ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ КУЗБАССА В УСЛОВИЯХ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
|
Введение 4
1 Современные аспекты рекультивации нарушенных
земель и методы ее проведения 7
2 Объекты и методы исследования 12
2.1 Объекты исследования 12
2.2 Методы исследования 16
2.3 Схема проведения полевого опыта 17
3 Условия формирования и характеристика почв техногенных
отвалов Кузбасса 20
3.1 Условия почвообразования 20
3.1.1 Рельеф и почвообразующие породы Кузнецкой котловины 20
3.1.2 Гидрографическая сеть 22
3.1.3 Климатические условия 23
3.1.4 Растительный покров территории Кузнецкой котловины 24
3.2 Характеристика почв техногенных ландшафтов
Кузнецкой котловины 27
3.2.1 Фоновые почвы лесостепи Кузнецкой котловины 27
3.2.2 Техногенно сформированные почвы Кузбасса 30
4 Исследование органического вещества в техногенных почвах Кузбасса 37
4.1 Особенности накопления и образования органического вещества
в почвах техногенно - нарушенных ландшафтов 37
4.1.1 Стабильные и лабильные формы органического вещества и их влияние на
плодородие почв 44
4.1.1.1 Изучение оптических свойств органического вещества в техногенно
нарушенных почвах 47
4.1.2 Исследование формирования органического вещества в нарушенных при
угледобыче почвах Кузбасса 52
4.1.3 Исследование формирования органического вещества в условиях полевого
эксперимента 66
Выводы 91
Список использованной литературы 93
Приложение А Шкала Д.Г. Звягинцева (1978) для оценки степени обогащенности почв некоторыми ферментами на 1 г почвы 100
1 Современные аспекты рекультивации нарушенных
земель и методы ее проведения 7
2 Объекты и методы исследования 12
2.1 Объекты исследования 12
2.2 Методы исследования 16
2.3 Схема проведения полевого опыта 17
3 Условия формирования и характеристика почв техногенных
отвалов Кузбасса 20
3.1 Условия почвообразования 20
3.1.1 Рельеф и почвообразующие породы Кузнецкой котловины 20
3.1.2 Гидрографическая сеть 22
3.1.3 Климатические условия 23
3.1.4 Растительный покров территории Кузнецкой котловины 24
3.2 Характеристика почв техногенных ландшафтов
Кузнецкой котловины 27
3.2.1 Фоновые почвы лесостепи Кузнецкой котловины 27
3.2.2 Техногенно сформированные почвы Кузбасса 30
4 Исследование органического вещества в техногенных почвах Кузбасса 37
4.1 Особенности накопления и образования органического вещества
в почвах техногенно - нарушенных ландшафтов 37
4.1.1 Стабильные и лабильные формы органического вещества и их влияние на
плодородие почв 44
4.1.1.1 Изучение оптических свойств органического вещества в техногенно
нарушенных почвах 47
4.1.2 Исследование формирования органического вещества в нарушенных при
угледобыче почвах Кузбасса 52
4.1.3 Исследование формирования органического вещества в условиях полевого
эксперимента 66
Выводы 91
Список использованной литературы 93
Приложение А Шкала Д.Г. Звягинцева (1978) для оценки степени обогащенности почв некоторыми ферментами на 1 г почвы 100
Актуальность темы. Высокие темпы научно-технического прогресса в угледобывающей промышленности приводят к значительным нарушениям земель сельскохозяйственного и лесного пользования. Как указано в работах (Андроханов, 2003, 2004, 2005, 2010) в результате горнодобывающих работ в равнинной части Кузнецкой котловины почвенный покров полностью нарушен на площади около 100 тыс. га, из которых 80 тыс. га - работой угольных предприятий.
Увеличение площадей, занимаемых техногенными ландшафтами, карьерными выемками, депрессионными воронками, возникающими после угледобычи и последующей его переработки, резко ухудшает экологические состояние окружающей среды. Эти территории в прямом и переносном смысле представляют собой пустыню, как по внешнему виду, так и в силу утраты функций, которые несли находящиеся здесь аборигенные экосистемы. Все вышеназванные функции прямо связаны с уничтожением гумусового горизонта почв или неблагоприятной трансформацией гумусового состояния (Фаткулин, 2003).
Естественная регенерация экологических и биологических функций техногенно сформированных почв, а также восстановление продуктивности произрастающих на них растительных ценозов протекает чрезвычайно медленно (Середина, Алексеева и др., 2012; Андросова, Алексеева и др., 2014). Нарушенные при угледобыче почвы нуждаются в рекультивации, а используемые методы по восстановлению антропогенно нарушенного плодородия ограничены по масштабам, часто мало эффективны в экологическом и хозяйственном отношении.
Согласно исследованиям В.М. Курачева (1993), О.И. Глебовой (2004; 2006), Е.В. Напрасниковой (2008), В.А. Андроханова (2005, 2010), изучение нарушенных земель не потеряло актуальности потому, что часть их, временно изъятая в ходе открытых разработок, должна быть возвращена в природопользование после рекультивации. В связи с этим, актуальность данной работы заключается в решении одной из важнейших экологических проблем угледобывающей промышленности Кузбасса - рекультивации техногенно - нарушенных почв и возвращении их в народно-хозяйственное использование.
Цель исследования. Целью работы явилось изучение воздействия биологических приемов рекультивации, влияющих на ускорение процессов регенерации биологических свойств в техногенных грунтах, сформированных в районах угледобычи Кузбасса.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Рассмотреть условия формирования и проблемы рекультивации почв техногенных ландшафтов лесостепи Кузнецкой котловины;
2. Изучить динамику общего и лабильного углерода; на основе хемодеструкционного анализа исследовать изменения легкоокисляемой и трудноокисляемой фракции органического вещества, а также оптические свойства лабильного органического вещества в техногенно и посттехногенно сформированных почвах Кузбасса, а также в условиях полевого опыта;
3. Определить ферментативную активность в условиях полевого эксперимента по биологической рекультивации и в техногенных и посттехногенно сформированных почвах Кузбасса;
4. Оценить влияние торфяных препаратов на ускорение процессов регенерации органического вещества в техногенных грунтах угольного разреза «Краснобродский».
Научная новизна. Получены новые материалы по оценке основных биологических показателей техногенно сформированных почв угольного отвала «Красногорский», а также рекультивированных посттехногенных почв Листвянского и Бочарского угольных разрезов, расположенных в промышленно развитых районах Кемеровской области. Установлены различия в эмбриоземных и посттехноземных почвах разного срока рекультивации в динамике ферментов (оксидоредуктаз), фракционном составе органического вещества, содержании общего и лабильного углерода. Исследовано влияние препаратов на торфяной основе на процессы ремедиации органогенного горизонта и биологических параметров грунта отвальной породы в условиях полевого эксперимента по биологической рекультивации угольного отвала «Краснобродский» Кемеровской области.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные материалы являются основой для разработки научно обоснованных технологий рекультивации, направленных на активизацию биоаккумулятивных процессов в техногенных грунтах, сопровождающиеся развитием биоценозов. Данные могут быть использованы для оценки темпов воспроизводства плодородия техногенных почв, сформированных на отвалах.
Апробация работы. Автором опубликовано 12 работ по теме магистерской диссертации.
Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции XVII Докучаевские молодежные чтения «Новые вехи в развитии почвоведения: современные технологии как средства познания», посвященной 110-летию Центрального музея почвоведения им. В.В. Докучаева и Международному году почв (Санкт-Петербург, 2014 г.); XVIII Докучаевских молодежных чтениях «Деградация почв и продовольственная безопасность России» (Санкт-Петербург, 2015 г.); LXIII, LXIV, LXV научно-исследовательских студенческих конференциях Биологического института ТГУ «Старт в науку» (Томск, 2014-2016 гг.); Международной экологической студенческой конференции (МЭСК) (Новосибирск, 2014, 2015 гг.); V Международной конференции «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове», посвященной 85-летию кафедры почвоведения и экологии почв Национального исследовательского Томского государственного университета (Томск, 2015); Третьей международной научно-практической конференции «Проблемы изучения и использования торфяных ресурсов Сибири» (Томск, 2015).
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору биологических наук, профессору В.П. Серединой за поддержку на всех этапах выполнения работы и помощь в написании магистерской диссертации, а также особую благодарность сотрудникам физико-химической лаборатории СибНИИСХиТ - филиал СФНЦА РАН, кандидату химических наук, старшему научному сотруднику по специализации «Агрохимия» Л.Н. Сысоевой и Т.П. Алексеевой за ценные советы и помощь в проведении полевых и лабораторных исследований.
Увеличение площадей, занимаемых техногенными ландшафтами, карьерными выемками, депрессионными воронками, возникающими после угледобычи и последующей его переработки, резко ухудшает экологические состояние окружающей среды. Эти территории в прямом и переносном смысле представляют собой пустыню, как по внешнему виду, так и в силу утраты функций, которые несли находящиеся здесь аборигенные экосистемы. Все вышеназванные функции прямо связаны с уничтожением гумусового горизонта почв или неблагоприятной трансформацией гумусового состояния (Фаткулин, 2003).
Естественная регенерация экологических и биологических функций техногенно сформированных почв, а также восстановление продуктивности произрастающих на них растительных ценозов протекает чрезвычайно медленно (Середина, Алексеева и др., 2012; Андросова, Алексеева и др., 2014). Нарушенные при угледобыче почвы нуждаются в рекультивации, а используемые методы по восстановлению антропогенно нарушенного плодородия ограничены по масштабам, часто мало эффективны в экологическом и хозяйственном отношении.
Согласно исследованиям В.М. Курачева (1993), О.И. Глебовой (2004; 2006), Е.В. Напрасниковой (2008), В.А. Андроханова (2005, 2010), изучение нарушенных земель не потеряло актуальности потому, что часть их, временно изъятая в ходе открытых разработок, должна быть возвращена в природопользование после рекультивации. В связи с этим, актуальность данной работы заключается в решении одной из важнейших экологических проблем угледобывающей промышленности Кузбасса - рекультивации техногенно - нарушенных почв и возвращении их в народно-хозяйственное использование.
Цель исследования. Целью работы явилось изучение воздействия биологических приемов рекультивации, влияющих на ускорение процессов регенерации биологических свойств в техногенных грунтах, сформированных в районах угледобычи Кузбасса.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Рассмотреть условия формирования и проблемы рекультивации почв техногенных ландшафтов лесостепи Кузнецкой котловины;
2. Изучить динамику общего и лабильного углерода; на основе хемодеструкционного анализа исследовать изменения легкоокисляемой и трудноокисляемой фракции органического вещества, а также оптические свойства лабильного органического вещества в техногенно и посттехногенно сформированных почвах Кузбасса, а также в условиях полевого опыта;
3. Определить ферментативную активность в условиях полевого эксперимента по биологической рекультивации и в техногенных и посттехногенно сформированных почвах Кузбасса;
4. Оценить влияние торфяных препаратов на ускорение процессов регенерации органического вещества в техногенных грунтах угольного разреза «Краснобродский».
Научная новизна. Получены новые материалы по оценке основных биологических показателей техногенно сформированных почв угольного отвала «Красногорский», а также рекультивированных посттехногенных почв Листвянского и Бочарского угольных разрезов, расположенных в промышленно развитых районах Кемеровской области. Установлены различия в эмбриоземных и посттехноземных почвах разного срока рекультивации в динамике ферментов (оксидоредуктаз), фракционном составе органического вещества, содержании общего и лабильного углерода. Исследовано влияние препаратов на торфяной основе на процессы ремедиации органогенного горизонта и биологических параметров грунта отвальной породы в условиях полевого эксперимента по биологической рекультивации угольного отвала «Краснобродский» Кемеровской области.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные материалы являются основой для разработки научно обоснованных технологий рекультивации, направленных на активизацию биоаккумулятивных процессов в техногенных грунтах, сопровождающиеся развитием биоценозов. Данные могут быть использованы для оценки темпов воспроизводства плодородия техногенных почв, сформированных на отвалах.
Апробация работы. Автором опубликовано 12 работ по теме магистерской диссертации.
Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции XVII Докучаевские молодежные чтения «Новые вехи в развитии почвоведения: современные технологии как средства познания», посвященной 110-летию Центрального музея почвоведения им. В.В. Докучаева и Международному году почв (Санкт-Петербург, 2014 г.); XVIII Докучаевских молодежных чтениях «Деградация почв и продовольственная безопасность России» (Санкт-Петербург, 2015 г.); LXIII, LXIV, LXV научно-исследовательских студенческих конференциях Биологического института ТГУ «Старт в науку» (Томск, 2014-2016 гг.); Международной экологической студенческой конференции (МЭСК) (Новосибирск, 2014, 2015 гг.); V Международной конференции «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове», посвященной 85-летию кафедры почвоведения и экологии почв Национального исследовательского Томского государственного университета (Томск, 2015); Третьей международной научно-практической конференции «Проблемы изучения и использования торфяных ресурсов Сибири» (Томск, 2015).
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору биологических наук, профессору В.П. Серединой за поддержку на всех этапах выполнения работы и помощь в написании магистерской диссертации, а также особую благодарность сотрудникам физико-химической лаборатории СибНИИСХиТ - филиал СФНЦА РАН, кандидату химических наук, старшему научному сотруднику по специализации «Агрохимия» Л.Н. Сысоевой и Т.П. Алексеевой за ценные советы и помощь в проведении полевых и лабораторных исследований.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Выявлены определенные закономерности изменения содержания Собщ и Слов в ряду эмбриоземов и разновозрастных посттехногенных почв, прошедших стадию рекультивации. Отчетливо прослеживается увеличение содержания Собщ и Слов в направлении от инициального эмбриозема к гумусово-аккумулятивному и посттехнозему 30-летнего срока рекультивации. Хемодеструкционный анализ органического вещества посттехногенно сформированных почв показал, что рекультивация способствует увеличению наиболее энергопродуктивных и потребляемых живыми организмами фракций органического вещества - легкоокисляемой и среднеокисляемой и уменьшению стабильной трудноокисляемой фракции.
2. Исходя из результатов полевого опыта по биологической рекультивации
угольного отвала «Краснобродский», можно констатировать, что при внесении в грунт отвальной породы торфяного мелиоранта в дозах 25, 50 т/га и при использовании
предпосевной обработки семян и вегетирующих растений оксигуматом происходит перегруппировка фракций органического вещества в сторону увеличения легкоокисляемой фракции и уменьшения трудноокисляемой.
3. Максимальное значение оптической плотности лабильного органического вещества отмечается в гумусово-аккумулятивном посттехноземе, что обусловлено возрастанием сформированности гумусовых компонентов и усилением их степени ароматизации благодаря накоплению и трансформации органогенного материала.
4. Установлено, что на начальном этапе рекультивации угольного отвала наиболее высокие значения оптической плотности лабильного органического вещества характерны для вариантов с внесением торфяного мелиоранта по сравнению с оксигуматом. На заключительном этапе полевого опыта, как в вариантах с внесением торфяных композиций, так и оксигумата наблюдается увеличение оптической плотности лабильного органического вещества, уменьшение значений коэффициентов цветности А и Q, что свидетельствует об усилении биохимической активности грунта, создавая предпосылки для развития инициального почвообразовательного процесса.
5. Отчетливо прослеживается увеличение ферментативной активности в гумусовоаккумулятивном посттехноземе по сравнению с другими рассматриваемыми типами техногенных почв. Установлено, что в соответствии со шкалой Д.Г. Звягинцева, активность изучаемых ферментов в контрольном варианте опыта (грунт отвала) находится на низком уровне. Под воздействием мелиорирующих торфяных препаратов активизируется деятельность ферментов - каталазы и дегидрогеназы. Высокие показатели активности остальных изучаемых оксидоредуктаз во многом связаны с присутствием в грунте отвала углистых частиц.
6. Полученные результаты свидетельствуют о том, что ферментативная активность и основные параметры лабильного органического вещества могут быть использованы для оценки эффективности биологической рекультивации и в целях диагностики динамики процессов ремедиции техногенных грунтов.
1. Выявлены определенные закономерности изменения содержания Собщ и Слов в ряду эмбриоземов и разновозрастных посттехногенных почв, прошедших стадию рекультивации. Отчетливо прослеживается увеличение содержания Собщ и Слов в направлении от инициального эмбриозема к гумусово-аккумулятивному и посттехнозему 30-летнего срока рекультивации. Хемодеструкционный анализ органического вещества посттехногенно сформированных почв показал, что рекультивация способствует увеличению наиболее энергопродуктивных и потребляемых живыми организмами фракций органического вещества - легкоокисляемой и среднеокисляемой и уменьшению стабильной трудноокисляемой фракции.
2. Исходя из результатов полевого опыта по биологической рекультивации
угольного отвала «Краснобродский», можно констатировать, что при внесении в грунт отвальной породы торфяного мелиоранта в дозах 25, 50 т/га и при использовании
предпосевной обработки семян и вегетирующих растений оксигуматом происходит перегруппировка фракций органического вещества в сторону увеличения легкоокисляемой фракции и уменьшения трудноокисляемой.
3. Максимальное значение оптической плотности лабильного органического вещества отмечается в гумусово-аккумулятивном посттехноземе, что обусловлено возрастанием сформированности гумусовых компонентов и усилением их степени ароматизации благодаря накоплению и трансформации органогенного материала.
4. Установлено, что на начальном этапе рекультивации угольного отвала наиболее высокие значения оптической плотности лабильного органического вещества характерны для вариантов с внесением торфяного мелиоранта по сравнению с оксигуматом. На заключительном этапе полевого опыта, как в вариантах с внесением торфяных композиций, так и оксигумата наблюдается увеличение оптической плотности лабильного органического вещества, уменьшение значений коэффициентов цветности А и Q, что свидетельствует об усилении биохимической активности грунта, создавая предпосылки для развития инициального почвообразовательного процесса.
5. Отчетливо прослеживается увеличение ферментативной активности в гумусовоаккумулятивном посттехноземе по сравнению с другими рассматриваемыми типами техногенных почв. Установлено, что в соответствии со шкалой Д.Г. Звягинцева, активность изучаемых ферментов в контрольном варианте опыта (грунт отвала) находится на низком уровне. Под воздействием мелиорирующих торфяных препаратов активизируется деятельность ферментов - каталазы и дегидрогеназы. Высокие показатели активности остальных изучаемых оксидоредуктаз во многом связаны с присутствием в грунте отвала углистых частиц.
6. Полученные результаты свидетельствуют о том, что ферментативная активность и основные параметры лабильного органического вещества могут быть использованы для оценки эффективности биологической рекультивации и в целях диагностики динамики процессов ремедиции техногенных грунтов.
Подобные работы
- МОРФОЛОГО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ ГОРЛОВСКОГО АНТРАЦИТОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Дипломные работы, ВКР, прочее. Язык работы: Русский. Цена: 4750 р. Год сдачи: 2024 - ТЕХНОЗЕМЫ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ КУЗБАССА
Главы к дипломным работам, природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 2900 р. Год сдачи: 2022 - АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЧВ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
Бакалаврская работа, биотехнология. Язык работы: Русский. Цена: 4355 р. Год сдачи: 2020 - Проблемы рекультивации нарушенных горнодобывающими предприятиями земель и пути их решения (на примере Алтайского края)
Магистерская диссертация, природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 4925 р. Год сдачи: 2022