Географо-генетическая характеристика форм железа в эмбриоземах Кузбасса

С каждым годом увеличивается степень воздействия промышленности на природные комплексы. Все острее становится необходимость не только более производительного использования ресурсов планеты, но также и их охраны [Ковда, 1973], т.к. окружающая среда является необходимой основой для существования всего живого. Она — источник энергии и вещества, которые используются в процессе жизнедеятельности человека.

Центральный.

Северо-Западньм.

Южньй.

Приволжский.

Уральский.

Сибирский.

Дальневосточный.

Рис. 1. Добыча угля в Федеральных округах России в 2008 г в процентах.

Добыча каменного угля в Сибирском Федеральном округе в 2008 году составила 271 982 тыс. тонн или 83% от общего количества добытого в России угля (рис. 1) [Статистический сборник, 2009]. При этом Кемеровская область по добыче угля занимает первое место не только в Округе, но и в целом по стране (табл. 1) [Там же].

При добыче 150 миллионов тонн угля в 2004 году на поверхность почвенного покрова вынесли до 3 миллиардов тонн твердых отходов, и уже сегодня в отвалах накоплены десятки миллиардов тонн различных пород. В результате проведения горных работ в Кузбассе нарушено и выведено из хозяйственного использования около 100 тысяч гектаров плодородных земель [Захаров, 2006]. Поэтому очень важно хотя бы частично возвращать нарушенные горнодобывающей промышленностью территории в сельскохозяйственное и лесное пользование [Соколов, 1974].

Таблица 1. Место, занимаемое субъектом РФ по добыче угля и количество добытого угля в Федеральных округах в 2008 г.

Название субъекта Количество добытого угля (тыс. тонн) Занимаемое место.

Российская Федерация 328 554.

Центральный ФО 360 а).

Северо-Западный ФО 12 929 (з).

Республика Коми 5.

Южный ФО 7081 (4).

Ростовская область 9.

Приволжский ФО 515 (б).

Уральский ФО 3354 (5).

Сибирский ФО 271 982 а).

Республика Хакасия 1.

Забайкальский край 3.

Красноярский край 2.

Иркутская область 4.

Кемеровская область 1.

Дальневосточный ФО 32 333 (2).

Республика Саха (Якутия) 6.

Приморский край 8.

Сахалинская область 10.

При выборе способов биологической рекультивации породных отвалов одним из очень важных моментов является оценка возможности использования процессов естественного формирования почвенного и растительного покровов. При положительной оценке эффективности этих процессов не обязательно проводить технологически сложную рекультивацию, а можно заменить ее мероприятиями по содействию естественного самозарастания, что приведет к ускорению формирования фитоценозов с высокой продуктивностью [Махонина, 1976].

Актуальность исследований.

Изучение проблем генезиса, классификации, диагностики земель, нарушенных горнодобывающими и горно-перерабатывающими предприятиями в Сибири, осложнено большими масштабами и экологическим разнообразием территорий, подвергшихся техногенной нагрузке. Географическое расположение техногенных ландшафтов и виды нарушений могут быть самыми разными. Это — обширные породные отвалы Красноярского края, карьерные выемки с различными системами отвалообразования Кузбасса, территории, где ведется дражная разработка месторождений в речных долинах бассейнов рек, шламо — и хвостохранилища перерабатывающих и обогатительных фабрик, золоотвалы ТЭЦ, а также почвы, нарушенные при строительстве дорог, нефте — и газопроводов и т. п. [Колесников, 1974; Моторина, 1975; Гаджиев, Курачев, Андроханов, 2001].

Изучение процессов почвообразования на отвалах техногенных ландшафтов, представляет большой теоретический интерес, являясь частью проблемы эволюции почв и почвенного покрова [Роде 1971; Таргульян, 1971; и др.]. При этом возникает необходимость выявления различных индикаторов, характеризующих почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов, по которым можно было бы проследить развитие и направленность почвообразовательных процессов. Одним из таких индикаторов является железо [Зонн, 1982; Водяницкий, 1989]. Однако, работ по изучению железа и его группового состава в почвах техногенных ландшафтов мало [Ужегова, 1988; Махонина, 2003]. Исследования, отражающие распределение форм железа в профилях эмбриоземов на датируемых отвалах в различных природно-климатических зонах Кузбасса и сравнение их с фоновыми почвами не проводились. Работа в этом направлении будет способствовать выявлению индикационных свойств железа и возможностей использования его для определения направленности процессов почвообразования на техногенно нарушенных территориях.

Цель исследования:

На основе сравнительного географо-генетического анализа группового состава железа и распределения его форм в профиле разных типов эмбриоземов лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса, выявить направленность эволюции эмбриоземов техногенных ландшафтов.

Задачи исследования:

1. Изучить групповой состав железа и дифференциацию его форм в каждом типе эмбриоземов техногенных ландшафтов лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса, а также провести сравнение их с фоновыми почвами естественных ландшафтов.

2. Выявить сходства и различия дифференциации форм железа в однотипных эмбриоземах лесостепной зоны и горно-таежного пояса Кузбасса.

3. Определить физико-химические свойства эволюционного ряда эмбриоземов, формирующихся в лесостепной зоне и горно-таежном поясе Кузбасса и выявить их отличия от фоновых почв.

4. Выявить направленность эволюции эмбриоземов в процессе становления профиля и дать прогноз развития почвенного покрова техногенных ландшафтов, расположенных в степном ядре лесостепной зоны и в горно-таежном поясе Кузбасса с учетом трансформации соединений железа во времени.

Научная новизна:

Впервые выявлены уровни содержания различных форм железа и особенности их дифференциации в профиле эмбриоземов техногенных ландшафтов, расположенных в разных почвенно-климатических зонах Кузбасса и предложено рассматривать распределение форм железа как диагностический показатель характера и направленности формирования профиля эмбриоземов.

Установлено различие физико-химических свойств и содержания форм железа в разных типах эмбриоземов техногенных ландшафтов Кузбасса. Показано, что в процессе эволюции эмбриоземов возникает некоторое сходство в распределении форм железа с фоновыми почвами.

Генетико-географический анализ однотипных эмбриоземов, расположенных в различных природно-климатических зонах Кузбасса позволил установить, что на начальных этапах развития профилей эмбриоземов они не различаютсяспецифика распределения форм железа по профилю начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горнотаежном поясе и на дерновой стадии — в лесостепной зоне.

Выявлено, что эволюция эмбриоземов техногенных ландшафтов на начальных этапах развития профиля имеет однотипную направленность, независимо от географической приуроченности эмбриоземов, тогда как на последующих стадиях эволюция приобретает черты зональной направленности.

Защищаемые положения:

1. Распределение форм железа и их дифференциация в профиле различных типов эмбриоземов в разных природно-климатических зонах Кузбасса может служить диагностическим показателем характера и направленности почвенных процессов.

2. На начальных этапах развития профилей эмбриоземов они не различаются по содержанию и распределению форм железаспецифика распределения форм железа по профилю эмбриоземов начинает проявляться на органо-аккумулятивной стадии в горно-таежном поясе и на дерновой стадии — в лесостепной зоне, приобретая некоторые черты зональной направленности.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что познание географо-генетических закономерностей распределения форм железа в различных типах эмбриоземов позволяет определить особенности развития эмбриоземов, а также использовать данные закономерности при обосновании восстановления почвенного покрова техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах. Распределение форм железа в развивающихся эмбриоземах может использоваться в качестве одного из признаков, характеризующих стадийность развития почв техногенных ландшафтов. Результаты работы могут быть применены в целях почвенно-географического и почвенно-экологического районирования, картографирования, а также в учебном процессе ВУЗов соответствующего профиля, для более глубокого изучения эволюции почв.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях: «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 2003) — «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2009) — «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010) — «Современное состояние и воспроизводство плодородия почв» (Алматы, 2010).

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в «Перечень.» ВАК РФ.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа является результатом многолетних (2002;2010 гг.) исследований автора. Автором сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования, сделаны итоговые выводы. Автор принимал личное участие в основной части экспедиционных исследований, проводил лабораторные анализы, обобщение полученных результатов, их публикацию и апробацию.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов. Работа изложена на 202 страницах текста, включает список литературы из 135 наименований, в том числе 14 иностранных, 43 рисунка и 60 таблиц, а также 23 таблицы приложений.

Заключение

5.

Хотя эмбриоземы в изучаемых природно-климатических зонах Кузбасса являются техногенными образованиями, а фоновые почвыестественно-историческими образованиями, генетические и географические признаки эмбриоземов и фоновых почв должны определяться в соответствии с особенностями зональных факторов почвообразования. Генетически и морфологически все типы эмбриоземов в разных зонах более или менее сходны, что указывает на преобладание на начальных стадиях почвообразования процессов накопления и трансформации органического вещества и второстепенной роли других процессов. Но есть и различия. Органическое вещество эмбриоземов гумусово-аккумулятивных в лесостепной зоне отличается от такового в горно-таежном поясе более грубым гумусом.

Зональная дифференциация состава почвенного покрова техногенных ландшафтов выражена отчетливо и не повторяет таковую естественных ландшафтов. 4 типа эмбриоземов отражают важные этапы самовосстановления почвенно-экологических функций в техногенном ландшафте.

Оценивая почвенное состояние, или, другими словами, почвенное здоровье, необходимо вообразить произвольную шкалу, в которой имеется 100 делений. При оценке зональных почв в каждом случае показания «шкалы» составляет определенное значение, которое является зональным эталоном. Мера приближения техногенного ландшафта по определенным параметрам к фоновому эталону — есть некоторое значение, стремящееся к 100. Различия между ними характеризует экоклин, так как он отличается от естественного ландшафта.

Это происходит потому, что фоновая почва сформировалась за определенный исторический промежуток времени по совокупному воздействию всех факторов почвообразования, и она находится в динамичном равновесии. Техногенный ландшафт не находится в этом состоянии. Для того чтобы приблизиться к равновесию, необходимо большое количество времени, которым мы не располагаем. Поэтому техногенный ландшафт всегда, или достаточно долго, будет являться экоклином, отличающимся от естественного ландшафта на некоторые количество делений виртуальной шкалы, которые можно назвать степенью приближения к зональной почве.

В проведенном исследовании существует 3 эталона, 3 типа фоновой почвы естественных ландшафтов, которые брались за 100 делений. Два типа почв находятся в горно-таежном поясе — бурые таежные, сформированные на щебнистых отложениях и дерново-глубокоподзолистые, которые сформировались на тяжелых суглинках и покровных глинах. В лесостепной зоне Кузбасса таким ориентиром является чернозем выщелоченный.

В качестве идеальных условий для горно-таежного пояса определяются не бурые таежные, а дерново-глубокоподзолистые, так как они сформированы на тяжелопокровных глинах и суглинках, а не на щебнистых отложениях. Почему это затрагивает внимание? Дело в том, что при рекультивации нарушенных земель некоторые управленцы местного значения уверены в том, что на подготовленную поверхность ландшафта можно не вносить никаких суглинков, а просто распахать субстрат и все будет расти само собой, а затраты при этом останутся минимальными. Приводятся доводы о том, что в других местах, при якобы идентичных условиях, где нет никаких суглинков, все растет и развивается, что действительно так и есть. Но каждый ландшафт, каждая почва этого ландшафта является естественно-историческим образованием, где происходят такие процессы, как внутрипочвенное выветривание и масса других, которые длятся тысячи лет и более.

Для достижения некоторой экологической эффективности необходимо понимание того, что, если не будет нормальной почвы, то не будет ни растительного покрова, ни микробоценоза, ни зооценоза. Вместо дерново-глубокоподзолистых почв превалировать будут бурые таежные. Но это менее эффективно для развития ландшафта. Необходимо чтобы формировались почвы, которые обладали бы большим числом экологических функций, наибольшим потенциальным плодородием, наибольшей продуктивностью. В горно-таежном поясе. Кузбасса такими качествами как раз обладают только дерново-глубокоподзолистые почвы на тяжелосуглинистых покровных суглинках. Хотя значение бурых таежных почв нисколько не принижается.

В лесостепной зоне Кузбасса почвой сравнения служат черноземы выщелоченные. Они составляют 100 делений по виртуальной шкале. Мера приближения к нему будет эффективностью рекультивации в лесостепной зоне. Чем больше параметры нарушенной почвы будут соответствовать параметрам зональной, тем выше ее экологическая эффективность.

Так как биотические и абиотические процессы развиваются в направлении устойчивых метастабильных в данной природно-климатической зоне образований, то есть стремятся к зональному типу, то в этом же направлении происходит развитие эмбриоземов техногенных ландшафтов. Однако, в результате влияния литогенных и техногенных факторов, эмбриоземы техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах Кузбасса имеют присущие только им характерные особенности. Поэтому техногенные ландшафты следует относить к экоклинам [Уиттекер, 1980; Курачев, 1998].