатических условиях Кузбасса.

Глава 4. Химическая и физико-химическая характеристика эмбрио-земов техногенных ландшафтов и фоновых почв Кузбасса

На основании проведенных исследований [Двуреченский, 201 Од] приводятся данные, характеризующие физико-химические свойства эмбриоземов и фоновых почв, расположенных в лесостепной зоне и горно-таежном поясе (табл.1).

Таблица 1. Физико-химическая характеристика эмбриоземов и фоновых почв лесостепной зоны

Горизонт Глубина, см рН Н20 Е обменных оснований Обменная кислотность Гидролитическая кислотность ЕКО С, %

мг - экв/ЮОг почвы

Чернозем выщелоченный

Ал 0-10 5,70 45,40 0,14 2,40 57,90 4,75

А, 10-20 6,40 41,10 0,18 2,60 49,70 5,24

АВ 25-45 6,30 34,80 0,85 1,45 38,70 2,89

в, 50-60 6,70 31,70 1,12 1,24 35,20 0,31

в2 65-15 6,90 6,00 1,25 0,96 12,70 0,24

В. 90-100 8,00 7,80 1,25 1,12 11,30 0,28

С, >100 8,00 8,00 1,18 1,12 12,90 0,22

Эмбриозем инициальный

С, 0-2 7,21 31,70 0,02 4.70 56,11 4,84

с2 2-13 7,04 29,40 0,08 2.30 35,83 1,56

Сз 13-55 7,54 20,40 0,10 1.03 34,52 1Д6

Эмбриозем органо-аккумулятивный

С, 3-15 6,78 14,60 0,12 1.96 22,37 0,75

С2 15-50 7,37 20,60 0,16 1.41 27,64 2,97

Эмбриозем дерновый

Ад 2-8 6,70 31,80 0,02 2,74 43,49 6,21

С, 8-20 7,25 42,40 0,17 5,49 63,66 3,43

С2 20-40 7,54 43,70 0Д2 1,25 65,73 3,68

Сз 42-55 7,64 44,50 0,12 0,99 67,14 1,21

Эмбриозем гумусово-аккумулятивный

Л, 0-2 7,06 42,90 0,16 2,20 60,03 7,95

А, 2-8 6,83 47,30 0,95 2,20 51,23 4,58

с, 8-45 7,50 41,51 1,00 1,07 58,44 2,30

С2 55-65 7,75 18,98 1,24 0,83 27,33 0,33

Почвенный покров отвалов Моховского углеразреза, расположенного в лесостепной зоне, представлен четырьмя типами автоморфных эмбриоземов: инициальными, органо-аккумулятивными, дерновыми, гумусово-аккумулятивными. Исследования химических и физико-химических свойств

8

эмбриоземов лесостепной зоны показали, что они (к 37-летнсму возрасту) по таким показателям как содержание органического углерода, гидролитической кислотности, обменной кислотности, сумме обменных оснований, а также значениям рН, отличаются от зональных черноземов выщелоченных (табл. 1). Однако, в наиболее эволюционно развитых эмбриоземах гумусово-аккумулятивных прослеживается некоторое приближение физико-химических свойств к физико-химическим свойствам черноземов выщелоченных, что обусловлено большим развитием процесса почвообразования в этом типе эмбриоземов.

Следовательно, по особенностям физико-химических свойств эволюционного ряда эмбриоземов в лесостепной зоне зональная направлсшюсть процессов почвообразования прослеживается, но выражена слабо. При этом наиболее развитые в эволюционном отношении эмбриоземы гумусово-аккумулятивные в настоящее время находятся на метастабильной фазе.

Почвенный покров отвалов Ольжерасского углеразреза, расположенного в горно-таежном поясе Кузбасса, представлен также четырьмя типами авто-морфных эмбриоземов. По химическим и физико-химическим свойствам генетические различия между эмбриоземами и фоновыми бурыми таежными почвами значительны и определяются: различиями в составе петрографическом почвообразующих пород, более выраженным, чем у почв сравнения, дефицитом влаги, обусловленным высокой каменистостью пород, а также небольшим содержанием в почвообразующей породе эмбриоземов илистой фракции в мелкоземе. Исследования химических и физико-химических свойств эмбриоземов горно-таежного пояса показали, что они к 37-летнему возрасту по таким свойствам как гидролитическая кислотность, обменная кислотность, сумма обменных оснований, емкость катионного обмена и содержание органического углерода, не достигают уровня фоновых бурых таежных почв (табл. 2), хотя предпосылки для процессов буроземообразования присутствуют.

По вышеперечисленным свойствам в горно-таежном поясе зональную направленность процессов почвообразования определить трудно из-за ее слабой выраженности. Наиболее развитые в эволюционном отношении эмбриоземы гумусово-аккумулятивные здесь, так же как и в лесостепной зоне, находятся на метастабильной фазе развития [Двуреченский, 2010г].

Таким образом, в результате проведешилх исследований установлено, что химические и физико-химические свойства эмбриоземов, обусловлены хаотичным распределением смеси вскрышных пород и углистых частиц в субстрате отвалов (табл. 2). По этим свойствам нельзя однозначно выявить зональную направленность процессов почвообразования в лесостепной зоне и горно-таежном поясе Кузбасса. Поэтому для определения зональной направленности процессов почвообразования необходимо использовать другие показатели (или индикаторы), которые могли бы более четко выявлять эту направленность.

Таблица 2. Физико-химическая характеристика эмбриоземов и фоновых почв горно-таежного пояса

Горизонт Глуби-на, см РН Н20 X обменных оснований Обменная кислотность Гидролитическая кислотность ЕКО С,%

мг- экв/100г почвы

Бурая таежная почва

А» 0-5 6,02 - - - 39,57 12,15

А, 5-15 5,20 29,30 2,56 29,71 39,14 9,85

в, 15-40 5,55 18,15 3,08 21,32 20,70 4,30

ВС 40-60 5,60 17,50 3,64 12,30 21,60 3,30

С >60 6,10 11,20 2,19 11,05 20,43 1,09

Эмбриозем инициальный

с, 0-5 6,01 41,80 0,32 19,29 53,38 10,69

с2 5-25 6,15 44,00 1,02 11,60 53,77 10,69

Эмбриозем органо-аккумулятивный

С, 2-6 6,13 42,00 0,37 10,90 56,96 11,38

с2 6-55 6,00 37,60 0,39 9,05 49,58 8,11

Эмбриозем дерновый

Ая 2-5 6,21 24,00 0,58 7,17 27,50 5,58

с, 5-18 6,02 31,40 0,37 1,48 45,20 1,88

с2 18-50 5,90 30,50 0,42 И,36 54,00 4,39

Эмбриозем гумусово-аккумулятивный

Ал 1-5 5,91 21,20 1,02 11,05 51,69 2,49

А, 5-8 6,18 53,60 3,74 10,50 54,21 0,96

С 8-55 6,21 40,80 2,17 11,68 55,45 0,53

Глава 5. Содержание и дифференциация форм железа в эмбриоземах техногенных ландшафтов Кузбасса

Для характеристики почвенного профиля разнообразие форм железа имеет большое значение в связи с тем, что влияет на многие внутрипочвенные процессы, такие как микроагрегация, накопление гумуса, формирование органоми-неральных комплексов и др. В гумидных районах железо является типоморф-ным элементом [Зонн, 1982]. Его чувствительность к изменению окислительно-восстановительных условий, склонность к гидролизу, способность образовывать различные соединения с органическими кислотами предопределяет возможность использования показателей содержания различных форм железа для отражения стадий почвообразовательного процесса.

Лесостепная зона

Исследование группового состав железа эмбриозмов техногенных ландшафтов лесостепной зоны Кузбасса и зональных черноземов выщелоченных показало как некоторое сходство, так и их различия. Сходство проявилось в преобладании силикатного железа над несиликатным (табл. 3). Различия же выявлены в содержании и особенностях дифференциации форм железа (в частности самой подвижной, аморфной формы, которой в органогенных горизонтах

10

содержится достаточное количество) в генетическом профиле эмбриоземов, а также в соотношении этих форм. Эти различия позволяют диагностировать особенности генезиса эмбриоземов техногенных ландшафтов в данной зоне [Двуреченский, 2010а].

Таблица 3. Групповой состав железа эмбриоземов лесостепной зоны Кузбасса и зональных черноземов выщелоченных

Горизонт глубина, см Валовое, % Силикатное %* Нсси-ли- катное %* Окристаллизоваиное %* Аморфное, %*

Общее Сильно Слабо Общее Органо-мине-ральпое Минеральное

Эмбриозем инициальный

С! (0-2) 4,99 43,09 56,91 52,91 21,64 31,26 4,01 3,21 0,80

С2(2-13) 5,99 66,78 33,22 29,22 19,37 9,85 4,01 3,17 0,83

С3(13-55) 7,59 76,68 23,32 18,45 16,60 1,84 4,87 0,92 3,95

Эмбриозем органо-аккум! (ТШТИВНЫЙ

С! (3-15) 3,80 59,74 40,26 38,42 26,84 11,58 1,84 1,32 0,53

С2(15-50) 3,40 58,83 41Л7 39,41 35,00 4,41 1,76 1 0 88 0,88

Эмбриозем дерновый

Ад (2-8) 4,40 63,41 36,59 32,73 24,32 8,41 3,86 3,41 0,45

С, (8-20) 5,39 77,37 22,63 18,37 12,43 5,94 4Д7 2,41 1,86

С2 (20-40) 5,00 80,00 20,00 15,20 11,80 3,40 4,80 1,80 3,00

С3 (42-55) 5,79 82,90 17,10 12,44 9,50 2,94 4,66 1,04 3,63

Эмбриозем гумусово-аккумулятивный

Ад (0-2) 3,80 67,37 32,63 27,89 19,21 8,68 4,74 4,21 0,53

А1(2-8) 4,80 60,00 40,00 36,25 26,25 10,00 3,75 3,13 0,62

С, (8-45) 5,19 57,80 42,20 37,96 24,08 13,87 4,24 3,08 1,16

С2 (55-65) 6,39 48,83 51,17 45,70 20,19 25,51 5,48 1,88 3,60

Чернозем выщелоченный

А(0-10) 5,32 67,86 32,14 27,44 0,94 26,50 4,70 3,57 1,13

А(10-20) 4,88 66,05 33,95 29,30 2,05 27,25 4,71 3,89 0,82

АВ(25-45) 5,54 67,24 32,76 30,51 4,69 25,81 2,17 1,09 1,08

В1 (50-60) 5,41 70,56 29,44 27,17 9,80 17,38 2,22 0,74 1,48

В2(65-75) 5,41 72,36 27,64 25,88 11,09 14,79 1,85 0,74 1,П

Вк(90-100) 5,61 75,20 24,80 23,00 11,23 11,76 1,78 0,71 1.07

Ск (>100) 5,74 76,35 23,65 22,47 10,10 12,37 1Д2 0,35 0,87

Примечание. %* - процентное отношение к валовому железу.

В эмбриоземах техногенных ландшафтов лесостепной природно-климатической зоны Кузбасса прослеживается тенденция зональной направленности процессов почвообразования. Однако развитие эмбриоземов направлено в сторону формирования почв с выраженным дефицитом влаги, соответствующих аридным почвам (Двуреченский, 20106]. Общие черты этих почв: а) преобладание силикатного железа над несиликатным; б) несиликатное железо представлено, в основном, окристаллизованными формами; в) снижение со-

держания вниз по профилю железа органо-минерального и, соответственно, увеличение содержания железа минерального (см. табл. 3).

Эмбриоземы дерновые и гумусово-аккумулятивные по содержанию различных форм железа хоть и стремятся к зональным черноземам выщелоченным, но к 37-летнему возрасту техногенного ландшафта находятся в метаста-бильпом состоянии и не достигают уровня фоновых почв. При восстановлении нарушенных ландшафтов экосистемы стремятся достигнуть определенной устойчивости, другими словами развиваются в зональном направлении, то в этом же направлении должны развиваться почвы. Однако эмбриоземы техногенных ландшафтов сохраняют черты, обусловленные техногенной и литогенной специфичностью. Они будут иметь некоторые черты зональной направленности почвообразования, но зональными черноземами выщелоченными никогда не станут. Следовательно, эмбриоземы следует считать азональными образованиями. Все различия и сходства в групповом составе железа между наиболее генетически развитыми эмбриоземами гумусово-аккумулятивными и черноземами выщелоченными указывают на то, что техногенные ландшафты лесостепной зоны Кузбасса являются экоклином.

Проведенные исследования распределения форм железа выявили генетические признаки, которые указывают на то, что в данном экоклине основным направлением эволюции эмбриоземов гумусово-аккумулятивных будет образование сухостепных почв с дерновым и гумусово-аккумулятивным типодиагно-стическими горизонтами.

Горно-таежный пояс

Групповой состав железа эмбриоземов, особенно гумусово-аккумулятивных и дерновых, в горно-таежном поясе Кузбасса и фоновых бурых таежных почв имеет как некоторое генетическое сходство, так и определенные различия [Двуреченский, 20106]. Это проявляется в количественных различиях форм железа в профиле эмбриоземов и бурых таежных почв и дифференциации этих форм. Различия в содержании форм железа характеризует направленность развития эмбриоземов, которые от инициальной стадии переходят к органо-аккумулягивной и далее к дерновой и самой генетически развитой, гумусово-аккумулятивной. Эмбриоземы гумусово-аккумулятивные по характеру распределения и количеству форм железа наиболее похожи на фоновые бурые таежные почвы (табл. 4). При этом содержание и дифференциация различных форм железа в профиле эмбриоземов и соотношение этих форм диагностирует особенности генезиса эмбриоземов. Преобладание и повышение с глубиной слабоокристаллизованных и снижение аморфных и сильноокристаллизо-ванных форм железа говорит о том, что процессы почвообразования в техногенных ландшафтах горно-таежного пояса Кузбасса носят зональные черты и идут в сторону буроземообразования [Двуреченский, 2010в]. Преобладание силикатного железа над несиликатным в эмбриоземах свидетельствует о слабой выветрелости пород и относительной «молодости» почвообразования в 37-летних техногенных ландшафтах.

Процесс перехода аморфных форм в окристаллизованные в эмбриоземах и в фоновых бурых таежных почвах имеет обратимый характер: аморфные <-> окристаллизованные формы. При избыточном увлажнении фоновых почв и любого из типов эмбриоземов из окристаллизованных форм могут образовываться аморфные закисные формы, то есть подвижные формы железа, в основном, ли-тогенного происхождения, а при осушении и аэрации они вновь кристаллизуются.

Таблица 4. Групповой состав железа эмбриоземов горно-таежного пояса Кузбасса и фоновых бурых таежных почв.

Горизонт глубина, см Валовое, % Силикатное %* Несиликатное %* Окристаллизованное %« Аморфное, %*

Общее Сильно Слабо Общее Органо-минеральное Минеральное

Эмбриозем инициальный

С,(0-5) 2,20 78,64 21,36 16,36 15,45 0,91 5,00 3,18 1,82

Сг (5-25) 4,00 62,50 37,50 32,75 21,75 11,00 4,75 3,75 1,00

Эмбриозем органо-аккумулятивный

С,(2-6) 2,00 57,00 43,00 38,50 20,50 18,00 4,50 2,50 2,00

С2(6-55) 3,40 88,22 11,77 7,65 7,35 0,30 4,12 2,06 2,06

Эмбриозем дерновый

Ал (2-5) 2.00 41,00 59.00 55.00 23,50 31,50 4,00 3,00 1,00

С, (5-18) 3,00 49,00 51,00 47,67 30,33 17,33 3,33 2,67 0,67

С2(18-50) 2,60 69,23 30,77 28,46 15,38 13,08 2,31 1,54 0,77

Эмбриозем гумусово-аккумулягивный

А, (1-5) 2,20 51,82 48,18 41,82 17,73 24,09 6,36 5,45 0,91

А, (5-8) 2,00 50,00 50,00 46,00 22,50 23,50 4,00 2,00 2,00

С(8-55) 2,00 68,00 32,00 28,50 10,00 18,50 3,50 1,00 2J0

Бурая таежная почва

А»(0-5) 10,24 44,50 55,50 40,04 6,74 33,30 15,43 8,50 6,93

А,(5-15) 8,76 49,46 50,54 29,68 2,63 27,05 20,89 8,90 11,99

В,(15-40) 8,03 58,18 41,82 26,77 5,48 21,30 15,07 5,23 9,84

ВС(40-60) 8,08 75,25 24,75 16,83 9,03 7,80 7,92 2,35 5,57

С(>60) 9,71 78,80 21 ДО 13,49 8,96 4,53 7,72 2,16 5,56

Примечание. %* - процентное отношение к валовому железу.

Проведенные исследования содержания и распределения форм железа показали, что в горно-таежном поясе Кузбасса зональная направленность процессов почвообразования достаточно четко прослеживается, несмотря даже на то, что наиболее развитые в эволюционном отношении эмбриоземы гумусово-аккумулятивные в настоящее время находятся в относительно метастабильном состоянии и имеют очень небольшой период развития процессов почвообразования [Двуреченский, 20 Юг].

При сравнении эмбриоземов гумусово-аккумулятивных, образовавшихся в лесостепной зоне и горно-таежном поясе Кузбасса, выявлено, что в эмбрио-

земах горно-таежного пояса, в верхних горизонтах профиля соединения железа более подвижны, чем в эмбриоземах лесостепной зоны (табл. 5). О более высокой интенсивности преобразования техногенных субстратов в горно-таежном поясе, свидетельствует большее количество железа, связанного с органическим веществом (органо-минерального). Аккумуляция органо-минерального железа в эмбриоземах гумусово-аккумулятивных двух зон происходит в верхней части их профиля. При этом количество железа связанного с органическим веществом в горно-таежном поясе несколько выше (см. табл. 5).

Таблица 5. Сравнительная характеристика форм железа в эмбриоземах гумусово-аккумулятивных.

Горизонт глубина, см Валовое, % Силикатное %* Несиликатное %* Окристаллизованное %* Аморфное, %*

Общее Сильно Слабо Общее Органо-минеральное Минеральное

Эмбриозем гумусово-аккум' /лятивный, лесостепная зона

Ад (0-2) 3,80 67,37 32,63 27,89 19,21 8,68 4,74 4,21 0,53

А, (2-8) 4,80 60,00 40,00 36,25 26,25 10,00 3,75 3,13 0,62

С1(8-45) 5,19 57,80 42,20 37,96 24,08 13,87 4,24 3,08 1,16

С2(55-65) 6,39 48,83 51,17 45,70 20,19 25,51 5,48 1,88 3,60

Эмбриозем гумусово-аккумулятивный, горно-таежный пояс

Ад (1-5) 2,20 51,82 48,18 41,82 17,73 24,09 6,36 5,45 0,91

А, (5-8) 2,00 50,00 50,00 46,00 22,50 23,50 4,00 2,00 2,00

С(8-55) 2,00 68,00 32,00 28,50 10,00 18,50 3,50 1,00 2,50

Примечание. %* - процентное отношение к валовому железу.

Сильноокристаллизованные формы железа идентифицируются с формами, которые нерастворимы, неподвижны, хотя и образуются в условиях хорошего дренажа, обеспеченного высокой каменистостью и аэрацией субстрата эмбриоземов. Слабоокристаллизованных форм железа в эмбриоземах лесостепной зоны заметно меньше, чем в эмбриоземах горно-таежного пояса (кроме эмбриоземов инициальных). Количество их определяется длительностью периодов увлажнения почв - чем они продолжительнее, тем больше железа находится в слабоокристаллизованных формах. Так же слабоокристализованные формы железа образуются при достаточном дренаже и аэрации. Они менее устойчивы и быстро переходят либо в сильноокристаллизованную форму железа (при иссушении и повышении температуры), либо в его аморфные формы (при увлажнении и ухудшении дренажа).

В эмбриоземах гумусово-аккумулятивных техногенных ландшафтов лесостепной зоны при анализе содержания различных форм железа, особенно ок-ристаллизованных и аморфных форм, и их дифференциации выявлено, что образующиеся аморфные формы, благодаря условиям среды с выраженным недостатком влаги, переходят в слабоокристаллизованную форму, а затем в сильноокристаллизованную и на данном этапе задерживаются. В горно-таежном

14

поясе длительность периодов увлажнения больше, чем в лесостепной зоне. Поэтому образовавшиеся аморфные формы, перейдя в слабоокристаллизованную, задерживаются на этом этапе, а при увеличении влаги снова переходят в аморфную форму.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в эмбриоземах гумусово-аккумулятивных горно-таежного пояса железо более подвижно, чем в эмбриоземах гумусово-аккумулятивных лесостепной зоны. При этом почвенно-генетическая дифференциация форм железа в гумусово-аккумулятивных эмбриоземах происходит благодаря биофизическому и биохимическому, физическому и химическому типам выветривания и связана с процессами разрушения обломочного материала. Благодаря климатическим особенностям каждой зоны степень активности данных процессов проявляется по-разному. В эмбриоземах гумусово-аккумулятивных горно-таежного пояса, в отличие от эмбриоземов гумусово-аккумулятивных лесостепной зоны, внутрипрофильное перераспределение форм железа выражено более четко. Процессы почвообразования в эмбриоземах гумусово-аккумулятивных техногенных ландшафтов горно-таежного пояса идут активнее.

Сравнительный анализ однотипных эмбриоземов, расположенных в различных природно-климатических зонах Кузбасса показал, что на начальных (инициальных) этапах развития профиля они не различаются; специфика распределения форм железа по профилю начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горно-таежном поясе и только на дерновой стадии в лесостепной зоне. Следовательно, эволюция эмбриоземов техногенных ландшафтов на начальных этапах развития профиля имеет однотипную направленность, независимо от географической приуроченности эмбриоземов. На последующих стадиях направленность эволюции эмбриоземов приобретает некоторые зональные черты.

Глава 6. Особенности эволюции эмбриоземов техногенных ландшафтов горно-таежного пояса и лесостепной природно-климатической зоны

Кузбасса

В результате физико-химических исследований, а также использования железа как индикатора почвообразования, удалось определить и сравнить направленность почвообразовательных процессов в техногенных ландшафтах Кузбасса. Выявлено, что содержание и соотношение форм железа может служить индикатором почвообразования, а так же, что дифференциация его форм диагностирует развитие почвенного покрова техногенных ландшафтов в направлении, которое предполагает метастабильное (квазистационарное) состояние. Определить тенденции развития почвенного покрова техногенных ландшафтов — основная цель исследования.

На основании анализа литературных источников и собственных исследований показано, что почвенный покров техногенных ландшафтов, расположенных в лесостепной зоне Кузбасса, мозаичен и представлен основными типами эмбриоземов, которые в генетическом плане считаются производными соответ-

15

ствующей стадии почвообразования, а их эволюция определяется перспективами продолжения развития таких процессов, как гумификация и аккумуляция гумуса [Двуреченский, 2009а]. При благоприятных условиях (породы, рельеф и др.) на конечной стадии эволюции эмбриоземов ожидается формирование профиля почвы, сходного (но не аналогичного) с профилем зональных черноземов выщелоченных. Однако в современных условиях техногенеза этому препятствуют субстрат сформированного отвала, состоящий из смеси вскрышных, вмещающих пород и угля. Развитие эмбриоземов в лесостепной зоне может иметь два направления: 1) инициальные —* оргапо-аккумулятивные; 2) инициальные —» органо-аккумулятивные —> дерновые —► гумусово-аккумулятивные.

Развитие эмбриоземов в горно-таежном поясе Кузбасса протекает также поэтапно: инициальные - органо-аккумулятивные - дерновые - гумусово-аккумулятивные. Исходя из особенностей рельефа и свойств почвообразующих пород, к 37-летнему возрасту ландшафта при благоприятных условиях происходит образование эмбриоземов гумусово-аккумулятивных, свойства которых наиболее сходны со свойствами бурых таежных почв. Учитывая эти факты, предполагается, что эволюция эмбриоземов техногенных ландшафтов горио-таежного пояса идет в сторону образования бурых таежных почв [Двуреченский, 20 Юг].

Хотя эмбриоземы в изучаемых природно-климатических зонах Кузбасса являются техногенными образованиями, а фоновые почвы - естественно-историческими образованиями, генетические и географические признаки эмбриоземов и фоновых почв должны определяться в соответствии с особенностями зональных факторов почвообразования. Генетически и морфологически все типы эмбриоземов в разных зонах сходны, что указывает на преобладание на начальных стадиях почвообразования процессов накопления и трансформации органического вещества и второстепенной роли других процессов.

40,2%

Рис. 1. Процентное соотношение эмбриоземов в техногенном ландшафте лесостепной зоны Кузбасса.

Географические признаки специфики почвообразования в горно-таежном поясе и лесостепной зоне Кузбасса проявляются, прежде всего, соотношением площадей каждого типа эмбриоземов в составе почвенного покрова техногенного ландшафта. В степном ядре лесостепной зоны до 60% площади отвалов представлены эмбриоземами дерновыми и гумусово-аккумулятивными, 29,5% -органо-аккумулятивными (рис. 1).

19.8%

10,5%

□ Инициальный

Ш Органо-аккумулятивный

□ Дерновый

а Гумусово-аккумулятивный

В горно-таежном поясе площадь почвенного покрова, состоящего из эмбриоземов дерновых и гумусово-аккумулятивных, составляет около 45%. Площадь почвенного покрова, состоящего из эмбриоземов инициальных и органо-аккумулятивных в данном поясе преобладает. Их площадь составляет 55% (рис.2).

□ Инициальный а Органо-аккумулятивный

□ Дерновый

■ Гумусово-аккумулятивный

3%

Рис. 2. Процентное соотношение эмбриоземов в техногенном ландшафте горно-таежного пояса Кузбасса.

Выводы

1. Уровень содержания различных форм железа и особенности дифференциации этих форм в профиле эмбриоземов дерновых и гумусово-аккумулятивных техногенных ландшафтов, расположенных в разных почвенно-климатических зонах Кузбасса, является диагностическим показателем характера и направленности формирования профиля эмбриоземов.

2. Физико-химические свойства разных типов эмбриоземов и содержание в них форм железа различаются с фоновыми почвами естественных ландшафтов. В процессе развития эмбриоземов начинают проявляться черты некоторого сходства в распределении форм железа с фоновыми аналогами.

3. Генетико-географический анализ однотипных эмбриоземов, расположенных в различных климатических зонах Кузбасса, показал, что на начальных этапах развития профилей эмбриоземов они не различаются; специфика распределения форм железа по профилю начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горно-таежном поясе и на дерновой стадии - в лесостепной зоне.

4. Тенденция эволюции эмбриоземов техногенных ландшафтов на начальных этапах развития профиля имеет однотипную направленность, независимо от географической приуроченности эмбриоземов, тогда как на последующих стадиях эволюция приобретает зональную направленность в горнотаежном поясе и некоторые черты зональной направленности в лесостепной зоне.

5. Эмбриоземы техногенных ландшафтов степного ядра и горно-таежного пояса Кузбасса являются азональными образованиями. Наиболее эволюционно развитые эмбриоземы гумусово-аккумулятивные находятся на метастабильной фазе развития. Азональность эмбриоземов приводит к появлению новых экоси-

стем с рядом отличий от зональных, что позволяет считать техногенные ландшафты Кузбасса экоклином.

6. В техногенных лавдшафтах горно-тасжного пояса Кузбасса направленность почвообразования четко прослеживается и происходит в сторону бурозе-мообразования. Эмбриоземы характеризуют экоклин с набором признаков, сходных с бурыми таежными почвами, но отличающимися от них большим дефицитом влаги. В техногенных ландшафтах лесостепной зоны зональная направленность процессов почвообразования выражена слабее из-за разных поч-вообразующих пород и большого недостатка влаги, а почвообразование направлено на образование почвенного покрова с чертами степных и даже сухо-степных почв.

7. В генетически развитых эмбриоземах гумусово-аккумулятивных горнотаежного пояса, в отличие от эмбриоземов гумусово-аккумулятивных лесостепной зоны, внутрипрофильное перераспределение форм железа выражено более четко, соответственно, процессы почвообразования в эмбриоземах 1уму-сово-аккумулятивных техногенных ландшафтов горно-таежного пояса идут активнее.

8. Сходство техногенных ландшафтов Кузбасса в различных биоклиматических зонах определяется однотипным набором эмбриоземов. Различия в горно-таежном поясе и лесостепной зоне Кузбасса проявляются в соотношении площадей каждого из типов эмбриоземов в составе почвенного покрова техногенного ландшафта. В степном ядре лесостепной зоны до 60 % площади техногенных ландшафтов представлены эмбриоземами дерновыми (40,2%) и гумусо-во-аккумулятивными (19,8%). В почвенном покрове техногенных ландшафтов горно-таежного пояса преобладают эмбриоземы органо-аккумулятивные (44,3%) и дерновые (35,4%).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Курачев В.М., Андроханов В.А., Двуреченский В.Г. Теоретические основы рекультивации нарушенных земель И Биологическая рекультивация нарушенных земель: Материалы Международного совещания, Екатеринбург, 3-7 июня, 2002 г. - Екатеринбург, 2003. - С. 239-247.

2. Курачев В.М., Андроханов В.А., Двуреченский В.Г., Госсен И.Н., Кле-ковкин С.Ю. Техногенные ландшафты и почвы лесостепной и горно-таежной зон Кузбасса // Путеводитель научных и полевых экскурсий IV съезда Докуча-евского общества почвоведов (9-13 августа 2004 г.). - Новосибирск, 2004а. - С. 46-60.

3. Двуреченский В.Г., Фаткулин Ф.А., Андроханов В.А. О составе гумуса почв техногенных экосистем горно-таежного района Кузбасса II Почвы - национальное достояние России: Материалы IV съезда Докуч. общ. почвоведов: В 2-х кн. - Новосибирск: Наука-Центр, 20046. - Кн. 2. - С. 550.

4. Андроханов В.А., Двуреченский В.Г., Клековкин С.Ю., Водолеев A.C., Кудашкина С.А., Степнов A.A. Технология рекультивации отходов железоруд-

ного обогащения с использованием осадков сточных вод // Проблемы региональной экологии, 2006а. - № 5. - С. 33-38.

5. Двуреченский В.Г. Групповой состав железа почв техногенных ландшафтов Кузбасса // Инновационный потенциал естественных наук: в 2 т. Труды междунар. науч. конф./ Перм. ун.-т; Естествешюнауч. ин-т и др. - Пермь, 20066. - Т.Н. Экология и рациональное природопользование. Управление инновационной деятельностью. - С. 122-124.

6. Двуреченский В.Г. Особенности содержания гумуса в эмбриоземах техногенных ландшафтов Кузбасса II Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель: Материалы Междунар. науч. конф.- Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2007. - С. 185-192.

7. Двуреченский В.Г. Групповой состав железа и гумуса в почвах техногенных ландшафтов Кузбасса //Сиб. экол. журн., 2009а. - № 2. - С. 171-177.

8. Двуреченский В.Г. Географо-генетические особенности содержания форм железа в эмбриоземах техногенных ландшафтов // Рекультивация нарушенных земель в Сибири. - Кемерово: КРЭОО «Ирбис», 20096. - Вып. 4. - С. 22-25.

9. Двуреченский В.Г., Групповой состав железа в эмбриоземах техногенных ландшафтов степного ядра Кузбасса // Сиб. экол. жури., 2010а. - № 3. - С. 467-473.

10. Двуреченский В.Г. Использование показателей группового состава железа для генетической диагностики процессов почвообразования в эмбриоземах техногенных ландшафтов Кузбасса // Почвоведение и агрохимия, 20106. -№2.-С. 12-22.

11. Двуреченский В.Г. Географические и эволюционные особенности эм-бриоземов техногенных ландшафтов Кузбасса // Отражение био reo -, антро-посферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове: Сборник материалов IV Всероссийской научной конференции с международным участием (1-5 сентября 2010 г.). - Томск: ТМЛ-Пресс, 2010в. - Т. 1. - С. 68-70.

12. Двуреченский В.Г. Использование показателей группового состава железа для диагностики процессов почвообразования в техногенных ландшафтах. - Сборник материалов Всероссийской научной конференции «Современные почвенные классификации и проблемы их региональной адаптации». -Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2010г. - С.177-181.

13. Двуреченский В.Г. Использование физико-химических методов для генетической диагностики процессов почвообразования в эмбриоземах техногенных ландшафтов лесостепной зоны Кузбасса. - Сборник материалов Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды». -Пермь, 201 Од. - Т.1., ч. 1. - С. 240-247.

14. Двуреченский В.Г. Эволюция почвенного покрова техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах Кузбасса. - Материалы Международной научной конференции «Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности России». - СПб.: Изд. дом С.-Петербургского гос. ун-та, 2011. - С. 379-381.

Заказ № 2987 Бумага офсетная 80 г/м2. Тираж 100 экз. Подписано в печать 25.05.11. Формат 60x84, Усл. п. л. 1.0

Отпечатано в типографии ООО «Новопрюп» 630049, г. Новосибирск, Красный пр-т, 157/1 оф. 104, тел. (383) 228-59-85

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Двуреченский, Вадим Геннадьевич

Введение.

Глава I. Состояние изученности вопроса и постановка проблемы.

Глава II. Объекты и методы исследований.

2.1. Объекты исследований.

2.1.1. Морфологические особенности эмбриоземов техногенных ландшафтов лесостепной зоны Кузбасса.

2.1.2. Морфологические особенности эмбриоземов техногенных ландшафтов горно-таежного пояса Кузбасса.

2.2. Методы исследований.

Глава III. Условия почвообразования в техногенных и естественных ландшафтах Кузбасса.

3.1. Климатические особенности лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса.

3.2. Особенности рельефа естественных и техногенных ландшафтов степного ядра и горно-таежного пояса Кузнецкой котловины.

3.3. Почвообразующие породы степного ядра и горно-таежного пояса Кузнецкой котловины.

3.4. Породы и минералы, входящие в состав отвалов угольных месторождений Кузбасса.

3.5. Растительность техногенных и естественных ландшафтов степного ядра лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса.

Глава IV. Химическая и физико-химическая характеристика эмбриоземов техногенных ландшафтов и фоновых почв Кузбасса. 69 4.1. Сравнительная химическая и физико-химическая характеристика эмбриоземов техногенных ландшафтов и черноземов выщелоченных лесостепной зоны.

4.1.1. Основные химические и физико-химические свойства эмбриоземов лесостепной зоны.

4.1.2. Основные химические и физико-химические свойства черноземов выщелоченных.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Географо-генетическая характеристика форм железа в эмбриоземах Кузбасса"

С каждым годом увеличивается степень воздействия промышленности на природные комплексы. Все острее становится необходимость не только более производительного использования ресурсов планеты, но также и их охраны [Ковда,1973], т.к. окружающая среда является необходимой основой для существования всего живого. Она - источник энергии и вещества, которые используются в процессе жизнедеятельности человека.

Центральный

Северо-Западньм

Южньй

Приволжский

Уральский

Сибирский

Дальневосточный

Рис. 1. Добыча угля в Федеральных округах России в 2008 г в процентах.

Добыча каменного угля в Сибирском Федеральном округе в 2008 году составила 271982 тыс. тонн или 83 % от общего количества добытого в России угля (рис. 1) [Статистический сборник, 2009]. При этом Кемеровская область по добыче угля занимает первое место не только в Округе, но и в целом по стране (табл. 1) [Там же].

При добыче 150 миллионов тонн угля в 2004 году на поверхность почвенного покрова вынесли до 3 миллиардов тонн твердых отходов, и уже сегодня в отвалах накоплены десятки миллиардов тонн различных пород. В результате проведения горных работ в Кузбассе нарушено и выведено из хозяйственного использования около 100 тысяч гектаров плодородных земель [Захаров, 2006]. Поэтому очень важно хотя бы частично возвращать нарушенные горнодобывающей промышленностью территории в сельскохозяйственное и лесное пользование [Соколов, 1974].

Таблица 1. Место, занимаемое субъектом РФ по добыче угля и количество добытого угля в Федеральных округах в 2008 г.

Название субъекта Количество добытого угля (тыс. тонн) Занимаемое место

Российская Федерация 328554

Центральный ФО 360 а)

Северо-Западный ФО 12929 (з)

Республика Коми 5

Южный ФО 7081 (4)

Ростовская область 9

Приволжский ФО 515 (б)

Уральский ФО 3354 (5)

Сибирский ФО 271982 а)

Республика Хакасия 1

Забайкальский край 3

Красноярский край 2

Иркутская область 4

Кемеровская область 1

Дальневосточный ФО 32333 (2)

Республика Саха (Якутия) 6

Приморский край 8

Сахалинская область 10

При выборе способов биологической рекультивации породных отвалов одним из очень важных моментов является оценка возможности использования процессов естественного формирования почвенного и растительного покровов. При положительной оценке эффективности этих процессов не обязательно проводить технологически сложную рекультивацию, а можно заменить ее мероприятиями по содействию естественного самозарастания, что приведет к ускорению формирования фитоценозов с высокой продуктивностью [Махонина, 1976].

Актуальность исследований.

Изучение проблем генезиса, классификации, диагностики земель, нарушенных горнодобывающими и горно-перерабатывающими предприятиями в Сибири, осложнено большими масштабами и экологическим разнообразием территорий, подвергшихся техногенной нагрузке. Географическое расположение техногенных ландшафтов и виды нарушений могут быть самыми разными. Это — обширные породные отвалы Красноярского края, карьерные выемки с различными системами отвалообразования Кузбасса, территории, где ведется дражная разработка месторождений в речных долинах бассейнов рек, шламо - и хвостохранилища перерабатывающих и обогатительных фабрик, золоотвалы ТЭЦ, а также почвы, нарушенные при строительстве дорог, нефте - и газопроводов и т.п. [Колесников, 1974; Моторина, 1975; Гаджиев, Курачев, Андроханов, 2001].

Изучение процессов почвообразования на отвалах техногенных ландшафтов, представляет большой теоретический интерес, являясь частью проблемы эволюции почв и почвенного покрова [Роде 1971; Таргульян, 1971; и др.]. При этом возникает необходимость выявления различных индикаторов, характеризующих почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов, по которым можно было бы проследить развитие и направленность почвообразовательных процессов. Одним из таких индикаторов является железо [Зонн, 1982; Водяницкий, 1989]. Однако, работ по изучению железа и его группового состава в почвах техногенных ландшафтов мало [Ужегова, 1988; Махонина, 2003]. Исследования, отражающие распределение форм железа в профилях эмбриоземов на датируемых отвалах в различных природно-климатических зонах Кузбасса и сравнение их с фоновыми почвами не проводились. Работа в этом направлении будет способствовать выявлению индикационных свойств железа и возможностей использования его для определения направленности процессов почвообразования на техногенно нарушенных территориях.

Цель исследования:

На основе сравнительного географо-генетического анализа группового состава железа и распределения его форм в профиле разных типов эмбриоземов лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса, выявить направленность эволюции эмбриоземов техногенных ландшафтов.

Задачи исследования:

1. Изучить групповой состав железа и дифференциацию его форм в каждом типе эмбриоземов техногенных ландшафтов лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса, а также провести сравнение их с фоновыми почвами естественных ландшафтов.

2. Выявить сходства и различия дифференциации форм железа в однотипных эмбриоземах лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса.

3. Определить физико-химические свойства эволюционного ряда эмбриоземов, формирующихся в лесостепной зоне и горно-таежном поясе Кузбасса и выявить их отличия от фоновых почв.

4. Выявить направленность эволюции эмбриоземов в процессе становления профиля и дать прогноз развития почвенного покрова техногенных ландшафтов, расположенных в степном ядре лесостепной зоны и в горно-таежном поясе Кузбасса с учетом трансформации соединений железа во времени.

Научная новизна:

Впервые выявлены уровни содержания различных форм железа и особенности их дифференциации в профиле эмбриоземов техногенных ландшафтов, расположенных в разных почвенно-климатических зонах Кузбасса и предложено рассматривать распределение форм железа как диагностический показатель характера и направленности формирования профиля эмбриоземов.

Установлено различие физико-химических свойств и содержания форм железа в разных типах эмбриоземов техногенных ландшафтов Кузбасса. Показано, что в процессе эволюции эмбриоземов возникает некоторое сходство в распределении форм железа с фоновыми почвами.

Генетико-географический анализ однотипных эмбриоземов, расположенных в различных природно-климатических зонах Кузбасса позволил установить, что на начальных этапах развития профилей эмбриоземов они не различаются; специфика распределения форм железа по профилю начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горнотаежном поясе и на дерновой стадии — в лесостепной зоне.

Выявлено, что эволюция эмбриоземов техногенных ландшафтов на начальных этапах развития профиля имеет однотипную направленность, независимо от географической приуроченности эмбриоземов, тогда как на последующих стадиях эволюция приобретает черты зональной направленности.

Защищаемые положения:

1. Распределение форм железа и их дифференциация в профиле различных типов эмбриоземов в разных природно-климатических зонах Кузбасса может служить диагностическим показателем характера и направленности почвенных процессов.

2. На начальных этапах развития профилей эмбриоземов они не различаются по содержанию и распределению форм железа; специфика распределения форм железа по профилю эмбриоземов начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горно-таежном поясе и на дерновой стадии - в лесостепной зоне, приобретая некоторые черты зональной направленности.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что познание географо-генетических закономерностей распределения форм железа в различных типах эмбриоземов позволяет определить особенности развития эмбриоземов, а также использовать данные закономерности при обосновании восстановления почвенного покрова техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах. Распределение форм железа в развивающихся эмбриоземах может использоваться в качестве одного из признаков, характеризующих стадийность развития почв техногенных ландшафтов. Результаты работы могут быть применены в целях почвенно-географического и почвенно-экологического районирования, картографирования, а также в учебном процессе ВУЗов соответствующего профиля, для более глубокого изучения эволюции почв.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях: «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 2003); «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2009); «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); «Современное состояние и воспроизводство плодородия почв» (Алматы, 2010).

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в «Перечень.» ВАК РФ.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является результатом многолетних (2002-2010 гг.) исследований автора. Автором сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования, сделаны итоговые выводы. Автор принимал личное участие в основной части экспедиционных исследований, проводил лабораторные анализы, обобщение полученных результатов, их публикацию и апробацию.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов. Работа изложена на 202 страницах текста, включает список литературы из 135 наименований, в том числе 14 иностранных, 43 рисунка и 60 таблиц, а также 23 таблицы приложений.

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Двуреченский, Вадим Геннадьевич

Заключение 5

Хотя эмбриоземы в изучаемых природно-климатических зонах Кузбасса являются техногенными образованиями, а фоновые почвы -естественно-историческими образованиями, генетические и географические признаки эмбриоземов и фоновых почв должны определяться в соответствии с особенностями зональных факторов почвообразования. Генетически и морфологически все типы эмбриоземов в разных зонах более или менее сходны, что указывает на преобладание на начальных стадиях почвообразования процессов накопления и трансформации органического вещества и второстепенной роли других процессов. Но есть и различия. Органическое вещество эмбриоземов гумусово-аккумулятивных в лесостепной зоне отличается от такового в горно-таежном поясе более грубым гумусом.

Зональная дифференциация состава почвенного покрова техногенных ландшафтов выражена отчетливо и не повторяет таковую естественных ландшафтов. 4 типа эмбриоземов отражают важные этапы самовосстановления почвенно-экологических функций в техногенном ландшафте.

Оценивая почвенное состояние, или, другими словами, почвенное здоровье, необходимо вообразить произвольную шкалу, в которой имеется 100 делений. При оценке зональных почв в каждом случае показания «шкалы» составляет определенное значение, которое является зональным эталоном. Мера приближения техногенного ландшафта по определенным параметрам к фоновому эталону - есть некоторое значение, стремящееся к 100. Различия между ними характеризует экоклин, так как он отличается от естественного ландшафта.

Это происходит потому, что фоновая почва сформировалась за определенный исторический промежуток времени по совокупному воздействию всех факторов почвообразования, и она находится в динамичном равновесии. Техногенный ландшафт не находится в этом состоянии. Для того чтобы приблизиться к равновесию, необходимо большое количество времени, которым мы не располагаем. Поэтому техногенный ландшафт всегда, или достаточно долго, будет являться экоклином, отличающимся от естественного ландшафта на некоторые количество делений виртуальной шкалы, которые можно назвать степенью приближения к зональной почве.

В проведенном исследовании существует 3 эталона, 3 типа фоновой почвы естественных ландшафтов, которые брались за 100 делений. Два типа почв находятся в горно-таежном поясе - бурые таежные, сформированные на щебнистых отложениях и дерново-глубокоподзолистые, которые сформировались на тяжелых суглинках и покровных глинах. В лесостепной зоне Кузбасса таким ориентиром является чернозем выщелоченный.

В качестве идеальных условий для горно-таежного пояса определяются не бурые таежные, а дерново-глубокоподзолистые, так как они сформированы на тяжелопокровных глинах и суглинках, а не на щебнистых отложениях. Почему это затрагивает внимание? Дело в том,, что при рекультивации нарушенных земель некоторые управленцы местного значения уверены в том, что на подготовленную поверхность ландшафта можно не вносить никаких суглинков, а просто распахать субстрат и все будет расти само собой, а затраты при этом останутся минимальными. Приводятся доводы о том, что в других местах, при якобы идентичных условиях, где нет никаких суглинков, все растет и развивается, что действительно так и есть. Но каждый ландшафт, каждая почва этого ландшафта является естественно-историческим образованием, где происходят такие процессы, как внутрипочвенное выветривание и масса других, которые длятся тысячи лет и более.

Для достижения некоторой экологической эффективности необходимо понимание того, что, если не будет нормальной почвы, то не будет ни растительного покрова, ни микробоценоза, ни зооценоза. Вместо дерново-глубокоподзолистых почв превалировать будут бурые таежные. Но это менее эффективно для развития ландшафта. Необходимо чтобы формировались почвы, которые обладали бы большим числом экологических функций, наибольшим потенциальным плодородием, наибольшей продуктивностью. В горно-таежном поясе. Кузбасса такими качествами как раз обладают только дерново-глубокоподзолистые почвы на тяжелосуглинистых покровных суглинках. Хотя значение бурых таежных почв нисколько не принижается.

В лесостепной зоне Кузбасса почвой сравнения служат черноземы выщелоченные. Они составляют 100 делений по виртуальной шкале. Мера приближения к нему будет эффективностью рекультивации в лесостепной зоне. Чем больше параметры нарушенной почвы будут соответствовать параметрам зональной, тем выше ее экологическая эффективность.

Так как биотические и абиотические процессы развиваются в направлении устойчивых метастабильных в данной природно-климатической зоне образований, то есть стремятся к зональному типу, то в этом же направлении происходит развитие эмбриоземов техногенных ландшафтов. Однако, в результате влияния литогенных и техногенных факторов, эмбриоземы техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах Кузбасса имеют присущие только им характерные особенности. Поэтому техногенные ландшафты следует относить к экоклинам [Уиттекер, 1980; Курачев, 1998].