Особенности генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов (полигонов ТБО) Нижнего Дона

Актуальность исследования. Многомиллионные генерации твердых бытовых отходов (ТБО), ежегодно образующиеся во всех населенных пунктах страны, неизбежно требуют дальнейших действий по их удалению и утилизации. В России подавляющее количество ТБО (до 97%) все еще продолжают вывозить на свалки. Согласно материалам Киотского протокола об изменении климата подписанного в декабре 1997 г., метан мест захоронений ТБО внесен в реестр основных антропогенных источников выбросов парниковых газов планеты. По проведенной в середине девяностых годов оценке Межправительственной комиссии по изменению климата (IPCC) свалки России ежегодно выбрасывают в атмосферу 1.1 млн. т метана, что составляет примерно 2.5% от антропогенного планетарного потока. Очень часто, выбирая участок под полигон ТБО, руководствуются экономией средств, игнорируя роль геологических условий и геоэкологически обоснованные концепции захоронения отходов. Это является причиной резкого ухудшения экологического состояния природной среды при эксплуатации полигонов ТБО.

Образование и функционирование полигонов ТБО сопряжено со значительными нарушениями, вызывающими перестройку в системе почвообразующие процессы <-> свойства почвы. Почва, как известно, выполняет целый ряд важнейших экологических функций, и трансформации в этой системе чреваты нарушениями в сопредельных средах, однако исследования по этой проблеме практически отсутствуют. Таким образом, необходимость изучения особенностей генезиса почв полигонов ТБО, обусловлена как теоретической и практической значимостью проблемы, так и отсутствием данных, позволяющих систематизировать и прогнозировать изменения, возникающие в почве при техногенном воздействии данного вида.

Цель и задачи исследования

Целью исследований было выявление особенностей генезиса черноземных почв техногенных ландшафтов полигонов ТБО Нижнего Дона.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: — дать сравнительную характеристику почв техногенно-преобразованных ландшафтов полигонов ТБО и целинного зонального аналогаизучить изменения физико-химических свойств, преобразование морфологических признаков на макро-, мезо-, микрои субмикроморфологическом уровнях в техногенных почвах территорий полигонов ТБО;

— исследовать характер распределения минеральной составляющей тонкодисперсных фракций и компонентов органического вещества по профилям техно-генно-нарушенных почв территорий полигонов ТБО;

— соотнести некоторые показатели биологической активности техногенных почв в связи с загрязнением ландшафтов полигонов ТБО;

— выявить приоритетные негативные процессы, воздействующие на экологическое состояние почв территорий полигонов ТБО;

Положения, выносимые на защиту:

1. В обстановке технопедогенеза проявление типичных элементарных почвообразовательных процессов, присущих черноземам обыкновенным карбонатным (североприазовским), становится рецессивным, и начинают доминировать процессы, формирующие облик почв территорий полигонов ТБО.

2. Комплекс определенных физико-морфологических параметров (структурное состояние, плотность, пористость почв, строение почвенного профиля, новообразования и включения), целесообразно использовать как базовые показатели технопедогенеза, лимитирующие выполнение почвами основных экологических функций: аккумуляционной, средообразующей, регуляторной и протекторной.

3. Избирательная реакция ферментов различных классов на эффект загрязнения (активизация оксидоредуктаз — на примере каталазы и угнетение гидролаз — на примере инвертазы) может использоваться в целях мониторинга.

4. Для почв техногенно-преобразованных ландшафтов характерны следующие основные процессы: переуплотнениетехнотурбацияподтоплениезагрязнение антропогенными включениями в результате захламления и делювиального привноса с аккумулятивного антропогенного ландшафта в виде «тела» свалкипроявление редоксиморфизма под воздействием биогаза из «тела» свалки на материал реплантанта.

5. Формирование специфических морфотипов почвенных профилей территорий полигонов ТБО связано с доминирующим видом воздействия, оказываемого на их почвенный покров.

Научная новизна исследования. Впервые для степной зоны, базируясь на комплексном подходе, проанализирован генезис почв полигонов ТБО. Выявлены основные воздействия, оказываемые на почвенный покров территорий полигонов ТБО, и комплексы элементарных почвообразующих процессов, формирующих почвенный профиль данных техногенных почв. На основании подробного морфологического анализа определен вклад отдельных процессов в преобразование почвенной массы. Дана сравнительная характеристика физико-химических свойств, органической и минеральной составляющих в ряду: зональная естественная почва —> действующий полигон ТБО —> рекультивированный полигон ТБО. Обозначены основные механизмы саморегенерации для техногенно-нарушенных почв законсервированных свалок. Проанализировано воздействие загрязнения на биологические свойства почв территорий полигонов ТБО.

Практическая значимость исследования. Полученные результаты дают представление о составе и свойствах почв, находящихся под воздействием таких специфических техногенных объектов как полигоны ТБО. Они могут служить основой для прогнозирования изменений в почвообразовании под воздействием данного антропогенного фактора и/или при смене обстановки под влиянием первичного почвообразовательного процесса (в случае рекультивации). Полученные материалы могут быть использованы при разработке вопросов классификации, диагностики, оценки экологического состояния почв, рекультивации, а также непосредственно использоваться жилищно-коммунальными, природоохранными, производственными, научными и научно-исследовательскими организациями. Результаты исследований используются в учебном процессе при преподавании курсов «Почвоведение», «Почвенно-экологический мониторинг» и «Классификация почв» на кафедре почвоведения и агрохимии РГУ.

Данная работа была поддержана двумя именными грантами ФЦП «Интеграция» в 2001 и 2003 гг. (проекты №№ 80 и 3 3226/2259).

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научно-практических конференциях студентов и аспирантов РГУ «Неделя науки» (Ростов-на-Дону, 2001;2005) — молодежных научных конференциях «Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производства» (п. Персиановский, 2001;2004) — Международной конференции по антропогенным почвам «Soil anthropization VI» (Братислава, Словакия, 2001) — Всероссийской конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002) — Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2002, 2005) — Всероссийской научной конференции Докучаевских молодежных чтений «Город. Почва. Экология» (Санкт-Петербург, 2003) — 7 Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология — наука XXI века" — Международной научной конференции «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов» (Казань, 2003) — Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003) — 2-й Международной конференции по почвам городских, промышленных и техногенных территорий «Soils of Urban, Industrial, Traffic and Mining Areas». SUITMA. (Нанси, Франция, 2003) — IV съезде Доку-чаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004) — Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы, общим объемом 1,37 пл., личный вклад — 75%.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, включает 16 таблиц, 21 рисунок и 16 приложений.

Список литературы

включает 180 наименований, в том числе 160 — отечественных и 20 — зарубежных авторов.

ВЫВОДЫ.

1. Функционирование полигонов ТБО оказывает воздействие на почвы прилегающих территорий, сопровождающееся ухудшением комплекса их свойств: нарушением строения почвенного профиля, появлением новообразований и включений, несвойственных нативным почвам, ухудшением структурного состояния, уменьшением пористости, увеличением плотности, изменением рН в сторону под-щелачивания, увеличением карбонатности профиля.

2. Установлено, что в верхних горизонтах техногенно-нарушенных почв на законсервированной свалке первичная рудеральная растительность способствует возобновлению дернового процесса, что на микроуровне проявляется в преобладании гумусовой плазмы. На макроуровне — обуславливает изменение окраски и улучшение структуры. В обстановке технопедогенеза создаются контрастные внутрипоч-венные условия, которые видоизменяют характер исходных новообразований и включений и способствуют синтезу аутигенных минеральных образований: различных форм кальцита, стяжений железа, железо-марганцевых конкреций, включению антропоморфов во внутрипедную массу.

3. Под влиянием техногенеза в почвах отмечается возрастание степени разупо-рядоченности структуры минералов, ряду почв и грунтов соответствует супердисперсное состояние. По мере перехода от илистой к тонкопылеватой фракции снижается доля лабильных силикатов и возрастает концентрация жестких структур в виде иллита, каолинита, хлорита и кварца, появляются полевые шпаты, в техно-генно-нарушенных почвах идентифицируются смешаннослойные иллит-смектитовые образования. В целинной почве и в техногенно-преобразованных почвах полигонов ТБО, присутствуют хлориты различного химического состава. На основании количественной характеристики минералогического состава тонкодисперсных фракций техноландшафтов, по сравнению с целинным аналогом, наблюдается увеличение гидр о слюдистой компоненты по профилям почв, что является результатом процесса техногенной иллитизации.

4. В почвах техногенных ландшафтов наблюдается изменение их гумусного состояния: содержание гумуса может, как снижаться, так и увеличиваться в зависимости от обогащенности органическим веществом погребенных горизонтов, а также природы того субстрата, который участвует в образовании техногенных горизонтов. Условия гумификации обуславливают химическую «незрелость» гумино-вых кислот новообразованных техногенных горизонтов. Увеличение лабильных форм гумуса сопровождается цементацией почвенной массы свободными R2O3- гидрофильности гумуса способствует образование подвижных гуматов Mg и Na. Техногенное переувлажнение определяет создание прочной связи между высокодисперсными формами гумуса и глинистыми минералами, что увеличивает долю фракций ГК-3 и ФК-3.

5. Выявлена избирательная реакция ферментов различных классов на эффект загрязнения: происходит активизация оксидоредуктаз (на примере каталазы) и угнетение гидролаз (на примере инвертазы). Достаточная микробиологическая активность азотобактера в техногенных почвах полигонов ТБО, несмотря на высокий уровень загрязнения, обусловлена комплексом условий, которые благоприятствуют развитию данной бактерии в ее природной экологической нише.

6. Технопедогенез на полигонах ТБО обусловлен рядом приоритетных воздействий: турбацией и другими механическими нарушениями почвенного профиля, техногенно спровоцированным подтоплением, осолонцеванием, загрязнением антропогенными включениями в результате захламления и делювиального привноса, воздействием биогаза из «тела» свалки и т. д.

7. В обстановке технопедогенеза черноземы обыкновенные карбонатные подвергаются воздействиям процессов, формирующих генезис почв территорий полигонов ТБО: искусственное переуплотнение почво-грунтового материала, техногенное подщелачивание, миграция соединений железа и марганца, метаморфизация органического вещества, проявление магнезиальной солонцеватости, редоксимор-физма протекающего в «теле» свалки.

8. Выделены следующие морфотипы почвенных профилей, формирование которых связано с доминирующим видом воздействия: 1. Технозем черноземовидный турбированный- 2. Технозем черноземовидный гидрометаморфизированный- 3. Технозем черноземовидный дерново-намытый турбированный- 4. Пелозем гумусовый глееватый подстилаемый бытовыми отходами.

9. На территориях техноландшафтов полигонов ТБО способность почв выполнять свои экологические функции резко снижается за счет деградационных трансформаций состояния и свойств почв, требующих очень длительного времени воестановления. Изученные четыре объекта захоронения ТБО по уровню экологической безопасности можно расположить в следующий ряд (в убывающем порядке): полигон ТБО «Западный» > полигон ТБО «Батайский» > полигон ТБО «Аксай-ский» > свалка «Северная».