В ходе формирования почв техногенных ландшафтов под действием всех факторов почвообразования ведущим остается биологический. Развитие биоты приводит к поступлению, накоплению и трансформации органического вещества [1].
Наиболее характерными представителями техногенных ландшафтов можно считать отвально-карьерные образования, сформированные при открытой добыче бурого угля. В техногенную фазу формируется каркасная основа, которая преобразуется в посттехногенной фазе [2, 3]. Рельеф каркасной основы, так же как и породы, слагающие отвалы (обладающие тем или иным почвообразующим потенциалом), либо увеличивают скорость саморазвития почвы, либо замедляют. А саморазвитие почвы, как уже выше сказано, определяется развитием биоты. Поэтому наиболее значимой информацией следует считать зависимости темпов накопления органического вещества и специфику его преобразования от состава пород, положения формирующейся почвы в рельефе, времени почвообразования [1]. Отвалы представляют собой геоморфологические образования в виде конических или плосковершинных бугров, вытянутых гряд, мезогряд с пологими или крутыми склонами. Доля склоновых поверхностей может достигать 95 % [4, 5]. В условиях такого достаточно расчлененного рельефа формируются почвы как развивающиеся только под влиянием атмосферного увлажнения (автономные почвы), так и гетерономные почвы подчиненных позиций [6]. Гетерономные почвы получают дополнительный приток влаги, веществ с вышерасположенных позиций и могут являться конечными пунктами геохимической миграции веществ [7]. Поэтому и почвы, развивающиеся в таких различных эдафических условиях, могут иметь различные свойства.
Цель исследования заключается в изучении специфики процессов педогенеза в автономных и гетерономных почвах техногенных ландшафтов Павловского угольного разреза при самозарастании.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились на карьерно-отвальных комплексах Павловского угольного разреза Приморского края. Центральная часть разрабатываемых участков находится в 30 км северо-западнее г. Уссурийска на территории Михайловского района Приморского края.
Район исследований расположен в Приханкайской гидротермической провинции. Климат континентальный, с большим влиянием муссонного характера сезонных ветров на погодные условия. Летние муссоны, а также августовские и сентябрьские тайфуны приносят основное количество осадков [5, 8].
Объектами исследования послужили почвы (эмбриоземы), развивающиеся на 35-летнем внешнем двухъярусном транспортном отвале с уплощенной вершиной и слабонаклонной террасой в средней части отвала. Для определения свойств автономных почв были заложены разрезы на вершине отвала (элювиальная позиция). Для определения свойств гетерономных почв разрезы были заложены на террасе в средней части склона (транзитно-аккумулятивная позиция) и внизу склона в аккумулятивной позиции ландшафта.
Литогенный состав отвала представлен хаотичной смесью рыхлых четвертичных отложений угленосных свит – глин, алевролитов, аргиллитов, песчаников. По гранулометрическому составу они могут быть от тяжелосуглинистых до среднеглинистых. При диагностике типа почв использована профильно-генетическая классификация почв техногенных ландшафтов [1, 2]. Отбор образцов производился в начале августа. Определение химических, физических и физико-химических свойств почв проводились по общепринятым методикам [9, 10]. В полевых исследованиях проводилось морфологическое описание, определялась степень дифференциации профиля почв. Для расчета общей степени дифференциации по органическому углероду использовался коэффициент Б.Г. Розанова [6]. Данный показатель (SCорг) позволяет сравнивать горизонты не с почвообразующей породой, а между собой. Кроме этого коэффициента были вычислены запасы органического вещества в каждом слое (Qn) и для слоя 0–20 см (Q). По методу прямого сравнения вычислялся коэффициент дифференциации (А) также для корнеобитаемого горизонта (0–20 см), а также степень дифференциации (Sh) и средние скорости гумусонакопления (органического углерода) (v,т/га/год).
Результаты исследования и их обсуждение
По результатам полевых исследований выделено три типа эмбриоземов: эмбриозем грубогумусовый, эмбриозем грубогумусовый глееватый и эмбриозем грубогумусовый глеевый.
Вершина отвала, элювиальная позиция. Рельеф мелкобугристый. Растительность – осиново-хвощевый лес, пройденный низовым пожаром. Проективное покрытие составляет 15–20 %. Под данным типом растительности развиваются автономные эмбриоземы грубогумусовые (иллювиально-гумусовые). Обобщенный морфологический профиль данных почв имеет строение Ао-А-С. В профиле выделяется лесная подстилка до 1 см. Грубогумусовый горизонт мощностью 1,5–2 см.
Породы отвала содержат достаточно высокое количество углистого материала от мелкодисперсного до комковатого. Подготовка образцов для камеральной обработки обязательно содержала отбор видимых углистых частиц. Безусловно, тонкодисперсный материал оставался в образцах. Поэтому при анализе общий углерод состоит как из литогенного, так и имеющего педогенную природу.
В автономном эмбриоземе в грубогумусовом горизонте содержание органического вещества составляет более 1,7 %. При этом в более глубоких слоях «материнской породы» находится в пределах от 0,2 % до 0,3 % (табл. 1). Тип гумуса гуматно-фульватный. Увеличение содержания ГК в слое 2–10 см может быть вызвано влиянием углистых частиц. Степень гумификации с глубиной уменьшается от средней до слабой. Можно предположить, что процессы разложения органического вещества и образование гуминовых кислот происходят достаточно медленно и идет накопление в основном слаборазложившихся растительных остатков. Некоторое увеличение этого показателя в нижних слоях возможно связано с накоплением углистого материала либо с возможным перемещением гумусовых соединений по профилю эмбриозема. Показатель скорости гумусонакопления невысок и составляет 0,31 т/га/год. В расчёте учитывалось органическое вещество слоя 0–20 см за 35 лет. Также невысок и запас органического вещества и составляет немногим больше 14 т/га. Подтверждением того, что содержание органического вещества резко уменьшается с глубиной, могут служить и показатели степени дифференциации и коэффициента дифференциации. По градации Б.Г. Розанова почвы резко дифференцированы по содержанию органического вещества (табл. 2).
Таблица 1
Содержание органического углерода в автономных и гетерономных почвах
|
Глубина, см |
Собщ % |
Сгк/Сфк |
Сгк/Собщ (степень гумификации), % |
v, т/га/год |
|
Автономный эмбриозем. Элювиальная позиция |
||||
|
0–2 |
1,71 |
0,55 |
24,3 |
0,41 |
|
2–5 |
0,82 |
0,86 |
20,7 |
|
|
5–10 |
0,32 |
0,74 |
15,4 |
|
|
10–15 |
0,24 |
0,42 |
17,5 |
|
|
15–20 |
0,25 |
0,39 |
21,1 |
|
|
20–30 |
0,29 |
|||
|
30–40 |
0,22 |
|||
|
40–50 |
0,23 |
|||
|
Гетерономный эмбриозем. Транзитно-аккумулятивная позиция |
||||
|
0–2 |
4,01 |
0,74 |
30,2 |
0,94 |
|
2–5 |
2,04 |
0,63 |
27,1 |
|
|
5–10 |
1,74 |
0,61 |
22,3 |
|
|
10–15 |
0,51 |
0,53 |
19,4 |
|
|
15–20 |
0,48 |
0,43 |
20,3 |
|
|
20–30 |
0,27 |
|||
|
30–40 |
0,31 |
|||
|
40–50 |
0,25 |
|||
|
Гетерономный эмбриозем. Аккумулятивная позиция |
||||
|
0–2 |
1,83 |
0,43 |
23,8 |
0,52 |
|
2–5 |
1,00 |
0,61 |
20,4 |
|
|
5–10 |
0,26 |
0,76 |
14,2 |
|
|
10–15 |
0,27 |
0,47 |
15,1 |
|
|
15–20 |
0,24 |
10,2 |
||
|
20–30 |
0,17 |
|||
Вторым объектом исследования стали гетерономные почвы средней части склона на террасе.
Терраса расположена на середине северо-западного склона 3–5 ° (транзитно-аккумулятивная позиция), и фитоценоз представлен осиново-березово-хвощево-разнотравным лесом. Пройден низовым пожаром. Проективное покрытие 40 %. Сингенетично с данным типом растительности развиты эмбриоземы грубогумусовые (кустарничково-корневые) иллювиально-гумусовые глееватые. Профиль эмбриоземов Ао-А-АВ-Сg.
Толщина подстилки составляет 1–1,5 см. Грубогумусово-аккумулятивный горизонт имеет мощность 4–5 см. Признаки глееватости отмечаются с глубины 20–30 см. Содержание органического углерода в верхней части профиля плавно убывает с 4 % (0–2 см) до 1,74 % на глубине 10 см (табл. 1). Затем отмечено резкое убывание содержания органического углерода с 0,51 % (10–15 см) до 0,25 % (40–50 см). Такое распределение определяется не только образованием гумусовых кислот биогенного происхождения, но и существенным влиянием углерода окисляющихся бурых углей. Кроме того, транзитно-аккумулятивные позиции имеют более благоприятные условия для развития фитоценозов. Это проявляется в менее контрастных гидротермических условиях, ветрозащищенности. В отличие от вышележащих эмбриоземов элювиальных позиций, эмбриоземы транзитно-аккумулятивных позиций имеют более мощный гумусово-аккумулятивный горизонт. Поскольку грунтовые воды отсутствуют то различия в почвообразовании гетерономных и автономных почв определяются в том числе объемом плоскостного и, возможно, внутрипочвенного бокового стоков, которые кроме дополнительной влаги приносят на почвы подчиненных позиций дополнительный мелкодисперсный материал.
Гумус гетерономных почв, развивающихся на террасе, гуматно-фульватный. Степень гумификации выше, чем у автономных почв, но все равно относится к средней. Рассчитанная скорость гумусонакопления для слоя 20 см в 2,3 раза выше, чем у вышерасположенных почв, и составляет 0,70 т/га/год. Запасы органического углерода в гетерономных почвах средней части склона составляют 32,9 т/га, что также в 2,3 раза выше, чем у автономных эмбриоземов. Коэффициент дифференциации профиля почвы по органическому углероду превышает таковой по сравнению с почвами, развивающимися на элювиальных позициях (табл. 2). Все вместе эти коэффициенты подтверждают, что педогенные преобразования исходной литогенной основы затронули большую толщу пород, чем у почв автономных.
Таблица 2
Значения коэффициентов степени дифференциации профиля почв
|
Глубина, см |
(Qn) Запас, т/га |
(Q) Запас, т/га |
Sh |
А, % |
|
Автономный эмбриозем. Элювиальная позиция |
||||
|
0–2 |
2,84 |
14,4 |
4,5 |
584 |
|
2–5 |
2,04 |
228 |
||
|
5–10 |
1,97 |
28 |
||
|
10–15 |
1,5 |
–4 |
||
|
15–20 |
2,56 |
0 |
||
|
Гетерономный эмбриозем. Транзитно-аккумулятивная позиция |
||||
|
0–2 |
4,89 |
32,87 |
4,1 |
735 |
|
2–5 |
3,73 |
325 |
||
|
5–10 |
9,48 |
263 |
||
|
10–15 |
3,42 |
6 |
||
|
15–20 |
3 |
0 |
||
|
Гетерономный эмбриозем. Аккумулятивная позиция |
||||
|
0–2 |
4,21 |
18,32 |
6,0 |
663 |
|
2–5 |
3,45 |
317 |
||
|
5–10 |
1,57 |
8 |
||
|
10–15 |
1,89 |
13 |
||
|
15–20 |
1,74 |
0 |
||
Температура гетерономных почв аккумулятивных ландшафтов ниже, чем у вышерасположенных. Влажность почвы за счет дополнительного увлажнения, обусловленного поверхностным стоком и близостью обводного канала, значительно выше, чем у гетерономных почв транзитно-аккумулятивных позиций. Это создает менее благоприятные условия для развития растительности и, соответственно, для развития педогенных процессов почвообразования.
В нижней части отвала на аккумулятивной позиции фитоценоз представлен осиново-хвощевым лесом (хвощ 85 %, грушовка 7 %, полынь 5 %, разнотравье 1 %) с проективным покрытием 30 %. Грунтовые воды на глубине 1–1,2 м. На данном элементе рельефа развиты гетерономные почвы эмбриоземы грубогумусовые иллювиально-гумусовые глеевые. Обобщенная формула профиля почв Ao-A-Cg. Лесная подстилка фрагментарная 0,5 см. Грубогумусовый горизонт 1,5–2 см. Глеевые процессы отмечаются уже под гумусовым горизонтом.
Содержание и распределение органического вещества имеет аккумулятивный тип распределения. Если в слое 0–2 см содержание органического углерода составляет 1,83 %, то уже с глубины 5 см и ниже оно резко убывает до значений 0,26–0,17 % (табл. 1). Гумус по составу гуматно-фульватный. Степень гумификации средняя только в слое 0–5 см, ниже она соответствует слабым значениям. Скорость гумусонакопления практически такая же, как и автономных почв элювиальных позиций и составляет 0,37 т/га/год. Запас органического вещества в слое 0–20 см несколько выше, чем у автономных почв, и достигает значений выше 18 т/га. Можно предположить, что такие показатели содержания органического вещества в большей степени связаны с привносом с повышенных элементов рельефа мелкоземистого материала. По значению степени дифференциации почвы резко дифференцированы (табл. 2). По этому показателю они превосходят как автономные почвы, так и гетерономные почвы, развивающиеся на террасе склона. Коэффициент дифференциации, показывающий накопление органического вещества, выше, чем у эмбриоземов, формирующихся в элювиальных позициях в слое 0–5 см, однако глубже он резко снижается.
Заключение
1. В автономных почвах происхождение органического вещества имеет автохтонную природу. Тип гумуса гуматно-фульватный. Степень гумификации с глубиной уменьшается от средней до слабой. Можно предположить, что процессы разложения органического вещества и образования гуминовых кислот происходят достаточно медленно и идет накопление в основном слаборазложившихся растительных остатков. Запасы органического вещества составляют около 14т/га. Скорость накопления его также невысока и составляет 0,31 т/га/год. Почвы резко дифференцированы по содержанию органического вещества.
2. В гетерономных почвах транзитно-аккумулятивных позиций толщина подстилки больше, чем у автономных. Содержание органического вещества в грубогумусовом горизонте достигает значений 4 % и снижается до 1,74 % в переходном горизонте. Гумус гуматно-фульфатный. Степень гумификации, скорость гумусонакопления, запасы органического вещества выше, чем у автономных почв. Гумус имеет двойную природу происхождения: не только автохтонную, но и аллохтонную. В составе растительности появляются новые виды, в том числе злаки. Процессы педогенного преобразования исходной породы затрагивают более глубокие слои.
3. Показатели гетерономных почв аккумулятивных позиций находятся между соответствующими значениями для автономных почв и почв транзитно-аккумулятивных позиций.
4. В зависимости от положения формирующейся почвы по катене техногенного ландшафта, на ранних этапах эволюции наибольшая скорость эволюционирования наблюдается в транзитно-аккумулятивных и аккумулятивных позициях.
5. Содержание органического вещества с увеличением времени почвообразования в формирующихся почвах возрастает по сравнению с исходным количеством литогенного органического вещества. Это подтверждает его педогенное образование.