Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Окислительно-восстановительное состояние почв Среднерусской лесостепи в зоне влияния терриконов угольных шахт

ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Окислительно-восстановительное состояние почв Среднерусской лесостепи в зоне влияния терриконов угольных шахт"

На правах рукописи

Шарапова Анна Валерьевна

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ СРЕДНЕРУССКОЙ ЛЕСОСТЕПИ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРРИКОНОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

з 1 окг гт

Москва-2013

005536577

Работа выполнена на кафедре геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета Московского государственного университета имени

М.В. Ломоносова

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент

Кречетов Павел Петрович

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор географических наук Снытко Валериан Афанасьевич Институт истории естествознания и техники им. С.И.Вавилова РАН, главный научный сотрудник

доктор биологических наук, Андроханов Владимир Алексеевич, Институт почвоведения и агрохимии СО РАН

заместитель директора по научной работе

Ведущая организация: Институт водных и экологических

проблем СО РАН

Защита состоится » ноября 2013 года в на заседании

диссертационного совета Д 501.001.13 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, главное здание, географический факультет, 18-й этаж, аудитория 1807

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д.27, А8. Автореферат размещен на сайте Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/), а также на официальном сайте ВАК (http://www.vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан « » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горбунова И. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Угледобыча - одна из отраслей промышленности, где экологические проблемы стоят наиболее остро. В процессе добычи угля нарушаются инженерно-геологические и гидрогеологические условия территорий, происходит загрязнение почв, поверхностных и грунтовых вод. Значительные объемы горных пород, извлекаемых в ходе добычи угля, большие площади сельскохозяйственных земель, вовлекаемые в горное производство, а также комплексное воздействие, оказываемое на все элементы ландшафта, создают условия для формирования особых техногенно-тратрансформированных природных территориальных комплексов. Такие комплексы распространены в лесостепной зоне Тульской области и приурочены к территории Подмосковного буроугольного бассейна (ПБУБ).

Интенсивное освоение ПБУБ началось в 30-е годы XX века и было обусловлено расположением его в урбанизированном и промышленном центре России. Максимальные объемы добычи угля были достигнуты в 50-60-е годы, однако в начале 21 века практически все угледобывающие предприятия Тульской области были закрыты. Всего на территории ПБУБ эксплуатировалось около 180 шахт, технология функционирования которых предполагала формирование терриконов — конических отвалов отработанной породы. В каждом из терриконов содержится от 300 до 600 тыс. м3 токсичных кислых пиритсодержащих отходов; общий объем углесодержащих горных пород в терриконах достигает 100 млн. м3. Формирование терриконов и их последующее развитие привело к изъятию в Тульской области около 1000 га. пахотных земель. В большинстве случаев рекультивация отвалов не осуществлялась.

В старых районах угледобычи основное воздействие связано с процессами постгехногенной геохимической трансформации породных отвалов. Формируются новые природно-техногенные геохимические структуры. В основе изменений лежит окислительная трансформация восстановленных веществ, направление и степень выраженности которой обусловлены природными условиями территорий. Попадая в природные системы, техногенные вещества оказывают влияние на про-

текание природных геохимических процессов и способствуют формированию новых типов элементарных ландшафтов.

Актуальность проведенных исследований определяется необходимостью комплексной характеристики окислительно-восстановительного (ОВ) состояния техногенно-трансформированных почв в районах угледобычи с учетом как химических, так и биохимических процессов для прогноза изменения ландшафтов в будущем.

Целью работы является оценка окислительно-восстановительного состояния почв природных и природно-техногенных ландшафтов в зоне влияния терриконов угольных шахт Подмосковного буроугольного бассейна.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и верификация системы химических и биохимических показателей для оценки окислительно-восстановительного состояния почв районов угледобычи.

2. Оценка изменения окислительно-восстановительного состояния природных почв под воздействием техногенных восстановленных веществ.

3. Характеристика типов окислительно-восстановительного состояния почв в зоне влияния терриконов угольных шахт.

Материалы и методы исследований. Объектом диссертационного исследования являются почвы природных, природно-техногенных и техногенных ландшафтов зоны влияния терриконов буроугольных шахт, расположенных в Новомосковском районе Тульской области. В работе применен комплекс методов, включаюший в себя полевые исследования, химический анализ, статистическую обработку данных, экспериментальное полевое и лабораторное моделирование, ГИС-анализ. Диссертант самостоятельно провел весь комплекс полевых и лабораторных исследований по теме работы. Полевые работы выполнены в период 20082012гг.

В общей сложности было отобрано 50 проб снежного покрова, 10 проб поверхностных вод и 977 проб почвы. Заложено 15 мониторинговых площадок, на которых проводились почвенно-геоботанические описания и полевые эксперимен-

ты. Химико-аналитические исследования выполнены на кафедре геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ имени М. В Ломоносова.

Научная новизна. В работе решена важная для геохимии ландшафтов научная задача - выявлена дифференциация почвенного покрова Среднерусской лесостепи в зоне влияния терриконов угольных шахт по химическому и биохимическому окислительному состоянию. Охарактеризованы типы ОВ состояния природных и природно-техногенных почв и построен модельный ландшафтный профиль территории. Впервые для характеристики ОВ состояния почв применен комплексный подход, основанный на использовании системы количественных показателей, отражающих химическую и биохимическую природу процессов окисления. Предложен новый интегральный показатель биохимической окислительной способности почв, основанный на определении параметра биологического потребления кислорода.

Защищаемые положения:

1. Окислительно-восстановительное состояние почв определяется не только соотношением окисленных и восстановленных форм химических элементов, но и уровнем биологической активности почв. Для его характеристики необходимо использование комплексной системы показателей, включающей параметры химической и биохимической окислительной способности.

2. Биохимическое окисление в почвах с привнесенными техногенными восстановленными веществами протекает медленнее, чем в природных почвах. Техногенные минеральные восстановленные соединения в большей степени доступны к биохимическому окислению, чем органические.

3. В почвенном покрове районов угледобычи Среднерусской лесостепи выделяется 6 типов ОВ состояния, отличающихся интенсивностью и направлением протекания ОВ процессов.

Апробация работы, публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ: 2 статьи в журналах списка ВАК, 4 - тезисы докладов и материалов конференций.

Основные положения работы обсуждались на Всероссийской научной конференции XIII Докучаевские молодежные чтения «Органо-минеральная матрица почв», (Санкт-Петербург, 2010.), Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург 2011гг.), Международной научно-практической конференции «Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности» (Москва, 2011), Всероссийской научной конференции «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)» (Москва, 2012).

Практическая значимость состоит в возможности применения разработанных методов для оценки степени интенсивности окислительных процессов в почвах в зонах различных техногенных воздействий с целью оценки эволюции ландшафтов. Работа выполнялась в рамках НИР географического факультета по теме «Геохимия окружающей среды» (№ госрегистрации: 01201154403). Материалы работы включены в научно-технический отчет «Разработка научно-методических основ оценки эколого-геохимической устойчивости ландшафтов к техногенному воздействию» (по соглашению с Минобрнауки №8673, 2012г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Работа изложена на 167 страницах, иллюстрирована 6 таблицами и 36 рисунками. Список литературы включает 192 источника, из них 167 отечественных и 25 зарубежных работ, в том числе 2 электронных ресурса.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе над диссертацией научному руководителю кандидату биологических наук, доценту Павлу Петровичу Кречетову, сотрудникам кафедры геохимии ландшафтов и географии почв О.В.Черницовой, Т.В.Королевой, Т.М.Диановой, А.Н.Филаретовой, И.Н.Семенкову, Е.Б.Двуреченской, Т.В.Ронжиной.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Окислительно-восстановительные процессы в почвах и методы их

оценки

Первые публикации, посвященные окислительно-восстановительным (ОВ) процессам в почвах, появились в отечественной науке в начале 30-х годов и связаны, прежде всего, с именами Н.П. Ремезова и М.М.Кононовой (Ремезов, 1931; Кононова, 1951). Большой вклад в изучение этого вопроса внесли И.П. Сердобольский (1951), С.П. Ярков (1960), Зайдельман Ф.Р. (1974,1992,1998) И.С. Кауричев, Д.С. Орлов (1982), В.И.Савич с коллегами (1999). Авторами были определены понятия: почвенный окислительно-восстановительный процесс, окислительно-восстановительное состояние почв, окислительно-восстановительная система; выявлены особенности формирования почвенных окислительно-восстановительных режимов. В исследованиях важное место уделялось вопросам роли почвенной биохимической и микробиологической составляющей в протекании ОВ реакций (Звягинцев, 2005, Водяницкий, 1999). Обширный массив исследований посвящен изучению природных и техногенных особенностей биогеохимических циклов элементов, в которых важную роль играют ОВ реакции. Так, в ряде исследований показано, что уголь, содержащийся в отвалах, подвержен процессам окисления и минерализации, обладает средней реакционной способностью и, соответственно, должен рассматриваться как компонент в цикле углерода (Майская и др. 1975; Bonnen et al.; 1994; Olson, Brinckman, 1986; Мишустин, Перцов-ская, 1954; Звягинцев и др., 2005; Комиссаров, Логинов, 1971). Вмещающие толщи в районах угледобычи содержат сульфидсодержащие породы - пирит и марказит, в составе которых присутствуют восстановленные соединения железа и серы. При извлечении пород на поверхность происходит окисление железа и серы, что также отражается в биогеохимических циклах этих элементов (Панов, Проскурня, 1999; Максимович и др., 2006; Кизильштейн, 1975; Максимович, 1997;Солнцева, Никифорова, 1985, Гуртова и др., 1980;. Максимович, 1997; Андруз, 1999; Nordstrom, Southam, 1997; Silva et al., 2011; Ma, Banfield, 2011; Савич, 1984; Rolland , 2001).

Методы характеристики окислительно-восстановительных режимов почв

Анализ литературных данных показал, что для характеристики протекания в почвах ОВ реакций могут быть использованы различные показатели. Чаще всего для количественной оценки ОВ состояния используется окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) ЕЙ (Орлов, Кауричев, 1982; Сердобольский, 1951, Зайдельман, 1998 и др.), который зависит не только от соотношения окисленных и восстановленных форм элементов, но и от кислотно-основных свойств раствора (величины рН). Для характеристики ОВ условий, а также для определения абсолютного количества окислителей и восстановителей в почве используются понятия окислительно-восстановительной емкости и окислительно-восстановительной буферности (Кауричев, Орлов, 1982; Савич и др., 1999, Соколов, 2009).

Для характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы используется показатель фракционного состава ОВ систем, который можно определить как количество соединений, окисляющихся и восстанавливающихся в определенных интервалах ЕЬ и рН, при различной температуре, времени воздействия и т.д. (Савич и др., 2004).

Окислительно-восстановительное состояние почв может быть также охарактеризовано с помощью валового количества восстановленных соединений, которым принято называть все вещества в почве, способные к окислению (Кауричев, Орлов, 1982; Костенков, 1987). Кроме того, для количественной оценки протекания ОВ процессов используют показатели содержания различных форм (окисленных и восстановленных) отдельных химических элементов (железа, марганца) и соотношения их форм (Зайдельман, 1974).

Необходимо отметить, что все вышеперечисленные показатели имеют ряд недостатков. Так, показатель ОВП отражает лишь преобладание в почве процессов окисления или восстановления и не дает возможности оценить природу ОВ взаимодействий, к тому же достоверность получаемых данных зависит от условий проведения измерений. Методы, используемые для оценки ОВ буферности, емкости, а также для характеристики фракционного состава окисленных и восстанов-

ленных форм, основаны на использовании химических соединений в концентрациях, которые не могут быть свойственны почвенным процессам окисления/восстановления.

Проведенный анализ литературных данных выявил необходимость разработки системы показателей, основанной на использовании общих принципов оценки ОВ процессов, а также ориентированной на выявление природы и специфики процесса окисления в естественных условиях.

Глава 2. Трансформация ландшафтов в районах угледобычи

Трансформация ландшафтов зоны влияния терриконов угольных шахт определяется исходным геохимическим составом углей и вмещающих толщ, а также условиями формирования потоков рассеяния, в том числе, морфометрическими характеристиками терриконов. Угли ПБУБ бурые, высокозольные, повышенно-сернистые (содержание серы 3-4%). Фракционный состав вмещающих пород отвалов отличается слабой сортированностью. В состав техногенных отложений входят обломки бурого угля (до 12%), минеральные образования - пирит, марказит, сидерит. Высота отвалов терриконов составляет 30-40 (до 50) м, углы откосов достигают 35-45°.

Основными механизмами перераспределения материала террикона являются гравитационный процесс, водная и ветровая эрозия, которые в совокупности формируют поток рассеяния техногенных восстановленных веществ. В результате образуются различные зоны влияния терриконов угольных шахт, сочетание которых определяет структуру природно-техногенных трансаккумулятивных ландшафтов, наиболее характерными из которых являются ландшафты, образованные в зонах распространения делювиальных и пролювиальных шлейфов, периферийных зон шлейфов.

Делювиальные шлейфы формируются в результате смыва и гравитационного перемещения материала с поверхности склонов, и его аккумуляции у подножий терриконов. По форме поверхность делювиального шлейфа представляет собой клин шириной 30-50 (до 100) м, угол наклона которого составляет 3-5°. Пролюви-альные шлейфы формируются на плоских днищах эрозионных форм под действи-

ем потоков воды. Ширина таких поверхностей составляет 30-50 м, протяженность - 200-250 м.

Образование ландшафтов периферийных частей шлейфов обусловлено механизмами незначительного накопления тонкодисперсного материала на участках, где происходит резкое снижение скорости потоков. Ширина таких зон составляет в среднем 50 м, длина может достигать 150-200 м; мощность отложений не превышает 10-20 см.

Глава 3. Объекты и методы

Район исследования расположен в северной части Среднерусской возвышенности на водоразделах рек У па, Дон и Осетр. Рельеф представляет собой эро-зионно-денудационную пологоволнистую равнину, перекрытую донской мореной и покровными суглинками, расчлененную речными долинами и овражно-балочной сетью, измененную последующими эрозионными и техногенными процессами. Климат - умеренно-континентальный. Вследствие высокой хозяйственной освоенности естественная растительность не сохранилась. Почвенный покров возвышенных и водораздельных участков представлен черноземами выщелоченными и оподзоленными разной степени освоенности. По днищам балок и пологим склонам формируются лугово-черноземные почвы; в поймах рек - аллювиальные почвы. Предметом исследований является совокупность признаков, отражающих общее окислительно-восстановительное состояние почв. В качестве объектов исследований рассматриваются природные и природно-техногенные почвы, а также техногенные субстраты.

Природные почвы представлены черноземами выщелоченными под агроце-нозами и лугово-черноземными почвам под разнотравно-злаковой растительностью.

Техногенные субстраты терриконов сложены углисто-песчано-глинистым материалом слабой сортированное™. Растительность на поверхности терриконов отсутствует.

Природно-техногенные почвы приурочены к ландшафтам пологих склонов подножий терриконов, сложенных техногенным делювием (зоны распространения

делювиальных шлейфов), а также днищами балок, перекрытых техногенным пролювием (зоны распространения пролювиальных шлейфов).

На участках подножий терриконов и срединных частей шлейфов, лишенных растительного покрова или с присутствием фрагментарных несомкнутых травянистых группировок, изучены дерновые слаборазвитые (оторфованные) почвы на техногенном делювий (пролювий), подстилаемом погребенными черноземами выщелоченными бескарбонатными (лугово-черноземными почвами). Морфологический профиль данных почв представляет собой двучленное образование, состоящее из техногенного делювия (пролювия) (в среднем 1-1,3 м) и погребенной почвы. В зависимости от положения относительно подошвы террикона на поверхности делювия (пролювия) присутствует или отсутствует маломощный дерновый (оторфованный) горизонт (до 2 см), под которым залегает слоистая толща перемещенного материала. Профиль погребенных почвы отличается от природных аналогов отсутствием карбонатных новообразований, включениями углистых частиц; гумусовые горизонты отличаются повышенной плотностью.

На участках периферийных частей шлейфов изучены черноземы выщелоченные (лугово-черноземные почвы) техногенно-трансформированные. Морфологические свойства почв характеризуются пониженной глубиной залегания карбонатных новообразований и присутствием углистых включений.

В ходе полевого этапа проведена паспортизация ключевых участков - терриконов и сопредельных к ним территорий, с последующим выбором наиболее репрезентативных из них для комплексных ландшафтно-геохимических обследований. Мониторинговые площадки закладывались с учетом основных групп элементарных ландшафтов по М.А. Глазовской (1964), характеризуя элювиальные, трансэлювиальные и супераквальные фации природных и техногенных ландшафтов, трансаккумулятивные и транссупераквальные фации природно-техногенных ландшафтов. Выбранные площадки были приурочены к различным зонам потока рассеяния техногенных веществ. Для каждой площадки проведены работы по характеристике состояния фитоценозов, описанию морфологических свойств почв и пород, полевому определению показателя ОВП in situ, отбору почвенных образцов

по генетическим горизонтам. С целью верификации результатов химических анализов проб почв, отобранных в опорных разрезах, проведено дополнительное бурение почвенных скважин, из которых отобраны образцы почвы с шагом 10 см.

В течение одного вегетационного периода на площадках проводились ежемесячные наблюдения за динамикой показателя биохимического окисления легко-гидролизуемых органических веществ (ЛГОВ). Дополнительно, в ходе полевого эксперимента изучено биохимическое окисление ЛГОВ в природных почвах в присутствии техногенных восстановленных веществ - угля и пирита. Для определения степени эолового переноса с поверхности террикона в марте 2010 года выполнена снегомерная съемка.

Глава 4. Система показателей для оценки окислительно-восстановительного состояния почв зоны влияния терриконов угольных шахт

Оценка окислительно-восстановительного состояния почв выполнена на основе предложенной автором системы показателей, структура которой сформирована, исходя из количественной оценки поступления техногенных восстановленных веществ в почвы, определения степени их потенциальной доступности к окислению и наиболее вероятной в природе окислительной способности. Данная система характеризует химическую и биохимическую составляющие окислительно-восстановительного состояния почв и включает как прямые, так и расчетные и интегральные показатели (рис. 1).

Химическое окислительное состояние определяется совокупностью окислительно-восстановительных реакций, протекающих в почвах. Основными маркерами процессов химического окисления в исследуемых объектах является соотношение окисленных и восстановленных форм углерода, железа и серы, что связано как со спецификой химического состава горных пород, слагающих терриконы, так и с химическими свойствами самих элементов.

Для оценки химического окислительного состояния предложены следующие показатели:

1. Показатель химического потребления кислорода (ХПК), характеризующий количество кислорода, затраченного на окисление восстановленных веществ при

взаимодеиствии почвы с сильным окислителем, и определяющий предельно возможную химическую окисляемость.

3 £ ? р

х С

Характеристика предельной химической окмсляеыости ! ХПК. мель О/кг почвы ' —

Характеристика содержания восстановленных форм элементов-маркеров

Железо Р«**, мгЯООгпочвы

ХР«1*-*«3*.

мг/100г почвы

—I Сера общи %

! Супь фат-ион ЭО^5",

• иг/100 г почвы

Углерод общий

! Углерод карбонатов ^ СаСОз. %

оюпь О/кг гочвы

жш ОЛп-

С)яа птвшйАМ млш в кпяй

апов) Ли«.*

■эль О/кг почвы

Интегральные характеристики окислительно-восстановительного состояния почв

ХПК

ГШ*10

Харккрмсмп яцившен фотепмя и иитвкивмости отс лпмьт-еоссяюипмыых реаицмй

Дол» окисленных форм серы Б-БО^/З^^. | И Допжвосстановлвннш форм железа Ге1*/! Гг^е3*. % I

5 5

« х £ о

I * 1 Б

а к 5 ° & I 5

х ю о

БПК, моль О/кг почвы

БПК

Ягаг

Бялоопеам |пкмга

ЛГОВ.мг ЛГОВ/сутеи

Рис. 1. Система показателей оценки окислительно-восстановительного состояния

почв

2. Показатели, отражающие поступление при угледобыче в природно-техногенные и техногенные ландшафты углерода, серы и железа: общее содержание элементов-маркеров - Собщ, 8общ, Реобщ, и содержание их восстановленных форм - Св0сс1, 8В0ССТ, Ревосст. На основании определения каждого из показателей рассчитывается сумма потенциально окисляемых восстановителей (£ПОВ).

3. Показатели, характеризующие направление протекания ОВ реакций и степень трансформационных (окислительных или восстановительных) преобразований: доля восстановленных форм железа и окисленных форм серы от их суммарного содержания.

4. В качестве интегральной характеристики ОВ состояния почв предложен показатель общей антиоксидантной емкости (ОАЕ), который отражает долю вос-

становленных веществ, способных к окислению под действием сильного, не встречающегося в природе окислителя (К2Сг207).

Для оценки биохимического окислительного состояния предложены два параметра, учитывающие механизмы окисления в природных условиях под действием кислорода и биологических процессов:

1. Интегральный показатель биохимической антиоксидантной емкости (БАЕ), рассчитываемый на основе измеренного параметра биологического потребления кислорода в почвах (БПК), предложенного автором. Определение параметра БПК основано на измерении величины растворенного кислорода в почвенной суспензии (1:2,5) сразу после ее приготовления и по истечении периода инкубации без доступа кислорода в течение 5 суток. По разнице величин содержания кислорода до и после инкубации вычисляется количество кислорода, которое считается затраченным на процессы биохимического окисления. Интегральный показатель биохимической антиоксидантной емкости показывает долю величины БПК в £ПОВ.

2. Показатель биохимического окисления легкогидролизуемых органических веществ (ЛГОВ), измеряемый в процессе полевого эксперимента. Показатель биохимического окисления ЛГОВ позволяет провести оценку интенсивности и особенностей сезонной динамики окислительных процессов в естественных условиях. Определение этого показателя основывается на применении метода оценки целлюлозолитической активности с использованием тест-объектов известной массы. Биохимическое окисление ЛГОВ рассчитывается по разнице масс тест-объектов до и после инкубации и выражается в массовой доле окисленного органического вещества за сутки от исходного его количества (мг/г ЛГОВ в сутки).

Верификация предлагаемой системы показателей, характеризующих химическую и биохимическую составляющую ОВ состояния почв, была проведена на основании лабораторных и полевых экспериментальных исследований.

Лабораторные экспериментальные исследования Целью лабораторного моделирования являлось изучение изменений ОВ свойств почв при внесении восстановленных органических (угля) и минеральных (пирита) компонентов, характерных для районов угледобычи, в различных гидротермических условиях. В ходе эксперимента проводились суточные наблюдения за динамикой показателей ОВП и рН (in situ, в почвенных колонках) при разных сочетаниях температуры и влажности. На 5-е, 10-е и 30-е сутки в каждом изучаемом варианте определялось: соотношение окисленных и восстановленных форм элементов, биохимическая антиоксидантная емкость и общая антиоксидантная емкость.

Анализ динамики показателя ОВП позволил установить, что наиболее интенсивно окислительные процессы проявляются в условиях естественной влажности; достоверных различий между условиями высоких и низких температур не выявлено. Степень проявления окислительных процессов увеличивается в ряду: смесь почвы и угля —» почва —> смесь почвы и пирита.

В условиях полной влагоемкости почвы отмечается тенденция к протеканию восстановительных процессов. Степень проявления восстановительных процессов в большей степени характерна для вариантов инкубации чистой почвы и смеси с пиритом при t=20°C.

Значения показателей потенциального биохимического и химического окислительного состояния показывают, что в вариантах с наибольшим содержанием органических восстановителей процессы биохимического окисления протекают с меньшей интенсивностью по сравнению с вариантами, содержащими минеральные восстановленные вещества.

Полевые экспериментальные исследования Целью полевого эксперимента стало изучение динамики биохимического окисления ЛГОВ в поверхностных горизонтах природных и природно-техногенных почв, а также в техногенных субстратах районов угледобычи.

Наблюдения осуществлялись на протяжении одного вегетационного периода (с апреля по ноябрь) на площадках, приуроченных к зонам потока рассеяния тех-

ногенных восстановленных веществ, расположенных в различных ландшафтно-геохимических условиях. Одновременно в почвы природных ландшафтов закладывались тест-объекты с нанесенными на них восстановленными органическими (уголь) и минеральными (пирит) компонентами; в качестве контроля использовался чистый тест-объект. Регистрация измерений выполнялась ежемесячно, всего было проведено 675 закладок (рис. 2).

Процесс биохимического окисления в почвах природных и природно-техногенных ландшафтов лучше всего выражен в условиях оптимума температуры и увлажнения - в мае-июне. Поверхностные горизонты природных почв отличаются большей степенью биохимического окисления ЛГОВ.

Наибольшие абсолютные значения характерны для гумусового горизонта лугово-черноземной почвы (6,8-28,1мг/г ЛГОВ в сутки), отличающегося более длительным периодом благоприятных гидротермических условий. В гумусовом горизонте чернозема выщелоченного диапазон значений составляет от 1,9 до 19,6 мг/г ЛГОВ в сутки.

Значения показателя в непочвенных образования и техногенных субстратах природно-техногенных ландшафтов ниже, что во многом определяется их свойствами, обеспечивающими условия функционирования микробоценоза: органическое вещество этих объектов преимущественно угольного происхождения, оно характеризуется специфическим набором структурных элементов, обеспечивающих его повышенную устойчивость к биохимическому окислению.

Для почв участков делювиальных и пролювиальных шлейфов интенсивность процесса биохимического окисления повышается по мере увеличения степени задернованности поверхности. Для непочвенных поверхностных образований на техногенном делювии, лишенных растительности, значения показателя составляют от 0,3 до 2,5 мг/г ЛГОВ, а для дерновых слаборазвитых почв - от 1,1 до 5,8 мг/г ЛГОВ в сутки. На незадернованных участках техногенного пролювия показатель биохимического окисления колеблется от 0,2 до 1,6 мг/г ЛГОВ в сутки, тогда как на слабо задернованных отмечается увеличение значений (3,4-16,4 мг/г ЛГОВ в сутки).

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Биохимическая

Общая антиоксидантная емкость,% антиоксидантная емкость, %

| менее 50 | 50-70 I более 70

менее 0,015 0,015-0,05 более 0,05

Динамика показателя биохимического окисления ЛГОВ в поверхностных горизонтах (мг/г ЛГОВ а сутки) I I апрель-май I I май-июнь I I июнь-июль _[ I I июль-август

I I август-сентябрь

:

^ площадки модельного полевого эксперимента ] здания и сооружения Й5: осиново-березовый лес заросли кустарника

ПОЧВЫ

АВТОМОРФНЫЕ ШДРОМОРФНЫЕ

ПРИРОДНЫЕ 1 В I Черноземы выщелоченные Г7 I Черноземы выщелоченные фунтово-глеееатые ( 9 | Л/гово-черноземные

ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫЕ !—г,—| Дерновые слабсраэвитые на техногенном 1 3 1 делювии, подстилаемом погребенными черноземами выщелоченными бескарбо+гёгньши РбП Черноземы выщелоченные техногенно-трансформироеанные I 4Л I Непочвенные поверхностные образования 1-1 на техногенном делювии I 1 I {р£пювии л^рйаеИ^млар1§ен'|№1миМ дерново-глеевыми почвами . . | Дерновые слаборазвитые оторфованные I с I на техногенном пролювии, подстилаемом погребенными лугово-черноземньши почвами | 5 ] Дерново-глеевые техногенно-трансформироеанные

ТЕХНОГЕННЫЕ Г~4 | Дерновые слаборазвитые на техногенном субстрате 1 11 I Техногенный субстрат

Номера соответствуют номерам контуров на почвенной карте

Динамика показателя биохимического окисления ЛГОВ в тест-объектах с внесением

Чернозем выщелоченный

техногенных восстановленных веществ

Лугоео-черноземная почва

июль-зегуст август-сентябрь 0 апрель-май май-июнь июнь-июль июль-август иуст-сентяСрь

I I чистые тест-объекты ЕЗ тест-объекты с внесением пирита I I тест-объекты с внесением угля

Рис. 2. Окислительно-восстановительное состояние почв одного из ключевых

участков

Дополнительное внесение восстановленных органических и минеральных компонентов в органический горизонт чернозема выщелоченного приводит к уменьшению выраженности биохимического окисления относительно чистых ана-

логов (18,6 мг/г ЛГОВ в сутки против 2,2 мг/г ЛГОВ в сутки). В лугово-черноземной почве биохимическое окисление в различных тест-объектах проявляется примерно одинаково.

Глава 5. Окислительно-восстановительное состояние почв в зоне влияния терриконов угольных шахт

В зоне влияния терриконов угольных шахт ПБУБ, в результате поступления в природные ландшафты восстановленных органических и минеральных соединений, формируются новые почвы, отличающиеся от природных по характеристикам общего ОВ состояния.

Для природных черноземов выщелоченных элювиальных и трансэлювиальных ландшафтов значения всех показателей, характеризующих ОВ состояние, выше в верхних горизонтах. Так, в гумусово-аккумулятивном горизонте (А) сумма потенциально окисляемых восстановителей достигает 10 моль О/кг почвы, в минеральных (В) уменьшается до 2 моль О/кг почвы; общая антиоксидантная емкость уменьшается с глубиной с 39 % до 26%; биохимическая антиоксидантная емкость - с 0,1% до 0,02%.

В природных лугово-черноземных почвах транссупераквальных ландшафтов сумма потенциально окисляемых восстановителей и общая антиоксидантная емкость выше, чем в черноземах выщелоченных, значения показателей уменьшаются с глубиной. Сумма потенциально окисляемых восстановителей в органоминераль-ных горизонтах лугово-черноземных почв составляет 15 моль О/кг, в минеральных горизонтах - 3 моль О/кг почвы; общая антиоксидантная емкость - 65% и 53%, соответственно. Распределение биохимической антиоксидантной емкости по профилю неоднородное, с выраженным максимумом в минеральном глеевом горизонте (0,4 % против 0,2 % в гумусовом глеевом горизонте). Большая способность к биохимическому окислению в минеральных глеевых горизонтах объясняется повышенным содержанием более доступных к микробиологическому окислению восстановленных форм железа.

Техногенные субстраты характеризуются высоким суммарным содержанием потенциально окисляемых восстановителей (10-30 моль О/кг почвы), с глуби-

18

ной их количество незначительно увеличивается. Общая антиоксидантная емкость высокая (80-95%), но неоднородная по профилю. Для всей толщи субстрата свойственны крайне низкие значения биохимической антиоксидантной емкости (до 0,003%). По показателям доли восстановленных форм железа и серы от их суммарного содержания проявляется вертикальная дифференциация толщи на верхнюю зону интенсивных окислительных процессов и нижнюю - постепенного затухания этих процессов.

Условия формирования почв природно-техногенных ландшафтов определили двучленное строение почвенного профиля - «техногенный делювий (пролювий) - погребенная почва», что обусловливает радиальную дифференциацию показателей ОВ состояния. Техногенные делювиальные и пролювиальные отложения состоят из материала, перемещенного с поверхности терриконов, и вследствие особенностей перераспределения, а также условий накопления, по ОВ состоянию отличаются от техногенных субстратов терриконов. Однако по сумме потенциально окисляемых восстановителей техногенные субстраты, техногенный делювий и пролювий различаются слабо (17-24 моль О/кг почвы), что обусловлено их близким вещественным составом. При этом общая антиоксидантная емкость в техногенном пролювии (67%) ниже по сравнению с техногенным делювием (88%) и техногенными субстратами (95%), что обусловлено активизацией окислительных процессов при перемещении материала терриконов.

Техногенные делювиальные, пролювиальные отложения и техногенные субстраты дифференцированы по биохимической антиоксидантной емкости, значения этого показателя увеличиваются в ряду техногенный субстрат (<0,001%) —* техногенный делювий (0,007%) —* техногенный пролювий (0,04%).

Погребение природных почв под толщей техногенных восстановленных веществ приводит к изменению характеристик их ОВ состояния. В погребенном черноземе выщелоченном, в отличие от природного аналога, отмечается увеличение суммы потенциально окисляемых восстановителей в 2,5 раза (в гумусово-аккумулятивном горизонте - 20 моль О/кг почвы, а в минеральных - 4-6 моль О/кг почвы). Это объясняется радиальной миграцией, обеспечивающей поступление

восстановленных веществ из наноса в погребенные почвы. Привнесение восстановленных веществ обусловливает увеличение общей антиоксидантной емкости в погребенных почвах в 2 раза (до 82-94%). Дополнительный привнос восстановленных веществ определяет затухание процессов биохимического окисления, что выражается в уменьшении биохимической антиоксидантной емкости в погребенном гумусовом горизонте в 2 раза (до 0,03%) по сравнению с природным аналогом; в погребенных минеральных горизонтах достоверных различий не выявлено.

В погребенных лугово-черноземных почвах увеличение суммы потенциально окисляемых восстановителей относительно природных аналогов не проявляется, что связано с меньшей выраженностью радиальных миграционных процессов в условиях влагонасыщения почв. Отсутствие дополнительного привноса обусловливает сопоставимость значений общей антиоксидантной емкости и биохимической антиоксидантной емкости по сравнению с фоновыми аналогами (73% и 0,15% в органоминеральном горизонте и 56% и 0,13% в минеральном горизонте, соответственно).

По результатам комплексного анализа с применением статистической обработки охарактеризована структура окислительно-восстановительного состояния изученных почв с выделением 6 типов ОВ состояния и построен модельный профиль (рис. 3). Установлено, что радиальная структура природных почв и техногенных субстратов однородна и представлена тремя различными типами (К, Ъ, \У). ОВ состояние погребенной под пролювиальными отложениями почвы (\У) аналогично лугово-черноземной почве. Техногенные пролювий и делювий, а также погребенные под делювиальными отложениями почвы характеризуются своими типами ОВ состояния (1, М, К), при этом отмечается сближение ОВ характеристик техногенного делювия и гумусового горизонта погребенного чернозема выщелоченного.

Характеристика окислительно-восстаноЕ ительного состояния

Природные ландшафты

Природно-техногенные ландшафты

Техногенные ландшафты

Дерновая слаборазвитая | Техногенный субстрат оторфованная на техногенном пролювии подстилаемом погребенной лугово-черноземной почвой

Природно-техногенные ландшафты

Природные ландшафты

Лугово-черноземная почва

Дерновая слаборазвитая на техногенном делювии подстилаемом погребенным черноземом выщелоченным _бескарбонатным_

Чернозем выщелоченный

Показатели ОВ состояния Интервалы значений

измерения Высокое Среднее Низкое

Общая антиоксидантная емкость (ОАЕ) % >70 50-70 <50

Биохимическая антиоксидантная емкость (БАЕ) % 0,015-0,05 <0,015

Сумма потенциально окисляемых восстановителей (1ПОВ) моль О >10 5-10 <5

в восет. моль О кг ПОЧВЫ >0.3 0,03-0,3 <0,03

Ре восст. ммоль О >6 0,6-6 <0,6

КГ ПОЧВЫ

обозначения

УУ(Ц, К, М, N. г) -тип

2„з - градации ОВ состояния по степени и

сочетанию выраженности О АР и БАР

I Градации ОВ состояния по степени и сочетанию выраженности ОАЕ и БАЕ |

Ш § БАЕ (%)

Отсутствует (0) | Низкая(1) | Средняя (2) | Высокая (3) |

Низкая(1) нет шйй® нет I

Средняя (2) Высокая (3} нет ^-ЬН-Н ш>-ж -3-2- нет Ж

Ад, А, В, Вд - генетические горизонты почв. [Ад], [А], [В], [Вд] - гспетачсскис горизонты ТП - шхногвнный пролювий ТД - техногенный делювий погребенных почв

Рис. 3. Окислительно-восстановительное состояние почв в зоне влияния терриконов угольных шахт

Выводы

Основными выводами проведенных исследований являются:

1. Для характеристики окислительно-восстановительного состояния почв районов угледобычи разработана и применена система показателей, учитывающая параметры химического и биохимического окислительного состояния. Оценка химического окислительно-восстановительного состояния основывается на прямом определении абсолютных величин поступления техногенных восстановленных веществ (элементов-маркеров) и соотношением их окисленных и восстановленных форм. Определение биохимического окислительно-восстановительного состояния проведено с использованием параметров, учитывающих механизмы окисления в естественных условиях под действием микробиологических процессов. В качестве прямого показателя биохимической окислительной способности впервые использован параметр биологического потребления кислорода в почвах (БПК).

2. Установлено, что степень биохимического окисления определяется ландшафт-но-геохимическими условиями функционирования микробоценоза, наличием органического вещества, доступного к биохимическому окислению и степенью техногенного воздействия. В почвах природно-техногенных ландшафтов биохимическое окисление протекает медленнее по сравнению с фоновыми участками, сезонный максимум биохимического окисления смещается на вторую половину вегетационного периода. Лабораторное моделирование показало, что для техногенных органических восстановленных соединений характерно более интенсивное химическое окисление и более низкое биохимическое окисление по сравнению с минеральными.

3. Окислительно-восстановительное состояние природных черноземов выщелоченных характеризуется низкой общей антиоксидантной емкостью (20-40%) и высокой (0,09%), уменьшающейся с глубиной до низкой (0,02%), биохимической антиоксидантной емкостью. Для лугово-черноземных почв свойственна средняя общая антиоксидантная емкость (50-65%) при высокой, характерной

для всего почвенного профиля, биохимической антиоксидантной емкости (0,20,4%).

4. Техногенные субстраты отличаются высокой общей антиоксидантной емкостью (80-95%) и очень низкой биохимической антиоксидантной емкостью (00,003%). Для всей толщи субстрата характерно высокое содержание восстановленных форм элементов-маркеров и суммарного содержания потенциально окисляемых восстановителей.

5. Для дерновых слаборазвитых почв, сформированных на техногенном делювии, характерна высокая обшая антиоксидантная емкость (80-90%), выраженная как в наносе, так и в горизонтах погребенной почвы. Значения биохимической антиоксидантной емкости в толще техногенного делювия низкие (0,001-0,02%), в погребенной почве они выше - 0,03-0,04%. По сумме потенциально окисляемых восстановителей выявлена конвергенция техногенного делювия и погребенного гумусово-аккумулятивного горизонта.

6. Техногенный пролювий и погребенные почвы характеризуются средней общей антиоксидантной емкостью (60-70%); биохимическая антиоксидантная емкость в наносах средняя (0,02%), а в погребенных почвах - высокая, сходная с природными аналогами.

7. На основе комплексного анализа полученных данных с применением статистической обработки выполнена типизация ОВ состояния почв районов угледобычи с выделением 6 типов, характеризующихся определенным сочетанием параметров химической и биохимической окислительной способности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных для опубликования основных результатов диссертации по сайту ВАК:

1. Шарапова, A.B. Особенности протекания процесса глееобразования при низких температурах / А.В Шарапова // Естественные и технические науки. - 2009. -№5 (43).-С. 210-214.

2. Шарапова, A.B. Биохимическое окисление легкогидролизуемых органических веществ как показатель окислительно-восстановительного состояния почв зоны влияния терриконов угольных шахт / A.B. Шарапова // - Мир науки, культуры, образования. - 2012. - №6 (37). - С. 526-530.

Публикации в других изданиях:

3. Шарапова, A.B. Влияние различных типов органических веществ на окислительно-восстановительные режимы почв / A.B. Шарапова // Материалы XIII Докучаевских молодежных чтений «Органо-минеральная матрица почв». -СПб.: Издательский дом С.-Петербургского государственного университета, 2010.-С. 49-50.

4. Шарапова, A.B. Окислительно-восстановительные системы почв в зоне влияния отвалов угольных шахт / A.B. Шарапова // Материалы Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов». - СПб.: Издательский дом С.-Петербургского государственного университета, 2011. - С. 186-187.

5. Шарапова, A.B. Моделирование динамики окислительно-восстановительных свойств почв в присутствии углеводородов / A.B. Шарапова // Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности: Материалы Международной научно-практической конференции, 18 мая 2011 г. - М.: Географический ф-т МГУ, 2011. - С. 115-120.

6. Шарапова, A.B. Биохимическое окисление легкогидролизуемых органических веществ в ландшафтах зоны влияния терриконов угольных шахт / A.B. Шарапова // Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской). Доклады Всероссийской научной конференции. Москва, 4-6 апреля 2012 г. -М.: Географический факультет МГУ. - С. 358-359.

Подписано в печать: 17.10.13 Заказ № 2845 Тираж: 100 экз.

Типография «ОПБ-Принт» ИНН 7715893757 107078, г. Москва, Мясницкий пр-д, д. 2/1 (495)777 33 14 www.opb-print.ni

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Шарапова, Анна Валерьевна, Москва

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Географический факультет

Шарапова Анна Валерьевна

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ СРЕДНЕРУССКОЙ ЛЕСОСТЕПИ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРРИКОНОВ

УГОЛЬНЫХ ШАХТ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия

ландшафтов

На правах рукописи

04201363586

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, доцент Кречетов Павел Петрович

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЧВАХ И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ......................................................................................8

1.1. Окислительно-восстановительные процессы в почвах..................................................8

1.2. Методы характеристики окислительно-восстановительных процессов.....................12

1.3. Методы оценки биологической активности почв как характеристики биохимической составляющей окислительно-восстановительных процессов.........16

1.4. Природные и техногенные аспекты окислительно-восстановительной трансформации соединений углерода, железа и серы.................................................21

ГЛАВА 2. ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛАНДШАФТОВ В РАЙОНАХ УГЛЕДОБЫЧИ......39

2.1. Влияние угледобычи на состояние природной среды..................................................39

2.2. Развитие терриконов как фактор трансформации ландшафтов в районах угледобычи (на примере Подмосковного буроугольного бассейна)..........................41

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ.......................................................................................52

3.1. Физико-географическая характеристика района работ................................................52

3.2.Объекты исследований.....................................................................................................68

3.3. Методика полевого этапа исследований........................................................................78

ГЛАВА 4. СИСТЕМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ТЕРРИКОНОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ....................................................................................84

4.1. Система показателей оценки окислительно-восстановительного состояния

почв...................................................................................................................................84

4.2. Лабораторные экспериментальные исследования........................................................91

4.3. Полевые экспериментальные исследования................................................................101

ГЛАВА 5. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРРИКОНОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ............................................111

5.1. Радиальное распределение показателей окислительно-восстановительного состояния почв...............................................................................................................111

5.2. Пространственное распределение характеристик окислительно-восстановительного состояния поверхностных горизонтов почв зоны влияния терриконов угольных шахт (на примере участка «Шахта Комсомольская»)..........130

5.3. Типы окислительно-восстановительного состояния почв зоны влияния терриконов угольных шахт...........................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................................140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................................157

Приложение А. БЛАНКИ ОПИСАНИЯ МОНИТОРИНГОВЫХ ТОЧЕК.......................158

Приложение Б. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ ЛАНДШАФТОВ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ТЕРРИТОКОНОВ

УГОЛЬНЫХ ШАХТ..................................................................................162

Приложение В. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ ТЕРРИКОНОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ЦЕНТРАЛЬНОГО РАЙОНА ПОДМОСКОВНОГО БУРОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА.............................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Россия - один из мировых лидеров угледобычи, однако добыча бурого угля, особенно шахтным способом, в последние полвека в нашей стране постоянно сокращается. При этом закрытие шахт, при отсутствии государственной заинтересованности и поддержки, не сопровождается должными мероприятиями по рекультивации затронутых угледобычей территорий.

Важным аспектом технологии добычи угля является формирование на поверхности Земли отвалов и терриконов вскрышных и вмещающих пород, содержащих большое количество химически активных восстановленных веществ (Состояние..., 2002, Куприн, 2010, Герасимова, 2009, Проскурня, 2000, Максимавич, 1997). С течением времени изъятые и складированные на земной поверхности горные массы под действием экзогенных процессов трансформируются.

Все это приводит к изменению природных ландшафтно-геохимических условий и формированию новых техногенных геохимических структур. В основе изменений лежит ландшафтно-геохимический процесс, обусловленный окислительной трансформацией восстановленных веществ. Направление и степень выраженности трансформации обусловлены природными условиями конкретных территорий, однако попадая в природные системы, сами техногенные вещества оказывают влияние на протекание природных геохимических процессов и способствуют формированию новых типов элементарных техногенных ландшафтов. Такие техногенные образования достаточно широко распространены в лесостепной зоне Тульской области и приурочены к территории Подмосковного буроугольного бассейна (ПБУБ).

Интенсивное освоение ПБУБ началось в 30-е годы XX века и было обусловлено расположением этого месторождения в плотно населенном центре России, где сосредоточено множество крупных городов с развитой промышленностью. Максимальные объемы добычи были достигнуты в

50-60-е годы, однако в 90-е годы практически все угледобывающие предприятия Тульской области были закрыты. Всего за время добычи угля в Подмосковном буроугольном бассейне действовало около 180 шахт, было добыто свыше 1,2 млрд. т угля. Рядом с шахтами формировались терриконы, как правило, конической формы. Образование терриконов, а также последующая их денудация привела к изъятию в Тульской области около 1 ООО га. пахотных земель. В большинстве случаев рекультивация отвалов не осуществлялась, и в настоящее время они развиваются в соответствии с внешними условиями. В каждом из терриконов содержится от 300 до 600 тыс. мЗ токсичных кислых пиритсодержащих промышленных отходов; общий объем углесодержащих горных пород в терриконах достигает 100 млн. м3.

Актуальность проведенных исследований определяется необходимостью комплексной характеристики окислительно-восстановительного (ОВ) состояния техногенно-трансформированных почв в районах угледобычи с учетом как химических, так и биохимических процессов для прогноза изменения ландшафтов в будущем.

Целью работы является оценка окислительно-восстановительного состояния почв природных и природно-техногенных ландшафтов в зоне влияния терриконов угольных шахт Подмосковного буроугольного бассейна Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и верификация системы химических и биохимических показателей для оценки окислительно-восстановительного состояния почв районов угледобычи.

2. Оценка изменения окислительно-восстановительного состояния природных почв под воздействием техногенных восстановленных веществ.

3. Характеристика типов окислительно-восстановительного состояния почв в зоне влияния терриконов угольных шахт.

Материалы и методы исследований. Объектом диссертационного исследования являются почвы природных, природно-техногенных и техногенных ландшафтов зоны влияния терриконов буроугольных шахт, приуроченные к центральному району ПБУБ (Новомосковский район Тульской области). В работе применен комплекс методов, включающий в себя полевые исследования, химический анализ, статистическую обработку данных, экспериментальное полевое и лабораторное моделирование, ГИС-анализ. Диссертант самостоятельно провел весь комплекс полевых и лабораторных исследований по теме работы. Полевые работы выполнены в период 2008-2012гг.

В общей сложности было отобрано 50 проб снежного покрова, 10 проб поверхностных вод и 977 проб почвы. Заложено 15 площадок, на которых проводились почвенно-геоботанические описания и проведены полевые эксперименты. Химико-аналитические исследования выполнены на географическом факультете МГУ имени М. В Ломоносова.

Для визуализации результатов исследований построен сводный ландшафтно-геохимический профиль, отражающий модельную структуру ландшафтов по окислительно-восстановительному состоянию почв зоны влияния терриконов угольных шахт, который дополнен серией картограмм одного из ключевых участков.

Научная новизна. В работе решена важная для геохимии ландшафтов научная задача - выявлена дифференциация почвенного покрова Среднерусской лесостепи в зоне влияния терриконов угольных шахт по химическому и биохимическому окислительному состоянию. Охарактеризованы типы ОВ состояния природных и природно-техногенных почв и построен модельный ландшафтный профиль территории. Впервые для характеристики ОВ состояния почв применен комплексный подход, основанный на использовании системы количественных показателей, отражающих химическую и биохимическую природу процессов окисления. Предложен новый интегральный показатель биохимической окислительной

способности почв, основанный на определении параметра биологического потребления кислорода.

Защищаемые положения:

1. Окислительно-восстановительное состояние почв определяется не только соотношением окисленных и восстановленных форм химических элементов, но и уровнем биологической активности почв. Для его характеристики необходимо использование комплексной системы показателей, включающей параметры химической и биохимической окислительной способности.

2.Биохимическое окисление в почвах с привнесенными техногенными восстановленными веществами протекает медленнее, чем в природных почвах. Техногенные минеральные восстановленные соединения в большей степени доступны к биохимическому окислению, чем органические.

3.В почвенном покрове районов угледобычи Среднерусской лесостепи выделяется 6 типов ОВ состояния, отличающихся интенсивностью и направлением протекания ОВ процессов.

Практическая значимость состоит в возможности применения разработанных методов для оценки степени интенсивности окислительных процессов в почвах в зонах различных техногенных воздействий с целью оценки эволюции ландшафтов. Исследования выполнялись в рамках научно-исследовательских работ географического факультета по теме «Геохимия окружающей среды» (№ госрегистрации: 01201154403). Материалы работы включены в научно-технический отчет «Разработка научно-методических основ оценки эколого-геохимической устойчивости ландшафтов к техногенному воздействию» (по соглашению с Минобрнауки №8673, 2012).

Апробация работы, публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ: 2 статьи в журналах списка ВАК, 4 тезисов докладов и материалов конференций.

Основные положения работы обсуждались на Всероссийской научной конференции XIII Докучаевские молодежные чтения «Органо-минеральная матрица почв», (Санкт-Петербург, 2010.), Всероссийской научной

конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург 2011гг.), Международной научно-практической конференции «Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности» (Москва, 2011), Всероссийской научной конференции «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)» (Москва, 2012).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Работа изложена на 167 страницах, иллюстрирована 6 таблицами и 36 рисунками. Список литературы включает 192 источника, из них 167 отечественных и 25 зарубежных работ, в том числе 2 электронных ресурса.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе над диссертацией научному руководителю кандидату биологических наук, доценту Павлу Петровичу Кречетову, сотрудникам кафедры геохимии ландшафтов и географии почв О.В.Черницовой, Т.В.Королевой, Т.М.Диановой, А.Н.Филаретовой, И.Н.Семенкову, Е.Б.Двуреченской, Т.В.Ронжиной.

ГЛАВА 1. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЧВАХ И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ

Добыча бурого угля сопровождается поступлением на поверхность Земли больших объемов пород, содержащих восстановленное органическое вещество литогенного происхождения (уголь), а также восстановленные сульфидные минералы (главным образом, пирит и марказит), в состав которых входит сера и железо. Под действием кислорода воздуха и поверхностных вод происходит активное окисление восстановленных веществ, что приводит к изменению окислительно-восстановительного состояния природных почв в районах угледобычи и к формированию новых природно-техногенных ландшафтов. При этом характер протекания ландшафтно-геохимических процессов обусловлен не только химическим составом субстратов, но и природными (географическими) особенностями территорий, на которых протекают эти процессы.

Большая часть окислительно-восстановительных реакций в почвах имеет биохимическую природу. В естественных условиях все химические преобразования соединений углерода, серы, железа происходят с участием микроорганизмов (главным образом, бактерий), деятельность которых, в свою очередь, обусловлена целым рядом природных факторов. Катализаторами реакций служат ферменты - белковые соединения, поступающие в почву из остатков отмерших организмов, а также выделяемые бактериями и корневой системой растений. Таким образом, содержащиеся в породах отвалов и терриконов вещества включаются в биогеохимические циклы углерода, серы и железа.

1.1. Окислительно-восстановительные процессы в почвах

Первые публикации, посвященные окислительно-восстановительным процессам в почвах, появились в отечественной науке в начале 30-х годов, и связаны, прежде всего, с именами Н.П. Ремезова и М.М. Кононовой (Ремезов, 1931; Кононова, 1951). Большой вклад в изучение этого вопроса

внесли И.П. Сердобольский, С.П. Ярков, И.С. Кауричев, Д.С. Орлов, В.И. Савич с коллегами, Ф.Р. Зайдельман (Сердобольский, 1951, 1960; Ярков, 1961; Кауричев, Орлов, 1982; Савич и др., 1999, Агрономическая оценка..., 2008, Зайдельман., 1974,1992,1998).

Почва представляет собой сложную окислительно-восстановительную (OB) систему, в которой широко развиты различные окислительно-восстановительные процессы. A.A. Роде (1976) относит эти процессы к почвообразовательным микропроцессам превращения вещества и энергии, участвующим в формировании генетического профиля почв и почвенного плодородия. Из окислительно-восстановительных процессов, протекающих в почве, ведущую роль играют преобразование соединений марганца, серы, железа, органических соединений, а также микробиологические процессы с участием минеральных и органических соединений почвы (Савич и др., 1999).

Окислительно-восстановительные процессы — это комплекс всех реакций окисления и восстановления в почве, зависящих от внешних факторов. Совокупность OB процессов в почве в конкретный момент времени рассматривается как окислительно-восстановительное состояние почвы. Основными условиями, определяющими окислительно-восстановительное состояние почв, являются условия увлажнения, режимы аэрации, количество и свойства органического вещества, наличие минеральных веществ, способных к окислению и восстановлению, а также температурные условия (Кауричев, Орлов, 1982).

В почве содержится некоторое количество химических элементов с переменной валентностью, которые в определенных условиях способны отдавать или присоединять электроны, образуя тем самым окислительно-восстановительные пары (например, Fe3+ - Fe2+; Mn2+ - Mn2+; S6+ - S2~; N5+ -N3+). Такие пары носят название элементарных окислительно-восстановительных систем. Мерой способности химического элемента или химического соединения присоединять электроны (восстанавливаться) либо

отдавать электроны (окисляться) является окислительно-восстановительный потенциал. В ОВ реакциях участвуют также органические вещества, находящиеся в почве.

Совокупность взаимосвязанных минеральных и органических компонентов почвы, способных к окислению или восстановлению, определяют как окислительно-восстановительные системы почв. Такие системы обладают свойствами, нехарактерными для каждого из компонентов ОВ системы в отдельности. В каждой ОВ системе есть преобладающие в количественном отношении окисленные и восстановленные формы, которые носят название потенциал-определяющей системы (Сердобольский, 1960; Кауричев, Орлов, 1982). Основной окислитель в почве - это молекулярный кислород почвенного воздуха и почвенного раствора; основные восстановители - продукты анаэробного распада органического вещества и жизнедеятельности микроорганизмов.

Под окисли�