Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Техноземы и изменение их свойств на биологическом этапе рекультивации

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Техноземы и изменение их свойств на биологическом этапе рекультивации"

УДК 631.618

- ■ ■ 0/1 - 1 ДЕК 1С};,

На правах рукописи

АНДРОХАНОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕХНОЗЕМЫ И ИЗМЕНЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ НА БИОЛОГИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

(на примере КАТЭКа)

(Специальность 03.00.27-почвоведение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Новосибирск 1998

Работа выполнена в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук В.М.Курачев

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, академик РАЕН Л.П. Баранник кандидат биологических наук Н.А. Афанасьев

Ведущая организация :

Новосибирский Государственный Агроуниверситет

Защита состоится Удекабря 1998 года на заседании диссертационного совета Д.002.15.01 в Институте почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН по адресу: 630099, Новосибирск, Советская, 18.

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

Автореферат разослан 1{ ноября 1998 года

Ученый секретарь

диссертационного совета у^Лп/'М

доктор биологических наук ' /а М.И Дергачева

Исследование особенностей восстановления свойств и режимов техно-земов КАТЭКа проводилось в лаборатории рекультивации почв Института почвоведения и агрохимии СО РАН в рамках темы "Экология Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК)", входящей в ГНТП "Сибирь".

Актуальность исследований. В процессе разработки буроугольных месторождений Канско-Ачинского бассейна неизбежно занимаются все новые площади сельскохозяйственных и лесных угодий. Соответственно возрастают площади нарушенных земель. Такие земли принято называть техногенными ландшафтами. Поскольку территориально все объекты формирующегося КАТЭКа расположены в наиболее освоенной части Канско-Ачинской лесостепи, то техногенные ландшафты не только изменяют структуру сельскохозяйственных и рекреационных угодий, но и оказывают многостороннее негативное экологическое воздействие на окружающую среду.

В настоящее время общая площадь техногенных ландшафтов на КА-ТЭКе по разным оценкам составляет 25 -30 тысяч гектар. Более 80% этой территории ранее было занято сельскохозяйственными угодьями. Скорость отчуждения земель под горные работы значительно опережает темпы возвращения рекультивированных земель (Географические условия ..., 1979; Комплексная программа..., 1990). При этом, поскольку экологическая и хозяйственная эффективность традиционной технологии рекультивации, как правило, невелика, рекультивированные земли редко используются по назначению. В результате проблема рекультивации и возвращения в народнохозяйственное использование нарушенных земель становится первоочередной сельскохозяйственной и экологической задачей в регионе. Решается эта задача осуществлением комплекса различных мероприятий, одним из которых является использование технологии рекультивации посредством формирования так называемых насыпных почв с отсыпкой на спланированную поверхность отвалов материала плодородного слоя почвы (ПСП). Эти насыпные почвы в соответствии с классификацией (Гаджиев, Курачев,1992) следует отнести к типу техноземов гумусвоаккумулятивных (далее, для краткости в тексте, ■ техноземов). Несмотря на наличие ряда публикаций, посвященных этим почвам (Масюк, 1975; Етеревская, 1977; Бекаревич, 1984; 1ЛеЬегоЙг, 1969; и др.) их свойства, режимы и экологические функции тем не менее мало изучены. Отсутствуют, в частности, сведения о характере трансформации свойств и режимов субстрата ПСП, используемого для формирования техноземов на этапах технологической цепочки, и его изменениях по мере прохождения этапов биологической рекультивации. По этой причине экологическая эффективность такой технологии рекультивации остается неоцененной. Вместе с тем известны случаи возникновения неблагоприятных экологи-

ческих и хозяйственных последствий, проявившихся после формирования техноземов. В связи с этим исследование процессов, протекающих в технозе-мах в течении всех циклов их создания и развития, является весьма важной и технологической, и экологически оправданной задачей.

Цель исследований. Целью исследования являлось изучение направленности, характера и интенсивности восстановления генетических, агрофизических и агрохимических свойств и режимов техноземов, находящихся на различных этапах мелиоративного освоения, анализ достоинств и недостатков устоявшейся технологии их формирования.

Задачи исследований.

1. Изучить степень преобразования материала плодородного слоя почвы на различных этапах технологической цепочки.

2. Исследовать трансформацию гумусного состояния в процессе их мелиоративного освоения.

3. Определить формирование агрофизических свойств техноземов в период их мелиоративного освоения.

4. Оценить развитие водно-физических свойств техноземов и специфики их водного режима.

5. Выявить изменения агрохимических свойств и особенностей питательного режима техноземов.

Объекты исследований. Объектами исследований были разновозрастные бурты ПСП и техноземы с различным уровнем мелиоративного освоения: а) первый год после отсыпки ПСП (точка 20); б) 3 года после отсыпки ПСП, посев люцерны (точка 12); в) 10 лет после отсыпки ПСП, посев люцерны (точка 7); г) 20 лет после отсыпки ПСП, естественное залужение (точка 5). За эталон сравнения принимался прилегающий участок почвы естественного строения - чернозема выщелоченного под посевом люцерны (точка 18).

Методы исследования. В полевых условиях определялась водопроницаемость техноземов методом заливаемых площадей и определение НВ техноземов. Максимальная гигроскопичность определялась гигроскопическим методом по Николаеву, остальные гидрологические характеристики -расчетным методом (Роде, 1965; Вадюнина, Корчагина, 1986). На стационаре "Назаровский" ИПА СО РАН методом сухого и мокрого просеивания исследовалась макроструктура техноземов, плотность - пикнометрическим методом и плотность сложения - буровым методом Качинского, плотность агрегатов - методом насыщения керосином. Отбор образцов на влажность проводился ежедекадно на ключевых участках. Влажность определялась термовесовым методом в трехкратной повторности (Принципы и методы ..., 1976).

В лабораторных условиях в Институте почвоведения и агрохимии определялись физико-химические и химические свойства техноземов: рН -потенциометрическим методом; содержание углерода органического вещест-

ва - по методу Тюрина (Аринушкина, 1970); групповой состав гумуса по Кононовой -Бельчиковой (Кононова, 1963); общий азот - методом Несслера; содержание нитратов - методом с использованием дисульфофеноловой кислоты; аммиак - методом Несслера; валовый фосфор - по Гинсбургу; подвижный фосфор - методом Труога; валовый калий - пламенно-фотометрическим методом на атомно-адсорбционном спектрометре марки АА8-1; подвижный калий - методом Чирикова, карбонатные образцы - методом Мачигина (Агрохимические исследования почв, 1975). Все использованные методы отвечают современным требованиям и являются необходимым минимумом для решения поставленной задачи. Анализы проводились в 5-10 кратной по-вторности. Результаты исследований обработаны на ЭВМ методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1985; Дмитриев, 1972).

Научная новизна. Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые дано развернутое описание особенностей развития генетических, агрофизических и агрохимических свойств и режимов техноземов КАТЭКа. Дана эколого-генетическая оценка технологии их формирования. Показано, что применение традиционной технологии формирования техноземов препятствует развитию педогенных преобразований техногенного субстрата, обусловливает малую скорость восстановления генетической сопряженности различных слоев техноземов и трансформации этих слоев в генетические горизонты почвы. Выявлена разнонаправленность процессов трансформации ПСП на различных этапах технологической цепочки. Изучены особенности изменения и восстановления гумусного состояния ПСП. Исследованы особенности развития агрохимических свойств техноземов. Описана динамика преобразования агрофизических свойств от техногенной стадии развития техноземов до педогенной. Выявлена специфика водного режима. Установлено, что уже на начальных этапах мелиоративного освоения техноземов первыми трансформируются агрофизические свойства и режимы. Эти процессы сопровождаются трансформацией гумусного состояния ПСП. Показатели, характеризующие развитие пищевого режима, отражают их генетическую связь с агрофизическими и генетическими процессами в техноземе.

Практическая значимость. Материалы проведенных исследований могут быть использованы для разработки проектов рекультивации нарушенных земель угледобывающими предприятиями Кузбасса, КАТЭКа, Черем-басса с применением наиболее эффективных технологий направленных на ускоренное и экологически безопасное восстановление функций почвенного покрова техногенных ландшафтов. Результаты исследований используются для составления технологических карт и разработки агротехнических приемов на период освоения техноземов, а также для определения стратегии дальнейшего их использования в сельскохозяйственном производстве. В частности, полученные материалы частично использованы при разработки техноло-

2 Заказ N9 411

гической карты по рекультивации отдельных участков Назаровского угольного разреза, что подтверждено соответствующими документами. Некоторые теоретические выводы, имеющие научное и познавательное значение, включены в лекционные курсы по почвоведению, охране природы и рекультивации.

Защищаемые положения.

1. В период мелиоративного освоения техноземов их исходные техно-генно-литогенные свойства и режимы преобразуются в педогенные.

2. С наибольшей активностью преобразуются в техноземах свойства и режимы, характеризующие их агрофизическое и гумусное состояние.

3. Свойства и режимы техноземов, обусловленные недостатками технологии их формирования, которые не поддаются педогенным преобразованиям, способствуют развитию негативных последствий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 печатных работах. Результаты исследований докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия" ( Москва, 1988г), на УШ-Всесоюзном съезде почвоведов ( Новосибирск, 1989г), на Первой научной конференции "Растение и промышленная среда" ( Днепропетровск, 1990г), на Межотраслевой научно-технической конференции "Технологические аспекты охраны окружающей среды в горной промышленности" (Пермь, 1994г), на Международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования" (Москва, 1997г), а так же на конференциях молодых ученых ИПА СО РАН 1991, 1992 и 1997 годов.

Публикации. Опубликовано 10 работ, из них 9 - по теме диссертации.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и приложения. Она содержит 95 страниц машинописного текста, 13 таблиц и 21 рисунок. Список использованной литературы состоит из 155 наименований в том числе 14 иностранных авторов.

Содержание работы Глава I

Условия формирования и развития техногенных ландшафтов

По физико-географическому районированию юга Восточной Сибири Назаровская котловина относится к Южно-Сибирской области и представляет собой одну из межгорных котловин сибирского типа (Сочава, Ряжин, Белов, 1963; Сочава, 1980).

Среднегодовое количество осадков изменяется в пределах 370 - 420 мм, 80% которых выпадает в летний период. Радиационный индекс сухости в южных районах Назаровской котловины достигает 1,2 - 1,3, в северных районах и в переходных к горным хребтам приближается к 1, а в горном окружении уменьшается до 0,9- 0,8.

Переход температуры через 0°С весной происходит в первой половине апреля, осенью - во второй половине октября, продолжительность безморозного периода составляет 100 - 120 дней. Сумма температур воздуха выше 10°С составляет 1500°-1700°, а продолжительность периода с такими температурами -100 -110 дней ( с последней декады мая по первую декаду сентября).

В диссертационной работе достаточно подробно описывается современное состояние почвенного и растительного покровов, хозяйственных и экологических проблем, которые возникают в связи с развитием угледобывающего комплекса. Показано, что хозяйственная деятельность в котловине приводит к различным нарушением почвенного покрова. В одних случаях ( открытая добыча бурого угля) это сопровождается полным уничтожением почвенного покрова, в других ( повышенные сельскохозяйственные и иные техногенные нагрузки) - его деградацией.

Возместить потери земель именно той категории, отвод которой для несельскохозяйственных нужд согласно положениям классификации земель СССР (Фриев, 1977) категорически запрещается, предполагается путем рекультивации нарушенных земель по принципу "гектар за гектар". Это основное условие, хотя и предполагает возвращение нарушенных земель различных категорий угодий в тех же объемах, однако на практике не соблюдается. Поэтому одним из основных направлений биологической рекультивации нарушенных земель на Назаровском угольном разрезе является сельскохозяйственная рекультивация.

Глава П

Изменение свойств ПСП в процессе формирования техноземов

Технология добычи угля на Назаровском угольном разрезе предусматривает предварительное снятие и хранение плодородного слоя почвы в буртах или гумусовых складах. Если в естественном состоянии свойства режимы и функции ПСП регулируются процессами почвообразования, наличием биологической, геохимической и другой сопряженности различных генетических горизонтов, то в буртах или складах ПСП механизмы поддержания исходных свойств субстрата не работают. Вместо них развиваются другие процессы, приводящие к трансформации исходных свойств этого ценного материала.

В частности, уже в процессе снятия ПСП нарушается свойственная почвам естественного сложения дифференциация субстрата по физическим свойствам, содержанию гумуса, минералогическому и гранулометрическому составам. При формировании буртов, многократные проходы тяжелых машин по бурту обусловливают очень сильное уплотнение материала ПСП, приводящую к возникновению глыбистой структуры и процессов слитизации. По этой причине плотность ПСП свежесформированного бурта достигает 1,8 г/см3. При этом резко возрастает плотность агрегатов и уменьшается их по-розность.

Под влиянием процессов иссушения - увлажнения, замерзания и оттаивания наблюдается значительное снижение плотности ПСП в поверхностном слое бурта, тогда как во внутренней части бурта плотность сохраняется очень высокой, т.е. сразу начинается дифференциация материала.

После планировки поверхности отвалов вскрышных пород и вторичного ремонта спланированной поверхности производится отсыпка ПСП. В процессе разрушения бурта происходит перемешивание "разделившихся" в период хранения слоев ПСП с различными свойствами и плотностью. При этом происходит дальнейшее разуплотнение отсыпанного материала - до 0,88 г/см3.

Планировка ПСП на рекультивированных участках проводится бульдозерами и грейдерами. Это приводит к увеличению плотности насыпного слоя до 1,5 г/см3 и созданию неблагоприятных эдафических условий на начальном этапе мелиоративного освоения сформированных техноземов. Поэтому для уменьшения неблагоприятных последствий, обусловленных повышенной уплотненностью насыпного слоя (низкая водопроницаемость, плохая аэрация и др.), необходимо проведение специальных агротехнических мероприятий.

Таким образом, плотность материала ПСП, являясь очень динамичной величиной, адекватно реагирует на все механические, климатические и биологические факторы воздействия на материал ПСП в процессе формирования техноземов. Вместе с общим уплотнением материала ПСП происходит сильное уплотнение почвенных агрегатов. Переуплотненное состояние агрегатов остается постоянным на всех этапах технологической цепочки, т.е. вся динамика изменения плотности материала ПСП обусловлена в основном изменениями межагрегатной порозности, которая легко поддается регулированию техническими и биологическими средствами.

Поскольку на всех этапах рекультивационных работ материал ПСП подвергается различным видам воздействий, то естественно, что структурное его состояние постоянно трансформируется. Можно выделить 3 главных фактора, воздействующих на материал ПСП и трансформацию его структурного состояния: климатический, проявляющийся главным образом в чередовании процессов иссушения-увлажнения, промерзания-оттаивания; механический -

приводящий преимущественно к дезагрегированию и изменению плотности агрегатов ПСП и биологический - воздействие растений, микроорганизов на процессы структурообразования (Dell" Agnola G., Ferrari G, 1971). Понятно, что на различных этапах технологической цепочки сочетание этих факторов оказывается различным, однако отметим в качестве очень существенной особенности технологической цепочки последовательную смену сочетания факторов воздействия на материал ПСП, существование определенного тренда трансформации.

Заметные изменения структурного состояния ПСП происходят уже на первом этапе технологической цепочки - при снятии ПСП. В этот момент ведущим фактором воздействия выступает механический фактор. В процессе снятия ПСП происходит разрушение агрономически ценных почвенных агрегатов и, как следствие, увеличение менее ценных, что иллюстрируется уменьшением значения коэффициента структурности (табл.1). Можно отметить две главные особенности этого явления. Во-первых, из-за механического разрушения макроагрегатов, значительная часть последних разрушается, образуя микроагрегаты. Во-вторых, часть субстрата чисто механически переуплотняется и при последующем разламывании образуются глыбистые отдельности.

В период хранения ПСП действие механического фактора прекращается, все изменения в структурном состоянии ПСП начинают регулироваться климатическими, биологическими и химическими процессами. Уплотненная масса ПСП из-за чередования процессов иссушения-увлажнения, замерзания-оттаивания в поверхностном слое бурта разрыхляется. Это благоприятствует развитию растительности, корневая система которой, проникая в материал ПСП, крошит ранее сформировавшиеся крупные глыбы на более мелкие обломки. Однако последние ни по свойствам, ни по морфологии не походят на истинные почвенные агрегаты и сохраняют явно выраженные техногенные признаки (повышенную плотность, ярко выраженные грани, кубовидную форму).

Параллельно дроблению крупных отдельностей физическими процессами идет процесс формирования истинной почвенной структуры. Этому способствует активизация в поверхностном слое гумусового склада всех биологических процессов. Активное образование корневых выделений и продуктов метаболизма микроорганизов обусловливает образование на этом этапе водопрочных почвенных агрегатов и увеличение коэффициента структурности. В то же время внутри бурта наблюдается своеобразная консервация структурного состояния погребенного материала ПСП. Этому способствует не только высокая плотность субстрата, но и затрудненный доступ кислорода, воды и свежего органического вещества.

Таблица I

Структурное состояние материала ПСП на различных этапах технологии формирования техноземов

Технологические этапы Морфологическое Размер фракций, мм Коэффициент Процент

формирования техноземов название структуры >10 10-7 7-5 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 <0,25 структурности водопрочности

Сшггие ПСП комковато- 27,2 13.7 10.3 11.1 8^2 Ш 4.4 3.6 10,3 1,7 50,3

пылевэтзя 0.4 0,6 1.1 3,3 19,2 25,7 49,7

Формирование буртов комковато- 69,1 7,3 6^5 41 12 5.5 1.2 1.0 1,9 0,4 63,1

глыбистая 8.2 4,4 3,2 13.1 11,0 23,2 36,9

Хранение (поверхность обломисто- 40,1 15,4 10.3 ш 62 8.8 2.9 3.3 -10 1,3 65,6

бурта) глыбисгая 3,5 3,6 6,9 13,4 15,7 22,5 34,4

Хранение глыбистая 78.3 5,6 12 2.9 3.0 1.2 2.2 0,2 67,8

(внутри бурта) 9.7 10,5 9,1 15,0 8,8 14,7 32,2

Отсыпка на поверхность глыбисто- 31,8 15,7 10.3 10,7 13.0 4.6 4.9 6.0 1,9 63,8

овала комковатая 3.2 3,9 5.6 10,3 16,6 24,2 36,2

Планировка ПСП комковато- 51,3 13,6 10.5 19 и 6.0 2.0 2.4 3.2 0,6 61,6

глыбистая 3.6 4,8 6,7 11,7 14,0 20,8 38,4

Контроль* 0-10 комковато- 12,5 10,4 9,6 10,6 9^8 16.7 10.2 10.0 Ж? 3,5 53,0

чернозем зернистая 0,6 0,7 2,9 8,4 16,1 24,3 47,0

выщелоченный

30-40 орсховатая 34,7 7,2 41 £6 Л А 14.3 7,2 10.8 1,2 58,2

0.5 1,0 11,2 15,1 12,3 18,1 41,8

В процессе транспортировки и отсыпки материала ПСП происходит механическое разрушение крупных почвенных глыб. Структура трансформируется из глыбистой в пылевато-комковатую. Хотя при этом происходит увеличение коэффициента структурности тем не менее техногенные признаки структурного состояния, приобретенные на предыдущих этапах, сохраняются. Затем, при планировке, вновь отмечается увеличение содержания глыбистой фракции и ухудшение структурного состояния ПСП, фиксирующегося по снижению коэффициента структурности.

Таким образом, применяемая технология рекультивации с использованием материала ПСП сопровождается постоянной динамикой и в, конечном счете, ухудшением структурного состояния ПСП и формированием техногенной структуры.

В случае исследуемого нами Назаровского угольного разреза основная масса ПСП была снята с ранее распространенного на землеотводе выщелоченного чернозема. Несмотря на рекомендуемые нормы снятия ПСП, в реальных условиях проведения горных работ, как указывалось выше, происходит механическое смешение различных по уровню плодородия горизонтов почв естественного сложения. Это приводит к разубоживанию материала гумусового горизонта. Кроме того, при снятии ПСП многократно усиливается насыщение гумусной массы кислородом воздуха. Повышенная аэрация способствует интенсивной минерализации органического вещества. Именно этой причиной объясняется значительное повышение нитратов в первый год хранения ПСП в буртах - до 6,5 мг/1 ООг почвы, тогда как содержание органического вещества в субстрате снижается на 1 -2 %.

В последующие годы хранения в результате дифференциации толщи бурта происходит интенсивное зарастание поверхности бурта. По мере развития растительности и поступления органического вещества в виде опада корневых систем отмечается восстановление общего количества органического вещества в ПСП в верхнем слое бурта, а при длительном воздействии растительности на материал ПСП и некоторому накоплению в верхнем слое бурта. Во внутренней части бурта картина изменения гумусового состояния несколько иная. В первый год хранения во внутренней части гумусового склада по мере расходования здесь кислорода и воды происходит затухание процессов минерализации.

Поскольку основная часть азота находится в почве в виде сложных органических соединений, то валовое содержание этого элемента напрямую связано с содержанием и качеством гумуса в материале ПСП, а также с особенностями трансформации органического вещества в толще бурта и непосредственно после формирования насыпного слоя. В работе все эти явления подробно охарактеризованы.

В отличие от азотсодержащих соединений, трансформация которых в очень значительной степени определяется условиями окисления органического вещества ПСП, фосфорсодержащие соединения "реагируют" на изменения степени аэрации ПСП значительно меньше. Тем не менее, в процессе снятия, транспортировки и формирования бурта из материала ПСП, содержание валового фосфора уменьшается, а доля его подвижных форм по сравнению с исходными характеристиками гумусовоаккумулятивного горизонта выщелоченного чернозема, изменяется. В процессе хранения материала ПСП в поверхностных слоях бурта, благодаря поступлению свежего органического вещества, происходит восстановление фосфатного режима. Характерной особенностью этого восстановления можно считать некоторое снижение подвижных форм фосфора.

Поведение калия в материале ПСП трудно поддается анализу. Если ограничиться анализом данных, характеризующих валовое его содержание и доли подвижных (обменных) форм, то легко сделать заключение, что калийный режим материала ПСП на всех этапах технологической цепочки практически не меняется. Тем не менее, изменение структуры и состава почвенного поглощающего комплекса, связанное с потерей части органического вещества, должно было отразиться на калийном режиме ПСП. Однако процессы необратимой сорбции калия, освободившегося при снижении доли гумуса в ППК, восстановили нарушенное равновесие. По этой причине анализы, проведенные с использованием традиционных методов, не дают статистически достоверной картины динамики калийного режима в материале ПСП на различных этапах технологической цепочки. Этими же причинами объясняется, по-видимому, и отсутствие видимых изменений в калийном режиме материала, расположенного во внешних и внутренних частях бурта.

Глава III Физические свойства техноземов

Если в естественных условиях почвообразовательный процесс обуславливает физическое состояние твердой части почвы, то при формировании техноземов главным фактором оказываются особенности технологии формирования техноземов. Как показывают проведенные исследования, техногенно созданная слоистость техноземов не способствует биологическому освоению пород отвала, не благоприятствует проникновению в его толщу воды и кор-невь1х систем. В конечном счете это препятствует процессу объединения ПСП и подстилающей породы в одно естественно-историческое образование - почву (рис.1).

Точка 20

Точка 12

Точка 7

1-0.25

0.25 - 0.05

0.05-0.01 В

Рис.! Гранулометрический состав техноземов

10.01-0.0051

|0.005-0.001Г

<0.001

Специфика технологии формирования техноземов такова, что профиль почвы изначально оказывается дифференцированным по плотности и порозности слагающего его материала. В реальных условиях Назаровского угольного разреза плотность верхнего переуплотненного слоя пород отвала на спланированном поле может достигать 1,8 г/см3, а мощность этого слоя достигает 80 см.

В первый год после отсыпки в результате действия климатических факторов увлажнения-иссушения, замерзания-оттаивания происходит значительное снижение уплотненности поверхностных слоев насыпного горизонта, примерно на 0,2 г/см3 в год . Однако при этом нижележащие горизонты изменяют свою плотность в незначительной степени. Они менее подвержены перепадам увлажнения и температуры.

Введение сформированных техноземов в сельскохозяйственное производство способствует ускорению процессов разуплотнения и увеличения порозности в материале ПСП. При правильной агротехнике обработки полей рекультивации и посеве многолетних трав на второй год использования плотность составляет 0,95 г/см3, а порозность 58 %, что приближается к контрольному варианту. Однако это относится только к пахотному слою. В подпахотных слоях плотность сложения и порозность остается практически без изменения.

Показатели, характеризующие качество агрегатов, зависят от конкретных условий почвообразования в материале ПСП и являются косвенной характеристикой направленности почвообразовательных процессов. Исследования показали, что на горно-техническом этапе рекультивации происходит трансформация истинной почвенной структуры в техногенные агрегаты. На других этапах в результате совместного воздействия биологических и климатических факторов происходит разрушение техногенной структуры. Особенно это хорошо заметно в верхнем слое технозема, через 2-3 года после отсыпки ПСП коэффициент структурности составил 4,0. Нижележащие слои насыпного горизонта эти процессы затрагивают в меньшей степени. При длительном мелиоративном воздействии многолетних трав факторы, отвечающие за формирование педогенных свойств агрегатов, способствуют образованию истинной, водопрочной почвенной структуры, сравнимой по своим показателям водопрочности и плотности со структурой ненарушенного выщелоченного чернозема. Количество водопрочных агрегатов достигает 70%.

Свойства агрегатов, приобретенные материалом ПСП на различных стадиях технологии, в профиле техноземов преобразуются и в генетическом отношении. Исходные агрегаты можно считать литогенными, то есть унаследованными от исходного субстрата (в данном случае от ПСП), трансформированные - педогенными, образованными естественными почвенными процессами, протекающими в техноземе. Скорость трансформации литогенных

агрегатов в педогенные можно считать одним из признаков эффективности выбранной технологии рекультивации.

Глава IV

Водно-фпзнческне свойства техноземов

Анализ полученных результатов показывает, что наибольшие запасы недоступной влаги сосредоточены в верхних насыпных слоях техноземов. В подстилающей породе происходит резкое их снижение (почти в два раза). Это обусловлено, как уже было показано, различием гранулометрического состава и содержания гумусовых веществ в насыпном слое и подстилающей смеси пород. При этом на первом этапе мелиоративного освоения техноземов в них отмечается более высокое содержание недоступной влаги, чем на следующих. В дальнейшем, в результате влияния агротехнических мероприятий и развития корневой системы многолетней травянистой растительности происходит уменьшение плотности и улучшение структурного состояния материала ПСП, что способствует снижению недоступных запасов влаги. Естественно, что эти процессы в техноземах различного возраста, стадии освоения, различного гранулометрического состава и плотности, развиваются с неодинаковой скоростью.

Максимальное количество продуктивной влаги (ДАВ) в насыпных горизонтах техноземов изменяется в пределах 10-20 % (для сравнения, в гуму-совоаккумулятивном горизонте чернозема выщелоченного ДАВ составил 1822 %). Наименьшее значение ДАВ (10 % от веса почвы) отмечается в техно-земе первого года освоения. В последующие годы в ходе проведения агротехнических мероприятий улучшается агрофизическое состояние техноземов, что способствует увеличению ДАВ до близкого уровню зональных почв.

Таким образом, проведенные нами исследования показывают, что существующая технология формирования техноземов сопровождается развитием явлений, формирующих специфический режим, во многом с неблагоприятными агрофизическими следствиями и с неустойчивым гидрологическим режимом. Двучленное строение техноземов накладывает отпечаток на все водно-физические свойства техноземов и приводит к резкому разграничению этих свойств в ПСП и подстилающей породе. Интегральным результатом всех этих особенностей можно считать значительно более напряженный водный режим, складывающийся в техноземах, по сравнению с зональными ав-томорфными почвами.

Водопроницаемость исследованных техноземов определяется, главным образом, уровнем водопроницаемости подстилающих пород и границей раздела ПСП и породы. Показано, что снижение водопроницаемости, вызванное влиянием резкой границы раздела ПСП и уплотненной породы, приводит к

переувлажнению нижних слоев насыпного горизонта и недостаточного увлажнения подстилающей толщи.

Анализ водного режима, складывающегося в техноземах разного возраста, но образованных однотипными технологическими процессами, свидетельствует о его существенных различиях с водным режимом выщелоченного чернозема. Если принять, что водный режим чернозема представляет собой зональную норму почвы, занимающей автоморфную позицию в ландшафте, то отклонение водного режима техноземов от этой нормы можно считать негативным последствием используемой технологии рекультивации (формирования техноземов). Можно утверждать, что основными недостатками используемой технологии рекультивации с образованием техноземов является: во-первых, неподготовленная, часто переуплотненная поверхность спланированного поля, на которую отсыпается ПСП; во-вторых, отсутствие плавного перехода по плотности и другим агрофизическим показателям от корнеобитаемого слоя ПСП с его нижней частью и подстилающей ПСП породой; в третьих, более тяжелый гранулометрический состав ПСП по сравнению с подстилающим материалом вскрышных пород; в четвертых, слоистость подстилающих ПСП пород отвала по гранулометрическому составу. Все это в конечном счете приводит к тому, что свойственная для черноземов сопряженность между собой генетических горизонтов, в том числе и по водному режиму, в техноземах, созданных по общепринятой технологии, не может сформироваться даже за 20 лет непрерывной биологической рекультивации.

Глава V

Особенности агрохимических свойств техноземов

Одной из основных задач мелиоративного периода освоения техноземов становится восстановление гумусного состояния материала ПСП посредством возделывания многолетних трав. Установлено, что уже на третий год возделывания многолетних трав, при благоприятных условиях и правильной агротехнике, содержание органических веществ в насыпном слое техноземов может достигнуть уровня контрольного варианта - распаханного чернозема выщелоченного, а при длительном мелиоративном воздействии многолетних трав (в течение 10-20 лет) - до уровня черноземов, находящихся под естественной растительностью (табл.2).

Показано, что отношение Сгк:Сфк остается неизменным в год отсыпки и в первые годы возделывания многолетних трав. Однако при длительном мелиоративном воздействии многолетних трав отношение Сгк:СфК способно расширяться до 4. Несколько иная картина наблюдается в изменениях состава гумусовых веществ, извлекаемых пирофосфатной вытяжкой. Если в первый

год освоения техноземов снижение общего содержания гумуса сопровождается уменьшением количества гумусовых кислот и остатка, то на третий год возделывания многолетних трав в результате поступления свежего органического вещества содержание общего гумуса увеличивается, также возрастает количество гумусовых кислот и остатка.

Таблица 2

Групповой состав гумуса техноземов по методу Кононовой-Бельчиковой

Годы по- С об- Гумус С, извлекаемый смесью с е4

сле отсыпки ПСП щий, % , % Ка4Р207 + тОН Сфк Е6.

всего ГК ФК остаток

1 год 3,96 6,8 1,83 46,2 1.11 28,0 0,72 18,2 2.13 53,8 1,54 4,02

3 год 4,84 8,3 2,29 47,3 1.38 28,5 0.91 18,8 2.55 52,7 1,51 5,15

10 лет 5,03 8,6 2.25 44,7 1.41 28,0 0.84 16,7 2,78 55,3 1,68 4,38

20 лет 6,67 11,5 2.84 42,6 1.79 26,8 1.05 15,8 3,83 57,4 1,70 4,50

Контроль: чернозем выщелоченный 5,13 8,8 2.15 41,9 1,33 31,8 0.82 16,0 2,98 58,1 1,62 4,67

Примечание: в числителе - в % к почве, в знаменателе - в % от С почвы

В начальный период освоения техноземов отмечается сужение отношения Е4:Е6, т.е. идет потеря более мобильной периферической части молекул гуминовых кислот, тогда как центральная часть (матрица), практически остается неизменной. В дельнейшем, на 3-4-й год возделывания многолетних трав, происходит расширение отношения Е4:Е6 и при длительном мелиоративном воздействии многолетних трав наблюдается стабилизация структуры новообразованных гумусовых кислот.

Таким образом, на всех этапах технологической цепочки - от снятия ПСП и его хранения в буртах до формирования и развития техноземов, гу-мусное состояние материала ПСП определяется особенностями протекания различного рода трансформационных процессов: минерализации ранее имеющегося в субстрате ПСП гумуса, изменения его группового состава, структуры молекул. Однако при всем многообразии этих явлений, по мере развития почвенных процессов под влиянием длительного мелиоративного воздействия многолетних трав параметры, характеризующие гумусное состояние почв, с которых был снят ПСП, способны восстанавливаться. Эта способность самовосстанавливаться явно определяется уровнем агротехники в мелиоративный период и качеством технологии всех других рекультиваци-онных работ. Следовательно, способность системы гумусовых веществ ПСП самовосстанавливаться и скорость этого самовосстановления , несмотря на свою естественную природу, поддаются контролю и регулированию техническими средствами.

В первый год после отсыпки ПСП наблюдается потеря углерода и общего азота, сопровождающаяся накоплением нитратных форм. Потери азота в ходе этого этапа рекультивации более значительны, чем углерода. Об этом свидетельствует расширение соотношения С:Ы до 13. Посев многолетних трав и возделывание их в течение трех лет способствует восстановлению содержания общего азота в верхней части насыпного слоя техноземов. В то же время скорость восстановления гумусовых веществ несколько отстает, что приводит к сужению соотношения С:1Ч. В нижележащих слоях насыпного горизонта техноземов трехлетнего возраста восстановление содержания общего азота не происходит и относительно широкое соотношение С:К сохраняется прежним. Это объясняется ослабленным воздействием корневых систем многолетних трав на нижнюю часть насыпного слоя ПСП и наличием факторов, сдерживающих активность биологических процессов (Андроханов, 1993). При воздействии многолетних трав в течение 10-20 лет начинается значительное накопление гумуса и азота не только в верхней, но и во всей толще насыпного горизонта. Тем не менее некоторое отставание скорости восстановления гумуса и азота в нижележащих слоях насыпного горизонта сохраняется.

Таким образом, на протяжении всего этапа мелиоративного освоения техноземов азотный режим этих почв постоянно преобразуется. И хотя генетическая направленность этого процесса достаточно очевидна - установление динамичного равновесия процессов минерализации азотсодержащих органических веществ с их образованием, тем не менее приходится констатировать, что за 15-20 лет стабилизация азотного режима не достигается. Главная причина замедленности этого процесса заключается в наличии резкой границы между насыпным слоем ПСП и породой. Следовательно, возникает необхо-

димость изменения технологии рекультивации с использованием насыпного слоя ПСП, с технологии, формирующей названную техногенную дифференциацию техноземов на технологию, способствующую гомогенизации пород по свойствам и режимам по всему будущему профилю с его полной системой генетически и геохимически сопряженных горизонтов.

Гумусовоаккумулятивные горизонты почв Назаровской котловины характеризуются, как известно, сравнительно высокими запасами фосфора (Рудой, 1968; Бугаков, 1981; и др.). Снятие верхних горизонтов и формирование буртов из материала ПСП сопровождается, как уже показано ранее, вовлечением части минерального горизонта чернозема и повышением его рН. В результате оказывается, что ПСП, хранящийся в буртах, отличается от материала, снятого гумусовоаккумулятивного горизонта чернозема меньшим содержанием валового фосфора и его легкорастворимых соединений. Однако, результаты наших исследований показывают, что обладая меньшей растворимостью, эти соединения, тем не менее, создают достаточно высокий уровень обеспеченности растений фосфором. Тем не менее отметим, что посев многолетних трав и другие агротехнические мероприятия, направленные на восстановление агрохимических режимов и основных свойств плодородного слоя техноземов, благоприятно сказываются и на восстановлении фосфатного режима. Причем это проявляется не столько в накоплении валового количества фосфора, сколько в приближении к тому соотношению между легкорастворимыми фосфатами и валовым фосфором, которое наблюдается в гумусо-воаккумулятивных горизонтах черноземов.

В отличие от соединений азота и фосфора, калий главным образом находится в минеральной части почвы. Относительно слабая связь валового калия и его подвижных форм с гумусовоаккумулятивными процессами выступает причиной того, что динамика калия в техноземах очень незначительна. Тем не менее длительное отторжение биомассы без пополнения калийными минеральными удобрениями приводит к снижению валовых запасов калия. Таких последствий можно избежать посредством попеременного использования угодий под сенокос и пастбища. Сохранение запасов валового калия в корнеобитаемом слое техноземов, используемых таким образом, обеспечивается механизмами его биологической аккумуляции - переносом биологическим круговоротом из нижних, минеральных горизонтов почвы в гумусовоаккумулятивные.

ВЫВОДЫ

1. Перспектива применения технологии рекультивации нарушенных земель, направленной на формирование техноземов с насыпным гумусовоакку-мулятивным корнеобитаемым слоем, определяется не только возможностями

создания высокопродуктивных сельскохозяйственных (пахотных) угодий, но и способностью ускорения восстановления свойств и режимов почв и их основных экологических функций.

2. Состав и свойства материала ПСП на этапах технологической цепочки трансформируются. Эти процессы трансформации при использовании традиционных технологий снятия, хранения и отсыпки ПСП имеют деградацион-ную направленность. Главными причинами деградации выступают переуплотнение материала и неблагоприятные условия, складывающиеся во внутренней части бурта при хранении ПСП.

3. Трансформация техноземов в мелиоративный период освоения проявляется прежде всего в преобразовании свойств и режимов почвообразующей толщи, под влиянием климатических и биогенных механизмов. Одновременно, по мере возрастания роли биогенных факторов, начинают восстанавливаться педогенные свойства и режимы в техноземах.

4. Свойства и режимы, сформированные на техногенном этапе создания техноземов могут быть разделены на две группы - поддающиеся педогенезу и не поддающиеся педогенезу. При наличии первых, формирующиеся почвы унаследуют от техногенной стадии негативные свойства (повышенную уплотненность, слоистость почвообразующей толщи и др.). Наличие таких свойств свидетельствует о недостатках используемой технологии рекультивации.

5. Наибольшие преобразования под действием климатических и биологических факторов претерпевают физические свойства и режимы техноземов -агрегатный состав, плотность, порозность, водно-физические свойства и режимы. Преобразования химических, физико-химических, агрохимических свойств и режимов осуществляются менее выражено. По этой причине диагностика характера преобразований технозема легче всего осуществима посредством изучения динамики физических свойств и режимов почвы.

6. Свойства и режимы техноземов, определяющие их плодородие, формируются естественным образом по мере развития почвенных процессов в рамках условий, созданных техногенезом. Ускорение их развития возможно посредством использования относительно простых агротехнических, биологических и других способов, применяемых в технологиях рекультивации.

7. Главным недостатком традиционной технологии формирования техноземов с насыпным гумосовоаккумулятивным корнеобитаемым слоем, препятствующим быстрому восстановлению почвенных свойств и режимов, свойственных автоморфному почвообразованию, является переуплотненность поверхности пород, на которую отсыпается ПСП. Ее недостатком отдаленного действия следует также считать более тяжелый гранулометрический состав материала ПСП по сравнению с прилегающими к нему слоями пород почвообразующей толщи.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Изменение структурного состояния и водно-физических свойств насыпных рекультивированных почв при мелиоративном залужении // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия". - М., 1988.-С. 164-165.

2. Использование многолетних трав для оптимизации почвенных условий при биологической рекультивации // Материалы Первой Всесоюзной научной конференции "Растение и промышленная среда".- Днепропетровск, 1990.-С 104-105 ( в соавторстве).

3. Изменение свойств плодородного слоя почвы складируемого в целях рекультивации на угольных разрезах КАТЭКа // Тезисы докладов республиканской научной конференции "Экология и охрана почв засушливых территорий Казахстана". - Алма-Ата, 1991.-С.216-217 (в соавторстве).

4. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. - Новосибирск: Наука, 1992.- 305 с. (в соавторстве).

5. Динамика азота и углерода плодородного слоя почвы в ходе биологической рекультивации // Тезисы докладов школы-семинара молодых ученых факультета почвоведения МГУ.- М., 1993.- С. 6.

6. Изменение свойств плодородного слоя почвы, сладируемого в целях рекультивации на угольных разрезах КАТЭКа // Материалы межотраслевой научно-технической конференции "Технологические аспекты охраны окружающей среды в горной промышленности". - Пермь, 1994.-С.67-68 ( в соавторстве).

7. Водопроницаемость техноземов сформированных на отвалах Наза-ровского угольного разреза // Тезисы докладов Международного совещания "Биологическая рекультивация нарушенных земель". - Екатеренбург, 1996.-С. 3.

8. Трансформация гумусного состояния плодородного слоя почвы в процессе формирования техноземов. Кемеровский региональный научный центр ноосферных технологий. Ноосферные знания и технологии // Информ. бюл. - Кемерово, 1997.-С. 56-64.

9. Восстановление гумусного состояния техноземов при длительном мелиоративном воздействии многолетних трав // Тезисы докладов Международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования". - М., 1997.-С.258-260.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Андроханов, Владимир Алексеевич, Новосибирск

>/ > 00 - я,

Г Н л Л

! V»! 5

/ * V V! / » ^ V «

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Сибирское отделение Институт почвоведения и агрохимии

На правах рукописи

АНДРОХАНОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕХНОЗЕМЫ И ИЗМЕНЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ НА БИОЛОГИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ (на примере КАТЕКа)

(Специальность 03.00.27- почвоведение)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Курачев В.М.

Новосибирск - 1998

Содержание

Введение ..........................................................................................................3

Объекты и методы исследования..................................................................8

Глава I. Условия формирования и развития техногенных ландшафтов ... 17

1.1. Климатические условия..................................................................17

1.2. Рельеф изучаемой территории и особенности рельефа техногенных ландшафтов................................................................21

1.3. Растительность................................................................................24

1.4. Почвенный покров..........................................................................26

Глава II. Изменения свойств ПСП в процессе формирования техноземов . 30

2.1. Плотность ПСП..............................................................................30

2.2. Структурное состояние ПСП........................................................37

2.3. Содержание гумуса в ПСП............................................................41

2.4. Динамика основных агрохимических свойств в ПСП..................45

Глава III. Физические свойства техноземов .,'. . ........................................54

3.1. Гранулометрический состав..........................................................54

3.2. Плотность и порозность..................................................................61

3.3. Динамика структурного состояния................................................66

Глава IV. Водно-физические свойства техноземов......................................72

4.1. Почвенно-гидрологические характеристики..................................72

4.2. Водопроницаемость........................................................................80

4.3. Некоторые элементы водного режима............................................90

Глава V. Особенности агрохимических свойств техноземов......................106

5.1. Восстановление гумусного состояния............................................106

5.2. Динамика азотсодержащих соединений..........................................114

5.3. Поведение фосфора и калия..........................................................120

Выводы..........................................................................................................126

Литература......................................................................................................129

Приложения....................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Исследование особенностей восстановления свойств и режимов техно-земов КАТЭКа проводилось в лаборатории рекультивации Института почвоведения и агрохимии СО РАН в рамках темы "Экология Канско-Ачин-ского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК)", входящих в ГНТП "Сибирь".

Актуальность исследований. В процессе разработки буроугольных месторождений Канско-Ачинского бассейна неизбежно занимаются все новые площади сельскохозяйственных и лесных угодий. Соответственно возрастают площади нарушенных земель. Такие земли принято называть техногенными ландшафтами. Поскольку территориально все объекты формирующегося КАТЭКа расположены в наиболее освоенной части Канско-Ачинской лесостепи, то техногенные ландшафты не только изменяют структуру сельскохозяйственных и рекреационных угодий, но и оказывают многостороннее негативное экологическое воздействие на окружающую среду.

В настоящее время общая площадь техногенных ландшафтов на КАТЭКе по разным оценкам составляет 25 -30 тысяч гектар. Более 80% этой территории ранее было занято сельскохозяйственными угодьями. Скорость отчуждения земель под горные работы значительно опережает темпы возвращения рекультивированных земель (Географические условия ..., 1979; Комплексная программа..., 1990). При этом, поскольку экологическая и хозяйственная эффективность традиционной технологии рекультивации, как правило, невелика, рекультивированные земли редко используются по назначению. В результате проблема рекультивации и возвращения в народнохозяйственное использование нарушенных земель становится первоочередной сельскохозяйственной и экологической задачей в регионе. Решается эта задача осуществлением комплекса различных мероприятий, одним из которых является использование технологии рекультивации по-средством формирования, так называемых, насыпных почв, с отсыпкой на спланирован-

ной поверхности отвалов материала плодородного слоя почвы (ПСП). Эти насыпные почвы в соответствии с классификацией (Гаджиев, Курачев,1992) следует отнести к типу техноземов гумусоаккумулятивных, (далее, для краткости в тексте, - техноземов). Несмотря на наличие ряда публикаций, посвященных этим почвам (Масюк, 1975; Етеревская, 1977; Бекаревич, 1984; ЫеЬегоИ!, 1969; и др.) их свойства, режимы и экологические функции тем не менее мало изучены. Отсутствуют, в частности, сведения о характере трансформации свойств и режимов субстрата ПСП, используемого для формирования техноземов на этапах технологической цепочки и его изменениях по мере прохождения этапов биологической рекультивации. По этой причине экологическая эффективность такой технологии рекультивации остается неоцененной. Вместе с этим известны случаи возникновения неблагоприятных экологических и хозяйственных последствий, проявившихся после формирования техноземов. Поэтому изучение свойств, режимов и экологических функций техноземов, особенно в климатических условиях КАТЭКа, характеризующихся неустойчивым и недостаточным увлажнением, приобретает особую актуальность, обостряющуюся, помимо прочего, и значительными финансовыми расходами, необходимых для реализации названой технологии. В связи с этим исследование процессов, протекающих в техноземах в течение всех циклов их создания и развития является весьма важной и технологически, и экологически оправданной задачей. Полученная при этом информация может найти научное и практическое применение.

Цель и задачи исследования. Целью исследования являлось изучение направленности, характера и интенсивности восстановления генетических, агрофизических и агрохимических свойств и режимов техноземов, находящихся на различных этапах мелиоративного освоения, анализ достоинств и недостатков устоявшейся технологии их формирования. Реализация этой цели потребовала изучения следующих сторон почвообразования: 1) преобразования материала плодородного слоя почвы на различных этапах технологической цепочки; 2) трансформации гумусного состояния в процессе их ме-

лиоративного освоения; 3) формирования агрофизических свойств технозе-мов в период их мелиоративного освоения; 4) развития водно-физических свойств техноземов и специфики их водного режима; 5) изменения агрохимических свойств и особенностей питательного режима техноземов.

Научная новизна. Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые дано развернутое описание особенностей развития генетических, агрофизических и агрохимических свойств и режимов техноземов КАТЭКа. Дана эколого-генетическая оценка технологии их формирования. Показано, что применение традиционной технологии формирования техноземов препятствует развитию педогенных преобразований техногенного субстрата, обусловливает малую скорость восстановления генетической сопряженности различных слоев техноземов и трансформации этих слоев в генетические горизонты почвы. Выявлена разнонаправленность процессов трансфомации ПСП на различных этапах технологической цепочки. Изучены особенности изменения и восстановления гумусного состояния ПСП. Исследованы особенности развития агрохимических свойств техноземов. Описана динамика преобразования агрофизических свойств от техногенной стадии развития техноземов до педогенной. Выявлена специфика водного режима. Установлено, что уже на начальных этапах мелиоративного освоения техноземов первыми трансформируются агрофизические свойства и режимы. Эти процессы сопровождаются трансформацией гумусного состояния ПСП. Показатели, характеризующие развитие пищевого режима, отражают их генетическую связь с агрофизическими и генетическими процессами в технозе-ме.

Защищаемые положения:

1. В период мелиоративного освоения техноземов их исходные техно-генно-литогенные свойства и режимы преобразуются в педогенные.

2. С наибольшей активностью преобразуются в техноземах свойства и режимы, характеризующие их агрофизическое и гумусное состояние.

3. Свойства и режимы техноземов, обусловленные недостатками технологии их формирования, которые не поддаются педогенным преобразованиям, способствуют развитию негативных последствий.

Практическая значимость и реализация. Материалы проведенных исследований могут быть использованы для разработки проектов рекультивации нарушенных земель угледобывающими предприятиями КУЗБАССа, КАТЭКа, ЧеремБАССа с применением наиболее эффективных технологий, направленных на ускоренное и экологически безопасное восстановление функций почвенного покрова техногенных ландшафтов. Результаты исследований используются для составления технологических карт и разработки агротехнических приемов на период освоения техноземов, а также для определения стратегии дальнейшего их использования в сельскохозяйственном производстве. В частности, полученные материалы частично использованы при разработки технологической карты по рекультивации отдельных участков Назаровского угольного разреза, что подтверждено соответствующими документами. Некоторые теоретические выводы, имеющие научное и познавательное значение, включены в лекционные курсы по почвоведению, охране природы и рекультивации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 печатных работах. Результаты исследований докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия" ( Москва, 1988), на VIII-Всесоюзном съезде почвоведов ( Новосибирск, 1989), на Первой научной конференции "Растение и промышленная среда" ( Днепропетровск, 1990), на Межотраслевой научно-технической конференции "Технологические аспекты охраны окружающей среды в горной промышленности" (Пермь, 1994), на Международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования" (Москва, 1997), а также на конференциях молодых ученых ИПА СО РАН 1991, 1992 и 1997 годов.

Автор глубоко признателен за приобщение к проблеме рекультивации земель ныне покойному, доктору биологических наук, профессору С.С.Трофимову. Выражаю свою благодарность за многочисленные консультации и помощь в работе руководителю диссертационной работы, заведующему лабораторией рекультивации ИПА СО РАН, доктору биологических наук В.М.Курачеву. В проведении практического этапа научно-исследовательской работы большую помощь оказали с.н.с. Ф.А.Фаткулин и в.н.с. Ф.К.Рагим-заде, а также начальник участка рекультивации разреза "Назаровский" В.Ф.Авдусь. В сборе и обработке материалов участвовали студенты агрономического факультета Новосибирского агроуниверситета С.В.Клюквин, И.И.Винников,С.А.Шлык и лаборанты лаборатории рекультивации Л.В.Свирщевская, Т.Ф.Зайцева, И.И.Мирошнечонко. Автор благодарит всех, кто тем или иным образом способствовал завершению научно-исследовательской работы по теме.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились в период 1987-1997 гг. Объектами изучения были выбраны техногенные ландшафты Назаровского угольного разреза, входящего в производственное объединение Красноярскуголь. Эти ландшафты представлены внешними и внутренними отвалами вскрышных и вмещающих пород и внутренним гидроотвалом.

Согласно проекту разработки и добычи угля на Назаровском угольном разрезе было предусмотрено отведение части отработанных площадей для проведения рекультивации сельскохозяйственного направления. Для этого на первом (горно-техническом) этапе было проведено выполаживание отвалов с помощью мощных карьерных бульдозеров. При этом общий уклон не должен был превышать 3° (Кандрашин, 1981; Методические рекомендации ..., 1982) . В дальнейшем на спланированные участки отвалов вскрышных пород был отсыпан ПСП и, следовательно, сформированы техноземы. Транспортировка и отсыпка ПСП осуществляется автомобильным транспортом. Так как технология отсыпки и планировки ПСП полностью не отработана, плодородный слой отсыпается неравномерно, часто на переуплотненное основание. Мощность отсыпаемого ПСП колеблется от 20 до 50 см.

На втором (биологическом) этапе рекультивации на сформированных описанным образом участках техноземов был произведен посев многолетних трав с целью устранения неблагоприятных, техногенных свойств, приобретенных насыпными почвами на горно-техническом этапе рекультивации. На необходимость фитомелиоративного периода указывают многие исследователи (Маляр, 1978; Масюк, 1984). Продолжительность мелиоративного периода зависит от климатических и эдафических условий определенного участка рекультивации (Сокольников, 1980; Федотов 1985). Время, затраченное на восстановление основных свойств техноземов на

этапе биологической рекультивации, удобно назвать мелиоративным периодом (Краткий толковый словарь ..., 1980).

Для изучения восстановления физических, химических и экологических свойств и режимов в мелиоративный период освоения техноземов были выбраны рекультивированные участки с различным уровнем мелиоративного освоения: а) первый год после отсыпки ПСП; б) 3 года после отсыпки ПСП, посев люцерны; в) 10 лет после отсыпки ПСП, посев люцерны; г) 20 лет после отсыпки ПСП, естественное залужение. За эталон-сравнения принимался прилегающий участок почвы естественного строения - чернозема выщелоченного под посевом люцерны третьего года возделывания. Этот подтип черноземов выбран в качестве своеобразного контроля (эталона) по той причине, что как и выбранные нами объекты исследования, функционирует в автоморфном, автономном режиме и развивается на рыхлых четвертичных отложениях тяжелосуглинистого гранулометрического состава.

С целью изучения особенностей трансформации материала ПСП были отобраны образцы на всех звеньях технологического процесса от снятия ПСП до его отсыпки на спланированную поверхность отвалов вскрышных пород. Исследование процессов, происходящих в период хранения ПСП, осуществлялось в разновозрастных буртах: 1-го, 3-го, 5-го и 11-го годов хранения.

В полевых исследованиях изучали морфологическое строение техноземов, характер распределения в них корней, проводился отбор монолитов и образцов для определения физических и химических свойств субстрата. Ниже приводится морфологическое описание ключевых разрезов, расположенных на изучаемых участках техноземов.

Разрез 30. Технозем гумусоаккумулятивный, сформированный на внутреннем отвале, первый год после отсыпки ПСП. Мощность ПСП 42 см. Платообразный участок с небольшим уклоном на юго-запад с микро- и

мезопонижениями в виде блюдец. Растительность первого года самозарастания представлена в основном сорными видами: овсюгом, осотом, горцем перечным, марью белой, вьюнком полевым и другими. Покрытие от 10 до 40 %.

I. 0-5 см. Темно-серый, зернисто-пылеватый, сухой, тяжелый

суглинок, разрыхлен процессами иссушения-увлажнения и корнями поселяющихся растений. Переход резкий по плотности и структуре.

II. 5-42 см. Темно-серый, глыбистокомковатый, влажный, тяжелый

суглинок, включающий субстрат горизонта В черноземов в виде гнезд от 0,5 до 10 см в диаметре, выраженная вертикальная трещиноватость. Переход резкий по всем морфологическим признакам.

III. 42-60 см. Материал отвала - светлокоричневый, почти желтый,

бесструктурный, легкий суглинок, плотный, включения бурой глины, окисленного железа охристого цвета. Переход по цвету и плотности.

IV. 60-105 см. Серо-бурый, средний суглинок, бесструктурный,

плотнее предыдущего. Включение частиц глинистого состава, сизого цвета и частиц угля. Переход по плотности и гранулометрическому составу.

V. 105-150 см. Окраска неравномерная от желтой до бурой, легкий

суглинок, бесструктурный, менее плотный, чем предыдущий, включения частиц угля и гальки. Разрез 12. Технозем гумусоаккумулятивный, сформирован на внутреннем отвале, три года после отсыпки ПСП. Мощность ПСП 40 см. Посев люцерны. Платообразная поверхность с мезопонижениями в виде блюдец. Растительность: посев люцерны, сорняки: пырей, мышиный горошек, осот. 0-2 см. Дернина, фрагментами. Серый, слегка буроватый от

разложения опада, рыхлый, тяжелый суглинок, структура порошистая, густо пронизан корнями растений. Переход ясный по плотности и структуре.

I. 2-23 см. Темно-серый, с бурыми включениями горизонта В

черноземов, тяжелый суглинок, ореховато-комковатой структуры, слабо выраженная вертикальная трещиноватость. Обилие корней. Переход резкий по плотности, структуре и количеству корней.

II. 23-40 см. Темно-серый, с бу�