ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 2, с. 210-216
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.433.3:631.433.53
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВОГРУНТОВ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ КАНСКО-АЧИНСКОГО
БАССЕЙНА
© 2014 г. О. В. Трефилова, П. А. Оскорбин
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, Красноярск, Академгородок, 50, стр. 28
е-шаП: trefilova@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 17.11.2012 г.
Приводятся результаты полевого опыта по изучению сезонной динамики выделения СО2 (^ц) смесью вскрышных и вмещающих пород угольного разреза — как интегрального показателя их биологической активности. Средняя величина Я^ц контрольного субстрата составила 1.2 г С/м2 в сутки. Интенсивность Яц для варианта с внесением минеральных или комплексных удобрений совместно с микробиологическим препаратом соответственно на 28 и 34% выше. Величины Я^ц одного варианта мало изменялись в течение всего периода вегетации. Лабораторное определения потенциального "дыхания" смеси пород показало, что значительная часть потока СО2 формируется за счет углекислого газа абиотического происхождения. Сделан вывод, о том, что данные по эмиссии СО2, вероятно, завышают фактический уровень биологической активности исследуемой смеси пород.
Ключевые слова: динамика СО2, вскрышные и вмещающие породы.
Б01: 10.7868/80032180X14020129
В качестве интегрального показателя уровня биологической активности почв часто рассматривается их способность продуцировать углекислоту [10, 12, 14 и др.]. Принято считать, что основная часть потока углекислоты формируется за счет биологических источников, в том числе корней растений, почвенных насекомых, микроорганизмов, а вклад СО2, как продукта химических реакций (абиогенный поток) — незначителен [12, 14]. При прочих равных условиях биотопа, чем больше выделяется углекислого газа, тем энергичнее биотические процессы в почве [10, 14]. Значительная динамичность интенсивности выделения углекислоты с поверхности почвы в отклике на смену гидротермических условий, типа растительного покрова, агротехнические мероприятия, позволяет рассматривать этот показатель в качестве чувствительного эколого-диагно-стического критерия [7—9, 21]. Это объясняет его широкое использование при изучении биологической активности почв не только естественных, но и антропогенных ландшафтов [7, 9, 11, 12, 18].
В рамках настоящей работы проводится исследование временной динамики интенсивности эмиссии СО2 с целью изучения уровня биологической активности в техногенном элювии на "молодых" отвалах восточной части Канско-Ачин-
ского угольного бассейна, которые только осваиваются биотой.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводятся на примере одного из самых больших месторождений в восточной части Канско-Ачинского бассейна — разреза "Бородинский". Состав техногенного элювия месторождения, как и других разрезов бассейна, разработка которых ведется открытым способом, представляет собой хаотическую смесь из пород различных групп и геологических эпох [17—18]. Специфика дифференциации строения поверхности техногенных ландшафтов, наряду с составом пород, обусловливают пятнистость или пар-целлярность по Курачеву с соавт. [6] почвенного покрова. Пространственная изменчивость оценок биологической активности на таких почвах, как правило, превышает временную, что затрудняет интерпретацию данных по динамике напряженности биологических процессов [12, 18].
Для того чтобы снизить влияние неоднородности состава и свойств техногенного элювия, моза-ичности формирующегося растительного покрова изучение динамики биологической активности техногенных почв пионерной стадии почвообра-
Вариант 1. Контроль
Рис. 1. Схема полевого эксперимента.
зования проводили на экспериментальной смеси вскрышных и вмещающих пород.
Необходимое количество породы отобрано в мае 2011 г. на свежем срезе угольного разреза. Субстрат немедленно транспортировали на экспериментальный полигон, смешивали в массовом соотношении 1 : 1. Полученную смесь пород переносили в сосуды = 0.3 м2, к = 0.4 м), которые предварительно вкапывались в грунт полигона. Сосуды заполняли субстратом таким образом, чтобы каждый содержал одинаковую массу смеси пород, утрамбованную до плотности 0.9 г/см3. Именно такие средние оценки плотности получены в результате предварительных исследований почвогрунтов на спланированных отвалах угольного разреза "Бородинский".
На полигоне сосуды размещали сериями по вариантам эксперимента (рис. 1): вариант 1 — контроль, вариант 2 — смесь пород с добавлением минеральных удобрений (азофоска Ш6Р16К16; доза — 0.8 т/га) и вариант 3 — смесь пород с комплексными удобрениями (состав: органическое вещество — 20%, гуматы натрия — 0.4—0.6%, валовые азот — 5.7%, фосфор — 5.4%, калий — 5.9%, доза — 1.4 т/га).
В составе каждого из вариантов закладывались две серии по три сосуда на каждую. Первая серия — сосуды, в субстрат которых не вносили микробиологический препарат "КЭМ БИН Байкал", серия КЭМ, вторая серия объединяет сосуды с разовым предпосевным его внесением.
На поверхность экспериментального элювия всех сосудов вносили двойную норму одной и той же смеси семян злаковых и бобовых трав.
Интенсивность выделения углекислоты (^ц) на полевом экспериментальном полигоне определяли абсорбционным методом в период с 11.06 по 17.09.2011 г. Условия и ход измерений аналогичны тем, которые приводятся в работе Ведро-вой [1]. Оценивался суммарный поток углекислоты, выделяемый техногенным субстратом сосудов.
Согласно результатам непосредственного определения рН водной суспензии субстратов в сосудах (таблица) и опубликованным данным, породы в отвалах угольных разрезов Канско-Ачинского бассейна имеют преимущественно слабощелочную реакцию: рН 7.5—8.3 [3, 17, 18 и др.]. Проведение проб на вскипание от реакции с 10%-ной соляной кислотой указывает на присутствие карбонатов, что, вероятно, обусловливает щелочность пород.
Изменение рН водной суспензии экспериментальных субстратов по срокам измерения потенциального "дыхания" в 2011 г.
Срок измерения Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
1* 2 1 2 1 2
28.05 7.96 7.86 7.92 7.34 7.54 6.77
09.06 7.66 8.17 7.52 7.99 7.74 7.45
14.08 7.74 8.31 8.17 7.73 7.88 8.05
22.10 7.54 7.62 6.94 7.73 7.72 7.82
* Номер серии вариантов: 1 — без микробной суспензии; 2 — с внесением микробиологического препарата.
Извлечение вскрышных и вмещающих пород на дневную поверхность непременно сопровождается изменением прежних условий их залегания (содержание кислорода в воздухе, температура, влажность и пр.), что в свою очередь могло стать причиной нарушения равновесия их карбо-натно-кальциевой системы и выделения углекислого газа. Таким образом, есть основания полагать, что суммарный поток углекислоты изучаемыми субстратами сосудов экспериментального полигона может формироваться за счет источников как биогенной (жизнедеятельность микроорганизмов, минерализации органического вещества субстрата, дыхание корней растений), так абиогенной (разложение карбонатных солей) природы. В таком случае Яа11 субстрата сосудов может завышать фактические показатели биологической активности.
Данная гипотеза положена в основу лабораторного эксперимента по оценке потенциального
"дыхания" (ЯрЮ1), поставленного для того, чтобы доказать факт и значимость роли абиогенного потока (ЯРТ) углекислоты при формировании ЯрЦ1.
Образцы грунта для лабораторного эксперимента отбирались из верхнего слоя 0—2 см, по срокам в течение вегетационного сезона, непосредственно из тех сосудов, в которых определялась актуальная интенсивность эмиссии углекислоты. В лаборатории образцы субстрата сосудов высушивали, освобождали от растительных остатков и частиц угля, размалывали и пропускали через сито с диаметром ячеек 1 мм.
Определение потенциальной интенсивности почвенного "дыхания" проводили в 4-кратной повторности по методике Оганова [13] в чашках Конвея. При этом две из четырех чашек с навесками образца субстрата из сосудов предварительно прогревали в течение 24 ч при температуре 70— 80°С, что приводило к нарушению целостности цитоплазматических мембран клеток микроорганизмов. После окончания термической обработки чашки остужали (20—30 мин), а в течение следующего часа подготавливали к определению потенциального "дыхания": во внутреннее кольцо чашки Конвея наливали точное количество щелочи, фенолфталеин, а субстрат во внешнем кольце чашки увлажняли, чашку накрывали притертой крышкой и помещали в термостат. Контролем служили чашки без навесок субстрата. Инкубация образцов происходила в течение 24 ч в оптимальных условиях (влажность 60%, температура 28°С).
Количество углекислого газа, поглощенного щелочью в предварительно прогретых чашках,
условно принимали за меру интенсивности потока абиогенного происхождения (Rpbf).
Величину потенциального гетеротрофного
"дыхания" (Rhot) определяли как разницу между количеством углекислого газа, абсорбированного в исходных и прогретых чашках:
Rpot _ р pot р pot h = Rall Rab ,
где Rpo — интенсивность абиогенного потока углекислоты; Rplf — суммарный поток потенциального "дыхания".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Интенсивность выделения углекислого газа с поверхности изучаемой смеси пород в течение периода исследований в среднем составляет 1.2 и 1.4 г С/м2 в сутки по контрольному варианту, при этом большая величина эмиссии характеризует серию с внесением микробиологического препарата (рис. 2). Для смеси пород, в которую вносились удобрения, продукция углекислоты выше: 1.52 и 1.66, 1.69 и 1.82 г С/м2 в сутки для серий вариантов 2 и 3 соответственно. По величине Rall смеси пород с микробиологическим препаратом, также превосходят свои аналоги без его внесения, однако различия по сериям, в пределах одного варианта, не превышают 8—12%.
Несмотря на незначительную динамику влажности субстратов в сосудах по вариантам полевого эксперимента, отмечается следующая закономерность: увеличение содержания влаги соответствует снижению интенсивности выделения СО2 .
Прямая зависимость интенсивности эмиссии углекислоты сосудами варианта "контроль" от температуры в слое 0—3 см почвы наблюдается в течение первых летних месяцев. В августе влияние
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.