Гомеостаз и естественное развитие сернокислых геокомплексов лесостепных ландшафтов на пассивной стадии горнодобывающего техногенезаНИР

Homeostasis and natural development of acid wastewater geocomplexes in forest-steppe landscapes at the inactive stage of mining technogenesis

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 18 ноября 2019 г.-30 ноября 2020 г. Гомеостаз и естественное развитие сернокислых геокомплексов лесостепных ландшафтов на пассивной стадии горнодобывающего техногенеза
Результаты этапа: В рамках первого года реализации Проекта изучены условно фоновые автономные ландшафты водоразделов и подчиненные ландшафты днищ балок, а также (природно-) антропогенные ландшафты четырех ключевых участков Подмосковного буроугольного бассейна (ПБУБ), где представлены разные стадии гомеостаза природно-техногенных ландшафтов: 1. конический отвал, террикон (Участок «Ильинка»), 2. спланированный отвал «Владимировка», 3. несколько лет назад рекультивированный и фитомелиорированный отвал «Синяевка», 4. рекультивированный и фитомелиорированный несколько десятков лет назад отвал в районе г. Узловая. В рамках первого года реализации проекта проведены: аэрофотосъемка объектов, геолого-геоморфологические исследования, геофизические исследования, геоботанические исследования с отбором проб для определения надземной фитомассы, а также химического состава фракций травяно-кустарничкового яруса, почвенно-геохимические исследования с почвенным опробованием для дальнейшего анализа физико-химических и биохимических параметров, элементного состава и состава микробиома, сопряженные сезонные наблюдения за целлюлозолитической активностью и температуры почв in situ (с помощью датчиков IBUTTON) в корнеобитаемом слое 0 – 10 см, сезонные гидрохимические исследования с опробованием поверхностных вод на терриконах и отвалах, в зоне их влияния и на фоновых территориях. Выполнен полный спектр работ по пробоподготовке почв и растений к дальнейшим аналитическим исследованиям, а также покомпонентный анализ полученных данных. В рамках следующего года планируется выполнить сопряженный анализ всех полученных результатов, а также провести полевой эксперимент по моделированию воздействия сернокислых стоков на состояние компонентов мезофитного луга. В два периода (зима и лето) выполнена детальная аэрофотосъемка с беспилотного летательного аппарата трех ключевых участков с наземной сетью опорных точек привязки, что позволило оценить динамику эрозионно-аккумулятивных процессов на терриконах и отвалах и их ближайшей периферии. Со склонов нерекультивированного террикона менее чем за год только за счет линейной эрозии, без учета плоскостного смывам вынесено более 1000 м3 грунта, значительная часть наиболее тонких фракций которого достигает окружающих сельскохозяйственных угодий. Оценка с помощью ГИС-технологий подтверждается данными бурения в аккумулятивных позициях (сопоставимый по порядку величин прирост объемов конусов выноса), хотя последние требуют дальнейшего уточнения за счет увеличения количества заверочных скважин. Сопряженный анализ материалов бурения и геофизических наблюдений на участке делювиального шлейфа участка «Ильинка» позволил выявить границы распространения перемещенного с террикона субстрата, погребенной почвы и четвертичных отложений, составить карту мощностей наносов шлейфа в пределах изучаемого участка. На вершинах терриконов и отвалов угольных шахт распространены кислые (рН 2,4 – 3,6), обогащенные по всему профилю сульфатами (до 474 мг/100 г) и углеродом (8,6-16,9%) токсилитостраты. В случае пирогенной трансформации за счет уменьшения токсичности они превращаются в литостраты, обладающие нейтральной реакцией среды, обедненные сульфатами и органическим углеродом. На делювиальных и пролювиальных шлейфах формируются двучленные почвы – токсистратоземы. Их верхняя часть представлена токсичным, средне-сильнокислым наносом (рН 3,4-5,1), обедненным относительно токислитостратратов сульфатами (3,9 мг/100 г). Гумусовый горизонт погребенных почв относительно природных подкисляется и обогащается сульфатами. В результате фитомелиорации созданы реплантаземы, состоящие из насыпного субстрата и плодородного горизонта природных почв. За тридцать лет посттехногенного саморазвития рассматриваемых терриконов и отвалов угольных шахт наиболее существенно трансформировался фракционно-групповой состав тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) гумусового горизонта почв, погребенных перемещенным техногенным субстратом и испытывающих воздействие сернокислых вод. В горизонте В погребенных черноземов и лугово-черноземных почв появляются первые признаки трансформации естественного баланса подвижных форм ТММ, а породы остались не измененными по этому показателю. Исходя из полученных данных можно говорить о том, что фракционно-групповой состав ТММ в черноземах является показателем уровня «почва-память», а не «почва-момент»: интегрально отражает педогенную трансформацию материнских пород и медленно меняется при смене условий почвообразования. В зоне воздействия терриконов и отвалов угольных шахт выявлена относительно благоприятная ситуация по содержанию подвижных форм соединений ТММ. Относительно существующих российских нормативов выявлены превышения предельно допустимых концентрациях (ПДК) в нескольких пробах. Наиболее неблагоприятная ситуация складывается в почвах днища балки, куда поступают сернокислые стоки и твердофазный материал с нерекультивированного террикона. Здесь в корнеобитаемом слое до 2 раз превышены ПДК Mn, Co, Ni, Zn. Геоботанические данные собраны на 4 ключевых участках (нерекультивированный террикон, спланированный отвал, 2 фитомелиорированных отвала разного возраста). По прошествии 30 и более лет самовосстановления сложные фитоценозы, наиболее близкие к природным сообществам, выделяются только на фитомелиорированых и, в меньшей степени, на спланированных отвалах. В данной стадии саморазвития флористическая насыщенность, общее проективное покрытие и надземная фитомасса соответствует фоновым фитоценозам соответствующих типов. На спланированном отвале относительно нерекультивированного значительно быстрее восстанавливаются фитоценотические характеристики. В случае фитомелиорированного отвала не менее успешно протекает растительная сукцессия на задернованной части. В то же время у подножия фитомелиорированного отвала формируются делювиально-пролювиальные шлейфы, зарастание которых немногим успешнее шлейфов нерекультивированного террикона. Выполненная ординация геоботанических описаний подтверждает наличие ранее выделенного «лесного» и «лугового» пути развития сообществ на терриконах наравне с наиболее успешным промежуточным вариантом, фактором определения которого предположительно является поступление кислых стоков с террикона. По итогам ординации не выявлено специфических индикаторов кислотного воздействия среди видов травяно-кустарничкового яруса. Несколько большую устойчивость по сравнению с типично луговыми видами демонстрируют виды широкой экологической амплитуды. К сообществам, формирующимся в условиях сернокислых стоков, в наибольшей степени приурочены Agrostis sp., Arctium tomentosum, Erigeron canadensis, Hieracium umbellatum, Solidago сanadensis. Наиболее токсичные и поэтому незадернованные или с пионерными группировками растительности почвы отвалов и делювиально-пролювиальных шлейфов характеризуются минимальной биологической активностью верхнего 10 см слоя. В почвах делювиальных шлейфов биологическая активность возрастает по мере увеличения сомкнутости травяно-кустарничкового яруса. Микробиологическая активность стратоземов под стихийно развивающихся ландшафтов пролювиальных шлейфов сопоставима с уровнем, характерным для фоновых лугово-черноземных почв, что связано с интенсивной трансформацией токсичных компонентов при перемещении наносов и определяет положение этих ландшафтов на более зрелых стадиях саморазвития. Интенсивность целлюлозолитической активности в природных, природно-техногенных и техногенных геокомплексах минимальна зимой, возрастает весной с максимумом в июне – августе и снижается осенью. В природных почвах, а также незадернованных почвах и техногенных поверхностных образованиях биологическая активность максимальна в июле-августе. В задернованных сконструированных слаборазвитых почвах отвалов и токсистратоземах пролювиальных шлейфов пик целлюлозолитической активности смещен на месяц раньше (июнь – июль). По данным наблюдений за температурой почвы in situ установлено, что поверхностный горизонт токсилитостратов лучше прогревается, чем субстрат литостратов и гумусовый горизонт фоновых черноземов, в среднем на 5°C (p-value<0,05). Также выявлено существенное отличие температуры от фоновых черноземов в дерновой примитивной и слаборазвитой почве. В то же время нет достоверных отличий температурного режима между: черноземами и литостратами, токсилитостратами разных участков, между токсистатоземами под разной растительностью. Трансформация химических свойств поверхностных вод, испытывающих техногенное воздействие связано с их подкислением (p-value<0,02), увеличением электропроводности (<0,02) и содержания Mg2+ (0,04), Ca2+ (0,02). Наибольшая сезонная вариабельность свойственна содержанию сульфатов, концентрация которых максимальна весной, минимальная – величине рН. Микроэлементный состав вод в зоне воздействия сернокислых стоков принципиально отличается от вод условно фоновых территорий. Значимые отличия отсутствуют лишь в отношении содержания Na, Si, K, V, Pb. Благодаря первому пруду-отстойнику во втором существенно снижается (до уровней, значимо не отличающихся от фоновых) содержание Be, Cr и Fe. В прудах-отстойниках концентрация Al, Cu, Ba сопоставима с фоновыми водоемами и водотоками. По остальным анализируемым элементам (Li, Be, C, Mg, S, Ca, Ti, Mn, Co, Ni, Zn, Sr, Cd) наблюдаются существенные отличия от фоновых уровней. Таким образом, экосистемы в зонах распространения твердофазного материала и сернокислых стоков испытывают существенное влияние высоко минерализованными растворами, насыщенными потенциально токсичными элементами.
2 1 декабря 2020 г.-2 ноября 2021 г. Гомеостаз и естественное развитие сернокислых геокомплексов лесостепных ландшафтов на пассивной стадии горнодобывающего техногенеза
Результаты этапа: По результатам проекта получены новые сведения, характеризующие актуальное состояние сернокислых геокомплексов лесостепных ландшафтов модельной территории (Тульская область, Киреевский район, окрестности г. Киреевск) (Рисунок 1). Во время реализации проекта выполнен запланированный перечень исследований. В зонах влияния терриконов и отвалов угольных шахт проведены: детальный морфометрический анализ терриконов и отвалов (3-х ключевых участков), опробование почвы, растительность, поверхностных и фильтрационных вод (14 мониторинговых площадок; по сезонам), натурные наблюдения за сезонной динамикой состояния микробоценоза. В отобранных пробах компонентов экосистем проведены химические и биохимические исследования. В рамках проекта поставлен полевой модельный эксперимент по установлению последствий влияния кислотных компонентов на состояние лесостепных ландшафтов Среднерусской лесостепи. Кислые дренажные воды, текущие с исследованных терриконов и отвалов, представляют опасность прежде всего по содержанию Al, Cd, Fe, Mn и сульфатов, содержание которых превышает предельно допустимые концентрации для источников питьевого водоснабжения в абсолютном большинстве проб и в меньшей степени – Co, Mg, P. Единичные превышения нормативов отмечены по Cr, Na, Pb, Si, V, Zn. Пространственная вариабельность изученных поверхностных вод увеличивается в ряду (по значениям коэффициента вариации, %): величина рН (11)< электропроводность, содержание щелочных и щелочно-земельных металлов, а также сульфатов и хлоридов (30 – 55) < Pb, S, Cr, Ti, Ni, B, Cd, Si, Co, Mn, Be и аммония (60 – 90) < Cu, Zn, Li, Fe, Al, V и нитратов (105 – 150). Максимальное воздействие кислых дренажных вод (по повышенному содержанию потенциально токсичных элементов и электропроводности и наименьшей величине рН) на прилегающие экосистемы наблюдается в весенний период, когда материал террикона промывается атмосферными водами от продуктов преобразования складированных пород, сформировавшихся в зимнее время, когда вода на поверхности техногенных форм рельефа замерзает. Данные детальной ежегодной аэрофотосъемки за 2019-2021 гг. на участке «Ильинка» с беспилотного летательного аппарата с наземной сетью опорных точек привязки позволили построить разностную цифровую модель рельефа (для выделенного центрального участка без растительности) и оценить динамику эрозионно-аккумулятивных процессов. Со склонов нерекультивированного террикона менее чем за год, только за счет линейной эрозии, без учета плоскостного смыва, было вынесено более 1000 м3 рыхлого материала. При этом крупные фракции наносов откладываются, в основном, в пролювиальных конусах и шлейфах (объем только одного, наиболее крупного, конуса выноса за 2019-2020 г. вырос примерно на 400 м3). Однако значительная часть тонких, наиболее загрязненных соединениями серы фракций, достигает окружающих сельскохозяйственных угодий. Материал пород на поверхности нерекультивированных терриконов и отвалов содержит высокие концентрации серы (в среднем 9266 мг/кг). В ходе проведенного исследования установлено, что масса перемещенного рыхлого материала с террикона на поверхность шлейфа составила 1192,5 т/год в составе которого содержится 11049 кг серы. Содержание элементов и фракционно-групповой состав тяжелых металлов и металлоидов в почвах, сформировавшихся на поверхности отвалов и терриконов и у их подножья, существенно отличается на исследованных объектах. На основе радиальной почвенно-геохимической структуры обследованные почвы можно объединить в 4 группы: (токси)литостраты (Technosols) незадернованной поверхности конического отвала, (токси)стратоземы (Regosols over Phaeozems) подножья террикона под разнообразной растительностью, примитивные почвы (Regosols) поверхности спланированного отвала под простыми фитоценозами, фоновые черноземы (Chernozems). Радиальная почвенно-геохимическая структура (токси)литостратов характеризуется равномерным профильным распределением Сорг и высокой вариабельностью содержания большинства элементов и их подвижных форм за счет неоднородности вскрышных пород тела террикона. Радиальная почвенно-геохимическая структура (токси)стратоземов связана с высоким содержанием Сорг по всему почвенному профилю (и особенно в принесенном с тела террикона материале) за счет загрязнения угольной пылью и пониженным содержанием большинства элементов и их подвижных форм относительно почвообразующих лессовидных суглинков. Радиальная почвенно-геохимическая структура примитивных почв спланированного и рекультивированного отвала заключается в следующем: при высокой вариабельности содержания гранулометрических фракций и величины рН в верхней части почвы понижено содержание Сорг, сульфатов и электропроводности, что и отражает первичное почвообразование (освобождение от сульфатного засоления и окисления угольной пыли), и отдельных подвижных форм элементов на фоне в целом, достаточно стохастичного распределения большинства показателей элементного состава. Перемещение вскрышных пород с тела терриконов сопровождается снижением содержания четырех изученных подвижных форм и валового Ca, а также подвижных форм и валовой S. Задерновывание материала шлейфов приводит к сближению фракционно-группового состава биогенных элементов к варианту, наблюдаемому в гумусовом горизонте фоновых черноземов. Поступление сернокислых растворов в гумусовый горизонт чернозема приводит к увеличению содержания подвижных форм и валовой S и водорастворимого Ca2+. При этом уменьшается содержание подвижного и валового Mn. За тридцать лет посттехногенного саморазвития рассматриваемых терриконов и отвалов угольных шахт наиболее существенно трансформировался фракционно-групповой состав ТММ гумусового горизонта почв, погребенных перемещенным техногенным субстратом и испытывающих воздействие сернокислых вод. В горизонте В погребенных черноземов и лугово-черноземных почв появляются первые признаки трансформации естественного баланса подвижных форм ТММ, а породы остались не измененными по этому показателю. Исходя из полученных данных можно говорить о том, что фракционно-групповой состав ТММ в черноземах является показателем уровня «почва-память», а не «почва-момент»: интегрально отражает педогенную трансформацию материнских пород и медленно меняется при смене условий почвообразования. Двухлетние наблюдения за показателем ЦА-активности почв показали, что почвы зон влияния терриконов угольных образуют 3 группы. Очень слабое ЦА-разрушение характерно для токсилитостратов, литостратов отвалов и терриконов, а также незадернованных токсистратоземов делювиальных шлейфов. Токсистратоземы делювальных шлейфов отличаются слабой степенью ЦА-разрушения. Для реплантаземов фитомелиорированных отвалов, а также дерновых слаборазвитых почв на спланированных отвалах характерна средняя степень. Сильная биологическая активность свойственна стратоземам пролювиальных шлейфов и природным почвам района исследования. Результаты модельного эксперимента по загрязнению природных почв кислотными растворами показали, что кратковременное внесение загрязнителя не приводит к уменьшению интенсивности разрушения ЦА, а, наоборот, приводит к ее интенсификации. Биологическая активность по показателю биологического потребления кислорода в почвах ландшафтов зон влияния терриконов и отвалов угольных шахт минимальна (в десятки раз ниже природных значений), в поверхностных горизонтах токсилитостратов, литостратов, незадернованных токсистратоземов, а также пахотных черноземов, формирующихся в зонах воздействия фильтрационных вод с террикона. Потенциальная биохимическая окислительная способность возрастает по мере увеличения степени задернованности токсистратоземов и в дерновых примитивных почвах. В поверхностных горизонтах стратоземов БПК сопоставимо с фоновым уровнем. На уровне типов и семейств состав микробиома изученных почв отвалов, террикона, шлейфов и фоновых территорий отличается слабо: преобладают представители типов Acidobacteriota, Actinobacteriota, Chloroflexi, Proteobacteria и в нижних горизонтах природных почв – Gemmatimonadota. По характерным семействам наблюдается более дифференцированная картина. Так, в незадернованных (токси)литостратах нерекультивированного террикона повышено участие представителей семейств Acetobacteraceae и Acidomicrobiaceae. В погребенных черноземах увеличивается участие Gemmatinobacteriaceae. Спектры бактериальных семейств в молодых почвах спланированного отвала и фитомелиорированного отвала близки к выявленному в природных почвах, что связано с колонизацией новых территорий из ближайших окрестностей. На уровне родов индикаторными являются Bryobacter и Candidatus Solibacter, которые практически отсутствуют в техногенном субстрате. Кислотное воздействие на биохимическое окисление также показано и по результатам внутрипрофильного изменения БПК в почвах природно-техногенных ландшафтов. Установлено, что в погребенных гумусовых горизонтах значение показателя меньше природных аналогов. При этом интенсивность изменения показателя варьирует в зависимости от удаления от источника воздействия. Наибольшее изменение БПК погребенного горизонта установлено на большем удалении от терриконов, что обусловлено переносом в эти позиции в большей степени растворов с повышенной концентрацией водорастворимых ионов водорода, а не твердофазного стока, обогащенного органическим веществом. Результаты модельного эксперимента показали, что установившийся уровень БПК при кратковременном внесении загрязнителя приводит к уменьшению БА по БПК и сопоставимости значений с погребенным гумусовым горизонтом почв зон влияния терриконов угольных шахт. При этом достигнутое уменьшение БА в 10 раз ниже, чем в почвах испытывающих кислотное воздействии в настоящее время. В рамках геоботанических исследований охарактеризованы стадии сукцессии растительного покрова различных типов отвалов. Флористическая насыщенность в ходе самозарастания неуклонно повышается и достигает значений, соответствующих фоновым, уже на стадии сложного фитоценоза, а ОПП в некоторых случаях (в луговых вариантах) – уже на стадии простого фитоценоза. Средние запасы фитомассы травяно-кустарничкового яруса в простых, сложных фитоценозах и (суб)фоновых сообществах в основном колеблются в интервале от 100 до 200 г/м2 с максимумом 400 г/м2, для пионерных группировок чаще всего 10-30 г/м2. По результатам непрямой ординации описаний растительности по алгоритму NMDS сообщества достаточно хорошо разделяются на 4 кластера. Главное направление сукцессии в значительной мере сопряжено с кластером, включающим культурфитоценозы, что свидетельствует о важности процессов фитомелиорации для восстановления экосистем в районах угледобычи. Ожидаемо наименее успешно сукцессия протекает поверхности делювиально-пролювиальных шлейфов. Пионерные группировки и простые фитоценозы на спланированном отвале в большинстве случаев значительно отличаются от аналогичных сообществ на шлейфах нерекультивированных терриконов, входя в состав другого кластера вместе с частью фоновых сообществ. Фоновые сообщества разделились на 2 группы соответственно подтипу сообщества («лес» / «луг») и практически не пересекаются с описаниями, выполненными на отвалах, что свидетельствует о значительной разнице флористического состава и структуры сообществ, формирующихся на отвалах угледобычи, по отношению к сообществам фоновых территорий, и о том, что срока саморазвития растительности на отвалах ПБУБ после окончания отсыпки (30 и более лет) недостаточно для формирования зональной растительности даже для луговых сообществ. Наблюдаемое разделение на кластеры соответствует ранее сформулированным представлениям о «лесном» и «луговом» вариантах развития сообществ на терриконах ПБУБ (Леднев и др., 2020). Установлена относительная стабильность элементного состава надземных органов березы, что может быть отражением наличия эффективных физиологических барьеров, позволяющих ей произрастать в относительно экстремальных условиях на поверхности терриконов и отвалов угольных шахт, а также прилегающих к ним шлейфах, где другие растения не столь успешны. Элементный состав травянистых растений на отвалах и шлейфах резко отличался от наблюдаемого на фоне. Причем контрастность наблюдаемой дифференциации снижалась от разнотравья к злаковым и хвощам. В течение вегетационного сезона 2021 г. выполнены полевые эксперименты по воздействию кислотных стоков на луговую растительность в автономной (на водоразделе) и подчинённой (в балке) ландшафтных позициях. Установлено, что использованные варианты нагрузки кислоты с моделированием pH 1,8 не привели к статистически значимым изменениям флористической насыщенности сообществ. Однако, согласно полученным данным о видовом составе экспериментальных площадок в течение сезона, наблюдается тенденция к снижению числа постоянно сохраняющихся в составе сообщества видов. В отношении общего проективного покрытия (ОПП) статистически достоверный рост до 20-25% по итогам эксперимента характерен для сообщества в автономной ландшафтной позиции; в подчинённой ландшафтной позиции, напротив, наблюдается резкое снижение ОПП вследствие отмирания части фитомассы вида-доминанта Alopecurus pratensis. В качестве причины роста ОПП можно рассматривать как повышение доступности элементов питания в результате изменения pH, так и улучшенный водный режим (в автономной ландшафтной позиции) за счёт обильного внесения воды в ходе эксперимента. Гибель доминанта сообщества в подчинённой ландшафтной позиции, вероятно, обусловлена чувствительностью его корневых систем к кислотному воздействию. Анализ состояния отдельных видов к концу эксперимента по сравнению началом выявил достоверное увеличение проективного покрытия Dactylis glomerata и Poa angustifolia для автономной позиции, которое может быть вызвано повышением доступности элементов питания при поступлении кислоты. В целом сравнительно незначительные (в большинстве случаев) изменения в составе сообществ могут свидетельствовать о том, что продолжительность воздействия (актуальная в случае терриконов, не рекультивируемых десятилетиями) может быть ключевым фактором изменения почвенно-растительного покрова. Сукцессия сообществ на терриконах происходит путём постепенной (без скачкообразных изменений от одной стадии к другой) смены видового состава. Наибольшее число видов обнаружено на стадии простого фитоценоза, что, вероятно, связано с менее жёсткими эдафическими условиями, чем на первой стадии, но меньшим влиянием конкуренции, чем на последующих. Способность пионерных видов произрастать в фоновых сообществах зависит от быстро эволюционирующих признаков. Наибольшее проективное покрытие в пределах одной площадки на стадии пионерных сообществ дают Клеверные и Злаки, в то время как встречаемость на разных площадках этой же стадии не имеет филогенетической кластеризации. Выявление особенностей восстановления растительных сообществ на угольных отвалах важно для разработки эффективных методик фиторемедиации. Кроме того, такие исследования вносят вклад в более глубокое понимание процесса вторичной сукцессии.
3 3 ноября 2020 г.-1 декабря 2021 г. Гомеостаз и естественное развитие сернокислых геокомплексов лесостепных ландшафтов на пассивной стадии горнодобывающего техногенеза
Результаты этапа: По результатам проекта получены новые сведения, характеризующие актуальное состояние сернокислых геокомплексов лесостепных ландшафтов модельной территории (Тульская область, Киреевский район, окрестности г. Киреевск) (Рисунок 1). Во время реализации проекта выполнен запланированный перечень исследований. В зонах влияния терриконов и отвалов угольных шахт проведены: детальный морфометрический анализ терриконов и отвалов (3-х ключевых участков), опробование почвы, растительность, поверхностных и фильтрационных вод (14 мониторинговых площадок; по сезонам), натурные наблюдения за сезонной динамикой состояния микробоценоза. В отобранных пробах компонентов экосистем проведены химические и биохимические исследования. В рамках проекта поставлен полевой модельный эксперимент по установлению последствий влияния кислотных компонентов на состояние лесостепных ландшафтов Среднерусской лесостепи. Кислые дренажные воды, текущие с исследованных терриконов и отвалов, представляют опасность прежде всего по содержанию Al, Cd, Fe, Mn и сульфатов, содержание которых превышает предельно допустимые концентрации для источников питьевого водоснабжения в абсолютном большинстве проб и в меньшей степени – Co, Mg, P. Единичные превышения нормативов отмечены по Cr, Na, Pb, Si, V, Zn. Пространственная вариабельность изученных поверхностных вод увеличивается в ряду (по значениям коэффициента вариации, %): величина рН (11)< электропроводность, содержание щелочных и щелочно-земельных металлов, а также сульфатов и хлоридов (30 – 55) < Pb, S, Cr, Ti, Ni, B, Cd, Si, Co, Mn, Be и аммония (60 – 90) < Cu, Zn, Li, Fe, Al, V и нитратов (105 – 150). Максимальное воздействие кислых дренажных вод (по повышенному содержанию потенциально токсичных элементов и электропроводности и наименьшей величине рН) на прилегающие экосистемы наблюдается в весенний период, когда материал террикона промывается атмосферными водами от продуктов преобразования складированных пород, сформировавшихся в зимнее время, когда вода на поверхности техногенных форм рельефа замерзает. Данные детальной ежегодной аэрофотосъемки за 2019-2021 гг. на участке «Ильинка» с беспилотного летательного аппарата с наземной сетью опорных точек привязки позволили построить разностную цифровую модель рельефа (для выделенного центрального участка без растительности) и оценить динамику эрозионно-аккумулятивных процессов. Со склонов нерекультивированного террикона менее чем за год, только за счет линейной эрозии, без учета плоскостного смыва, было вынесено более 1000 м3 рыхлого материала. При этом крупные фракции наносов откладываются, в основном, в пролювиальных конусах и шлейфах (объем только одного, наиболее крупного, конуса выноса за 2019-2020 г. вырос примерно на 400 м3). Однако значительная часть тонких, наиболее загрязненных соединениями серы фракций, достигает окружающих сельскохозяйственных угодий. Материал пород на поверхности нерекультивированных терриконов и отвалов содержит высокие концентрации серы (в среднем 9266 мг/кг). В ходе проведенного исследования установлено, что масса перемещенного рыхлого материала с террикона на поверхность шлейфа составила 1192,5 т/год в составе которого содержится 11049 кг серы. Содержание элементов и фракционно-групповой состав тяжелых металлов и металлоидов в почвах, сформировавшихся на поверхности отвалов и терриконов и у их подножья, существенно отличается на исследованных объектах. На основе радиальной почвенно-геохимической структуры обследованные почвы можно объединить в 4 группы: (токси)литостраты (Technosols) незадернованной поверхности конического отвала, (токси)стратоземы (Regosols over Phaeozems) подножья террикона под разнообразной растительностью, примитивные почвы (Regosols) поверхности спланированного отвала под простыми фитоценозами, фоновые черноземы (Chernozems). Радиальная почвенно-геохимическая структура (токси)литостратов характеризуется равномерным профильным распределением Сорг и высокой вариабельностью содержания большинства элементов и их подвижных форм за счет неоднородности вскрышных пород тела террикона. Радиальная почвенно-геохимическая структура (токси)стратоземов связана с высоким содержанием Сорг по всему почвенному профилю (и особенно в принесенном с тела террикона материале) за счет загрязнения угольной пылью и пониженным содержанием большинства элементов и их подвижных форм относительно почвообразующих лессовидных суглинков. Радиальная почвенно-геохимическая структура примитивных почв спланированного и рекультивированного отвала заключается в следующем: при высокой вариабельности содержания гранулометрических фракций и величины рН в верхней части почвы понижено содержание Сорг, сульфатов и электропроводности, что и отражает первичное почвообразование (освобождение от сульфатного засоления и окисления угольной пыли), и отдельных подвижных форм элементов на фоне в целом, достаточно стохастичного распределения большинства показателей элементного состава. Перемещение вскрышных пород с тела терриконов сопровождается снижением содержания четырех изученных подвижных форм и валового Ca, а также подвижных форм и валовой S. Задерновывание материала шлейфов приводит к сближению фракционно-группового состава биогенных элементов к варианту, наблюдаемому в гумусовом горизонте фоновых черноземов. Поступление сернокислых растворов в гумусовый горизонт чернозема приводит к увеличению содержания подвижных форм и валовой S и водорастворимого Ca2+. При этом уменьшается содержание подвижного и валового Mn. За тридцать лет посттехногенного саморазвития рассматриваемых терриконов и отвалов угольных шахт наиболее существенно трансформировался фракционно-групповой состав ТММ гумусового горизонта почв, погребенных перемещенным техногенным субстратом и испытывающих воздействие сернокислых вод. В горизонте В погребенных черноземов и лугово-черноземных почв появляются первые признаки трансформации естественного баланса подвижных форм ТММ, а породы остались не измененными по этому показателю. Исходя из полученных данных можно говорить о том, что фракционно-групповой состав ТММ в черноземах является показателем уровня «почва-память», а не «почва-момент»: интегрально отражает педогенную трансформацию материнских пород и медленно меняется при смене условий почвообразования. Двухлетние наблюдения за показателем ЦА-активности почв показали, что почвы зон влияния терриконов угольных образуют 3 группы. Очень слабое ЦА-разрушение характерно для токсилитостратов, литостратов отвалов и терриконов, а также незадернованных токсистратоземов делювиальных шлейфов. Токсистратоземы делювальных шлейфов отличаются слабой степенью ЦА-разрушения. Для реплантаземов фитомелиорированных отвалов, а также дерновых слаборазвитых почв на спланированных отвалах характерна средняя степень. Сильная биологическая активность свойственна стратоземам пролювиальных шлейфов и природным почвам района исследования. Результаты модельного эксперимента по загрязнению природных почв кислотными растворами показали, что кратковременное внесение загрязнителя не приводит к уменьшению интенсивности разрушения ЦА, а, наоборот, приводит к ее интенсификации. Биологическая активность по показателю биологического потребления кислорода в почвах ландшафтов зон влияния терриконов и отвалов угольных шахт минимальна (в десятки раз ниже природных значений), в поверхностных горизонтах токсилитостратов, литостратов, незадернованных токсистратоземов, а также пахотных черноземов, формирующихся в зонах воздействия фильтрационных вод с террикона. Потенциальная биохимическая окислительная способность возрастает по мере увеличения степени задернованности токсистратоземов и в дерновых примитивных почвах. В поверхностных горизонтах стратоземов БПК сопоставимо с фоновым уровнем. На уровне типов и семейств состав микробиома изученных почв отвалов, террикона, шлейфов и фоновых территорий отличается слабо: преобладают представители типов Acidobacteriota, Actinobacteriota, Chloroflexi, Proteobacteria и в нижних горизонтах природных почв – Gemmatimonadota. По характерным семействам наблюдается более дифференцированная картина. Так, в незадернованных (токси)литостратах нерекультивированного террикона повышено участие представителей семейств Acetobacteraceae и Acidomicrobiaceae. В погребенных черноземах увеличивается участие Gemmatinobacteriaceae. Спектры бактериальных семейств в молодых почвах спланированного отвала и фитомелиорированного отвала близки к выявленному в природных почвах, что связано с колонизацией новых территорий из ближайших окрестностей. На уровне родов индикаторными являются Bryobacter и Candidatus Solibacter, которые практически отсутствуют в техногенном субстрате. Кислотное воздействие на биохимическое окисление также показано и по результатам внутрипрофильного изменения БПК в почвах природно-техногенных ландшафтов. Установлено, что в погребенных гумусовых горизонтах значение показателя меньше природных аналогов. При этом интенсивность изменения показателя варьирует в зависимости от удаления от источника воздействия. Наибольшее изменение БПК погребенного горизонта установлено на большем удалении от терриконов, что обусловлено переносом в эти позиции в большей степени растворов с повышенной концентрацией водорастворимых ионов водорода, а не твердофазного стока, обогащенного органическим веществом. Результаты модельного эксперимента показали, что установившийся уровень БПК при кратковременном внесении загрязнителя приводит к уменьшению БА по БПК и сопоставимости значений с погребенным гумусовым горизонтом почв зон влияния терриконов угольных шахт. При этом достигнутое уменьшение БА в 10 раз ниже, чем в почвах испытывающих кислотное воздействии в настоящее время. В рамках геоботанических исследований охарактеризованы стадии сукцессии растительного покрова различных типов отвалов. Флористическая насыщенность в ходе самозарастания неуклонно повышается и достигает значений, соответствующих фоновым, уже на стадии сложного фитоценоза, а ОПП в некоторых случаях (в луговых вариантах) – уже на стадии простого фитоценоза. Средние запасы фитомассы травяно-кустарничкового яруса в простых, сложных фитоценозах и (суб)фоновых сообществах в основном колеблются в интервале от 100 до 200 г/м2 с максимумом 400 г/м2, для пионерных группировок чаще всего 10-30 г/м2. По результатам непрямой ординации описаний растительности по алгоритму NMDS сообщества достаточно хорошо разделяются на 4 кластера. Главное направление сукцессии в значительной мере сопряжено с кластером, включающим культурфитоценозы, что свидетельствует о важности процессов фитомелиорации для восстановления экосистем в районах угледобычи. Ожидаемо наименее успешно сукцессия протекает поверхности делювиально-пролювиальных шлейфов. Пионерные группировки и простые фитоценозы на спланированном отвале в большинстве случаев значительно отличаются от аналогичных сообществ на шлейфах нерекультивированных терриконов, входя в состав другого кластера вместе с частью фоновых сообществ. Фоновые сообщества разделились на 2 группы соответственно подтипу сообщества («лес» / «луг») и практически не пересекаются с описаниями, выполненными на отвалах, что свидетельствует о значительной разнице флористического состава и структуры сообществ, формирующихся на отвалах угледобычи, по отношению к сообществам фоновых территорий, и о том, что срока саморазвития растительности на отвалах ПБУБ после окончания отсыпки (30 и более лет) недостаточно для формирования зональной растительности даже для луговых сообществ. Наблюдаемое разделение на кластеры соответствует ранее сформулированным представлениям о «лесном» и «луговом» вариантах развития сообществ на терриконах ПБУБ (Леднев и др., 2020). Установлена относительная стабильность элементного состава надземных органов березы, что может быть отражением наличия эффективных физиологических барьеров, позволяющих ей произрастать в относительно экстремальных условиях на поверхности терриконов и отвалов угольных шахт, а также прилегающих к ним шлейфах, где другие растения не столь успешны. Элементный состав травянистых растений на отвалах и шлейфах резко отличался от наблюдаемого на фоне. Причем контрастность наблюдаемой дифференциации снижалась от разнотравья к злаковым и хвощам. В течение вегетационного сезона 2021 г. выполнены полевые эксперименты по воздействию кислотных стоков на луговую растительность в автономной (на водоразделе) и подчинённой (в балке) ландшафтных позициях. Установлено, что использованные варианты нагрузки кислоты с моделированием pH 1,8 не привели к статистически значимым изменениям флористической насыщенности сообществ. Однако, согласно полученным данным о видовом составе экспериментальных площадок в течение сезона, наблюдается тенденция к снижению числа постоянно сохраняющихся в составе сообщества видов. В отношении общего проективного покрытия (ОПП) статистически достоверный рост до 20-25% по итогам эксперимента характерен для сообщества в автономной ландшафтной позиции; в подчинённой ландшафтной позиции, напротив, наблюдается резкое снижение ОПП вследствие отмирания части фитомассы вида-доминанта Alopecurus pratensis. В качестве причины роста ОПП можно рассматривать как повышение доступности элементов питания в результате изменения pH, так и улучшенный водный режим (в автономной ландшафтной позиции) за счёт обильного внесения воды в ходе эксперимента. Гибель доминанта сообщества в подчинённой ландшафтной позиции, вероятно, обусловлена чувствительностью его корневых систем к кислотному воздействию. Анализ состояния отдельных видов к концу эксперимента по сравнению началом выявил достоверное увеличение проективного покрытия Dactylis glomerata и Poa angustifolia для автономной позиции, которое может быть вызвано повышением доступности элементов питания при поступлении кислоты. В целом сравнительно незначительные (в большинстве случаев) изменения в составе сообществ могут свидетельствовать о том, что продолжительность воздействия (актуальная в случае терриконов, не рекультивируемых десятилетиями) может быть ключевым фактором изменения почвенно-растительного покрова. Сукцессия сообществ на терриконах происходит путём постепенной (без скачкообразных изменений от одной стадии к другой) смены видового состава. Наибольшее число видов обнаружено на стадии простого фитоценоза, что, вероятно, связано с менее жёсткими эдафическими условиями, чем на первой стадии, но меньшим влиянием конкуренции, чем на последующих. Способность пионерных видов произрастать в фоновых сообществах зависит от быстро эволюционирующих признаков. Наибольшее проективное покрытие в пределах одной площадки на стадии пионерных сообществ дают Клеверные и Злаки, в то время как встречаемость на разных площадках этой же стадии не имеет филогенетической кластеризации. Выявление особенностей восстановления растительных сообществ на угольных отвалах важно для разработки эффективных методик фиторемедиации. Кроме того, такие исследования вносят вклад в более глубокое понимание процесса вторичной сукцессии.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен