Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Макеева Н.А. 1 Неверова О.А. 1

---

1 Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН

Открытая добыча каменного угля сопровождается образованием обширных площадей отвалов. На первых этапах их восстановления интенсивность почвообразовательных процессов определяется активностью микрофлоры, поэтому внесение микроорганизмов повышает биологическую активность почвогрунтов и позволяет ускорить процессы первичного почвообразования. В данной работе рассмотрены результаты исследований по внесению в техногенные элювии эколого-трофических групп микроорганизмов: микроорганизмов, разлагающих силикаты, микроскопических грибов, микроорганизмов, использующих минеральный азот; и показано их влияние на механический, гранулометрический и агрохимический состав техногенных элювиев. Авторами установлено, что 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.

Статья в формате PDF

0 KB

техногенный элювий

инокулят

микроорганизмы

механический

гранулометрический

агрохимический состав

1. Ахатов А.Г. Экология (Энциклопедический словарь). – 2-е изд. (с доп. и изм.). – К.: «ТКИ» – «Экополис», 1995. – 368 с.

2. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения зернового (гранулометрического) и микроагрегатного состава. – М.: ИПК изд-во стандартов, 1980. – 18 с.

3. ГОСТ 26204-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО. – М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1991. – 8 с.

4. ГОСТ 26951-86. Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом. – М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1986. – 7 с.

5. Гродницкая И.Д., Трефилова О.В., Шишкин А.С. Агрохимические и микробиологические свойства техногенных почв отвалов (Канско-Рыбинская котловина) // Почвоведение. – 2010. – № 7. – С. 867–878.

6. Качинский Н.А. Физика почв. – Ч. 1. – М.: Высш. шк., 1965. – 324 с.

7. Корниясова Н.А., Неверова О.А. Динамика подвижных форм N, Р и К в техногенных элювиях угольного разреза «Кедровский» при внесении инокулята почвенных микроорганизмов // Вестник ИрГСХА. – Вып. 44. – Ч. II. – Иркутск, 2011. – С 76–82.

8. Красавин А.П., Хорошавин А.Н., Катаева И.В. Восстановление нарушенных земель с использованием бактериальных препаратов // Вестник сельскохозяйственной науки. – 1988. – № 10 (386). – С. 64–69.

9. Макеева Н.А., Неверова О.А. Биогенность породного отвала при внесении почвенных микроорганизмов [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. – № 6. – URL: http://www.science-education.ru/130-23216 (дата обращения: 27.11.2015).

10. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. – М.: ЦИНАО, 1992. – 65 с.

11. Почвоведение: учеб. для ун-тов. В 2 ч. / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. – Ч. 1. – Почва и почвообразование / Г.Д. Белицина, В.Д. Васильевская, Л.А. Гришина и др. – М.: Высш. шк., 1988. – С. 69–78.

12. Середина В.П., Андроханов В.А., Алексеева Т.П., Сысоева Л.Н., Бурмистрова Т.И., Трунова Н.М. Экологические аспекты биологической рекультивации почв техногенных экосистем Кузбасса // Вестник ТГУ. Биология. – 2008. – № 2 (3). – С. 61–72.

13. Синельникова А.М. Экспериментальная микробиологическая рекультивация отвалов Бородинского буроугольного разреза // Молодёжь и наука: сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э. Циолковского [Электронный ресурс]. – Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2012. – Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2012/section31.html, свободный.

14. Смирнов П.М., Муравин Э.А. Агрохимия. – М.: Агропромиздат, 1988. – 447 с.

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

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

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.)

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.

Библиографическая ссылка