«Пермь, 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ...»

ТЕХНОГЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ

ОБРАЗОВАНИЯ ЗОНЫ СОЛЕОТВАЛОВ

И АДАПТАЦИЯ К НИМ РАСТЕНИЙ

Пермь, 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

О.З. Ерёмченко, О.А. Четина, М.Г. Кусакина, И.Е. Шестаков

ТЕХНОГЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ

ОБРАЗОВАНИЯ ЗОНЫ

СОЛЕОТВАЛОВ И АДАПТАЦИЯ

К НИМ РАСТЕНИЙ

Монография УДК 631.4+502.211: ББК 20.1+40.3+28. Е Рецензенты:

Л. В. Рудакова, д-р техн. наук, проф. каф. охраны окружающей среды Пермского государственного национального исследовательского политехнического университета;

Л. Н. Скипин, д-р с/х наук, зав. каф. техногенной безопасности Тюменского государственного архитектурно-строительного университета Ерёмченко О.З.

Е Техногенные поверхностные образования зоны солеотвалов и адаптация к ним растений: монография / О.З. Ерёмченко, О.А.

Четина, М.Г. Кусакина, И.Е. Шестаков. - Перм. гос. нац. исслед.

ун-т. – Пермь, 2013. – 148 с.

ISBN В монографии отмечается, что на Верхнекамском месторождении солей солевые отвалы ежегодно занимают более 20-25 га, основной их компонент - галит (NaCl более 90%). У солеотвалов функции почв выполняют техногенные поверхностные образования (ТПО). Основные свойства ТПО обусловлены слагающим их минеральным и органическим материалом, а также загрязнением солевыми отходами. Синантропная растительность зоны солеотвалов прошла отбор на выживание в корневой среде с высокой концентрацией солей, солонцеватостью и щелочностью. У растений из зоны воздействия солеотвалов изучены особенности солевого обмена и минерального питания, продуцирование защитноадаптационных соединений.

Издание предназначено для биологов, географов, геологов, специалистов в области охраны окружающей среды, учителей, студентов, получающих образование естественнонаучного профиля.

Издание подготовлено при финансовой поддержке программы Минобрнауки РФ «Фундаментальные исследования и прикладные научные исследования в области образования»

УДК 631.4+502.211: ББК 20.1+40.3+28. Печатается по решению редакционно-издательского совета Пермского государственного национального исследовательского университета © Ерёмченко О.З., Четина О.А., ISBN Кусакина М.Г., Шестаков И.Е.,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение Глава 1. Характеристика района, объектов и методов исследований 1.1. Физико-химические и техногенные условия ………………... Объекты исследований ……………………………………….

1.2. Методы исследований ………………………………………..

1.3. Глава 2. Свойства ТПО зоны солеотвалов Техногенез и формирование ТПО …………………………...

2.1. Морфология и свойства ТПО ………………………………...

2.2. Содержание легкоподвижных соединений в 2.3.

корнеобитаемых слоях ТПО ………………………………… Глава 3. Микроэлементный состав ТПО Техногенное загрязнение почв ………………………....

3.1. Содержание микроэлементов в ТПО ………………… 3.2. Глава 4. Синантропная растительность зон воздействия солеотвалов Синантропизация растительного покрова …………….

4.1. Влияние техногенного засоления на состав растительности 4.2.

у солеотвалов………………………….

Глава 5. Адаптация растений к техногенному засолению Солеустойчивость растений.…………………………… Накопление свободных ионов Cl- и Na+ растениями в 5.2.

условиях техногенного засоления……………………… Минеральное питание растений в условиях засоления Накопление растениями низкомолекулярных осмопротекторов………………………………………....

Компоненты антиоксидантной защиты растений……..

Глава 6. Аккумуляция микроэлементов растительностью зоны солеотвалов………………………...

Интенсивность накопления микроэлементов растениями……………………………………………….

Содержание микроэлементов в растительности зоны 6.2.

солеотвалов…………………………………………………… Список использованной литературы……………………….

ВВЕДЕНИЕ

Почвенный покров планеты подвержен антропогенным воздействиям: от минимальных, связанных с загрязнением атмосферы, и до почти полного уничтожения при добыче полезных ископаемых или строительстве. В сфере влияния предприятий топливно-энергетического комплекса, горнодобывающей промышленности и на городских территориях функции почвы выполняют образования, которые в научной литературе называют «техногенными почвами», техноземами, почвоподобными телами и т.д. Эти образования занимают значительные площади (достаточные для того, чтобы быть объектом картографирования) на планете. В новой классификации почв России (2004) они получили название «техногенные поверхностные образования»

(ТПО) и систематику.

Параметры ТПО значительно отличаются от свойств региональных почв, поэтому ТПО наряду с природными факторами становятся регулятором продуктивности и разнообразия сообществ организмов.

Среди их экологических функций важнейшей является способность создавать условия для произрастания растений – первичных продуцентов органического вещества. Местная и адвентивная растительность проходят отбор на выживание в новых почвенно-экологических условиях.

В техногенных ландшафтах Пермского края специфическим загрязнителем почв и ТПО становится засоление, которое сопровождает нефтедобычу, проявляется у дорог в связи с применением антигололедных средств, развитием производства минеральных удобрений. На Верхнекамском месторождении солей солевые отвалы ежегодно занимают более 20-25 га, основной их компонент – галит (NaCl более 90%). Растения зоны солеотвалов проходят отбор на солеустойчивость – выживание в корневой среде с высокой концентрацией солей.

Объектами исследований были ТПО, выполняющие функции почв на окружающей солеотвалы территории, и произрастающая на них синантропная растительность. Предметом исследований являлись основные свойства ТПО, обусловленные слагающим их минеральным и органическим материалом, а также загрязнением от солевых отходов.

Проведена их оценка как среды обитания растений; у растений из зоны воздействия солеотвалов изучены особенности солевого обмена, минерального питания, продуцирования защитно-адаптационных соединений.

Основой представленной книги служат полевые и лабораторные работы, проведенные авторами в 2002-2011 гг. при участии нескольких поколений студентов биологического факультета Пермского государственного национального исследовательского университета. За помощь в описании видового состава растительности авторы выражают глубокую признательность профессору, доктору биологических наук С.А. Овеснову и профессору, доктору биологических наук Е.И. Демьяновой.

Авторы благодарны рецензентам настоящей книги – доктору технических наук, профессору Ларисе Васильевне Рудаковой и доктору сельскохозяйственных наук Леониду Николаевичу Скипину – за обсуждение материала и сделанные замечания.

Характеристика района, объектов Физико-географические и техногенные условия Климат. Территория Пермского края относится к зоне умеренных широт, входит в состав Атлантико-континентальной области. Климат континентальный, о чем свидетельствуют значительные годовые и суточные колебания почти всех метеорологических элементов. Большое влияние на распределение атмосферных осадков и температурный режим оказывает атмосферная циркуляция. Общий характер циркуляционных процессов определяется положением внутри материка, меридиональным расположением на востоке области Уральского хребта, открытостью территории к северу (Шкляев, Балков, 1963).

Вторжения холодных арктических масс воздуха вызывают похолодания в теплый период года, а воздействие сибирского антициклона – сильные морозы зимой. В то же время с притоком теплых воздушных масс с Атлантического океана связаны потепления и даже оттепели в зимнее время.

Среднегодовые температуры воздуха в городах Березники и Соликамске колеблются в пределах 0,5-1,3оС. Средняя температура июля 17-17,4оС, средняя температура января – 16-15,8оС. Заморозки на почве (иней) заканчиваются в первой декаде июня, начинаются в первой-второй декаде сентября. Продолжительность безморозного периода у почвы 90-95 дней, на высоте 2 м – 100-120 дней. Сумма эффективных температур за вегетационный период 1200-1240оС.

Осадков в году выпадает 470-550 мм; высота снежного покрова не ниже 50 см с максимумом в 65-70 см и продолжительностью устойчивого снежного покрова в поле 165-170 дней. Поля освобождаются от снега 22-25 апреля. В году насчитывается около 250 дней с осадками.

Ветровой режим определяется метеорологическими условиями, а также особенностями подстилающей поверхности и открытостью места.

В Березниках и Соликамске преобладающее направление ветров южное и юго-западное. Северные и северо-восточные ветры дуют чаще летом и весной (Пермская область…, 1959, 1997).

Рельеф и геологическое строение. По геоморфологическому районированию Пермский край входит в Уфимско-Пермскую подобласть Среднерусской провинции Русской равнины и представляет собой эрозионно-денудационную равнину, сложенную пермскими отложениями Уфимского свода, Камской впадины, Предуральского краевого прогиба. Преобладающий тип рельефа – сильно расчлененная равнина на западном крыле Уфимского свода (Ястребов, 1959;

Геоморфологическое районирование..., 1980).

Города Березники и Соликамск находятся в западной части Пермской края, которая является слабоприподнятой, сильноэродированной частью Русской равнины. Город Березники расположен на левом берегу р. Камы. Территория города отличается спокойным рельефом и пологим наклоном в западном и юго-западном направлениях. Перепад высот более 130 м. Соликамск расположен на территории Предуральского краевого прогиба у левых притоков Камы – рек Усолки и Боровой. Рельеф ледниковый, сглаженно-увалистый, подъемы на увалы пологие, во многих местах наблюдается развитие болот, преобладающими отметками являются 140-180 м над уровнем моря.

Геологическими напластованиями, слагающими внегорную часть Пермского края, являются отложения пермской системы. Территория г.

Березники расположена в зоне отложений казанского яруса верхней перми, территория Соликамска – в зоне аллювиальных отложений (Коротаев, 1962). Отложения казанского яруса верхней перми состоят из красно-бурых (малиново-бурых) и коричнево-бурых мергелистых глин, переслаивающихся серыми и зеленовато-серыми слабоизвестковистыми песчаниками. Эти коренные породы покрыты плащом четвертичных отложений, дневные горизонты которых являются материнскими почвообразующими породами. Древнеаллювиальные отложения имеют преимущественно легкий механический состав. Пески содержат повышенное количество кремния, но бедны карбонатами и другими соединениями (Сафроницкий, 1959; Коротаев, 1962; Борисевич, 1968;

Оленев, Горчаковский, 1969).

Верхнекамское месторождение солей приурочено к центральной части Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба.

Соляная толща месторождения, имеющая форму линзы площадью 8, тыс. км2, прослеживается в меридиональном направлении на 205 км, в широтном – до 55 км. Внутри контура соляной толщи расположена многопластовая залежь калийно-магниевых солей протяженностью км при ширине до 41 км, площадь основной части калийной залежи – 3,7 тыс. км2.

Соляные породы месторождения представлены калийной солью, сильвинитами и карналлитовыми породами. Геологические запасы месторождений оцениваются по карналлитовой породе – 96,4 млрд. т, по сильвинитам – 113,2 млрд. т, по каменной соли – 4650 млрд. т.

Каменная соль представляет собой породу, на 90-98 % сложенную галитом (NaCl). В качестве примесей в ней встречаются ангидрит, силикаты (в основном глинистые минералы), карбонаты (доломит, кальцит) и др. Химический состав каменной соли: NaCl (80-96 %), CaSO4, MgCl2, KCl – следы, нерастворимый остаток (H.O.).

Сильвинит – биоминеральная порода, сложенная галитом и сильвином (КСl), содержание последнего в сильвините 20-45%. В качестве примесей присутствуют несоляные минералы (ангидрит, карбонаты, глинистые минералы и др.). Химический состав сильвина:

KCl (97-99,3 %), NaCl, CaSO4, MgCl2, H2O.

Карналлитовая порода состоит из карналлита (KCl*MgCl2*6H2O) и галита. В качестве примесей карналлитовая порода содержит сильвин и несоляные минералы (ангидрит, карбонаты, глинистые минералы и др.) Руды месторождения содержат элементы – примеси. В породах соляной толщи из наиболее изученных элементов (B, P, Br, I, Ba, Li, Se, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, In, Te, Cs, Ta, Tl, Tr) только для пяти элементов отмечено превышение их содержания над кларком земной коры; для бора, брома, йода, германия и рубидия это превышение существенно.

В нерастворимый остаток руд входят в основном Fe, Ni, Mn, V, Ti.

Сu и Zn сосредоточены в основном в растворимой части руд (до 67Ва содержится и в растворимой (карналлит), и в нерастворимой (сильвинит) компоненте. Такие благородные металлы, как Au, Ag, Pt, Rh, Jn, локализованы в Н.О., особенно в комплексных органических соединениях, а также хлоридах, сульфосолях и самородном состоянии (Кудряшов, 2001).

Гидрологические условия. В гидрологическом отношении границы Пермского края в большинстве случаев совпадают с важнейшими водоразделами рек европейской части России. Территория Уральского Прикамья имеет хорошо развитую речную сеть, относится к бассейну р. Волги. В настоящее время в связи с гидротехническим строительством в пределах области сложилось деление р. Камы на два участка – Верхняя Кама (от западной границы области до устья Вишеры) и Средняя Кама (Камское и Воткинское водохранилища, до устья р. Сивы).

Основной водной артерией на территории Верхнекамского месторождения является р. Кама. Более мелкие реки (Волим, Большая Уньва, Ленва, Зырянка, Быгель, Затопыч, Извер, Боровая, Усолка, Клестовка, Поповка и др.) и ручьи образуют речную сеть.

Верхнекамское месторождение солей находится в пределах Предуральского артезианского бассейна, основными областями питания которого в Прикамье являются Уфимское плато, Тиманская гряда и частично передовые складки Урала, а зонами разгрузки – р. Кама и ее крупные притоки (Кудряшов, 2001). Соляная толща месторождения, являясь водоупором, разделяет подземные воды на два гидрогеологических этажа – нижний (подсолевой) и верхний (надсолевой). В соответствии с этим на месторождении выделяются надсолевые и подсолевые воды. Сама соляная толща содержит небольшое количество рассолов, которые называют внутрисолевыми водами.

Серия надсолевых отложений Верхнекамского месторождения полностью насыщена водой. Отдельные водоносные горизонты слабо изолированы друг от друга прослоями водонепроницаемых пород, являющихся относительными водоупорами. Самая верхняя гидродинамическая зона является зоной активного водообмена. Воды зоны, как правило, пресные. Над соляными поднятиями мощность зоны активного водообмена составляет около 100 м, в депрессиях кровли соленосной толщи – до 200 м. В депрессиях кровли соленосной толщи (на глубинах более 200 м) накапливаются высокоминерализованные рассолы. Эти участки характеризуются застойным режимом.

Общее движение подземных вод в надсолевом комплексе пород происходит с востока на запад. Фильтруясь от областей питания к областям разгрузки, подземные воды насыщаются хлористым натрием, становятся высоконапорными и уже в пределах долины р. Камы поднимаются вверх, где, частично смешиваясь с потоком пресных вод, повышают их минерализацию до 10 г/л (Кудряшов, 2001).

Почвы и почвообразующие породы. Соликамский район входит в почвенный подрайон Чердынско-Соликамских песчаных и супесчаных дерново-сильно- и среднеподзолистых почв. Материнскими породами почв служат водно-ледниковые пески, подстилаемые покровными суглинками, ниже которых залегают пермские мергелистые глины, мергели и известняки. Наиболее распространены в подрайоне дерновосильно- и слабоподзолистые песчаные и супесчаные механического состава с редкими пятнами почв дерново-средне- и слабоподзолистых тяжелосуглестых и дерново-карбонатных, главным образом в западной части Соликамского района. В редких случаях пермские отложения выходят на поверхность, на местах их выхода формируются тяжелые по механическому составу дерново-подзолистые и дерново-карбонатные почвы (Коротаев, 1962).

В Березниковском районе достаточно широкая полоса по левобережью Камы относится к Чердынско-Гайнско-Соликамскому району песчаных и супесчаных подзолистых и дерново-подзолистых и торфяно-болотных почв. Основная часть Березниковского района входит в Кудымкарско-Чермозский район дерново-сильно- и среднеподзолистых тяжелосуглинистых почв.

Территория данного района сложена красноцветными глинами с прослойками мергеля и известняков татарского яруса верхней перми, которые перекрыты покровными глинами и суглинками.

Преобладающими почвами являются дерново-сильно- и среднеподзолистые тяжело- и (редко) среднесуглинистого механического состава с пятнами дерново-слабоподзолистых и дерновокарбонатных почв. В пониженных местах – почвы торфяно-болотные. В долинах многих рек – почвы аллювиально-дерновые и дерново-луговые глееватые глинистого и тяжелосуглинистого механического состава (Коротаев, 1962).

среднетаежных пихтово-еловых лесов. Среднетаежные леса характеризуются простым строением древостоя, кустарниковый ярус вообще отсутствует или развит очень слабо, травяно-кустарничковый и моховой ярусы развиты достаточно хорошо. В целом по району лесопокрытые земли составляют более 85 % (Овеснов, 1997).

Город Березники входит в район южнотаежных пихтово-еловых лесов с мелколиственными породами и липой в древесном ярусе.

Южнотаежные леса, по сравнению со среднетаежными, характеризуются более сложным строением древостоя; заметным увеличением роли трав относительно кустарничков и преобладанием травяных типов лесов; моховой покров малой мощности, но сплошной.

Лесопокрытые земли составляют 65-75 % (Овеснов, 1997).

Техногенные условия. В 1930-е гг. на северо-западе Прикамья начал складываться мощный химический комплекс. Его возникновение и развитие было связано с разработкой соляных месторождений. В 1925 г. под руководством профессора Преображенского в Верхнекамье начались серьезные геологоразведческие работы. В 1927 г. в трех километрах от Соликамска состоялась закладка первой калийной шахты. В 1934 г. Соликамский комбинат вступил в строй действующих предприятий страны.

Сильвинитовые толщи Верхнекамского месторождения практически повсеместно укрыты значительными пластами карналлита – руды магния, поэтому правительством было решено построить в Соликамске предприятие по ее переработке. В 1933 г. началось строительство магниевого завода. Разработка Верхнекамского месторождения дала жизнь и другим химическим предприятиям региона. В 1929 г. в Березниках было начато сооружение Азотнотукового комбината (Пермская область…, 2000).

В пределах уникального Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей образованы города Березники и Соликамск.

Березники – крупный промышленный центр, второй по величине город Пермского края. Площадь города – 525 км2, население – 198 тыс.

чел. (Пермская область…, 1997; Состояние…, 2002).

Первые поселения на территории города возникли в XVI-XVIII вв.

на базе соляных промыслов (Пермская область…, 1997). Город Березники был основан в 1932 г. в связи со строительством заводов:

азотно-тукового, калийного, титано-магниевого, а также с разработкой Верхнекамского месторождения калийных солей. Непосредственно на территории города находятся Березниковский и Дурыманский участки месторождений. Современный центр города был застроен в 1930-х – 1940-х гг. Позднее (1960-е гг.) на месте пригородного лесопарка возникли район Околица, а на берегу созданного пруда – район Семино.

Ряд промышленных предприятий города являются (и официально признаны) монополистами на российском рынке: АО «Уралкалий»

(производит более половины калийных удобрений страны), АО «Бератон» (производство полиакриламида), АО «Ависма, титаномагниевый комбинат» (титан, магний, натриевые сплавы), АО «Азот»

(калиевая селитра) (Пермская область…, 1997).

Всего предприятиями выбрасывается около 190 видов загрязняющих веществ, 23 из них выбрасываются с превышением установленных нормативов ПДВ. Среди загрязняющих веществ преобладает оксид углерода, а также сернистый ангидрид, диоксид азота и другие вещества. Основной выброс специфических загрязняющих веществ, 23 из которых относятся к первому классу опасности, приходится на предприятия химического комплекса.

Соликамск – третий по величине город Пермского края, площадью 166 км2, с населением 107 тыс. чел. (Состояние…, 2002).

Город Соликамск образован благодаря богатым соляным промыслам на берегу р. Усолки около 1430 г. вологодским купцом Калинниковым, который организовал выварку соли. Солеварение в течение нескольких веков являлось ведущей отраслью экономики в регионе. В 1573 г. Соликамск получил статус города, став центром Соликамского уезда. Со временем границы г. Соликамска значительно расширились: в 1959 г. в его состав включен г. Боровск, расположенный близ р. Боровой, в 6 км от центра. С развитием калийной промышленности в г. Соликамске, в долине р. Клестовки, вырос современный Новосоликамский микрорайон (Пермская область…, 1997).

Хозяйственный профиль города определяют горнохимическая промышленность (добыча калийных солей и производство минеральных удобрений) – АО «Сильвинит», предприятия лесопромышленного комплекса – целлюлозно-бумажный комбинат, лесозаготовительный комбинат, а также металлургическая промышленность – производство магния, основанное на переработке калийно-магниевых солей. В Соликамске проектная мощность калийных удобрений составляет 3203,3 тыс. т. в год (Пермская область, 1997). В городе также имеются предприятия машиностроения (ремонтно-механический завод), предприятия пищевой промышленности (мясокомбинат, молкомбинат и др.), строительные организации.

Экологическая ситуация в городе неблагоприятная. Особенно плохо обстоят дела с очисткой промышленных стоков, отличающихся высокой токсичностью. Высокой загрязненностью характеризуется и состояние атмосферы (Пермская область, 1997).

Следует отметить, что на долю Березниковско-Соликамского промышленного узла приходится почти 62 % от объема ежегодно образующихся отходов. В основном это соляные галитовые отходы и глинистые шламы. Причем большую часть этих отходов дают два предприятия – ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит». Ежегодный объем галитовых отходов оставляет 17-19 млн. т. В городах Березники и Соликамске на 12 солеотвалах и шламохранилищах размещено млн. т отходов. Основным методом ликвидации отходов остается их закладка в горные пространства и закачка в подземные хранилища.

Несмотря на увеличение дополнительного использования галитовых отходов, продолжается рост их количества.

Вредное воздействие отходов калийных предприятий на окружающую среду выражается в засолении почв, поверхностных и подземных вод, в загрязнении атмосферы промышленных площадок пылью, хлористым водородом и сернистым ангидридом. Засоление подземных вод на участках расположения шламохранилищ происходит из-за инфильтрации рассолов через их днища, борта и основания дамб.

Постоянным источником засоления подземных и поверхностных вод являются также солеотвалы. Рассолы образуются здесь в результате растворения поверхности отвалов атмосферными осадками, а также за счет конденсационной влаги и отжатия избыточной влаги из свежих отходов в момент их складирования.

Место проведения исследований – зоны солеотвалов г. Соликамска и г. Березники.

В Соликамском районе расположены три солеотвала, принадлежащие ОАО «Сильвинит». Наши исследования проводились на двух солеотвалах – СКРУ-1 и СКРУ-2. СКРУ-1 находится на территории предприятия на расстоянии 0,5 км от населенного пункта – г. Соликамска и на расстоянии 3 км от ближайшего водного объекта – р.

Камы. Год ввода в эксплуатацию – 1970. Площадь солеотвала – 112 га.

Способ хранения отходов – насыпной. СКРУ-2 располагается на территории предприятия, на расстоянии 1,0 км от населенного пункта – г. Соликамска. Ближайший водный объект – река Поповка на расстоянии 0,3-0,5 км. Площадь солеотвала – 159,6 га. На подготовленную площадь, ограниченную дамбами, производят отсыпку солеотходов на высоту до 120 м. Год ввода солеотвала в эксплуатацию – 1974.

В основании солеотвалов залегают болотные и аллювиальные отложения. Болотные отложения представлены торфом влажным и водонасыщенным, сильно- и среднеразложившимся. Аллювиальные отложения представлены переслаивающейся толщей песчаноглинистых грунтов, не имеющей закономерности в залегании. Суглинки и глины – коричневато-желтые, желтые и желто-бурые, с переслаиванием песка и супеси, местами заторфованные.

Третий солеотвал располагается в Соликамском районе северовосточнее деревни Лобаново, в верховье лога Архангельский на территории предприятия на расстоянии 12 км от г. Соликамска и 2 км от ближайшего населенного пункта – д. Лобаново (рис. 1). Ближайший водный объект – р. Усолка на расстоянии 1,5-2,0 км. Дата начала эксплуатации солеотвала I очереди – 1979 г., II очереди – 1998 г. Общая площадь солеотвала I очереди – 55,6 га, способ создания его емкости – возведение контурных дамб по периметру солеотвала. Общая площадь солеотвала II очереди – 47,6 га; способ создания емкости этого солеотвала – возведение ограждающей дамбы и дамбы обвалования нагорного канала по контуру солеотвала.

В целях защиты и сохранения окружающей среды предусмотрено сооружение противофильтрационного экрана. Для ограждения площадок солеотвалов от притока поверхностных вод с прилегающих территорий и ограничения растекания рассолов площади солеотвалов ограничены контурными дамбами. Для сброса рассолов с площадок солеотвалов и отвода их в шламохранилища предусмотрены рассолосборные канавы и насосные станции.

На территории ОАО «Уралкалий» (г. Березники) расположено солеотвала. Первый солеотвал (БПКРУ-1) находится в юго-западной части населенного пункта г. Березники и относится к Березниковскому участку, разработка которого началась в 1930 г. Время образования солеотвала ориентировочно относится к началу 50-х гг. Галитовые отходы хранятся навалом на открытой площадке, обвалованной дамбой.

Проектная высота заполнения 100 м, вместимость 40000 тыс. т. По состоянию на 1.01.1996 г. накоплено 26147,5 тыс. т. Площадь, занимаемая солеотвалом, составляет 42,9 га. На территории этого солеотвала проводились наши исследования.

Второй солеотвал (БПКРУ-2) расположен юго-восточнее г. Березники, недалеко от железнодорожной станции «Калийная», он относится к Дурыманскому участку. Разработка данного участка началась в 1969 г. Ближайшие водные объекты – р. Ленва и р. Телепаевка.

Третий солеотвал (БПКРУ-3) расположен к югу от г. Березники вблизи поселка Сибирь и относится к Балахонцевскому участку, который начал разрабатываться в 1973 г. Ближайший водный объект – р. Волим.

Четвертый солеотвал (БПКРУ-4) расположен северо-восточнее г. Березники на территории Быгельско-Троицкого участка (начало разработки – 1987 г.). Ближайший населенный пункт – поселок Заполье, ближайший водный объект – р. Быгель.

Общая масса всех четырех солеотвалов ОАО «Уралкалий» – млн. т.

При организации площадок для складирования солевых отходов производились выравнивание поверхности, отсыпка водоотводных ложбин, устройство дамб, перемешивание грунтов; в результате были уничтожены природные почвы и на окружающей территории сформировались техногенные поверхностные образования (ТПО), выполняющие функции почв. Основной компонент отходов – галит (NaCl 90,55-94,54 %, KCl 3,2-7,34 %, MgCl2 0,07-0,08 %, CaSO4 1,34поэтому техногенные поверхностные образования у солеотвалов подвержены засолению.

При устройстве территории для солеотвалов растительность большей частью была уничтожена, в настоящее время в зоне воздействия солей сформировались сообщества синантропных видов растений. К условиям техногенного засоления приспособились преимущественно синантропные, адвентивные растения; в данном регионе они произрастают у дорог, жилья, в посевах сельскохозяйственных растений (Овеснов, 1997).

Для изучения техногенных поверхностных образований (ТПО) были заложены разрезы и описаны морфологические признаки ТПО, систематическая принадлежность определялась по «Классификации и диагностике почв России» (2004). Из слоев ТПО отобраны пробы для изучения свойств в лабораторных условиях.

Состояние корнеобитаемого слоя ТПО территории солеотвалов оценивали путем отбора проб по «сетке» – 10 м на 20 м в направлении от солеотвала до препятствия в виде дорог.

Физиологические показатели состояния растений определены в надземных и подземных органах – как в смешанных пробах, так и в 10кратной повторности – сопряженно с пробами почвогрунта из корнеобитаемого слоя (0-15 см) ТПО.

В почвенных пробах содержание водорастворимых солей устанавливали методом водной вытяжки (Аринушкина, 1970).

Содержание водорастворимых ионов натрия и калия определили на пламенном фотометре ФПА-2, хлора – меркурометрическим методом, Са2+ и Mg2+ – комплексометрическим методом, величину рН водной суспензии – потенциометрически, гранулометрический состав – по Н.А. Качинскому, емкость катионного обмена – по методу Е.В. Бобко и Д.Л. Аскинази, валовое содержание углерода – по И.В. Тюрину, количество торфа – методом сухого озоления. Обменный натрий изучен по В.А. Молодцову и В.П. Игнатовой, подвижные фосфаты и калий – по А.Т. Кирсанову с определением на ФЭКе и пламенном фотометре соответственно (Агрохимические методы…, 1975). Содержание тяжелых металлов в ТПО и нерастворимом остатке солевых отходов определяли в лаборатории УрО РАН на спектрографе ДФС-1 атомноабсорбционным методом с испарением пробы из угольного электрода и с контролем точности измерений по стандартным образцам.

В надземных органах и корнях растений после сухого озоления определили содержание минеральных элементов: Na+ и K+ – на пламенном фотометре ФПА-2, Са2+ и Mg2+ – объемным титрованием методом комплексонометрии, фосфор – на ФЭКе после окрашивания молибденовой синью, серу сульфатную – весовым методом. Свободные ионы Na+ и Cl- извлекали из листьев и корней растений водной вытяжкой. Кроме того, в листьях и корнях растений определяли сахара по Бертрану, пролин – по методу Bates и др. (Bates et al., 1973).

Определение активности каталазы проводили газометрическим методом, содержания аскорбиновой кислоты, глутатиона и общей редуцирующей активности – методом Петта в модификации Прокошева (Практикум по физиологии растений, 1972). Содержание микроэлементов в растениях определили на спектрометре Perkim Elmer Optima 3300 XL методом оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и с контролем точности измерений по стандартным образцам (Bettinelli, Baroni, 1990). Для изучения распределения свинца и никеля в растениях был использован гистохимический метод, основанный на окраске срезов живого корня дитизоном (Серегин, Иванов, 1997).

В пределах выделенных зон засоления ТПО методом ленточных транссект описывались растительные группировки, учитывался видовой состав и обилие по шкале Браун-Бланке.

Полученные результаты были обработаны с помощью компьютерной программы Stadia, использовались статистические методы, дисперсионный и регрессионный анализы.

Глава 2. Свойства ТПО зоны солеотвалов Почва – такой же компонент природной среды мировой суши, как и горные породы, воды, растительность, рельеф, климат, животный мир. Вместе с тем почва является результатом их взаимодействия.

Изменение одного или нескольких из этих компонентов влечет соответствующее изменение почвы, поэтому каждому природному ландшафту соответствует определенная почва. Почва выполняет ряд экологических функций – как биоценотических, так и глобальных (общебиосферных), обеспечивающих стабильность отдельных биогеоценозов и биосферы в целом, а следовательно, и саму возможность существования жизни на Земле (Волобуев, 1962;

Карпачевский, 1993; Добровольский, Никитин, 1990, 2000; Структурнофункциональная…, 2003 и др.).

С появлением человека возник новый фактор трансформации почвенного покрова планеты. Характер антропогенного изменения почв зависит от функционального назначения территории. Минимальные изменения могут не выражаться в морфологии почвенного профиля, а выявляться только аналитическими методами, максимальные – предполагают полное уничтожение почв и создание новых почвоподобных образований и почв.

Техногенные нарушения почв и почвенного покрова связывают с действием добывающей промышленности. Комплексные нарушения земель угольными разработками и связанные с ними острые экологические ситуации отмечаются в Северном Прикаспии, Среднем Поволжье и Прикамье, в промышленной зоне Урала и Кузбасса. Под отвалы пустой породы и открытые разработки угольной промышленности в России ежегодно изымается от 6 до 8 тыс. га земель.

В процессе освоения газовых месторождений, строительства подземных газохранилищ, в местах загрязнения нефтью и нефтепродуктами почвенный покров также нарушается. Но добыча полезных ископаемых влияет не только на почвы и почвенный покров, она затрагивает все компоненты ландшафта. Нарушение ландшафтной структуры происходит на всех ее этапах: разведка, подземная и открытая добыча, строительство коммуникаций и переработка полезных ископаемых (Добровольский, Никитин, 2000; Герасимова и др., 2003; Структурнофункциональная…, 2003; Классификация и диагностика…, 2004).

Все многообразие техногенных воздействий на почвы и вызываемых ими нарушений можно сгруппировать в категории механических и химических, затрагивающих весь почвенный профиль или отдельные его горизонты. При механических воздействиях изменяется непосредственно твердая фаза либо создаются новые почвы;

химические нарушения обычно сопровождаются преобразованиями жидкой и газовой фаз почвы.

Механические нарушения происходят в результате открытых и подземных горных разработок и в местах бурения и транспортировки при нефтегазодобыче. Горные разработки, при которых значительно нарушается территория, включают:

разработки рудных полезных ископаемых – железных и полиметаллических руд, руд цветных металлов (свинец, медь, кадмий, золото, серебро, висмут, олово), редких и радиоактивных элементов, апатитово-нефелинового и фосфоритового сырья;

нерудные разработки – строительные материалы (щебень, гравий, песок, известняк), калийные и поваренные соли, огнеупорные глины, абразивы, технические и драгоценные камни, мрамор и прочее;

добычу ископаемого угля – бурого, каменного и антрацита.

Значительные нарушения почвенного покрова и формирование новых техногенных форм рельефа происходят и в местах обустройства нефтегазопромыслов – бурения скважин, прокладки нефтепроводов и в процессе их эксплуатации, что приводит к частичному или полному уничтожению почвенного профиля.

Химические нарушения и преобразования происходят при добыче нефти и горючего газа, а также при разработках углей, содержащих сульфиды. Источниками нарушений являются сырая и товарная нефть, добываемая на промыслах, буровой раствор и его производные, обогащенные солями, кислотами, щелочами, ацетоном, тяжелыми металлами, используемыми при бурении и ремонте скважин, а также сильноминерализованные пластовые воды.

Химические нарушения почв происходят и на горных разработках, которые сопровождаются образованием конусообразных насыпных терриконов из пустой породы, поднятой на поверхность, хвостохранилищ и шламохранилищ. С них стекают техногенные потоки, содержащие многие соединения, которые являются источником загрязнения окружающей среды (Герасимова и др., 2003).

В связи с этим в научной литературе появились понятия «техногенные почвы», «техноземы», «почвоподобные образования», «техногенные поверхностные образования». Техноземы были описаны Л.В. Етеревской (1989) как псевдопочвы с насыпным гумусовым горизонтом. Н.П. Солонцева с соавторами (1990) в качестве техноземов выделила группу почв и почвоподобных тел, в которых отсутствуют генетические горизонты. Горизонты могут быть нарушены, перемешаны, уничтожены или к ним может быть добавлен природный материал. Наличие плодородного слоя в определении техноземов не обязательно, главным их свойством является техногенный механизм образования.

В ходе рекультивации нарушенных промышленностью территорий создаются почвоподобные тела, техноземы (Добровольский, Никитин, 1990). Техноземы состоят из одного или нескольких насыпных слоев и поверхностного плодородного слоя. Техноземы не имеют системы генетических горизонтов, но обладают определенными почвенными экологическими функциями: продукционными, сорбционными, водно-миграционными.

В.И. Терентьев и П.А. Суханов (1998) под техноземами понимают искусственные почвоподобные, созданные или самообразовавшиеся тела с насыпным или развивающимся фрагментарным или сплошным гумусовым горизонтом.

В новой классификации почв России (Классификация и диагностика…, 2004) указано, что в настоящее время значительные площади (достаточные для того, чтобы быть объектом картографирования) на планете, в том числе и в нашей стране, занимают техногенные поверхностные образования (ТПО). Все эти поверхностные образования не являются почвами и при классификации и диагностике слои ТПО не рассматриваются как генетически сопряженные горизонты. В основе систематики и диагностики ТПО лежит характер вещественного состава субстратов, слагающих эти образования: морфологическое строение вскрытой или насыпной толщи, природное или искусственное происхождение, а также (в ряде случаев) химический состав материала, из которого состоят ТПО. На сегодня разработана систематика ТПО, состоящая из двух уровней – групп и подгрупп.

Группы ТПО выделяются по наиболее общим свойствам слагающего материала, которые определяют потенциальную возможность их последующего хозяйственного использования, рекультивации и/или возобновления почвообразования при поселении растительности. Учитывается также происхождение материала ТПО – естественное или искусственное.

Группа КВАЗИЗЕМЫ. Представляют собой гумусированные почвоподобные образования. Состоят из одного или нескольких слоев гумусированного или иного плодородного органогенного материала, которые могут подстилаться негумусированным, преимущественно минеральным материалом или чередоваться с ним. В пределах группы различают подгруппы: реплантоземы – целенаправленно созданные образования, которые характеризуются залеганием гумусированного слоя на предварительно подготовленной поверхности нарушенных грунтов; урбиквазиземы – образования, гумусированный слой которых подстилает смесь минерального материала и специфических антропогенных включений в виде остатков строительных материалов, дорожных покрытий и пр.

поверхностные образования, лишенные гумусированного слоя и состоящие из природного минерального, органического и органоминерального материала. Различают следующие подгруппы:

абралиты – вскрытый минеральный материал днищ и бортов карьеров и других горных выработок; литостраты – насыпные минеральные грунты вскрышных и вмещающих пород горнодобывающих и строительных предприятий, грунтовые насыпи и выровненные грунтовые площадки, создающиеся при разработке и обустройстве месторождений полезных ископаемых, строительстве поселков и пр.;

органостраты – насыпной, складированный торф или иной природный органический материал; органолитостраты – смешанный несортированный органоминеральный материал. Обычно это предварительно срезанный и складированный для последующей рекультивации гумусированный мелкоземистый материал высоко- и глубоко-гумусированных почв.

Группа АРТИФАБРИКАТЫ. ТПО состоят из искусственных, не встречающихся в природе материалов промышленного и урбаногенного происхождения, залегают на почве или специально подготовленных площадках с нарушенными почвами. Включает подгруппы:

артииндустраты – нетоксичный материал отвалов промышленной переработки естественных материалов: шлаки, зола и пр.;

артиурбистраты – образованы отходами городских свалок;

артифимостраты – состоят из жидких, полужидких и твердых органических материалов городских фекальных стоков («поля орошения»), навозно-жижевых стоков животноводческих ферм, отходов деревообрабатывающей промышленности и пр.

Группа ТОКСИФАБРИКАТЫ. ТПО состоят из токсичных химически активных веществ, на которых без специальных дезактивационных мероприятий долгое время невозможно выращивание культур и самозарастание. Это материалы шламо- и хвостохранилищ токсичных отходов некоторых промышленных предприятий, нефтепродуктов, ядовитые городские продукты, незакрытые отвалы ядохимикатов и др. Подгруппы выделяют те же, что в натур- и артифабрикатах. Они лишь отличаются токсичностью, при их обозначении добавляется словообразовательный элемент «токси»

(Классификация и диагностика…, 2004).

Морфология ТПО. При организации площадок для солеотвалов производились выравнивание поверхности, отсыпка водоотводных ложбин и дамб, перемешивание грунтов, поэтому были уничтожены природные почвы и на окружающей территории сформировались почвогрунты, которые выполняют функции почв. В соответствии с новой систематикой (Классификация и диагностика…, 2004) они были названы техногенными поверхностными образованиями (ТПО).

Морфологические признаки ТПО возле солеотвала СКРУ-1 в г.

Соликамске описаны в четырех разрезах.

Разрез № 1. Расположен в 20 м от солеотвала под луговой растительностью.

Слой 0-3 см – бурого цвета, содержит много корней трав, непрочно комковатый, супесчаный.

Слой 3-20 см – красновато-бурого цвета, раздельнобесструктурный, супесчаный, содержит мелкие железомарганцевые конкреции бурого цвета.

Слой 20-45 см – неоднородной окраски: на красновато-буром песчаном материале желто-бурые и палевые пятна глинистого состава, включает также остаточно карбонатный ломкий щебень, содержит много железомарганцевых конкреций.

С глубины 45 см – тяжелый суглинок желто-бурого цвета с палевыми пятнами и включениями твердого карбонатного щебня.

Разрез № 2. Расположен под изреженной растительностью в 40 м от солеотвала в месте разлива поверхностных соленых вод.

Слой 0-2 см – плитка светло-желто-бурой окраски, сухая, супесчаная, сильно уплотненная.

Слой 2-18 см – желто-бурый, с более темными гумусированными пятнами, рыхлый, непрочно комковатый, супесчаный.

Слой 18-24 см – неоднородной окраски, серый с желто-бурыми пятнами, увлажненный, супесчаный, непрочно комковатый.

Слой 24-55 см – желто-рыжий, увлажненный, рыхлый, неоднородного гранулометрического состава: с супесчаными и суглинистыми пятнами, слоями.

Слой 55-75 см – неоднородной окраски с зеленовато-серыми, желто-бурыми и палевыми пятнами, влажный, вязкий, тяжелосуглинистый.

Вскипает слой 0-2 см, затем заметное вскипание отмечается с глубины 50-60 см.

Общей чертой ТПО из разрезов № 1, 2 является отсутствие генетических горизонтов, легкий супесчаный состав поверхностных слоев, который на глубине 25-50 см сменяется вязкими тяжелосуглинистыми и глинистыми карбонатными грунтами. В соответствии с новой систематикой ТПО, представляющие собой вскрытый минеральный материал карьеров и других выработок, лишенные гумусированного слоя и состоящие из природного минерального материала, отнесены к подгруппе абралитов, входящих в группу натурфабрикатов. Таким образом, ТПО из разрезов № 1, являются абралитами.

Разрез № 3. Дерновая (серогумусовая) почва, образовавшаяся на абралите.

Дернина мощностью 3 см оплетена корнями злаков, серого цвета.

Структура грунта – комковато-зернистая.

3-12 см – серогумусовый горизонт серого цвета, мелкопесчаный, уплотненный; структура непрочно-комковатая.

Слой 13-75 см – светло-бурый песок, до 32 см плотный и сухой, с 32 см имеет более коричневую окраску, уплотненный и увлажненный.

Структура – непрочно-пластинчатая. Встречаются червоточины, капролиты.

Слой с 75 см представлен элювием карбонатов, мелкозем – глинистый, сизовато-серого цвета; встречаются структурные элементы, имеющие некоторое сходство с призмами. Содержит обилие известковых плиток разной степени прочности размером 0,5-2 см.

Увлажненный.

Разрез № 4. Литострат. Разрез сделан в 4 метрах от солеотвала, в ложбинообразном понижении среди техногенного микрорельефа. Почти лишен растительности. Поверхностный грунт имеет намывной характер, покрыт глинисто-песчано-солевой коркой толщиной 2 мм.

Состоит из 4 слоев.

Слой 2-27 см – темно-буро-коричневого цвета, уплотненный, среднесуглинистый. В слое 0-7 см структурные элементы не выражены, в слое 7-13 см – структура пластинчатая, ниже – не четко выраженная призмовидная структура. На общем фоне встречаются пятна сизоватых оттенков с рыжими пятнышками, ярко-рыжие пятна, ржавый мицелий.

Содержит кирпич, угольки. Имеются следы вторичного минералообразования: светло-желтые кристаллы солей (возможно карбонаты и гипс), кристаллы красноватого цвета (хлориды калия?).

Слегка увлажнен. Граница со следующим горизонтом – четкая по окраске.

Слой 27-42 см – мелкий песок коричнево-бурого цвета с сизым оттенком, бесструктурный, влажноватый. Граница со следующим слоем – заметная по механическому составу и цвету.

Слой 42-94 см отличается более светлой желтоватой окраской, встречаются сизоватые и рыжие пятнышки. Механический состав – средний суглинок с кусочками, прослойками глинистого материала.

Имеет элементы структуры, близкие по форме к призматическим и плитчатым. Влажноватый.

Слой с глубины 94 см еще более светлого палево-желтого цвета, песчаный, местами есть сизоватые оттенки. Более влажный.

Разрез № 5. Заложен возле соленого пруда – накопителя солеотвала СКРУ-2 г. Соликамска. Растет бескильница. Корни злака плотно переплетают верхний сантиметровый слой. Слой 0-23 см бурого цвета имеет осветленные прослойки и языки, глинистый, уплотненный. Структура – слитнопылеватая. Ниже 23 см залегает глинистый плотный грунт, лишенный выраженных слоев и структуры.

Окраска коричнево-бурая, есть сизовато-бурые оттенки, ржавые пятна, мелкие угольки.

Разрез № 6. Описан в 5 м от солеотвала СКРУ-2 г. Соликамска, под изреженной растительностью. Горизонты в профиле ТПО отсутствуют. По всей глубине (0-70 см) имеет однородную окраску красновато-бурого цвета, ореховатую структуру. Тяжелосуглинистый, увлажненный, уплотненный.

ТПО в разрезах № 5, 6 диагностированы как литостраты из группы натурфабрикатов (Классификация и диагностика…, 2004), т. к.

представляют собой насыпной, перемешанный минеральный грунт на площадке, созданной для солеотвала.

Разрез № 7. Описан возле солеотвала СКРУ-1 г. Соликамска на расстоянии 1-3 м. Поверхностный слой мощностью около 40 см желтовато-бурого цвета, тяжелосуглинистый, глыбистый, бесструктурный, каменистость 50-70 %.

ТПО из разреза № 7 был также отнесен к подгруппе литостратов, каменистость этого литострата связана с остаточным накоплением камней по мере растворения галитовых отходов.

Разрез № 8. Описан в г. Березники на расстоянии 5 м от солеотвала БПКРУ-1. Поверхностный слой 0-25 см имеет серый цвет, комковато-зернистую структуру, густо пронизанную корнями, суглинистый состав; содержит включения щебня. Слой 25-150 см – низинный торф темно-коричневого цвета, комковатый, влажный, содержит корни растений. ТПО из этого разреза отнесен к подгруппе органостратов (из группы натурфабрикатов), т.к. представляет собой торф, верхний слой которого обогащен нерастворимыми включениями галитовых отходов.

Солеотвал БПКРУ-1 был создан на месте болота с торфяноглеевой почвой. В период исследований в зоне солеотвала обнаружены ТПО, которые, согласно новой систематике, следует отнести к подгруппе органолитостратов – смешанного несортированного органоминерального материала (Классификация и диагностика…, 2004). В нашем случае формирование органолитостратов связано с остатками торфа, смешанного с минеральным грунтом. Ниже приведено морфологическое описание одного из органолитостратов.

Разрез № 9. Расположен на расстоянии 15 м от солеотвала под изреженной растительностью.

Слой 0-7 см – темно-бурый, густо переплетен корнями, комковатый, легкосуглинистый, влажный.

Слой 7-20 см – серо-бурый, комковато-пылеватый, неоднородной окраски, с темными кусочками торфа, встречаются ржавые прожилки, суглинистый, содержит много корней.

Слой 20-40 см – неоднородной окраски, сочетаются палевые, голубовато-серые пятна и ржавые пятна и примазки. Бесструктурный, легкосуглинистый, встречаются корни, сырой.

С глубины 40-42 см – грунтовая вода.

Мощность органогенных слоев в ТПО и доля торфа варьировали в значительных пределах, как это показывают данные по определению торфа, приведенные в разделе 2.2.

Показатели засоления и щелочности ТПО. В ТПО первоочередно изучили показатели засоленности и связанную с ними реакцию почвенного раствора (табл. 1).

водорастворимых хлоридов (Классификация…, 1977). Содержание ионов Cl- в ТПО изменялось в широких пределах, слои ТПО были как незасоленными (менее 0,3 мг-экв/100 г), так и сильнозасоленными.

Абралит из разреза № 1 был незасоленным, абралит из разреза № 2 имел слабую степень засоления. Литострат из разреза № 6 характеризовался среднезасоленными подповерхностными слоями. У органострата разные слои имели засоление от слабого до сильного уровня.

Содержание водорастворимого натрия также изменялось в значительных пределах – от 0 до 1,6 мг-экв/100 г ТПО. Слои ТПО, содержащие больше ионов хлора, были обогащены натрием. Неравное содержание Na+ и Cl- обусловлено, по-видимому, присутствием других растворимых солей (хлоридов калия, магния, сульфатов магния, кальция).

Соответственно величине рН (табл. 1) ТПО зоны солеотвалов имели реакцию почвенного раствора от слабокислых до щелочных значений. Ощелачивание ТПО связано с постоянным поступлением ионов натрия из солеотвалов. Хлорид натрия является нейтральной солью. Щелочную реакцию в ТПО возле солеотвалов можно рассматривать как проявление солонцеватости. В почвах, содержащих натриевые соли, создаются условия для насыщения поглощающего комплекса ионами натрия путем вытеснения из него других катионов.

В ходе обменных реакций с катионами почвенного раствора поглощенный натрий может образовать соду, ощелачивающую почвы.

Определенную роль в формировании рН сыграли исходные свойства минеральных грунтов. Так, щелочная реакция абралита в нижних слоях связана с карбонатностью грунтов (прослежено вскипание от соляной кислоты). Нейтральная и слабокислая реакция в нижних слоях органострата обусловлена исходными свойствами низинного торфа.

Емкость катионного обмена (ЕКО). ЕКО зависит от типа почвы, содержания основных катионо-поглощающих компонентов, гранулометрического состава. Увеличение ЕКО в поверхностных горизонтах почв, как правило, связано с накоплением в них органического вещества, в том числе гумуса.

У солеотвалов в минеральных ТПО гумуса очень мало, поэтому величина ЕКО зависит от минеральных компонентов и определяется прежде всего содержанием тонкодисперсных фракций гранулометрического состава. Она понижена (менее 20 мг-экв/100 г) у супесчаных слоев и повышена у суглинистых слоев абралитов (табл. 1).

У суглинистого литострата ЕКО составляет 23-25 мг-экв/100 г, она немного возрастала с глубиной в соответствии с увеличением количества мелких фракций гранулометрического состава.

В верхних слоях органолитострата и органострата ЕКО достигала 30-44 мг-экв/100 г, величина ее зависит от сочетания органической и минеральной компонент.

Физико-химические и химические свойства ТПО Примечание:

1. «-» – нет данных.

2. ЕКО – емкость катионного обмена.

Содержание органического углерода. Содержание гумуса в почвах – важнейший показатель их плодородия. Гумус в почвах накапливается по мере развития процесса почвообразования, в зрелых почвах его запасы постоянно воспроизводятся за счет солнечной энергии и при участии живых организмов. Как правило, уничтожение почв, замена их на ТПО сопровождается потерей запасов почвенного органического вещества.

Исследуемые абралиты и литостраты характеризовались очень низким содержанием углерода гумуса (табл. 1). В природе менее 1 % гумуса содержат почвы, не имеющие гумусовых горизонтов, например, серо-бурые полупустынные почвы. Из-за молодости и токсичности ТПО гумусонакопление не выражено. Небольшое обогащение гумусом верхних слоев абралитов, вероятно, обусловлено не только биогенными процессами, но и делювиальным наносом, что предполагает пониженный характер их залегания в рельефе.

Торфяный горизонт, формирующийся на поверхности в условиях постоянного избыточного увлажнения, характеризуется специфической консервацией органического вещества растительных остатков без превращения его в гумус. В пробах ТПО с территории солеотвала в г. Березники установлено наличие торфа, что позволило отнести исследуемые ТПО к подгруппе органостратов и органолитостратов.

Наличие торфа в ТПО обусловлено расположением солеотвала на территории болота. Органическое вещество торфа определило повышенную емкость катионного обмена ТПО (табл. 1).

Содержание торфа в верхних слоях ТПО варьировало в широких пределах: от 2,5 % до 54,5 %. Неравномерное распределение торфа по территории солеотвала связано со спецификой рекультивационных работ: выравнивание поверхности, отсыпка водоотводных ложбин, перемешивание грунтов и перемещение органоминерального материала.

Обменный натрий. В большинстве почв в составе поглощенных катионов преобладает кальций, второе место занимает магний. В кислых почвах (подзолистых и красноземах) среди поглощенных катионов значительную часть занимают водород и алюминий, а в солонцовых – натрий. Зональные дерново-подзолистые почвы также содержат обменные водород и алюминий; почвообразующие породы могут быть ненасыщенны либо насыщены основаниями, но, как правило, они не солонцеваты. Появление обменного натрия в ТПО связано с отходами производства солей.

Главным критерием при характеристике солонцовых почв считают количество поглощенного натрия. К солонцеватым относят почвы, содержащие более 5 % поглощенного натрия от емкости поглощения (Классификация…, 1977).

В ТПО зоны солеотвалов обменный натрий варьирует в широких пределах и связан с уровнем засоленности (табл. 2).

При доле натрия от 5 до 13 % емкости катионного обмена ТПО являются слабосолонцеватыми, однако встречались корнеобитаемые слои ТПО с долей натрия 37 % от емкости катионного обмена (табл. 2).

Таким образом, по количеству обменного натрия ТПО характеризовались от слабосолонцеватых до сильносолонцеватых.

Содержание обменного натрия в корнеобитаемом слое ТПО, Органостраты и органолитостраты, г. Березники Примечание. М – средняя арифметическая, m – ошибка средней.

Попытки установить взаимосвязь обменного натрия и физических свойств солонцов дают весьма противоречивые результаты. По К.К.

Гедройцу (1932), насыщение почвы натрием вызывает пептизацию коллоидов, что приводит к их вымыванию, разрушению структурных агрегатов и ухудшению физических свойств почвы (плотное сложение, вязкость и т.д.). Ионы натрия обусловливают повышение порога коагуляции почвенных частиц, препятствующей осаждению суспензии.

И.Я. Половицкий (1969) сообщает об отсутствии зависимости содержания обменного натрия с набуханием солонцов. К.П. Пак, В.В. Келерман (1967) не обнаружили количественной связи между физической солонцеватостью и обменным натрием. Напротив, тесную связь количества ила с составом обменных оснований в каштановых почвах установили В.М. Володин (1971), Н.И. Базилевич и др. (1977), они выявили влияние обменного натрия на степень пептизации ила, а А.В. Новикова и др. (1972) – на иллювиированность солонцов.

По нашему мнению, из-за повышенного количества обменного натрия ухудшились физико-механические свойства ТПО; они приобрели вязкость, липкость, бесструктурность – в сыром состоянии, а твердость – в сухом состоянии, как это характерно для природных солонцовых почв.

Гранулометрический состав. Гранулометрический состав почв оказывает большое влияние на почвообразование и экологическое состояние почв. От гранулометрического состава почв и почвообразующих пород в значительной степени зависит интенсивность многих почвообразовательных процессов, связанных с превращением, перемещением и накоплением органических и минеральных соединений в почве, в том числе солей. Этот состав определяет водно-физические, физико-механические, воздушные, тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, накопление в почве гумуса, зольных элементов и азота.

По гранулометрическому составу исследуемый абралит у солеотвала СКРУ-1 г. Соликамска (табл. 3) имел связнопесчаный поверхностный слой и супесчаные подповерхностные слои с низким содержанием тонкодисперсных фракций ила и повышенным содержанием среднего песка. Однако благодаря подстилающим породам в нижних слоях возрастало количество ила и мелкой пыли при уменьшении доли среднего песка. Эти слои имеют тяжелосуглинистый состав. Вероятно, утяжеление гранулометрического состава в нижних слоях абралита создает водоупор, на котором задерживаются минерализованные воды, легко проникающие через верхние супесчаные слои.

Литострат у солеотвала СКРУ-2 имеет среднесуглинистый состав с пониженным содержанием песка и повышенной долей крупной пыли.

От верхних слоев к нижним увеличивалось содержание ила за счет некоторого уменьшения фракции средней и мелкой пыли.

Таким образом, ТПО зоны солеотвалов СКРУ-1, СКРУ-2 и БПКРУ-1 были отнесены к группе натурфабрикатов, подгруппам:

абралиты, литостраты, органостраты и органолитостраты.

Гранулометрический состав, емкость катионного обмена и количество органического углерода в ТПО обусловлены в первую очередь исходными свойствами органических (торф) и минеральных грунтов (супесчаные, суглинистые породы).

С техногенным засолением связаны такие свойства ТПО, как содержание водорастворимых ионов, обменного натрия, величина рН.

Гранулометрический состав ТПО зоны солеотвалов Слои, 1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 < 0,001 < 0, 2.3. Содержание легкоподвижных соединений На территории Российской Федерации процессу засоления подвержены значительные площади (более 27 млн. га), прежде всего в Нижнем Поволжье, Алтае, Западной и Восточной Сибири, Южном Зауралье (Комплексная программа…, 1985). Источниками солей служат продукты выветривания горных пород, осадочные породы, эоловые соли. Засоляющие ионы накапливаются в почвах, грунтовых водах, континентальных отложениях, материнских породах, атмосфере, атмосферных осадках и живых организмах, т. е. во всех элементах экосистемы (Ковда, 1946, 1949, 1973; Перельман, 1975).

В настоящее время развитие засоления связано не только с природными факторами, но и с последствиями антропогенной деятельности. Самым мощным фактором техногенного воздействия на галогенез было и остается орошение. При орошении нарушается водносолевой баланс территорий за счет дополнительного поступления солей с поливными водами, активации грунтовых солей, а главное, из-за подъема грунтовых вод в результате неумеренных поливов (Приходько, 1996; Козловская, 2001; Стасюк, 2001; Андреева, 2002).

В последнее столетие засоление экосистем связано с синтезом солей в производстве минеральных удобрений, с выходом на поверхность рассолов при нефтедобыче или подземном строительстве, с использованием антигололедных средств на дорогах.

Подщелачивание в верхних горизонтах почв наблюдалось при свежем нефтяном загрязнении и засолении нефтепромысловыми сточными водами; отмечалось резкое увеличение содержания обменного натрия и формирование техногенных солонцов и солончаков (Сулейманов, 2010). Под воздействием хлориднонатриевого засоления нефтепромысловых вод в светло-серых лесных почвах Приуралья значительно уменьшилось содержание агрономических ценных фракций в пахотном слое, резко снизился коэффициент структурности; почвы значительно уплотнились, ухудшился их водный режим (Ганиев и др., 2000).

А.Г. Хоменков (2002) отмечает, что засоление почв в Прикамье сильноминерализованных пластовых вод при эксплуатации нефтяных месторождений.

Д.В. Водолазский (2000) проследил эволюцию дерновоподзолистых почв при взаимодействии с сернокислыми стоками, прошедшими через сульфидсодержащие грунтосмеси угольных отвалов.

За период нескольких десятков лет дерново-подзолистые почвы засолялись вплоть до образования техногенных солончаков, изменились параметры физико-химического обмена, усилился кислотный гидролиз почвенных компонентов, уменьшилось содержание кальция в 2-10 раз, магния – в 2-7 раз, одновременно содержание протонов водорода возросло в 7 раз, а алюминия – в 2-6 раз. Увеличилась общая кислотность почв.

С.Н. Жариковым (2000) исследованы дерново-подзолистые песчаные почвы Белорусского Полесья, трансформированные вследствие поступления на поверхность концентрированных рассолов в районе строительства подземных хранилищ углеводородов в пластах каменной соли. При достаточно мощном выбросе рассола из точечного источника формируются техногенные солончаки.

В.Е. Рябой и А.В. Селиванов (2000) установили, что одна из характерных черт городских почв Калининграда – засоление вследствие применения противогололедных солей. В результате формируются солонцеватые почвы, что неблагоприятно сказывается на росте и развитии растений.

Н.В. Козловская (2001) показала, как изменились почвы и растительный покров под влиянием пластовых минерализованных вод при нефтедобыче в условиях Удмуртии. При засолении светло-серых лесных, дерново-подзолистых супесчаных, дерново-подзолистых суглинистых почв происходило проникновение натрия в почвенный поглощающий комплекс и подщелачивание почв. В травяном покрове резко уменьшилось количество видов растений и снизилось значение общего проективного покрытия.

В Подмосковье проверили устойчивость почв к засолению.

Слабоустойчивые к засолению – подзолы и сильноподзолистые почвы;

среднеустойчивые – дерновосредне- и сильноподзолистые, торфяноглеевые, бурые лесные; устойчивые – лугово-глеевые, аллювиальные дерновые (Василевская и др., 1997).

Таким образом, в результате антропогенного воздействия процессы вторичного засоления стали проявляться не только в недостаточно увлажненных районах традиционного развития засоленных почв, но и в районах влажного климата, где ранее засоление почв не наблюдалось.

Засоленные почвы содержат в своем профиле легкорастворимые соли в токсичных для сельскохозяйственных растений количествах. В группу нейтральных легкорастворимых солей входят хлориды: NaCl (галит), MgCl2 (бишофит), CaCl2 ·6H2O (гидрофилит). Бишофит и гидрофилит очень гигроскопичны и образуют мокрые солончаки. К нейтральным легкорастворимым солям относятся также сульфаты:

Na2SO4·10H2O (мирабилит), Na2SO4·7H2O (тэнардрит), MgSO4·7H2O (эпсамит). Сульфаты легко теряют кристаллизационную воду, формируют пухлые солончаки; они менее токсичны, чем хлориды (Na2SO4·2СаSO4·2H2O (левеит), Na2SO4·2СаSO4 (глауберит) (Вальков и др., 2004).

Легкорастворимые щелочные соли способны повысить рН почвы до величин, угнетающих растения. Широко распространены в щелочных горизонтах почв бикарбонаты и карбонаты натрия Na2СO3·10H2O (пищевая сода), Na2СO3·NaHCO3·2H2O (трона). Они обладают высокой растворимостью, рН раствора около 9. Щелочную реакцию создают и карбонаты магния: MgСO3·3H2O (магнезит), MgСO3·Mg(OH)2·3H2O (магнезия); при гидролизе они могут повысить рН до 9,1-9,8.

Степень токсичности солей определяется их составом и растворимостью: чем легче соли проникают в растение, тем более они ядовиты. Особенно ядовита сода, менее токсичен сернокислый натрий.

Сернокислый кальций безвреден, но в почвах он является спутником других солей и поэтому большое его содержание в почвах служит показателем их низкого плодородия (Строгонов, 1962). По степени вредности для большинства сельскохозяйственных растений соли расположили в убывающем ряду Na2СO3 > NaHCO3 > NaCl > NaNO3 > CaCl2 > Na2SO4 > MgCl2 > MgSO4 (Вальков и др., 2004).

В наших исследованиях было установлено, что в корнеобитаемых слоях ТПО содержание водорастворимых ионов отличалось существенной изменчивостью (табл. 4). В соответствии с принятой градацией по сумме солей (Классификация…, 1977) состояние поверхностных слоев варьировало от незасоленного уровня до сильной степени засоления. Средним и высоким засолением (до 2,23 %) характеризовались абралиты и литостраты супесчаного и суглинистого состава, находящиеся на расстоянии около 1-5 м от солеотвалов СКРУ- и СКРУ-2 (табл. 4). Эти же ТПО, расположенные в радиусе нескольких десятков метров, были преимущественно не засолены (0,01-0,3 %), или имели слабую и среднюю засоленность.

При низкой эффективности системы водооттоков у солеотвалов скапливаются поверхностные воды и формируются соленые лужи, ручьи, пруды; зона засоления почв расширяется.

В засоленности корнеобитаемых слоев органолитостратов и органостратов у солеотвала БПКРУ-1 отмечалась высокая изменчивость; на всей обследованной территории до ограничивающих дорог встречались как незасоленные участки, так и сильнозасоленные (0,05-3,73 % солей) (табл. 4). Это связано с отсутствием дамбы у солеотвала, засоление распространилось на всю территорию разлива соленых вод.

Содержание Cl- в ТПО у солеотвала СКРУ-1 варьировало в пределах 0,29-1,68 мг-экв/100 г в радиусе 1-5 м от солеотвала и 0,14мг-экв/100 г в радиусе нескольких десятков метров (табл. 4). У ТПО солеотвала СКРУ-2 содержание Cl- изменялось от 0,08 до 0,94 мгэкв/100 г, а в радиусе 1-5 м в отдельных местах достигало 34,48 мгэкв/100 г. В органолитостратах и органостратах возле солеотвала БПКРУ-1 отмечено очень высокое варьирование содержания Cl- в корнеобитаемом слое (0,09-74,11 мг-экв/100 г).

Соедержание водорастворимых солей и щелочность Cl- водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,3 – 1,7 0,1 – 0,3 0,3 0, Са2+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,5 – 6,3 0,1- 2,1 0,9 0, Mg2+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,4 – 2,2 0,01 – 1,9 0,6 0, Nа+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,7 – 3,0 0,1- 0,8 0,3 0, K+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,1 – 0,7 0,1 – 0,4 0,3 0, Cl- водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,1 – 34,5 0,1 – 1,0 1,1 0, Са2+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,1 – 0,7 0,05 – 0,7 0,2 0, Nа+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 1,7 – 36,5 0,1 – 1,1 1,6 0, K+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,05 – 0,2 0,02 – 0,2 0,1 0, Cl- водорастворимый, мг-экв/ 100 г 14,6 – 74,1 0,1 – 46,0 16,3 6, Са2+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,2 – 0,3 0,1 – 4,9 0,9 0, Mg2+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,1 – 0,3 0 – 5,4 0,7 0, Nа+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 19,4 – 113,2 0,1 – 49,0 21,3 9, K+ водорастворимый, мг-экв/ 100 г 0,2 – 9,3 0,1 – 2,7 1,3 0, Примечание: М – средняя арифметическая; m – ошибка средней; SO42- рассчитан по разности сумм катионов и анионов; сумма солей – расчетная.

В целом, за исключением ближайших к солеотвалу участков, уровень содержания ионов хлора в корнеобитаемых слоях ТПО при близости огромных запасов хлоридов относительно невысок. Повидимому, водорастворимые ионы хлора легко вымываются в условиях влажного климата таежно-лесной зоны, слабо выражена испарительная концентрация солей.

Содержание ионов Na+ на территории солеотвалов СКРУ-1 и СКРУ-2 в радиусе нескольких десятков метров колебалось в пределах 0,05-1,12 мг-экв/100 г, непосредственно же у солеотвалов значения достигали величины 0,73-36,48 мг-экв/100 г (табл. 4). Возле солеотвала БПКРУ-1 содержание ионов Na+ было в пределах 19,36-113,15 мгэкв/100 г, а на удалении – 0,10-48,98 мг-экв/100 г. Натрий может удерживаться почвой в поглощенном состоянии в отличие от ионов хлора.

Промывание приведет к удалению водорастворимых ионов, однако часть натрия остается в ППК, и это связано с почвенными коллоидами.

На всей территории в исследуемых корнеобитаемых слоях ТПО в значительной степени колебалось содержание водорастворимых ионов Ca2+ и Mg2+ (0,05-6,26 мг-экв/100 г). Для зональных подзолистых кислых почв характерна обедненность этими катионами, в ТПО же встречаются участки с очень высоким содержанием ионов Са2+ и Mg2+; возле солеотвала СКРУ-1 это связано с обнажением коренных пермских карбонатных пород.

Кроме того, из солевых отходов в ТПО поступают сульфаты кальция и магния.

Содержание сул±ьфатов в верхних слоях ТПО также значительно.

Наибольшее их количество наблюдалось на расстоянии 1-5 м от солеотвалов СКРУ-1 и СКРУ-2 (0,67-19,92 мг-экв/100 г), на расстоянии нескольких десятков метров находилось в пределах 0,01-3,58 мгэкв/100 г. У солеотвала БПКРУ-1 участки с высоким содержанием сульфатов встречались по всей обследованной территории (0,15мг-экв/100 г). По-видимому, этот анион поступает из отходов, хотя и не является основным компонентом вещества солеотвала (содержание не превышает 1,5 %); накопление его в почве обусловлено меньшей растворимостью и подвижностью сульфатных солей по сравнению с хлоридными. Перевод данных водной вытяжки в солевую форму в соответствии с растворимостью солей (Классификация…, 1977) показал, что в пробах с высоким содержанием ионов кальция и сульфатов присутствует гипс.

Содержание водорастворимого калия в корнеобитаемых слоях ТПО у солеотвала СКРУ-1 изменялось в пределах 0,11-0,72 мгэкв/100 г, в ТПО у солеотвала СКРУ-2 – 0,02-0,21 мг-экв/100 г, в ТПО солеотвала БПКРУ-1 – 0,08-9,28 мг-экв/100 г. Калий поступает из солеотвалов, между содержанием водорастворимых Nа+ и К+ в верхнем слое ТПО существует достоверная регрессионная зависимость: y=x, R=0,57, F=20.

Общая щелочность водной вытяжки из корнеобитаемых слоев у солеотвала СКРУ-1 была наибольшей и составляла 0,17-1,66 мгэкв/100 г, что в значительной степени связано с присутствием гидролитически щелочных карбонатов кальция и магния (слои ТПО «вскипают»). У солеотвалов СКРУ-2 и БПКРУ-1 общая щелочность не проявлялась либо была невелика (0-0,4 мг-экв/100 г).

С общей щелочностью связана реакция почвенного раствора (табл. 4), которая в исследуемых слоях ТПО колебалась от слабокислой (рН=6) до щелочной (рН=8,7). При рН почвенного раствора более 8, культурные растения перестают нормально развиваться. Как известно, засоление почв сопровождается повышением щелочности. Основными причинами щелочной реакции почв являются поглощенный натрий и содержание свободной нормальной или двууглекислой соды. Перевод ионного состава водной вытяжки в солевую форму (в соответствии с растворимостью солей) показал, что в корнеобитаемых слоях ТПО у солеотвалов СКРУ-2 и БПКРУ-1 отсутствует двууглекислая сода. В слоях ТПО у солеотвала СКРУ-1 в некоторых пробах отмечалось появление двууглекислой соды, такая особенность, по-видимому, обусловлена обменными реакциями с карбонатами подстилающих пород.

Элементы минерального питания растений в условиях техногенного загрязнения могут быть избыточными или резко дефицитными. Корнеобитаемые слои ТПО были проверены на содержание подвижных форм калия и фосфора.

В почвах основная часть K+ входит в состав кристаллической решетки первичных и вторичных минералов в прочносвязанной форме (биотит, мусковит, калиевые полевые шпаты); для растений доступен калий поглощенный и в форме простых солей, но доля его незначительна.

Результаты показали, что содержание подвижного калия в абралитах и литостратах супесчаного и суглинистого состава варьирует в пределах 6,45-79,7 мг/100 г (табл. 5). Для органостратов и органолитостратов г. Березники характерна еще бльшая изменчивость показателей – 0,73-82,55 мг /100 г. При содержании подвижных высокообеспеченной (Мякина, Аринушкина, 1979). Высокий уровень содержания подвижного калия в ТПО обусловлен его поступлением из отходов.

В минеральных соединениях почв фосфор представлен бльшей частью малоподвижными формами, а содержание подвижных соединений фосфора незначительно. Вытяжкой по методу Кирсанова из почв извлекаются фосфаты кальция и магния, а также часть фосфатов полуторных окислов (Мякина, Аринушкина, 1979). В природных условиях фосфор аккумулируется в верхних горизонтах почв в результате избирательного накопления растениями.

Содержание фосфора в корнеобитаемых слоях абралитов и литостратов супесчаного и суглинистого состава варьировало в пределах 0,08-3,22 мг /100 г (табл. 5). Для органостратов и органолитостратов характерно содержание 0,56-1,89 мг/100 г. Эти данные показывают, что подвижный фосфор содержится в ТПО в дефиците, количество его менее 3 мг/100 г оценивается как очень низкое (Мякина, Аринушкина, 1979). Фосфор не поступает из солевых отходов, а его биогенная аккумуляция не выражена в молодых ТПО.

Содержание подвижных форм фосфора и калия Абралиты и литостраты солеотвалов, г. Соликамск Органостраты и органолитостраты, г. Березники Примечание. М – средняя арифметическая, m – ошибка средней.

Таким образом, установлено, что содержание легкоподвижных соединений в корнеобитаемых слоях ТПО в значительной степени зависит от устройства территории, окружающей солеотвал. Благодаря устройству дамб и водостоков возле солеотвалов СКРУ-1 и СКРУ- устойчивое и высокое техногенное засоление отмечалось преимущественно на расстоянии 1-5 м от солеотвала. На протяжении от 5 м до 90-100 м (до «барьеров» в виде автомобильных дорог) от солеотвалов проявлялось преимущественно неустойчивое засоление с низкими показателями содержания засоляющих ионов. Возле солеотвала БПКРУ-1 разливы соленых вод создали зону засоления корнеобитаемых слоев ТПО на всем обследованном участке. В ТПО с высоким уровнем засоления хлоридами натрия установлено накопление сульфатов кальция.

Техногенное засоление независимо от природы минеральных и органогенных грунтов (карбонатных или некарбонатных, насыщенных или ненасыщенных основаниями) сопровождалось подщелачиванием верхних слоев ТПО; величины рН свидетельствуют о преобладании слабощелочной и щелочной среды.

Отходы производства солей существенно обогатили корнеобитаемые слои ТПО подвижным калием. Низкие запасы подвижного фосфора в ТПО обусловлены химическими особенностями минеральных и органогенных грунтов.

промышленности и теплоэнергетики происходит изъятие химических элементов из горных пород и рассеивание их на поверхности Земли.

А.И. Перельман (1989) для прогнозной оценки участия химических элементов в загрязнении окружающей среды ввел понятие «технофильность» – отношение ежегодной добычи элемента в тоннах к его среднему содержанию в земной коре. Среди элементов, обладающих наиболее высокой технофильностью, выделяется группа, получившая название «тяжелые металлы»: свинец, кадмий, цинк, хром, медь, молибден и др. К этой группе относится более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомными массами свыше 50 а.е. Иногда тяжелыми металлами называют элементы, которые имеют плотность более 8000 кг/м3 (кроме благородных и редких) (Химическое загрязнение…, 1991). Элементы из группы тяжелых металлов отнесены к наиболее опасным загрязнителям, в первую очередь это свинец, кадмий, ртуть, медь, олово, ванадий, хром, молибден, марганец, кобальт и никель (Состояние окружающей среды…, 1980).

Главными носителями тяжелых металлов в почвах являются вторичные минералы, гидроксиды и оксиды полуторных элементов, а формами присутствия – водорастворимая, обменная, окклюдированная R2О3, в кристаллической решетке вторичных минералов (изоморфное замещение) и в их межплоскостном пространстве, в первичных минералах (Ильин, 1991).

Содержание и поведение металлов в почвах контролируется многими факторами: механическим и минералогическим составом почв и почвообразующих пород, направлением и глубиной процесса почвообразования, миграцией и аккумуляцией солей, окислительновосстановительными и кислотно-щелочными условиями, подпитыванием грунтовыми водами и др. Изменение состава почвы при техногенном загрязнении тяжелыми металлами приводит к увеличению кислотности почв, повышению общего количества металлов и их подвижных форм, вызывает подавление деятельности биоты, что сказывается на минеральном питании растений. Избыток тяжелых металлов угнетает процесс разрушения органических веществ, интенсивность их минерализации, ингибирует накопление азота в почве, процессы аммонификации и нитрификации (Зырин, 1981;

Таргульян, 1983; Мониторинг …, 1987; Глазовская, 1989; Обухов, 1989;

Перельман, 1989; Садовникова, 1989; Орлов, 1998).

Среди основных экологических свойств тяжелых металлов как загрязнителей следует отметить их способность концентрироваться в пищевых цепях до токсического уровня и в силу этого воздействовать на функционирование биоты и влиять на человека. В отличие от многих других загрязнителей, тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Период их полуудаления из почвенного субстрата значительно варьирует для разных элементов и разных условий, но во всех случаях продолжителен во времени:

составляет для Zn – от 70 до 510 лет; для Cd – от 13 до 10 лет; для Сu – от 310 до 1500 лет; для Pb – от 740 до 5900 лет (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Устойчивость техногенных металлов приводит к их постепенной концентрации в почвах и растениях, в пищевой цепи – с нарастанием к верхним звеньям в сотни тысяч раз (Химия…, 1982;

Raymond, 1996).

Техногенное загрязнение существенно влияет на характер и структуру растительного покрова территорий, прилегающих к промышленным предприятиям. И.Н. Лозановской и др. (1998) соединения тяжелых металлов по их токсичности для растений выстроены в следующий ряд: кадмий никель цинк марганец медь свинец ртуть. Загрязнение может прямо или косвенно изменять толерантность и реакцию растений на стресс, влиять на их взаимодействие с возбудителями болезней, на действие абиотических факторов.

Как было указано выше, добыча минеральных ресурсов из недр планеты сопровождается рассеиванием тяжелых металлов и загрязнением ими наземных экосистем. Одной из задач наших исследований являлось установить особенности формирования микроэлементного состава ТПО. Изучен микроэлементный состав верхних слоев ТПО возле солеотвалов CКРУ-1, СКРУ-2 (табл. 6).

Среднее содержание элементов в ТПО сравнили со средними мировыми значениями (кларками почв) по А.П. Виноградову (1957, 1962). Для анализа данных построена диаграмма (рис. 1), на которой содержание элементов выражено через кларк концентрации (КК) и кларк рассеивания (КР). Для элементов с содержанием в ТПО выше кларка почв рассчитан КК как С/К, где С – содержание элемента в ТПО, К – кларк. Для элементов с содержанием ниже кларка почв был рассчитан КР=К/С.

Роль почвенно-геохимического фактора оценили путем сравнения состава ТПО с микроэлементным составом дерново-подзолистой почвы.

По сравнению с дерново-подзолистой почвой, в ТПО в 1,5-2,5 раза повышено количество Cu, Mn, Pb, V и меньше, чем в почве содержится Sn, Cr, Ti, Zn (табл. 6).

Примечание. Знак «-» – отсутствие данных.

Рис. 1. Содержание микроэлементов в ТПО относительно мировых значений (кларков почв) по А.П. Виноградову (1957) Рассчитан коэффициент техногенной концентрации (КТК) как отношение между средним содержанием элемента в верхних слоях ТПО к его среднему содержанию в гумусовом горизонте зональной почвы (рис. 2), который показал данные превышения по металлам в ТПО.

КТК Рис. 2. Коэффициенты техногенной концентрации элементов в ТПО по отношению к дерново-подзолистой почве Нерастворимый остаток галитовых отходов из солеотвалов может быть существенным фактором формирования химических свойств поверхностных слоев ТПО, т.к. накапливается после растворения солей.

Микроэлементный состав ТПО характеризовался повышенным содержанием Co, Cu, Zn, Pb и особенно Mn, по сравнению с кларками почв и дерново-подзолистой почвой (табл. 6). Проведено сравнение концентрации микроэлементов в ТПО и в нерастворимом остатке отходов, рассчитан КТК (рис. 3), который показал, что ТПО относительно обогащены Cr, V, Sn, Ti, Co.

Обогащение ТПО Cu, Mn, Pb, Со в значительной степени обусловлено техногенным фактором, т.к. количество этих элементов повышено в нерастворимом остатке отходов. Уровень содержания остальных микроэлементов, по-видимому, является региональной особенностью почв и почвообразующих пород Предуралья.

Таким образом, данные по микроэлементному составу показали, что химические особенности ТПО обусловлены как химизмом почвогрунтов, так и влиянием отходов производства солей. Обогащение ТПО Cu, Mn, Pb, Со относительно зональной почвы в большой степени связано с повышенным содержанием этих элементов в нерастворимом остатке отходов.

Рис. 3. Коэффициент техногенной концентрации (КТК) элементов в ТПО по отношению к нерастворимому остатку галитовых отходов Глава 4. Синантропная растительность зоны 4.1. Синантропизация растительного покрова В условиях антропогенного воздействия на природу все более актуальными становятся проблемы, связанные с процессом синантропизации растительного покрова. Под понятием «синантропизация» растительного покрова понимают совокупность современных и прошлых изменений, произошедших под влиянием хозяйственной деятельности человека. Процесс синантропизации проявляется на уровне от популяции до экосистемы. Формы проявления синантропизации разнообразны: внедрение в состав растительных сообществ синантропных видов растений, замена естественных сообществ производными и синантропными, уменьшение разнообразия, обеднение состава, упрощение структуры, снижение продуктивности и стабильности растительных сообществ. В основе синантропизации лежит процесс замещения эндемичных компонентов сообществ космополитными; организмов, приуроченных к узкому кругу местообитаний – организмами, живущими в самых разнообразных местах обитания; видов, характерных для определенного региона – видами-пришельцами. Синантропизация сопровождается обеднением аборигенной флоры, стираются региональные черты растительности, утрачивается генофонд, упрощается и унифицируется растительный покров, снижается биологическая продуктивность биосферы. В целом процесс синантропизации является нежелательным следствием «коадаптации» природы к влиянию человека (Kornas, 1981; Falinski et al., 1998; Миркин, Наумова, 1998; Горчаковский, 1999; Абрамова, Миркин, 2000).

В сообществах местных видов повысилась доля участия растений, которые оказались адаптированными к нагрузкам антропогенного пресса. Это виды так называемой рудеральной ориентации, которые в естественных условиях были связаны с локальными нарушениями, вызванными естественными факторами (пожары, вытаптывание растительности у водопоев и т.д.). При нарушении растительности человеком на больших площадях эти виды получают конкурентные преимущества и становятся массовыми (доминантными). Особенно значимо возникновение новых техногенных фитоценозов в индустриальных ландшафтах, где изменение химизма субстрата снижает всхожесть и ослабляет конкурентоспособность видов природной флоры (Ставровский и др., 1996).

Самым простым критерием для оценки уровня синантропизации является определение доли синантропных видов в растительности сообщества или синтаксона (Мартин и др., 1974; Dierschke, 1984; Чичев, 1985; Абрамова, Миркин, 2000).

П.Л. Горчаковский (1979) выделил 3 стадии деградации луговых сообществ. Каждая стадия характеризируется доминированием одного или нескольких видов. Для луговых ассоциаций, относящихся к первой стадии деградации, характерно относительно высокое флористическое богатство. В составе их травостоя насчитывалось от 41 до 46 видов.

Доминируют обычно луговые злаки или некоторые представители разнотравья. Синантропных видов – 2-7.

На второй стадии общее число видов в отдельных ассоциациях снижается до 33-34. Синантропных растений на этой стадии больше, чем на предыдущей. На третьей стадии деградации общий видовой состав еще более беден (18-23 вида), снижается доля участия злаковых и бобовых, а численность синантропных видов увеличивается или остается прежней.

4.2. Влияние техногенного засоления на состав Видовой состав растительности и обилие по шкале Браун-Бланке учитывался на участках устойчивого повышенного и неустойчивого засоления у солеотвалов (табл. 7, 8, 9). Метод Браун-Бланке широко применяется при классификации сообществ, особенно синантропного характера (Костылев, 1989; Mucina, 1989; Ишбирдина, 1990; Анищенко, 1991; Hard, 1997).

Состав растительности на абралитах и литостратах на расстоянии При организации площадок для солеотвалов растительность почти полностью была уничтожена, поэтому начало формирования растительных группировок приблизительно совпадает с возрастом солеотвалов: для солеотвалов СКРУ-1 и СКРУ-2 – 30-35 лет, БПКРУ- – 50 лет. В настоящее время здесь представлены сообщества синантропных видов растений. К условиям техногенного засоления приспособились преимущественно адвентивные растения, которые в данном регионе произрастают у дорог, рядом с жильем, в посевах сельскохозяйственных растений (Овеснов, 1997).

В составе растительности возле солеотвалов СКРУ-1 и СКРУ-2 в течение всех лет наблюдений заметно выделялись две растительные группировки, произрастающие в зонах устойчивого и неустойчивого засоления.

В зоне устойчивого засоления (1-5 м от солеотвала) растительные сообщества характеризовались низким проективным покрытием (не более 10-30 %) и низким видовым разнообразием (табл. 7).

Характерными видами являлись молокан татарский (Lactuca tatarica), марь сизая (Chenopodium glaucum), бескильница расставленная (Puccinellia distans), вейник наземный (Calamagrostis epigeios), одуванчик (Taraxacum sр.), мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilago farfara). Кроме того, встречались злаки (Agropyrоn repens, Bromus inermis, Poa pratensis), другие маревые (Atriplex calotheca, A. patula), представители разнотравья (Artemisia vulgaris, Leucanthemum vulgare, Melilotus albus, Polygonum aviculare).

Практически ежегодно в данной растительной группировке произрастало не более 10 видов, некоторые виды встречались не каждый год при ничтожном покрытии либо в виде единичных экземпляров. На фоне низкого видового разнообразия преобладали синантропные виды. Таким образом, к условиям высокого техногенного засоления приспособились преимущественно адвентивные растения, некоторые из них характеризуются эффективными механизмами солеустойчивости, т.к. обитают в солонцовых и солончаковых экосистемах лесостепного Зауралья – Puccinellia distans, Lactuca tatarica, Chenopodium glaucum, Atriplex patula, Calamagrostis epigeios (Конспект флоры…, 1999).

Преобладающую часть площадок у солеотвалов СКРУ-1 и СКРУзона неустойчивого засоления на расстоянии 5-90 м от солеотвала) занимали рудеральные сообщества с преобладанием многолетних злаков (Calamagrostis epigeios, Bromus inermis, Agropyron repens, Phleum pratense) и элементами разнотравья (Lathyrus pratensis, Leucanthemum vulgare, Melilotus albus, Trifolium repens и др.);

проективное покрытие составляло 100 % (табл. 8). Данная растительная группировка представляет собой предшествующую лугам стадию восстановительных сукцессий.

Состав растительности на абралитах и литостратах на расстоянии 5 – 90 м от солеотвалов (СКРУ-1, СКРУ-2) Семейство В зоне воздействия солеотвала БПКРУ-1 не наблюдалось четкого деления растительности на группировки из-за распространения засоления по всей территории. На пробной площадке сильно выражен микрорельеф – бугры, ямы. В понижениях микрорельефа во всей зоне воздействия встречались соленые лужи. Участки суши отличались небольшим видовым разнообразием. Были места полностью лишенные растительности, покрытые щебнем. На органостратах и органолитостратах преобладающими видами являлись марь сизая (Chenopodium glaucum), молокан татарский (Lactuca tatarica), злаки – вейник наземный и бескильница расставленная (Calamagrostis epigeios, Puccinellia distans), мать-и-мачеха (Tussilago farfara), а также поросль березы повислой (Betula pendula) и ивы (Salix sр.) (табл. 9). Кроме того, на гидроморфных ТПО БПКРУ-1 произрастали ива и иван-чай узколистный.

Все исследуемые растительные сообщества относятся к третьей, самой сильной, стадии деградации (по: Горчаковский, 1979). При общей бедности видового состава растительности большинство видов растений являются синантропными.

Несмотря на то что процесс синантропизации сообществ в целом – нежелательный компонент антропогенной эволюции растительности, полностью признать вредными и подлежащими уничтожению синантропные сообщества нельзя. В большинстве случаев эти сообщества полезны, т.к. способствуют сохранению поверхности почвогрунтов от развития процессов эрозии (Гейны и др., 1987).

Синантропные сообщества – защитники природы от вредных воздействий человеческой деятельности, первая помощь «больной»

растительности. С их помощью, помимо воли человека, вместо оголенного грунта формируется сомкнутый растительный покров, который продуцирует кислород, извлекает из атмосферы углекислый газ, препятствует запылению атмосферы в результате связывания поверхности почвы корнями, противостоит эрозии почв и т.д. (Миркин и др., 1999). Они подготавливают восстановление естественной растительности. J. Wedekind (1990) обосновывает целесообразность использования сорных растений для повышения плодородия почв и продуктивности культурных растений в экстенсивном почвозащитном земледелии. Органическое вещество сорных растений представляет собой источник питания у микроорганизмов и дождевых червей, надземные органы – у животных.

Состав растительности на органостратах и органолитостратах Onagraceae Chamaenerion angustifolium (L.) + Scop. – Иван-чай узколистный В составе синантропных сообществ целый список полезных ресурсных растений – лекарственных трав (Urtica dioica, Plantago major, Polygonum aviculare, Taraxacum officinale, Artemisia absinthium и т.д.).

D. Laske (1986) указал многие полезные свойства сорных растений – их значение как кормовых, овощных, пряных, масличных, лекарственных растений, индикаторную роль, защиту почвы от прямого солнечного света и др.

В растительных группировках зоны воздействия солеотвалов при низком видовом разнообразии произрастало семь трав, используемых в народной медицине: льнянка обыкновенная (Губанов, Киселева, 1987), душистый колосок (Вакар, 1964), нивяник обыкновенный (Шпиленя, 1989), горец птичий (Гаммерман, 1976; Шпиленя, 1989), мать-и-мачеха (Вакар, 1964; Губанов, Киселева, 1987; Палов, 1998), донник белый (Губанов, Киселева, 1987; Палов, 1998), чина луговая (Вакар, 1964).

Глава 5. Адаптация растений к техногенному засолению Отрицательное воздействие засоления на рост растений определяется высоким содержанием солей в корневом субстрате и обусловленным этим накоплением в клетке засоляющих ионов.

Поэтому исследование таких процессов, как поглощение, транспорт, распределение, выделение, биохимические превращения балластных ионов, имеет первостепенное значение в решении проблемы солеустойчивости растений. Совокупность названных процессов обычно называют солевым обменом (Захарин, 1980, 1990).

При развитии на засоленной почве растения испытывают осмотическое давление солей, связанное с затруднением водоснабжения (Удовенко, 1977; Захарин, 1990). Осмотическое давление почвенных растворов зависит от концентрации и степени диссоциации растворенных веществ. Наиболее высокое осмотическое давление наблюдается у засоленных почв (более 150 МПа), его выдерживают только определенные сельскохозяйственные культуры и растениягалофиты (сосущая сила корней большинства сельскохозяйственных культур не превышает 100-120 МПа). Если осмотическое давление клеточного сока растений равно или ниже осмотического давления почвенных растворов, то поступление воды и питательных веществ в растения прекращается, и растения погибают (Шахов, 1956; Киселева, 1959).

По устойчивости к засолению растения могут быть разделены на две группы. Растения, адаптированные к существованию на засоленных почвах, называются галофитами, тогда как растения, произрастающие на незасоленных почвах, называются гликофитами (Генкель, 1954).

Согласно другим авторам (Walter, Kreeb, 1970), галофиты – растения, способные выживать и завершать полный жизненный цикл при концентрации солей в питательном субстрате от 300мМ и выше.

Между галофитами и гликофитами существует лишь количественное различие в способности произрастать в условиях засоления. В природе нет четкого разделения растений на группы гликофитов и галофитов, ибо часто встречаются растения с промежуточными свойствами, относимые иногда к категории факультативных галофитов, как, например, горец птичий.

Выделяют четыре группы галофитов, которые отличаются по механизмам, позволяющим справляться с большим количеством солей, поступающих в их ткани (Генкель, 1954; Захарин, 1990).

1. Соленакапливающие галофиты, или эвгалофиты. Адаптация к избытку солей шла по линии развития водоносных тканей в побегах.

Эти ткани обладают крупноклеточностью и сильной вакуолизацией и характеризуются высокой зольностью с преобладанием солей натрия и хлора. Протоплазма клеток у этих растений характеризуется высокой устойчивостью к солям и осмотическому потенциалу, который создается за счет поглощения большого количества ионов и позволяет преодолевать физиологическую сухость почвы (Генкель, 1954). К ним относятся солерос, сведа, петросимония, солянка.

2. Солевыделяющие галофиты, или криногалофиты. Для избытка выделения солей используется секреторная система (специальные железки), кроме того, избыточные ионы могут выводиться из организма таких растений через корни (Бойко, 1981). Представители – кермеки.