Воздействие угледобывающей промышленности на природные ландшафты многопланово, но в первую очередь подвержен деградации почвенный покров. Причем негативные изменения наблюдаются не только на территории непосредственной разработки месторождений, но и в местах складирования вскрышных пород. В результате отвалообразования образуются так называемые техногенные элювии, которые представляют собой раздробленные в результате буровзрывных и вскрышных работ и складированные в отвалы горные породы [1]. Как правило, площади, занимаемые отвалами, лишены плодородного почвенного слоя, и формирование последнего естественным путем представляет собой длительный процесс, измеряемый десятилетиями. Поскольку интенсивность почвообразовательных процессов на первых этапах восстановления отвалов во многом определяется активностью микрофлоры, как наиболее активного и пионерного компонента педобионтов, предполагается, что интродукция в ювенильную почву популяций микроорганизмов повысит биологическую активность почвогрунтов и позволит ускорить процессы первичного почвообразования на отвалах [14].
В литературе имеются данные, что внесение в техногенные элювии микроорганизмов способствует мобилизации потенциально плодородного субстрата, накоплению в породе органического вещества и элементов питания в доступной для растений форме, увеличению количества обменных оснований, росту сапрофитной микрофлоры [7, 8, 9]. В свою очередь, улучшение агрохимических свойств и увеличение численности микроорганизмов в отвальных породах указывает на формирование первичных почвенных образований и создает перспективу для устойчивых растительных сообществ.
Цель работы – изучить влияние эколого-трофических групп микроорганизмов на механический, гранулометрический и агрохимический состав техногенных элювиев.
Материалы и методы исследования
Модельный эксперимент заложен на внешнем отвале «Южный» угольного разреза «Кедровский» Кемеровской области. Возраст отвала 25–30 лет. Пробные площадки (ПП) разбиты по схеме:
ПП 1 – контроль (полив водой);
ПП 2 –микроскопические грибы (МГ);
ПП 3 – микроорганизмы, разлагающие силикаты (МРС);
ПП 4 – микроорганизмы, использующие минеральный азот (МИМА);
ПП 5 – МГ + МРС;
ПП 6 – МГ + МИМА;
ПП 7 – МРС + МИМА;
ПП 8 – МРС + МГ + МИМА.
Повторность опыта каждой пробной площадки 3-кратная. Делянки отдалены друг от друга для исключения влияния неоднородности элювиального субстрата и рельефа местности.
Инокулят получали путем выделения эколого-трофических групп микроорганизмов из зональных почв (оподзоленный чернозем) на специальных агаризованных средах с дальнейшим наращиванием микробной массы. Культивирование микроорганизмов проводили до логарифмической фазы роста микроорганизмов (плотность культуры 109–1010 клеток на 1 мл питательной среды). Содержание жизнеспособных клеток в жидких средах определяли путем посева суспензии на соответствующие агаризованные среды. Внесение инокулята микроорганизмов проводили дважды за вегетацию.
Образцы техногенных элювиев брали с каждой ПП методом «конверта» на глубине 0–5 см. Анализ образцов механический, гранулометрический и агрохимический состав, содержание тяжелых металлов) проводили на базе аккредитованного испытательного центра агрохимической службы «Кемеровский» по стандартным методикам [2–4, 10].
Результаты исследования и их обсуждение
В формировании почвенной структуры решающая роль принадлежит органическому веществу, почвенной биоте и корням растений, которые создают агрегаты различных размеров с большой неоднородностью пор по размерам и обладающих водоустойчивостью. Структурно-агрегатный состав техногенных элювиев при внесении микроорганизмов существенно не отличается от контроля (табл. 1, 2).
Таблица 1
Гранулометрический состав
|
№ п/п |
Размер агрегатов (в мм) и их содержание (в % от веса воздушно-сухой почвы) |
||||||||
|
> 10 |
10–7 |
7–5 |
5–3 |
3–2 |
2–1 |
1–0,5 |
0,5–0,25 |
< 0,25 |
|
|
2009 |
|||||||||
|
1 |
23,8 |
9,5 |
9,6 |
12,6 |
10,3 |
15,8 |
4,3 |
6,8 |
7,3 |
|
2 |
19,0 |
9,3 |
8,8 |
12,0 |
11,4 |
21,0 |
4,9 |
7,1 |
6,5 |
|
3 |
28,5 |
9,9 |
8,5 |
11,7 |
9,8 |
16,3 |
3,6 |
5,7 |
6,0 |
|
4 |
17,0 |
6,6 |
9,7 |
14,2 |
11,0 |
20,6 |
5,3 |
7,9 |
7,7 |
|
5 |
16,8 |
9,4 |
9,4 |
13,8 |
13,7 |
21,3 |
2,1 |
7,6 |
5,9 |
|
6 |
21,2 |
9,3 |
9,4 |
11,1 |
9,8 |
19,3 |
3,4 |
8,8 |
7,7 |
|
7 |
18,6 |
9,2 |
9,5 |
13,1 |
9,4 |
18,5 |
4,3 |
9,2 |
8,2 |
|
8 |
22,3 |
7,7 |
8,2 |
12,8 |
12,1 |
20,3 |
2,9 |
8,5 |
5,2 |
|
2010 |
|||||||||
|
1 |
14,2 |
8,9 |
13,8 |
19,6 |
13,4 |
16,9 |
2,7 |
5,2 |
5,3 |
|
2 |
20,4 |
29,8 |
8,8 |
11,1 |
8,1 |
11,5 |
1,7 |
4,5 |
4,1 |
|
3 |
33,7 |
11,8 |
11,1 |
11,9 |
7,2 |
12,1 |
2,7 |
4,7 |
4,8 |
|
4 |
27,7 |
13,9 |
10,2 |
14,0 |
9,7 |
13,6 |
2,3 |
4,8 |
3,8 |
|
5 |
33,5 |
12,1 |
13,1 |
17,2 |
6,2 |
2,2 |
1,5 |
2,2 |
2,0 |
|
6 |
44,9 |
18,0 |
13,0 |
10,3 |
5,4 |
4,9 |
0,8 |
1,2 |
1,5 |
|
7 |
29,6 |
12,2 |
11,6 |
11,6 |
9,4 |
13,4 |
2,7 |
5,1 |
4,4 |
|
8 |
28,5 |
11,8 |
10,9 |
14,8 |
10,9 |
13,5 |
2,0 |
4,1 |
3,5 |
Примечания: 1 – контроль; 2 – МГ; 3 – МРС; 4 – МИМА; 5 – МГ + МРС; 6 – МГ + МИМА; 7 – МРС + МИМА; 8 – МРС + МГ + МИМА.
По традиционно сложившимся представлениям, агрономически ценными являются агрегаты от 0,25 до 10 мм, механически устойчивые к разрушению и водопрочные [11]. В исследуемом техногенном элювии преобладающей фракцией являются крупные агрегаты (от 3 до 10 и более мм), содержание мелких частиц снижено. За два года количество крупных агрегатов увеличилось в среднем с 52 до 69 %. Это приводит к тому, что техногенные элювии обладают слабыми свойствами удерживать влагу и легко размываются водой. По механическому составу техногенные элювии согласно классификации почв Н.А. Качинского [9], основанной на соотношении количеств физического песка и физической глины в почве, являются суглинком средним. Суглинки по своим свойствам являются потенциально-плодородными горными породами. Средние суглинки отличаются структурностью, плодородием, относительно большой влагоемкостью, слабой воздухопроницаемостью, высокой волосностью и связностью. Они не засолены, имеют высокую емкость поглощения и степень насыщенности основаниями.
Таблица 2
Определение механического состава по методу Н.А. Качинского
|
№ п/п |
Размер механических частиц в % |
Физ. глина Физ. песок |
|||||
|
1,0–0,25 |
0,25–0,05 |
0,05–0,01 |
0,01–0,005 |
0,005–0,001 |
< 0,001 |
||
|
2009 г. |
|||||||
|
1 |
3,6 |
25,8 |
31,5 |
6,1 |
13,5 |
19,5 |
39,1/60,9 |
|
2 |
4,3 |
25,5 |
28,7 |
7,2 |
15,3 |
19,0 |
41,5/58,5 |
|
3 |
3,8 |
23,8 |
31,4 |
6,9 |
13,3 |
20,8 |
41,0/59,0 |
|
4 |
4,0 |
21,1 |
33,8 |
6,5 |
10,8 |
23,7 |
41,1/58,9 |
|
5 |
4,1 |
18,3 |
35,3 |
8,3 |
13,5 |
20,5 |
42,3/57,7 |
|
6 |
3,9 |
17,5 |
35,2 |
8,9 |
10,9 |
23,6 |
43,4/56,6 |
|
7 |
3,5 |
16,3 |
36,1 |
9,3 |
11,3 |
23,5 |
44,1/55,9 |
|
8 |
3,8 |
15,1 |
37,5 |
7,9 |
14,8 |
20,9 |
43,6/56,4 |
|
2010 г. |
|||||||
|
1 |
17,9 |
20,4 |
17,3 |
15,6 |
16,2 |
12,6 |
44,4/55,6 |
|
2 |
16,1 |
21,1 |
19,0 |
15,5 |
17,7 |
11,6 |
43,8/56,2 |
|
3 |
16,9 |
19,4 |
20,5 |
14,2 |
18,1 |
10,9 |
43,2/56,8 |
|
4 |
17,0 |
20,5 |
18,3 |
17,2 |
18,2 |
8,8 |
44,2/55,8 |
|
5 |
15,2 |
22,3 |
19,6 |
16,5 |
18,1 |
8,3 |
42,9/57,1 |
|
6 |
15,8 |
21,6 |
18,9 |
17,4 |
17,5 |
8,8 |
43,7/56,3 |
|
7 |
14,6 |
21,0 |
2,0 |
15,8 |
18,7 |
7,9 |
42,4/57,6 |
|
8 |
15,4 |
21,1 |
19,4 |
17,4 |
18,2 |
8,5 |
44,1/55,9 |
Примечания: 1 – контроль; 2 – МГ; 3 – МРС; 4 – МИМА; 5 – МГ + МРС; 6 – МГ + МИМА; 7 – МРС + МИМА; 8 – МРС + МГ + МИМА.
Таблица 3
Агрохимический состав техногенных элювиев породного отвала при инокуляции почвенными микроорганизмами (2008–2010 гг.)
|
Номер пробной площадки |
Фосфор подвижный Р2О5 (мг/кг) |
Калий обменный К2О (мг/кг) |
Азот нитратный (мг/кг) |
|
1 |
7,33 ± 1,45 |
131,67 ± 4,41 |
2,77 ± 1,48 |
|
2 |
8,33 ± 1,67 |
168,33 ± 6,02*** |
11,40 ± 4,17*** |
|
3 |
15,67 ± 2,97*** |
208,33 ± 15,92*** |
5,00 ± 1,03** |
|
4 |
12,33 ± 3,39* |
191,67 ± 8,34*** |
5,54 ± 4,29 |
|
5 |
12,33 ± 1,86*** |
176,00 ± 20,26*** |
6,27 ± 1,05*** |
|
6 |
12,00 ± 1,53*** |
151,67 ± 1,67*** |
10,23 ± 2,77*** |
|
7 |
15,33 ± 2,61*** |
180,00 ± 10,42*** |
2,47 ± 1,95 |
|
8 |
12,33 ± 1,86*** |
161,67 ± 10,15*** |
6,70 ± 1,38*** |
Примечания: *** – отмечены положительные достоверные отличия от контроля при P < 0,001, ** – P < 0,01, * – P < 0,05; 1 – контроль; 2 – МГ; 3 – МРС; 4 – МИМА; 5 – МГ + МРС; 6 – МГ + МИМА; 7 – МРС + МИМА; 8 – МРС + МГ + МИМА.
Основными агрохимическими свойствами почв, отвечающими за общее плодородие, является содержание подвижных форм макроэлементов – азота, фосфора, калия. Изучение агрохимического состава элювиев целесообразно для оценки биогенности породы. В среднем за три года максимальное повышение нитратного азота в элювиях отмечено в варианте с внесением МГ как отдельно, так и в комбинации с МИМА – выше контроля на 312 и 269 % соответственно (P < 0,001) (табл. 3).
Повышение содержания в элювиях подвижных форм калия и фосфора выявлено для вариантов с внесением МРС и МИМА, как в отдельности, так и в совместной комбинации: при внесении данных групп микроорганизмов в отдельности отмечено достоверное увеличение обменного калия на 58 и 46 % (P < 0,001), фосфора – на 114 и 68 % (P < 0,05). Комбинация этих групп микроорганизмов вызывает повышение К2О и Р2О5 на 36 и 109 % (P < 0,001) соответственно.
Анализ динамики содержания подвижных форм азота, калия и фосфора в элювиях опытных вариантов за три года показал следующее. В 2008 году максимальные значения нитратного азота отмечены в варианте с внесением МГ – 19,7 мг/кг (в контроле – 0,91 мг/кг). В 2009 г. содержание нитратного азота на пробных площадках было минимальным за три года исследований и варьировало в пределах от 0 до 6,6 мг/кг, полное отсутствие данного показателя было характерно для варианта с внесением комплекса «МРС + МИМА», максимальное – при внесении инокулята МГ. В 2010 г. максимальные значения нитратного азота отмечены в вариантах с внесением МИМА, как в отдельности, так и в виде комбинации «МГ + МИМА» (14,1 и 14,4 мг/кг соответственно, в контроле – 5,7 мг/кг). Увеличение азота в техногенных элювиях, возможно, обусловлено способностью микроскопических грибов разлагать растительные остатки, которые впоследствии подвергаются минерализации, а микроорганизмы, использующие минеральный азот, окисляют аммиак до нитритов.
Содержание калия в почве определяется в основном минералогическим составом – наличием калийсодержащих минералов. Кроме того, причиной аккумуляции калия может быть его привнос в результате ветровой эрозии [5]. Однако, несмотря на высокое содержание в грунтосмесях отвалов первичных и вторичных минералов, имеющих в своих кристаллических решетках значительное количество калия, обменными формами, которые могут быть использованы в формировании питательного режима, элювии отвалов обеспечены в недостаточной степени [12].
Максимальное количество обменного калия в элювиальных образцах в 2008 и 2009 гг. отмечено в вариантах с внесением микроорганизмов, разлагающих силикаты, и микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, в отдельности и превышало контрольные значения на 50 и 54 % (P < 0,01) – в 2008 г.; на 46 и 54 % (P < 0,01) – в 2009 г. В 2010 г. максимальные значения К2О сохранились для варианта с внесением инокулята микроорганизмов, разлагающих силикаты (выше контроля на 85 % при P < 0,001).
По литературным данным среднее содержание фосфора в метровом слое почв, осадочных породах и литосфере одинаково (0,08 %), но в верхних гумусовых горизонтах почв оно достигает больших величин в связи с биогенной аккумуляцией [15]. Валовый фосфор состоит из органических и минеральных соединений. Соотношение между ними зависит от типа почв. Доступный для питания растений фосфор находится в форме легкорастворимых фосфатов. При этом следует отметить, что в основном валовое содержание подвижного фосфора определяется его содержанием в породе, который образуется в процессе выветривания и почвообразования. На начальных этапах биологического освоения отвалов процессы выветривания преобладают над процессами почвообразования, что приводит к высвобождению подвижного фосфора из пород. В то же время щелочная реакция среды pH > 8 значительно снижает подвижность и доступность для растений. Поэтому может наблюдаться пониженное содержание подвижного фосфора.
Содержание подвижного фосфора в элювиях в 2008 г. максимально увеличивалось в варианте с внесением микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (соответствовало 20 мг/кг, что выше контроля в 2 раза), в 2009–2010 гг. – в варианте с внесением микроорганизмов, разлагающих силикаты (превосходило контроль в 2,4 и 2 раза соответственно). Полученные данные свидетельствуют о способности микроорганизмов, разлагающих силикаты, переводить калий и фосфор в доступные для растений формы.
Заключение
Трехлетними исследованиями установлено, что в условиях породного отвала угольного разреза «Кедровский» внесение инокулята микроскопических грибов как отдельно, так и в комбинации с микроорганизмами, использующими минеральные формы азота, в большей степени стимулирует процесс накопления в элювиях нитратного азота. Более существенному накоплению обменного калия и подвижного фосфора способствует внесение микроорганизмов, разлагающих силикаты, и микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, как в отдельности, так и в совместной комбинации.
Агрохимический и механический состав опытных образцов техногенных элювиев отличается от контроля несущественно. Однако говорить о том, что внесение микроорганизмов не влияет на данные показатели, нельзя, так как изменение физических свойств почвы происходит в течение достаточно продолжительного временного периода.