Визначення водно-фізичних та хімічних параметрів техноґрунтів за загальноприйнятими методиками. Оцінка ґрунтового та біотичного різноманіття техногенних екосистем. Інвентаризація земель, порушених промисловими розробками передкарпатських родовищ сірки.
Аннотация к работе
Таким чином, гідровідвал складається з трьох частин: піщаної, глинистої і вапнякової [22]. Для цих ґрунтів притаманні легкий гранулометричний склад (вміст фракцій > 0,01 мм сягає більше 80%), вміст гумусу до 4%, слабко-та середньокисла реакція середовища (РН 4,6-5,5), низька гідролітична кислотність (до 2 мг-екв/ 100 г ґрунту) та ступінь насичення основами 18-56% [14, 16]. Дослідження процесів техногенного ґрунтоутворення було розпочато у 1998 р., через 5 років після припинення промислового наповнення гідровідвалу та тимчасового хвостосховища. Загальний вміст гумусу не перевищує 0,1%, ємність поглинання - 2 мг-екв/100 г ґрунту, що разом з лужною реакцію середовища (РН = 7,4) сповільнює заростання поверхні. Сірка є хімічно активним елементом і в процесі її мінералізації в аеробних умовах утворюються сульфати (CASO4"2H20 - гіпс), а в анаеробних умовах, в присутності сульфат-редукуючих бактерій, сульфіди (солі H2S) [21].
Вывод
Сьогодні гідровідвал представляє собою платоподібне підвищення площею 8 км2 з пласкою верхівкою і відносним перевищенням над рівнем поверхні 30-35 метрів. Тут складовані четвертинні піски, супіски і суглинки, які розробляли методом гідромеханізації. Гідросуміш з карєру транспортували трубами і випускали з отворів вздовж первинної дамби. Пісок осідав біля дамби, а дрібні частинки виносились в центральну частину відстійника і сформували днище тимчасової водойми. Тому вздовж дамб розташовані піщані пляжі з нахилом поверхні до центру 10-15°, тоді як центральна частина майже горизонтальна. У 1979 р., для складування хвостів флотації (продукти подрібнення і розчинення сірковмісного вапняку), частина гідровідвалу була відокремлена дамбою і створено хвостосховище. Таким чином, гідровідвал складається з трьох частин: піщаної, глинистої і вапнякової [22]. Через неодноразові прориви дамб і дію природних гідрогеологічних процесів ці частини не є відокремленими. Матеріали з різних частин проникали на сусідні ділянки і накладались одні на одні, утворюючи строкату мозаїку сучасних підстилаючих порід для формування специфічних грунтово-рослинних комплексів. Після завершення експлуатації, жодних рекультиваційних заходів на території гідровідвалу не проводили, а, відтак, всі сукцесійні зміни відбуваються за умов самовідновлення.
Природний ґрунтовий покрив території, на якій розміщене родовище, був представлений дерново-підзолистими, дерново-глеєвими супіщаними і легкосуглинковими ґрунтами, а також торфово-болотними і низинними торфовими ґрунтами [8]. Для цих ґрунтів притаманні легкий гранулометричний склад (вміст фракцій > 0,01 мм сягає більше 80%), вміст гумусу до 4%, слабко- та середньокисла реакція середовища (РН 4,6-5,5), низька гідролітична кислотність (до 2 мг-екв/ 100 г ґрунту) та ступінь насичення основами 18-56% [14, 16].
Дослідження процесів техногенного ґрунтоутворення було розпочато у 1998 р., через 5 років після припинення промислового наповнення гідровідвалу та тимчасового хвостосховища. 80% тодішньої поверхні гідровідвалу займало водне плесо, а субстрат по його берегах був перенасичений водою.
Намивний техноґрунт гідровідвалу (за даними від 09.06.1998 р.) складений пісками та супісками з питомою вагою 2,7 г/см-3. Оскільки піски перевідкладені потужним водяним потоком, їм властива підвищена щільність будови, що в середньому складає 1,6 г/см-3. Характеризуючись високою водопроникністю, вони одночасно є слабко зволоженими з поверхні, тоді як рівень стояння ґрунтових вод сягає 0,4-0,5 м. Однорідний, переміщений субстрат гідровідвалу нетоксичний, але повністю позбавлений первинного потенціалу родючості. Загальний вміст гумусу не перевищує 0,1%, ємність поглинання - 2 мг-екв/100 г ґрунту, що разом з лужною реакцію середовища (РН = 7,4) сповільнює заростання поверхні. На 5-6 рік після припинення робіт на його поверхні поселяються окремі піонерні рослини. Тут формується монодомінантне очеретяне угруповання. Ступінь проективного покриття залежить від віку відвалу: від 60% до оголеної поверхні, зайнятої лише підземними столонами очерету.
Особливістю первинного ґрунтоутворення, в тому числі і на техногенних субстратах, є його висока швидкість та динамічність розвитку внутрішньоґрунтових процесів. Діагностувати перші ознаки ґрунтоутворення можливо лише за морфологічними та морфометричними характеристиками ґрунтових горизонтів, які якісно відрізняються від ґрунтотворної породи і набувають функціональних властивостей. Так, подальші дослідження намивних техноґрунтів гідровідвалу, проведені у 2001 р., засвідчили процес структурування породної товщі і зародження ознак генетичних горизонтів (табл. 1). Виділено чотири шари, які вже різняться за кольором, щільністю, насиченістю корінням та акумуляцією гумусових речовин. В напрямку від дамби до центру гідровідвалу потужність цих шарів зменшується, відповідно до підняття рівня залягання ґрунтових вод. Формується гумусово - дерновий горизонт, в якому завдяки затримуючій дії кореневої системи рослин та біохімічним процесам, відбувається перерозподіл фракцій гранулометричного складу. Збільшується вміст мулистої фракції, пісок стає звязаним, здатним акумулювати гумусові речовини (вміст гумусу 0,15%), що розширює ємність катіонного обміну до 8 мг-екв/100 г.
В профільному розподілі основних фізико-хімічних властивостей техноґрунтів вже можна помітити первинну диференціацію за елювіально-ілювіальним типом, що характерно і для природних ґрунтів цієї території. Слабколужна реакція ґрунтового розчину всієї товщі (на відміну від слабкокислої реакції природних ґрунтів і природних ґрунтотворних порід) ідентифікує присутність значної кількості подрібнених і перевідкладених сірковмісних вапняків, що визначатиме спрямованість біохімічних процесів в ґрунтовій товщі у майбутньому.
Діагностичні морфометричні та фізико-хімічні властивості техногрунтугідровідвалу сірчаного виробництва, віком до 10 років
З часом (за результатами досліджень 2012-2013 рр.), рівень ґрунтових вод, як і рівень води в водоймі знижується, розширюючи площу гідровідвалу, охоплену процесами ґрунтоутворення. Формуються різновікові комплекси ґрунтів дернового ряду, профіль яких є чітко структурований з явними морфологічними ознаками основних ґрунтотворних процесів - гумусонагромадження, елювіювання, оглеєння. В намивних техноґрунтах вже чітко ідентифікується гумусово-дерновий горизонт, потужністю від 2 до 4 см., який в більш зволожених відмінах має ознаки оторфування (табл. 2, розріз 4 і 5).
В напрямку від дамби до озера, потужність ґрунтового профілю зменшується, ознаки змінного окисно-відновного процесу змінюються оглеєнням, а процеси ґрунтоутворення набувають болотного спрямування. Первинний шаруватий породний субстрат у верхніх горизонтах змінює свою структуру на дрібногрудкувату, тоді як перехідні горизонти і ґрунтоутворюючі породи зберігають ознаки техногенного намивання. Відтак, зростає водоутримуюча та сорбційна здатність ґрунту, що покращує доступність поживних речовин для кореневих систем. Щільність будови гумусованих горизонтів знижується (в порівнянні з даними 1998 року) на 19-30% для дернових відмін і на 35-70% для дерново-глейових відмін з ознаками оторфування, тим самим наближаючись до параметрів зональних природних ґрунтів.
Діагностичні морфометричні та фізико-хімічні властивості техноґрунтів гідровідвалу сірчаного виробництва, віком до 20 років.
Внутрішньоґрунтове вивітрювання та активізація біохімічних процесів зумовили зростання фракцій фізичної глини в дернових техноґрунтах до 20-25%, що характеризує їх як легкосуглинкові. Очевидно, що вміст фізичної глини значною мірою є успадкованим від підстилаючої породи. Так, в межах гідровідвалу формуються дернові піщані та супіщані техноґрунти, тоді як для техноґрунтів хвостосховища характерний складніший перерозподіл фракцій. Профільний розподіл фізичної глини вказує на те, що елювіально-ілювіальними ґрунтотворними процесами охоплена товща, потужністю до 50 см, тоді як нижче залягають техногенні піщані відклади не зачеплені процесами ґрунтоутворення (рис. 1). Високодисперсні мулисті частинки, володіючи великою поглинальною поверхнею, активно взаємодіють з ґрунтовими розчинами і забезпечують їхнє звязування у корененасичених шарах ґрунту. Вміст гумусу та ємність поглинання також тісно повязані з мулистими фракціями і є найвищими для горизонтів Hd і Нт досліджених ґрунтів (табл. 1 і 2).
Окремо слід звернути увагу на перебіг фізико-хімічних процесів в намивних техноґрунтах та їхній вплив на процеси ґрунтоутворення загалом. Особливістю техногенних субстратів хвостосховища є надмірний вміст самородної сірки та подрібнено-розчинених карбонатних сполук (розмиті та перевідкладені ратинські вапняки), тоді як в гідровідвалі складовані переважно флювіогляціальні піски з домішками сірки, вапняків та суглинків. В породах хвостосховища міститься від 0,4 до 1,5% мінеральної сірки, тоді як валовий вміст сірки в природних дерново- підзолистих ґрунтах знаходиться в межах 0,01-0,2% [11]. Сірка є хімічно активним елементом і в процесі її мінералізації в аеробних умовах утворюються сульфати (CASO4"2H20 - гіпс), а в анаеробних умовах, в присутності сульфат-редукуючих бактерій, сульфіди (солі H2S) [21]. Окрім того, сульфати знаходяться в ґрунті в адсорбованому стані, у вигляді домішок з карбонатами кальцію. Окислення сірки супроводжується накопиченням сірчаної кислоти, яка в процесі реакції з вапняком спочатку утворює ангідрит, а він гідролізується і переходить у гіпс.
Гіпс, як і більшість сульфатів, ідентифікується в ґрунтовому профілі у вигляді дрібнокристалічної порошкоподібної присипки або крупних кристалів. Окрім того, під час біохімічних реакцій змінюється обєм порід, що призводить до збільшення пористості, зменшення щільності будови перехідних горизонтів. Вони набувають всіх ознак елювіювання, є практично безструктурними, з низьким вмістом фізичної глини і лише зі слідами гумусу та з характерним білясим кольором ґрунтового матеріалу. Прикладом формування ґрунту в умовах гіпсового елювіювання є ґрунтовий розріз № 3 (табл. 2).
Вихідний склад техногенних відкладів та внутрішньоґрунтові біохімічні процеси визначають слабколужну реакцію ґрунтового розчину (РН змінюється в межах 7,2-7,6) та підвищену карбонатність техноґрунтів, яка в окремих розрізах може сягати до 73% в горизонті Hd. Утворений у верхніх аеробних шарах ґрунту гіпс є легкорозчинним і з поверхні вимивається дощовими водами, тоді як карбонати кальцію, як менш рухомі сполуки, звязуються з гумусовими речовинами і закріплюються у приповерхневих горизонтах техноґрунтів. Отже, з глибиною вміст карбонатів кальцію зменшується, натомість вміст сульфатів, зокрема гіпсу, зростає в перехідних горизонтах до рівня залягання оглеєних шарів. В оглеєній товщі, нижче зони водоупору, формується сульфідна зона, збагачена сіркою та сірководнем, де процеси хімічних перетворень проходять дуже повільно. Процеси окислення сірки супроводжуються підкисленням ґрунтового розчину, тоді як процеси відновлення в анаеробних умовах сприяють ще більшому підлуженню середовища, що підтверджується нашими результатами. Натомість, карбонатність техноґрунтів зменшується з глибиною і знову зростає на рівні підстилаючих техногенних субстратів. Встановлено, що в дернових техноґрунтах хвостосховища, які формуються в аеробних умовах, карбонатність знижується від 73% в горизонті Hd до 25% в горизонті Ре, на глибині 17-32 см і знову зростає до 50% в горизонті Р. Дернові техноґрунти піщаної частини гідровідвалу, через свій породний склад, демонструють нижчу карбонатність на фоні слабколужної реакції ґрунтового розчину
Формуючи свої властивості, намивні техноґрунти розширюють і спектр виконання ними основних екологічних функцій. Особливу вагу мають функції, які забезпечують життєвий простір для ґрунтової біоти, доступність поживних речовин та відсутність лімітуючих факторів для біохімічних процесів. Власне, на цьому етапі особливу увагу варто звернути на перебіг первинних сукцесій мікробіоти та рослинності, які будуть визначати динаміку ґрунтоутворення в майбутньому. Підтвердженням ефективності ґрунтово-рослинних сукцесій на території гідровідвалу є встановлене збільшення частки підземної фітомаси до надземної (співвідношення надземної частини до підземної 1:2,2 станом на 2012 рік) на противагу структурі піонерного угруповання (станом на 2001 рік), де співвідношення становило 1,5:1 (рис. 2). Власне таке співвідношення є характернішим для природних травяних угруповань.
Встановлено, що на деградованих гірничими розробками землях формуються квазіприродні екосистеми, у складі яких трапляються не лише тривіальні, але й рідкісні та зникаючі види біоти [6]. Збільшується різноманіття рослинних угруповань, вони стають стійкішими до впливу чинників ґрунтового середовища, а водночас, на різних стадіях свого розвитку, долучаються до процесу ґрунтоутворення.
Моніторингові дослідження спрямованості та швидкості процесів ґрунтоутворення в межах гідровідвалу та хвостосховища сірчаного виробництва дозволили встановити ознаки структурування ґрунтового профілю техноґрунтів та активний розвиток внутрішньоґрунтових біохімічних процесів.
Формуються ґрунти дернового ряду, що відповідає природному типу ґрунтоутворення в регіоні. Намивні техноґрунти володіють задовільними фізичними властивостями, однак з низькою водоутримуючою здатністю, яка з часом збільшується. Ступінь прояву оглеєння залежить від рівня ґрунтових вод і збільшується від дамби до центру відстійника. В центральній частині гідровідвалу і хвостосховища, на берегах водойми, переважають болотні техноґрунти. хімічний грунтовий біотичний сірка
Техноґрунти не є токсичними для біоти, однак за своїми фізико-хімічними властивостями різняться від природних аналогів. Для них характерна слабколужна реакція ґрунтового розчину, низький вміст гумусу, кількість якого різко знижується вниз по профілю, низька ємність поглинання. Намивні техноґрунти хвостосховища розвиваються в умовах активного біохімічного перетворення карбонатних порід, що проявляється через гіпсове елювіювання і є аномальним для зонального ґрунтоутворення. Виявлені фізико-хімічні властивості впливають зараз і впливатимуть у майбутньому на формування тут біотичних угруповань та визначатимуть умови деструкції первинної органічної речовини.
Отримані результати підтверджують високу швидкість та ефективність перебігу процесів ґрунтоутворення в межах гідровідвалу, що дозволяє вести мову і про значну регенераційну здатність техногенної екосистеми загалом. Для розкриття механізмів реалізації цієї здатності необхідні подальші комплексні моніторингові дослідження.
Список литературы
1. Александрова Л.Н., Найденова О. А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению: 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Агропромиздат, 1986. - 295 с.
2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 487 с.
3. Билонога В.М. Сукцессии растительности на отвалах серных месторождений Прикарпатья: Автореф. дис....канд. биол. наук. - Днепропетровск, 1989. - 16 с.
4. Билонога В.М., Тереля И.П. Особенности деструкции органического материала в техногенных условиях Предкарпатского месторождения серы // Экология. - 1989. - №5. - С. 70-72.
5. Быстрый В.А. О методах изучения корневых систем растений // Почвоведение. - 1974. - №4. - С. 155-158.
7. Гайдін А.М., Зозуля 1.1. Нові озера Львівщини. Вид. 2-ге [перероб. та доп.]. - Львів: Вид-во ТЗОВ "Афіша", 2009. - 103 с.
8. Іванов Є. Ландшафти гірничопромислових територій. - Львів: Видавничий центр ЛНУ імені І. Франка, 2007. - 334 с.
9. Козловський В.І. Важкі метали в грунтах техногенних ландшафтів родовищ самородної сірки Передкарпаття (Україна) // Ґрунтознавство. - 2008. - Т. 9, №3-4. - С. 101-107. Маланчук М. Інвентаризація земель, порушених промисловими розробками передкарпатських родовищ сірки [Електронний ресурс] / М. Маланчук // Зб. наук. праць Західного геодезичного товариства УТГК. - 2011. - №І(21). - С. 221.
10. Марискевич O., Левик В., Шпаківська І., Бжезіньська M. Оксидоредуктазна активність ґрунтів техногенних ландшафтів сірчаних родовищ Передкарпаття // Наук. вісн. Ужгород. ун-ту. Сер. Біологія. - 2008. - Вип. 24. - С. 78-82.
11. Марискевич О.Г., Шпаківська І.М., Білонога В.М., Рабик І.В., Яворницький В.І. Сукцесія біоти на відвалах сіркодобувних родовищ Львівщини // Відновлення порушених природних екосистем: Мат.-ли ІІ міжнар. конф. (м. Донецьк, 6-8 вересня 2005 р.). - Донецьк: ТОВ "Лебідь", 2005. - С. 171-173.
12. Марискевич О.Г., Шпаківська І.М., Дідух О.І. Формування ґрунтів у межах техногенного ландшафту Яворівського ДГХП "Сірка" // Наук. вісн. Чернівец. ун-ту: Зб. наук. праць. - Вип. 251. - Біологія. - 2005. - С. 175-185.
13. Оленчук Я., Николин А. Ґрунти Львівської області. - Львів: Каменяр, 1969. - 83с.
14. Панас Р.Н. Агроэкологические основы рекультивации земель. - Львов: Изд-во при Львов. ун-те, 1989. - 160 с.
15. Полупан Н.И. и др. Полевой определитель почв. - К.: Урожай, 1981. - 320с.
16. Практикум по почвоведению / Под ред. И.П. Гречина. - М.: Колос, 1964. - 423 с.
17. Рабик І.В. Колонізація мохоподібними девастованих екотопів Яворівського ДГХП "Сірка"//Мат.-ли міжнар. наук. конф. "Проблеми збереження, відновлення та збагачення біорізноманітності в умовах антропогенно зміненого середовища" (Кривий Ріг, 16-19 травня 2005 р.). - Кривий Ріг, 2005. - С. 384-385.
18. Романик Н.М. Оптимізація девастованих ландшафтів Яворівського гірничохімічного комбінату шляхом фітомеліорації // Наук. вісн. УКРДЛТУ: Зб. наук.-тех. праць. - Львів: УКРДЛТУ, 2005. - Вип. 13.5. - С. 63-65.
19. Сабан Б.А., Перит Г.Т., Неживый З.П., Малицкий В.К., Франкевич В.К. Отчет. Биологическая рекультивация земель, нарушенных при открытой добыче серы на территории Роздольського ПО "Сера". - Дубляны: Изд-во "Прут", 1990. - 95 с.
20. Химия почв: Учебник / Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. - М.: Высш. школа, 2005. - 558 с.
21. Яворівське державне гірничохімічне підприємство "Сірка". - Новояворівськ, 2001. - 175 с.
22. Яворницький В.І., Яворницька І.В. Комахи в угрупованнях ґрунтової мезофауни територій девастованих сірчанорудним виробництвом // Загальна і прикладна ентомологія в Україні: Тез. доп. наук. ентомологічної конф. присвяченої памяті чл.-кор. НАН України В.Г. Доліна (м. Львів, 15-19 серпня 2005 р.). - Львів, 2005. - С. 256-260.
23. Vovk Oksana. Anthropogenic soils of quarry ground compositions in Roztochia Region (Ukraine) // Soil anthropization VI. - Bratislava, 2001. - P. 97-101.
24. Levyk V., Brzezinska M. Stan srodowiska glebowego na terenie bylej kopalni siarki „Jaworow” (Ukraina) i „Machow” (Polska) w swietle aktualnych badan // Acta Agrophysica. - 2007. - № 10 (1). - S. 149-157.
25. Levyk V., Maryskevych O., Brzezinska M. and Wlodarczyk T. Dehydrogenase activity of technogenic soils of former sulphur mines (Yavoriv and Nemyriv, Ukraine) // International Agrophysics. - 2007. - №3. - P. 219-224.