Особенности генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов (полигонов ТБО) Нижнего Дона

Невидомская, Дина Георгиевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Особенности генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов (полигонов ТБО) Нижнего Дона
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Особенности генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов (полигонов ТБО) Нижнего Дона"

На правах рукописи

II-^

Невидомская Дина Георгиевна

ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕЗИСА ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ (ПОЛИГОНОВ ТБО) НИЖНЕГО ДОНА

03.00.27 - почвоведение 03.00.16-экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Ростов-на-Дону - 2005

Работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии биолого-почвенного факультета Ростовского государственного университета

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Безуглова О.С.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Вальков В.Ф.

кандидат химических наук, профессор Лозановская И.Н.

Ведущая организация:

Ростовский государственный строительный университет

Защита состоится «16» декабря 2005 года в 13й часов на заседании Диссертационного совета Д 212.208.16 по биологическим наукам при Ростовском государственном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, РГУ, биолого-почвенный факультет, ауд. 205).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).

Автореферат разослан «16» ноября 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доцент

Кравцова Н.Е.

АЗМо

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Многомиллионные генерации твердых бытовых отходов (ТБО), ежегодно образующиеся во всех населенных пунктах страны, неизбежно требуют дальнейших действий по их удалению и утилизации. В России подавляющее количество ТБО (до 97 %) все еще продолжают вывозить на свалки. Согласно материалам Киотского протокола об изменении климата подписанного в декабре 1997 г., метан мест захоронений ТБО внесен в реестр основных антропогенных источников выбросов парниковых газов планеты. По проведенной в середине девяностых годов оценке Межправительственной комиссии по изменению климата (1РСС) свалки России ежегодно выбрасывают в атмосферу 1.1 млн. т метана, что составляет примерно 2.5 % от антропогенного планетарного потока. Очень часто, выбирая участок под полигон ТБО, руководствуются экономией средств, игнорируя роль геологических условий и геоэкологически обоснованные концепции захоронения отходов. Это является причиной резкого ухудшения экологического состояния природной среды при эксплуатации полигонов ТБО.

Образование и функционирование полигонов ТБО сопряжено со значительными нарушениями, вызывающими перестройку в системе почвообразующие процессы «-» свойства почвы. Почва, как известно, выполняет целый ряд важнейших экологических функций, и трансформации в этой системе чреваты нарушениями в сопредельных средах, однако исследования по этой проблеме практически отсутствуют. Таким образом, необходимость изучения особенностей генезиса почв полигонов ТБО, обусловлена как теоретической и практической значимостью проблемы, так и отсутствием данных, позволяющих систематизировать и прогнозировать изменения, возникающие в почве при техногенном воздействии данного вида.

Цель и задачи исследования. Целью исследований было выявление особенностей генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов полигонов ТБО Нижнего Дона.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- дать сравнительную характеристику почв техногенно-преобразованных ландшафтов полигонов ТБО и целинного зонального аналога;

- изучить изменения физико-химических свойств, преобразование морфологических признаков на макро-, мезо-, микро- и субмикроморфологическом уровнях в техногенных почвах территорий полигонов ТБО;

- исследовать характер распределения минеральной составляющей тонкодисперсных фракций и компонентов органического вещества по профилям техногенно-нарушенных почв территорий полигонов ТБО;

- соотнести некоторые показатели биологической активности техногенных почв в связи с загрязнением ландшафтов полигонов ТБО;

- выявить приоритетные негативные процессы, воздействующие на экологическое состояние почв территорий полигонов ТБО;

Положения, выносимые на защиту:

1. В обстановке технопедогенеза проявление типичных элементарных почвообразовательных процессов, присущих черноземам обыкновенным карбонатным (североприазовским), становится рецессивным, и начинают доминировать процессы, формирующие облик почв территорий полигонов ТБО.

2. Комплекс определенных физико-морфологических параметров (структурное состояние, плотность, пористость почв, строение почвенного профиля, новообра-

РОС. НАЦИОНАЛЬНА ' БИБЛИОТЕКА

зования и включения), целесообразно использовать как базовые показатели тех-нопедогенеза, лимитирующие выполнение почвами основных экологических функций: аккумуляционной, средообразующей, регуляторной и протекторной.

3. Избирательная реакция ферментов различных классов на эффект загрязнения (активизация оксидоредуктаз - на примере каталазы и угнетение гидролаз - на примере инвертазы) может использоваться в целях мониторинга.

4. Для почв техногенно-преобразованных ландшафтов характерны следующие основные процессы: переуплотнение; технотурбация; подтопление; загрязнение антропогенными включениями в результате захламления и делювиального прив-носа с аккумулятивного антропогенного ландшафта в виде «тела» свалки; проявление редоксиморфизма под воздействием биогаза из «тела» свалки на материал реплантанта.

5. Формирование специфических морфотипов почвенных профилей территорий полигонов ТБО связано с доминирующим видом воздействия, оказываемого на их почвенный покров.

Научная новизна исследования. Впервые для степной зоны, базируясь на комплексном подходе, проанализирован генезис почв полигонов ТБО. Выявлены основные воздействия, оказываемые на почвенный покров территорий полигонов ТБО, и комплексы элементарных почвообразующих процессов, формирующих почвенный профиль данных техногенных почв. На основании подробного морфологического анализа определен вклад отдельных процессов в преобразование почвенной массы. Дана сравнительная характеристика физико-химических свойств, органической и минеральной составляющих в ряду: зональная естественная почва —► действующий полигон ТБО —► рекультивированный полигон ТБО. Обозначены основные механизмы саморегенерации для техногенно-нарушенных почв законсервированных свалок. Проанализировано воздействие загрязнения на биологические свойства почв территорий полигонов ТБО.

Практическая значимость исследования. Полученные результаты дают представление о составе и свойствах почв, находящихся под воздействием таких специфических техногенных объектов как полигоны ТБО. Они могут служить основой для прогнозирования изменений в почвообразовании под воздействием данного антропогенного фактора и/или при смене обстановки под влиянием первичного почвообразовательного процесса (в случае рекультивации). Полученные материалы могут быть использованы при разработке вопросов классификации, диагностики, оценки экологического состояния почв, рекультивации, а также непосредственно использоваться жилищно-коммунальными, природоохранными, производственными, научными и научно-исследовательскими организациями. Результаты исследований используются в учебном процессе при преподавании курсов «Почвоведение», «Почвенно-экологический мониторинг» и «Классификация почв» на кафедре почвоведения и агрохимии РГУ.

Данная работа была поддержана двумя именными грантами ФЦП «Интеграция» в 2001 и 2003 гг. (проекты №№ 80 и 3 3226/2259).

ным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002); Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2002, 2005); Всероссийской научной конференции Докучаевских молодежных чтений «Город. Почва. Экология» (Санкт-Петербург, 2003); 7 Путинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века»; Международной научной конференции «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов» (Казань, 2003); Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003); 2-й Международной конференции по почвам городских, промышленных и техногенных территорий «Soils of Urban, Industrial, Traffic and Mining Areas». SUITMA. (Нанси, Франция, 2003); IV съезде Доку-чаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004); Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы, общим объемом 1,37 п.л., личный вклад - 75 %.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, включает 16 таблиц, 21 рисунок и 16 приложений. Список литературы включает 180 наименований, в том числе 160 - отечественных и 20 - зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы

Представлен обзор отечественной и зарубежной литературы, касающейся изучения полигонов ТБО. Рассмотрено их техногенное воздействие на экосистему города. Обсуждаются вопросы организации и функционирования полигонов ТБО, морфологический, химический и фазовый состав ТБО, возможные способы обращения с ТБО, воздействия, оказываемые полигонами ТБО на почвенный покров прилегающих территорий, механизм формирования своеобразных свалочных процессов на полигонах ТБО, негативные процессы, возникающие в результате функционирования полигонов ТБО, основные этапы рекультивации полигонов ТБО. Рассмотрены некоторые аспекты классификации почв техногенных ландшафтов полигонов ТБО.

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Природная характеристика исследуемой территории

Географически район проведения исследований относится к территории Нижнего Дона. Исследуемые почвы относятся к Приазовско-Предкавказской почвенной провинции черноземов обыкновенных теплых кратковременно промерзающих южноевропейской фации (в классификациях 30-60-х гг. - черноземы североприазовские). По современной классификации (2004) они относятся к подтипу черноземов мигра-ционно-сегрегационных. Преобладающая их часть сформировалась на карбонатных лессовидных глинах и суглинках, в связи, с чем почвы имеют тяжелосуглинистый и глинистый гранулометрический состав.

2.2. Объекты исследования

Для изучения генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов - полигонов ТБО, были выбраны два полигона ТБО г. Ростова-на-Дону и два полигона ТБО ближайших городов-спутников Ростова-на-Дону: г. Аксая и г. Батайска. Было заложено 12 разрезов и прикопок в 2000 и в 2003 гг., при этом выбор мест закладки профилей

обуславливался их расположением относительно основных ландшафтно-геохимических зон, а также учитывалась удаленность от «тела» свалки. Расположение полигонов ТБО показано на рисунке 1. Диагностику техногенно-преобразованных почв проводили с использованием номенклатуры «Классификация и диагностика почв России» (2004) и пособия «Антропогенные почвы» (Герасимова и др., 2003). Полигон ТБО «Западный» является единственным функционирующим полигоном г. Ростова-на-Дону. Площадь полигона около 30 га, максимальный объем поступающих отходов 3000-5000 м3/сутки. Производственная мощность полигона ТБО согласно проекту - 1355.5 тыс. тонн. На полигоне функционирует специализи-

Свапка «Северная» (законсервирована в 1993 году) - пример неудачного размещения на неподготовленной площадке: в долине Безымянного ручья - западного притока реки Темерник, представляет собой пример грубейших нарушений природоохранного законодательства при эксплуатации и консервации свалки. До 1993 года принималось не более 3000-3500 м3 мусора в сутки, что за год составляло 1.3 млн. м3 ТБО. Объект функционировал в течение 10 лет, следовательно, здесь может быть захоронено 10-15 млн. м3 бытовых и прочих отходов. Действующий полигон ТБО «Ак-сайский» - эксплуатируется с 1996 года, расположен в границах СПК «Аксайское» Аксайского района Ростовской области. Для организации полигона был отведен земельный участок площадью 10 га. Проектный срок эксплуатации объекта - 5 лет. На сегодняшний день поли-Рис. 1. Географйчеоюе положение объектов гон исчерпал свои ресурсы, однако, исследования до настоящего времени эксплуати-

руется. Производственная мощность согласно проекту, составляет 93.57 тыс. м3. Объем размещенных отходов с момента эксплуатации объекта и на момент исследования составил 285.0 тыс. м3, т.е. в 3 раза превышен норматив. Захоронение отходов на территории полигона производится по траншейной схеме. Действующий полигон ТБО «Батайский» расположен на южной окраине г. Батайска в выработанном глиняном карьере кирпичного завода. Полигон эксплуатируется с 1999 года. Планируемый срок эксплуатации полигона 15 лет. Производственная мощность полигона согласно проекту, составляет 63.9 тыс. м3/год. Общая площадь полигона вместе с хоздвором - 4.5 га. На полигоне находится установка по первичной сепарации стеклобоя. Полигон принят в эксплуатацию с недоделками.

рованная мониторинговая сеть скважин.

2.3. Характеристика эталонного участка - заповедника «Персиановская

степь»

Заповедный участок степи расположен в Октябрьском районе Ростовской области на территории учебно-опытного хозяйства «Донское» Донского государственного аграрного университета. Площадь - 66 га. Государственный памятник местного значения с режимом заповедника. Почвы - черноземы обыкновенные карбонатные на лессовидных суглинках и глинах. А.П. Балаш (1960) относит Персиановскую заповедную степь к ксерофитному (разнотравно-типчаково-ковыльному) варианту приазовских степей, который характеризуется присутствием в травостое ряда видов разнотравья, свойственных злаковым степям.

2.4. Методы исследования

Выполнение ряда общих химических, физических и биологических анализов почвенных образцов проводили общепринятыми классическими и гостированными методами. Качественный состав гумуса определяли по схеме И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой (Агрохимические .., 1975). Элементный анализ выделенных препаратов гуминовых кислот (Орлов и др., 1969) был выполнен на С,Н,М-анализаторе фирмы «Perkin Elmer» модель 2400. Мезоморфологическое изучение образцов ненарушенного сложения проводили под бинокуляром МБС-10. В ходе мезоморфологического описания были отобраны и изготовлены препараты для изучения субмикроморфологии под сканирующим электронным микроскопом JEOL jsm - 35 CF. Исследования на микроморфологическом уровне проводили в прозрачных шлифах ненарушенного сложения с помощью поляризационного микроскопа Polam-113 (Каздым и др., 1998). Морфологические исследования выполнены автором в рамках стажировки на кафедре географии почв Московского госуниверситета под руководством профессора М.Н. Строгановой и доцента Т.В. Прокофьевой С целью определения минералогического состава слоистых силикатов, из генетических горизонтов почв были выделены тонкодисперсные фракции (Горбунов, 1972). В качестве основного метода минералогического исследования использовали рентген-дифрактометрию (Возбуцкая, 1968; Орлов, 1985). Анализ минералогического состава почв был выполнен автором в ходе стажировки на кафедре химии почв Московского госуниверситета под руководством профессора Т.А. Соколовой.

Глава 3. Морфологические и физические свойства черноземных почв, измененных воздействием техногенной деятельности на полигонах ТБО

3.1. Макроморфологический (полевой) и мезоморфологический этапы

исследования

Почвенный профиль целинного чернозема характеризуется многопорядковой структурой, высокой агрегированностью почвенной массы, высокой порозностью, зоогенной переработанностью почвенного материала, постепенным характером переходов между горизонтами. Профили техногенно-преобразованных почв характеризуются нарушенностью: появляются новые напластования, в ряде случаев отмечено скальпирование, технотурбационные явления, встречаются признаки, обусловленные вторичным гидроморфизмом. Техногенное переуплотнение приводит к изменению структуры почвенных горизонтов в сторону слоеватости и формированию крупнопластинчатых отдельностей. При этом агрегатный материал неоднородный, состоящий из двух типов фрагментов: струйчатые желтовато-бурые фрагменты с карбонатными

прожилками и прессованной белоглазкой в виде «осколков» сочетаются с темно-серыми прогумусированными фрагментами, содержащими антропогенные включения (гранитный щебень, обломки кирпича, кусочки полиэтилена и другой бытовой мусор). Граница между фрагментами резкая, являющаяся следствием перемешивания материала почвенных горизонтов с грунтом, и последующего переуплотнения, сопровождающегося уменьшением видимой порозности.

3.2. Микростроение и состав естественной и техногенно-преобразованных

почв

Глинисто-гумусовый состав плазмы верхних горизонтов целинного чернозема сменяется в нижних горизонтах на глинисто-карбонатный. Скелет представлен пыле-ватыми частицами хорошо отмытых зерен силикатов: кварц, полевые шпаты (ортоклазы), гидрослюды (мусковит), единично встречаются актинолит, эпидот, гранат. В гумусово-аккумулятивном горизонте целинной почвы преобладает биогенная агреги-рованность и губчатое сложение почвенной массы; присутствуют внутриагрегатные и межагрегатные поры-трещины, в которых располагаются многочисленные органические остатки разной степени трансформации. Органическое вещество находится в скоагулированном состоянии (рис. 2а).

Характер техногенной слоеватой структуры хорошо выражен и на микроуровне. Деградация микростроения, характерная для техногенно-преобразованных почв, проявляется в составе плазмы, определяя тем самым мозаичный характер микрофрагментов с преимущественно гумусовыми, железистыми и карбонатными участками. В составе гумусовых микрофрагментов присутствует высокодисперсное органическое вещество в виде темных бурых глобул, прокрашенных железом (рис. 26). По сравнению с целинным черноземом в техноземах чаще встречаются терригенные зерна первичных минералов (кварца, микроклина, мусковита, рутила, эпидота, хлоритизиро-ванной роговой обманки) песчаной размерности. В насыпных техногенных горизонтах выделяется как более темноцветный аутигенный кальцит, так и светлые зерна терригенно привнесенного кальцита, рассыпанные по поверхности агрегатов. Твердые включения в плазму техногенных почв представляют собой артефакты - микрокусочки гранитного щебня (рис. 2в), кирпича во внутрипедной массе и т.д.

Рис. 2. Микроморфологическое строение целинной (а) и техногенных почв (б, в)

Микрозернистый кальцит первичной белоглазки в техногенных горизонтах подвергается процессу перекристаллизации с образованием в составе белоглазки более крупных кальцитовых кристаллов, обладающих правильными идиоморфными очертаниями (рис. За). Данное явление объясняется сменой внутрипочвенных условий, обусловленной дополнительным увлажнением, что приводит к мобилизации и сегрегации рассеянного карбонатного материала и к более интенсивному развитию процессов кристаллизации. Наличие в порах наряду с микрокристаллическим кальцитом

генераций люблинита свидетельствует о различии условий и неодновременности их образования (Хапчева, 1966).

На большинстве изучаемых объектов нами диагностировались признаки локального подтопления территорий. Главной причиной выступает тот факт, что размещение полигонов ТБО приурочено к долинам рек, балкам, где обычно проходят естественные пути миграции водных потоков. При строительстве и функционировании полигонов ТБО изменяется гидродинамический режим фунтов, как результат, образуются локальные зоны подтопления, в почвенных горизонтах обособляется зона гидрогенной аккумуляции веществ. Наблюдается снижение окислительно-восстановительного потенциала, накопление органических и минеральных восстановителей. Уменьшение валентности железа и марганца и их миграция способствует хемогенному выделению оксидов этих металлов в виде пленок (рис. 36). Габитус пленки имеет ажурный, сетчатый характер образования, по всей видимости, скрыток-ристаллической природы и определяет соотношение железа и марганца.

Рис. 3. Растровая электронная микроскопия техногенно-нарушенных почв полигонов ТБО

В пелоземе гумусовом глеевом, подстилаемом бытовыми отходами (прикопка 008) складываются такие условия, при которых восстанавливающие свойства внутренней среды «тела» свалки влияют на слои реплантанта, в результате чего формируются железисто-марганцевые сегрегационные новообразования в виде микроконкреций (рис. Зв).

3.3. Изменение структурного состояния почв полигонов ТБО и примыкающих к ним территорий

Сравнительное изучение структурного состояния техногенно-нарушенных почв полигонов ТБО и целинного черноземного аналога показало, что содержание агрономически ценных агрегатов уменьшается до значений 3.6-11.9 % в разрезах 001, 003 «Западного» (рис. 4) и «Аксайского» (прикопка 03/1) полигонов ТБО. Для сравнения-наименьшее содержание агрономически ценных агрегатов целинного разреза (разрез 000) составляет 62.6 %. В разрезах «Северной» свалки (005, 006, 007) доля агрономически ценных агрегатов увеличивается, а сами значения находятся в широких пределах от 17.9 % до 90.6 % (рис. 4). Это связано с тем, что на законсервированной территории свалки идет активная саморегенерация почвенно-растительного покрова путем самозарастания и возобновление дернового процесса - ведущего почвообразовательного процесса зональных почв. При «мокром» просеивании разукрупняются агрегаты крупнее 5 мм и агрегаты размером 1-5 мм, количество которых уменьшается. Вместе

с тем отрицательной тенденцией является увеличение фракции менее 0.25 мм (в среднем до 30-40 %).

Чернозем обыкновенный карбонатный мощный сред- Техно-чернозем гндрометаморфизированный насы-негумусный легкоглинистый на карбонатной лессо- щенный карбонатсодержащий (разрез 001)

видной глине. Целина (разрез ООО)

О I» 39 70 92 КО 0 10 31 7S 9« И7

Технозем черноземовидный дерново-намьгтый насыщенный карбонатсодержащий глубокотурбиро-ванный оглеенный (разрез 003)

Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на тяжелом лессовидном суглинке (разрез 003)

100Н

lim

бон «%

зон

Техно-чернозем насыщенный карбонатсодержащий турбироваиный (прикопка 006)

Технозем черноземовидный дерново-намытый насыщенный карбонатсодержащий глубокотурбированный (разрез 007)

■ дом агрегатов >10 мм и <0 25 мм О лом ценных «гратп» 0 25 - 10 мм

Рис. 4. Доля агрономически ценных агрегатов в целинной и техногенно-преобразованных почвах (по результатам «сухого» просеивания)

3.4. Изменения водно-физических показателей техногенно-нарушенных почв полигонов ТБО

В техногенных почвах содержание максимальной гигроскопической влаги (МГВ) составляет от 7.4 % до 14.2 %, что соответствует тяжелым суглинкам и глинам. В целинной почве содержание МГВ уменьшается сверху вниз, с выраженным максимумом в гумусово-аккумулятивном горизонте. В техно-почвах величины гигроскопической воды (ГВ) и МГВ варьируют по профилю, причем техногенные горизонты -Тв - характеризуются увеличением или уменьшением значений ГВ и МГВ, что большей частью обуславливается гранулометрическим составом насыпного материала, формирующего новообразованные горизонты.

Количество рыхлосвязанной влаги возрастает с уменьшением плотности агрегатов. Плотность твердой фазы целинной почвы находится в пределах 2.41-2.59 г/см3,

что согласуется с литературными данными (Качинский, 1965). Плотность твердой фазы почв техноландшафтов несколько выше (2.42-2.81 г/см ) и само распределение может носить случайный характер. В результате воздействия на почву строительной техники повышается плотность, и значительно уменьшается содержание пор, что ведет к снижению водо- и воздухопроницаемости. В целинной почве агрегатная пороз-ность в гумусово-аккумулятивном горизонте составляет 50.2 %, что характеризует порозность по классификации Качинского как наилучшую, плавно снижаясь вниз по профилю до 34.4 %. Агрегатная пористость техногенно-преобразованных почв в диапазоне плотности 1.4-2.1 г/см3 уменьшается, достоверно изменяясь от 45.3 % до 19.5 % при Р=0.90.

3.5. Реологические свойства техногенно-преобразованных почв территорий полигонов ТБО и их взаимосвязь с гранулометрическим составом Подстилающими породами полигона ТБО «Западный» являются желто-бурые и красно-бурые скифские глины четвертичных отложений, что отражается в величинах пределов пластичности: 46.5-51.3 (верхний предел) и 26.3-28.6 (нижний предел). Это несколько превышает значения по почвам «Северной» свалки, подстилающими породами которых являются тяжелые лессовидные суглинки четвертичных отложений: 38.1-44.4 (верхний предел) и 22.4-25.3 (нижний предел). По классификации Атгер-берга исследуемые почвы относятся к I классу высокопластичных (глины) почвогрун-тов (число пластичности варьирует от 18.1 до 29.8) или же ко II классу пластичных (суглинки) почвогрунтов, причем значения по II классу достаточно высоки - от 11.2 до 16.6 - и приближаются к глинам. Это согласуется с данными гранулометрического состава, по которым исследуемые почвы классифицируются как легкоглинистые и тяжелосуглинистые разновидности.

Глава 4. Изменение минералогического состава тоикодисперсных фракций почв под воздействием полигонов ТБО

4.1. Минералогический состав чернозема обыкновенного карбонатного ненарушенного сложения

Состав илистой и тонкопылеватой фракций чернозема нативного сложения характеризуется профильной дифференциацией фазового состава слоистых силикатов в верхней части профиля - увеличение содержания иллита от 33 % до 54 % для илистой фракции и от 42 % до 60 % - для тонкопылеватой. При этом отмечается снижение концентрации лабильных силикатов от 41 % до 23 % для илистой фракции и от 26 % до 12 % - для тонкопылеватой, а также хлорита от 26 % до 22 % для илистой фракции и от 39 % до 22 % - для тонкопылеватой (табл. 1). Подобные закономерности для черноземов североприазовских отмечали в своих работах М.Г. Алещенко (1973), B.C. Крыщенко (1974, 2003) и др.

4.2. Минералогический состав почв полигонов ТБО

Под влиянием техногенеза в почвах отмечается возрастание степени разупорядо-ченности структуры минералов, пики рефлексов рентген-дифрактограмм становятся асимметричными и диффузными. Это является следствием частичного разрушения строения планарных поверхностей кристаллической решетки, причем минералы с ра-зупорядоченной структурой фиксируются на большей глубине: возрастает содержание гидрослюд, каолинита, высокодисперсного кварца в средней части профиля. Ряду образцов почв и грунтов соответствует супердисперсное состояние, о чем

Таблица 1

Содержание основных групп глинистых минералов тонкодисперсных фракций исследованных почв__

Горизонт Граница горизонтов, см Сумма, % Отношение интенсивностей отражений 1 ж,: 1 ою Содержание вал. КгО в иле, %

£ Каолинш+ собств. хлорит Слюды Лабильные минералы

1* | 2« 1 1 2 1 1 2 1 1 2

Разрез ООО. Целина. Чернозем обыкновенный карбонатный мощный среднегумусный легкоглинистый на карбонатной лессовидной глине

А(1 0-19 22 28 51 60 27 12 4.0 4.1 1.68

А 19-59 23 22 54 51 23 27 4.3 4.2 Не опр.

АВ 59-70 27 30 47 48 26 22 4.2 3.8 -

В1 70-92 26 35 45 50 29 15 4.1 4.3 1.71

Вса 92-110 28 39 38 43 34 18 3.1 3.7 -

ВСса 110-185 26 34 34 42 40 24 32 3.0 -

Сса 185-190 26 32 33 42 41 26 2.8 34 1.73

Полигон ТБО «ЗАПАДНЫЙ». Разрез 001. Техно-чернозем гидрометаморфизированный насыщенный карбонатсодержащий

ТОиса 0-10 22 42 58 49 20 9 2.5 4.5 Не опр.

ГА1са 10-38 23 31 56 55 21 14 3.3 8.4 -

АВса 38-75 22 27 58 52 20 21 2.8 4.7 -

Вса 75-96 23 42 68 51 9 7 2.7 3.8 1.86

Сса 117-150 22 46 58 46 20 8 3.5 4.3 -

Свалка «СЕВЕРНАЯ». Прикопка 006 Техно-чернозем насыщенный карбонатсодержащий турбированный

ТС(1 0-6 29 35 43 46 28 19 3.3 4.0 Не опр.

ТОиса 6-16 20 32 69 51 11 17 2.7 43 -

[А]са 16-55 20 36 65 58 15 6 3.1 3.4 -

[АВ1са 55-95 22 26 59 61 19 13 3.1 45 -

ГВЦ 95-110 22 38 55 54 23 8 3.1 3.9 -

Разрез 007. Технозем черноземовндный дерново-намьпый насыщенный карбонатсодержащий глубокотурби эо ванный

тиадай 0-8 20 32 45 53 35 15 2.7 4.2 1.81

ТС2|Ти-с 8-16 24 39 70 52 6 9 4.1 5.6 Не опр.

ТОЗИи-о 16-30 25 41 60 57 15 2 3.3 4.4 1.91

Т04Ни-с. 30-42 26 42 37 55 37 3 2.9 3.4 -

[А]са 42-65 23 38 69 58 8 4 3.2 3.6 2.05

Прикопка 008. Пелозем гумусовый глееватый подстилаемый бытовыми отходами

ТОс! и-с^р* 0-6 24 43 32 54 44 3 3.2 3.8 Не опр.

ТОг.^ 6-20 25 44 32 51 43 5 3.3 3.3 -

* - значения для ила; ** - значения для тонкой пыли. Количественная оценка вторичных минералов проведена по Э.А. Корнблюму с соав. (1972)

свидетельствуют высокие значения межплоскостного расстояния (с!/п) первого ба-зального рефлекса смешаннослойных образований.

В некоторых разрезах почв техногенно-нарушенных ландшафтов попадаются минералы группы иллита с очень хорошей окристаллизованностью кристаллической решетки, что, вероятно, связано со слабой проработкой процессами почвообразования материала техногенных горизонтов.

Тонкопылеватая фракция отличается от илистой фракции большим содержанием жестких структур в своем составе, представленной в основном слюдами и хлоритами, диагностируются смешаннослойные иллит-монтмориллонитовые/(вермикулитовые) образования. Содержание сопутствующих минералов - кварца и полевых шпатов в этой фракции также увеличивается по сравнению с илистой.

В илистой и тонкопылеватой фракциях во всех образцах доминируют хлориты. По отношению интенсивностей отражений первого и второго порядков иллитов (1оо]/1оо2) на дифрактограммах илистых и тонкопылеватых фракций можно судить о процессах иллитизации. За исключением отдельных незакономерных отклонений эти отношения в изучаемых почвах отчетливо уменьшаются с глубиной (табл. 1), что свидетельствует об увеличении в верхних горизонтах доли изоморфного Ре и в октаэдрических позициях иллитовых минералов (Соколова, 1985).

4.2.1. Действующий полигон ТБО

Фракция 1мкм. По сравнению с целиной, рентген-дифрактограммы почв техно-ландшафтов на действующем «Западном» полигоне ТБО имеют некоторые отличия, свидетельствующие о проявлении супердисперсности в горизонтах данных почв, которое может быть связано с современной антропогенной или остаточной солонцева-тостью почвенного материала, когда ионы Ыа присутствуют в тактоидах смектитово-го компонента.

В распределении групп глинистых минералов по горизонтам антропогенных почв не наблюдается такой четкой дифференциации как в контрольном разрезе. Содержание слюд в техно-почве разреза 001 вниз по профилю увеличивается от 58 % до 68 %, содержание хлорита, увеличивающееся вниз по профилю на целине, в разрезе 001 не изменяется (22-23 %, табл. 1).

Фракция 1-5 мкм. Спектры тонкой пыли отличаются от предыдущей фракции несколько лучшей выраженностью пиков рентген-дифрактограмм и большим их числом. Рентген-дифрактограммы воздушно-сухих препаратов разрезов 001 и 003 несколько отличаются от целинной почвы тем, что в разрезе 001 и 003 лабильная фаза представлена только вермикулитом. Количественное распределение глинистых минералов в тонкопылеватой и илистой фракциях похожи, только увеличиваются значения жестких структур (табл. 1).

4.2.2. Законсервированная свалка

Фракция 1мкм. Для всех исследуемых почв данного объекта еще в большей степени, чем на полигоне ТБО «Западный», характерна разупорядоченность структуры минералов. Состав илистой фракции почв «Северной» свалки отличается от минеральной фазы целинного чернозема и почв полигона ТБО «Западный» тем, что на рентген-дифрактограммах явно диагностируются смешаннослойные иллит-монтмориллонитовые образования. Они диагностируются по с1/п >1.5 нм на дифрактограммах исходных воздушно-сухих препаратах. Также обнаруживается во всех разрезах явление супердисперсности. Это косвенно указывает на то, что осолонцевание характерно для почвенно-грунтового материала данной территории, и, скорее всего,

связано с поступлением растворов с «тела» свалки, которые в своем составе имели натрийсодержащие соли. Во всех разрезах наблюдается хорошая или средняя окри-сталлизованность кристаллической решетки минералов группы иллита.

По результатам количественного определения, в почвах отмечается достаточно высокое варьирование иллита (32-70 %) и лабильных минералов (6-46 %, табл. 1), без строгой дифференциации, выраженной в целинном разрезе. Скорее всего, на накопление иллитов в профилях почв оказывает воздействие антропогенный механизм физической дезинтеграции привносного обломочного силикатного материала, а также материала поступающего с «тела» свалки, и дальнейший его переход в тонкодисперсные фракции слюдистых минералов.

Фракция 1-5 мкм. Дифференциация слоистых силикатов во фракции тонкой пыли несколько отличается от образцов предыдущего объекта и целины. Во-первых, лучшей окристаллизованностью кристаллической решетки иллитов. Во-вторых, во всех разрезах, кроме прикопки 008, в верхних горизонтах идентифицируются сме-шаннослойные иллит-монтмориллонитовые образования, которые вниз по профилю сменяются смешаннослойными иллит-вермикулитовыми образованиями, в отличие от целины, где лабильная фаза представлена монтмориллонитом в чистом виде. Вероятно, также присутствие смешаннослойных иллит-хлоритовых образований в прикопке 006 и в разрезе 007.

Глава 5. Особенности в распределении химических показателей по профилям техногенных почв полигонов ТБО

В почвах исследуемых объектов мы сталкиваемся с тем, что в техногенных горизонтах состояние карбонатной системы определяется соотношением карбонатов аутогенного происхождения и карбонатов терригенно привнесенного материала. Под воздействием внутрипочвенных процессов происходит переосаждение и (пе-ре)кристаллизация новых твердых фаз, что выражается достаточно широким варьированием содержания карбонатов в антропогенных горизонтах: СаСОз - от 2.8 % до 9.3 %, MgCOj- от 0.1 % до 2.0 %.

Реакция среды изменяется от нейтральной до сильнощелочной, в некоторых случаях почвы щелочные с поверхности, в то время как для черноземных почв характерно постепенное снижение по профилю почвы реакции среды от нейтральной до слабощелочной и щелочной (Гаврилюк, 1955). Наблюдается некоторое увеличение содержания аморфного железа (0.16-0.38 %), приуроченное к насыпным, намытым и гидроме-таморфизированным горизонтам. В то время как распределение железа в целинном черноземе характеризуется небольшой аккумуляцией в гумусовой части профиля (0.16 %), что согласуется с общими закономерностями, установленными для черноземных почв (Кар-манова, 1978). Распределение аморфного железа и других показателей наглядно представлено на рисунке 5.

В техногенных почвах всех полигонов ТБО нами отмечается тенденция к повышению доли Mg2+ в составе обменных катионов до 38.7 % от суммы поглощенных оснований. Так называемая магнезиальная солонцеватость может возникать за счет стекающих склоновых подпочвенных, внутрипочвенных и поверхностных вод обогащенных магнием в результате растворения карбонатов как терригенных карбонатсо-держащих грунтов, образующих техногенные горизонты, так и карбонатов естественных горизонтов. Вновь формирующиеся в техногенно-преобразованных почвах внут-рипочвенные условия могут способствовать включению литогенного Mg в состав

Чернозём обыкновенный карбонат- Техно-чернозем гидрометаморфизи- Технозбм чернозбмовидный дер-

ный мощный среднегумусный легко- рованный насыщенный карбонатсо- ново-намытый насыщенный кар-

глнннстый на карбонатной лессовид- держащий (разрез 001) бонатсодержащий глубокотур-ной глине Целина (разрез ООО) бированный (разрез 007)

0 1 2 3 4 5 6 7.,

3 4 к

Техно-чернозем насыщенный кар- Технозбм чернозвмовидный насы-бонатсодержащий турбированный щенный карбонатсодержащий глубо-(приколка 006) котурбированный (прикопка 03/1)

012345678910

2 3 4 V.

-Гумус

- -С02Карб

Железо

аморфное

(общее)

Рис. 5. Распределение некоторых химических показателей по профилям целинной и техногенно-нарушенных почв полигонов ТБО

минералов и непосредственно воздействовать на равновесие в системе ^^фиксированный <->М£„вменный<-> 1^Мд0раств0рНМЫЙ. Достаточно высокие значения поглощенного N8 (5.1-25.7 % от суммы поглощенных оснований) в техногенных почвах полигона «Западный» и «Северной» свалки дают основание предполагать наличие активных процессов химического превращения соединений техногенных субстратов горизонтов Тв, содержащих большое количество включений бытового и строительного мусора. Согласно классификации И.Н. Антипова-Каратаева исследуемые почвы диагностируются в широком диапазоне солонцеватости: от слабосолонцеватых видов до солонцов. При этом выход натрия в раствор приводит к усилению щелочной реакции, что дает преимущество в растворимости гидрокарбонатным формам магния перед кальциевыми, а это в свою очередь способствует поглощению магния (Егоров, 1976).

Глава 6. Органическое вещество почв техногенных ландшафтов полигонов ТБО 6.1. Особенности в распределении общего гумуса и его качественный состав в техногенно-нарушенных почвах полигонов ТБО

Данные по содержанию гумуса в техногенно-преобразованных почвах ландшафтов полигонов ТБО довольно пестрые (рис. 5). Выявляются две явные причины, которые непосредственно влияют на разброс значений в содержании гумуса по профилям

техногенных почв: 1) богатство органическим веществом того субстрата, который участвует в образовании техногенных горизонтов; 2) наличие погребенных горизонтов в профилях техногенных почв.

На территориях захоронения ТБО изначально формируются особые фитогеноти-пы, отличные от флористического состава целинной территории Преобладающей жизненной формой в растительных сообществах свалки являются терофиты. Большинство однолетников - типичные представители рудеральной растительности: марь белая (Chenopodium album L ), различные виды лебеды (род A triplex L ), щирицы (род Amaranthus L.), пастушья сумка (Capsella bursa-pastoris L ), дескурения Софии (Des-curainia Sophia L ) и т.д. Данная растительность очень быстро «обживает» техноген-но-нарушенные территории, выступая ведущим фактором, способствующим восстановлению исходных почв.

Исследование качественного состава гумуса целинного чернозема согласуется с данными О.С. Безугловой (2001) и Н.В. Горяиновой (1995), исходя, из которых в верхних горизонтах североприазовских черноземов коэффициент гумификации составляет на целине - 1.9, аналогичные данные были получены при анализе целинного чернозема (табл. 2). В составе гумуса целинных почв гуминовые кислоты (ГК) преобладают над фульвокислотами (ФК) в верхних горизонтах, а вниз по почвенному профилю соотношение меняется в сторону увеличения ФК. При этом отмечается, что отношение Сгк:Сфк становится меньше единицы в горизонте В, который является так называемым метаморфическим горизонтом, где проходит граница изменений в основных фазовых компонентах вторичных минералов и появляются карбонаты. Илли-тизация, характерная для верхних горизонтов чернозема, сменяется в горизонте В увеличением доли лабильных структур. Данное явление находит отражение и в распределении значений фракций ГК-2 и ГК-3 по профилю почвы; ГК предположительно связанные с Ca (ГК-2) доминируют в верхних горизонтах (12.5-23.8 %), тогда как в нижних горизонтах начинают преобладать ГК, связанные с устойчивыми комплексами Fe и Al и глинистыми минералами (ГК-3), доля которых увеличивается с 4.9 до 16.7 %. Содержание свободных и связанных с полуторными окислами ГК (ГК-1) и свободных ФК (ФК-1а, ФК-1) в исследуемой почве небольшое (габл. 2).

Качественный состав гумуса техногенных почв в общих чертах повторяет характер распределения валового содержания гумуса по профилю. Величины коэффициентов гумификации обнаруживают сильный разброс от 0.3 до 2.2 (табл. 2) и соответственно тип гумуса изменяется от фульватного до гуматного. При этом отмечается увеличение доли подвижных фракций ГК-1, ФК-1 а и ФК-1. Имеется тенденция к потере фракций ГК-2 и ФК-2, связанных с обменным кальцием. В то же время происходит увеличение доли фракций ГК-3 и ФК-3. Причины данных видоизменений носят комплексный характер. Турбированный насыпной карбонатный почвенно-грунтовый материал, формирующий техногенные горизонты, обладает незначительным потенциальным плодородием, что сказывается на значениях коэффициента гумификации, особенно в почвах «Западного», «Аксайского» и «Батайского» полигонов ТБО.

Как уже отмечалось выше, при подтоплении происходит активизация восстановительных процессов, гумусовые вещества начинают испытывать трансформации в сторону преимущественного образования гумусовых веществ фульватно-кислотной природы, увеличивается предельная концентрация R2O3, при которой комплексные соединения становятся лабильными, что в техногенно-преобразованных почвах

Таблица 2

Фракционно-групповой состав гумуса черноземных почв полигонов ТБО и ненарушенного аналога (в % от Собщ. почвы)

Горизонт Глубина, см Собш, % Сгк £ Сгк Сфк I Сфк Сгк + Сфк Си Сфк Гумин (=НО) Е мг/мл

1 1 2 | 3 1а | 1 | 2 | 3

Разрез ООО. Целина. Чернозем обыкновенный карбонатный мощный среднегумусный легкоглнннстый на карбонатной лессовидной глине

да 0-19 ъл 1 4 20 3 49 26 6 1 6 03 78 46 14 3 40 8 1 9 59 2 38 0

А 19-59 26 1 5 23.8 50 30 3 1 5 04 10 5 62 186 48 9 1 6 51 1 31 3

АВ 59-70 12 1 7 125 7.5 21 7 05 - 10 3 10 0 20 8 42 5 1 0 57 5 20

В1 70-92 0 8 1 3 70 80 163 1 3 - 112 12 5 25 0 41 3 07 58 7 1 8

Вса 92-110 05 20 100 14 0 26 0 20 - 22 0 16 0 40.0 66 0 07 34 0 1 7

ВСса 110-185 04 - 10 0 150 25 0 2 8 - 21.9 17 8 42 5 67 5 06 32.5 1 5

Сса 185-190 03 - 110 16.7 27 7 53 - 25.3 21 7 52 3 80 0 05 20 0 1 5

Разрез 001 Техно-че Полигон" рнозем гидрометамо ГБО «ЗАПАДНЫЙ» рфизированный насыщенный карбонатсодержащий

ТОиса 0-10 10 20 50 15 0 220 40 1.0 60 34 0 45 0 67.0 05 33.0 06

[А]са 10-38 23 0.9 16 9 10.0 27 8 30 1 3 52 11 7 21.2 49.0 1 3 51.0 21 6

АВса 38-75 2.1 05 52 7 1 12 8 57 05 13 8 186 38 6 51 4 03 48.6 15 2

Вса 75-96 1 0 1 0 3 0 17 0 21 0 70 1 0 5.0 33 0 46.0 67 0 05 33.0 0.6

Свалка «СЕВЕРНАЯ» Разрез 005 Залежь. Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на тяжелом лессовидном суглинке

Ас! 0-15 3.4 1 2 18.9 12.6 32.7 29 4 1 59 35 16 4 49 1 20 50 9 28 1

Астаропах 15-32 26 0.8 198 15 2 35.8 1 2 2.7 42 85 16 6 52 4 22 47 6 27.0

В1 50-70 1.5 1 3 16 7 17 3 35 3 60 - 12 0 6.7 24 7 60 0 1 4 40.0 21 5

Разрез 007. Технозем черноземовидный дерново-намытый насыщенный ка рбонатсодержащий глубокотурбированный

ТОЫП^ 0-8 35 1 1 12 0 14 9 28 0 37 17 67 28 14.9 42.9 1 9 57 1 13 4

8-16 1.7 1 8 14.1 16 5 32 4 65 06 10.6 47 22.4 54.8 1.4 452 20

[А1са 42-65 20 20 31.5 10 5 440 50 0.5 12 5 5.0 23.0 67 0 1 9 33 0 20 9

Полигон ТБО «АКСАЙСКИЙ» Прикопка 03/1 Технозем черноземовидный гидрометаморфизированный насыщенный карбонатсодержащий глубокотурби] ю ванный

ТСЦТс 0-10 12 - 14 2 75 21.7 5.0 - 4.2 24 1 33 3 55 0 0.7 45.0 1 1

ТС21Т„Л 10-35 1.2 - 75 11 7 19.2 2.5 08 9.2 20 8 33.3 52.5 0.6 47.5 1.6

35-60 1.0 - И 0 13 0 24.0 20 1.0 110 220 36 0 600 0.7 40.0 13

60-85 04 25 10 0 12.5 25 0 75 - 10 0 20 0 37.5 62.5 07 37.5 79

85-дно 1 0 20 23.0 14 0 39 0 6.0 - 90 20 0 35 0 74.0 1.1 26 0 19.9

Раз Полигон ТБО «БАТАЙСКИЙ» эез 03/4 Технозем черноземовидный насыщенный карбонатсодержащий глубокотурбированный

ТСс1ил 0-15 1 4 14 21 5 25.7 48 6 5 0 43 10 7 17.1 37.1 85 7 1.3 14.3 9 1

ТОЩи-с. 15—40 1 5 0.7 13.3 24.0 38 0 33 47 16 0 16 0 40.0 78.0 1.0 22.0 32

Т02Но 40-60 09 1.1 89 27.8 37 8 44 6.7 11.2 24 4 46.7 84.5 08 15.5 2.6

Т031Гг, 60-75 06 3.3 10.0 13.4 26.7 83 6.7 11.7 25 0 51.7 78.4 05 21 6 1 8

морфологически отражается в проявлении цементации почвенной массы свободными гидроокислами.

Состав катионов поглощенного комплекса техногенных почв, в свою очередь также влияет на подвижность соединений ГК Достаточно высокое содержание магния и натрия в составе поглощенных оснований техногенных почв способствует образованию подвижных, обладающих гидрофильностью гуматов магния и натрия.

В профилях техногенно-нарушенных почв (прикопка 006, разрез 007, прикопка 03/1) нами были диагностированы погребенные горизонты, которые, прежде всего, характеризуются увеличением коэффициента гумификации по сравнению с верхними техногенными горизонтами. Распределение основных фракций гумусовых кислот в этих горизонтах согласуются с таковыми в верхних горизонтах целинного чернозема: увеличивается доля фракции ГК-2 и ФК-2 и уменьшается содержание фракций ГК-3 и ФК-3 (табл. 2).

6.2. Особенности элементного состава гуминовых кислот почв

техногенных ландшафтов полигонов ТБО

Элементный состав препаратов ГК целинной и техногенно-нарушенных почв неодинаков. Практически везде наблюдается преобладание водорода над углеродом, причем отношение Н:С заметно увеличивается (1.11-1.48) в горизонтах техногенных напластований - Тв, что свидетельствует о максимальном вкладе ненасыщенных фрагментов в структуру их ГК по сравнению с горизонтами целинной почвы, залежи, погребенными и ненарушенными горизонтами (0.94-1.08). Достаточно высокие значения соотношения 0:С, характерные для ГК некоторых техногенных горизонтов указывают на повышенное содержание в этих препаратах кислородсодержащих функциональных групп. Содержание кислорода в исследуемых препаратах ГК различно. Наиболее окисленными являются ГК техногенных горизонтов (25.21-31.52 %) техно-чернозема насыщенного карбонатсодержащего турбированного (прикопка 006) и отчасти технозема черноземовидного дерново-намытого насыщенного карбонатсодержащего глубокотурбированного (разрез 007), что подтверждается расчетом по Д.С. Орлову (1990), показателя степени окисленности (ю) ГК, который составляет от +0.34 до +0.87, что говорит об активном процессе гумификации в насыпных и намытых горизонтах, чему способствует поступление растительных остатков, а также веществ, «смываемых» с бортов «тела» свалки и аккумулирующихся в микро- и мезо-понижениях. Эталонное значение степени окисленности ГК черноземов, вычисленное Д.С. Орловым (1990) составляет +0.13, что точно соответствует значению степени окисленности дернового горизонта контрольной целинной почвы Высокие значения зольности препаратов ГК техногенных горизонтов от 6.15 % до 32.58 % (целина от 4.67-5.03 %) свидетельствуют об их высокой комплексообразующей способности, что обусловлено более развитой периферической частью молекул.

О характере химических процессов, влияющих на формирование ГК, можно судить по диаграмме Ван Кревелена (рис. 6). Для ГК целинного чернозема, а также погребенных и ненарушенных горизонтов техногенных почв выражены процессы дегидратации, деметилирования и декарбоксилирования.

Судя по препаратам ГК, выделенным из горизонтов техногенно-измененных почв (техно-чернозем гидрометаморфизированный насыщенный карбонатсодержа-щий), трансформация идет в сторону окисления, гидрогенизации, карбоксилирования и метилирования, что свидетельствует о возрастании роли алифатических цепочек в построении молекул ГК.

Рис. 6. Диаграмма атомных с

9 - Целина Чернозем обыкновенный карбонатный мощный среднегумусный легкоглинистый на карбонатной лессовидной глине;А -Техно-чернозем гидрометаморфизированный насыщенный карбонатсодержащий^ ~ Залежь Чернозбм обыкновенный карбонатный средне-мощный мапогумусный тяжелосуглинистый на тяжвлом лессовидном суглинке, П - Техно-чернозем насыщенный карбонатсодержащий турбированный; ^ Технозйм чернозвмовид-ный дерново-намытый насыщенный карбонатсодержащий глубокотурбированныйф - Пело-зем гумусовый глееватый подстилаемый бытовыми отходами.

направление деметилиро-

вания,

— — —_ направление дегидратации; 4 . _ . _ . направление декарбокси-

лирования

[ий Н:С - 0:С гуминовых кислот

В препарате пелозема гумусового глееватого подстилаемого бытовыми отходами направление изменений, происходящих с органическим веществом, смещено в сторону процессов восстановления (ю= -0.20) и метилирования, что также указывает о нарастании периферической части ГК (рис. 6).

6.3. Органическое вещество отдельных гранулометрических фракций целинного чернозема и черноземных почв техногенно-нарушенных ландшафтов полигонов ТБО

Изучение содержания гумуса в гранулометрических фракциях, показало, что с увеличением дисперсности частиц содержание гумуса не всегда увеличивается. Максимальные значения гумуса, как правило, наблюдались для фракции мелкой пыли. Значительная обогащенность гумусом фракции тонкой пыли характерна для почв степного почвообразования, что отмечается многими исследованиями (Грати и др., 1965; Гусев и др., 1986; Петков, 1965; Покотило, 1967 и т.д.). Нами были рассчитаны вклады фракций в гумусность почвы. Согласно расчетам, вклад илистой фракции доминирует над вкладом пылеватых фракций, что связывается со значительным преобладанием илистой фракции над другими гранулометрическими фракциями в данных почвах, содержание которой составляет 14.3—53.6 %. Именно поэтому максимальные запасы гумуса сосредоточены в илистой фракции. В нижних горизонтах вклад ила больше, так как в нем формируются более устойчивые органо-минеральные комплексы. Закреплению органического вещества илистыми частицами способствует также минералогический состав, характеризующийся преобладанием глинистых минералов с расширяющейся решеткой монтмориллонит-гидрослюдистой группы.

Глава 7. Изменение биологической активности почв под влиянием техногенных

факторов

Активность фермента каталазы в техногенных почвах обнаруживает достаточно тесную связь с содержанием гумуса (г=0.78) и варьирует по объектам исследования. Содержание гумуса в техногенных горизонтах действующего «Западного» полигона

ТБО характеризуется очень низкой гумусированностью - 1,7±0.4 % и, соответственно, низкой каталазной активностью - 1.5±0.4 мл 02/1 мин на 1 г почвы (рис. 7).

Разрез ООО. Целина

Разрез 001

Разрез 003

5 6

0 0,5 I 1,5 2 2,5 3

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -

Разрез 005

0 1 2 3 4 5 6 7

Прикопка 006

01 23456789 10

Разрез 007

о 20 • 40 60 80 -100 120 -140 -1

100 ¿м

- Гумус (%) Каталаза (мл 02/1 мин на 1 г)...........Инвертаза (мг глюкозы на 1 г за 24 ч )

Рис. 7. Изменение содержания гумуса и активности ферментов по профилям целинной и техногенно-нарушенных почв полигонов ТБО

Почвы законсервированной «Северной» свалки характеризуются сравнительно высоким содержанием гумуса и высокой активностью каталазы (гумусированность в верхних техногенных горизонтах составляет от 4.5±0.1 до 5.8±0.1 %, активность каталазы от 3.7±0.2 до 5.8±0.0 мл 02 /1 мин на 1 г., соответственно ири Р=0,90) вниз по профилю показатели постепенно снижаются, что характерно для зональной почвы. Наличие «тела» свалки, приводит к формированию аккумулятивного антропогенного ландшафта, в результате происходит делювиальный привнос смытого с тела свалки материала в мезо- и микропонижения непосредственно вблизи полигона, создавая таким образом благоприятные условия для биогеохимической аккумуляции. Исходя из высоких значений содержания гумуса 9.1±0 1 % и активности каталазы 6.8±0.0 мл 02 /1 мин на 1 г. в верхних техногенных горизонтах почв микропонижений (рис. 7), можно предположить, что причиной такого повышения, скорее всего, является поступление смеси отходов органической и углеводородной природы, что может оказывать существенное влияние на активизацию почвенной микрофлоры (Ловчий и др , 1990).

«Сенсором» почвенного загрязнения является активность гидролитического фермента инвертазы. В почвах объектов исследования активность инвертазы или очень низкая (почвы характеризуются как очень бедные ферментом), либо вообще инвертаза представлена следовыми значениями. По предварительной диагностической оценке загрязнения почв с помощью инвертазы, предложенной К.В. Григоряном с соавторами (1979), практически все почвы объектов исследования являются сильнозагрязнен-ными.

Наблюдаемый на полигонах ТБО локальный гидроморфизм, техногенное подще-лачивание почвогрунтов строительной пылью, а также высокое содержание органического вещества и фосфора, поступающих в почву с органической частью бытовых отходов, соответствуют потребностям одной из индикаторных на урботехногенез бактерии - азотобактера. Сочетание выше изложенных факторов стимулирует развитие азотобактера, так как в степной зоне эта бактерия представлена незначительно (48.0±1.9 % обрастания при Р=0,90). По итогам исследования физических и морфологических свойств техногенных почв полигонов ТБО, максимальным значениям содержания азотобактера (от 62.4±4.1 до 81.0±2.3 % обрастания при Р=0,90) соответствуют достаточно высокие значения влажности, что является благоприятным природным фактором для развития азотобактера. В некоторых образцах техногенно-нарушенных почв на фоне незначительного содержания азотобактера (38.4±4.4 % обрастания при Р=0,90), нами диагностировалось развитие представителей других групп щелочелюбивых микроорганизмов, таких как Шигориз ш^ив.

Опираясь на данные В.В. Приваленко (2000), на действующем полигоне ТБО локализованы контрастные литохимические аномалии элементов: Ре, №, Со, V. Зоны повышенного содержания - Си, РЬ и Ъа, располагались в районе заполненной площадки полигона ТБО, что подтверждает потенциальную опасность захороненных отходов. На законсервированной свалке в верхнем почвенном слое обнаружено повышенное содержание Мп по периферии территории; повышенная концентрация вг наблюдалась на всей территории и варьировала от 500 до 1500 мг/кг. Высокие аномалии концентраций Си, РЬ и Хп связаны с выходами фильтрата на поверхность свалки. Соотнося данные по загрязнению почв с результатами по биологическим свойствам, можно сделать вывод об избирательной реакции ферментов различных классов на эффект загрязнения. Достаточная микробиологическая активность азотобактера в техногенных почвах полигонов ТБО, несмотря на высокий уровень загрязнения, прежде всего, складывается из комплекса условий, которые благоприятствуют развитию данной бактерии. И, очевидно, это делает азотобактер малочувствительным до определенных пределов к антропотехногенным воздействиям.

Глава 8. Технопедогенез и основные морфотипы техногенно-нарушенных почв ландшафтов полигонов ТБО

Трансформация почв ландшафтов полигонов ТБО обусловлена комплексом таких процессов, как антропогенная турбация почвенного профиля; искусственное уплотнение почвогрунта, локальное подтопление территории с сопутствующим проявлением гидрочорфичма. снос материала гетерогенной природы с «тела» рекультивированного полигона ТБО в подчиненные элементы техногенного ландшафта и его аккумуляция; проявление редоксиморфизма в примитивных почвах, формирующихся на материале реплантанта.

Это послужило основанием для выделения следующих морфотипов почвенных профилей, формирование которых связано с особенностями антропогенного воздействия полигонов ТБО.

— Технозем черноземовидный турбированный и техно-чернозем турбиро-ванный (разрез 002; прикопка 006; разрез 03/4). Неоднородный почвенно-грунтовый материал со своеобразной плотной, спрессованной, горизонтально-слоеватой структурой (техногенная структура). Результат переуплотнения тяжелой строительной техникой, как исходных почвенных горизонтов, так и насыпных привнесенных, переотложенных грунтов, образующих техногенные слои различной мощности, перекры-

вающие исходные почвы. Такой тип профиля является следствием искусственного уплотнения (консолидации) почвенной массы, антропогенной подсыпки и турбации почвенно-грунтового материала.

— Технозем черноземовидный гидрометаморфизированный и техно-чернозем гидрометаморфизированный (разрез 001; прикопка 03/1). При строительстве и функционировании полигонов ТБО изменяется гидродинамический режим грунтов, наблюдается повышение уровня подземных вод, как результат, образуются локальные зоны подтопления, в подтопленных горизонтах обособляется зона гидрогенной аккумуляции веществ.

Доминирующим процессом, формирующим данный тип профиля технозема является гидроморфизм, вызванный нарушением естественных путей грунтового водотока, хотя не исключено влияние турбации и переуплотнения.

— Технозем черноземовидный дерново-намытый турбированный (разрез 003, разрез 007). На территории рекультивированного полигона ТКО происходит аккумуляция смытого с «тела» свалки материала в мезо- и микропонижения непосредственно вблизи свалки. Профиль почв формируют горизонты, образованные неоднородным, переотложенным с «тела» свалки материалом, перемешанным с большим количеством мусора, консолидированного во внутрипедную массу Наличие «тела» свалки, как следствия рекультивационных работ, приводит к формированию аккумулятивного антропогенного ландшафта: смыву материала гетерогенного характера -смеси материала реплантанта и отходов - с бортов «тела» свалки на смежные подчиненные ландшафты. В результате в микропонижениях профиль черноземных почв состоит из четко различающихся частей: верхние вновь образованные намытые горизонты, содержащие большое количество антропогенных включений и нижние погребенные горизонты.

Профиль данной почвы сформирован в результате влияния ряда процессов, из которых ведущим является ассимиляция материала гетерогенной природы, снесенного с «тела» рекультивированной свалки, почвенной массой поверхностных горизонтов естественных почв.

— Пелозем гумусовый глееватый подстилаемый бытовыми отходами (прикопка 008). Это особый тип слаборазвитых почв, формирование которых происходит после рекультивации заполненного отходами котлована, под влиянием комплекса составляющих: состава рекультивируемого материала (отходов) и среды самой свалки, свойств реплантанта, а также таких составляющих климатического фактора, как температура и количество осадков В данном морфотипе приоритетными будут такие условия, при которых восстанавливающие свойства внутренней среды «тела» свалки влияют на слои реплантанта, в результате чего в профиле образуются «свидетели» техногенного глееобразования. Техногенная структура нижних горизонтов пелозема формируется в ходе трансформации грунтовых напластований в условиях переменного окислительно-восстановительного режима Восстановительный процесс обусловлен газами, выделяющимися при разложении в анаэробных условиях органических отходов свалки.

ВЫВОДЫ

1. Функционирование полигонов ТБО оказывает воздействие па почвы прилегающих территорий, сопровождающееся ухудшением комплекса их свойств: нарушением строения почвенного профиля, появлением новообразований и включений, несвойственных нативным почвам, ухудшением структурного состояния, уменьшением

пористости, увеличением плотности, изменением рН в сторону подщелачивания, увеличением карбонатности профиля.

2. Установлено, что в верхних горизонтах техногенно-нарушенных почв на законсервированной свалке первичная рудеральная растительность способствует возобновлению дернового процесса, что на микроуровне проявляется в преобладании гумусовой плазмы. На макроуровне - обуславливает изменение окраски и улучшение структуры. В обстановке технопедогенеза создаются контрастные внутрипочвенные условия, которые видоизменяют характер исходных новообразований и включений и способствуют синтезу аутигенных минеральных образований' различных форм кальцита, стяжений железа, железо-марганцевых конкреций, включению антропоморфов во внутрипедную массу.

3 Под влиянием техногенеза в почвах отмечается возрастание степени разупоря-доченности структуры минералов, ряду почв и грунтов соответствует супердисперсное состояние. По мере перехода от илистой к тонкопылеватой фракции снижается доля лабильных силикатов и возрастает концентрация жестких структур в виде илли-та, каолинита, хлорита и кварца, появляются полевые шпаты, в техногенно-нарушенных почвах идентифицируются смешаннослойные иллит-смектитовые образования В целинной почве и в техногенпо-преобразованных почвах полигонов ТБО, присутствуют хлориты различного химического состава. На основании количественной характеристики минералогического состава тонкодисперсных фракций техно-ландшафтов, по сравнению с целинным аналогом, наблюдается увеличение гидрослюдистой компоненты по профилям почв, что является результатом процесса техногенной иллитизации.

4. В почвах техногенных ландшафтов наблюдается изменение их гумусного состояния: содержание гумуса может, как снижаться, так и увеличиваться в зависимости от обогащенности органическим веществом погребенных горизонтов, а также природы того субстрата, который участвует в образовании техногенных горизонтов. Условия гумификации обуславливают химическую «незрелость» гуминовых кислот новообразованных техногенных горизонтов. Увеличение лабильных форм гумуса сопровождается цементацией почвенной массы свободными Л2Оз; гидрофильное™ гумуса способствует образование подвижных гуматов М§ и N8. Техногенное переувлажнение определяет создание прочной связи между высокодисперсными формами гумуса и глинистыми минералами, что увеличивает долю фракций ГК-3 и ФК-3.

5. Выявлена избирательная реакция ферментов различных классов на эффект загрязнения: происходит активизация оксидоредуктаз (на примере каталазы) и угнетение гидролаз (на примере инвертазы). Достаточная микробиологическая активность азотобактера в техногенных почвах полигонов ТБО, несмотря на высокий уровень загрязнения, обусловлена комплексом условий, которые благоприятствуют развитию данной бактерии в ее природной экологической нише.

6. Технопедогенез на полигонах ТБО обусловлен рядом приоритетных воздействий: турбацией и другими механическими нарушениями почвенного профиля, техно-генно спровоцированным подтоплением, осолонцеванием, загрязнением антропогенными включениями в результате захламления и делювиального привноса, воздействием биогаза из «тела» свалки и т.д.

7. В обстановке технопедогенеза черноземы обыкновенные карбонатные подвергаются воздействиям процессов, формирующих генезис почв территорий полигонов ТБО: искусственное переуплотнение почво-грунтового материала, техногенное под-щелачивание, миграция соединений железа и марганца, мегаморфизация органиче-

ского вещества, проявление магнезиальной солонцеватости, редоксиморфизча протекающего в «теле» свалки.

8. Выделены следующие морфотипы почвенных профилей, формирование которых связано с доминирующим видом воздействия: 1. Технозем черноземовидный турбированный; 2. Технозем черноземовидный гидрометаморфизированный; 3. Технозем черноземовидный дерново-намытый турбированный; 4. Пелозем гумусовый глееватый подстилаемый бытовыми отходами.

9. На территориях техноландшафтов полигонов ТБО способность почв выполнять свои экологические функции резко снижается за счет деградационных трансформаций состояния и свойств почв, требующих очень длительного времени восстановления. Изученные четыре объекта захоронения ТБО по уровню экологической безопасности можно расположить в следующий ряд (в убывающем порядке): полигон ТБО «Западный» > полигон ТБО «Батайский» > полигон ТБО «Аксайский» > свалка «Северная».

ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Наряду с проведением предусмотренных природоохранными документами геохимических, атмохимических и гидрохимических изысканий проводить на территориях объектов захоронения ТБО мониторинговые исследования почвенного покрова с целью выявления степени его деградации и уровня экологической безопасности.

2. Для обоснования экологических заключений о состоянии почвенного покрова полигонов ТБО целесообразно использовать комплекс морфологических и физико-химических параметров (строение почвенного профиля, характер новообразований и включений, коэффициенты структурности и водопрочности структуры, плотность и порозность почвы, рН, карбонаты, гумус), которые наиболее информативны при этом виде деградации и сравнительно легко контролируемы, что немаловажно в мониторинговых исследованиях.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, основные из них:

1. Невидомская Д.Г. Воздействие полигонов твёрдых бытовых отходов на минералогический состав почв прилегающих территорий // Тез. докл. Всероссийск. конф. «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям». М., 2002. - С. 139 (100 %; 0.042 пл.).

2. Невидомская Д.Г. Сравнительный анализ илистых и тонкопылеватых фракций в условиях целинных и нарушенных ландшафтов г. Ростова-на-Дону // Тез. докл. IX Междунар. конф. студ. и асп. по фундам. наукам «ЛОМОНОСОВ - 2002». М., 2002. -С. 79 (100 %; 0.042 п.л.).

3. Безуглова О.С., Невидомская ДГ. Влияние подтопления на свойства чернозёма обыкновенного Ростовской области // Почвоведение. - 2003. - № 8. - С. 950-955 (50%; 0.125 п.л.).

4. Невидомская Д.Г., Егорова К.В. Изменение некоторых физических свойств почв территорий полигонов ТБО // Труды Междунар. конф. «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов». Казань, 2003. - С. 189-191 (50 %; 0.063 п.л.).

5. Егорова К.В, Невидомская Д.Г. Изменение физических свойств почв полигонов твердых бытовых отходов Н Труды Всероссийск. конф. «Фундаментальные физи-

ческие исследования в почвоведении и мелиорации». Москва, 2003. - С. 49-52 (50 %; 0.063 п.л).

6. Невидомская Д Г. Изменение некоторых биологических свойств в почвах территорий полигона ТБО // Сб. тез. «Биология - наука XXI века». 7-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых. Пущине, 2003. - С. 416 (100 %; 0.042 п.л.).

7. Невидомская Д Г. Антропогенное преобразование почв в результате функционирования полигонов ТБО // Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов «Почвы национальное достояние России»: Тез. докл. - Новосибирск, 2004. - С. 564 (100 %; 0.042 п.л).

8. Маслюков Р.В , Морозов И.В., Невидомская Д.Г Характеристики физических свойств почв территорий полигонов ТБО // Междунар. науч. конф. «Экология и биология почв», Ростов-на-Дону, 2005. - С. 306-311 (30 %; 0.069 п.л.).

9. Невидомская Д.Г. Особенности элементного состава гуминовых кислот почв техногенных ландшафтов полигонов твердых бытовых отходов // Сб. трудов биолого-почвенного факультета РГУ, Ростов-на-Дону, 2005. - С. 140-145 (100 %; 0.208 п.л.).

10. Bezuglova О, Morozov I., Nevidomskaya D., Privalenko V. The Effect of the Solid Municipal Wastes' Polygons on the Soil Cover of Adjoining Territories // Proceedings International Workshop Bratislava "Soil anthropization VI", Bratislava, 2001/-P. 130-134 (25 %; 0.052 п.л.).

11. Bezuglova О, Nevidomskaya D, Morozov I., Privalenko V. The clay minerals transformation in soils surrounding the landfills' territories II 2-nd International Conferens of the Working Group "Soils of Urban, Industrial, Traffic and Mining Areas". SUITMA, Nancy, 2003. - P. 46 (25 %; 0.010 п.л.).

Список сокращений

ТБО - твердые бытовые отходы; МГВ - максимальная гигроскопическая влага; ГВ - гигроскопическая влага; TG - техногенные горизонты; I - интенсивность рефлексов; d/n - межплоскостное расстояние; ППК - почвенный поглощающий комплекс; ГК - гуминовые кислоты; ФК - фульвокислоты.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л.

Заказ N8 719. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел 250.11 25

- 2 2 7 U1

РЫБ Русский фонд

2006-4 23190

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Невидомская, Дина Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Полигоны ТБО - как разновидность техногенного воздействия на экосистему города.

1.1.1. Организация и функционирование полигонов ТБО.

1.1.2. Морфологический, химический и фазовый состав ТБО.

1.1.3. Возможные способы обращения с ТБО.

1.2. Воздействия, оказываемые полигонами ТБО на почвенный покров прилегающих территорий.

1.2.1. Механизм формирования своеобразных свалочных процессов на полигонах ТБО: основные аспекты.

1.2.2. Негативные процессы, возникающие в результате функционирования полигонов ТБО.

1.3. Основные этапы рекультивации полигонов ТБО.

1.4. Некоторые аспекты классификации почв техногенных ландшафтов полигонов ТБО и примыкающих к ним территорий.

1.4.1. Группировка техногенно-преобразованных почв.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Природная характеристика исследуемой территории.

2.1.1. Метеорологические условия.

2.1.2. Характеристика почвенных условий.

2.2. Объекты исследования.

2.3. Характеристика эталонного участка заповедника «Персиановская степь».

2.4. Методы исследования.

2.4.1. Общие анализы.

2.5.2. Элементный анализ гуминовых кислот.

2.6.3. Морфологические исследования почв.

2.7.4. Минералогический состав тонкодисперсных фракций.

ГЛАВА 3. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ, ИЗМЕНЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЕХНОГЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ПОЛИГОНАХ ТБО.

3.1. Макроморфологический (полевой) и мезоморфологический этапы исследования.

3.2. Микростроение и состав естественной и техногенно-преобразованных почв.

3.3. Изменение структурного состояния почв ландшафтов полигонов

3.4. Изменения водно-физических показателей техногенно-нарушенных почв полигонов ТБО.

3.5. Реологические свойства техногенно-преобразованных почв, территорий полигонов ТБО и их взаимосвязь с гранулометрическим составом.

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ФРАКЦИЙ ПОЧВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОЛИГОНОВ ТБО.

4.1. Минералогический состав чернозема обыкновенного карбонатного ненарушенного сложения.

4.2. Минералогический состав почв полигонов ТБО. t 4.2.1. Действующий полигон ТБО.

4.2.2. Законсервированная свалка.

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ В РАСПРЕДЕЛЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПО ПРОФИЛЯМ ТЕХНОГЕННЫХ ПОЧВ

ПОЛИГОНОВ ТБО.

ГЛАВА 6. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ПОЛИГОНОВ ТБО.

6.1. Особенности в распределении общего гумуса и его качественный состав в техногенно-нарушенных почвах полигонов ТБО.

6.2. Особенности элементного состава гуминовых кислот почв техногенных ландшафтов полигонов ТБО.

6.3. Органическое вещество отдельных гранулометрических фракций целинного чернозема и черноземных почв техногенно-нарушенных ландшафтов полигонов ТБО.

ГЛАВА 7. ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ ПОД

ВЛИЯНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ.

ГЛАВА 8. ТЕХНОПЕДОГЕНЕЗ И ОСНОВНЫЕ МОРФОТИПЫ ТЕХНОГЕННО-НАРУШЕННЫХ ПОЧВ ЛАНДШАФТОВ ПОЛИГОНОВ

ВЫВОДЫ.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Особенности генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов (полигонов ТБО) Нижнего Дона"

Актуальность исследования. Многомиллионные генерации твердых бытовых отходов (ТБО), ежегодно образующиеся во всех населенных пунктах страны, неизбежно требуют дальнейших действий по их удалению и утилизации. В России подавляющее количество ТБО (до 97 %) все еще продолжают вывозить на свалки. Согласно материалам Киотского протокола об изменении климата подписанного в декабре 1997 г., метан мест захоронений ТБО внесен в реестр основных антропогенных источников выбросов парниковых газов планеты. По проведенной в середине девяностых годов оценке Межправительственной комиссии по изменению климата (IPCC) свалки России ежегодно выбрасывают в атмосферу 1.1 млн. т метана, что составляет примерно 2.5 % от антропогенного планетарного потока. Очень часто, выбирая участок под полигон ТБО, руководствуются экономией средств, игнорируя роль геологических условий и геоэкологически обоснованные концепции захоронения отходов. Это является причиной резкого ухудшения экологического состояния природной среды при эксплуатации полигонов ТБО.

Образование и функционирование полигонов ТБО сопряжено со значительными нарушениями, вызывающими перестройку в системе почвообразующие процессы <-► свойства почвы. Почва, как известно, выполняет целый ряд важнейших экологических функций, и трансформации в этой системе чреваты нарушениями в сопредельных средах, однако исследования по этой проблеме практически отсутствуют. Таким образом, необходимость изучения особенностей генезиса почв полигонов ТБО, обусловлена как теоретической и практической значимостью проблемы, так и отсутствием данных, позволяющих систематизировать и прогнозировать изменения, возникающие в почве при техногенном воздействии данного вида.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - дать сравнительную характеристику почв техногенно-преобразованных ландшафтов полигонов ТБО и целинного зонального аналога; изучить изменения физико-химических свойств, преобразование морфологических признаков на макро-, мезо-, микро- и субмикроморфологическом уровнях в техногенных почвах территорий полигонов ТБО;

- исследовать характер распределения минеральной составляющей тонкодисперсных фракций и компонентов органического вещества по профилям техно-генно-нарушенных почв территорий полигонов ТБО;

Положения, выносимые на защиту:

2. Комплекс определенных физико-морфологических параметров (структурное состояние, плотность, пористость почв, строение почвенного профиля, новообразования и включения), целесообразно использовать как базовые показатели технопедогенеза, лимитирующие выполнение почвами основных экологических функций: аккумуляционной, средообразующей, регуляторной и протекторной.

4. Для почв техногенно-преобразованных ландшафтов характерны следующие основные процессы: переуплотнение; технотурбация; подтопление; загрязнение антропогенными включениями в результате захламления и делювиального привноса с аккумулятивного антропогенного ландшафта в виде «тела» свалки; проявление редоксиморфизма под воздействием биогаза из «тела» свалки на материал реплантанта.

Научная новизна исследования. Впервые для степной зоны, базируясь на комплексном подходе, проанализирован генезис почв полигонов ТБО. Выявлены основные воздействия, оказываемые на почвенный покров территорий полигонов ТБО, и комплексы элементарных почвообразующих процессов, формирующих почвенный профиль данных техногенных почв. На основании подробного морфологического анализа определен вклад отдельных процессов в преобразование почвенной массы. Дана сравнительная характеристика физико-химических свойств, органической и минеральной составляющих в ряду: зональная естественная почва —► действующий полигон ТБО —> рекультивированный полигон ТБО. Обозначены основные механизмы саморегенерации для техногенно-нарушенных почв законсервированных свалок. Проанализировано воздействие загрязнения на биологические свойства почв территорий полигонов ТБО.

Данная работа была поддержана двумя именными грантами ФЦП «Интеграция» в 2001 и 2003 гг. (проекты №№ 80 и 3 3226/2259).

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научно-практических конференциях студентов и аспирантов РГУ «Неделя науки» (Ростов-на-Дону, 2001-2005); молодежных научных конференциях «Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производства» (п. Персиановский, 2001-2004); Международной конференции по антропогенным почвам «Soil anthropization VI» (Братислава, Словакия, 2001); Всероссийской конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002); Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2002, 2005); Всероссийской научной конференции Докучаевских молодежных чтений «Город. Почва. Экология» (Санкт-Петербург, 2003); 7 Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века»; Международной научной конференции «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов» (Казань, 2003); Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003); 2-й Международной конференции по почвам городских, промышленных и техногенных территорий «Soils of Urban, Industrial, Traffic and Mining Areas». SUITMA. (Нанси, Франция, 2003); IV съезде Доку-чаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004); Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы, общим объемом 1,37 пл., личный вклад - 75 %.

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Невидомская, Дина Георгиевна

ВЫВОДЫ

1. Функционирование полигонов ТБО оказывает воздействие на почвы прилегающих территорий, сопровождающееся ухудшением комплекса их свойств: нарушением строения почвенного профиля, появлением новообразований и включений, несвойственных нативным почвам, ухудшением структурного состояния, уменьшением пористости, увеличением плотности, изменением рН в сторону под-щелачивания, увеличением карбонатности профиля.

2. Установлено, что в верхних горизонтах техногенно-нарушенных почв на законсервированной свалке первичная рудеральная растительность способствует возобновлению дернового процесса, что на микроуровне проявляется в преобладании гумусовой плазмы. На макроуровне - обуславливает изменение окраски и улучшение структуры. В обстановке технопедогенеза создаются контрастные внутрипоч-венные условия, которые видоизменяют характер исходных новообразований и включений и способствуют синтезу аутигенных минеральных образований: различных форм кальцита, стяжений железа, железо-марганцевых конкреций, включению антропоморфов во внутрипедную массу.

3. Под влиянием техногенеза в почвах отмечается возрастание степени разупо-рядоченности структуры минералов, ряду почв и грунтов соответствует супердисперсное состояние. По мере перехода от илистой к тонкопылеватой фракции снижается доля лабильных силикатов и возрастает концентрация жестких структур в виде иллита, каолинита, хлорита и кварца, появляются полевые шпаты, в техно-генно-нарушенных почвах идентифицируются смешаннослойные иллит-смектитовые образования. В целинной почве и в техногенно-преобразованных почвах полигонов ТБО, присутствуют хлориты различного химического состава. На основании количественной характеристики минералогического состава тонкодисперсных фракций техноландшафтов, по сравнению с целинным аналогом, наблюдается увеличение гидр о слюдистой компоненты по профилям почв, что является результатом процесса техногенной иллитизации.

4. В почвах техногенных ландшафтов наблюдается изменение их гумусного состояния: содержание гумуса может, как снижаться, так и увеличиваться в зависимости от обогащенности органическим веществом погребенных горизонтов, а также природы того субстрата, который участвует в образовании техногенных горизонтов. Условия гумификации обуславливают химическую «незрелость» гумино-вых кислот новообразованных техногенных горизонтов. Увеличение лабильных форм гумуса сопровождается цементацией почвенной массы свободными R2O3; гидрофильности гумуса способствует образование подвижных гуматов Mg и Na. Техногенное переувлажнение определяет создание прочной связи между высокодисперсными формами гумуса и глинистыми минералами, что увеличивает долю фракций ГК-3 и ФК-3.

6. Технопедогенез на полигонах ТБО обусловлен рядом приоритетных воздействий: турбацией и другими механическими нарушениями почвенного профиля, техногенно спровоцированным подтоплением, осолонцеванием, загрязнением антропогенными включениями в результате захламления и делювиального привноса, воздействием биогаза из «тела» свалки и т.д.

7. В обстановке технопедогенеза черноземы обыкновенные карбонатные подвергаются воздействиям процессов, формирующих генезис почв территорий полигонов ТБО: искусственное переуплотнение почво-грунтового материала, техногенное подщелачивание, миграция соединений железа и марганца, метаморфизация органического вещества, проявление магнезиальной солонцеватости, редоксимор-физма протекающего в «теле» свалки.

9. На территориях техноландшафтов полигонов ТБО способность почв выполнять свои экологические функции резко снижается за счет деградационных трансформаций состояния и свойств почв, требующих очень длительного времени воестановления. Изученные четыре объекта захоронения ТБО по уровню экологической безопасности можно расположить в следующий ряд (в убывающем порядке): полигон ТБО «Западный» > полигон ТБО «Батайский» > полигон ТБО «Аксай-ский» > свалка «Северная».

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Невидомская, Дина Георгиевна, Ростов-на-Дону

1. Агроклиматические ресурсы Ростовской области. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. -251 с.

2. Агрофизические методы исследования почв. М.: Наука, 1966. 259 с. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. - 656 с. Акт № 6/11. Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов (Ростоблкомприрода). Ростов н/Д. - 2003. - С. 1-4.

3. Акт № 25/11. Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов (Ростоблкомприрода). Ростов н/Д. 2003. - С. 1-3.

4. Алексеева-Бескина Т.Н. Город в ситуации глобального кризиса // Экология и жизнь. 2004. - № 3. - С. 4-8.

5. Алещенко М.Г. Минералогический и химический состав илистой фракции предкавказских карбонатных черноземов // Вестн. Моск. ун-та. Биол. почв. -1973.-№ 1.-С. 17-25.

6. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Московского университета, 1970. - 487 с.

7. Ахтырцев Б.П., Лепилин И.А. Водные свойства черноземов обыкновенных южнорусской степи при различных видах использования // Почвоведение. -1991. -№>3.- С. 66-79.

8. Бабак В.В. Геоэкология полигонов твёрдых бытовых отходов Московского региона: Автореф. дис. канд. геол.-минерал. наук. -М., 1991. 19 с. Балаш А.П. Персиановская заповедная степь // Труды Ростовского отделения ВБО. Ростов н/Д, i960. - Вып. 1. - С. 75-89.

9. Безуглова О.С. Гумусное состояние почв юга России. Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦВШ, 2001.-228 с.

10. Белюченко И.С., Перебора Е.А., Чалкин А.В. Развитие первичных сукцессий на свалочном субстрате // Бюллетень НИИ прикладной экологии «Экологические проблемы Кубани». Кубань: Кубанский госагроуниверситет. - 1998. - № 3. -114 с.

11. Беляев В.А. Техногенная трансформация ландшафтов крупного промышленного центра (на примере г. Ярославля): Автореф. дис. канд. географ, наук. М., 1997.- 15 с.

12. Березин П.Н., Гудима И.И. Физическая деградация почвы: параметры состояния // Почвоведение. 1994. - № 11. - С. 67-70.

13. Бондарев А.Г., Кузнецова И.В., Сапожников П.М. Переуплотнение почв сельскохозяйственной техникой, прогноз явления и процессы разуплотнения // Почвоведение. 1994. -№ 4. - С. 58-64.

14. Вавилин В.А., Локшина Л.Я., Ножевникова А.Н., Калюжный С.В. Свалка как возбудимая среда // Природа. 2003. - № 5. - С. 37-45.

15. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. 2-е изд., перераб. и доп. Учеб. Пособие для студентов вузов. -М.: Высшая школа, 1973. - 399 с.

16. Вальков В.Ф. Генезис почв Северного Кавказа. Ростов н/Д: Изд-во Ростовского университета, 1977. - 160 с.

17. Вальков В.Ф., Клименко В.Ф., Крыщенко B.C. Сравнительная характеристика южного и обыкновенного черноземов Ростовской области // Почвоведение. — 1980.-№ 10-С. 5-14.

18. Власов А.Г. Пожарная и экологическая опасность твердых бытовых отходов (на примере Московской области): Автореф. дис. .канд. техн. наук. М., 2001. -24 с.

19. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1968.-328 с.

20. Гаврилюк Ф.Я. Почвы Ростовской области. Ростов н/Д.: Ростиздат, 1949.

21. Гаврилюк Ф.Я. Черноземы Западного Предкавказья. Харьков: Изд-во Харьковского университета, 1955. - 148 с.

22. Герасимова М.И., Быстрицкая Т.Д. Влияние типа использования территории на микростроение обыкновенных чернозёмов // Микроморфология антропогенно изменённых почв. М.: «Наука». 1988. С. 46-55.

23. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация.Учебное пособие / Под ред. академика РАН Г.В. Добровольского. Смоленск: Ойкумена, 2003. - 268 с.

24. Гонопольский A.M., Федоров Л.Г., Мурашов В.Е. Результаты разработки технологии подавления метаногенеза на полигоне для захоронения твердых бытовых отходов // Чистый город. 2003. - № 1. - С. 20-26.

25. Горбов С.Н. Почвы урболандшафтов г. Ростов-на-Дону, их экологическое состояние и оценка загрязнения: Дис. канд. биол. наук. Ростов н/Д, 2002. -162 с.

26. Горбунов Н.И. Глинистые минералы черноземов, каштановых и солонцовых почв // Почвоведение. 1955. - № 5. - С. 32-39.

27. Горбунов Н.И. Методика подготовки почв к минералогическим анализам // Методы минералогического и микроморфологического изучения почв. М., 1972. -С. 5-15

28. Горбунов Н.И. Минералогия и коллоидная химия почв. М.: Наука, 1974. - 314 с.

29. Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв. М.: Наука 1978. - 293 с.

30. Горяинова Н.В. Гумусное состояние черноземов юга Европейской России: Дис. канд. биол. наук. М., 1995. - С. 59-75.

31. Государственный доклад "О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 1998 году" // Экологический Вестник России. 2000. - № 5.-С. 12-21.

32. Градусов Б.П. Минералы со смешаннослойной структурой в почвах. М., 1976. - 128 с.

33. Грати В.П., Синкевич З.А., Клещ Ф.И. Содержание и состав гумуса отдельных механических фракций в почвах Молдавии // Почвоведение. 1965. - № 10. -С. 72-81.

34. Гречищева Н.Ю. Взаимодействие гумусовых кислот с полиядерными ароматическими углеводородами: химические и токсикологические аспекты: Автореф. дис. канд. хим. наук. М., 2000. -29 с.

35. Григорян К.В., Галстян А.Ш. Влияние загрязненных промышленными отходами оросительных вод на ферментативную активность почв // Почвоведение. — 1979.-№3.-С. 130-138.

36. Гусев П.Г., Половицкий И .Я. Химический состав гранулометрических фракций почв степного и предгорного Крыма // Почвоведение. 1986. - № 10. - С. 2835.

37. Гусейнов А.Н. Урбанизация: общебиологические корни и антропогенные последствия // Экология и промышленность России. 1996. - № 11. - С. 4-11.

38. Данилова В.И. Изменение структурного состояния почв при уплотнении и саморазуплотнении//Почвоведение. 1996.-№ 10.-С. 1203-1212.

39. Дементьев С.Ю. Основные проблемы инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического изучения участков размещения полигонов захоронения ТБО и пути их решения: Автореф. дис. канд. геол.-минерал. наук. М., 2000.-22 с.

40. Денисов Н.Я. О природе деформаций глинистых пород. М.: Изд-во Министерства Речного флота СССР, 1951. - 200 с.

41. Денисов Н.Я. Природа прочности и деформаций грунтов. Избранные труды. -М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. 280 с.

42. Джамалбеков Е.У., Олейников А.Г. Лечение земли: (Преображенный ландшафт). Алма-Ата: Наука, 1982. - 128 с.

43. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении: Учебник. М.: Изд-во МГУ, 1995. - 320 с.

44. Довгань С.А. Экологическая безопасность полигонного депонирования твердых бытовых отходов: Автореф. дис. .канд. техн. наук. Воронеж, 2001. 19 с.

45. Докучаев В.В. Избранные сочинения. Т. II. - М.: Гос. изд-во с/х лит-ры, 1949. -446 с.

46. Докучаев В.В. Детальное естественно-историческое, физико-географическое и сельскохозяйственное исследование С.-Петербурга и его окрестностей. Сочинения. Т. VII. - М., 1953. - 447 с.

47. Духнина Т.П., Минкин М.Б., Остриков М.С. К вопросу о константах обмена кальция и магния в почвах // Почвоведение. 1967. - № 9. - С. 120-125.

48. Егоров В.В. Предпосылки к выбору действенных способов мелиорации солонцов // Приемы и методы совершенствования мелиорации солонцов. М., 1976. - С. 53-65.

49. Елдышев Ю.Н. Отходы: не зарывать, а перерабатывать // Экология и жизнь. -2003.-№ 1.-С. 52-55.

50. Заборцева Т.И., Михайлов Ю.П. К учету источников загрязнения природной среды Иркутской области твердыми отходами // География и природные ресурсы. 1997. - № 3. - С. 60-65.

51. Захаров С.А. Почвы Предкавказья // Сб. «Почвы СССР». М.: Изд-во АН СССР, 1939.-Том III.

52. Захаров С.А. Почвоведение на Кавказе за время советской власти // Почвоведение. 1946а.-№ 4.

53. Захаров С.А. Почвы Ростовской области и их агрономическая характеристика. -Ростов н/Д.: Ростиздат, 19466.

54. Земляницкий JI.T., Полтавская И.А., Желдакова Г.Г. Подготовка городских почво-грунтов для озеленения. М., 1962. - 30 с.

55. Зырин Н.Г., Корнблюм Э.А. Глинистые минералы слитого и мицеллярно-карбонатного черноземов Кубани // Вестн. Моск. ун-та. Биол., почв. 1971. -№ 4. - С. 29-36.66

Информация о работе

Невидомская, Дина Георгиевна
кандидата биологических наук
Ростов-на-Дону, 2005
ВАК 03.00.27

Диссертация

Особенности генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов (полигонов ТБО) Нижнего Дона - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы