Куларский золотоносный район располагается в северной части Яно-Омолойского междуречья, месторождение начали активно разрабатывать в 1960-е гг., а в 1998 г. прииск прекратил свое существование. После разработки месторождения были оставлены тысячи гектаров техногенно-нарушенных и техногенно-преобразованных земель. В экстремальных природно-климатических условиях субарктической области восстановление растительного и почвенного покрова на техногенных ландшафтах строго лимитировано. Этому способствуют отсутствие признаков биологической рекультивации, короткий вегетативный период, низкие температуры грунта, подъем уровня многолетней мерзлоты и т.д. В связи с перспективой возобновления промышленных работ проблема изучения трансформации и восстановления почв тундровых ландшафтов, подвергшихся антропогенному воздействию, приобретает особую актуальность. Объектами данного исследования стали техногенные почвы двадцатилетнего и более возраста Куларского золотоносного района, расположенного в южной подзоне субарктических тундр в предгорьях Яно-Индигирской низменности. Предмет исследования – образование и трансформация техногенных почв в пределах тундровой криолитозоны. Цель работы – изучение особенностей формирования техногенных почв в тундровой зоне Якутии, на примере исследования техногенно нарушенных участков почвенного покрова.
Материалы и методы исследования
Исследуемая часть Куларского золотоносного района находится в тундровой зоне Северо-Восточной Якутии в пределах денудационного Яно-Оймяконского плоскогорья и развивается в сложных геологических условиях. Почвообразующими породами изученной территории выступают делювиальные и элювиальные отложения выходов пород верхнего палеозоя и мезозоя. Рельеф представляет собой расчлененное плато, поверхность которого слагают низкие горы, холмы и увалы, переработанные системой мелких горных рек и ручьев. Долины ручьев в зависимости от возраста и подстилающей породы имеют разное строение: мелкие ручьи слабо врезаются в горные породы и характеризуются отсутствием долинных форм рельефа, относительно крупные речки и ручьи имеют глубокие долины (перепады высот достигают 50–100 м) с пологими склонами, с надпойменной террасой и поймой.
По агроклиматическому районированию область относится к Восточно-Сибирской полярно-тундровой провинции с умеренно- и средне континетальным климатом. Средняя температура июля составляет +12 °С, января – –34 °С, количество осадков за год – 150–250 мм; коэффициент атмосферного увлажнения равен в среднем 1,1, высота снежного покрова без учета перераспределения по элементам мезорельефа – 25 см [1].
По почвенно-географическому районированию район исследований относится к Северо-Сибирской провинции зоны тундровых глеевых и тундровых иллювиально-гумусовых почв Субарктики [2]. Почвенный покров исследованного района представлен характерными для данной провинции мерзлотными тундровыми глеевыми и глееватыми, торфянисто-перегнойными и мерзлотными аллювиальными почвами.
Полевое изучение почв проводилось в бассейне речек Суор-Уйалаах, Улахан-Юрюйэ и Мамонья в окрестностях заброшенного поселка Власово (рисунок). Объектами исследований стали зональные и интразональные естественные и техногенные почвы старых разновозрастных отвалов (табл. 1).
Полевые работы проводились в виде маршрутных исследований, для характеристики почв и почвенного покрова использовались сравнительно-географический и сравнительно-аналитический методы. Почвенные разрезы и прикопки закладывались с учетом ландшафтных особенностей, разнообразия почвенного покрова и типа техногенных образований. Для почв отвалов использовалась классификация, разработанная специально для техногенных ландшафтов [3].
Район исследований
Таблица 1
Расположение объектов исследования
|
№ почвенного разреза/прикопки |
Название почвы |
Координаты |
Местоположение |
Дата заложения разреза/прикопки |
|
Р1-17Я |
Мерзлотная аллювиальная дерново-глееватая почва |
N-70°44,582′ E-134°46,485′ |
Пойма, 500 м вверх по течению руч. Суор-Уйалаах от центра пос. Власово |
11.08.2017 |
|
Р15-17Я |
Аллювиальная слаборазвитая слоистая почва |
N-70°44,016′ E-134°55,668′ |
Затапливаемая пойма, зона слияния ручьев Суор-Уйалаах и Улахан-Юрюйэ |
14.08.2017 |
|
Р7-17Я |
Мерзлотная тундровая глеевая почва |
N-70°47,745′ E-134°38,936′ |
Склон террасы, 150 м от устья руч. Сдвиг |
13.08.2017 |
|
Р4-17Я |
Техногенно-нарушенная тундровая глееватая почва |
N-70°44,951′ E-134°39,415′ |
Подножие отвала, 200 м от устья руч. Аленка, левый берег |
12.08.2017 |
|
Р8-17Я |
Эмбриозем дерновый |
N-70°47,735′ E-134°38,867′ |
Фрагмент старого отвала, окрестности руч. Сдвиг |
13.08.2017 |
|
Р17-17Я |
Эмбриозем дерновый |
N-70°41,570′ E-134°40,485′ |
Техногенный отвал, окрестности руч. Мамонья |
15.08.2017 |
При камеральной обработке собранного материала в почвенных образцах были выполнены следующие химические и физические определения: водный показатель рН, содержание гумуса (по Тюрину), содержание обменных оснований (по Гедройцу), гидролитическая кислотность (далее ГК), гранулометрический состав (с помощью установки Качинского).
Результаты исследования и их обсуждение
Приводим краткую характеристику естественного почвенного покрова, характерного для окрестностей пос. Власово. Основным лимитирующим фактором роста и развития растений в тундрах и лесотундрах водоразделов наряду с коротким вегетационным периодом выступает низкая почвенная температура, вызванная близким залеганием многолетней мерзлоты (глубина протаивания почв едва достигает 60 см). Слабая теплообеспеченность отражается в специфике строения органопрофилей тундровых почв. Здесь процессы минерализации органического материала сильно замедлены, вследствие этого в профиле почв часто отсутствует полноценный гумусовый горизонт, который замещается слоем органических остатков разной степени разложения в верхней части профиля. Минеральная толща обычно не дифференцирована или слабо дифференцирована на горизонты, бесструктурна, имеет признаки оглеения по всему профилю. Тундровые почвы района в естественном состоянии в надмерзлотном слое часто содержат большое количество детрита.
На пологих склонах террасы и водораздела под безлесной тундровой растительностью распространены почвенные комплексы бугорковатых тундр: мерзлотные тундровые глеевые и глееватые почвы бугорков и тундровые торфянисто-перегнойно-глеевые или болотные низинные почвы западин или понижений. Глубина сезонного протаивания до 30–60 см. Типичная для данной местности мерзлотная тундровая глеевая почва (разрез Р7–17Я) имеет среднесуглинистый гранулометрический состав, кислую реакцию среды в грубогумусовом горизонте и нейтральную – в минеральном (табл. 2). Содержание гумуса уменьшается вниз по профилю (от 5,6 до 1,7 %). В надмерзлотном горизонте наблюдается небольшое накопление органического вещества, возможно, вследствие её ретинизации или механической аккумуляции [4].
Почвы пойм, занятых хвощем и низкорослыми ивами, представлены мерзлотными аллювиальными дерново-глееватыми почвами (разрез Р1–17Я), подстилаемыми каменистым аллювием, и слаборазвитыми аллювиальными слоистыми почвами (разрез Р15–17Я).
Техногенез приводит практически к полному уничтожению естественного почвенно-растительного покрова, при котором нарушается взаимосвязь факторов почвообразования [5]. Разработка золотоносных отложений в руслах небольших горных рек и ручьев сопровождается изменением геометрии русел и полным нарушением строения прибрежной части долин. Отвалы горнодобывающих работ делятся на два основных типа: вскрышные и галечные. В первом случае – это снятые верхние слои почв и мелкодисперсные грунты, перемешанные с мелкой галькой; во втором случае – это отвалы, образованные валунами, галькой, камнями или щебнем с незначительным содержанием песка. При перепланировке поверхностей отвалов могут формироваться смешанные отвалы. На обширных нарушенных территориях севера единственным способом восстановления почвенного и растительного покрова является естественное самозарастание. Грунтовые и смешанные отвалы имеют хорошую тенденцию к самозарастанию, в то время как отвалы из обломков породы, часто встречающиеся на территории изученного месторождения, не имеют сплошного растительного покрова и характеризуются развитием сообществ, характерных для тундровых курумников – мхов, накипных лишайников и т.д. Тренд взаимосвязанной трансформации техноземов и растительности направлен в сторону самовосстановления почвенно-растительного покрова, что отмечается не только для северных, но и всех других регионов [6].
Различают два основных типа характера трансформации почвенного покрова в зоне горных работ [7]. При первом типе слабое перекрытие почвенного покрова отвалами приводит к образованию дифференцированного профиля, который состоит из естественной нарушенной почвы и перекрывающего ее техногенного материала.
В качестве примера техногенно-нарушенной почвы с признаками перекрытия наносом малой мощности рассмотрим разрез Р04–17Я, заложенный на склоне надпойменной террасы у подножия крупного отвала, состоящего из мелкогравийной и илистой массы, предположительно поднятой со дна ручья. Растительный покров характеризуется как восстановившийся и представлен зеленомошно-ивовой ассоциацией. Строение профиля: О (0–3) – мохово-лишайниковый очес; АО(А) (3–6) – бурый, увлажненный, состоит из неразложившейся растительности, плотно переплетен корнями растений, включения камней, много мелких камней размером 0,2–1 см, не вскипает, переход резкий по составу, граница ровная; Стех (6–22) – делювиальный нанос с отвала, темно-серый, влажный, неоднородный, имеются небольшие охристые пятна ожелезнения, на 70 % состоит из камней (слабо окатанная галька 0,1–2 см), супесь, слоистый, переплетен корнями травянистых растений, не вскипает, переход резкий по окраске, граница ровная; АВ(ВGf′) (20–37) – влажный, легко суглинистый, на голубовато-сизом фоне крупные охристые пятна (40 %), бурые железистые конкреции, комковато-мелкозернистый, плотный, много корней в верхней части, не вскипает, переход заметный, граница ровная; Вg′(37–59) – серый с буроватым оттенком, влажный, слабооструктуренный (глыбистый), суглинистый, корней мало, есть охристые пятна по граням структурных отдельностей, не вскипает, подстилается сплошной мерзлотой.
Из-за высокой щебнистости наноса почвообразование в верхней части идет преимущественно как в горных слаборазвитых почвах, то есть на поверхности накапливается органика, при этом наблюдается более глубокое проникновение корней в рыхлый грунт. Видно, что старый органогенный горизонт был частично уничтожен, но высокое содержание органики и увеличение аэрированности привело к нарушению окислительно-восстановительной обстановки на границе техногенного слоя и погребенного глееватого горизонта. Разная фильтрационная способность слоев привела к дифференциации окраски субстрата: верхняя часть погребенной суглинистой толщи приобрела ярко выраженный охристый оттенок за счет активного окисления окислов железа. Почва кислая и слабокислая (рН 4,5–5,9). Специфика строения профиля придает четкую послойную дифференциацию почти по всем физико-химическим показателям. Песчано-щебнистый слой (6–22 см) характеризуется относительно низким содержанием гумуса, гидролитической кислотности и небольшим содержанием обменных оснований (табл. 2). На поверхности погребенной суглинистой толщи наблюдается увеличение содержания органического вещества, повышается содержание обменных оснований и гидролитической кислотности.
Второй тип почвообразования на техногенных территориях характеризуется тем, что исходный почвенный покров оказывается полностью погребенным под отвалами, где техногенные отложения начинают с этого момента выступать в роли почвообразующей породы. В данном случае наблюдается эмбриональный тип почвообразования.
Горные работы на прииске прекращены 20 лет назад, и этот период является минимальным возрастом почв отвалов данной территории – эмбриоземов. Как показали исследования, естественные почвы, при их погребении толщей пустых пород относительно большой мощности, уже в первые годы после техногенного воздействия выходят за пределы деятельного слоя и прекращают участие в почвообразовательном процессе из-за их превращения в верхний слой многолетнемерзлых пород. Установлено, что минимальная мощность наносов для исключения естественных почв из биогеохимического круговорота многолетней мерзлотой составляет – 0,6 м.
Специфика почвенного покрова техногенного ландшафта определяется сочетанием четырех эволюционно-генетически связанных типов эмбриоземов: инициальных, органо-аккумулятивных, дерновых и гумусово-аккумулятивных. Выявлено, что истекшего периода после прекращения техногенеза на отвалах вскрышных пород было достаточно для перехода субстратом стадии инициальных эмбриоземов. Все отвалы в настоящее время в процессе самовосстановления характеризуются сплошным растительно-моховым покровом и наличием признаков начального почвообразования. В почвах отвалов района повсеместно обнаруживаются признаки дернового процесса вне зависимости от условий формирования. В этой стадии техногенно-преобразованные ландшафты в средней и южной полосах представляют собой уже вполне нормально функционирующую лесную экосистему [8], тогда как в тундровой зоне эмбриоземы функционируют на этапе накопления органики и образования дерна. Формирование грубогумусового горизонта, характерного для естественных мерзлотных тундровых почв, может занять довольно долгий период.
Таблица 2
Физико-химические свойства и гранулометрический состав почв
|
Горизонт |
Мощность, см |
рНводн |
Гумус, % |
Обменные катионы, ммоль/100 г |
ГК, ммоль/100 г |
Степень насыщен-ности, % |
Сумма частиц <0,01 мм |
|
|
Ca2+ |
Mg2+ |
|||||||
|
Р1-17Я Мерзлотная аллювиальная дерново-глееватая почва |
||||||||
|
Аd |
0–4 |
5,2 |
2,7 |
4,7 |
2,6 |
2,8 |
72,1 |
21,8 |
|
АС(Сg) |
4–32 |
6,3 |
3,1 |
6,6 |
3,7 |
2,2 |
82,6 |
23,3 |
|
С |
32–… |
6,4 |
1,9 |
3,3 |
1,9 |
1,1 |
82,4 |
16,4 |
|
Р15–17Я Аллювиальная слаборазвитая слоистая почва |
||||||||
|
АС |
0–4 |
5,8 |
3,7 |
4,6 |
2,4 |
2,5 |
73,9 |
16,0 |
|
С |
4–10 |
5,5 |
2,8 |
4,0 |
1,7 |
3,2 |
64,1 |
14,8 |
|
С’ |
10–24 |
5,9 |
1,9 |
2,3 |
1,3 |
1,3 |
73,5 |
18,0 |
|
С’’ |
24–32 |
7,1 |
2,1 |
5,3 |
2,9 |
0,8 |
91,6 |
17,2 |
|
С’’’ |
32–44 |
6,1 |
2,3 |
3,0 |
1,7 |
1,6 |
74,7 |
15,2 |
|
Р7–17Я Мерзлотная тундровая глеевая почва |
||||||||
|
АО |
9–12 |
4,6 |
15,6* |
4,1 |
3,8 |
10,8 |
42,1 |
– |
|
ВG |
12–45 |
4,7 |
1,7 |
2,6 |
1,8 |
6,1 |
41,6 |
31,5 |
|
ВСg |
45–58 |
6,5 |
2,3 |
6,7 |
2,4 |
1,6 |
84,9 |
30,7 |
|
Р4–17Я Техногенно-нарушенная тундровая глееватая почва |
||||||||
|
АО |
3–6 |
4,6 |
18,5* |
8,0 |
4,5 |
7,4 |
62,8 |
– |
|
С |
6–22 |
5,5 |
2,0 |
1,9 |
1,5 |
1,9 |
64,2 |
15,6 |
|
АВ(ВGf)′ |
22–37 |
5,2 |
4,2 |
5,9 |
3,1 |
7,1 |
55,9 |
27,2 |
|
ВСg′ |
37–59 |
5,9 |
1,9 |
6,4 |
3,0 |
3,0 |
75,7 |
29,9 |
|
Р8–17Я Эмбриозем дерновый |
||||||||
|
АСd |
7–18 |
6,7 |
3,0 |
6,8 |
2,7 |
1,4 |
86,8 |
20,1 |
|
Сg |
18–50 |
6,5 |
1,9 |
5,7 |
2,2 |
1,4 |
85,1 |
19,7 |
|
Р17–17Я Эмбриозем дерновый |
||||||||
|
Аd |
1–2 |
4,9 |
7,0 |
5,6 |
4,2 |
8,5 |
53,6 |
26,8 |
|
АСg |
2–12 |
4,1 |
4,1 |
3,9 |
2,7 |
7,0 |
48,4 |
34,8 |
|
Сg |
12–30 |
4,9 |
3,4 |
3,5 |
2,2 |
7,4 |
43,0 |
36,0 |
Рассмотрим два профиля эмбриозема дернового, сформированных на различных элементах рельефа. Первый эмбриозем был вскрыт в пойменной части небольшого полностью переработанного горного ручья (Р–08–17Я). Особенности условий почвообразования – переувлажненность, близкое залегание мерзлоты. Растительность представлена осоково-зеленомошной ассоциацией с участием ивы. Поверхность очень неровная, с трещинами и кочками. Описание эмбриозема дернового оглеенного: О (0–7) – моховой очес с небольшой подстилкой из неразложенных и слаборазложенных растительных остатков; АСd (7–18) – буровато-серый с пятнами оглеения (40 %), влажный, легко суглинистый, комковато-зернистый, плотный, сильно переплетен корнями травянистых растений, не вскипает, переход постепенный, граница ровная; G(C) (18–50) – голубовато-сизый с охристыми пятнами (40 %), мокрый, супесчаный, слабооструктуренный, неплотный, не вскипает, много отмерших корней, небольшое количество железистых конкреций.
В профиле четко наблюдается сочетание дернового процесса и процесса накопления органики. Полноценный дерновый горизонт здесь еще не выделяется, но в средней части проявляется заметное оструктуривание минеральной толщи. Корни проникли на всю глубину деятельного слоя за счет облегченного гранулометрического состава, что увеличило содержание органики в нижней части профиля. Формирование относительно мощного органогенного слоя и переувлажненность грунта создали близкие к анаэробным условия и привели к проявлению признаков оглеения. Реакция среды почвенной вытяжки нейтральная. Содержание гумуса в задернованном слое достигает 3,0 %, в нижнем горизонте – 1,9 %. Степень насыщенности основаниями повышенная (табл. 2). Дифференциация профиля наблюдается лишь по содержанию гумуса, что характерно для начальных этапов почвообразования. Таким образом, почва по своим свойствам близка к естественным аллювиальным дерново-глееватым почвам и дальнейшая эволюция будет проходить в направлении с этими почвами естественного ряда.
Второй разрез эмбриозема дернового вскрыт на террасе ручья Мамонья. Особенности условий почвообразования – прерывистая мерзлота, отвал состоит из плотной суглинистой массы, смешанной с обломками плотной породы, расположение в верхней части склона отвала. Растительность представлена сухим злаковым ивняком с участием зеленого мха. Микрорельеф очень неровный – признаки склоновой эрозии, трещины. Описание эмбриозема дернового: О (0–1) – моховая накипь, степной войлок; Аd (1–2 (3)) – светло-бурый, влажный, суглинистый, на 60 % состоит из растительных остатков и корней, не вскипает, переход заметный, граница слабоволнистая; АСg (2(3)–12) – серый с буроватым оттенком с мелкими и крупными охристыми пятнами, увлажненный, суглинистый, очень плотный, не вскипает, много мелких плоских камней, плотно переплетен корнями растений, переход постепенный, граница ровная; Сg (12–30) – буровато-серый с сизоватым оттенком, охристые пятна по корням отмерших растений, влажный, среднесуглинистый, порошистый, очень плотный, много камней, плотно переплетен корнями растений, не вскипает.
Данные почвы образуются на наиболее старых вскрышных отвалах исследуемого участка и характеризуются формированием маломощного дернового горизонта. Грунт отвала представлен смесью суглинистых субстратов, судя по кислой реакции среды, состоящих в основном из снятого с поверхности террасы и ее склонов почвенного слоя (табл. 2). Содержание гумуса стабильно уменьшается вниз по профилю. Степень насыщенности в минеральных слоях низкая. Признаки оглеения в профиле носят преимущественно реликтовый характер и унаследованы от фрагментов естественных тундровых глеевых почв.
Заключение
В тундровой части Куларского золотоносного района на техногенно-преобразованных ландшафтах в почвенном покрове доминируют эмбриоземы дерновые и органо-аккумулятивные. Нарушенные почвы естественного ряда, характеризующиеся небольшим наносным перекрытием делювиального характера, распространены на границах техногенно-преобразованных ландшафтов. По группировке почвенно-экологических состояний, складывающихся в различных местообитаниях, техногенных ландшафтов [9], данное состояние нарушенных территорий можно отнести к удовлетворительному.
Все отвалы грунтового и смешанного типа характеризуются развитием самовосстановленной растительной группировки с господством зеленых мхов, злаков и ив. Во всех вскрытых почвенных профилях мощность деятельного слоя ограничивается сплошной или прерывистой многолетней мерзлотой. Уровень протаивания эмбриоземов достигает 30–60 см. Таким образом, на территории исследования в экстремальных климатических условиях даже небольшая мощность техногенного наноса может привести к формированию эмбриозема, так как из-за уменьшения уровня протаивания грунта погребенная почва выводится за пределы деятельного слоя и перестает участвовать в процессах почвообразования.
Выявлено, что по морфологическим свойствам эмбриоземы исследуемых отвалов двадцатилетнего и более возраста мало отличаются от зональных почв – аллювиальных дерново-глееватых или тундровых глеевых, что обусловлено тем, что почвы тундр имеют упрощенный профиль, характерный для территории с замедленными темпами почвообразования. Но следует отметить, что развитие четвертой стадии эволюционного ряда эмбриозема и окончательный переход почвы к естественному ряду произойдет через гораздо больший период времени.
Работа выполнена в рамках государственного задания 0376-2018-0003; рег. номер АААА-А17-117020110057-7.