Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Техногенно-природные системы и их влияние на почвы и почвенный покров 14
Глава 2. Объекты и методы исследования 19
2.1. Объекты исследования 19
2.2. Методы исследования 25
Глава 3. Морфологическая характеристика почв и материала ТПО
3.1. Подгороденская техногенно - природная система 27
3.2. Угловская техногенно - природная система 32
3.3. Артемовская техногенно - природная система 36
3.4. Тавричанская техногенно - природная система 40
3.5. Дальнегорская техногенно - природная система 46
Глава 4. Физико-механические свойства
4.1. Подгороденская техногенно-природная система 52
4.2. Угловская техногенно - природная система 62
4.3. Артемовская техногенно - природная система 68
4.4. Тавричанская техногенно - природная система 75
4.5. Дальнегорская техногенно - природная система 81
Глава 5. Критерии противоэрозионной устойчивости почв и материала ТПО и их связь со стуктурным состоянием
5.1. Подгороденская техногенно-природная система 89
5.2. Угловская техногенно - природная система 95
5.3. Артемовская техногенно - природная система 98
5.4. Тавричанская техногенно - природная система 101
5.5. Дальнегорская техногенно - природная система 105
Глава 6. Физико-химические свойства почв и материала ТПО 110
Глава 7. Химические свойства почв и литостратов техногенно – природных систем и их влияние на экологию прилегающих ландшафтов
Глава 8. Корреллятивные связи и взаимозависимости свойств
компонентов изученных техногенно-природных систем
Заключение 180
Список литературы
- Методы исследования
- Артемовская техногенно - природная система
- Артемовская техногенно - природная система
- Тавричанская техногенно - природная система
Методы исследования
По определению [42], ТПО являются своеобразными техногенными телами, обладающими специфическими свойствами по сравнению с почвой. Их гранулометрический состав – это соотношение разных по размеру фракций первичных механических частиц и водоустойчивых микроагрегатов в общей массе массе, отражающее степень дисперсности твёрдой фазы. В связи с этим встал вопрос об изучении противоэрозионных свойств, входящих в техногенную систему почв и грунтов, которая характеризует способность почв и массы ТПО противостоять смывающему действию водного потока или совместному действию потока воды и капель дождя. Противоэрозионная стойкость, как и другие водно-физические свойства, в значительной мере определяется свойствами коллоидно-дисперсных минералов, которые преобладают в илистой фракции. Таким мало набухающим минералам, как каолинит, соответствует относительно низкая противоэрозионная стойкость почв и грунтов, так как они обеспечивают слабое сцепление между частицами. Породы, в которых преобладают гидрофильные минералы монтмориллонит и ему подобные, наоборот, характеризуются сравнительно высоким сцеплением и противоэрозионной стойкостью [107]. В то же время при условии равного сцепления повышение гидрофильности сопровождается понижением сопротивляемости грунтов размыву [88].
Впервые на специфические условия, возникающие на техногенных территориях ликвидированных угольных шахт Приморья, обратили внимание сотрудники кафедры почвоведения Дальневосточного федерального университета [41, 42, 43]. Как было установлено, они связаны, прежде всего, с шахтными водами и газом метаном, заполняющими выработанное при добыче полезных ископаемых подземное пространство. По исследованиям [93], кислые и сильно минерализованные шахтные воды образуются на верхних горизонтах и горных выработках, на территории первой от поверхности гидрохимической зоны. Самые кислые шахтные воды образуются в антрацитных шахтах до глубин 250-300 м, при малых углах падения пород и содержания в угле общей серы больше 2,5 %, при большой длине выработок и значительной площади выработанного пространства. На более глубоких горизонтах (300-400 м) генерируются сульфатно-хлоридные натриевые или натриево-кальциевые воды. На глубине более 400 м образуются хлоридно-сульфатные воды. Таким образом, в шахтных водах с глубиной уменьшается содержание SO42-, Ca2+, Mg2+, и увеличивается содержание K+, Na+, Cl, HCO3-. Но на одних и тех же глубинах шахтные воды по сравнению с подземными водами содержат большее количество сульфатов кальция и магния [108]. При подземном способе разработки угольных месторождений, в результате нарушения устойчивости горных пород, подземные воды дренируются в горные выработки. Водоприток в шахты составляет от десятков до тысяч кубометров в 1 ч в зависимости от геологических, гидрогеологических и климатических условий месторождения, гидрографической сети, способа подготовки шахтных полей. Шахтные воды содержат большое количество механических примесей (уголь и порода, инертная пыль, продукты распада древесины), отличаются значительной цветностью, минерализацией, жесткостью и высоким содержанием соединений железа. Формирование химического состава шахтных вод зависит от: особенностей месторождений полезных ископаемых, минералогического состава горных пород, условий поступления подземных вод в горизонты, рельефа местности, биохимических процессов в теле месторождения. Шахтные воды по преобладающему аниону классифицируются на три класса: карбонатно-гидрокарбонатный, сульфатный, хлоридный. Каждый класс по катиону делится на три группы: кальциевая, магниевая, натриевая. Формирование химического состава шахтных вод происходит вследствие контакта вод с породой и определяется продолжительностью пребывания воды в горном массиве и скоростью движения вод в контакте с породами. Шахтные воды содержат от 3 г/дм3 и более механических примесей (уголь и пустая порода, инертная пыль, продукты распада древесины). Они отличаются значительной минерализацией (до 30 г/дм3 и более) и существенной бактериальной загрязненностью. Кислые шахтные воды помимо низких значений рН (порядка 2-4) характеризуются еще высоким содержанием соединений железа (до 2 г/дм3). Шахтная вода обычно не имеет запаха (за исключением тех случаев, когда в ней присутствует растворенный метан или сероводород), отличается разнообразием окраски и постоянством температуры в пределах от 6 до 25С, а также значительной жесткостью (до 38 мэкв/дм3). Шахтным водам свойственна коррозионная активность. Чаще встречаются воды с сульфатной агрессивностью, реже – кислотной [ 94, 104, 107].
По исследованиям [5, 25, 35, 39, 40, 41, 42] шатная вода нередко выходит на дневную поверхность, передвигаясь от подстилающей породы по почвенному профилю, вызывая стойкое переувлажнение генетических горизонтов. Скорость её перемещения увеличивается движением газа метана, скапливающегося в выработанном шахтном пространстве и стремящемся вырваться наружу. Это явления вызывают перемешивание почвенных генетических горионтов. Как результат переувлажнения и перемешивания почв – появление в составе почвенного покрова техногенных систем, так называемых «забученных» почв.
Артемовская техногенно - природная система
Первый компонент системы – почвы: буроземы типичные крайне мелкие. Разрез 5Т-2013 заложен на верхней трети пологого склона, поросшего древесно кустарниковой растительностью из: Quercus mongolica (дуб монгольский), Fraxinus rhynchophylla (ясень носолистный), Maackia amurensis (маакия амурская), Tilia mandshurica (липа маньчжурская), Ulmus japonica (ильм японский), Corylus heterophylla (лещина разнолистная), Vitis amurensis (виноград амурский), Poa nemoralis (мятлик боровой), Potentilla fragarioides (лапчатка земляниковидная), Carex siderosticta (осока ржавопятнистая), Carex sordida (осока грязная), Carex quadriflora (осока четырехцветковая), Convallaria keiskei (ландыш Кейске), Doellingeria scabra (дёллингерия шершавая), Filipendula palmata (лабазник дланевидный), Aconitum albo-violaceum (борец бело-фиолетовый), Achnatherum extremiorientale (чий дальневосточный), Adenophoraverticillata (бубенчик четырехлистный), Agrimonia coreana (репяшок корейский), Angelica cincta (дудник окаймленный), Asparagus schoberioides (спаржа шобериевидная), Astilbe chinensis (астильба китайская), Athyrium sinense (кочедыжник китайский), Bupleurum longiradiatum (володушка длиннолучевая), Cacalia hastata (какалия, недоспелка копьевидная), Calamagrostis brachytricha (вейник коротковолосистый), Campanula glomerata (колокольчик скученный), Cimicifuga dahurica (клопогон даурский), Cuscuta japonica (повилика японская), Euonymus sacrosancta (бересклет священный), Fimbripetalum radians (бахромчатолепестник лучистый), Galium spurium (подмаренник ложный), Galium boreale (подмаренник настоящий), Geranium eriostemon (герань волосистотычинковая), Lathyrus komarovii (чина Комарова), Ligularia fischeri (бузульник Фишера), Lysimachia clethroides (вербейник ландышный), Onoclea sensibilis (оноклея чувствительная), Plectranthus excisus (шпороцветник вырезной), Polemonium chinense (синюха китайская), Prenanthes tatarinowii (косогорник Татаринова), Pteridium aquilinum (орляк обыкновенный), Rubia chinensis (марена китайская), Sanguisorba officinalis (кровохлебка лекарственная), Artemisia stolonifera (полынь побегоносная), Artemisia rubripes (полынь красночерешковая), Angelica decursiva (дудник низбегающий), Angelica czernaevia (дудник Черняева), Saussurea grandifolia (соссюрея крупнолистная), Sedum aizoon (очиток живучий), Synurus deltoides (сростнохвостник, синурус дельтовидный), Valeriana amurensis (валерьяна амурская), Veronicastrum sibiricum (вероничник сибирский), Vicia unijuga (вика однопарная), Viola selkirkii (фиалка Селькирка) [14, 16, 119]. Морфологические признаки следующие: AY (0-9 см) - серогумусовый горизонт, хорошо оструктуренный, темно-серого цвета, свежий, дресвяниcто-хрящеватый, с многочисленными корнями различного диаметра и длины, переход заметный; ВМ (9-38 см) - структурно-метаморфический, темносероватобурый, свежий, мелко-комковатый, сильнодресвянистый с включением многочисленных окатанных камней диаметром от 10 мм до 3 см; по всей стенке разреза крупные и мелкие корни древесной растительности, переход в нижеле-жащий горизонт постепенный через увеличивающееся количество окатанных обломков плотных пород (песчаник);
С (38-64 см) - почвообразующая порода в виде гравийного материала рыже-бурого цвета, свежая, много корней. Второй компонент системы - литостраты самозарастающего террикона внешне представляющие собой уплотненный неоднородный материал из кусков разложившегося и полуразложившегося бурого угля и других горных пород. На поверхности растительность из: Betula platyphylla (береза плосколистная), Fraxinus mandshurica (ясень маньчжурский), Populus davidiana (тополь Давида, осина), Salix taraikensis (ива поронайская), Ulmus pumila (ильм низкий), Lespedeza bicolor (леспедеца двухцветная), Acalypha australis (акалифа южная), Achillea asiatica (тысячелистник азиатский), Agrimonia pilosa (репяшок волосистый), Ambrosia artemisifolia (амброзия полынолистная), Amaranthus retroflexus (амарант, щирица запрокинутый, подсвекольник), Arctium lappa (лопух крупный), Armoracia rusicana (хрен обыкновенный) , Artemisia gmelinii (полынь Гмелина), Artemisia manshurica (полынь маньчжурская), Artemisia rubripes (полынь красночерешковая), Artemisia sieversiana (полынь Сиверса), Artemisia umbrosa (полынь теневая), Aster tataricus (астра татарская), Atriplex patula (лебеда раскидистая), Avena sativa (овес посевной), Betula platyphylla (береза плосколистная), Bidens frondosa (череда олиственная), Bidens tripartite (череда трехраздельная), Brachyactis ciliate (брахиактис реснитчатый), Calamagrostis extremiorientalis (вейник дальневосточный), Commelina communis (коммелина обыкновенная), Chenopodium glaucum (марь сизая), Cirsium pendulum (бодяк поникающий) , Cirsium setosum (бодяк щетинистый) , Digitaria asiatica (росичка азиатская), Echinochloa crus-galli (ежовник петушье просо), Elsholzia pseudo-cristata (эльсгольция, шандра ложногребенчатая), Elymus dahuricus (колосняк даурский), Elytrigia repens (пырей ползучий), Falcata japonica (фальката японская), Geranium sibiricum (герань сибирская), Geum allepicum (гравилат аллепский), Helianthus tuberosum (подсолнечник клубневой), Hieracium umbellatum (ястребинка зонтичная), Hordeum jubatum (ячмень гривастый), Humulopsis scandens (гумулопсис лазящий), Impatiens roylei (недотрога, бальзамин Ройля), Conyza canadensis (кониза канадская), Kochia scoparia (кохия веничная), Pterocypsela indica (крылатосемянник индийский), Lepidium ruderale (клоповник, перечник сорный), Malva mauritiana (просвирник мавританский), Mentha dahurica (мята даурская), Persicaria orientalis (горец восточный), Phragmites latisimus (тростник высочайший), Phleum pretense (тимофеевка луговая), Phteirospermum chinense (вшивосемянник китайский), Persicaria hydropiper (горец перечный), Plantago major (подорожник большой), Polygonum aviculare (спорыш птичий), Rosa davurica (роза даурская), Rumex confertus (щавелек конский), Saussurea pulchella (соссюрея хорошенькая), Schizopepon bryoniifolius (схизопепон переступенелистный), Setaria faberi (щетинник Фабера), Setaria glauca (щетинник сизый), Solanum nigrum (паслен черный), Solanum tuberosum (паслен клубненосный, картофель), Sonchus oleraceus (осот огородный), Taraxacum officinale (одуванчик аптечный), Trifolium pratense (клевер луговой), Trifolium repens (клевер ползучий), Typha laxmannii (рогоз Лаксмана), Xanthium californicum (дурнишник калифорнийский), Urtica angustifolia (крапива узколистная), Vicia unijuga (вика однопарная) [14, 16, 119].
Артемовская техногенно - природная система
По определению [42], ТПО являются своеобразными техногенными телами, обладающими специфическими свойствами по сравнению с почвой. Их гранулометрический состав – это соотношение разных по размеру фракций первичных механических частиц и водоустойчивых микроагрегатов в общей массе массе, отражающее степень дисперсности твёрдой фазы. В связи с этим встал вопрос об изучении противоэрозионных свойств, входящих в техногенную систему почв и грунтов, которая характеризует способность почв и массы ТПО противостоять смывающему действию водного потока или совместному действию потока воды и капель дождя. Противоэрозионная стойкость, как и другие водно-физические свойства, в значительной мере определяется свойствами коллоидно-дисперсных минералов, которые преобладают в илистой фракции. Таким мало набухающим минералам, как каолинит, соответствует относительно низкая противоэрозионная стойкость почв и грунтов, так как они обеспечивают слабое сцепление между частицами. Породы, в которых преобладают гидрофильные минералы монтмориллонит и ему подобные, наоборот, характеризуются сравнительно высоким сцеплением и противоэрозионной стойкостью [107]. В то же время при условии равного сцепления повышение гидрофильности сопровождается понижением сопротивляемости грунтов размыву [88].
Впервые на специфические условия, возникающие на техногенных территориях ликвидированных угольных шахт Приморья, обратили внимание сотрудники кафедры почвоведения Дальневосточного федерального университета [41, 42, 43]. Как было установлено, они связаны, прежде всего, с шахтными водами и газом метаном, заполняющими выработанное при добыче полезных ископаемых подземное пространство. По исследованиям [93], кислые и сильно минерализованные шахтные воды образуются на верхних горизонтах и горных выработках, на территории первой от поверхности гидрохимической зоны. Самые кислые шахтные воды образуются в антрацитных шахтах до глубин 250-300 м, при малых углах падения пород и содержания в угле общей серы больше 2,5 %, при большой длине выработок и значительной площади выработанного пространства. На более глубоких горизонтах (300-400 м) генерируются сульфатно-хлоридные натриевые или натриево-кальциевые воды. На глубине более 400 м образуются хлоридно-сульфатные воды. Таким образом, в шахтных водах с глубиной уменьшается содержание SO42-, Ca2+, Mg2+, и увеличивается содержание K+, Na+, Cl, HCO3-. Но на одних и тех же глубинах шахтные воды по сравнению с подземными водами содержат большее количество сульфатов кальция и магния [108]. При подземном способе разработки угольных месторождений, в результате нарушения устойчивости горных пород, подземные воды дренируются в горные выработки. Водоприток в шахты составляет от десятков до тысяч кубометров в 1 ч в зависимости от геологических, гидрогеологических и климатических условий месторождения, гидрографической сети, способа подготовки шахтных полей. Шахтные воды содержат большое количество механических примесей (уголь и порода, инертная пыль, продукты распада древесины), отличаются значительной цветностью, минерализацией, жесткостью и высоким содержанием соединений железа. Формирование химического состава шахтных вод зависит от: особенностей месторождений полезных ископаемых, минералогического состава горных пород, условий поступления подземных вод в горизонты, рельефа местности, биохимических процессов в теле месторождения. Шахтные воды по преобладающему аниону классифицируются на три класса: карбонатно-гидрокарбонатный, сульфатный, хлоридный. Каждый класс по катиону делится на три группы: кальциевая, магниевая, натриевая. Формирование химического состава шахтных вод происходит вследствие контакта вод с породой и определяется продолжительностью пребывания воды в горном массиве и скоростью движения вод в контакте с породами. Шахтные воды содержат от 3 г/дм3 и более механических примесей (уголь и пустая порода, инертная пыль, продукты распада древесины). Они отличаются значительной минерализацией (до 30 г/дм3 и более) и существенной бактериальной загрязненностью. Кислые шахтные воды помимо низких значений рН (порядка 2-4) характеризуются еще высоким содержанием соединений железа (до 2 г/дм3). Шахтная вода обычно не имеет запаха (за исключением тех случаев, когда в ней присутствует растворенный метан или сероводород), отличается разнообразием окраски и постоянством температуры в пределах от 6 до 25С, а также значительной жесткостью (до 38 мэкв/дм3). Шахтным водам свойственна коррозионная активность. Чаще встречаются воды с сульфатной агрессивностью, реже – кислотной [ 94, 104, 107].
По исследованиям [5, 25, 35, 39, 40, 41, 42] шатная вода нередко выходит на дневную поверхность, передвигаясь от подстилающей породы по почвенному профилю, вызывая стойкое переувлажнение генетических горизонтов. Скорость её перемещения увеличивается движением газа метана, скапливающегося в выработанном шахтном пространстве и стремящемся вырваться наружу. Это явления вызывают перемешивание почвенных генетических горионтов. Как результат переувлажнения и перемешивания почв – появление в составе почвенного покрова техногенных систем, так называемых «забученных» почв.
Тавричанская техногенно - природная система
Как известно, физико-химические свойства почв это совокупность свойств, определяющих способность почвы поддерживать физико-химическое равновесие между фазами почв, составом почвенных растворов и поглощенных оснований в почвенном поглощающем комплексе, кислотно-щелочной и окислительно-востановительный потенциал, состав и количество доступных растению питательных веществ, буферность почв и содержание углерода в почвах, по которым можно судить о плодородии почв. Каждый тип почв характеризуется своими показателями физико-химических свойств, отличающий его от других типов, что используется в диагностике почв при их классификации. Таким образом, физико-химические свойства дают представление о физико-химических процессах, проходящих в почвах.
Почва является основным резервуаром углерода в биосфере. Органический углерод почвенного компонента является колоссальным геохимическим аккумулятором, хранителем солнечной энергии и информации на земной поверхности [2]. По содержанию углерода в почве, можно определить, обладают ли конкретные почвы плодородием или нет.
Реакция почвы обусловлена наличием и соотношением в почвенном растворе водородных (H+) ионов и гидроксильных (OH) групп и характеризуется величиной рH. Эта величина соответствует отрицательному логарифму активности водородных ионов в растворе. В зависимости от состава растворенных веществ и характера их взаимодействия с твердой фазой почв, определяющих соотношение между концентрациями H+ и OH ионов в почвенном растворе, почвы могут иметь нейтральную рH=7, кислую рH 7, щелочную рH 7 реакцию [8]. Рассмотрим, какими же показателями характеризуется почвы и материал ТПО изученных объектов. Подгородненская техногенно – природная системы
Первый компонент системы – почвы: текстурно-метаморфические типичные мелкие глубокоосветленные. По степени кислотности эти почвы относятся к среднекислым с усилением кислотности к почвообразующей породе. (рис. 64). По содержанию гумуса в серогумусовом горизонте почвы слабогумусированы. В элювиально-метаморфическом горизонте процент гумуса становится минимальным (рис. 65, приложение Е), а в текстурном – вновь несколько увеличивается (с 0,33 до 0,81%) подтверждая специфичность морфологического профиля данного типа почв – наличие осветленного малоплодородного элювиально-метаморфического горизонта.
Содержание кислотно-щелочного состояния в углерода в текстурно-метаморфических текстурно-метаморфических типичных типичных мелких глубокоосветленных мелких глубокоосветленных почвах почвах Второй компонент системы – литостраты самозарастающего террикона №1. Материал литостратов имеет кислотность близкую к нейтральной (рис. 66, приложение Е). По содержанию гумуса в верхнем самозарастающем слое материал среднегумусирован до 5,54%. Диаграмма содержания углерода представлена на рис.67.
Третий компонент системы – почвы: темногумусовые подбелы глеевые крайне мелкие глубокоосветленные. По степени кислотности относятся к слабокислым с усилением кислотности в элювиально-метаморфическом и текстурном горизонтах (рис. 68, приложение Е). По содержанию гумуса почвы слабогумусированы в темногумусовом горизонте с резким уменьшением гумуса с 5,8 до 0,4-0,7% в нижележащих. В элювиально- метаморфическом горизонте процент гумуса самый минимальный. Диаграмма содержания углерода представлена на рис. 69.
Четвертый компонент системы – почвы: темногумусовые подбелы глеевые «забученные» глубокоосветленные. В связи со спецификой почвообразования на территориях ликвидированных шахт закрытой добычи угля, элювиально- метаморфический горизонт под влиянием поднимающихся к поверхности шахтных вод с газами перемешан с нижележащим текстурным горизонтом. Последний также не имеет чисто типичных признаков генетического горизонта, а включает фрагменты подстилающей породы. По степени кислотности изученные почвы относятся к сильнокислым (рис. 70, приложение Е). По содержанию гумуса почвы среднегумусированы в темногумусовом горизонте с резким уменьшением гумуса с 5,8 до 1,1-1,7% в нижележащих. Диаграмма содержания углерода представлена на рис. 71.