Одной из наиболее актуальных проблем угледобывающей отрасли является необходимость восстановления нарушенных при добыче угля ландшафтов. В Российской Федерации наибольшая доля нарушенных земель приходится на Кемеровскую область, где преимущественно используется открытый способ добычи угля. Вынос на поверхность больших объемов глубинных горных пород приводит к значительному изменению рельефа: образуются техногенные отвалы и карьерные выемки, депрессионные воронки, понижается уровень грунтовых вод [5, 7].
Грунт отвальной породы, как правило, характеризуется высокой каменистостью, незначительным содержанием мелкоземных фракций и очень низкой биологической активностью, что существенно затрудняет проведение рекультивационных мероприятий. В соответствии с широко применяемыми в мировой практике теоретическими основами восстановления техногенно-нарушенных земель, главной задачей рекультивации угольных отвалов является инициирование почвообразовательных процессов и создание устойчивых фитоценозов [14, 15]. Как известно, одними из ведущих факторов почвообразования являются растения и сопутствующие им микробные сообщества, первоначально стимулирующие рост растений, а по завершении вегетационного периода трансформирующие поступающие в грунт отмершие растительные остатки в гумусовые вещества за счет продуцирования комплекса активных ферментов. Велика также роль микроорганизмов в разрушении горных пород и переводе их в мелкозем.
Одним из распространенных способов восстановления угольных отвалов является высаживание древесной растительности, способной механически закреплять грунт даже на довольно крутых склонах [8, 13]. Однако при фиторемедиации угольных отвалов Кузбасса, как правило, возникает проблема с влагообеспечением из-за низкого среднегодового количества осадков и высокой порозности почв в данном регионе. Вероятным путем преодоления данной проблемы может стать использование в качестве влагоудерживающего и противоэрозионного напочвенного субстрата продуктов глубокой переработки торфа, создающих благоприятные физико-химические условия для роста и развития высаживаемых растений. Внесение в составе торфосодержащего субстрата дополнительного источника органического вещества будет также способствовать возрастанию микробиологической активности грунта, что в целом ускорит процессы восстановления почвенного покрова [11].
Основной целью исследований, представленных в данной статье, было изучение влияния продуктов комплексной переработки торфа (оксигумата и торфяного мелиоранта) на характер и интенсивность процессов первичного почвообразования в грунте отвала угольного карьера.
Материалы и методы исследования
Эффективность применения продуктов переработки торфа для стимулирования процессов первичного почвообразования в грунте угольного отвала исследовали в многолетнем полевом опыте, заложенном на территории восточного разреза «Краснобродский» Кемеровской области на делянках площадью 1 м2 в 4-кратной повторности [4].
Полевой опыт включал следующие варианты:
Контроль – грунт отвала.
- Грунт отвала + полное минеральное удобрение (NPK).
- Грунт отвала + торфяной мелиорант (25 т/га).
- Грунт отвала + торфяной мелиорант (50 т/га).
- Грунт отвала + NPK + предпосевная обработка семян и вегетирующих растений оксигуматом.
Жидкий гуминовый препарат оксигумат был получен методом перекисно-аммиачного гидролиза торфа в присутствии катализатора (CoSO4) при температуре 125–130 °С [10]. Используемый в опыте торфяной мелиорант представляет собой органоминеральное удобрение, полученное на основе отхода производства оксигумата, содержащее твердый остаток гидролиза торфа, обогащенный азотными, фосфорными и калийными минеральными солями, отличающийся нейтральными значениями рН.
Все варианты полевого опыта были выровнены по минеральному фону. Дозы минеральных удобрений (1,8 ц/га аммиачной селитры, 3 ц/га суперфосфата и 1,5 ц/га калия сернокислого), внесенных как в чистом виде, так и в составе торфяного мелиоранта, рассчитывались, исходя из потребностей высеваемых многолетних трав. В первый год исследований во всех вариантах опыта был произведен посев донника (Melilotus albus), способного обогащать почву азотом, усваивать питательные вещества из труднорастворимых соединений породы и формировать высокий урожай зеленой массы. В последующие годы проводили подсев люцерны посевной (Medicago sativa) и смеси многолетних трав, включающей ежу сборную (Dactylis glomerata), костер безостый (Bromus inermis) и эспарцет песчаный (Onobrychis arenaria).
Образцы грунта отвала для химического и микробиологического анализов отбирались дважды за вегетационный сезон (в мае и в сентябре) с глубины 0–10 см. Определение углерода общего и лабильного органического вещества проводилось по Тюрину в соответствии с ГОСТ 26213-91. Для определения качественного состава органического вещества использовали метод Попова и Цыпленкова, основанный на разной устойчивости компонентов органического вещества к действию окислителей [1]. Ферментативную активность грунта определяли по методике [12]. Микробиологический анализ включал в себя определение аммонификаторов на среде МПА, микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, и актиномицетов – на КАА, целлюлозоразрушающих микроорганизмов – на среде Гетчинсона‒Клейтона, сахаролитических грибов – на среде Чапека [9].
Результаты исследования и их обсуждение
Одним из ведущих факторов инициации первичных почвообразовательных процессов на поверхности отвалов является накопление и трансформация органического вещества. Поскольку органическое вещество грунта отвальной породы представлено в основном углистыми частицами, дополнительное образование органического вещества на поверхности отвала возможно только за счет разложения растительных остатков. Согласно результатам полевого опыта формирование устойчивого травостоя на поверхности отвала оказалось возможным только при использовании мелиорирующих композиций – торфяных мелиорантов (ТМ). В контрольном варианте без применения ТМ многолетние травы, высеваемые каждую весну, всходили и погибали. Из-за отсутствия растительности в грунте контрольного варианта на всем протяжении периода наблюдений изменений в содержании углерода лабильного органического вещества (СЛОВ) отмечено не было. В вариантах опыта с использованием торфяных мелиорантов, напротив, было отмечено достоверное увеличение содержания СЛОВ. При этом наибольшее количество СЛОВ (15,5 % от СОБЩ) было обнаружено в варианте с использованием максимальной дозы ТМ уже в конце 1-го вегетационного периода (табл. 1). В вариантах с использованием NPK и оксигумата содержание СЛОВ в этот период незначительно отличалось от контрольного варианта (2,5–2,9 % от СОБЩ). Однако к концу 2-го года из-за выраженного стимулирующего воздействия на растения оксигумата и минеральных удобрений в данных вариантах наблюдалось заметное увеличение доли СЛОВ от общего количества органического вещества в грунте.
Таблица 1
Влияние торфяных мелиорантов, оксигумата и минеральных удобрений на содержание СЛОВ в грунте отвала
|
Вариант опыта |
2007 г. |
2008 г. |
2009 г. |
2010 г. |
||||||
|
СЛОВ, % от СОБЩ. |
СЛОВ, % от СОБЩ. |
СЛОВ, % от СОБЩ. |
СЛ/ОК |
СС/ОК |
СТ/ОК |
СЛОВ, % от СОБЩ. |
СЛ/ОК |
СС/ОК |
СТ/ОК |
|
|
Контроль |
2,0 |
1,8 |
1,8 |
6,9 |
19,5 |
73,6 |
1,7 |
8,5 |
19,1 |
72,4 |
|
1. NPK |
2,9 |
7,9 |
– |
9,8 |
21,9 |
68,3 |
7,1 |
23,8 |
24,1 |
52,1 |
|
2. ТМ (25 т/га) |
9,9 |
10,2 |
14,8 |
18,0 |
22,6 |
58,3 |
10,9 |
31,3 |
37,2 |
31,4 |
|
3. ТМ (50 т/га) |
15,5 |
12,3 |
16,4 |
22,8 |
25,5 |
51,7 |
12,6 |
27,3 |
27,2 |
45,5 |
|
4. NPK + обработка оксигуматом |
2,5 |
8,3 |
– |
15,0 |
19,8 |
65,6 |
6,2 |
30 |
16,0 |
54,0 |
Примечание. СЛ/ОК – легкоокисляемая фракция орг. вещества; СС/ОК – среднеокисляемая фракция орг. вещества; СТ/ОК – трудноокисляемая фракция орг. вещества (% от СОБЩ).
Образующееся на поверхности угольного отвала органическое вещество претерпевало также и качественные изменения. Через 4 года наблюдений в вариантах с использованием ТМ по сравнению с вариантом, где использовался оксигумат, суммарная доля легкоокисляемой и среднеокисляемой групп органического вещества оказалась заметно выше (68,6–54,4 % против 46,0 %), а трудноокисляемой, напротив, ниже (31,0–45,0 % против 54,0 %). Это связано, по всей вероятности, с активным разложением растительных остатков в вариантах с использованием ТМ и частичной деградацией углистых частиц, приводящим к накоплению первичных структур гумуса. Согласно данным В.Г. Двуреченского [3], в процессе развития первичного почвообразования в составе органического вещества эмбриоземов, формирующихся на отвалах угольных разрезов, наблюдается закономерное уменьшение доли негидролизуемого остатка и возрастание количества лабильного гумуса. В соответствии с этим более заметное уменьшение доли трудноокисляемых фракций органического вещества грунта отвала в вариантах с применением ТМ и возрастание доли лабильного гумуса свидетельствует о более активном по сравнению с контролем и вариантами без ТМ протекании процессов первичного почвообразования.
Полученные закономерности подтверждаются результатами микробиологического анализа: максимальная численность микроорганизмов, потребляющих как органические, так и минеральные источники азота, на протяжении всего периода наблюдений отмечалась в вариантах с внесением ТМ. Причем, как видно из рис. 1, численность аммонификаторов напрямую обусловлена внесением доступного органического вещества в составе ТМ. Минимальная численность данных групп микроорганизмов на протяжении всего периода наблюдений фиксировалась в контроле. В варианте с использованием оксигумата и минеральных удобрений численность данных групп микроорганизмов была несколько ниже, но все же значительно выше, чем в контроле (рис. 1 а, б).
Несмотря на то, что внесение ТМ способствовало 4–6-кратному росту численности аммонификаторов и почти 10–15-кратному увеличению количества микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, уже к концу 3-го года наблюдений было отмечено резкое снижение микробиологической активности, что, очевидно, обусловлено исчерпанием ресурса внесенного в грунт органического вещества в составе ТМ, и для дальнейшего стимулирования микробиологических процессов необходимо повторное внесение торфяного мелиоранта.
а 
б 
Рис. 1. Влияние различных доз торфяного мелиоранта, а также оксигумата на динамику численности аммонификаторов (а) и микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота (б), в грунте вариантов опыта
В вариантах с использованием торфяных мелиорантов на протяжении всех 4-х вегетационных периодов также была отмечена и более высокая численность сахаролитических грибов – основных потребителей продуктов деструкции растительных остатков при максимальном уровне активности каталазы, что свидетельствует о более высокой скорости протекания окислительно-восстановительных процессов, сопровождающих трансформацию труднодоступных органических соединений (рис. 2).
а 
б 
Рис. 2. Динамика по годам численности сахаролитических грибов и активности каталазы в вариантах опыта
В целом все исследуемые варианты опыта отличались невысокой численностью разрушителей целлюлозы (рис. 3, а). Причем основу целлюлозолитического микробного сообщества (98 % от общей численности) составляли актиномицеты (рис. 3, б). Низкая доля в составе целлюлозолитического сообщества миксобактерий – наиболее активных деструкторов целлюлозы, вероятнее всего, связана как с недостатком в грунте минерального азота, так и с дефицитом легкодоступного органического вещества. Не случайно максимальные значения численности разрушителей целлюлозы на всем протяжении наблюдений фиксировались именно в вариантах с внесением источников азота как в составе 50 т/га ТМ, так и в составе полного минерального удобрения. Однако нужно отметить, что во все сроки наблюдений численность миксобактерий в вариантах с использованием ТМ (7,1–11,4 тыс. КОЕ/1 г грунта) была выше, чем в контроле (1,2–4,0 тыс. КОЕ/1 г грунта).
Примечательно, что пик численности разрушителей целлюлозы пришелся на 3-й год наблюдений, тогда как максимум активности аммонификаторов и микроорганизмов, усваивающих минеральный азот, – на 2-й год после внесения ТМ. Данный факт является дополнительным подтверждением ранее высказанного предположения о тесной зависимости между активностью микробной деградации лигноцеллюлозного комплекса поступающих в грунт растительных остатков, а также органического вещества самих торфяных мелиорантов и аммонифицирующей микрофлорой, являющейся основным поставщиков доступного для разрушителей целлюлозы азота (рис. 1, а, 3, а).
а 
б 
Рис. 3. Динамика по годам численности целлюлозоразрушающих микроорганизмов (а) и актиномицетов (б) в грунте вариантов опыта
Как известно, почвообразовательные процессы протекают при обязательном участии ферментов, значительно увеличивающих скорость течения биохимических реакций. При этом среди различных классов ферментов важное место принадлежит окислительно-восстановительным, которые участвуют в том числе и в процессах «самоочищения» почв от экзогенных веществ, трансформируя, нейтрализуя, разрушая не свойственные почвам вещества, которые могут быть токсичными на начальных этапах трансформации органических веществ [6].
Активность каталазы во всех исследуемых вариантах опыта на протяжении 4-х вегетационных периодов находилась на низком уровне. Однако если по окончании 1-го и 2-го вегетационных периодов она незначительно различалась по вариантам опыта, то к окончанию 3-го и 4-го оказалась достоверно выше в вариантах с использованием торфяных мелиорантов. Активность дегидрогеназы в конце 1-го вегетационного периода была также низкой, а более высокие ее значения в вариантах с использованием ТМ можно объяснить присутствием в составе мелиоранта низкомолекулярных органических соединений, способных к дегидрированию. В конце последующих вегетационных периодов на контрольном варианте дегидрогеназная активность по-прежнему оставалась на минимальном уровне, в вариантах же с использованием ТМ она значительно выросла (табл. 2).
Максимальные значения полифенолоксидазной и пероксидазной активности в 1-й и 2-й вегетационные периоды были отмечены в контрольном варианте, без использования мелиорирующих композиций, что свидетельствует о процессе деградации самой угольной фракции, находящейся в грунте отвальной породы с образованием веществ фенольной природы, которые являются субстратом для данных ферментов. Более низкая в сравнении с контрольным вариантом активность этих ферментов в вариантах с использованием ТМ может быть связана с адсорбцией ферментов на частицах грунта при нарушении состояния равновесия в системе грунт-фермент, имеющем место при перекопке, внесение удобрений и торфяного мелиоранта (табл. 2).
К окончанию 3-го вегетационного периода во всех вариантах опыта было отмечено значительное снижение полифенолоксидазной активности. Активность пероксидазы также снизилась, что может быть обусловлено значительной ролью пероксидаз в активировании перекисей, участвующих в окислении полифенолов. Поэтому низкая активность каталазы в этот вегетационный период на всех вариантах опыта обусловливает также невысокую активность пероксидазы. К окончанию 4-го года наблюдений пероксидазная активность, как и ранее, оставалась практически одинаковой как в вариантах с использованием торфяных мелиорантов, обеспечивающих рост и развитие растений, так и в контроле, где высеваемые травы гибли. Поэтому можно предположить, что пероксидазная активность не связана напрямую с ростом и развитием растений, и единственным источником субстрата для пероксидазы являются, вероятно, включения угля, присутствующего в отвальной породе, который подвергается деградации под действием внешних факторов (температура, влага, солнечная радиация) с образованием полифенолов (табл. 2). Высокая дегидрогеназная, полифенол- и пероксидазная активность грунта в вариантах с использованием торфяных мелиорантов создают условия для активного течения реакций поликонденсации окисленных фенольных соединений и продуктов дегидрирования органических соединений с образованием первичных структур гумуса [2].
Таблица 2
Динамика по годам активности ферментов в грунте вариантов опыта
|
Вариант опыта |
Год исследования |
Ферменты |
|||
|
Каталаза, мл O2/2 мин |
Дегидрогеназа, мг трифенилформазана /10 г за сутки |
Полифенолоксидаза, 1,4-n-бензохинона /10 г за 30 мин |
Пероксидаза, |
||
|
1. Контроль |
2007 |
1,2 ± 0,03 |
0 |
4,6 ± 1,2 |
17,3 ± 3,6 |
|
2008 |
1,2 ± 0,03 |
2,9 ± 0,1 |
7,9 ± 3,0 |
51,3 ± 13,9 |
|
|
2009 |
0,5 ± 0,03 |
0,5 ± 0,06 |
0 |
6,2 ± 1,4 |
|
|
2010 |
0,7 ± 0,04 |
1,7 ± 0,09 |
0,5 ± 0,07 |
16,1 ± 6,7 |
|
|
2. NPK |
2007 |
1,7 ± 0,07 |
1,5 ± 0,07 |
2,4 ± 0,09 |
10,8 ± 3,7 |
|
2008 |
1,6 ± 0,08 |
8,5 ± 1,3 |
5,7 ± 0,07 |
11,0 ± 2,1 |
|
|
2009 |
1,0 ± 0,02 |
8,9 ± 2,0 |
0,1 ± 0,02 |
5,8 ± 1,1 |
|
|
2010 |
2,8 ± 0,6 |
34,5 ± 6,3 |
11,0 ± 1,4 |
16,2 ± 6,6 |
|
|
3. ТМ, 25 т/га |
2007 |
1,5 ± 0,08 |
3,8 ± 0,9 |
2,9 ± 0,05 |
13,3 ± 2,8 |
|
2008 |
2,1 ± 0,09 |
11,1 ± 2,1 |
8,3 ± 0,09 |
12,8 ± 3,3 |
|
|
2009 |
1,3 ± 0,04 |
19,4 ± 6,1 |
0,1 ± 0,01 |
5,8 ± 0,8 |
|
|
2010 |
3,3 ± 0,2 |
37,4 ± 8,8 |
13,6 ± 1,6 |
22,9 ± 5,3 |
|
|
4. ТМ, 50 т/га |
2007 |
1,1 ± 0,09 |
7,4 ± 1,5 |
0,3 ± 0,05 |
8,4 ± 2,0 |
|
2008 |
1,9 ± 0,1 |
24,5 ± 5,3 |
5,3 ± 0,8 |
23,8 ± 9,6 |
|
|
2009 |
1,7 ± 0,1 |
21,7 ± 6,1 |
0,5 ± 0,04 |
5,2 ± 1,0 |
|
|
2010 |
2,8 ± 0,07 |
39,7 ± 3,9 |
7,5 ± 0,9 |
21,5 ± 7,2 |
|
|
5. NPK + обработка оксигуматом |
2007 |
1,0 ± 0,03 |
0,2 ± 0,07 |
1,0 ± 0,03 |
5,2 ± 0,8 |
|
2008 |
2,0 ± 0,02 |
25,5 ± 4,1 |
7,5 ± 1,4 |
13,8 ± 2,2 |
|
|
2009 |
1,1 ± 0,04 |
10,7 ± 2,1 |
0,3 ± 0,06 |
5,5 ± 0,7 |
|
|
2010 |
2,9 ± 0,3 |
38,2 ± 11,5 |
7,7 ± 1,3 |
20,7 ± 3,2 |
|
Заключение
Таким образом, отмеченное в течение нескольких лет наблюдений увеличение микробиологической и ферментативной активности грунта, а также качественные изменения в составе органического вещества формируемого эмбриозема, в частности, увеличение доли легкоразлагаемого лабильного органического вещества, свидетельствует о перспективности применения торфяных мелиорантов для повышения эффективности биоремедиации грунта отвала угольных карьеров.
Рецензенты:
Середина В.П., д.б.н., профессор кафедры почвоведения и экологии почв, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск;
Ульянова О.А., д.б.н., профессор кафедры почвоведения и агрохимии, ФГБОУ ВПО «Красноярский аграрный университет», г. Красноярск.
Работа поступила в редакцию 17.01.2014.