В основу настоящей работы положены материалы, собранные нами в ходе экспедиционных исследований в течение вегетационного периода 2002 г.
Исследования проводились на территории Бурлинского района (включая Карашаганакское газо-конденсатное месторождение) Западно-Казахстанской области, раз в месяц, с отбором проб по произвольной схеме, позволяющей охватить весь участок, отведенный для наблюдения.
Целью мониторинга почвенного, растительного покрова является определение локальных изменений признаков почв под влиянием как естественных факторов, так и антропогенных воздействий.
В почвенном покрове изучаемого района преобладают темно-каштановые карбонатные почвы, в разной степени солонцеватые, нередко в комплексе с солонцами (часто карбонатными) довольно часто в пониженных элементах рельефа отмечены лугово-каштановые и темно-каштановые почвы в разной степени смытые. На равнинных плато иногда встречаются южные черноземы и темно-каштановые нормальные почвы. Последние весьма редкие почвы. Отбор проб почв ГОСТ 17.4.3.0183; влажность — по ГОСТу 28268-89; гумус — по ГОСТу осуществлялся 26213-91; азот — ГОСТ 26107-84; фосфор — ГОСТ 26261-84.
Темно-каштановые почвы содержат 4-5,5% гумуса, при мощности гумусового горизонта 35-50 см, гипс и легкорастворимые соли залегают от 0,7 до 2 м.
Для них характерна темно-серая с коричневым оттенком окраска, структура комковатая или пылевато-комковатая (на пашнях).
Подтип темно-каштановых почв на исследованной территории представлен следующими родами. Темно-каштановые нормальные, которые сейчас почти отсутствуют, встречаемые участки сильно деформированы. Темно-каштановые солонцеватые почвы характеризуются уплотненностью нижней части горизонта В, что обусловлено обогащением его коллоидными частицами. Данному горизонту свойственна комковато-призмовидная или глыбистая структура с различной степенью выраженности на гранях структурных отдельностей лакировки (буровато-коричневой пленочки). Чем сильнее солонцеватость, тем, как правило, интенсивнее выражена лакировка. Количество гумуса около 5 %, есть азот и фосфор (табл.1).
Темно-каштановые карбонатные почвы отличаются повышенным содержанием карбонатов с самой поверхности. Образовались они на породах, обогащенных карбонатами.
Темно-каштановые карбонатно-солонцеватые почвы формируются на карбонатных засоленных породах тяжелого механического состава. Отличаются повышенной плотностью и трещиноватым сложением профиля. Во влажном состоянии они сильно набухают, становятся вязкими. В составе поглощенных оснований наряду с натрием много содержится магния, гумуса в темно-каштановой солонцевато-карбонатной почве — от 1,67 до 4,75% (табл.1).
Темно-каштановые солонцевато-солончаковатые почвы обычно приурочены к сильнозасолен-ным породам. В профиле этих почв наряду с отчетливо выраженными солонцеватыми свойствами отмечается повышенное содержание (>0,25%) водорастворимых солей в пределах первого метра.
Темно-каштановые остаточно-солонцеватые почвы имеют отчетливо выраженные морфологические признаки солонцеватости, но без заметного содержания обменного натрия. Солонцеватость в этих почвах рассматривается как свойство остаточного характера.
Темно-каштановые малоразвитые нарушенные почвы характеризуются неполно развитым профилем и очень малой мощностью гумусового горизонта (А+Б меньше 20 см).
Для исследованной территории характерны лугово-каштановые почвы, они приурочены к блюдцеобразным степным понижениям. Здесь создаются лучшие условия для накопления гумуса и для развития процессов рассоления и засоления почвенной толщи. Лугово-каштановые почвы характеризуются повышенной мощностью гумусовых горизонтов (45-55 см) и высоким содержанием питательных элементов (табл.1), достаточно гумуса для горизонта ВС (2,54%).
В Бурлинском районе на территории КНГКМ преобладают техноземы. Согласно генетической классификации почв [1] к техноземам относятся почвы, созданные на полях рекультивации с использованием или без использования насыпного плодородного слоя почвы (ПСП). Несмотря на наличие ряда публикаций по почвам, сформированным технологиями рекультивации сельскохозяйственной направленности [2, 3], свойства техноземных режимов и их экологические функции остаются малоизученными, особенно если учесть, что все эти параметры имеют четко выраженную региональную и индивидуальную специфику. В частности, отсутствуют сведения о характере трансформации свойств и режимов ПСП. Изучение свойств, режимов и экологических функций техноземов, особенно в климатических условиях Западного Казахстана, характеризующихся неустойчивым и недостаточным увлажнением и суровостью климата они приобретает особую актуальность, обостряющиеся, помимо прочего, очень значительными финансовыми расходами, необходимыми для реализации технологий рекультивации.
В связи с этим исследование процессов, протекающих в течение всех циклов их создания и развития, представляет собой весьма важную, технологически и экологически оправданную задачу.
В ходе исследований мы попытаемся определить направленность, характер и интенсивность восстановления генетических, агрохимических и агрофизических свойств и режимов техноземов.
Реализация этой цели требует изучения следующих сторон почвообразования:
- - преобразование материала плодородного слоя почвы на различных этапах технологической цепочки;
- - трансформация гумусового состояния техноземов в процессе их мелиоративного освоения;
- - трансформация физических свойств техноземов — сложения, структурообразования, (агрофизических);
- - изменения агрохимических свойств техноземов и особенностей их питательного режима.
Мы полагаем, что полученные материалы исследований представляют интерес для разработок проектов рекультивации нарушенных земель на месторождениях Казахстана с применением наиболее эффективных технологий, направленных на ускоренное и экологически безопасное восстановление функций почвенного покрова техногенных ландшафтов.
Полагаем, что теоретические выводы, полученные в результате исследований процессов почвообразования, гумусообразования и эволюции свойств и режимов техноземов, позволяют более предметно решать проблемы экологии, рекультивации, оптимизации режимов функционирования восстанавливаемых экосистем.
Если в естественном состоянии свойства, режимы и функции ПСП регулируются процессами почвообразования, наличием биологической, геохимической и другой сопряженности различных генетических горизонтов, то в буртах ПСП механизмы поддержания исходных свойств субстрата не работают. Вместо них развиваются другие процессы, приводящие к трансформации исходных свойств этого ценного материала.
Следовательно, необходимо изучить степень и направленность изменения свойств материала, которые проявляются при снятии, хранении ПСП и его отсыпке на поля рекультивации.
Для примера приведем изменения плотности, порозности и структурности ПСП на разных этапах формирования техноземов (табл.2).
Эти данные получены нами в 1992-1996 гг. Этого бурта на сегодняшний день нет, очевидно, его использовали для рекультивации. Но результаты показывают, что при буртовании сильно меняется структурность, нарушается порозность, как общая, так и в отдельных агрегатах.
Почва все в большей мере предстает перед нами в качестве главной среды обитания всего органического мира на Земле.
Как уже было сказано ранее, роль почвы в экосистеме определяется как компонента геохимического ландшафта, в котором происходит миграция вещества, энергии, в том числе и продуктов техно-генеза. Антропогенное воздействие на почву, в том числе и загрязнение тяжелыми металлами, пожары вскрывают механизмы в экосистемах, которые ранее были незаметны.
Тяжелые металлы часто являются активатором ферментной системы и биохимических реакций в организмах (табл.3).
Особое внимание заслуживают комплексные соединения, в которых микроэлементы замыкают пяти- или шестичленные гетероциклы. Это особая форма минеральных соединений в организмах (хлорофиллы, гемоглобин).
Нами в 1992 г. на территории Карашаганакского месторождения были обнаружены локальные микрозоны, т.е. вещественный состав (количество гумуса, тяжелые металлы) существенно различался. Распределение микроорганизмов носило мозаичный характер. Причины этого явления до сих пор не выяснены.
Возможно, в местах отсутствия микроорганизмов «работают» почвенные абиотические катализаторы, потому как на местах присутствия микроорганизмов и их отсутствия рожь развивалась хорошо, за исключением некоторых участков (около 2% от общей площади), где посевы ржи были угнетены.
Очевидно, на этих участках тяжелые металлы и другие загрязнители оказывали токсическое воздействие на рожь, а там, где микроорганизмов было обнаружено малое количество (до 5000 на грамм почвы, т.е. они почти отсутствовали), то, очевидно, роль катализаторов в разных почвенных, химических реакциях выполняли тяжелые металлы.
Плотность, порозность и структурность ПСП на этапах формирования техноземов
Известно, что некоторые хилатные соединения переходных металлов катализируют многочисленные химические процессы в почвах и в организмах [4-7], т.е. абиотические катализаторы выполняют экологическую функцию почвенной микрофлоры.
Активность (табл. 4) тяжелых металлов значительно увеличивается при соединении к какой-либо органической системе, в частности, с аминокислотной или с пирольным азотом. Комплексы металлов более активны по сравнению с простыми солями или оксидами металлов. Каталитическая активность минерального по сравнению с белковой материей (ферментами) неизмеримо мала, очевидно, поэтому каталитическая роль минеральных веществ почвы долгое время оставалась без внимания. Разные виды антропогенного воздействия вынуждают ученых более детально изучать механизмы поведения загрязнителей в почве.
Использование тяжелых металлов может найти применение в природоохранных технологиях. Так, уже в настоящее время соли железа (нитраты, сульфаты, хлориды) используют как катализаторы процессов разложения нефтепродуктов в почве (Watts, Di My, 1996), т.е. абиотические катализаторы могут быть использованы в решении экологических проблем.
Сильные техногенные потоки приводят к тому, что любой подтип, вид, разновидность почвы теряют свои функции и, как следствие, остаются зараженными растения, грунтовые воды, прекращается очищение воды, нейтрализация токсикантов в почвах. Когда прекращается воздействие на почву загрязнителей, то отмечается постепенное, медленное восстановление экосистем, так как в гумусовые горизонты в зоне техносферы попадает повышенное количество тяжелых металлов, которые могут быть потенциальными катализаторами. В гумусовых горизонтах они образуют донорно-акцепторные связи с органическими соединениями, в форме комплексных соединений обладают уже более высокой каталитической способностью.
Для устойчивости экосистем в промзоне необходимо стараться сохранить соотношение промзо-на — поле, лес, что значительно уменьшает загрязнение и вероятность экологического кризиса для человека. В промзоне старые лесополосы и посадка новых, природные участки с древесной и кустарниковой растительностью, водоемы являются как бы исполнителями очистительных функций, вся остальная территория промзоны — техногенная территория. Следует стремиться, чтобы соотношение древесных, кустарниковых насаждений, посевов многолетних трав к территории промзоны-техногенной территории (перерабатывающие предприятия, техноземы и др.) увеличивалось. В этом случае экологическая обстановка промзоны и окружающей территории будет улучшаться.
Следует признать, что современная нефтегазодобывающая промышленность является источником громадного потока разных веществ в биосферу, из которых значительная часть попадает в почву. Кроме установленных уже токсических воздействий этих загрязнителей, в частности тяжелых металлов на организмы, генетическое воздействие на них, следует выделить еще один аспект — многие тяжелые металлы в почве выполняют роль катализаторов в разных почвенных химических реакциях.
где n — число определяемых элементов; Kci — коэффициент концентрации i-го металла, равный отношению содержания металла в почвах исследуемой территории по Кларку; Е — сумма коэффициентов концентрации химэлементов.
Коэффициент концентрации показывает, что только кадмий в несколько раз превышает кларк его в почве (от 7,6 до 10,46).
Мы выяснили коэффициент концентрации только гумусового горизонта (А), исследования почвы еще не закончены.
Если вычислить содержание кадмия и других тяжелых металлов по сравнению с фоновым участком, то почвы не загрязнены тяжелыми металлами, а если сравнить с ПДК, то содержание Pb, Zn, Cu, Mn в исследуемых почвах не превышает ПДК, а Cd превышает ПДК от 1,4 до 5,4 раза; количество Ni — в 22 раза, кобальта — от 1,4 до 5,0 раза.
Список литературы
1 Гаджиев И.М., Курачев В.М. Генетические и экологические аспекты исследований и классификация почв техногенных ландшафтов // Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. — Новосибирск: Наука СО, 1992. — С. 6-15.
2 Масюк Н. Т. Особенности формирования естественных и культурных фитоценозов на возвышенных породах в местах производственной добычи полезных ископаемых // Рекультивация земель. — Днепропетровск, 1974. — С. 62-104.
3 Бекаревич Н.Е. Основные результаты исследований по биологической рекультивации земель, нарушенных горнодобывающей промышленностью // Эколого-биологические и социально-экономические основы сельскохозяйственной рекультивации в степной черноземной зоне УССР. — Днепропетровск, 1984. — Т. 49. — С. 12-33.
4 Зубкова Т.А. Свойства почвы и техноструктура. Экология и почвы. Т. IV. — Пущино, 2001. — С. 128-136.
5 Сает Ю.Е., Смирнов Р.С. Геохимические принципы выявления зон воздействия промышленных выбросов в городских агломерациях // Вопросы географии. — № 120. — М.: Мысль, 1983.
6 Перельман А.И. Геохимия ландшафтов. — М.: 1975.
7 Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Б.П. и др. Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990. — С. 335.