Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала
Экологические аспекты почвообразования в техногенных
экосистемах Урала
Г. И. Махонина
Почвенный покров Земли является незаменимым
компонентом биосферы. Он выполняет множество разнообразных экологических
функций, являясь компонентом всех экосистем суши и оказывая влияние на
функционирование биосферы в целом.
С появлением живых организмов на нашей планете они
постоянно стремятся освоить все новые места обитания (В. И. Вернадский называл
это "давлением жизни"). Поэтому живые организмы в процессе эволюции
освоили верхнюю часть земной коры, вследствие чего она обособилась в
своеобразную почвенную оболочку, т. е. почвенный покров Земли является
жизненным пространством для огромного числа видов растений, животных,
микроорганизмов, поддерживая таким образом биоразнообразие Земли, как
растительных, так и животных миров.
Почва выполняет функцию жилища и убежища. Особенно она
важна для животных, использующих в своей жизни несколько сред. По образному
сравнению [Добровольский, Никитин, 1986], почвенный покров можно представить
себе в виде густонаселенного подземного царства, "где проживают постоянные
его обитатели, и те, кто… добывает пищу на поверхности земли, и те, кто находится
в почве лишь ограниченный срок, являясь, по существу, ее "гостем".
Почва как твердофазная система является опорой для
растений и животных, позволяя им сохранять вертикальное положение. В ней
сохраняются длительное время семена и другие виды зачатков, тем самым
способствующих поддержанию жизни в меняющихся экологических условиях. Почвы
являются не только физической средой обитания для живых организмов. В ней они
находят для себя источники питательных элементов и влаги в доступной форме. В
то же время почва обладает и резервом, депо элементов питания, которые
постепенно при разрушении минеральной массы пополняют доступные формы, тем
самым поддерживая необходимые условия существования для живых организмов.
Способность почв содержать в себе химические элементы,
необходимые живым организмам, в растворимой форме и в то же время удерживать их
от вымывания связана с ее поглотительной способностью за счет огромной
поверхности составляющих ее компонентов. Почвы сорбируют не только химические
соединения, но и микроорганизмы, в ней обитающие.
В результате почвообразовательных процессов
материнские породы постепенно приобретают благоприятные для живых организмов
свойства, в них накапливаются необходимые элементы питания, энергия,
аккумулированная при фотосинтезе и высвобождающаяся в тепловой и химической
форме. Почвы осуществляют различные санитарные функции, заключающиеся в
деструкции органического опада и в ограничении развития болезнетворных
микроорганизмов.
Почвенный покров выполняет и глобальные функции.
Появление в почвах гумусовых кислот и продуктов жизнедеятельности живых
организмов способствует растворению почвообразующих пород, их активному
изменению с образованием новых обогащенных энергией вторичных минералов и
дополнительному образованию подвижных соединений, включающихся в круговорот
веществ. Под почвенным покровом формируются коры выветривания.
К процессам почвообразования приурочены и определенные
виды рудных месторождений осадочного происхождения.
Кроме названных функций почвы являются связующим
звеном между биологическим и геологическим круговоротами. Ненарушенный
почвенный покров является защитным барьером и условием нормального
функционирования биосферы в целом. К тому же почвы выступают в качестве фактора
биологической эволюции, позволившего водным организмам (без резкого изменения
организации живого) при завоевании суши использовать ее в качестве
промежуточной среды (между водной и воздушной), содержащей влагу, воздух и
элементы питания. Переход к обитанию в почвах и наземному пространству сопровождался
выработкой разнообразных физиолого-морфологических приспособлений у разных
групп животных, тем самым стимулируя их эволюцию.
В. К. Бахновым [1996: 16-17] рассмотрена модель
эволюции флоры и фауны в геологическом масштабе и показано, что эволюция организмов
и почвообразования тесно связана с развитием биосферы.
Почвы обладают рядом других важнейших экологических
функций, прекрасно систематизированных в монографии Г. В. Добровольского и Е. Д.
Никитина [1986].
По мере развития техногенеза происходят значительные
нарушения целостности почвенного покрова вплоть до полного его уничтожения на
значительных площадях, что нарушает экологическое состояние отдельных
территорий. Особенно в больших масштабах уничтожение почвенного покрова
происходит в районах добычи полезных ископаемых открытым, карьерным способом,
на долю которого в настоящее время приходится почти 70 % всей добычи
[Столбовой, Шеремет, 1997]. По прогнозу развития горнодобывающей промышленности
предполагают удвоение ее продукции в течение каждых десяти лет [Дороненко,
1976]. Этот способ широко распространен на Урале - мощном индустриальном
регионе России. На территории Свердловской области площади земельного отвода
для предприятий, добывающих и перерабатывающих полезные ископаемые, составляет
примерно 165-170 тыс. га [Колесников, Лукьянец, 1976]. По данным тех же
авторов, площади под карьерами и отвалами занимают в области около 60 тыс. га
(под отвалами около 40 тыс. га) и к 2000 году ожидается их увеличение в 2 раза.
Подобные размеры нарушений характерны для Челябинской и Оренбургской областей.
Карьеры и отвалы обычно расположены вблизи населенных
пунктов, городов, ухудшая условия жизни как людей, так и всех остальных живых
организмов. Естественно, что проблема биологической рекультивации таких земель
весьма актуальна. Этой проблемой занимаются многие специалисты как в нашей
стране, так и за рубежом, поскольку добыча полезных ископаемых открытым
способом распространена во всех промышленно развитых странах. Биологическая
рекультивация промышленных отвалов решается двумя путями. Первый из них, давно
стихийно сложившийся - это оставление отвалов под естественное восстановление
биоценозов и почв. Другой - активное восстановление плодородия таких земель
путем исследования свойств пород в отвалах, нанесение плодородных пород,
внесение удобрений, подбор разных видов растений, устойчивых к новым условиям
произрастания. Необходимым условием разрешения разработки полезных ископаемых
является сохранение гумусовых (плодородных) горизонтов почв для дальнейшего их
использования при проведении биологической рекультивации.
В этой области уже многое сделано, проведены
исследования в разных почвенно-климатических зонах, созданы классификации
отвалов по их происхождению и составу, есть практические положительные
результаты биологической рекультивации, систематически проводятся конференции,
симпозиумы, совещания по обмену опытом, выходят периодические сборники работ,
посвященные данной проблеме.
На основе этих исследований сложилось представление о
промышленных отвалах как об особых экотипах. Они представляют собой
аккумулятивные формы неорельефа разной высоты и занимаемой площади. Размеры их
чаще всего не выходят за пределы мезоформ рельефа с выровненной плоской
вершиной, в профиле имеющих трапециевидную форму. Главную их особенность
составляют те смеси разных горных пород (техногенные элювии), которые слагают
эти отвалы. На Урале в подавляющем большинстве случаев породы в отвалах сильно
каменисты (30-90 %), вследствие чего мелкозема, необходимого для роста высших
растений, мало, что связано с близким залеганием плотных пород от дневной
поверхности и маломощным чехлом рыхлых четвертичных отложений. Эта особенность
предопределяет направление биологической рекультивации. Если в запасе нет
рыхлых плодородных пород, то наиболее приемлемым видом рекультивации будет
лесовосстановление. Другой важнейшей особенностью промышленных отвалов является
химический состав как мелкозема, так и плотных пород. При снятии вскрышных и
вмещающих полезное ископаемое пород в отвалы попадает некоторое количество
добываемого сырья, что приводит к формированию своеобразных экотипов по
химическому составу. Так, например, в отвалах железорудных месторождений
повышено содержание железа и его геохимических спутников, на угольных
месторождениях породы отвалов обогащены углеродом угольного происхождения, на
месторождениях асбеста - магнием, на медных - медью, никелевых - никелем и т.д.
Экологически своеобразен не только макроэлементный
состав мелкозема в отвалах, но весьма необычен и микроэлементный состав, так
как месторождения того или иного полезного ископаемого являются центрами
повышенного содержания одного, а чаще всего нескольких химических элементов.
Вокруг рудного поля существуют первичные и вторичные ореолы рассеяния
элементов, по ним можно находить само месторождение. На этих особенностях
основаны литохимические, гидрохимические, биогеохимические методы поиска
полезных ископаемых. Показано, что повышенные концентрации макроэлементов и
особенно микроэлементов в почвах над неразработанными месторождениями способствуют
накоплению этих элементов в высоких дозах в растениях и вызывают различные
заболевания как растений, так и животных, и человека, ими питающихся. В связи с
этим проводится биогеохимическое районирование территорий, выделяются типичные
заболевания, обусловленные химическими особенностями среды.
Все это указывает на необходимость изучения макро- и
микроэлементного состава почв всех техногенных ландшафтов вообще и
послепромышленных отвалов в частности. Так как при добыче полезных ископаемых
карьерным способом по существующей технологии складирования вскрышных и
вмещающих пород слои, наиболее близко расположенные к рудному телу, часто
оказываются на поверхности отвалов, естественно, что в них добываемых и
сопутствующих химических элементов будет значительно больше, чем над
неразработанным месторождением, что подтверждает необходимость оценки
экологических последствий при использовании таких отвалов в сельском и лесном
хозяйствах.
Таким образом, промышленные отвалы, образованные при
карьерном способе добычи полезных ископаемых, представляют собой особые
техногенные территории, промышленные пустыни, первоначально практически
полностью лишенные семенных зачатков, очень сильно каменистые, с повышенным
содержанием микроэлементов (в том числе тяжелых металлов). Каждое месторождение
характеризуется своим набором геохимических спутников добываемого полезного
ископаемого.
Добыча полезных ископаемых на Урале имеет давнюю
историю, начиная с XVIII века и по настоящее время. В связи с этим на Урале
имеется много нарушенных земель, которые со временем осваиваются живыми
организмами, формируя новый почвенный покров. Самозарастающие отвалы разного
возраста позволяют изучать закономерности и особенности естественного
восстановления растительного и почвенного покровов, динамику биогеоценозов,
особенности химического состава растений, что представляет и практический
интерес, так как самозарастающие отвалы повсеместно стихийно используются как
пастбища, сенокосные угодья и в меньшей мере - под огороды и коллективные сады.
Сотрудниками кафедры экологии УрГУ, начиная с 70-х годов и по настоящее время,
ведутся работы по оценке пригодности горных пород в отвалах для биологической
рекультивации, изучаются закономерности восстановления и развития фитоценозов и
начальных стадий почвообразования.
Обследованы самозарастающие разновозрастные отвалы,
образованные при добыче железа, никеля, золота, меди, угля, асбеста, песков,
огнеупорных глин, расположенные в таежно-лесной, лесостепной и степной зонах
Урала.
Материалы по изучению формирования фитоценозов на
нарушенных промышленностью землях Урала обобщены в монографии Т. С. Чибрик и Ю.
А. Елькина [1991], по химическому составу травянистых растений в монографии Г. И.
Махониной [1987]. Показано, что травянистые растения, выросшие на отвалах разных
месторождений, отличаются от фоновых пониженным содержанием ряда макроэлементов
(фосфора, калия и др.), так как этих элементов в доступных для растений формах
очень мало и повышенным - микроэлементов (тяжелых металлов). В табл. 1
приведено среднее содержание тех микроэлементов в растительном покрове разных
месторождений Урала, для которых разработаны пороговые концентрации. К
сожалению, они неизвестны для никеля, хрома, ванадия, титана, хотя этих
элементов много у растений с никелевых месторождений, некоторых железорудных,
угольных, асбестовых.
Таблица 1
Среднее содержание
микроэлементов в растительном покрове отвалов разных месторождений Урала,
мг/кг сухого вещества
Похожие работы на - Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала
|