Введение

По всему миру расположено огромное количество тепловых станций, которые работают на твердом топливе. Результатом их работы является не только получение необходимой энергии, но и образование частичек золы – несгоревшего остатка, которому сложно найти применение. Поэтому золу вывозят в специально вырытые котлованы, либо она туда поступает вместе с водой по трубам, где накапливается и образует золоотвал [Костин, 2019].

Такие техногенные образования оказывают негативное влияние на природу, ведь маленькие и легкие частички золы легко переносятся ветром и загрязняют воздух, почвы, водоемы на большом расстоянии.

Одной из важнейших характеристик почв является ее кислотность. Кислотность почвы – свойство почвы, обусловленное наличием ионов водорода в почвенном растворе и обменных ионов водорода и алюминия в поглощающем комплексе почвы. Концентрацию ионов водорода выражают через pH – отрицательный десятичный логарифм этой концентрации. Показатель рН оказывает большое влияние на растения и микроорганизмы, которые находятся в почве, в том числе в зольном субстрате. Наиболее комфортные значения рН для большинства растений находятся в диапазоне от 6 до 7,5 [Пасынкова, 1974].

Во время процесса почвообразования на зольном субстрате увеличивается содержание гумусовых веществ, в частности органического углерода, который является одним из самых важных компонентов в почвенной структуре. Концентрация органического углерода зависит от элементов микрорельефа, свойств почвообразующих пород, климатических условий, стадии развития биоценоза, видового состава растений. В молодых почвах на отвалах особенности гранулометрического состава пород также сказываются на накоплении органического углерода. Больше всего он содержится в тяжелосуглинистых почвах, а меньше – в супесях [Махонина, 1990].

Гигроскопической называется вода, которая поглощается почвой из воздуха и выделяется из нее в процессе высушивания при температуре 100–105 °С. Гигроскопическая влага находится в равновесии с водяным паром атмосферы и характеризует влажность воздушно-сухой почвы. Содержание гигровлаги в почве зависит от количества содержащегося в ней перегноя и глинистых частиц и служит косвенным показателем ее гранулометрического состава. Чем больше в ней глинистых частиц, тем выше содержание гигроскопической влаги. Органоминеральные коллоиды адсорбируют на поверхности своих частиц воду из воздуха и потому присутствие коллоидов почвы увеличивает содержание гигроскопической воды. Гигроскопическая влага является доступной для растений [Аринушкина, 1970].

Под гранулометрическим составом почв и почвообразующих пород понимают относительное содержание в почве элементарных почвенных частиц различного диаметра, независимо от их минералогического и химического состава. Гранулометрический состав выражается в виде массовых процентов фракций гранулометрических частиц различного размера [Шеин, 2009].

Одной из самых известных международных классификаций является определение процентного содержания фракций глины (<0,002 мм), пыли (0,002–0,06 мм) и песка (0,06–2 мм) с использованием треугольника Ферре (см. рисунок 1.1). На каждой стороне равностороннего треугольника находят точку с соответствующими значениями фракций песка, пыли и глины и проводят линии, параллельные основанию (для глины), правой и левой сторонам треугольника (для песка и пыли соответственно). На пересечении линий ставят точку, которая обязательно находится в какой-либо области, отвечающей за определенную классификационную группу почв по гранулометрии [Henry, 1990].

Рисунок 1.1 – Треугольник Ферре для классификации почв по гранулометрическому составу [Шеин, 2005]

В российской классификации разделение на фракции более подробное: <0,001 мм – ил, 0,001–0,005 мм – пыль мелкая, 0,005–0,01 мм – пыль средняя, 0,01–0,05 мм – пыль крупная, 0,05–0,25 мм – песок мелкий, 0,25–0,5 мм – песок средний, 0,5–1,0 мм – песок крупный, >1 мм – гравий. Данную классификацию разработал Н.А. Качинский, она основана на определении соотношения содержания физического песка (>0,01 мм) и физической глины (<0,01 мм) [Шеин, 2005]. Например, для почв подзолистого типа было предложено следующее подразделение почв по гранулометрическому составу:

Таблица 1.1 – Классификация почв подзолистого типа по гранулометрическому составу по Н.А. Качинскому [Вадюнина, Корчагина, 1986]

Содержание физической глины (частиц <0,01 мм), % Содержание физического песка (частиц >0,01 мм), % Название почвы по гранулометрическому составу
0–5 100–95 Песок рыхлый
5–10 95–90 Песок связанный
10–20 90–80 Супесь
20–30 80–70 Суглинок легкий
30–40 70–60 Суглинок средний
40–50 60–50 Суглинок тяжелый
50–65 50–35 Глина легкая
65–80 35–20 Глина средняя
>80 <20 Глина тяжелая

Гранулометрический состав почв является важной характеристикой формирования почв, оказывающей влияние на водный, воздушный и тепловой режимы почв и, соответственно, на условия обитания живых организмов, поэтому целью данной работы является выявление особенностей гранулометрического состава молодых почв, формирующихся на золоотвалах.

Для ее достижения решаются следующие задачи:

– получить некоторые физико-химические характеристики техноземов ВТГРЭС под разными растительными сообществами;

– получить характеристики гранулометрического состава почв золоотвалов;

– выявить особенности гранулометрического состава почв, формирующихся на золоотвале ВТГРЭС.

Объекты и методы исследования

Характеристика территории расположения объекта исследования

Золоотвал Верхнетагильской ГРЭС находится в Невьянском районе Свердловской обл., в 5 км от г. Верхний Тагил. Особенностью золоотвала является то, что в зимнее время из-за сильных ветров снег выдувается и мощность снежного покрова составляет всего лишь 20 см.

Золоотвал ВТГРЭС занимает площадь 125 га, высота дамб золы до 25 м, поверхность отвала выровненная. Он образован золой бурых углей Челябинского (Коркинский разрез, Калачевские шахты) и Богословского месторождений.

Исходная зола ВТГРЭС имела супесчаный гранулометрический состав (определяющий ее рыхлость и слабую теплопроводность). Низкая способность песчаных частиц золы удерживать элементы питания и влагу, а также щелочная реакция среды создают неблагоприятные условия для произрастания растений на золоотвале [Chibrik et al., 2016].

В результате самозарастания части поверхности золоотвала примерно за 50 лет на нем сформировались участки с лесной и луговой растительностью.

Методика выполнения работ

Для исследования процессов почвообразования на 50-летнем золоотвале Верхнетагильской ГРЭС были заложены четыре площадки (площадки 1, 2, 3 и 123) под луговыми сообществами и три (площадки 4, 5, 6) – под лесными сообществами. На каждой площадке закладывался почвенный разрез, делалось морфологическое описание формирующихся почв и проводился отбор образцов.

Образцы техногенных почв подготавливались для исследований по стандартной методике. Гранулометрический состав устанавливался методом пипетки по Качинскому.

Результаты и их обсуждение

Как было сказано ранее, для изучения особенностей техноземов, формирующихся на золоотвале ВТГРЭС, были выделены два участка с преобладанием луговых и лесных сообществ, возникших в процессе самозарастания золы. Площадки на луговом участке (1, 2, 3 и 123) были заложены на расстоянии около 50 м друг от друга. Площадки на лесном участке (4, 5, 6) закладывались на расстоянии 100 м друг от друга. На каждой площадке был заложен разрез с аналогичным номером и отобраны образцы техноземов с глубин 0–2, 2–7 и 7–20 см.

Рисунок 3.1 – Профиль технозема лугового участка в разрезе 123–20

Физико-химическая характеристика техноземов ВТГРЭС

Анализ физико-химических характеристик техноземов ВТГРЭС показал, что корреляция между органическим углеродом и гигровлагой почв луговых и лесных участков золоотвала ВТГРЭС достаточно сильная (см. корреляционные матрицы 3.1, 3.2). При уменьшении содержания органического углерода вглубь профиля понижается показатель гигровлаги.

К тому же в каждом горизонте прослеживается зависимость между содержанием органического углерода и рН, а также между рН и гигровлагой (см. корреляционные матрицы 3.3, 3.4, 3.5, 3.6). Корреляция может быть как положительной, так и отрицательной, т.к. рН исходной золы в горизонте С может быть кислой и щелочной - всё зависит от технологии сжигания угля и от разновидности самого топлива, сжигание которого и приводит к образованию золоотвала.

library (tidyverse)
library(readxl)
library(ggplot2)
D5 <- read_excel("Diplom5.xlsx")
D5 %>% 
  select(1, 5:7) %>% 
  filter(Type == "Луг") %>% 
  select(-Type) %>% 
  cor() %>% 
  round(., 2)
##                C    pH Gigrovlaga
## C           1.00 -0.69       0.88
## pH         -0.69  1.00      -0.50
## Gigrovlaga  0.88 -0.50       1.00

Корреляционная матрица 3.1 - Корреляция физико-химических показателей почв луговых участков золоотвала ВТГРЭС

D5 %>% 
  select(1, 5:7) %>% 
  filter(Type == "Лес") %>% 
  select(-Type) %>% 
  cor() %>% 
  round(., 2)
##               C   pH Gigrovlaga
## C          1.00 0.25       0.98
## pH         0.25 1.00       0.26
## Gigrovlaga 0.98 0.26       1.00

Корреляционная матрица 3.2 - Корреляция физико-химических показателей почв лесных участков золоотвала ВТГРЭС

D5 %>% 
  select(3, 5:7) %>% 
  filter(Horizon == "A") %>% 
  select(-Horizon) %>% 
  cor() %>% 
  round(., 2)
##                C    pH Gigrovlaga
## C           1.00 -0.68      -0.23
## pH         -0.68  1.00      -0.56
## Gigrovlaga -0.23 -0.56       1.00

Корреляционная матрица 3.3 - Корреляция физико-химических показателей почв в горизонте А луговых участков золоотвала ВТГРЭС

D5 %>% 
  select(3, 5:7) %>% 
  filter(Horizon == "A0") %>% 
  select(-Horizon) %>% 
  cor() %>% 
  round(., 2)
##                C    pH Gigrovlaga
## C           1.00  0.43      -0.83
## pH          0.43  1.00      -0.86
## Gigrovlaga -0.83 -0.86       1.00

Корреляционная матрица 3.4 - Корреляция физико-химических показателей почв в горизонте А0 лесных участков золоотвала ВТГРЭС

D5 %>% 
  select(3, 5:7) %>% 
  filter(Horizon == "AC") %>% 
  select(-Horizon) %>% 
  cor() %>% 
  round(., 2)
##                C    pH Gigrovlaga
## C           1.00 -0.94      -0.36
## pH         -0.94  1.00       0.59
## Gigrovlaga -0.36  0.59       1.00

Корреляционная матрица 3.5 - Корреляция физико-химических показателей почв в горизонте АС участков золоотвала ВТГРЭС

D5 %>% 
  select(3, 5:7) %>% 
  filter(Horizon == "C") %>% 
  select(-Horizon) %>% 
  cor() %>% 
  round(., 2)
##                C    pH Gigrovlaga
## C           1.00 -0.86      -0.55
## pH         -0.86  1.00       0.89
## Gigrovlaga -0.55  0.89       1.00

Корреляционная матрица 3.6 - Корреляция физико-химических показателей почв в горизонте С участков золоотвала ВТГРЭС

Гранулометрический состав техноземов золоотвала ВТГРЭС

Анализ гранулометрического состава техноземов золоотвала ВТГРЭС показал, что на луговых участках зольный субстрат в горизонте С содержит небольшое количество глинистых частиц (от 8 до 18 %) и представляет собой песок связанный или супесь (см. рисунок 3.2). Расположенный над ним переходный горизонт АС содержит немного большее количество глинистых частиц, изменяющееся от 12 до 16 %. В гумусовом горизонте А содержание частиц <0,01 мм максимальное в профиле (от 31 до 38 %), мелкозем этого горизонта во всех разрезах представлен суглинком средним. Увеличение содержания глинистых частиц в верхних горизонтах техноземов луговых участков происходит за счет роста количества всех фракций – ила, мелкой и средней пыли.

Содержание песчаных частиц в рассматриваемых разрезах в горизонтах С и АС содержится в одинаковых пределах от 60 до 86 %. В гумусовом горизонте количество частиц >0,01 мм значительно меньше и варьирует в более узких пределах от 50 до 58 %. Среди фракций физического песка во всех почвах лугового участка доминирует мелкий песок, составляя 30–67 % от общего количества фракций. В гумусовом горизонте меньшее представительство имеет фракция крупной пыли (от 13 до 17 %), в наименьших количествах (2–7 %) представлена фракция среднего песка.

Исследование показало, что за 50 лет формирования почв на луговых участках ВТГРЭС произошло увеличение количества глинистых частиц в верхних горизонтах техноземов, в результате чего в гумусовых горизонтах на 2 градации изменилась текстура с супеси на суглинок средний, что соответствует более благоприятным условиям для произрастания растений.

D2 <- read_excel("Diplom2.xlsx")
D2 %>% transmute(Cut, Depth, a1 = 0, a2 = D2$`Loss from HCl`, 
                    b1 = a2, 
                    b2 = a2+D2$`1,0–0,25 mm`, 
                    c1 = b2, 
                    c2 = b2+D2$`0,25–0,05 mm`, 
                    d1 = c2, 
                    d2 = c2+D2$`0,05–0,01 mm`,
                    e1 = d2,
                    e2 = d2+D2$`0,01–0,005 mm`,
                    f1 = e2,
                    f2 = e2+D2$`0,005–0,001 mm`,
                    g1 = f2,
                    g2 = f2+D2$`<0,001 mm`) %>% 
  pivot_longer(names_to = "var", values_to = "val", 
               -c("Cut", "Depth")) %>% 
  group_by(Cut, Depth) %>% 
  transmute(val = val/max(val)*100, 
            fraqtion = substr(var, 1, 1), 
            y = paste0("y", substr(var, 2,2))) %>% 
  ungroup() %>% 
  left_join(data.frame(Depth = c("0–2", "2–7", "7–20"), 
                       Глубина = 3:1), by = "Depth") %>% 
  left_join(data.frame(Фракция = c("Loss from HCl", "1,0–0,25 mm",
                                    "0,25–0,05 mm", "0,05–0,01 mm",
                                    "0,01–0,005 mm", "0,005–0,001 mm",
                                    "<0,001 mm"), 
                       fraqtion = letters[1:7]), by = "fraqtion") %>%
  pivot_wider(names_from = y, values_from = val) %>% 
  ggplot(aes(x = Глубина, ymin = y1, ymax = y2, fill = Фракция)) +
  geom_ribbon(color = "black", size = 0.1) + 
  facet_wrap(~Cut) +
  coord_flip() + 
  scale_x_continuous(breaks = 1:3, labels = c("7–20", "2–7", "0–2")) +
  theme_classic()

Рисунок 3.2 – Изменение показателей гранулометрического состава по профилю золоотвала ВТГРЭС

Анализ гранулометрического состава техноземов золоотвала ВТГРЭС показал, что на лесных участках количество глинистых частиц в горизонте С составляет 11–21 % (см. рисунок 3.2). Во всех разрезах в горизонте АС по сравнению с горизонтом С содержание частиц <0,01 мм увеличивается, но в разных пропорциях, и составляет от 21 до 39 %. Горизонт С представлен в двух разрезах супесью, в одном – легким суглинком, а горизонт АС – легким и средним суглинком, т.е. имеет более тяжелый гранулометрический состав. Увеличение содержания глинистых частиц в верхних горизонтах техноземов лесных участков происходит за счет роста количества всех фракций <0,01 мм (ила, мелкой и средней пыли).

В горизонте С среднее содержание песчаных частиц составляет 77,2±15,5 %, в горизонте АС оно снижено по сравнению с породой и составляет 67,1±8,7 %. Среди фракций физического песка во всех разрезах лесного участка максимальное значение имеет мелкий песок, который составляет от 26 до 73 % от общего количества фракций. Гораздо меньшие показатели у крупной пыли (10–31 %) и среднего песка (1–6 %).

За 50 лет формирования почв на лесных участках ВТГРЭС, также как на луговых, произошло увеличение количества глинистых частиц в горизонте АС техноземов с переходом его текстуры в двух разрезах на 1–2 градации.

Таким образом, техноземы луговых и лесных участков золоотвала ВТГРЭС характеризуются исходным супесчаным или песчаным составом мелкозема горизонта С с преобладанием мелкого песка. Формирующиеся горизонты АС и А под луговой растительностью и АС под лесной растительностью характеризуется увеличением содержания глинистых частиц за счет роста количества всех фракций частиц с диаметром <0,01 мм – ила, мелкой и средней пыли.

Выводы

Изучение техноземов луговых и лесных растительных сообществ, сформировавшихся в процессе самозарастания на 50-летнем золоотвале Верхнетагильской ГРЭС, дало возможность установить их особенности и сделать следующие выводы:

  1. Наблюдается сильная корреляция между органическим углеродом и гигровлагой почв луговых и лесных участков золоотвала ВТГРЭС.

  2. В каждом горизонте прослеживается зависимость между содержанием органического углерода и рН, и между рН и гигровлагой.

  3. Техноземы луговых и лесных участков золоотвала ВТГРЭС формируются на зольном субстрате супесчаного или песчаного состава с преобладанием фракции мелкого песка.

  4. В горизонтах АС и А под луговой растительностью и АС под лесной в процессе почвообразования на золоотвале происходит увеличение содержания глинистых частиц по сравнению с зольным субстратом за счет роста количества всех фракций частиц с диаметром <0,01 мм – ила, мелкой и средней пыли.

Таким образом, за 50 лет изученные нами морфологические и физико-химические показатели молодых почв, формирующихся на луговых и лесных участках золоотвала ВТГРЭС, изменились в более благоприятную для живых организмов сторону.

Список использованных источников и литературы

1 Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. – М. : МГУ, 1970. – 488 с.

2 Вадюнина А. Ф., Корчагина З. А. Методы исследования физических свойств почв // Агропромиздат. – 1986. – Т. 416. – С. 7.

3 Костин А. С. Свойства почв на самозарастающих участках золоотвала Шатурской ГРЭС (Московская обл.) // Экологические проблемы промышленных городов. – 2019. – С. 48–51.

4 Махонина Г. И. Скорость гумусонакопления на самозарастающих отвалах Урала // Растения и промышленная среда. – Свердловск : УрГУ, 1990. – № 13. – С. 22–33.

5 Пасынкова М. В. Зола углей как субстрат для выращивания растений // Растения и промышленная среда. – Свердловск : УрГУ, 1974. – С. 29–44.

6 Шеин Е. В. Гранулометрический состав почв: проблемы методов исследования, интерпретации результатов и классификаций // Почвоведение. – 2009. – №. 3. – С. 309–317.

7 Шеин Е. В. Курс физики почв. – М. : МГУ, 2005. – 432 с.

8 Chibrik, T. S., Lukina, N. V., Filimonova, E. I., Glazyrina, M. A., Rakov, E. A., Maleva, M. G., & Prasad, M. N. V. Biological Recultivation of Mine Industry Deserts: Facilitating the Formation of Phytocoenosis in the Middle Ural Region, Russia // Bioremediation and Bioeconomy / Ed. by M.N.V. Prasad. – Elsevier, 2016. – Р. 730.

9 Henry D. F. Fundamentals of soil science. – Michigan State University. – 1990. – P. 360.