Studying the agrochemical features of undisturbed soils on the territory of the Mokhovsky coal mine in the Kemerovo Region to assess their use in biological reclamation

Full Text

Введение

Природный фонд Кемеровской области представлен уникальными экосистемами, образованными в условиях ландшафта Кузнецкой котловины. Горнопромышленные предприятия, работающие на территориях Кузбасса, выполняя программу развития угольной промышленности РФ, постоянно наращивают производственные мощности, оказывая техногенное воздействие на естественные экосистемы, что приводит к их нарушению вплоть до полного их исчезновения. Мероприятия по предотвращению деградации биосферы ориентированы на высокий уровень экологической безопасности угольной отрасли и направлены не только на сохранение оставшихся природных экосистем, но и на восстановление уничтоженных деятельностью преобладающего открытого способа добычи угля. Работы на карьерах ведут к полному уничтожению природного биоценоза за счет переноса на поверхность смеси вскрышных и вмещающих пород. Без проведения работ по рекультивации такие территории подвержены эрозионным процессам, которые приводят к деградации расположенных рядом земельных участков, эти почвы сильно загрязнены токсичными веществами [1, с. 117].

Возобновление способности преобразования горной породы в почву, воспроизводство природных консорциумов, самоочищающей способности почвы являются основными задачами восстановления биологического разнообразия. Сохранение биоразнообразия является одним из направлений реализации Национального проекта «Экология», в котором Кузбасс занимает активную позицию, что важно для устойчивого развития горнодобывающей промышленности региона. Проблемы, связанные с добычей полезных ископаемых и последующим восстановлением ландшафта, носят глобальный, национальный и локальный характер. Биологическое разнообразие является главным природным ресурсом для поступательного эволюционного развития человеческой цивилизации. Целью повышения биоразнообразия является обеспечение устойчивости экосистем и биосферы в целом. В Сибири для многих предприятий горной промышленности весьма актуальной задачей является использование природного потенциала территорий для восстановления нарушенных земель и изменение порядка проведения работ по рекультивации [2, с. 225].

Критерием оценки экологического воздействия открытых горных работ необходимо считать возможность регенерации растительного покрова на нарушенных землях [3, с. 33]. Использование растительного покрова дает экономически эффективный и экологически устойчивый метод стабилизации и рекультивации отвалов горных пород. Отмечены положительные результаты биологической рекультивации многолетними травами разнообразного видового состава, хвойными породами деревьев, кустарниками на территориях, нарушенных при добыче угля. Растительные сообщества оказывают непосредственное влияние на продолжительность самовосстановления нарушенных территорий, временной промежуток которого может составлять в среднем от 5 до 10–15 лет. Многоярусная структура фитоценозов хорошо защищает почвы от процессов дефляции и эрозии. В частности, положительный опыт создания многовидовых лесных насаждений есть на отвалах Красногорского разреза и предприятия «Топкинский цемент» Соломенского месторождения известняка, на отвалах Кедровского угольного разреза высажены ивы (Sаlix) и тополя (Pоpulus) [4, с. 126; 5, с. 3; 6, с. 139].

Целью данного исследования являлось изучение агрохимических характеристик ненарушенных зональных почв Моховского угольного разреза и возможность их дальнейшего использования при проведении биологической рекультивации.

В задачи исследований входило: 1) изучить почвенно-климатические условия территорий Сартакинского, Караканского и Моховского полей Моховского угольного разреза; 2) изучить флористический состав и тип растительности исследуемых участков; 3) изучить почвенные горизонты и определить типы почв для каждого исследуемого участка; 4) изучить физико-химические характеристики почв исследуемых участков для определения ее качества; 5) рассмотреть возможность использования изучаемых почв для проведения биологической рекультивации.

Объект и методы исследований

В качестве объектов исследования были выбраны ненарушенные почвы Сартакинского, Караканского и Моховского полей Моховского угольного разреза. Общая площадь всех исследуемых участков составила 28,5 га: Сартекинское поле – 9,8 га, Караканское поле – 8,7 га, Моховское поле – 10 га. На исследуемых территориях маршрутно-рекогносцировочным методом в сочетании с детальным обследованием флоры и растительности отдельных участков и классическими методы систематического, эколого-биоморфологического и ботанико-географического анализов определялся основной тип растительности и видовое разнообразие флоры. Видовой состав растений в сообществах определяли в полевых или лабораторных условиях по гербарным образцам [7, с. 6–415; 8, т. 1–14; 9, с. 10–35]. На исследуемых участках были сделаны по одному почвенному разрезу, на которых с каждого почвенного горизонта отобраны пробы (ГОСТ 17.4.4.02-2017) [10, с. 2–10]. Всего было отобрано 17 проб: с Сартаковского и Караканского полей по 6 проб и с Моховского поля – 5 проб. Анализ проб проводился в лаборатории «Агроэкология» Кузбасской ГСХА. Определялись следующие показатели почв: гранулометрический и структурный состав (ГОСТ 12536-79) [11, с. 2–17], водородный показатель (ГОСТ 26483-85) [12, с. 1–4], гидролитическая кислотность (ГОСТ 26212-91) [13, с. 1–6], содержание подвижного фосфора (ГОСТ 26204-91), обменного калия (ГОСТ 26204-91) [14, с. 1–6], гумуса (ГОСТ 26213-91) [15, с. 1–7], сумма поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88) [16, с. 1–5], емкость поглощения (ГОСТ 17.4.4.01-84) [17, с. 1–6], содержание элементов питания (общего азота, валового фосфора и валового калия).

Результаты исследований и их обсуждение

Исследуемая территория принадлежит Алтае-Саянской провинции Циркумбореальной области Бореального подцарства Голарктического царства [18, с. 342], что определяет общие закономерности семейственного и родового спектров. Набор ведущих семейств в целом характерен для большинства бореальных флор [19, с. 205]. Согласно почвенно-географическому районированию Кемеровской области [20, с. 96], территории земельных участков Моховского угольного разреза расположены в юго-западной части Кузнецкой котловины, входят в центральный лесостепной район [21, с. 36]. На исследуемой территории растительность представлена березовыми колками с включением сосны, участками луговых, нарушенных в той или иной степени, и небольшими фрагментами степных сообществ, расположенных на каменистых склонах увалов. Основными видами, встречающимися на исследуемых участках, являются следующие: астра иволистная (Symphyotrichum×salignum (Willd.) G.L. Nesom); бедренец камнеломковый (Pimpinella saxifrage L.), берёза повислая (Betula pendula Roth) борщевик сибирский (Heracleum sibiricum L.), бодяк полевой (Cirsium arvense (L.) Scop.), вейник тростниковый (Calamagrostis arundinacea (L.) Roth), герань луговая (Geranium pretense L.), горошек мышиный (Vicia cracca L.), ежа сборная (Dactylis glomerata L.), земляника обыкновенная (Fragaria vesca L.), кровохлебка лекарственная (Sanguisorba officinalis L.), лапчатка гусиная (Potentilla anserine L.), лапчатка прямостоячая (Potentilla erecta (L.) Raeusch.), мелколепестник канадский (Conyza Canadensis (L.) Cronquist), мятлик луговой (Poa pratensis L.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale F.H. Wigg.), осина (Populus tremula L.), осока заостренная (Carex acutiformis Ehrh.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski), рябина обыкновенная (Sоrbus aucupаria L.), смолевка обыкновенная (Oberna behen (L.) Ikonn.), сосны обыкновенной (Pinus sylvеstris L.), черёмуха обыкновенная (Padus avium Mill.), чина луговая (Lanthyrus pratensis L.) [7, с. 6–415; 8, т. 1–14].

Изученные физико-химические характеристики почв представлены на рисунках 1–3. Уровень рН является индикатором доступности элементов для питания растений и их дальнейшего развития. Для контроля минерального питания растений определяли количественные характеристики минеральных элементов входящих в состав почвы. Кроме восполнения недостатка основных элементов – азота, фосфора и калия – почва должна обладать сбалансированным минеральным составом, необходимым для полноценного питания растений, обеспечивая им нормальный рост и развитие, иммунитет к болезням и вредителям, устойчивость к неблагоприятным условиям. Установили гранулометрический состав почвы для оценки уровня плодородия, функциональности, ряда физико-химических и биологических свойств. Проведена оценка уровня содержания гумуса в разных горизонтах почвенного профиля.

Анализ физико-химических характеристик Сартакинского поля представлен на рисунке 1.

Гранулометрический состав почвы Сартакинского поля Моховского угольного разреза представлен суглинком тяжелым. Доля фракции мелкого песка составляет 19,9%, крупной пыли – 20,2%, ила – 26,3; размер структурных агрегатов верхнего горизонта – от 5 до 0,25 мм; пыли – 8% от общей массы воздушно-сухой почвы; доля комковатой фракции (>10 мм) – 9,4%.

Содержание гумуса в слое 0–60 см составляет 6,4–5,2%. С глубиной этот показатель резко падает. На глубине 60–75 см (АВ) и 75–90 см (В) значение данного показателя не превышает 2,6% и 1,5% соответственно. Горизонты вымывания бедны питательными веществами. Почвы, в которых эти горизонты сильно развиты, обладают, как правило, низким плодородием.

Почвенный раствор верхнего горизонта имеет слабокислую реакцию (рН 5,2), ниже – среднекислую по всему профилю. Емкость поглощения и гидролитическая кислотность по всему профилю высокие. Значения этих показателей составляет от 51 до 37 мг/100 г почвы и от 5,82 до 6,84 мг-экв./100 г почвы соответственно.

Содержание общего азота в верхнем горизонте составляет 0,51%, показатель количественного содержания которого заметно снижается по почвенному профилю. Отмечено повышенное количество подвижного фосфора в верхнем горизонте до 120 мг/кг. Содержание обменного калия среднее по всему почвенному профилю [22, с. 116; 23, с. 320].

Анализ физико-химических характеристик Караканского поля представлен на рисунке 2.

Гранулометрический состав почвы Караканского поля угольного разреза представлен суглинком тяжелым. Выявлено высокое содержание фракции мелкого песка – 22,4%, крупной пыли 16,8%, ила – 22,6%. В структуре верхнего горизонта суммарно преобладают структурные агрегаты от 5 до 0,25 мм. На долю пыли приходится всего 5,1% от массы воздушно-сухой почвы. Значительная доля комковатой фракции (>10 мм) – 28,9% [22, с. 121; 23, с. 319].

Выявлено высокое содержание гумуса в слое 0–33 см (7,7%), показатели которого снижаются до 6% в слое 33–45 (АВ). В горизонтах А+АВ (0–45 см) почва имеет слабокислую реакцию почвенного раствора (рН 5,5–5,2), последующие горизонты – среднекислую реакцию (рН 4,8) [24, с. 140].

Установлено снижение суммы поглощенных оснований по профилю от 52,5 мг-экв./100 г до 30,5 мг-экв./100 г и изменение гидролитической кислотности от 3,82 до 4,92 мг-экв.

Содержание общего азота в гумусовом горизонте – высокое, но с глубиной данный показатель резко падает. Отмечено повышенное количество подвижного фосфора в верхних горизонтах до 116 мг/кг, в горизонте В₁ достигает 164 мг/кг. Исследуемые образцы отличаются средними показателями обменного калия [23, с. 321].

Анализ физико-химических характеристик Моховского поля представлен на рисунке 3.

 

 

Рисунок 1 – Агрохимическая характеристика почвы Сартакинского поля (А, B, C – почвенные горизонты, рН сол. – водородный показатель, Н гид. – гидролитическая кислотность, P₂O₅ – подвижный фосфор, K₂O – обменный калий, S – сумма поглощенных оснований, V и Еп. – емкость поглощения)

 

Рисунок 2 – Агрохимическая характеристика почвы Караканского поля (А, B, C – почвенные горизонты, рН сол. – водородный показатель, Н гид. – гидролитическая кислотность, P₂O₅ – подвижный фосфор, K₂O – обменный калий, S – сумма поглощенных оснований, V и Еп. – емкость поглощения)

 

Рисунок 3 – Агрохимическая характеристика почвы Моховского поля (А, B, C – почвенные горизонты, рН сол. – водородный показатель, Н гид. – гидролитическая кислотность, P₂O₅ – подвижный фосфор, K₂O – обменный калий, S – сумма поглощенных оснований, V и Еп. – емкость поглощения)

 

Гранулометрический состав почвы почвенного разреза Моховского поля представлен суглинком тяжелым. В пробах установлено высокое содержание фракции песка. Содержание мелкого песка составляет 23,2%. На долю крупной пыли приходится 19,1% от массы воздушно-сухой почвы. В структуре верхнего горизонта суммарно преобладают агрономически ценные структурные агрегаты от 5 до 0,25 мм. Доля пыли составляет всего 3,7% от массы воздушно-сухой почвы. Выявлена значительная доля комковатой фракции (>10 мм) [22, с. 122], которая составляет 16,3% [23, с. 321].

В почвенном слое 0–35 (А) установлено высокое содержание гумуса (7,2%). Показатель доли гумуса в слое 35–42 (АВ) ниже по сравнению с предыдущим почвенным горизонтом (А) и составляет 6,3%. В верхнем горизонте реакция почвенного раствора – слабокислая (рН 5,4), в нижележащих горизонтах – среднекислая реакция (рН 5,1–4,8), в горизонте С – реакция ближе к нейтральной [24, с. 144].

Отмечается высокое количество поглощенных оснований верхнего слоя до 50,2 мг-экв./100 г, показатель значение которого в последующих слоях снижается до 46,1 мг-экв./100 г. Гидролитическая кислотность изменяется по профилю от 3,24 до 4,63 мг-экв./100 г, в горизонте С показатель гидролитической кислотности снижается до 1,4 мг-экв./100 г. В ходе исследования установлено, что степень насыщенности основаниями по профилю высокая и находится в диапазоне 89–94% от емкости поглощения, содержание подвижного фосфора в верхнем горизонте среднее (80,2 мг/кг), содержание обменного калия среднее по всему профилю [24, с. 143].

Эффективность рекультивация земель, нарушенных горными работами, определяется соблюдением технологии ее проведения. Если она проводится с соблюдением необходимых правил и норм, то период восстановление нарушенных территорий до их прежнего состояния составляет в среднем 2–3 года. Если технологии рекультивации не соблюдаются, то период восстановления может увеличиться в 2–3 раза [25, с. 190; 26, с. 41].

Почвенный покров Сартакинского поля представлен черноземами оподзоленными в комплексе до 25% с черноземами выщелоченными тяжело суглинистыми [2, с. 244].

Мощность гумусового горизонта (А+АВ) колеблется от 43 до 75 см с содержанием гумуса 5–6,5%. Анализ данных показал достаточно высокие агрономические свойства исследуемых почв. На всем поле возможно снятие и складирование 0–40 см ПСП [24, с. 139]. Также возможно снятие и складирование ППСП, глубина которого достигает до 100 см. Общий объем ПСП и ППСП Сартакинского поля Моховского угольного разреза потенциально пригодных для снятия и складирования составляет 38,5 тыс. м³ и 16,5 тыс. м³ соответственно.

Мощность гумусового горизонта Караканского поля, почвы которого представлены черноземом оподзоленным среднемощным среднегумусным тяжелосуглинистым [27, с. 225], составляет (А+АВ) до 45 см с содержанием гумуса до 7% со слабокислой реакцией почвенного раствора. В сельскохозяйственном значении черноземы выщелоченные являются лучшими почвами области, относятся к 1-й агропроизводственной группе. На территории данного поля снятие ПСП возможно слоем до 0–60 см, а ППСП – до 100 см [23, с. 320]. Общий объем ПСП и ППСП Караканского поля потенциально пригодных для снятия и складирования составляет ПСП – 308 тыс. м³. ППСП – 315 тыс. м³.

Почвенный покров территории Моховского поля представлен черноземами оподзоленными [2, с. 239]. Мощность гумусового горизонта (А+АВ) колеблется от 42 до 55 см. Почвенный покров земель представлен черноземами оподзоленными среднемощными среднегумусными в комплексе до 25% с черноземами оподзоленными маломощными тяжелосуглинистыми [27, с. 220]. Исследованные почвы обладают достаточно высокими агрономическими свойствами. На всем поле возможно снятие и складирование ПСП 0–40 см, ПСП – до 100 см. Общий объем ПСП и ППСП Моховского поля Моховского угольного разреза потенциально пригодных для снятия и складирования составляет 302 тыс. м³ и 308 тыс. м³ соответственно [24, с. 145].

Таким образом, ненарушенный почвенный покров исследуемых полей Моховского угольного разреза Кемеровской области обладает высоким естественным плодородием, что позволяет рекомендовать данные почвы для дальнейшего использования в биологической рекультивации.

ПСП и ППСП Сартакинского и Караканского полей после снятия могут использоваться для восстановления нарушенных территорий Моховского угольного разреза при проведении сельскохозяйственной рекультивации, поскольку почвы с данных полей относятся к 1-й агропроизводственной группе. Оптимальным считаем при данном виде рекультивации и с учетом характеристик данных почв использовать разнотравье. Поскольку почвы Моховского поля представлены черноземами оподзоленными среднемощными среднегумусными, то после снятия ПСП и ППСП его можно использовать для подготовки территории при проведении как лесной, так и сельскохозяйственной рекультивации.

Выводы

Исследуемые территории земельных участков Моховского угольного разреза расположены в юго-западной части Кузнецкой котловины, входят в центральный лесостепной район. Растительность фитоценозов Сартакинского, Караканского и Моховского полей представлена березовыми колками с включением сосны, участками луговых и небольшими фрагментами степных сообществ, где значительная роль принадлежит многолетним травянистым растениям, что характерно для умеренных флор северного полушария.

Ненарушенные почвы территории Моховского угольного разреза Кемеровской области отличаются высоким естественным плодородием, что делает возможным последующее использование их плодородных горизонтов для лесохозяйственной (ПСП и ППСП Моховского поля) и сельскохозяйственной (ПСП и ППСП Сартакинского и Караканского полей) рекультивации техногенно трансформированных ландшафтов Кузбасса.

About the authors

Svetlana N. Vityaz

Kuzbass State Agricultural Academy

Author for correspondence.
Email: svetlana_vityaz@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Landscape Architecture Department

Russian Federation, Kemerovo

Marina A. Yakovchenko

Kuzbass State Agricultural Academy

Email: mara.2002@mail.ru

candidate of chemical sciences, associate professor, acting vice-rector for educational-upbringing work

Russian Federation, Kemerovo

Natalia A. Stenina

Kuzbass State Agricultural Academy; T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Email: stnat33@mail.ru

candidate of technical sciences, dean of Engineering Faculty; associate professor of Road Transport Department

Russian Federation, Kemerovo

Anna S. Berezina

Kuzbass State Agricultural Academy

Email: berezina_1979@mail.ru

head of Digital Education and Scientific and Educational Resources Center

Russian Federation, Kemerovo

Anna A. Kosolapova

Kuzbass State Agricultural Academy

Email: annadbim@mail.ru

postgraduate student of Agricultural Engineering Department

Russian Federation, Kemerovo

References

Supplementary files