Автореферат (Субстратно-фитоценотические характеристики участков самозарастания и рекультивации карьерно-отвальных комплексов), страница 3

Почвообразование на карьерах с различными субстратами.Рассмотрены особенности почвообразования на участках самозарастания и рекультивациина карбонатных породах, песчаных субстратах, сульфатно-кислых грунтах и отвалахместорождения фосфоритов.Показано, что при нанесении органического субстрата на поверхность отвалов впервые годы наблюдается снижение содержания органического углерода в результатепроцессов минерализации. В случае самозарастания этот показатель увеличивается современем. При оптимальных физических условиях субстрата накопление углеродамаксимально в аккумулятивных экотопах.

Практически на всех карьерах субстратыхарактеризуется слабокислыми значениями рН водной вытяжки, что оптимально дляразвития большинства видов растений. Исключением оказался отвал пиритосодержащейпороды карьера по добыче огнеупорных глин: здесь процессы самозарастанияневозможны вследствие высокой токсичности и низких значений рН (2,1) субстрата. Прирекультивации сульфатнокислых грунтов необходимо внесение фракций карбонатакальция в почву. Содержание элементов минерального питания иногда противоречилообщепринятымпредставлениямосодержаниитогоилииноговеществаврассматриваемом типе почв (табл.

1). В частности, в зависимости от участка и способарекультивации содержание Р2О5 на территории одного карьера изменяется сильнее, чем накарьерах с различными субстратами. На нерекультивированном участке карьера подобыче глин содержание К2О составляет 24,1 мг/кг против 234,9—314,5 мг/кг на другихучастках. На отвале песчаного карьера (Колтуши) значение составляет 242,6 мг/кг, тогдакак среднее содержание калия для субстратов песчаных карьеров составляет 27,6 ± 9,73мг/кг.

Таким образом, можно сделать вывод, что неравномерность сложения отвалов12карьеров и способ рекультивации могут влиять на агрохимические параметры почвсильнее, чем тип субстрата.Таблица 1. Основные агрохимические показатели верхних горизонтов почвкарьеров с разными субстратамиГоризонтГлубина,смСAY(е)ЕЕ0-50,5-43-49-102-4АRY0,5-30-2АAYAYA0-50,5-100-120-5АYАYАY3-181-181-10AYACAY0-180-30-25АСАСАС0-61-70-18CCAY0-50-50-1AYAYС0-40-40-5№площадкиpHводн.С%Р2О5(мг/кг)К2О(мг/кг)N-NH4N-NO3(мг/кг)(мг/кг)Песчаный карьер (Малукса)6,430,23167,6010,18,96,100,93227,1016,29,54,360,6588,2045,417,63,503,9322,8060,816,44,732,1849,8059,823,1Песчаный карьер (Окуловка)16,3011,20 389,2073,534,426,0014,705,7978,36,8Песчаный карьер (Колтуши)15,0022,5066,8012,770,825,2026,4063,3090,551,635,0018,90 168,9085,911,244,807,60144,80242,614,6Месторождение фосфоритов (Кингисепп)16,502,00 2043,50338,331,127,602,40 4198,50242,727,237,201,90 1731,50214,727,4Известняковый карьер (Печурки)106,5012,647,13142,228,1116,0016,002,23137,725,3126,1517,68 193,90293,331,4Известняковый карьер (Елизаветино)17,601,9692,70103,917,227,901,7252,60154,122,237,001,98210,40196,317,3Известняковый карьер (Гурово)17,600,8577,60195,613,327,701,986,24133,211,137,603,602,23171,99,31Карьер по добыче огнеупорных глин (Устье-Брынкино)17,602,10187,20314,521,525,802,0570,70234,920,832,201,621,3424,148,8123450,020,030,180,120,100,010,010,022,320,300,010,240,820,370,626,652,850,500,662,830,330,642,551,142,040,05На величины агрофизических показателей выбранный способ техническойрекультивации и положение участка в рельефе также могут оказывать большее влияние,чем тип почвообразующей породы.

В частности, на участках, где был внесенорганический субстрат, отличающийся высокой водоудерживающей способностью,гидрофизические свойства почв значительно отличаются от карьеров с такой жематеринской породой (рис.3). Таким образом, оптимизация гидрофизических параметровпочв для интенсификации зарастания отвалов при рекультивации и при оставлении13участков под самозарастание возможна с помощью внесения субстратов, содержащихорганическое вещество в существенных количествах.Рисунок 3.

Средние значения гигроскопической влажности (WГ) и максимальнойгигроскопической влажности (WМГ)Примечание: А - песчаные самозарастающие карьеры; Б - карьер по добычеизвестнякового туфа; В - известняковые карьеры; Г- песчаный рекультивированныйкарьер; Д - ПО Фосфорит; Е - карьер по добыче огнеупорных глин.Почва на участках со слаборазвитым растительным сообществом морфологическиотстает в развитии в сравнении с площадками того же возраста, на которых фитоценозразвит хорошо. Возможность поселения растений определяется субстратом. Когдарастительное сообщество не сформировано, преобладает антропогенная трансформациягрунта.

При наличии неблагоприятных факторов (высокая крутизна склона, слишкомнизкое значение рН, высокая каменистость, низкое содержание фракций физическойглины) данный этап может затягиваться на многие годы. С формированием растительногопокрова на поверхность начинают поступать продукты трансформации растительныхостатков – ключевые агенты биохимического выветривания.Первичные почвообразовательные процессы сходны на разных экотопах карьеров.В случае, когда участки отличаются по типу фитоценоза, по литологическому составу,положению в рельефе и прочим факторам, могут появляться элементы, отличные отструктуры и свойств фоновых почв. Формирование элювиально-иллювиальной фракциипроисходитпри наличии достаточногоколичества тонких фракций. В случаедоминирования травянистой растительности гумусовый горизонт появляется несколькораньше, чем под лесной растительностью, при этом он развивается быстрее и выраженлучше.

Высокое содержание карбонатов замедляет формирование элювиальногогоризонта.Результаты качественного и количественного анализа гуминовых кислот отваловместорождения фосфоритов выявили низкий уровень изменения углеродного пула во14времени, а также схожесть состава гуминовых кислот под различными сообществами(рис.4).Установлено,чтоалифатическиегруппызаметнопреобладаютнадароматическими, что свидетельствует о значительной роли лесного опада в формированиигумуса почв.Рисунок 4. 13С ЯМР спектры гуминовых кислот органоминеральных горизонтов AY(глубина отбора 4 см) под елью (А), лиственницей (Б) и сосной (В) в 2004 (1) и 2014 (2) ггГлава 7.

Микробиологические характеристики посттехногенных экосистем.Важнейшие функции микробных сообществ почв заключаются в трансформациипочвенных компонентов и свойств, детоксикации почв и восстановлении их естественногопрофиля.Однакосостояниемикробоценозовтехногенныхпочвпо-прежнемунедостаточно изучено.По уровню содержания микробной биомассы и величине базального дыханиязначения исследуемых образцов можно расположить в следующий ряд: подстилка >органоминеральный горизонт > порода. Максимальное содержание микробной биомассыотмечено в подстилке, где значения варьируют от 8,9 до 65, 6 мкг С/г почвы. Вминеральных и органоминеральных горизонтах показатель меняется в пределах от 1,0 до4,7 мкг С/г почвы, при этом средние значения – 1,8–2,7 мкг С/г почвы. Микробныйметаболический коэффициент варьирует от 0,001 до 0,022 мкг СO2-С/мг Смик*ч-1.15Для разных почв известнякового карьера «Печурки» для анализа таксономическогосоставаиструктурыбактериоценозабылииспользованыметодывысокопроизводительного секвенирования ампликонных библиотек гена 16SрРНК.

Навсех площадках 55,7% всего биоразнообразия приходится на наиболее многочисленнуюгруппу Proteobacteria, на втором месте находится филотип Actinobacteria (17,0%), за нимследуют Bacteroidetes (10,3%), Acidobacteria (6,4%) и Chloroflexi (3,8%). По результатаманализа главных компонент (PсoA), среди всех рассматриваемых факторов наибольшеевлияние на видовой состав микробных сообществ оказывает возраст участков (19,9%объясненной вариабельности). В отдельные кластеры группируются сообщества сосроками зарастания 8-16 лет, 28-30 лет и от 35 лет (рис. 5).

Сообщества скальных днищкарьера также заметно выделяются в отдельную группу, что предположительно связано свысокой каменистостью субстрата и разреженностью растительного покрова.Рисунок 5. Результатыанализа главных компонент(PCoA)Примечание: белые кружки —старовозрастные участки (35лет),серые кружки—средневозрастныеучастки(28-30 лет), черные кружки —молодые участки (8-16 лет).Выделенныеобластиобозначают группы отваловопределенноговозраста,объединяющиеся в клаcтеры.Рисунок 5.

Результаты анализа главных координат (PCoA) микробиомов почвразного возраста: белый – старовозрастные участки (35 лет), серый – средневозрастныеучастки (28-30 лет), черный – молодые участки (8-16 лет).На свежих участках доминируют Acinetobacter (8,8% всего сообщества),Micrococcaceae (8%) и Pseudomonas (6%). Доминирующие таксоны средневозрастныхучастков – Micrococcaceae (4,5%) и Sphingomonadaceae (1,4%). С увеличением сроказарастания в составе микробиома статистически значимо повышается участие альфапротеобактерий пор. Rhizobiales за счет семейств Bradyrhizobiaceae (5% сиквенсов) иHyphomicrobiaceae (2,5% сиквенсов). В микробиомах 35-летних участков доля таких16групп, как Micromonosporaceae и Sinobacteraceae, Chitinophagaceae и Cytophagaceaeувеличена в 6-8 раз.

Микробные сообщества участков с меньшим сроком зарастанияотличаются увеличением доли представителей Pseudomonas и Micrococcaceae. Основнаяпроблема заключается в особенностях динамики восстановления различных группмикроорганизмов. На более поздних этапах сукцессии преобладают олиготрофы,участвующие в процессах разложения органического вещества.Глава 8. Эмиссия углекислого газа и стабилизации органического вещества впочвах посттехногенных экосистем.

Уровень эмиссии СО2 в атмосферу из почвыоценивался по выветриванию карбонатов и почвенному дыханию. Обратный процесс –депонирование углекислого газа – был оценен по содержанию органического вещества впочве. Было рассчитано соотношение гуминовых и фульвокислот.Во всех исследованных образцах величина базального дыхания крайне низка (от0,008 мкг СO2–С/г*ч-1на лишенных растительности участках и в горизонте С, до 0,2 мкгСO2–С/г*ч-1 в подстилке хвойных пород). Содержание СО2 карбонатов в мелкоземе наразных участках варьирует от 0 до 20 %. Максимальные значения отмечены вминеральных горизонтах, на участках с относительно небольшим проективнымпокрытием растительности.На песчаных карьерах содержание Сox в мелкоземе обычно не превышало 1-3 %, заисключением подстилки. В случае внесения органических субстратов, показатель можетдостигать более 38 %.