geolike.ru

Скорости процессов в техногенно-измененных почвах

Почвы, измененные сельскохозяйственной деятельностью

В «Классификации и диагностике почв СССР» (1977) критерием отнесения почв к освоенным, или окультуренным, является наличие пахотного горизонта в профиле почвы. Данный горизонт формируется во всех агрогенных почвах независимо от различий в природных условиях и характеризуется относительной однородностью, слабой оструктуренностью и четкой нижней границей. Свойства агрогенных почв определяются комбинацией природных факторов и антропогенных воздействий, которые, по сути, природоподобны и вызывают увеличение скорости и масштабов изменений (Герасимова и др., 2003).

В составе пахотных земель России преобладают черноземы, что объясняется их высоким естественным плодородием и достаточной плотностью сельского населения в черноземной зоне. По степени распаханности за ними следуют серые лесные и дерново-подзолистые почвы, распространенные в условиях достаточного увлажнения, обеспеченности теплом и, в меньшей степени – органическим веществом.

Изменение факторов почвообразования

Главным антропогенным воздействием при использовании почв в земледелии является уничтожение естественной растительности и замена её агроценозами. Это приводит к существенной трансформации по меньшей мере двух условий среды: биологического круговорота и водно-теплового режима почв (Караваева, 2005). Смена типа растительности ведёт к ослаблению биологических процессов, уменьшению количества и упрощению состава гумуса, деградации структуры. Неизбежным следствием смены типа растительности оказывается трансформация почвенного климата в связи с иным режимом увлажнения и испарения новой экосистемой и физическим состоянием поверхности почвы. Все это приводит к увеличению чувствительности пахотных почв к погодным условиям, поэтому в агро-почвах изменения почвенного климата сильнее выражены (особенно на глубине до 0,5 м), чем в их природных аналогах. Почвенный климат на пашнях становится более «континентальным» в пределах большей части профиля по сравнению с природными аналогами: возрастают суммы активных температур во всем профиле, одновременно увеличивается глубина промерзания; в пахотном слое усиливается летнее прогревание, растут амплитуды среднемесячных значений температур и влажности, иным становится соотношение категорий влажности (Караваева, 2005). Контрастность условий нагревания и увлажнения способствует частой смене величин окислительно-восстановительного потенциала, интенсивности физико-химических процессов осаждения-растворения и других явлений.

Распашка почв приводит к изменению гидрологического режима – в пахотных почвах подзолистого ряда происходит, как правило, уменьшение запаса весенней влаги и больший её расход в летний период; также агро-почвы отличаются неглубоким положением зоны активного влагооборота – до 0,5 м, иногда до 1 м, в то время как в природных почвах влагооборот протекает в почвенной толще до 1,5 м (Караваева, 2005). Имеет место также и такой вид антропогенного воздействия, как гидротехнические мелиорации - орошение и осушение, которые принципиально меняют тип водного режима почв. Так, орошение в сухостепной зоне «добавляет» к атмосферному увлажнению приблизительно такое же количество влаги, какое почвы получают за счет атмосферных осадков.

Рассмотрим результаты влияния сельскохозяйственного использования земель на различные характеристики почвы и скорости протекания почвообразовательных процессов.

Влияние распашки почв на их свойства и скорости почвообразовательных процессов

Строение профиля и морфологические признаки

Распашка непосредственно сказывается на морфологических признаках почвы. В результате механической обработки образуется пахотный слой. В морфологическом отношении пахотный слой является диагностическим горизонтом окультуренной почвы и является той частью почвенного профиля, которая первой принимает на себя все изменения, происходящие во внешней среде. Таким образом, пахотный слой наиболее активно отвечает изменениям условий ландшафта, отражая особенности почвообразования на сельскохозяйственных землях.

Морфологические описания ряда почв, исследованных В. Д. Мухой (2004), позволяют судить о воздействии естественно-антропогенного почвообразования на строение профиля и морфологические признаки почв.

Согласно результатам статистического анализа исследований дерново-подзолистых среднесуглинистых и супесчаных почв, проведенных В. Д. Мухой, наиболее существенным является показатель изменения мощности гумусово-элювиального горизонта, смещения его нижней границы. Для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы сельскохозяйственное использование привело к резкому уменьшению (на обычной пашне) и даже к исчезновению (на пашне окультуренной) элювиального горизонта в результате его перемешивания с вышележащими горизонтами и припахивания нижележащих, воздействия травянистой культурной растительности, внесения органических удобрений. В то же время в супесчаной дерново-подзолистой почве при обычном сельскохозяйственном использовании увеличение собственно элювиального горизонта не происходит, однако при окультуривании нижняя граница элювиального горизонта заметно снижается.

Что касается черноземов, то воздействие земледельческого использования на строение профиля и морфологические признаки не вызывает в них существенных изменений, однако отмечаются некоторое увеличение мощности гумусированной части почвенного профиля^[1] и заметное снижение линии вскипания от НСl (Муха, 2004). Таким образом, в строении профиля типичных черноземов при использовании их под пашню происходят изменения, способствующие сглаживанию различий между верхним гумусовым и переходным горизонтами по основным морфологическим признакам (окраска, содержание гумуса, структура, сложение).

Вследствие распахивания земель, верхняя часть почвы изменяется и образуется пахотный слой, который приобретает значение нового генетического горизонта, определяющего во многом плодородие и интенсивность почвообразовательных процессов. Окультуривание почв способствует увеличению мощности пахотного горизонта и усилению процесса гумусонакопления, происходит ослабление элювиально-иллювиальных процессов в дерново-подзолистых почвах, усиливается фиксация гумуса вследствие добавления органических и минеральных удобрений. В черноземах под воздействием окультуривания происходит сглаживание различий в морфологических характеристиках верхних гумусовых и переходных горизонтов.

Трансформация органического вещества

Изменение содержания и качества органического вещества является одним из основных показателей воздействия сельского хозяйства на состояние почвы. Изучение В. Д. Мухой (2004) содержания и качества гумуса в различных почвах выполнялось с целью выявления общих закономерностей трансформации органического вещества под воздействием сельскохозяйственного производства.

Полученные В. Д. Мухой данные говорят о том, что распашка и обычное земледельческое использование почв привели к заметному снижению содержания гумуса в верхних горизонтах всех исследуемых почв, но интенсивность процесса была различной в зависимости от зональных особенностей почвы. У чернозема типичного потеря гумуса была наименьшей, в то время как у дерново-подзолистой показатели содержания гумуса немного вырастают. Это можно объяснить особенностью методов расчета среднего содержания гумуса: сравнивается среднее значение содержания гумуса в пахотном горизонте дерново-подзолистой антропогенно преобразованной почвы со средним значением содержания гумуса в гумусово-элювиальном и элювиальном горизонтах лесной дерново-подзолистой почвы (табл. 3). Анализ изменения количества гумуса в дерново-подзолистых суглинистых почвах в условиях традиционного земледелия свидетельствует о тенденции к сглаживанию природного различия по гумусированности между верхним и нижележащим генетическим горизонтом. Основной причиной, вызвавшей уменьшение содержания гумуса в пахотных почвах, является усиление процесса минерализации органического вещества исходных целинных почв. Однако в супесчаных дерново-подзолистых почвах контраст степеней разложения гумуса в целинных и пахотных почвах значительно меньше, так как в исходных природных условиях супесчаный механический состав почвы способствует лучшей аэрации верхних горизонтов и, соответственно, большей интенсивности минерализации органического вещества. В результате распашки происходит интенсификация процесса разложения органического вещества, но уже в меньшей степени (Муха, 2004).

Таблица 3.

Влияние сельскохозяйственного использования на содержание, степень разложения и гумифицированность (%) органического вещества (по данным В. Д. Мухи).

Интенсивность минерализации органического вещества почвы, степень его разложения отражаются на содержании в почве гумусовых веществ и детрита, т.е. на качестве гумуса. Органическое вещество пахотных почв качественно отличается от органического вещества аналогичных почв под естественной растительностью относительно большим содержанием собственно гумусовых веществ и меньшим – детрита (табл. 3). Отношение гумусовых веществ (ГВ) к детриту (Д) характеризует эту особенность (Муха, 2004).

Согласно исследованиям В. Д. Мухи, уменьшение содержания «общего гумуса» при сельскохозяйственном использовании почвы происходит главным образом за счет потери детрита; количество собственно гумусовых веществ изменяется менее существенно, то есть относительно увеличивается. В ряде случаев содержание собственно гумусовых веществ в пахотной почве не уступает их содержанию в соответствующих горизонтах целинной почвы.

Микробиологическая и ферментативная активность

Значение микробиологической и ферментативной активности в почвообразовании довольно велико. Жизнедеятельность почвенных микроорганизмов отражается на плодородии почвы.

Исследования В. Д. Мухи показали, что наибольшей микробиологической активностью обладает чернозем типичный, наименьшей – дерново-подзолистая суглинистая почва. При этом дерново-подзолистая супесчаная почва отличается довольно высокой микробиологической активностью (Муха, 2004). Общая закономерность такова, что в сравнении с целинными, в почвах сельскохозяйственного использования в целом происходит возрастание микробиологической активности, причем в окультуренных почвах оно более резкое. Наиболее интенсивно развиваются микроорганизмы, принимающие участие в минерализации органического вещества, в превращении азотсодержащих органических и минеральных соединений (Муха, 2004).

Таблица 4.

Показатель характера микробиологических процессов для пахотного и соответствующих ему горизонтов в природных почвах (по исследованиям В. Д. Мухи).

С целью конкретного (количественного) отражения интенсивности микробиологических процессов в целинных и пахотных почвах В. Д. Мухой был предложен способ определения показателя, отражающего направление и интенсивность жизнедеятельности организмов. Полученные результаты расчета данного показателя представлены в табл. 4. Показатель характера микробиологических процессов рассчитан как произведение общего количества микроорганизмов (выраженного в млн. на 1 г абсолютно сухой почвы) на направленность микробиологических процессов. Согласно отображенным в таблице данным, предложенный показатель отражает генетические особенности почвы и степень её окультуренности.

Таким образом, анализ микробиологической активности почв, показал, что вовлечение почв в сельскохозяйственное производство существенно изменяет их микробиологическую активность по всей толще почвенного профиля, при этом:

     ·    сельскохозяйственное использование почв вызывает резкое увеличение численности микроорганизмов, участвующих в минерализации органического вещества;

     ·    окультуривание обусловливает наиболее высокую общую микробиологическую активность почв, усиление трансформации органического вещества при относительном снижении интенсивности процессов минерализации.

Обмен веществ и потоков энергии при разложении и синтезе органических соединений, переход трудноусвояемых соединений питательных веществ в формы, легкодоступные для растений и микроорганизмов, происходят при непосредственном участии ферментов.

В. Д. Мухой было изучено воздействие сельскохозяйственного использования на биохимическую активность почв по активности основных ферментов, непосредственно влиявших на метаболизм важнейших биогенных элементов (углерода, азота, фосфора), на образование и минерализацию органического вещества почвы, на развитие окислительно-восстановительных процессов. Исследования показали, что ферментативная активность почв под воздействием сельскохозяйственного использования существенно изменяется, отражая природные особенности самой почвы и характер ее использования и, в общем, при окультуривании почв отмечается повышение активности практически всех исследуемых ферментов (Муха, 2004).

Согласно результатам исследований В. Д. Мухи, изменения, происходящие в почвах различных генетических типов под воздействием сельскохозяйственного производства, свидетельствуют о наличии ряда общих закономерностей, несмотря на четко выраженные зональные отличия. В частности, он отмечает некоторые изменения в почвообразовательных процессах, присущие всем исследуемым: усиление ферментативной и микробиологической активности; увеличение интенсивности процессов минерализации и трансформации органического вещества почвы, повышение степени разложения почвенного органического вещества; формирование гумуса с более высоким содержанием гуминовых кислот; формирование своеобразного питательного режима, отличающегося высокой интенсивностью биохимических процессов; усиление трансформации илистой минеральной части почвы и другие (Муха, 2004). Зональные отличия проявляются в уровне показателей, характеризующих почвы и в интенсивности их изменения.

Почвы, измененные горнодобывающей промышленностью

Виды воздействий

Почвы, находящиеся в сфере влияния предприятий топливно-энергетического комплекса и горнодобывающей промышленности относятся к техногенным (в узком понимании термина). Техногенные почвы испытывают антропогенное воздействие различной интенсивности – минимальные влияния могут не отражаться на морфологии профиля, тогда как максимальные могут полностью уничтожать старую почву и создавать новый субстрат.

Все многообразие видов воздействий и вызываемых ими нарушений можно сгруппировать в категории механических и химических, а также затрагивающих весь почвенный профиль или отдельные его горизонты. При механических воздействиях изменяется непосредственно твердая фаза, либо создаются новые почвы; химические нарушения обычно сопровождаются преобразованиями жидкой и газовой фаз почвы.

Механические нарушения происходят в результате открытых и подземных горных разработок и в местах бурения и транспортировки при нефтегазодобыче.

Горные разработки, при которых значительно нарушается территория, включают в себя следующие виды работ:

     ·    Разработки рудных полезных ископаемых - железных и полиметаллических руд (свинец, медь, кадмий, серебро, висмут, олово), редких и радиоактивных элементов.

     ·    Нерудные разработки - строительные материалы (щебень, гравий, песок, известняк), калийные и поваренная соли, огнеупорные глины, абразивы, технические и драгоценные камни, апатиты и фосфориты, мрамор и прочее.

     ·    Добычу ископаемого угля – бурого и каменного.

Химические нарушения и преобразования почвенного профиля происходят при добыче нефти и газа, а также при разработках углей, содержащих сульфиды. Рассмотрим почвы, образующиеся в районах горных разработок и влияние разработок конкретно сернистых углей на примере черноземов и дерново-подзолистых почв.

Свойства почв в районах горных разработок

На территориях, связанных с горными разработками, обязательно присутствуют и занимают, как правило, значительную долю в почвенном покрове такие почвы и почвоподобные тела, как эмбриоземы, хемоземы, техноземы, а также техногенные грунты.

Эмбриоземы

Эмбриоземами являются слаборазвитые примитивные почвы на техногенных и природных грунтах с горизонтом А1 мощностью до 5 см, формирующиеся в режиме саморазвития (Андроханов и др., 2000). Нижняя часть профиля эмбриоземов представлена в основном системой насыпных слоев вскрышной плотной породы и четвертичных отложений. Эмбриоземы являются слаборазвитыми почвами, основная причина чего - недостаточное время педогенного преобразования условно почвообразующей породы. Эмбриоземы, развивающиеся на различных карьерных природных субстратах, являются аналогами естественных слаборазвитых почв.

Основными протекающими процессами в эмбриоземах являются: гумусонакопление (или торфонакопление), выщелачивание карбонатов и вынос легкорастворимых солей, структурная переорганизация твердой фазы, выветривание первичных минералов, оглеение. Главными механизмами формирования эмбриоземов из породы являются минерализация и трансформация органического вещества микробиологическими процессами.

Скорость образования гумусового горизонта в эмбриоземах зависит от биоклиматических и литолого-геоморфологических условий. Наиболее активное накопление гумусовых веществ в эмбриоземах происходит при формировании почвы на карбонатных породах тяжелого гранулометрического состава, не содержащих токсичных веществ (Андроханов и др., 2000). Также, относительно высока скорость формирования гумусового горизонта в лесостепных и степных ландшафтах, где гумусонакоплению способствуют благоприятные климатические условия. Со временем в эмбриоземах меняется и соотношение гуминовых и фульвокислот: на первых стадиях органическое вещество почвы формируется с преобладанием подвижных форм гумуса. На более поздних стадиях в почве уже начинают прослеживаться зональные признаки. Также, немаловажным фактором в формировании гуминовых кислот почвы является почвообразующая порода: наиболее высокая доля гуминовых кислот наблюдается в почвах на известняках и углях, а наименьшая на сланцевых насыпях при прочих равных условиях (Андроханов и др., 2000).

Техноземы

Техноземы - искусственные почвоподобные образования, состоящие из насыпных слоев, в том числе из насыпного гумусированного материала (Етеревская, 1989). Профиль технозема формируется путем насыпки плодородного слоя почвы-донора или торфо-компостной смеси на один или несколько слоев техногенных или природных грунтов. Мощность гумусового слоя колеблется от 20 до 50 см. При повышенной токсичности техногенного субстрата создают искусственный геохимический барьер, задерживающий агрессивные и/или токсичные соединения. Со временем, насыпные слои приобретают почвенные признаки и в них протекают почвенные процессы (Андроханов и др., 2000).

Скорость накопления органического вещества на начальных стадиях развития технозема, как правило, довольно высока, так как исходная насыпь обогащена гумусом, поскольку для активизации процесса гумусообразования вносится дополнительное органическое вещество (надземная часть бобовых трав и/или навоз). Кроме того, технозем, как любое природное тело первых этапов эволюции, также как и эмбриозем, находится на восходящей ветке эволюционной кривой. Так, в степной зоне технозем в течение 3-4 лет интенсивно накапливает органическое вещество, затем, в техноземе 20-летнего возраста под многолетними травами отмечается преобразование органического вещества в гумус и увеличение доли гуминовых кислот по отношению к фульвокислотам (Андроханов и др., 2000). Таким образом, процесс накопления органического вещества в техноземе степной зоны в течение 20 лет выходит на плато эволюционной кривой.

Таблица 5. Состав и некоторые свойства гумуса техноземов (Андроханов и др., 2000)

*В числителе - в % к почве; в знаменателе - в % от С почвы.

Внесение в техноземы органических добавок (торфо-компостные смеси, сидераты, навоз) увеличивает количество подземной биомассы практически в 1,5 раза, а за счет более глубокого распространения корней в субстрате формируется комковатая структура; дополнительное органическое вещество способствует также протеканию микробиологических и биохимических процессов.

Так как технозем являет слоистым образованием из насыпного материала с различными физическими и водно-физическими свойствами, то сконструированный профиль часто оказывается многочленным по гранулометрическому составу и другим свойствам. С течением времени подобная слоистость приводит к образованию слоя подвешенной влаги, ухудшающего водный режим развивающейся почвы. Таким образом, наблюдается более высокий дефицит влажности в корнеобитаемом слое технозема по сравнению с таковым в черноземе – фоновой почве (Андроханов и др., 2000).

Изменение свойств почв в районах добычи сернистых углей

Особое место в системе техногенных почв в районах горных разработок занимают почвы, испытывающие влияние продуктов выветривания сернистых, или сульфидсодержащих, углей. Такие угли добываются в Кизеловском (Пермская область) и Подмосковном буроугольных бассейнах (Википедия), а также в Украине, Германии, Южно-Африканской Республике, Великобритании.

Работы, проводившиеся Географическим ф-том МГУ в Кизеловском бассейне, позволили выявить особенности трансформации почв по отношению к источнику воздействия. Наиболее информативным в целях выявления ответных реакций почв на техногенное воздействие и пространственные закономерности трансформации почв оказалось сравнение техногенно измененных дерново-подзолистых почв и выщелоченных черноземов на близких материнских породах (лессовидных суглинках) при почти одинаковых «пусковых механизмах» техногенного воздействия (Никифорова, Солнцева, 1982; Солнцева, Рубилина, 1987; Солнцева и др., 1992).

Добыча угля в Кизеловском бассейне проводится закрытым способом с образованием терриконов, которые представляют собой конусообразные отвалы высотой до 100 м. (рис. 1) Терриконы иногда выравниваются в целях уменьшения разноса угольной пыли и предотвращения самовозгорания. Радиус их прямого воздействия приблизительно около 1 км, а косвенного – около 10 км (Герасимова и др., 2003). В золе углей присутствует широкий спектр микроэлементов, так что геохимики называют отвалы вместе с зонами их влияния техногенными геохимическими аномалиями, в которых концентрируются многие редкоземельные элементы.

Рассмотрим трансформации различных почв под влиянием горнодобывающей промышленности.

Влияние горнодобывающей промышленности на свойства почв и скорости почвообразовательных процессов

Трансформация дерново-подзолистых почв

Под влиянием техногенных факторов на основании исследований Н. П. Солнцевой и Н. Е. Рубилиной было установлено, что в дерново-подзолистых почвах происходит усиление процесса кислотного гидролиза, как составляющей подзолообразования, что вызывает возрастание актуальной кислотности. Также в почве более интенсивно протекают процессы лессиважа, свидетельством чего служат частицы черной угольной пыли и так называемая «угольная метка» (мареново-красное вещество) в иллювиальных кутанах.

Изменения химических свойств почвы проявляются и в ряде других ее характеристик: подкисление вызывает деградацию структуры верхних слоев почвы, способствует выветриванию первичных минералов; мобилизация и сегрегация соединений железа ведет к росту числа железистых новообразований в почве. Также, подкисление почвы ухудшает способность органического вещества к разложению, способствует его консервированию и обуглероживанию. Одновременно в верхних горизонтах появляются тонкие угольные пленки по краям агрегатов или заполнения пор пылеватыми угольными частицами, что отражается на повышении количества общего углерода в сравнении с фоновыми почвами.

В жестких условиях технопедогенеза при воздействии сернистых углей происходит полное «выключение» некоторых процессов, специфичных лишь для условий полноценно функционирующих почв. В данном случае это гумусово-аккумулятивный процесс, который замещается гумусово-деструкционно-иллювиальным (Солнцева, Рубилина, 1987). Кроме того, возникают процессы, специфичные только для технопедогенеза и не имеющие аналогов в исходных почвах. Примерами их могут служить усадка почв: углеродисто-аккумулятивный процесс, приводящий к накоплению в почвах углерода угольного происхождения. Непосредственные изменения претерпевает и элювиально-иллювиальный процесс, который характеризуется смещением наиболее активной аккумуляции веществ в верхние горизонты почв. Одновременно с этим морфологические проявления элювиального процесса распространяются на всю почвенную толщу, что служит глубоким отличием от исходных почв, в которых горизонты максимальной локализации процессов элювиирования или иллювиирования и их интенсивность иные (Солнцева, Рубилина, 1987).

Трансформация черноземов

Изучение оподзоленных и выщелоченных черноземов в условиях техногенного влияния проводились Н. П. Солнцевой, Н. Е. Рубилиной, М. И. Герасимовой и С. В. Алистратовым на территории Подмосковного угольного бассейна. Было установлено, что, как и в дерново-подзолистых почвах, в выщелоченных черноземах в сфере влияния отвалов происходят процессы уплотнения, деградации структуры, обуглероживания органического вещества, подкисления, усиление лессиважа и обеднение биоты.

В выщелоченных и оподзоленных черноземах имеет место процесс подкисления вследствие увеличения количества поступающих кислых вод. Влияние агрессивных потоков не ограничивается только верхними гумусовыми горизонтами почв, но охватывает весь генетический профиль. Трансформация нижних карбонатных горизонтов включает следующие процессы: изменение карбонатного профиля; огипсование; усиление подвижности (иллювиирования) тонкодисперсного минерального и органического материала. Интенсивность процесса выщелачивания и метаморфизации иллювиального горизонта, как и другие морфологические признаки, меняется по площади ореола загрязнения в соответствии с изменением интенсивности поступления в почвы сернокислых соединений (Солнцева и др., 1992).

Обогащенные сульфатами фильтрационные воды, поступающие в почвенную толщу, приводят к формированию в черноземах гипсовых новообразований. По представлениям исследователей, основным фактором огипсования почв служат обменные процессы. Анализ состояния поглощающего комплекса загрязненных почв свидетельствует, что под влиянием кислых растворов происходит замещение ионов кальция и магния ионами водорода и алюминия (Солнцева и др., 1992). Таким образом, техногенные воздействия вызывают изменения в черноземах не только на количественном уровне, но и на качественном: происходит изменение строения профиля и свойств отдельных его горизонтов.

Итак, трансформация почв под влиянием добычи сернистых углей имеет ряд специфических особенностей, связанных с высокой агрессивностью кислых растворов. Во всех почвах происходят процессы уплотнения и усадки, обуглероживания и потечность гумусовых соединений. В дерново-подзолистых почвах усиливаются процессы, свойственные данной зоне: элювиально-иллювиальный, подкисление, ожелезнение. В оподзоленных и выщелоченных черноземах происходит два типа преобразования почв: подкисление, активное выщелачивание карбонатов в почве и огипсование, засоление почвы. Выраженность и формы химических преобразований в почвах варьируют в зависимости от их продолжительности и удаления объектов от источника загрязнения.