Химико-экологические свойства почв и индекс NDVI на рекультивированных сернистоугольных отвалах бореальной зоны

Введение

Горнодобывающая промышленность, в частности угледобыча, во многом способствует преобразованию природных экосистем. Подземные разработки вызывают изменение рельефа и оседание поверхности, так, в исследовании [1] смещение определено по записям годичных колец деревьев лиственницы Европейской Larix decidua, при этом авторы подтвердили наибольшую активность оседания в период интенсивной добычи полезных ископаемых. В результате горной добычи происходит изъятие земель под отходы. На территории Кузнецкого угольного бассейна ежегодно образуется около 3,6 млрд т отходов, при этом к настоящему времени площадь нарушенных открытым способом добычи земель увеличена до 16,4 га на 1 млн т добытого угля [2]. В почвах, прилегающих к отвалам, наблюдается высокое содержание полиаренов [3], их источником служат выбросы горящих отвалов, которые в результате атмосферного переноса распространяются на близлежащие территории. В выбросах горящих отвалов обнаружен нафталин, при этом его количество выше в отходах, содержащих пирогенный битум. Также выявлены антрацен, фенантрен, флуорантен и пирен, причем три последних указывают на интенсивное окисление органических веществ [4]. Почвы угледобывающих территорий часто подвержены загрязнению тяжёлыми металлами. В почвах шахтных районов повышена концентрация Cr, Ni и Hg относительно нормативных значений [5]. Причиной загрязнения почв и водных объектов является наличие микроэлементов в угле. Так, авторы [6] обнаружили, что во вмещающих породах угля при выщелачивании высвобождаются Se, Cd, Hg, As, Be и V Cr и Pb. Высокое содержание Fe, Al, Mn, Be и других элементов в реках Кизеловского угольного бассейна описано в работах [7, 8]. Использование коэффициента Igeo показало загрязнение Co, V, Nb, Hg, Sn, Zn, Sm, Ni, Cr, Gd донных отложений реки Косьва на территории КУБа [9]. Добыча угля, помимо загрязнения окружающей природной среды, приводит к изменению гидрологического режима. Результаты исследований [10] показали, что сток, глубина стока и весенний сток вследствие добычи угля уменьшились примерно на 25, 30 и 57 % соответственно, рассчитанные модули эрозии почвы и потеря почвы увеличены почти на 200 %.

Угли и углесодержащие породы крупнотоннажных отвалов добычи содержат большое количество сульфидов и органической серы в составе полезных ископаемых отвалов, при этом на различных месторождениях содержание серы в углях отличается. В составе углей Кизеловского угольного бассейна содержание серы составляет около 5–8 %, при этом сера имеет преимущественно пиритную природу [11]. Исследование Singh и Narzary [12] по изучению вскрышных и угольных пластов на шахте Тикок в Индии показали, что содержание серы в разных пластах колебалось от 0,02 до 2,5 %, при этом для угольного пласта максимальное содержание серы составило 1,9 %.

Пирит и другие сульфиды в отвалах вскрышной породы в окислительных условиях химически нестабильны. Первоначально при воздействии воды и кислорода с нейтральным рН происходит химическое окисление пирита с выделением Fe²⁺, SO₄²⁻ и H⁺ [13], в присутствии O₂ железо двухвалентное окисляется до трехвалентного. При этом постепенно возрастает кислотность вод и увеличивается активность ионов Fe³⁺. Ацидофильные микроорганизмы убыстряют окисление пирита, что приводит к образованию кислых шахтных вод [13]. Кислые шахтные воды насыщены тяжелыми металлами, микроэлементами и сульфатами, обладают сильной кислотностью (рН = 2,5–3) [14]. Поэтому угольные отвалы являются источниками загрязнения окружающей среды.

Естественное восстановление растительного покрова на угольных отвалах происходит медленно вследствие высокой кислотности, вызванной окислением сульфидных минералов вскрышных пород, недостатка питательных веществ и неблагоприятного механического состава породы. Рекультивация значительно сокращает время формирования почвенного и растительного покрова на отвалах. Рекультивация угольных отвалов приводит к повышению величин pH почвы от ультракислых (рН–Н₂О 2,7) к нейтральным (рН–Н₂О 6,4) [15]. Изменение кислотности способствует восстановлению растительности, что улучшает качество почвы за счет увеличения количества органических и питательных веществ (NPK) в почве. Согласно данным [16–18] на более старых участках рекультивации увеличились как плотность растительного сообщества, так и биоразнообразие растений.

Формирование почвы на отвалах отходов угольной добычи препятствует распространению загрязняющих веществ в окружающую среду [19, 20]. Рекультивация отвалов и нарушенных земель, а также восстановление растительности и почвы необходимы для сохранения природной среды и предотвращения негативных последствий природопользования [21, 22].

Кизеловский угольный бассейн (КУБ) расположен в восточной части Пермского края (рис. 1) и занимает площадь около 1500 км² [7]. На территории КУБа проведено тщательное обследование поверхностных вод и донных отложений [7, 8, 23]. Однако современное состояние почв отвалов КУБа изучено недостаточно. Часть угольных отвалов КУБа рекультивирована, но масштабных научных исследований не проводилось. После закрытия шахт были предприняты попытки исследования почв, образованных на отвалах [24, 25]. Однако это были разовые исследования, и они не включали диагностику и классификацию, а также многие химические характеристики.

Целью работы является изучение химико-экологических свойств антропогенных почв, образовавшихся в результате рекультивации угольных отвалов, классификация образовавшихся почв, оценка эффективности рекультивации с использованием индекса NDVI и фитотестирования.

Материалы и методы

Описание территории исследования

Район исследования входит в состав Уральской геохимической провинции элювиально-трансаллювиальной области остаточных горных массивов западного склона Среднего Урала. По ландшафтному районированию территория исследования относится к Верхнеяйвинскому высокому грядово-увалистому ландшафту на палеозойских карбонатных и частично терригенных породах. Климат умеренно-континентальный, среднегодовое количество осадков 700 мм. В системе современного почвенно-экологического районирования территория КУБа относится к Западному предгорному району тяжелосуглинистых подзолистых, дерново-подзолистых и заболоченных почв. Район исследования относится к средне- и южнотаёжным предгорным пихтово-еловым и елово-пихтовым лесам.

Подземная добыча угля продолжалась с конца XVIII до конца XX в.; шахты были закрыты в начале 2000-х годов. На территории КУБа около 100 породных отвалов [7]. По данным спутниковых снимков 2021 г. площадь отвалов достигла 260 га. За время работы шахт накоплено свыше 35 млн м³ пород. Литология угленосной толщи, технология добычи и складирования, а также возраст отвалов определили неоднородность породы отвалов, в которых установлено около 60 минералов [7]. Отвалы состоят из аргиллитов, алевролитов, песчаников, известняков, угля, пирита, содержат древесину и металлические предметы [26].

Рис. 1. Географическое положение Кизеловского угольного бассейна

Отбор проб почвы

В летний период 2021 и 2022 гг. были отобраны пробы почв с трех рекультивированных отвалов (рис. 2). Глубина прикопок составила 30 см. Большое количество каменистого материала затрудняло отбор с большей глубины. Пробы почв были отобраны из центральной части отвала, поверхность которого была выровнена перед рекультивацией. На площади 5×5 м были заготовлены три прикопки и отобраны пробы с глубин 0–10, 10–20 и 20–30 см. Предварительно в местах отбора каждой пробы почвы поверхность очищалась от растительного покрова. Отбор проб из прикопок осуществлялся с помощью лопатки из нержавеющей стали. Образцы почв с каждого отвала с соответствующих глубин были смешаны. Почва упаковывалась в полиэтиленовые пакеты, маркированные записками с шифром пробы, датой и местом отбора. Масса объединенной пробы почвы составляла не менее 1 кг. В качестве фоновых проб смешанного леса были взяты образцы дерново-подзолистой почвы.

Прикопка 1 заложена на отвале шахты «Северная», пос. Шахта (рис. 2(1)) (59° 4'58.62"N 57°40'59.29"E). Отвал был рекультивирован в начале 2000-х годов путем выравнивания и добавления гашеной извести в верхний слой. В настоящее время отвал ровный.

Прикопка 2 заложена на отвале шахты «Центральная», пос. Углеуральский (рис. 2(2)) (58°56'54.31"N 57°36'15.50"E). В 2016 г. отвал был рекультивирован путем выравнивания и засыпки глинистым материалом толщиной 0,3–0,5 м. На отвале очагово наблюдаются насыпи строительного мусора.

Прикопка 3 заложена на отвале шахты «Гореловская», пос. Шумихинский (рис. 2(3)) (58°45'21.25"N 57°40'17.25"E). В 2018 г. отвал был рекультивирован путем выравнивания и засыпки глинистым материалом толщиной около 0,3 м.

В качестве фоновых проб отобраны образцы дерново-подзолистой почвы во вторичном мелколиственном лесу.

Рис. 2. Место отбора проб и профили почв: 1 – отвал шахты Северная; A – эмбриозем дерновый; 2 – отвал шахты Центральная; B – литострат глинистый №1; 3 – отвал шахты Гореловская; С – литострат глинистый №2

Методы исследования

Актуальная и обменная кислотность в пробах почвы определена потенциометрическим методом. Гидролитическая кислотность – методом Каппена (в вытяжке 1М CH₃COONa), основанном на титровании 1 н щелочью в присутствии фенолфталеина. Обменную кислотность, обменный алюминий и обменный водород по методу Соколова, основанного на обработке почвы раствором 1М KCl, с последующим титрованием одной части щелочью для обнаружения суммы обменных алюминия и водорода, другая часть вытяжки титруется щелочью с добавлением фторида для определения ионов водорода. Определение кислотности почв в перекиси водорода проведено для окисления сульфидных минералов, присутствующих в отвалах; рН с перекисью ниже 2,5 указывает на наличие сульфидных минералов.

Содержание органического вещества определено спектрофотометрическим методом по ГОСТ 26213–91, емкость катионного обмена (ЕКО) по методу Бобко-Аскинази-Алешина (ГОСТ 17.4.4.01–84), содержание обменного кальция и обменного (подвижного) магния определяли комплексонометрическим титрованием по ГОСТ 26487–85; содержание подвижной серы определяли турбидиметрическим методом по ГОСТ 26490–85, подвижное железо – спектрофотометрическим методом с о-фенантролином по ГОСТ 27395–87; сульфат ионы – турбидиметрическим методом по ГОСТ 26426–85. Подвижные фосфаты и калий определены методом Кирсанова, основанном на экстракции подвижных фосфатов и калия из почвы 0,2М раствором HCl. Далее определяли подвижные фосфаты в виде синего фосфорно-молибденового комплекса на фотоэлектроколориметре, подвижный калий – на пламенном фотометре. Содержание подвижного калия и фосфатов в почвах отвалов оценивали по критериям, описанным в работе [27].

Биологическая активность почв исследована по патенту¹. Фитотестирование верхних слоев почв отвалов (0–10 см) проводили с использованием кресс-салата и овса. Кресс-салат выращивали на почвах отвалов и на фоновой почве в течение 7 дней, овес – в течение 10 дней. Высота и масса растений измерялась в 25-кратной повторности. Снижение показателей кресс-салата на 10–30 % свидетельствует об удовлетворительном состоянии почвы, на 30–50 % – о неудовлетворительном, при снижении более 50 % – об экологически опасном состоянии. В качестве контроля использовали растения, выращенные на вермикулите с питательным раствором Кнопа (1 г/л Са(NО₃)₂, 0,25 г/л КH₂РO₄, 0,25 г/л MgSO₄, 0,125 г/л КСl, 0,0125 г/л FеСl₃).

Для расчета индекса NDVI на территории отвалов использовались снимки Sentinel-2 (литострат 2) и Landsat 7,8 (эмбриозем и литострат 1) за 2000, 2007, 2014, 2018, 2020 и 2023 гг. Необходимые космические снимки и спектральные каналы получены с помощью сервиса EOS LandViewer.

Индекс NDVI (нормализованный относительный индекс растительности) является показателем количества активной биомассы и вычисляется как отношение разности ближней инфракрасной и красной зоны спектра к их сумме. Значения индекса NDVI варьируются в диапазоне от –1 до +1 и позволяют определить, насколько сильно развита растительность в период вегетации. Отрицательные значения индекса на практике чаще всего соответствуют водоемам, облакам или застройке. Низкие положительные значения (от 0 до 0,3) говорят либо о полном отсутствии растительности (примерно от 0 до 0,1), либо о редкой кустарниковой или луговой растительности (примерно до 0,3). Значения в диапазоне от 0,3 до 0,5 можно отнести к умеренной растительности, значения индекса от 0,5 до 1 свидетельствуют о наличии густой растительности, чаще представленной лесными насаждениями.

Отслеживание динамики индекса на территории рекультивируемых отвалов позволяет судить об успешности проведенной рекультивации.

Индекс рассчитывался с помощью инструмента Raster Calculator набора инструментов Spatial Analyst в программе ArcMap 10.4. Для полученных растров с целью улучшения визуального отображения использовался метод передискретизации кубической свертки.

Статистические показатели, такие как среднее значение и коэффициент вариации (CV), рассчитывали с использованием программного обеспечения STATISTICA 7 и MC Excel. Для статистической обработки полученных данных использовались регрессионный и корреляционный анализы с доверительной вероятностью 95 %. Образцы почвы по агрохимическим параметрам сравнивали с использованием дисперсионного непараметрического метода (критерий Краскела–Уоллиса). Значимыми различия между сравниваемыми средними значениями считались с уровнем достоверности 95 % и выше (P < 0,05). Достоверность различий между высотой и массой растений оценена по критерию Стьюдента (Р < 0,05).

¹ Еремченко О. З., Митракова Н. В. Способ оценки биологической активности и токсичности почв и техногенных почвогрунтов: патент РФ. 2017. Бюл. № 15. № 2620555.

Результаты

Классификация почв и изменения растительности

Фоновые почвы района исследований – зональные дерново-подзолистые суглинистые почвы. В связи с эксплуатацией отвалов естественный почвенный покров был преобразован. В целом почвенный покров отвалов неоднороден. На отвалах образовались техногенные почвы или техногенные поверхностные образования (ТПО).

Эмбриозем дерновый идентифицировали на отвале шахты «Северная» по классификации, предложенной в [28]. В соответствии с World Reference Base for Soil Resources (WRB) данную почву можно отнести к Epileptic Technosol (Densic, Carbonic, Skeletic) (см. рис. 2, А). Почва с поверхности имеет темно-серую окраску, под дерниной слой мощностью 2 см, характеризующийся комковатой структурой, ниже залегает плотный материал вперемешку с камнями разного размера, в верхних 10 см отмечено содержание мелкозема. Растительность на шахте «Северная» имеет проективное покрытие около 25%. Древесная растительность представлена 10–15-летними березами (Betula). Всего встречается 9 видов растений, в том числе иван-чай узколистный (Chamaenerion angustifolium), подмаренник северный (Galium Boreal), земляника зеленая (Fragaria viridis), кукушкин лен обыкновенный (Polytrichum commune), пырей ползучий (Elytrigia repens), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium), осока (Carex) и манжетка обыкновенная (Alchemilla vulgaris) (табл. 1).

Таблица 1

Список сосудистых растений на рекультивированных отвалах

По данным WRB литострат глинистый, диагностированный на отвале шахты «Центральная», классифицируется как Spolic Epileptic Technosol (Loamic, Densic, Skeletic) (см. рис. 2, Б). В литострате отсутствует выделение на горизонты или слои, обильны камни и уголь (около 40%), до глубины 10 см комковатая структура и корни травянистых растений. Почва плотная, глинистая, буровато-коричневой окраски. Растительность отвала шахты «Центральная» представлена 20 видами из семейств Gramineae, Asteraceae, Rosaceae, Rubiaceae, Fabaceae, Plantainaceae, Cyperaceae (см. табл. 1). Проективное покрытие составляет около 35%.

Глинистый литострат диагностирован также на отвале шахты «Гореловская». По данным WRB эту почву также можно классифицировать как Spolic Epileptic Technosol (Loamic, Densic, Skeletic) (см. рис. 2, С). Почва имеет светло-коричневую окраску, почвенные агрегаты глыбистые, гранулометрический состав глинистый. В нижней части профиля почва влажная, пластичной консистенции. На Гореловском отвале растительность представлена 19 видами. Тимофеевка луговая (Phleum pratense) и клевер красный (Trifolium pratense) являются доминирующими видами, единично встречаются растения 17 видов из семейств Gramineae, Fabaceae, Asteraceae, Caryophyllaceae, Onagraceae, Ranunculaceae и Rubiaceae (см. табл. 1). Проективное покрытие составляет около 50%.

На основе спутниковых снимков Sentinel-2 и Landsat 7.8 выявлены изменения растительности с помощью индекса NDVI (рис. 3–5). Сукцессию на угольных отвалах рассматривали в течение нескольких временных периодов: начальный период (отвал без изменений), несколько лет после рекультивации и 2023 г.

Для отвала шахты «Северная» рассмотрены четыре периода наблюдений (см. рис. 3): исходное состояние отвала, два года после рекультивации, семь лет после рекультивации и современное состояние. Индекс NDVI на территории отвала шахты «Северная» в июне 2000 г. (до рекультивации) составлял около 0,3. После проведения рекультивации индекс NDVI увеличился до 0,5–0,6, что свидетельствует о появлении устойчивого растительного покрова.

Рис. 3. Индекс NDVI для отвала шахты «Северная»

В июне 2014 г. (до рекультивации) индекс NDVI практически для всех участков отвала шахты «Центральная» колебался от 0,1 до 0,3, что свидетельствует об отсутствии какой-либо растительности (см. рис. 4). В течение 9 лет большую часть площади отвала заняла кустарниковая растительность, о чём говорит значение индекса NDVI в районе 0,4.

Рис. 4. Индекс NDVI для отвала шахты «Центральная»

На отвале шахты «Гореловская» в течение 5 лет после рекультивации наблюдался рост значений индекса NDVI от 0,1–0,3 до 0,4–0,55 и выше 0,6 на отдельных участках (см. рис. 5). Динамика индекса NDVI по всем трем отвалам свидетельствует об успешности рекультивации и возникновения устойчивого растительного покрова.

Рис. 5. Индекс NDVI для отвала шахты «Гореловская»

Химические свойства почвы

Поверхностные слои литострата 1 и эмбриозема характеризуются нейтральной реакцией, pH–H₂O составило 6,8 и 7,9 соответственно; pH–KCl = 4,4 в литострате 1 и 5,5 в эмбриоземе (табл. 2). С глубины 20 см они становятся слабокислыми, при этом pH–H₂O снижается до 3,3 в литострате 1 и до 5,0 в эмбриоземе. Поверхностный слой литострата 2 имеет слабокислую реакцию (рН–H₂O = 6,1, рН–KCl = 4,1), кислотность увеличивается с глубиной до значений рН–H₂O = 4,5 (см. табл. 1). Нижние слои литострата 1 содержат сульфидные минералы, на что указывает рН с перекисью водорода (pH–H₂O₂ = 1,98) (см. табл. 2). Это объясняется перемешиванием нижнего слоя почвенного материала и верхнего слоя отвала в результате физической и химической миграции вещества.

Таблица 2

Химические свойства почв

Примечание: *H_гк – гидролитическая кислотность, **ОК – обменная кислотность.

Для литострата 2 характерна наибольшая обменная кислотность из всех почв отвалов, она обусловлена тем, что почва образована из срединных горизонтов местных глинистых почв. Гидролитическая кислотность литострата 1 и эмбриозема значительно ниже, чем у фоновой (см. табл. 2). Это связано с тем, что почвы отвалов нейтральные и слабощелочные. Результаты теста Краскела–Уоллиса показали, что кислотность эмбриозема отличается от кислотности фоновой почвы и литостратов.

Содержание подвижного железа в почвах отвалов в 1,5–2 раза ниже, чем в фоновой почве (см. табл. 2). В водных вытяжках почв преобладают сульфат-ионы, их содержание максимально в литострате 1. Увеличение содержания подвижной серы в литостратах с глубиной связано с наличием вскрышных пород отвала на глубине 20–30 см. Содержание подвижной серы в эмбриоземе снижается с глубиной, тогда как в литостратах увеличивается (см. табл. 2).

Содержание органического вещества варьирует в зависимости от почвы и слоев (табл. 3). Наибольшее содержание органического вещества характерно для эмбриозема. Обилие угля в нижнем слое литострата 1 обуславливает высокое содержание органического вещества, в вышележащих слоях литострата 1 содержание органического вещества в 2–3 раза ниже. По сравнению с литостратом 1 и эмбриоземом литострат 2 имеет самое низкое содержание органического вещества.

Таблица 3

Агрохимические свойства почв

Емкость катионного обмена в почвах в целом средняя, с максимальными значениями в верхнем 10-сантиметровом слое. Поглотительная способность фоновой почвы несколько ниже, что, по-видимому, связано с обменными катионами кальция и магния. Содержание обменного кальция в почвах отвалов достоверно не отличается и снижается с глубиной.

Содержание фосфатов в почвах отвалов ниже фонового уровня и классифицируется как «низкое» по шкале Кирсанова (см. табл. 3). Содержание калия подвижного максимально в литострате 1 и минимально в эмбриоземе (см. табл. 3). Содержание питательных веществ в почве зависит от времени почвообразования и растительности. На отвале шахты Центральная на литострате 1 обнаружено наибольшее разнообразное видов травянистых растений, которые могут обеспечивать наибольшее количество питательных веществ. Все почвы имеют одинаковое содержание азота, за исключением литострата 2 (см. табл. 3).

Верхние слои почв отвалов обладают более благоприятными свойствами для тест-культур, чем фоновая почва (рис. 6). При этом кресс-салат, выращенный на литострате 1 и эмбриоземе, показал лучшие результаты по высоте и массе по сравнению с контролем, выращенным на вермикулите.

Рис. 6. Фитотестирование верхних слоев почв

Овес, выращенный на вермикулите (контроль), имел такую же высоту, как и растения, выращенные на почвах отвалов (рис. 6, B). Однако масса растений овса, выращенных на контроле, достоверно превышала массу растений, выращенных на почвах отвалов и фоновой почве.

Обсуждение

Литостраты образовались в результате покрытия выположенной вершины угольного отвала слоем глинистого материала, который, судя по всему, представлен нижними горизонтами или материнской породой местных почв. Об этом свидетельствует схожий гранулометрический и агрегатный состав. На почвенных агрегатах (педах) наблюдается железистая пленка на глубине до 20 см. Глубина профиля литостратов около 30–40 см, что обусловлено мощностью отсыпки глины, крутизной склона отвала и степенью измельченности вскрышной породы отвала.

Разницу в кислотности между литостратами можно объяснить тем, что рекультивация литострата 2 завершилась на несколько лет позже и на отвале шахты «Центральная» остался строительный мусор от прежних объектов горного хозяйства, что потенциально может привести к нейтрализации литострата 1. Однако сильная кислотность нижнего слоя литострата 1 обусловлена наличием сульфидов во вскрышных породах отвала.

Эмбриозем образовался на измельченных вскрышных породах предварительно разровненного угольного отвала. Для создания благоприятных условий для роста растений в поверхностный слой отвала добавляли гашеную известь, поэтому почва слабощелочная.  Использование извести при рекультивации отвалов является достаточно распространенной практикой, как и использование активного ила в качестве плодородного слоя.

Так, совместное использование свекловичной извести и компостированных биологических веществ помогло нейтрализовать активную и обменную кислотность в почвах и улучшить плодородие почвы на территории медного рудника [15]. На биологическом этапе рекультивации шахты «Капитальная» (Кузнецкий угольный бассейн) в качестве плодородного слоя использовали ил городских очистных сооружений [29].

В почвах отвалов КУБа происходят первичные почвообразовательные процессы. Растительный покров, корни растений, ежегодное образование отмерших растительных остатков способствуют разрыхлению верхнего слоя почвы и накоплению органического вещества.

Подобные типы техногенных почв формируются и в других регионах в сходных условиях – угледобыче, климате и растительности [3, 30, 31]. Техногенные почвы отвалов являются педогенно незрелыми почвами. Они наследуют отрицательные физико-химические свойства отвалов угольных шахт [32], а также содержат большое количество артефактов.

Относительно высокая подвижность железа в фоновой почве по сравнению с почвами отвалов может быть обусловлена кислотностью и высоким содержанием гидроксидов железа в глинистых минералах дерново-подзолистой почвы [33, 34].

Низкое содержание органического вещества в литострате 2 обусловлено отсутствием внесения удобрений при рекультивации. Также его органогенный слой не успел сформироваться из-за незрелости фитоценоза. В литострате 1 высокое содержание органического вещества потенциально можно объяснить наличием угольных включений по всему профилю, а также устойчивым травянистым сообществом. Присутствием частиц угля во вскрышных породах [35] можно объяснить высокое содержание органического вещества в эмбриоземе (7,7–12,1 %) и в нижнем слое литострата 1 (8,9 %).

Количество общего азота и подвижного калия возрастает с увеличением возраста литострата, что подтверждается в [36, 37]. В целом содержание общего азота в литостратах значительно ниже, чем в фоновой дерново-подзолистой почве и эмбриоземе.

Коэффициент вариации (КВ) объясняется влиянием техногенно-антропогенных процессов на почвообразование. Следует отметить, что коэффициент вариации для обменной кислотности, органического вещества, общего железа и подвижной серы в литостратах превышает 40 %. Для эмбриозема диапазон КВ перечисленных показателей значительно ниже. Это связано с однородностью почвообразующего материала эмбриозема, тогда как литостраты – это слой глины, перемешанный с верхним слоем отвала. В результате свойства нижних слоев литостратов не соответствуют ни качествам вскрышной породы, ни глинистому материалу. Коэффициент вариации практически для всех химических показателей фоновой почвы не превышает 25 %, за исключением содержания подвижной серы, где КВ = 110 %, что соответствует значениям коэффициента вариации для подвижной серы в литостратах и эмбриоземе.

Корреляционный анализ выявил прямую и достоверную связь между гидролитической кислотностью, содержанием обменного алюминия и подвижного железа. Источниками железа в исследованных техногенных почвах являются минералы зональных почв и вскрышные породы отвалов. Количество подвижных фосфатов пропорционально вышеуказанным показателям. Это может быть связано со способностью фосфатов образовывать комплексы с алюминием и железом в кислых условиях. В то же время была обнаружена отрицательная корреляция между поглотительной способностью и подвижным железом.

По ростовым показателям овса наилучшее биологическое состояние показал эмбриозем, поскольку он имеет нейтральную реакцию и характеризуется высоким содержанием органического вещества.

Рекультивация угольных отвалов путем создания глинистого экрана или внесения удобрений для стимулирования роста травянистой или древесной растительности имеет решающее значение для предотвращения водной и ветровой эрозии, а также распространения загрязняющих веществ. Это также важно для формирования устойчивых растительных сообществ. Химические свойства техногенных почв существенно различаются по профилю по сравнению с фоновой почвой на исследуемой территории и между собой.

Рекультивационные мероприятия на отвале шахты «Северная», проведённые 25 лет назад, привели к возникновению к настоящему времени эмбриозема дернового, при этом эволюция почвы продолжается. Рекультивация с добавлением гашеной извести обеспечила снижение кислотности до нейтрального уровня, а также высокое содержание органических веществ и поглотительной способности. Поскольку на образовавшихся почвах сложилось устойчивое травянисто-древесное растительное сообщество, этот метод рекультивации можно считать эффективным. Модификация питательной среды путем добавления золы, шлака и осадка сточных вод была изучена на угольных отвалах Бразилии, и этот метод также показал многообещающие результаты при выращивании овса щетинистого (Avena strigosa) и кукурузы (Zea mays) [38].

Засыпка отвалов глинистым материалом нейтрализует сульфидные минералы вскрышных пород вследствие создания экрана, предотвращающего контакт воды и кислорода с минералами, и образования кислых шахтных вод. Изученные литостраты формировались одинаково, но различались по возрасту. Оценить эффективность рекультивации путем засыпки отвала глиной можно, учитывая первичное состояние грунта отвала (литострат 2) и более зрелого грунта (литострат 1). Число видов растений в растительном сообществе со временем увеличивается. Многовидовое травянистое сообщество способствует накоплению органического вещества в верхнем слое почвы и образованию почвенных агрегатов, что улучшает физические свойства отвальных почв, снижает кислотность и увеличивает содержание NPK.

В работе [39] почвы сравнивались через 5, 10 и 25 лет после добычи. В почвах деградированных земель угольных шахт запасы углерода и азота увеличивались с возрастом рекультивации. Это также может быть связано с попаданием органических веществ из отвалов. Физические свойства почвы со временем улучшились. В почве старого отвала преобладала мелкая фракция. В [18] авторы обнаружили увеличение биоразнообразия растений на давно освоенных территориях. В [17] исследователи отметили благотворное влияние травянистых растений на физико-химические свойства почв при рекультивации горнодобывающих территорий. Такие свойства почв рекультивированных отвалов, как содержание органического вещества, содержание азота и фосфора, улучшались со временем после проведенной рекультивации [40].

В целом рост растений на сульфидных угольных отвалах после рекультивации предотвращает ветровую и водную эрозию, самовозгорание и распространение загрязняющих веществ [41]. По результатам сравнения литостратов разного возраста в образовавшуюся почву при рекультивации необходимо вносить органические и минеральные удобрения. Применение агромелиоративных мероприятий (формирование почвенного слоя для роста растений, внесение удобрений, посадка травянистых культур) способствует достижению наилучших результатов [42].

Выводы

На исследованных рекультивированных отвалах Кизеловского угольного бассейна выявлены различные типы почв. Классификация основана на реализованных рекультивационных мероприятиях и техногенных почвообразующих породах. Глинистые литостраты, или Spolic Epileptic Technosol (Loamic, Densic, Skeletic), выявлены на отвалах, рекультивированных путем выравнивания поверхности и засыпки глинистым материалом. Эмбриозем, Epileptic Technosol (Densic, Carbonic, Skeletic), образовался после выравнивания угольного отвала и внесения извести в верхний слой за почти 25-летний период.

Отсутствие горизонтов и четко выраженной структуры почвенных агрегатов, а также большое количество артефактов (обломков вскрышных пород разного размера) в почвах, образовавшихся на угольных отвалах, являются показателями их техногенной природы и молодого возраста.

Уровень кислотности литостратов колебался от кислого до нейтрального, причем чем дольше проходило время после рекультивации, тем ниже становились показатели гидролитической кислотности. Эмбриозем имеет слабощелочную реакцию, обменная кислотность отсутствует. Статистический анализ показал отсутствие различий между рН_вод и рН_сол литостратов и фоновой почвы, однако уровень обменной кислотности литострата 1 ниже, чем в фоновой почве и литострате 2.

Поскольку эмбриозем образовался из измельченных вскрышных пород угольных отвалов, содержание органического вещества в нем максимально. Количество органического вещества в литострате 1 превышает количество органического вещества в литострате 2, что связано с наличием угольных включений по всему профилю.

Травянистая растительность способствует формированию структуры почвы, накоплению органического вещества, обменных ионов кальция и магния и, как следствие, снижению кислотности. Содержание питательных элементов (NPK) также зависит от времени формирования почвы и разнообразия видов растений. Фитотестирование почв с использованием кресс-салата и овса показало, что почвы отвалов имеют более благоприятные экологические условия для роста растений, чем фоновая почва.

В целом рекультивация ускоряет формирование почв и устойчивых растительных сообществ на отвалах и сводит к минимуму поступление загрязняющих веществ в другие природные компоненты. Согласно индексу NDVI уже через два года после рекультивации на сульфидном отвале наблюдается устойчивая травянистая растительность. В рекультивационный период необходимо проводить такие мелиоративные мероприятия, как вспашка и внесение органических и минеральных удобрений, для создания наилучших условий для растительных сообществ.