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