Агрохимические характеристики карьерно-отвальных комплексов с различными субстратами

Введение Добыча полезных ископаемых, увеличивающая свои темпы с каждым годом, сопровождается полным уничтожением почвенно-растительного покрова. В ходе горных работ на дневную поверхность выносится огромное количество вскрышных пород, часто не типичных для данного региона. Образуются новые техногенные ландшафты, со специфичным рельефом, обусловленным технологией добычи. Восстановление экосистем на сформированных карьерно-отвальных комплексах идет крайне медленно. Механическое снятие верхних слоев, перемешивание пород и складирование их в отвалы приводят к формированию грунта с крайне сложной и не однородной структурой и строением (Андроханов и др., 2004). Субстрат карьерно-отвальных комплексов характеризуются отсутствием закономерностей изменения физических свойств. В результате, субстрат техногенных местообитаний значительно отличается от прилегающих естественных ландшафтов. По мнению некоторых авторов, практически все отработанные карьеры характеризуются отсутствием органического вещества в субстрате, низким плодородием почв (Bradshaw and Chadwick, 1980). Слишком низкие значения рН типичны для пиритосодержащих субстратов, а также отвалов фосфоритов, такие карьеры не способны к самовосстановлению без помощи рекультивации из-за высокой токсичности.

Согласно литературным данным скорость формирования почвы протекает в разных регионах Земли со скоростью 0,5—2 см в 100 лет (Бурыкин, 1985; Гогатишвили, 1978). Какие факторы оказывают ведущее воздействие на направление сукцессии и определяют скорость почвообразования – до сих пор открытый вопрос (Наумов и Наумова, 1993). Решающее значение в вопросе будет ли освоен образовавшийся субстрат, имеет коренная порода и определяемые ею агрохимические и агрофизические свойства. Недостаток питательных веществ в почве может сильно тормозить процессы зарастания. Каждый из биогенных элементов играет важную физиологическую роль, при недостатке одного из них растения прекращают рост, заболевают и гибнут, нужно отметить, что при выращивании в разных условиях потребность в каждом питательном элементе не одинакова. Наибольшее внимание при выращивании сельскохозяйственных культур уделяют содержанию азота, фосфора и калия (Никитишен, 1984). Целью данного исследования являлась оценка основных агрохимических характеристик карьерно-отвальных комплексов с различными субстратами.

Материал и методы исследования Исследование проводили на территории восьми карьерно-отвальных комплексов с различными отвальными субстратами (рис. 1). Из них 5 расположены на территории Ленинградской области: 2 известняковых карьера в поселках Елизаветино и Печурки, карьер по добыче фосфоритов близ города Кингисепп, 2 песчаных карьера в населенных пунктах Малукса и Колтуши. Еще 1 песчаный карьер расположен близ города Окуловка Новгородской области, в этом же районе, в Устье-Брынкино находится карьер по добыче огнеупорных глин. В Тульской области в поселке Ново-Гурово расположен карьер по добыче известняка. Карьеры в пп. Елизаветино, Малукса и г. Окуловке были заброшены и оставлены под самозарастание. Остальные карьеры были целиком или частично рекультивированы, характеристика участков исследования приведена в таблице 1. Для закладки площадок выбирали максимально контрастные экотопы, на каждом участке были сделаны почвенные прикопки, проведены описания и отобраны образцы почв для анализов.

Рисунок 1. Месторасположение объектов исследований в Ленинградской и Новгородской областях

Примечание: 1 – карьер по добыче известняка (Елизаветино); 2 –карьер по добыче известняка (Печурки); 3 – месторождение фосфоритов в Кингисеппском районе; 4 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши); 5 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Малукса); 6 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка); 7 – карьер по добыче огнеупорных глин (Устье-Брынкино).

Таблица 1 – Краткая характеристика участков исследования

Поскольку возможность для прорастания семян и поселения растений в первую очередь определяет верхний слой субстрата, содержание питательных веществ оценивали именно в этих горизонтах. Исключением является песчаный карьер в Малуксе, здесь оценку произвели по всему почвенному профилю, также для сравнения был обследован фоновый участок естественных почв. Во всех отобранных образцах были определены содержание органического углерода бихроматной окисляемости – методом И. В. Тюрина, рН водной вытяжки (1:2,5). Определение подвижных соединений фосфора и калия проводили по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 54650-2011), обменный аммоний определяли согласно методу ЦИНАО (ГОСТ 26489-85), нитраты были определены ионометрическим методом (ГОСТ 26951-86).

Результаты исследования и обсуждение. Практически на всех карьерах отвальные субстраты характеризуется слабокислыми значениями рН водной вытяжки, что оптимально для развития большинства видов растений (табл. 2). Исключением оказался отвал пиритосодержащей породы карьера по добыче огнеупорных глин, здесь процессы самозарастания невозможны вследствие высокой токсичности и низких значений рН (2,1) субстрата. На песчаном карьере в Малуксе со временем, в процессе накопления органических кислот и подзолообразования, также снижаются значения рН в горизонте Е до 3,5, однако это не сказывается на развитии растительности.

Таблица 2 – Основные агрохимические показатели почв, формирующихся на карьерах, с различными субстратами

Одним из крайне важных элементов, влияющих на жизнь растений, является фосфор (Р). Почти все почвы России обеспечены этим элементом обеспечены хуже, чем азотом и калием (Минеев, 2006). Поскольку естественных источников пополнения запасов Р нет (Минеев, 1984), нарушение баланса на техногенных местообитаниях может значительно замедлить процессы зарастания. Принято считать (Акопов, 1987), что верхние слои почвы содержат значительно больше Р₂О₅, накапливающемся в зоне отмирания и трансформации массы корневой фитомассы. Согласно полученным результатам, содержание фосфора далеко не всегда максимально в верхнем горизонте. Нужно отметить, что измерения содержания этого элемента по всему профилю почв были выполнены только на Малуксинском месторождении флювиогляциальных песков. Изменение содержания Р₂О₅ по профилю почв было неравномерно на всех площадках. Интересно, что данное явление вряд ли может быть объяснено неоднородностью сложения отвалов, поскольку на фоновом участке максимальное содержание Р₂О₅ приходится на горизонт BF. Содержание Р₂О₅ в первые годы зарастания варьирует от 141 до 167,6 мг/кг, к 15—20 годам концентрация несколько увеличивается (162,5—228,8 мг/кг). К 25—30 годам зарастания содержание фосфатов падает: на 3, 4 и 5 площадках оно изменяется от 22,8 мг/кг в горизонте Е до 175,2 мг/кг в горизонте BF. Согласно более чем 100 летним наблюдениям Ротамстедской опытной станции в Англии соли фосфорной кислоты практически не вымываются из тяжелых почв, в легких почвах они также теряются в не значительных концентрациях (Минеев, 2006). Снижение концентрации со временем на карьере может быть вызвано выносом фосфора растениями, поскольку вследствие слабой подвижности, в почве практически отсутствуют естественные пути потерь Р.

Как предполагалось, максимальное содержание фосфора характерно для почв, сформировавшихся на отвалах карьера по добыче фосфоритов. Значения варьируют от 4198,5 до 1731,5 мг/кг, разница между величинами – почти 2,5 раз. Минимальное содержание Р₂О₅ соответствует не рекультивированному участку на карьере по добыче огнеупорных глин, значение составляет 1,34 мг/кг, это в 140 раз меньше, чем на карьере по добыче фосфоритов.

Нужно отметить, что помимо очевидного превышения содержания фосфора на карьере по добыче фосфоритов, по сравнению с другими карьерами, других закономерностей в содержании Р₂О₅ выделить не удается. В зависимости от участка и способа рекультивации содержание Р₂О₅ на территории одного карьера изменяется сильнее чем на карьерах с различными субстратами. Таким образом, можно сделать вывод, что неравномерность сложения отвалов карьеров и способ рекультивации могут влиять на агрохимические параметры почв сильнее, чем тип субстрата. Ситуация осложняется и тем, что содержание гумуса и гранулометрический состав в значительной мере определяют содержание фосфора в почве: в более легких почвах, с меньшим содержанием гумуса запасов фосфора меньше, чем в тяжелых почвах. Необходимо отметить, что исследовалась фосфатная емкость почв, а не фосфатный уровень, который динамично меняется при усвоении элемента растениями (Минеев, 2006).

Почвы, характеризующиеся песчаным гранулометрическим составом, как правило, содержат небольшое количество калия (от 3,5 до 7 мг/кг), в отличие от глинистых почв, где К входит в состав минералов (Минеев, 2006). Исключение могут составлять пески, богатые калий-натриевыми полевыми шпатами. Согласно нашим результатам, максимальным содержанием калия характеризуются карьер по добыче огнеупорных глин и месторождение фосфоритов (214,7—338,3 мг/кг). На втором месте по содержанию К₂О находятся известняковые карьеры (103,9—293,3 мг/кг). Минимальным содержанием характеризуются песчаные карьеры. Нужно отметить, что из данного правила имеется 2 исключения. На нерекультивированном участке карьера по добыче огнеупорных глин содержание К₂О составляет всего 24,1 мг/кг против 234,9—314,5 мг/кг на других участках. А на отвале органического субстрата, используемого для рекультивации песчаного карьера Колтуши, значение составляет 242,6 мг/кг, тогда, как среднее содержание калия для субстратов песчаных карьеров составляет 27,6 мг/кг.

В образцах почв Малуксинского месторождения содержание К₂О варьирует от 6,4 мг/кг в горизонте ВС ненарушенной почвы до 62,9 мг/кг в горизонте С 25—30 летнего эмбриоподзола. На более ранних этапах зарастания динамика изменения этого показателя выражается слабо. К 70 годам зарастания и на фоновом участке содержание К₂О снижается вниз по профилю, что может быть связано с возращением калия от органических остатков и накоплением его в верхних слоях.

Минимальное содержание иона аммонийного азота отмечено на Малуксинском песчаном карьере и составляет 5,75 мг/кг, максимальное (70,9 мг/кг) – на органическом субстрате песчаного карьера в Колтушах. На песчаных карьерах содержание аммонийного азота значительно варьирует на разных участках, в аналогичных горизонтах одного карьера кратность различий достигает 6. На Малуксинсом месторождении содержание иона аммония варьирует от 5,75 мг/кг в горизонте С первой площадки, до 23,1 мг/кг в горизонте Е ненарушенного сообщества, где лучше идут процессы разложения органического вещества. Сложно выделить тенденции изменения этого показателя с глубиной. С возрастом концентрация N-NH4 не изменяется или слегка увеличивается. На остальных карьерах, значения варьируют в более узких пределах. На карьере по добыче фосфоритов и известняковом карьере в Печурках от 25,3 мг/кг до 31,4 мг/кг. Несколько меньше содержание N-NH₄ на Елизаветинском известняковом карьере (17,2—22,2 мг/кг). На известняковом карьере в Гурово значения варьируют от 9,31 до 13,3 мг/кг. При этом, нужно отметить, что содержание аммонийного и нитратного азота очень динамично и зависит от микробиологической деятельности.

Содержание нитратов характеризует обеспеченность почв минеральным азотом. Значения этого показателя значительно ниже, чем N-NH₄ и варьируют в более узком диапазоне от 0,01 до 6,65 мг/кг. Низкая концентрация может быть объяснена высокой подвижностью элемента и его миграцией с осадками. Сложно выделить какие-либо тенденции, однако в среднем на песчаных карьерах значения несколько ниже (0,17 мг/кг). Максимальное содержание N-NО₃ зафиксировано на плоском, скальном днище, со скудным растительным покровом известнякового карьера Печурки.

Заключение Результаты исследования свидетельствует о том, что содержание элементов минерального питания не являются лимитирующими факторами для восстановления растительности. Слишком низкие значения рН на карьере по добыче огнеупорных глин, препятствуют поселению растений в связи с чем пиритосодержащие породы отвалов необходимо рекультивировать. Содержание элементов минерального питания иногда оказывалось большим, чем ожидалось согласно общепринятым представлениям о содержании того или иного вещества в рассматриваемом типе почв. На агрохимическое состояние участков в большей степени влияние может оказывать способ рекультивации и положение участка в рельефе, чем тип почвообразующей породы.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №17-16-01030.

Список литературы

1.  Акопов М.Н. Сельскохозяйственная рекультивация земель, нарушенных при добыче фосфоритов (на примере Егорьевского месторождения): автореф. дис. … канд. с.-х. наук. Воронеж, 1987. – 21 с.
2. Андроханов В.А., Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. – 151 с.
3. Бурыкин А.М. Темпы почвообразования в техногенных ландшафтах в связи с их рекультивацией // Почвоведение, 1985. № 2. – С. 81–93.
4. Гогатишвили А.Д. Особенности методики рекультивации земель в горных условиях // Программа и методика изучения техногенных биогеоценозов. М.: Наука, 1978. – С. 148–158.
5. Минеев В.Г. Агрохимия и биосфера. М., 1984. – 245 с.
6. Минеев В.Г. Агрохимия. М.: издательство МГУ. 2006. – 719 с
7. Наумов А.В., Наумова Е.Н. Разложение корневой растительной массы в “молодых” почвах КАТЭКа // Почвоведение. 1993. № 5. – С. 47–55.
8. Никитишен В.Н. Агрохимические основы эффективного применения удобрений в интенсивном земледелии. М., 1984. – 214 с.
9. Bradshaw A. D., Chadwick J. The restoration of land. Blackwell, Oxford, United Kingdom., 1980. – 317 с.

References

1. Akopov M.N. Sel'skohozjajstvennaja rekul'tivacija zemel', narushennyh pri dobyche fosforitov (na primere Egor'evskogo mestorozhdenija): dis. kand. s.-h. nauk / M.N. Akopov. – Voronezh, 1987. – 21 s.
2. Androhanov V.A., Kuljapina E.D., Kurachev V.M. Pochvy tehnogennyh landshaftov: genezis i jevoljucija. – Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2004. – 151 s.
3. Burykin A.M. Tempy pochvoobrazovanija v tehno-gennyh landshaftah v svjazi s ih rekul'tivaciej // Pochvovedenie. 1985. № 2. – S. 81–93.
4. Gogatishvili A.D. Osobennosti metodiki rekul' tivacii zemel' v gornyh uslovijah // Programma i metodika izuchenija tehnogennyh biogeocenozov. M.: Nauka, 1978. – S. 148–158.
5. Mineev V.G. Agrohimija i biosfera. M., 1984 – 245 s.
6. Mineev V.G. Agrohimija. M.: izdatel'stvo MGU. 2006. 719 S.
7. Naumov A.V., Naumova E.N. Razlozhenie kornevoj rastitel'noj massy v “molodyh” pochvah KATJeKa // Pochvovedenie. 1993. № 5. – S. 47–55.
8. Nikitishen V.N. Agrohimicheskie osnovy jeffektivnogo primenenija udobrenij v intensivnom zemledelii. M., 1984. – 214 s.
9. Bradshaw A. D., Chadwick J., 1980. The restoration of land. Blackwell, Oxford, United Kingdom. – 317 s.