Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Регенерационное почвообразование в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада России

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Регенерационное почвообразование в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада России"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Л?

АБАКУМОВ ЕВГЕНИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

РЕГЕНЕРАЦИОННОЕ ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ В ПОСТТЕХНОГЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ КАРЬЕРНО-ОТВАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ СЕВЕРО-ЗАПАДА

РОССИИ

Специальность 03.00.27 почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре почвоведения и экологии почв Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор ГАГАРИНА Эльвира Ивановна

Официальные оппоненты:

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор ДОНСКИХ Иван Николаевич Кандидат биологических наук ПЕРЦОВИЧ Александр Юрьевич

Ведущая организация - Научно-Исследовательский Центр Экологической Безопасности РАН, Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится ^ 2004 г в 16 часов на

заседании диссертационного совета Д.212.232.32 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034. Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9, биолого-почвенный факультет, кафедра ботаники, аудитория № 1. Факс (812)3289703

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке им. A.M. Горького Санкт-Петербургского государственного университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

НИКИТИНА Валентина Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Нарушение почвенно-растительного покрова относится к числу самых древних форм негативного воздействия человека на природу. Особенно губительны последствия нарушений, вплоть до полного уничтожения земель в районах функционирования горнодобывающих комплексов. Открытый (карьерный) способ добычи полезных ископаемых преобладает в системе методов эксплуатации месторождений.

Высокие темпы разработки месторождений и, следовательно, растущие нарушения почвенно-растительного покрова требуют принятия срочных мер по реабилитации техногенных ландшафтов. Регенерация почвенно-растительного покрова в посттехногенных экосистемах осуществляется либо при рекультивации, либо в процессе самовосстановления экосистем. Рекультивация земель в техногенных ландшафтах в большинстве случаев не является экономически рентабельной, не всегда отличается эффективностью, поэтому темпы восстановительных работ значительно отстают от скоростей разработки новых месторождений. На современном этапе развития природопользования необходимо формирование концепции регенерации почвенно-растительного покрова в постетхногенных экосистемах, которая будет создана на основании сведений об эффективности рекультивационных мероприятий и закономерностях естественных природных восстановительных процессов.

В рамках общей проблемы изучения генезиса почв особенно актуальной становится задача исследования начальных стадий почвообразования (до 100 лет) с целью изучения последовательности наиболее интенсивного проявления различных элементарных процессов (ЭПП), выявления дифференциации трендов почвообразования на различных по вещественному составу литогенных основах. Эту проблему можно решить с использованием хронокатсн молодых почв на разновозрастных отвалах карьеров.

Цель работы - выявление основных закономерностей природного и рекультивационного восстановления почв на различных литогенных основах в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада Русской равнины. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Оценить объемы техногенных отложений и площади, занимаемые отвалами в районах открытых разработок полезных ископаемых в СевероЗападном регионе, определить основные факторы, затрудняющие рекультивацию различных грунтов в условиях таежной зоны.

2. Подобрать серию объектов исследования, позволяющих оценить специфику восстановления почвенно-растительного покрова на различных временных стадиях посттехногенной эволюции карьерных ландшафтов при рекультивации и естественном зарастании для различных по вещественному

РОС. ПЛМ!'01!АЛЬКЛЯ

с.и«с?ст ОЭ 2(Щв<т ¿3 ?

и гранулометрическому составу отвальных пород. Исследовать особенности развития растительных сообществ на различных отвальных субстратах.

3. Дать сравнительную характеристику макро- и микроморфологических особенностей, гранулометрического, химического состава и физико-химических свойств почв, формирующихся в различных литолого-фитоценотических комбинациях почвообразования.

4. Изучить основные параметры гумусовоаккумулятивного процесса в молодых почвах: содержание гумуса, его фракционно-групповой состав, особенности формирования гумусового профиля, состав и свойства гуминовых кислот, степень внутримолекулярной окисленности гумуса, темпы аккумуляции органического вещества и параметры гумусного состояния.

5. Определить сочетания главных почвенных процессов, исследовать темпы дифференциации профиля на горизонты, провести периодизацию начального педогенеза на различных литогенных основах.

6. Обосновать практические рекомендации по реабилитации посттехногенных ландшафтов с учетом особенностей состава и физических свойств отвальных пород карьеров.

Объекты исследования: Молодые почвы участков самозарастания и рекультивации разновозрастных отвалов карьеров по добыче различных полезных ископаемых на Северо-Западе Русской равнины. Научная новизна работы: Впервые для территории Северо-Западного региона выполнено систематическое исследование начальных стадий развития почв при рекультивации и в процессе природного восстановления. Выявлены стадии начального почвообразования, проведена характеристика молодых почвенных горизонтов. Описаны механизмы природной регенерации почв на различных литогенных основах. Подробно изучены эволюционные закономерности развития гумусового профиля молодых почв на различных породах. Исследованы процессы трансформации органического вещества органоминеральных смесей, наносимых на поверхность отвалов при их землевании. Научная значимость работы дополняется тем, что впервые для условий Северо-Запада проведена подробная характеристика почв на ранних стадиях эволюции для широкого спектра литолого-фитоценотических комбинаций почвообразования. Основные защищаемые положения: Специфика реабилитации посттехногенных ландшафтов Северо-Запада связана с низкой устойчивостью техногенных отвалов к экзогенным воздействиям, невысоким плодородием грунтов и с особенностями гидрологии отвальных пространств. В регенерационном почвообразовании доминируют процессы, тесно связанные с накоплением и трансформацией органического вещества, скорость и стадийность развития гумусового профиля определяют закономерности развития основных почвенных процессов.

Практическая значимость: Данные о скорости развития почвенного профиля на различных стадиях становления поеттсхногенных экосистем в конкретных литолого-фитоценотических комбинациях могут быть учтены при разработке регионально-адаптированных технологий рекультивации земель. Учет отвальных пород в рядах благоприятности для восстановления почвенно-раститсльного покрова может быть полезным при планировании горнотехнического этапа рекультивации и позволит осуществлять селективную укладку вскрыши в отвалы с учетом свойств отдельных генетических типов пород.

Апробация работы: Материалы работы докладывались на Конференции Болгарского общества по изучению гуминовых веществ (Бороветц, Болгария, 2003), Конференции Международного союза организаций по изучению леса (IUFRO-2004, Монпелье, Франция), III и IV Съездах Всероссийского общества почвоведов при РАН, ежегодных Докучасвских молодежных чтениях в СПбГУ с 1997 по 2004 г, на конференциях «Ломоносов-1999, 2001» в МГУ им. М.В. Ломоносова, международных конференциях «Агрофизика XXI века» (СПб, 2002), «Биогеография почв» (Сыктывкар, 2002), «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (МГУ, 2003), Международной конференции «Экология-2003» (Архангельск, 2003), Международном экологическом форуме «Сохраним планету Земля» (СПб, 2004) и на трех тематических конференциях «Гумус и почвообразование», проведенных в 2001, 2002 и 2003 гг. в СПбГАУ. Личное участие автора в работе заключается в постановке задач исследования, подборе объектов и методов, организации и проведении экспедиционных работ, выполнении лабораторных анализов, в обобщении и интерпретации полученных результатов, в реализации и апробации работы. Публикации: опубликовано 12 статей (из них 3 на английском языке), 12 тезисов докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, приложений. Библиография 21С наименований (в том

числе I£ на иностранных языках). Общий объем работы страниц,

основное содержание изложено на ¿^страницах, содержит таблиц,

рисунков, //2 страниц приложений.

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ ИЗУЧЕНИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ПОЧВ В ПОСТТЕХНОГЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ КАРЬЕРНО-ОТВАЛЬНЫХ

КОМПЛЕКСОВ

В главе проведен последовательный анализ проблем техногенеза и тсхнопсдогснсза как глобальных биосферных явлений, хронологии регенерационного почвообразования, рассмотрены основные закономерности рскультивационного и природного почвовосстановления на отвалах карьеров таежной зоны, механизмы, процессы и основные признаки регенерационного

почвообразования, вопросы классификации и систематики отвальных грунтов и молодых почв карьеров.

Исследования регенерации почв и растительности на карьерах в нашей стране интенсивно проводились лишь последние 30 лет и в основном были направлены на сбор фактического материала о скорости и направленности инициального почвообразования в разнообразных техногенных ландшафтах (Трофимов и др., 1986, Таранов и др., 1977, Фаткулин, 1979, Ужсгова и др., 1984, Гагарина и др., 2003, Махонина, 2003, Андроханов и др., 2004 и мн. др.). Одновременно развиваются мониторинговые исследования почвовосстановления в процессе рекультивации земель (Бурыкин, 1985, 1991, Баева и др., 1992, Капелькина, 1996, Андроханов и др., 2000, Арчегова, 2000, Махонина, 2003, 2004). Хорошо изучены процессы регенерационного почвообразования в лесостепных, степных и горных регионах (Махонина и др., 1973, Ужсгова и др., 1984, Трофимов и др., 1986, Голсусов и др., 1999, Клевенская, 1992, Андроханов и др., 2000, Махонина, 2003 и мн. др.), районах Севера (Капелькина, 1996, Арчегова, 2000, 2003), в центральной части южнотаежной подзоны Русской равнины (Пономарснко, 1986, Гсльцер и др., 1989 и мн. др.), в Прибалтике (Петров и др., 1994, Рейнтам, 1989, 2001, Reintam ^ al, 2002). Северо-Западный регион оказался почти незатронутым подобными исследованиями. В целом по стране имеется гораздо больше публикаций по изучению рекультивации земель, чем по природному восстановлению почв и растительности в поеттсхногенных ландшафтах. Исследования начальных стадий восстановления почв представляют интерес в нескольких аспектах. Почвы и время. Серии разновозрастных почв на отвалах карьеров - удобный объект для изучения эволюционных закономерностей становления почв (Таргульян и др., 1989, Геннадиев, 1990, Махонина, 2003, 2004). При этом часть авторов воспринимает почвы карьеров в качестве т.н. почвогрунтов, уделяя основное внимание изучению верхней части корнеобитасмого слоя. Другая часть исследователей относит молодые почвы карьеров к эмбриоземам с четко выраженными горизонтами, формирующимися в результате проявления отдельных ЭПП.

Механизмы и основные процессы регенерационного почвообразования.

Известно большое количество исследований, связанных как с начальными стадиями заселения отвальных грунтов живыми организмами и локальной инициацией почвообразования, так и с многолетним мониторингом почвовосстановления на отвалах карьеров. Данные о скорости основных ЭПП при восстановлении почв на различных отвальных породах весьма разнообразны, что связано с литогенной спецификой субстратов почвообразования, особенностями фитоценозов и характером их сукцессии. Для основных горнодобывающих районов эти данные обобщены и систематизированы. Исключение составляет Северо-Западный регион.

Развитие гумусовоаккумулятивного процесса на начальных стадиях становления почв. Установлено, что генетическую и экологическую сущность регенерационного почвообразования составляют процессы, тесно связанные с аккумуляцией и трансформацией органического вещества (Рейнтам, 2001, Андроханов, 2002, Арчегова, 2003). Стадийность и скорость начального почвообразования при этом зависят не только от типа литогенной основы, но и от темпов роста и продуктивности растительных сообществ.

Глава 2 . ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе исследованы основные типы отвальных пород карьеров Северо-Запада, где восстановление почвенно-раститсльного покрова осуществляется в основном за счет природных механизмов (самозарастание отвалов). Наиболее масштабные разработки полезных ископаемых сопровождаются рекультивацией, что позволило нам включить их в список объектов изучения.

Рекулътивационное почвообразование подробно исследовано в ходе многолетнего мониторинга развития рсплантоземов на отвалах ПО «Фосфорит» Кингисеппского месторождения фосфоритов. Здесь было проведено 3 тура исследований: 1989-1990 гг (Баева и др., 1992) и 1998-1999 -2001-2002 гг (наши исследования). В работе обсуждаются данные по двум хронокатенам почвообразования: 5, 10, 15 и 19- летние рсплантоземы на суглинистых рыхлых малокарбонатных вскрышных породах, нанесенных на поверхность твердой минеральной вскрыши, и серия 10, 19 и 23-летних реплантоземов на торфяно-минеральных суглинистых малокарбонатных субстратах, нанесенных при землевании отвалов. Все почвы формируются под посадками хвойных пород. Рекультивация песков изучена в хронокатене (1, 2, 15 лет) реплантоземов, сформированных при землевании отвалов при помощи органоминеральных субстратов (смесь песка и органогенных горизонтов природных почв).

Природное восстановление почв исследовано на следующих типах отвальных пород: 1. карбонатные техногенные щебнистые элювии карьеров по добыче известняков и доломитов, хронокатена 2, 8, 10, 20, 40, 200 и 300-летних рендзин; 2. водноледниковые пески, хронокатена 3, 10, 20, 30 и 60-лстних почв (примитивных слабогумусированных и эмбриоподзолов); 3. отсевы дробления гранитов и гранито-гнейсов, 3, 8 и 35-летние почвы; 4. отвалы моренных и озерно-ледниковых кирпичных глин, 20 и 50-летние почвы, 5. хроносерия 3, 10 и 30-лстних почв на плотных синих кембрийских глинах.

Помимо традиционной характеристики общих физико-химических свойств, гранулометрического и валового химического состава почв исследованы параметры органического вещества молодых почв: фракционно-групповой состав гумуса, элементный состав, функциональные группы, калорийность, оптические характеристики гуминовых кислот (ГК), степень

внутримолекулярной окисленности гумуса и его устойчивость к химическому окислению. Проведены микроморфологические исследования почв. В работе исследовано более 15 участков рекультивации и самозарастания, каждый из них представлен разновозрастными стадиями.

Глава 3. ПОЧВЫ РЕКУЛЬТИВИРОВАНННЫХ ЗЕМЕЛЬ Рекультивация отвалов ПО «Фосфорит» Показано, что два типа рекультивации: нанесение суглинистой малокарбонатной вскрыши и торфяно-минеральной массы на поверхность скальных щебнистых отвалов с последующей высадкой хвойных пород коренным образом различаются. В случае изначально безгумусных суглинистых карбонатных пород дифференциация профиля на горизонты, гумусонакопление, изменение основных свойств почв тесно связаны со скоростью сукцессии фитоценозов. С возрастом в почвах хронокатены наблюдается снижение рН, содержания СаСО3 и увеличение нссиликатных форм железа, что свидетельствует об активном выветривании минеральной части почв. По мере развития растительного сообщества, смены типа поступления опада с внутирипочвенного корневого (0-15 лет) на напочвенный хвойный (после 15 лет при формировании сомкнутого древесного полога) происходит резкое снижение скорости гумусонакоплсиия, интенсификация процессов трансформации органического вещества, дифференциация профиля почвы на горизонты, резко различающееся по составу гумуса. В составе гумуса растет доля гумусовых кислот, прочно связанных с минеральной частью почвы и нсгидролизусмого остатка. В случае восстановления почв на торфяно-минеральных субстратах не наблюдается тесной зависимости скорости начального почвообразования от темпов развития и продуктивности фитоценоза. Органическое вещество торфа, внесенное в грунты при рекультивации ускоряет выщелачивание и выветривание минеральной части почвы. Относительно высокое плодородие торфяно-минеральных субстратов способствует интенсивному освоению грунтов растительностью, формированию более мощных гумусовых горизонтов. С возрастом содержание органического углерода постепенно снижается с 10 до 7 %, что связано с минерализацией и постепенной гумификацией органического вещества внесенного торфа. Микроморфологические исследования подтвердили, что внесение торфа способствует выветриванию минералов, формированию гумусово-глинистой плазмы, острукутрированию. Рекультивация песчаных отвалов Органоминсральныс песчаные смеси, наносимые на сухие отвалы при рекультивации способствуют быстрому зарастанию грунтов. При этом наблюдается интенсивная минерализация органического вещества, за счет потери легкоокисляемой фракции гумуса, что происходит на фоне увеличения глубины гумификации. Устойчивость органического вещества смесей лимитируется невысоким содержанием тонкодисперсной фракции в реплантоземах, что частично компенсируется

внесением органического вещества, которое способствует трансформации минеральной части почвы, увеличению поглотительной и водоудерживающей способности.

При помощи рекультивации можно «катализировать» основные экосистемные процессы, в т.ч. и почвообразование. Причиной ускорения почвенных процессов является интенсификация накопления и трансформации органического вещества. Это может быть достигнуто как при непосредственном внесении органического вещества в грунт при рекультивации, так и путем нанесения рыхлых субстратов на плотные вскрышные породы.

Глава 4. РЕГЕНЕРАЦИЯ ПОЧВ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЭКОСИСТЕМ НА ЗАБРОШЕННЫХ КАРЬЕРНО - ОТВАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСАХ

Самовосстановление почв и растительности происходит медленнее, чем при рекультивации, что связано с постепенным освоением нерекультивированных субстратов растительностью. При этом развитие фитоценоза приводит к необратимым изменениям почвы, что в свою очередь является одной из движущих сил развития фитоценоза (Таргульян, 1982, Разумовский, 1999).

Карбонатные щебнистые техногенные элювии на отвалах карьеров по добыче известняков и доломитов: постепенное развитие растительности и смена травянистых группировок редкостойными мелколиственными лесами сопровождается увеличением мощности профиля, его дифференциацией, формированием гумусового горизонта под дерниной, интенсивным выщелачиванием мелкозема, снижением рН и постепенным увеличением запасов гумуса на фоне снижения его процентного содержания за счет «разбавления» увеличивающимся количеством мелкозема. Для органического вещества молодых рендзин характерны низкая глубина гумификации и преобладание фульвокислот (ФК). Глубина гумификации и доля фракций, связанных с минеральной частью почвы, в т.ч. и с кальцием увеличивается по мере выщелачивания субстрата и снижения рН. Из-за высокой плотности карбонатных техногенных элювисв и общей их устойчивости к процессам выветривания что профиль почв развивается медленно. Характерная для рендзин морфология и аналитические характеристики проявляются только в 200-300 летних почвах. Глинистые и суглинистые отвалы

Восстановление почв на кембрийских глинах. На плотных кембрийских глинах сукцессии растительности проходят медленно, на долгое время затягивается стадия разреженного растительного сообщества и только к 30-40 годам появляются участки с сомкнутым древесным пологом (ивово-ссроольховые леса). В 3 иЮ летних почвах выражены горизонты Av и А. К 30 годам появляется ожелезненный и оглсенный горизонт ABg. В дерново-

литогсшшых почвах наблюдается постепенное накопление гумуса, увеличение общей мощности профиля, гумусовых горизонтов. С возрастом снижается рН, растет обменная и гидролитическая кислотность, емкость катионного обмена, доля несиликатных форм железа. К стадии формирования сомкнутого древесного полога, приурочено также увеличение глубины гумификации, отношения Сгк/Сфк и содержания гумусовых кислот, прочносвязанных с минеральной частью почвы.

Восстановление почв на суглинистых отвалах карьеров по добыче моренных и озерно-ледниковых кирпичных глин. На четвертичных суглинках восстановление растительности происходит быстрее чем на кембрийских глинах, здесь формируются более продуктивные растительные сообщества, в которых травяной покров постепенно сменяется редкостойными ивово-березовыми лесами. В 20-летних почвах гумусовоаккумулятивный процесс выражается в формировании горизонтов Лу и А мощностью до 10 см. На этой стадии инициируются процессы лессиважа, снижение содержания тонкодисперсных фракций в верхних горизонтах и формирование редких глинистых кутан в нижней части профиля. В профиле 50-летних элювиально-оглсенных почв выделяются горизонты Лу, Л, Е, В, ВС. В элювиальных горизонтах наблюдается повышенная кислотность, высокое содержание нссиликатных форм железа, валового оксида кремния, низкое содержание тонкодисперсных фракций. Иллювиальные горизонты также диагностируются по макро- и микроморфологическим признаками и аналитическим характеристикам. С возрастом постепенно увеличиваются запасы гумуса за счет вовлечения в почвообразование дополнительных количеств мелкозема, хотя темпы гумусонакопления замедляются. Увеличивается неоднородность профиля по составу и содержанию органического вещества, возрастает глубина его гумификации в верхних горизонтах, происходит преимущественное накопление ФК в Е горизонтах и прочносвязанных гумусовых кислот в иллювиальных горизонтах. Таким образом, четвертичные суглинки в силу рыхлости, значительной выветренности, более легкого гра!гуломстричсского состава и относительно высокого плодородия являются более благоприятными субстратами для восстановления растительности и почв, чем более плотные и тяжелые кембрийские глины, попавшие на поверхность отвалов из коренного залегания. Песчаные отвалы

Восстановление почв на отсевах дробления гранито-гнейсов На сухих отвалах нейтральных отсевов дробления гранито-гнейсов растительные сообщества долгое время пребывают на стадии беднотравно-моховых группировок с подростом сосны. К 35-годам формируются сосново-ольхово-ивовые леса. Профили 3 и 8-летних почв представлены горизонтами А, АС и С. Лишь к 35-годам инициируется подзолистый процесс, в профиле выделяются горизонты Е, Б, Н, АЕ, ВС, С. На этой стадии отмечается

постепенная дифференциация профиля по аналитическим показателям. Высокое содержание щелочноземельных элементов, нейтральная реакция, низкая влагообсспсченность песчаных отвалов препятствуют развитию подзолистого процесса, который активизируется только на стадии формирования лесного фитоценоза с сомкнутым пологом. Восстановление почв на отвалах водноледниковых песков Постепенная смена травяных фитоценозов редкостойными сосновыми лесами на 20-летних отвалах сопровождается интенсивным накоплением подстилки, ее трансформацией, формированием фульвокислот, оподзоливанием верхней части профиля почвы. По мере увеличения мощности подстилки, постепенно дифференцирующейся на слои L, F, Н, возрастает се влагоемкость, увеличивается мощность как всего почвенного профиля, так и подзолистого горизонта, который в 60-летней почве приобретает все характерные морфологические черты и физико-химические характеристики. Происходит дифференциация профиля по составу органического вещества — в горизонте Е аккумулируется максимальное количество ФК, в иллювиальном горизонте - ГК и ФК первой фракции.

Таким образом, скорость дифференциации профиля песчаных почвогрунтов на горизонты находится в тесной зависимости от степени выветренности субстрата, содержания щелочноземельных элементов, рН и темпов зарастания отвалов.

Глава 5. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ

МОЛОДЫХ ПОЧВ В СВЯЗИ С РАЗВИТИЕМ БИОГЕННО-АККУМУЛЯТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

Состав и свойства гумусовых кислот четко отражают особенности и глубину процесса гумификации. Графостатистическая характеристика элементного состава ГК молодых почв в координатах атомных отношений О:С - Н:С показала, что наиболее близки по свойствам к ГК зрелых почв гумусовые кислоты, выделенные из реплантоземов ПО «Фосфорит» и 200300- летних рендзин. Гумусовые кислоты почв на четвертичных песках и суглинках имеют элементный состав, средний между ФК и ГК. В почвах на плотных карбонатных щебнистых породах, кембрийских глинах и отсевах дробления гранито-гнейсов гумусовые кислоты, почти полностью идентичны ФК по элементному составу и содержанию кислых функциональных групп, единственное их сходство с ГК - способность выпадать в осадок при подкислении раствора. Оптические характеристики и элементный состав ГК показывают, что на начальных стадиях трансформации органического вещества ГК отличаются повышенной бензоидностью, которая постепенно снижается за счет увеличения периферической алифатической части ГК.

Для почв с песчаным мелкоземом характерно эктоморфонос накопление гумуса в виде подстилок. Гумус в минеральной части почв закрепляется в виде пленок органического вещества на поверхности

минеральных зерен. В случае суглинистого или карбонатного суглинистого мелкозема преобладает эндоморфнос гумусонакопленис в виде гумусово-глинистой плазмы. В песчаных почвах ФК резко преобладают над ГК. Почвам на кембрийских глинах и карбонатных щебнистых элювиях свойственно низкое содержание как ГК, так и ФК на фоне значительной доли негидролизуемого остатка. Глубина гумификации органического вещества увеличивается в почвах на четвертичных суглинках и достигает максимальных значений в карбонатных реплантоземах и 200-300 летних рендзинах. Таким образом, литогенный фактор определяет не только скорость дифференциации профиля на горизонты, но и основные параметры биогенно-аккумулятивных процессов.

Поскольку биогенно-аккумулятивные процессы являются ведущими в регенерационном почвообразовании, скорость изменений отдельных их признаков, а также темпы дифференциации гумусового профиля могут служить основой для выделения стадий восстановления почв - периодизации начального почвообразования. Независимо от типа почвообразующей породы и особенностей фитоценозов в регенерационном почвообразовании можно выделить три стадии: стадия гумусированного почвогрунта (в профиле выражены маломощные пятнисто-гумусовый и дерновый горизонты, почвообразование выражается в инициальном гумусировании мелкозема), стадия формирования собственно почвенных горизонтов (появление связано с формированием лесных сообществ, при этом активизируются процессы миграции гумусовых кислот, что приводит не только к выветриванию минеральной части почв, но и к миграции и иммобилизации органоминеральных соединений, на этой стадии отдельные микрогоризонты выделяются в основном по аналитическим показателям, при этом морфологически отчетливо заметно, что почвообразование выходит за пределы поверхностных органо-аккумулятивных горизонтов), стадия формирования эмбрионального профиля (на этой стадии формируются горизонты, выделяющиеся как по морфологическим, так и по аналитическим характеристикам, набор горизонтов на этой стадии нередко соответствует зональному для почв на данном типе породы). Смена стадий однотипна для всех литолого-фитоценотических комбинаций почвообразования. Но сроки их появления определяются в основном типом почвообразующей породы (см. схему). Приведенная схема не противоречит периодизации почвенных процессов, предложенной А.Л. Александровским (2002), однако отличается несколько более ранним проявлением стадии эмбрионального профиля для таежной зоны. Тем не менее, полученные нами результаты хорошо согласуются с имеющимися данными (Пономарснко, 1986, Гсльцер, 1989, Гагарина и др., 2003). По-видимому, данные о том, что подзолистый эмбриопрофиль формируется только после 100 лет освоения субстрата растительностью, отражают специфику объектов исследования и его методологические особенности

Обычно диагностику ЭПП проводят по твердофазным продуктам. Если основное внимание уделять процессам изменения минеральной части почв, то стабилизация эмбриопрофиля по этим признакам действительно может отставать от темпов дифференциации профиля по составу органического вещества.

Схема 1. Периодизация начального почвообразования

Тип регенерации почв Стадия гумусирован ного почвогрунта Стадия проявления собственно почвенных горизонтов Стадия «эмбрио нального» почвенного профиля

Рекультивация До 10 лет 10-20 лет Более 20 лет

Природное восстановление на щебнистых, глинистых грунтах и песчаных отсевах До 20 лет 20-60 лет Более 60 лет

Природное восстановление на водноледниковых песках и четвертичных суглинках До 10 лет 10-30 лет Более 30 лет

В заключение следует отметить, что скорость регенерации почв может различаться в 5 раз в зависимости от того, проводилась ли рекультивация или нет и от того, подвергалась ли отвальная порода процессам дезинтеграции и выветривания во время четвертичного периода или находилась в коренном залегании.

Глава 6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ, МАСШТАБЫ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ОБОСНОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО РЕАБИЛИТАЦИИ1 ПОСТТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ОТКРЫТЫХ РАЗРАБОТОК НА СЕВЕРО-ЗАПАДЕ РОССИИ Выполненные нами расчеты показывают, что объем отвальных пород на территории карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада составляет около 5х108м3, т.е. около 5 % от всего объема техногенных субстратов, складированных в пределах горных разработок России. Результаты мониторинга поеттсхногенных экосистем карьерно-отвальных комплексов свидетельствует о том, что успешная биологическая рекультивация не всегда обеспечивает формирование устойчивых биогеоценозов. Наиболее важными факторами, лимитирующими развитие посттехногенных экосистем, являются физические свойства техногенных грунтов. Недоучет этих факторов при

рекультивации приводит к гибели древесных насаждений, заболачиванию рекультивированных земель, водной эрозии глинистых отвалов, дефляции и водной эрозии песчаных отвалов и эоловому загрязнению прилегающих к карьерам территорий. В конце главы приводятся практические рекомендации по рациональной рекультивации земель и способах учета данных о природных процессах восстановления почв при разработке технологий рекультивации.

ВЫВОДЫ

1. На территории открытых горных разработок Северо-Запада складировано около 5 % от всех отвальных вскрышных грунтов, находящихся на поверхности карьеров Российской Федерации. При достаточно благоприятных химических и агрохимических характеристиках значительная доля техногенных отвалов представляет собой неустойчивые поверхностные образования, для которых основным фактором, лимитирующим реабилитацию являются физические свойства.

2. Восстановление растительности при самозарастании проходит по типу экогенетических сукцессии, каждой стадии развития растительного сообщества соответствует своеобразная почва с определенным набором признаков и свойств. При рекультивации, связанной с агрохимической и физической оптимизацией грунтов сукцессии растительности осуществляются быстрее, чем при самозарастании.

3. На начальных стадиях генетический тип почвообразующих пород оказывает на регенерационнос почвообразование большее влияние, чем тип фитоценоза. Скорость дифференциации почвенного профиля на горизонты в процессе самовосстановления увеличивается в ряду отвальных пород: карбонатные техногенные элювии ~ кембрийские глины ~ слабощелочные песчаные отсевы < моренные и озерно-ледниковые суглинки < водноледниковые пески. По благоприятности для почвовосстановления рекультивируемые грунты располагаются в следующий возрастающий ряд: потенциально-сульфатнокислые суглинки < карбонатные суглинки < гумусированные пески < гумусированные карбонатные суглинки.

4. Гумусонакопление в первые 5-20 лет регенерации почвы развивается особенно стремительно, аккумулятивные процессы доминируют над трансформационными. С появлением сомкнутого древесного яруса наблюдается дифференциация однородного гумусированного горизонта на специфические микрогоризонты, что связано с трансформацией органического вещества, миграцией гумусовых кислот и их взаимодействием с минеральной частью почвы.

5. Микромофологичсскис исследования выявили, что в песчаных почвах гумусированис минеральной массы связано с закреплением гумусовых пленок на поверхности песчаных частиц, в суглинистых - с аккумуляцией глинисто-гумусовой плазмы. Интенсивное выветривание

мелкозема по времени совпадает с интенсификацией процессов трансформации органического вещества.

6. Морфологические признаки отдельных процессов почвообразования формируются уже через 10-20 лет. В развитии почвенного профиля можно выделить три типа горизонтов: короткоживущис - ОА, ЛуС, ОС, появляющиеся на самых начальных стадиях освоения субстрата растительностью, быстроразвивающиеся - О (Е,Р,И), Лу, А, для которых характерна быстрая стабилизация всех признаков уже через 10-20 лет, и постепенно развивающиеся (АС, АВ, АЕ, Е, В), интенсивное развитие которых происходит после 20 лет (рекультивированные субстраты), 30 лет (четвертичные пески и суглинки) и 60 лет (сухие отсевы, плотные глины и карбонатные щебнистые породы). Выделены стадии: поверхностно гумусированного почвогрунта, появления собственно почвенных горизонтов и формирования эмбрионального профиля почвы, продолжительность которых зависит от особенностей отвальных пород.

7. По составу и свойствам ГК молодых почв можно заключить, что процесс гумификации наиболее полно осуществляется на богатых в минералогическом и химическом отношении рекультивированных карбонатных суглинках, менее выражен в кислых почвах на четвертичных песках и суглинках и практически не осуществляется по классической схеме на плотных и сухих грунтах, где трансформация органических остатков приводит к формированию гуминовых веществ сходных с ФК.

8. Формирование фракционно-группового состава гумуса молодых почв определяется особенностями субстрата почвообразования. Для почв на карбонатных щебнистых техногенных элювиях и кембрийских глинах характерно очень низкое содержание ГК и ФК, что связано с низкой степенью гумификации органического вещества. В случае воднолендиковых песков и отсевов дробления гранитов на фоне значительного содержания ГК, существенно преобладают ФК. В случае четвертичных суглинков, рекультивированных субстратов и 200-300 летних рендзин относительное содержание ГК значительно увеличивается.

9. Рекультивация оптимизирует свойства вскрышных пород и вызывает быстрое развитие фитоценозов, что способствует более интенсивному проявлению биогенно-аккумулятивных процессов, высокой степени гумификации органического вещества и существенному преобразованию минеральной части почвы по сравнению с почвами участков самозарастания карьеров.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Абакумов Е.В. Молодые почвы отвалов вскрышных пород Кингисеппского месторождения фосфоритов // Материалы по изучению русских почв, Вып. 2 (29), СПб, СПбГУ, 2001, с. 56-59.

2. Абакумов Е.В., Гагарина Э.И. Состав и свойства гуминовых кислот молодых карбонатных почв карьсрно-отвальных комплексов Ленинградской области // Сб. научных трудов СПбГАУ «Гумус и почвообразование», СПб, изд-во СПбГАУ, 2002, с. 21-26.

3.Абакумов Е.В., Гагарина Э.И. Гумусообразование в карбонатных почвах карьсрно-отвальных комплексов Северо-Запада Русской равнины // Вестник СПбГУ, Сер. 3, «Биология», Вып. 1, № 3,2002, с. 67 - 75.

4. Абакумов Е.В., Лисицына О.В. Начальные стадии почвовосстановления и самозарастанис карьсрно-отвальных комплексов Ленинградской области // Материалы по изучению Русских почв, 2003, Вып. 4 (31), с. 59-61.

5. Абакумов Е.В., Гагарина Э.И., Лисицына О.В.. Гумусообразование на начальных стадиях самовосстановления почвенно-раститсльного покрова на отвалах карьеров таежно-лесной зоны Европейской территории России // Сб. трудов II международной конференции «Гуминовыс вещества в биосфере», М., МГУ, 2003, с. 49-52.

7. Абакумов Е.В., Гагарина Э.И. Рекультивация земель в поеттсхногенных ландшафтах и физические свойства отвальных грунтов // Труды Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации», М, МГУ, 2003, с. 262-264.

8. Абакумов Е.В, Гагарина Э.И. Начальные стадии почвовосстановления на отвалах отсева дробления гранитов в районе горнодобывающего комплекса пос. Кузнечное (Ленинградская обл.) // Вестник СПбГУ, Сер. 3, «Биология», Вып. 3, № 19,2003, с. 87-96.

9. Абакумов Е.В., Гагарина Э.И. Биогенно-аккумулятивныс процессы почвообразования как основа устойчивого функционирования регенерационных экосистем в посттехногенных ландшафтах // Доклады Международного Экологического Форума «Сохраним планету Земля», СПб, ЦМП им. В.В. Докучаева РАСХН, 2004, с. 192-196.

10. Abakumov E.V. Soils of rccultivatcd quarries of the north-west of Russia // Proceedings of the First International conference on Soils of Urban, Industrial, Traffic and Mining areas, Vol. 3, University of Essen, Germany, 2000, pp. 821825.

11. Abakumov E.V. Soils of mining areas - the natural model of soil formation // Proceedings of the First International conference on Soils and Archaeology, Szcnt Istvan University Godollo, Szazhalombatta, Hungray, 2001, pp. 163-165.

12. Abakumov E.V., Gagarina E.I., Popov A.I. Humus formation and development of Podzol soils during primary succession of plant on mining-quarries complexes in taiga zone (Leningrad region) // Bulgarian Journal of Ecological Science "Ecology and Future", Vol. II, No 3-4,2003, Sofia, pp. 22-25.

13. Abakumov E.V., Lisitsina O.V., Gagarina E.I. The theoretical basis of mining-quarries land recultivation in taiga zone in Russian North-Wcst // Abstracts of IUFRO Division 1 Conference "Meeting the challenge: Silvicultural Research in a Changing World", Montpellicr, France, 2004, p. 3-5.

Подписано в печать 12.07.2004 г. Формат 60X84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Усл. п. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 3318. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии НИИХ СПбГУ с оригинал-макета заказчика. 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26.

*1бзое

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Абакумов, Евгений Васильевич

Введение

ГЛАВА 1. Современные научные представления в области регенерации почв в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов

1.1. Техногенез и технопедогенез как глобальные биосферные явления

1.2. Почвы и время. Модели развития

1.3. Основные закономерности регенерации почв при самовосстановлении биоценозов и рекультивации земель

1.4. Абиогенные процессы в техногенных ландшафтах. Техноэкзогенез как фактор эволюции ре генерационных экосистем

1.5. Механизмы регенерационнош почвообразования в ландшафтах карьерно-отвальных комплексов

1.6. Оценка потенциала ре генерационных экосистем как компонента депонирования атмосферного углерода

1.7. Классификация и систематика отвальных грунтов и молодых почв карьерно-отвальных комплексов

Введение Диссертация по биологии, на тему "Регенерационное почвообразование в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада России"

Интенсивное и разнообразное антропогенное воздействие на природные ландшафты становится в настоящее время все более серьезной проблемой. Нарушение почвенно-растительного покрова относится к числу самых древних форм негативного воздействия человека на природу. Техногенное воздействие на природные экосистемы сопровождается безвозвратным изъятием и нарушением природных и антропогенных экосистем на обширных территориях. Особенно губительные последствия нарушений, вплоть до полного уничтожения земель, наблюдаются в районах функционирования горнодобывающих комплексов. Открытый (карьерный) способ добычи полезных ископаемых признан наиболее дешевым, поэтому он и является преобладающим в системе способов добычи полезных ископаемых.

Общая площадь техногенно нарушенных земель Российской Федерации по состоянию на 2002 год составляет 1,1 млн га, из них около 9 % приходится на земли, нарушенные при разработках месторождений строительных полезных ископаемых, 16 % - на земли, связанные с разработками торфяников, на объекты газовой, нефтяной, металлургической и угольной промышленности соответственно - 12, 9, 35 и 19% (Андроханов, 2000, Гос. Доклад, 1999, 2000). Постепенное отчуждение земель под населенные пункты, дороги, горную промышленность и прочие нужды из сельскохозяйственного фонда приводит к сокращению площади пашни на душу населения: за период с 1975 по 2000 г. этот показатель уменьшился с 0,93 га до 0,73 га в среднем по России (Ковда и др, 1988, Махонина, 2003). Высокие темпы разработки месторождений полезных ископаемых и, следовательно, растущие нарушения почвенно-растительного покрова требуют принятия срочных мер по реабилитации техногенных ландшафтов. Традиционным способом быстрого возвращения нарушенных земель в сельскохозяйственное использование является их рекультивация. Направление рекультивации земель относительно молодо, оно стало активно развиваться в нашей стране с 1970-х годов. Следует отметить, что рекультивация в техногенных ландшафтах в подавляющем большинстве случаев не является экономически рентабельной, не всегда отличается эффективностью, поэтому темпы восстановительных работ значительно отстают от скоростей разработки новых месторождений и регенерации экосистем на нарушенных территориях, вследствие этого площадь рекультивированных земель в нашей стране составляет лишь 50 % от всей территории техногенных бедлендов (Гос. Доклад, 1999,2000).

Регенерация почвенно-растительного покрова в посттехногенных экосистемах осуществляется либо при рекультивации, либо в процессе самозарастании отвалов. Наряду с данными об эффективности рекультивационных мероприятий в различных комбинациях литологических и биоклиматических условий почвообразования, итоги исследований закономерностей и результатов естественных восстановительных процессов, протекающих при самовосстановлении почвенно-растительного покрова, могут способствовать созданию целостной концепции регенерации экосистем после деструктивных техногенных воздействий.

Кроме большого практического значения, исследования антропогенного почвообразования важны для развития почвоведения как фундаментальной дисциплины. Разновозрастные самозарастающие и рекультивируемые отвалы являются не только очень удобным объектом для изучения становления современных биогеоценозов. Научная значимость этих исследований обусловлена тем, что они представляют собой своеобразную физическую модель педогенеза в пределах хронокатен регенерации почв. В рамках общей проблемы изучения генезиса почв особенно актуальной становится задача исследования именно ранних стадий почвообразования (до 100 лет) с целью изучения последовательности наиболее интенсивного проявления различных ЭНН, выявления дифференциации трендов почвообразования на различных по вещественному составу литогенных основах.

На территории Северо-Запада Русской равнины проводится интенсивная добыча торфов, песков, песчано-гравийных отложений, кирпичных глин, гранитов и гранито-гнейсов, известняков и доломитов, фосфоритов. По различным оценкам площадь земель, нарушенных в результате открытых горных разработок, составляет от 0,1 до 0,5 % от территории Северо-Западного региона. Из них рекультивировано всего 4 - 8 %. Северо-Западный регион сильно отстает от средних показателей доли рекультивированных земель в других регионах страны, где эта величина составляет около 20-50 %. Основные площади техногенных бедлендов приурочены к крупным горнодобывающим комплексам по добыче фосфоритов, известняков, сланцев, гранито-гнейсов, огнеупорных и кирпичных глин, песков. Главные месторождения находятся в пределах Ижорской возвышенности, Приневской низменности, Балтийского кристаллического щита, Валдайской возвышенности и Лужской гряды. Как правило, в районах разработок крупных месторождений полезных ископаемых формируются относительно крупные населенные пункты (гг. Каменногорск, Кингисепп, Боровичи, Сланцы; поселки Кузнечное, Окладнево, Елизаветино и мн. др.). Для поддержания благоприятной экологической обстановки в указанных населенных пунктах необходимо принятие мер по реабилитации основных источников загрязнения -техногенных ландшафтов. Реабилитированы они могут быть только при восстановлении важнейшего компонента биосферы - «кожи земли» - почвенного покрова.

Исследования регенерации почв и растительности после деструктивного воздействия в нашей стране интенсивно проводились лишь в течение последних трех десятилетий. На начальном этапе исследования в этой отрасли науки сводились к обобщению фактического материала о скорости и направленности инициального почвообразования в техногенных ландшафтах (Трофимов и др., 1986, Таранов и др., 1977, Фаткулин, 1979, Ужегова и др., 1984, Гагарина и др., 2003, Махонина, 2003). В 1980-х годах начинаются более углубленные, в т.ч. и мониторинговые исследования почвовостановления в процессе рекультивации земель, продолжающиеся и в настоящее время (Бурыкин, 1985, 1991, Баева и др, 1992, Капельки на, 1996, Андроха-нов и др, 2000, Арчегова, 2000). При этом исследованиям самовосстановления поч-венно-растительного покрова уделялось очень мало внимания. Результаты исследований по этому вопросу были обобщены Г.И. Махониной (2003). Хорошо изученными в плане регенерационного почвообразования в настоящий момент являются лесостепные и степные регионы (Махонина и др., 1975, Ужегова и др, 1984, Трофимов и др., 1986, Голеусов и др., 1999, Клевенская, 1992, Андроханов и др., 2000, Махонина, 2003 и мн. др.), районы Севера (Капелькина, 1996, Арчегова, 2000,2003, Посттехногенные. ., 2002), центральной части южнотаежной подзоны Русской равнины (Пономаренко, 1986, Гельцер и др.,1989 и мн. др.), Прибалтики (Петров и др., 1994, Рейнтам, 1989, 2001, Reintam et al, 2002). Северо-Западный регион оказался практически незатронутым подобными исследованиями, за исключением единичных работ.

В связи с вышесказанным целью настоящей работы было выявление основных закономерностей природного и рекулътивационного восстановления почв на различных литогенных основах в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов Северо-Запада Русской равнины.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Оценить объемы техногенных отложений и площади, занимаемые отвалами в районах открытых разработок полезных ископаемых в Северо-Западном регионе, определить основные факторы, затрудняющие рекультивацию различных грунтов в условиях таежной зоны.

2. Подобрать серию объектов исследования, позволяющих оценить специфику восстановления почвенно-растительного покрова на различных временных стадиях посттехногенной эволюции карьерных ландшафтов при рекультивации и естественном зарастании для различных по вещественному и гранулометрическому составу отвальных пород. Исследовать особенности развития растительных сообществ на различных отвальных субстратах.

3. Дать сравнительную характеристику макро- и микроморфологических особенностей, гранулометрического, химического состава и физико-химических свойств почв, формирующихся в различных литолого-фитоценотических комбинациях почвообразования.

4. Изучить основные параметры гумусовоаккумулятивного процесса в молодых почвах: содержание гумуса, его фракционно-групповой состав, особенности формирования гумусового профиля, состав и свойства гуминовых кислот, степень внутримолекулярной окисленности гумуса, темпы аккумуляции органического вещества и параметры гумусного состояния.

5. Определить сочетания главных почвенных процессов, исследовать темпы дифференциации профиля на горизонты, провести период изацию начального педогенеза на различных литогенных основах.

6. Обосновать практические рекомендации по реабилитации посттехногенных ландшафтов с учетом особенностей состава и физических свойств отвальных пород карьеров.

Научная новизна работы! Впервые для территории Северо-Западного региона выполнено систематическое исследование начальных стадий развития почв при рекультивации и в процессе природного восстановления. Выявлены стадии начального почвообразования, проведена характеристика молодых почвенных горизонтов. Описаны механизмы природной регенерации почв на различных литогенных основах. Подробно изучены эволюционные закономерности развития гумусового профиля молодых почв на различных породах. Исследованы процессы трансформации органического вещества органоминеральных смесей, наносимых на поверхность отвалов при их землевании. Научная значимость работы дополняется тем, что впервые для условий Северо-Запада проведена подробная характеристика почв на ранних стадиях эволюцйи для широкого спектра литолого-фитоценотических комбинаций почвообразования.

Основные защищаемые положения: Специфика реабилитации посттехногенных ландшафтов Северо-Запада связана с низкой устойчивостью техногенных отвалов к экзогенным воздействиям, невысоким плодородием грунтов и с особенностями гидрологии отвальных пространств. В регенерационном почвообразовании доминируют процессы, тесно связанные с накоплением и трансформацией органического вещества, скорость и стадийность развития гумусового профиля определяют закономерности развития основных почвенных процессов, скорость и специфика которых определяются в основном литогенным фактром.

Практическая значимость: Данные о скорости развития почвенного профиля на различных стадиях становления посттехногенных экосистем в конкретных литолого-фитоценотических комбинациях могут быть учтены при разработке регионально-адаптированных технологий рекультивации земель. Учет отвальных пород в рядах благоприятности для восстановления почвенно-растительного покрова может быть полезным при планировании горнотехнического этапа рекультивации и позволит осуществлять селективную укладку вскрыши в отвалы с учетом свойств отдельных генетических типов пород.

Личное участие автора в работе заключается в постановке задач исследования, подборе объектов и методов, организации и проведении экспедиционных работ, выполнении лабораторных анализов, в обобщении и интерпретации полученных результатов, в реализации и апробации работы.

Апробация работы: Материалы работы докладывались на Конференции Болгарского общества по изучению гуминовых веществ (Бороветц, Болгария, 2003), Конференции Международного союза организаций по изучению леса (IUFRO-2004, Монпелье, Франция), Ш и IV Съездах Всероссийского общества почвоведов при РАН, ежегодных Докучаевеких молодежных чтениях в СПбГУ с 1997 по 2004 г, на конференциях «Ломоносов-1999, 2001» в МГУ им. М.В. Ломоносова, международных конференциях «Агрофизика XXI века» (СПб, 2002), «Биогеография почв» (Сыктывкар, 2002), «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (МГУ, 2003), Международной конференции «Экология-2003» (Архангельск, 2003), Международном экологическом форуме «Сохраним планету Земля» (СПб, 2004) и на трех тематических конференциях «Гумус и почвообразование», проведенных в 2001,2002 и 2003 гг. в СПбГАУ.

Публикации. Результаты исследований отражены в 12 статьях (из них 3 на английском языке).

Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю исследований проф., д.б.н. Э.И. Гагариной и признательность проф. д.б.н. О.Г. Чертову, к.б.н., доцешу СПбГУ О.Г. Растворовой, к.б.н. с.н.с. АФИ РАСХН B.C. Зуеву, к.с-х.н., с.н.с., доц. СПбГУ А.И. Попову, к. с-х. н., с.н.с. БиНИИ СПбГУ М.А. Надпорожской за консультации и под держку в работе.

Кроме того, автор считает своим долгом выразить признательность Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку работы в рамках проектов 0304-48297,02-04-06057,02-04-48269, Министерству общего и профессионального образования за возможности расширения аналитической базы исследований в рамках проекта поддержки НИР аспирантов АОЗ 2.12-769, фонду ИНТАС и Конкурсному центру фундаментального естествознания при СПбГУ за неоднократную поддержку исследований по теме диссертации. t

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Абакумов, Евгений Васильевич

ВЫВОДЫ

1. На территории открытых горных разработок Северо-Запада складировано около 5 % от всех отвальных вскрышных грунтов, находящихся на поверхности карьеров Российской Федерации. При достаточно благоприятных химических и агрохимических характеристиках техногенные отвалы представляют собой неустойчивые поверхностные образования, для которых основным фактором, лимитирующим реабилитацию являются физические свойства.

2. Восстановление растительности при самозарастании проходит по типу экогенетических сукцессий, каждой стадии развития растительного сообщества соответствует своеобразная почва с определенным набором признаков и свойств. При рекультивации, связанной с агрохимической и физической оптимизацией грунтов сукцессии растительности осуществляются быстрее, чем при самозарастании.

3. На начальных стадиях генетический тип почвообразующих пород оказывает на регенерационное почвообразование большее влияние, чем тип фитоценоза. Скорость дифференциации почвенного профиля на горизонты в процессе самовосстановления увеличивается в ряду отвальных пород: карбонатные техногенные элювии ~ кембрийские глины ~ слабощелочные песчаные отсевы < моренные и озерно-ледниковые суглинки < водноледниковые пески. По благоприятности для почвовосстановления рекультивируемые грунты располагаются в следующий возрастающий ряд: потенциально-сульфатнокислые суглинки - карбонатные суглинки - гумусированные пески -гумусированные карбонатные суглинки.

4. Гумусонакопление в первые 5-20 лет регенерации почвы в травяных экосистемах развивается особенно стремительно, аккумулятивные процессы доминируют над трансформационными. С появлением сомкнутого древесного яруса наблюдается дифференциация однородного гумусированного горизонта на специфические микрогоризонты, что связано с трансформацией органического вещества, миграцией гумусовых кислот и их взаимодействием с минеральной частью почвы.

5. Мшфомофологические исследования выявили, что в песчаных почвах гумусирование минеральной массы связано с закреплением гумусовых пленок на поверхности песчаных частиц, в суглинистых - с аккумуляцией глинисто-гумусовой плазмы. Интенсивное выветривание мелкозема по времени совпадает с интенсификацией процессов трансформации органического вещества.

6. Морфологические признаки отдельных процессов почвообразования формируются уже через 10-20 лет. В развитии почвенного профиля можно выделить три типа горизонтов: короткоживущие - OA, AvC, ОС, появляющиеся на самых начальных стадиях освоения субстрата растительностью, быстроразвивающиеся - О (L,F,H), Av, А, для которых характерна быстрая стабилизация всех признаков уже через 10-20 лет, и постепенно развивающиеся (АС, АВ, АЕ, Е, В), интенсивное развитие которых происходит после 20 лет (рекультивированные субстраты), 30 лет (четвертичные пески и суглинки) и 60 лет (сухие отсевы, плотные глины и карбонатные щебнистые породы). Выделены стадии: поверхностно гумусированного почвогрунта, появления собственно почвенных горизонтов и формирования эмбрионального профиля почвы, продолжительность которых зависит от особенностей отвальных пород.

7. По составу и свойствам ГК молодых почв можно заключить, что процесс гумификации наиболее полно осуществляется на богатых в минералогическом и химическом отношении рекультивированных карбонатных суглинках, менее выражен в кислых почвах на четвертичных песках и суглинках и практически не осуществляется по классической схеме на плотных и сухих грунтах, где трансформация органических остатков приводит к формированию гуминовых веществ сходных с ФК.

8. Формирование фракционно-группового состава гумуса молодых почв определяется особенностями субстрата почвообразования. Для почв на карбонатных щебнистых породах и кембрийских глинах характерно очень низкое содержание ГК и ФК, что связано с низкой степенью гумификации органического вещества. В случае воднолендиковых песков и отсевов дробления гранитов на фоне значительного содержания ГК, существенно преобладают ФК. В случае четвертичных суглинков, рекультивированных субстратов и 200-300 летних рендзин относительное содержание ГК значительно увеличивается. 9. Рекультивация оптимизирует свойства вскрышных пород и вызывает быстрое развитие фитоценозов, что способствует более интенсивному проявлению биогенно-аккумулятивных процессов, высокой степени гумификации органического вещества и существенному преобразованию минеральной части почвы, чем в почвах участков самозарастания карьеров.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Абакумов, Евгений Васильевич, Санкт-Петербург

1. Акимцев В.В. Исторические почвы Каменец-Подольской крепости // Труды 1. Конгресса почвоведов, М.,1930. Т.5. С. 132-140.

2. Александрова JI.H. Органическое вещество почв и процессы его трансформации.- Л.:Наука, 1980. 286 с.

3. Александровский А.Л. Развитие почв Восточной Европы в голоцене. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук. М. 2002,48 с.

4. Андроханов В.А., Овсянникова С.В., Курачев В.М. Техноземы: -свойства, режимы, функционирование. Новосибирск: Наука, 2000. -200 с.

5. Антоний, митрополит Сурожский. Человек перед Богом. М.: Паломник, 2001. - 383 с.

6. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. Изд. 1-е. Учебное пособие для студентов ВУЗов. М.: МГУ, 1961. - 432 с.

7. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. Изд. 2-е Учебное пособие для студентов ВУЗов. М.: МГУ, 1970. - 487 с.

8. Арчегова И.Б. О гумусе в связи с нетрадиционным пониманием почвы // Почвоведение, 1992, № 1, с. 58-64

9. Арчегова И.Б. Рекультивация земель (теория и практика) // Тезисы Докладов III съезда Докучаевского общества почвоведов. М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева РАСХН, 2000, кн.2. С. 283-284.

10. Арчегова И.Б. Состав гумуса в почве техногенных участков таежной зоны Европейской части России в процессе самовосстановительной сукцессии // Тезисы докладов II международной конференции «Гуминовые вещества в биосфере». М СПб, 2003. С. 11.

11. Афанасьев Р.А. Почвозащитная функция сорняков в природе // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Устойчивость почв к антропогенным воздействиям». М., 2002. С. 94-95.

12. Баева Р.И., Гагарина Э.И. Нарушение природных экосистем в районе добычи фосфоритов // Почвоведение, 1992, № 5, с. 86-102.

13. Бакина Л.Г., Плотникова Т.А., Гагарина Э.И. Изменение форм связи гумусовых кислот с минеральными компонентами почв при известковании // Вестник СПбГУ, 1998, Сер.З., Биология, Вып. 1., № 3, с. 111-115.

14. Баранник Л.П., Кандрашин Е.Р. Лесовозобновление на породных * отвалах угольных разрезов южного Кузбасса // Почвообразование втехногенных ландшафтах, Новоисбирск.: Наука, 1979, с. 172-179.

15. Беспалый В.Г., Дунин П.М. «Яблоневый овраг»: экологическое состояние антропогенно-нарушенной территории // Экологическая безопасность и устойчивое развитие Самарской области, Тольятти: ИВЭБ РАН, 2001, Вып. 10., С. 1 97.16