Особенности процессов почвообразования на участках самозаростающих золоотвалов твердотопливной теплоэлектро станции

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2018; : 6-24

Особенности процессов почвообразования на участках самозаростающих золоотвалов твердотопливной теплоэлектро станции

Константинов А. О., Новоселов А. А., Лойко С. В.

https://doi.org/ 10.17223/19988591/43/1

Аннотация

Рассмотрены особенности почв, формирующихся на участках самозарастающих золоотвалов ТЭЦ-1 г. Тюмени. Изученные почвы характеризуются наличием гумусово-слаборазвитого горизонта W, переходного WTCHQ и стратифицированной толщи техногенных отложений, представляющей собой чередование слоев золы уноса и зольного остатка, различающихся по плотности, гранулометрическому и вещественному составу. Слои, сложенные золой уноса, характеризуются преобладанием фракций пыли и состоят преимущественно из силикатных и алюмосиликатных пористых окатышей и микросфер. Слои зольного остатка отличаются значительным содержанием фракций песка, в составе преобладают крупные угловатые частицы недожога и зерна кварца. Показано, что изучение почв и техногенных субстратов целесообразно проводить на мезо-, микро- и субмикроморфологических уровнях, поскольку ряд элементарных почвообразовательных процессов проявляется только на конкретных иерархических уровнях. Наиболее значимыми процессами в изученных почвах являются дезинтеграция техногенного субстрата, карбонатизация, коагуляционноеи, вменьшейстепени, биогенное оструктуривание, выщелачивание, процессы метаморфизма органического вещества, миграции вещества в суспензиях. Оглеение наблюдается в локальных понижениях рельефа в условиях близкого залегания грунтовых вод. Процессы дезинтеграции, коагуляционного оструктуривания, карбонатизации, выщелачивания хотя и играют важную роль в понимании направленности развития почв золоотвалов, диагностируются только при микро- и субмикроморфологических исследованиях. Установлено, что интенсивность процессов почвообразования в значительной степени определяется особенностями рельефа, характером растительности и неоднородностью техногенного субстрата. Разнообразие и количество педогенных карбонатов является важным индикатором интенсивности почвообразования. Наиболее развитые почвы формируются на хорошо дренированных участках под разреженными древесными сообществами с развитым травянистым ярусом в периферийных частях золоотвалов.

Список литературы

1. Делицын Л.М., Ежова Н.Н., Власов А.С., Сударева С.В. Золоотвалы твердотопливных тепловых электростанций как угроза экологической безопасности // Экология промышленного производства. 2012. № 4. С. 15-26.

2. Зеньков И.В., Нефедов Б.Н., Барадулин И.М., Кирюшина Е.В., Вокин В.Н. Экологические проблемы при эксплуатации золошлаковых накопителей в топливно-энергетическом комплексе России // Экология и промышленность России. 2015. № 2. С. 24-28.

3. Зверева В.П. Экологические последствия формирования золоотвалов ТЭЦ // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2005. № 1. C. 30-34.

4. Чибрик Т.С., Елькин Ю.А. Формирование фитоценозов на нарушенных промышленностью землях: биологическая рекультивация. Свердловск : Изд-во Урал. ун-та, 1991. 220 с.

5. Раков Е.А., Чибрик Т.С. К вопросу формирования флоры на нарушенных промышленностью землях // Экология. 2009. № 6. С. 473-476.

6. Juwarkar A.A., Jambhulkar H.P. Restoration of fly ash dump through biological interventions. // Environmental Monitoring and Assessment. 2008. Vol. 139, № 1-3. PP. 355-365.

7. Махнев А.К., Чибрик Т.С., Трубина М.Р., ЛукинаН.В., Гебель Н.Э., ТеринА.А., Еловиков Ю.И., Топорков Н.В. Экологические основы и методы биологической рекультивации золоотвалов тепловых электростанций на Урале. Екатеринбург : УрО РАН, 2002. 356 с.

8. Махнев А.К., Махнева Н.Е. Ландшафтно-экологические и популяционные аспекты стратегии восстановления нарушенных земель // Сибирский экологический журнал. 2010. Т. 17, № 3. С. 453-459.

9. Pandey V.C. Assisted phytoremediation of fly ash dumps through naturally colonized plants // Ecological Engineering. 2015. № 82. PP. 1-5.

10. Назаркина А.В., Крупская Л.Т., Дербенцева А.М., Зверева В.П., Морина О.М. Артииндустраты теплоэлектростанций юга Дальнего Востока: физико-механические свойства, оценка противоэрозионной стойкости, рекультивация // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2012. № 3. С. 122-126.

11. Назаркина А.В., Арефьева О.Д., Дербенцева А.М. Взаимосвязь физико-механических, противоэрозионных и водных свойств артиндустратов ТЭЦ юга Дальнего Востока // Проблемы региональной экологии. 2013. № 2. С. 140-143.

12. Zikeli S., Jahn R., Kastler M. Initial soil development in lignite ash landfills and settling ponds in Saxony-Anhalt, Germany // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2002. Vol. 165, № 4. PP. 530-536.

13. Zikeli S., Kastler M., Jahn R. Cation exchange properties of soils derived from lignite ashes // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2004. Vol. 167, № 4. PP. 439-448.

14. Zikeli S., Kastler M., Jahn R. Classification of anthrosols with vitric/andic properties derived from lignite ash // Geoderma. 2005. Vol. 124, № 3-4. PP. 253-265.

15. Uzarowicz L., Zagorski Z. Mineralogy and chemical composition of technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from selected thermal power stations in Poland // Soil Science Annual. 2015. Vol. 66, № 2. PP. 82-91.

16. Uzarowicz L., Zagorski Z., Mendak E., Bartminski P., Szara E., Kondras M., Oktaba L., Turek A., Rogozinski R. Technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from thermal power stations combusting bituminous coal and lignite. Part I. Properties, classification, and indicators of early pedogenesis // Catena. 2017. Vol. 157. PP. 75-89.

17. Суслова Н.Г., Аткина Л.И., Чижов Б.Е., Агафонов Е.Ю. Создание рекреационных объектов на территории золоотвала г. Тюмени // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2008. № 2. С. 219-222.

18. Чижов Б.Е., Парыгина Н.Г., Суслов А.В., Аткина Л.И. Инвентаризация территории золоотвала и методы создания на них парковых насаждений Тюмени // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2007. № 8. С. 85-91.

19. Чижов Б.Е., Аткина Л.И., Агафонов Е.Ю., Суслова Н.Г. Испытание травосмесей для рекультивации золоотвала в Тюмени // Вестник Московского государственного университета леса. 2008. № 3. С. 90-93.

20. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.

21. Прокофьева Т.В., Герасимова М.И., Безуглова О.С., Бахманова К.А., Гольева А.А., Горбов С.Н., Жарикова Е.А., Матинян Н.Н., Наквасина Е.Н., Сивцева Н.Е. Введение почв и почвоподобных образований городских территорий в классификацию почв России // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1155-1164.

22. Брагина П.С. Почвообразование на отходах горнодобывающих предприятий Кемеровской области : дис.. канд. геогр. наук. М. : МГУ, 2016. 156 с.

23. IUSS Working Group WRB World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps. World Soil Resources Reports No. 106. Rome: FAO, 2015. 192 p.

24. Соколов Д.А., Кулижский С.П., Лойко С.В., Доможакова Е.А. Использование сканирующей электронной микро скопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2014. № 3 (27). С. 36-52.

25. Sokol E.V., Maksimova N.V., Volkova N.I., Nigmatulina E.N., Frenkel A.E. Hollow silicate microspheres from fly ashes of the Chelyabinsk brown coals (South Urals, Russia) // Fuel Processing Technology. 2000. Vol. 67, № 1. PP. 35-52.

26. Sokol E.V., Kalugin V.M., Nigmatulina E.N., Volkova N.I., Frenkel A.E., Maksimova N.V. Ferrospheres from fly ashes of Chelyabinsk coals: chemical composition, morphology and formation conditions // Fuel. 2002. Vol. 81, № 7. PP. 867-876.

27. Ranjbar N., Kuenzel C. Cenospheres: A review // Fuel. 2017. Vol. 207. PP. 1-12.

28. Kutchko B.G., Kim A.G. Fly ash characterization by SEM-EDS // Fuel. 2006. Vol. 85, № 17-18. PP. 2537-2544.

29. Dudas M.J., Warren C.J. Submicroscopic model of fly ash particles // Geoderma. 1987. Vol. 40, № 1-2. PP. 101-114.

30. Брагина П.С., Герасимова М.И. Почвообразовательные процессы на отвалах горнодобывающих предприятий (на примере юга Кемеровской области) // География и природные ресурсы. 2014. № 1. С. 45-51.

31. Uzarowicz L., Skiba M., Leue M., Zagorski Z., Gqsinski A., Trzcinski J. Technogenic soils (Technosols) developed from fly ash and bottom ash from thermal power stations combusting bituminous coal and lignite. Part II. Mineral transformations and soil evolution // Catena. 2018. Vol. 162. PP. 255-269.

32. Элементарные почвообразовательные процессы: Опыт концептуального анализа, характеристика, систематика / отв. ред. Н.А. Караваева, С.В. Зонн. М. : Наука, 1992. 184 с.

33. Warren C.J., Dudas M.J. Weathering processes in relation to leachate properties of alkaline fly ash // Journal of Environmental Quality. 1984. Vol. 13, № 4. PP. 530-538.

34. Warren C.J., Dudas M.J. Formation of secondary minerals in artificially weathered fly ash // Journal of Environmental Quality. 1985. Vol. 14, № 3. PP. 405-410.

35. Zevenbergen C., Bradley J.P., Van Reeuwijk L.P., Shyam A.K., Hjelmar O., Comans R.N.J. Clay formation and metal fixation during weathering of coal fly ash // Environmental Science and Technology. 1999. Vol. 33, № 19. PP. 3405-3409.

Tomsk State University Journal of Biology. 2018; : 6-24

Special features of soil development within overgrowing fly ash deposit sites of the solid fuel power plant

Konstantinov A. O., Novoselov A. A., Loiko S. V.

https://doi.org/ 10.17223/19988591/43/1

Abstract

Waste deposit sites of solid fuel power plants exist within the majority of large cities of the Urals, Siberia and the Far East. Fly ash deposit sites are often located in close proximity to residential areas and may be observed as a potential source of environmental hazard, which leads to the alienation of significant land lots. The problem of reclamation of ash dumps is of particular concern, and its solution is impossible without understanding the processes of vegetation and soil cover development within such territories. In this paper, we present the results of studying the processes of soil development at the sites of the abandoned ash dumps of the power station in the city of Tyumen that was formed during the work of the enterprise on local peat as a main fuel type. The fly ash deposit sites of Tyumen CHP-1 plant consist of two sites with a total area of 100 ha (Site 1 - 54.0 ha, Site 2 - 46.0 ha) (See Fig. 1). The disposal of ash and slag wastes was discontinued more than 30 years ago; currently, within the territory of the dumps there is a gradual overgrowing. The surface of the ash dumps is aligned, subsidence relief forms occur, and the elevation difference is 1-3 m. A more diverse and complex relief is typical of Site 1. The level of groundwater varies significantly, depending on the position in the relief. Modern vegetation is mosaic; two main types of plant communities are represented: woody-shrubby and grassy. We conducted field studies of the soil cover of the fly ash deposit sites of Tyumen CHP-1 plant in summer 2017. At each fly ash deposit site, a pair of soil profiles was created (See Fig. 1) under woody and grassy vegetation (Profiles 1 and 4, 2 and 3, correspondingly) (See Fig. 2). Diagnostics of soils was conducted according to the Russian Soil Classification considering additions proposed for technogenic soils (Shishov LL et al., 2004). The names of soils are also given according to the World Reference Base for Soil Resources 2015. Profile 1 (57°8'47,30''N, 65°38'8,70''E) is found at a local elevation in the peripheral part of Site 1 under depleted willow forest with willow and aspen undergrowth and a developed grassy layer. Profile 2 (57°8'23,50''N, 65°38'22,80''E) is confined to the surface of Site 2, complicated by subsidence forms under meadow-grassy association with the presence of cereals. Soil is Spolic Technosol (Epiarenic, Endoprotocalcic, Fluvic, Hyperartefactic, Laxic, Amphivitric). Profile 3 (57°8'23,90''N, 65°38'17,80''E), characterizes local decline at Site 2. Vegetation is represented by an aspen-willow forest with developed litter. Soil is Spolic Technosol (Endoprotocalcic, Fluvic Hyperartefactic, Laxic, Stagnic, Amphivitric). Profile 4 (57°8'38,10'N, 65°37'30,50''E) is found at Site 1 with a pronounced technogenic filler relief. Meadow vegetation with willow, aspen and sea-buckthorn undergrowth is characteristic. Soil is Spolic Technosol (Amphiprotocalcic, Fluvic, Hyperartefactic, Laxic, Amphivitric). We studied the diversity and intensity of soil-forming processes at meso-, micro- and submicroscopic levels: in transparent sections using polarization and inversion microscopes and a scanning electron microscope equipped with an attachment for elemental analysis. We determined the granulometric composition of the technogenic deposits on a laser particle analyzer with preliminary dispersion of samples with pyrophosphate (See Fig. 3). The color of soil horizons and anthropogenic substrate was estimated by the Munsell system. The results of the conducted studies indicate that the intensity of soil-forming processes in soils developed from ash differs depending on the position in the relief, the type of vegetation, the level of groundwater, and the heterogeneity of the man-made substrate. The studied soils correspond to Spolic Technosol in accordance with the World Reference Base for Soil Resources. Technosols developed within ash deposit sites inherit the properties and material composition of the technogenic substrate, which is an alternation of fly ash and ash residue layers. The main components of the soil-forming material are silicates, aluminosilicates and ferrosilicates, particles of underburn and microspheres (See Fig. 4 and 7). The processes of soil development occur synchronously with the processes of transformation of the material composition of the initial substrate. The main soil-forming processes are: metamorphism of mineral matter (disintegration, carbonatization) (See Fig. 5), reorganization of the soil mass (coagulation and herbaceous-root structuring), metamorphism of the organic matter (the intake and transformation of plant residues and, to a lesser extent, humification) (See Fig. 6), and migration of matter and gley formation. Several soil-forming processes are diagnosed only at micro- and submicromorphological levels. The quantity and diversity of pedogenic carbonates is an important indicator of the intensity of soil formation. Concretions and microcrystalline forms of calcite are most numerous and well expressed in soils with the most formed on well-drained areas in the peripheral parts of the ash dump under the sparse tree vegetation with a developed grassy layer. The paper contains 7 Figures and 35 References.

References

1. Delitsyn L.M., Ezhova N.N., Vlasov A.S., Sudareva S.V. Zolootvaly tverdotoplivnykh teplovykh elektrostantsii kak ugroza ekologicheskoi bezopasnosti // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva. 2012. № 4. S. 15-26.

2. Zen'kov I.V., Nefedov B.N., Baradulin I.M., Kiryushina E.V., Vokin V.N. Ekologicheskie problemy pri ekspluatatsii zoloshlakovykh nakopitelei v toplivno-energeticheskom komplekse Rossii // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2015. № 2. S. 24-28.

3. Zvereva V.P. Ekologicheskie posledstviya formirovaniya zolootvalov TETs // Geoekologiya. Inzhenernaya geologiya, gidrogeologiya, geokriologiya. 2005. № 1. C. 30-34.

4. Chibrik T.S., El'kin Yu.A. Formirovanie fitotsenozov na narushennykh promyshlennost'yu zemlyakh: biologicheskaya rekul'tivatsiya. Sverdlovsk : Izd-vo Ural. un-ta, 1991. 220 s.

5. Rakov E.A., Chibrik T.S. K voprosu formirovaniya flory na narushennykh promyshlennost'yu zemlyakh // Ekologiya. 2009. № 6. S. 473-476.

6. Juwarkar A.A., Jambhulkar H.P. Restoration of fly ash dump through biological interventions. // Environmental Monitoring and Assessment. 2008. Vol. 139, № 1-3. PP. 355-365.

7. Makhnev A.K., Chibrik T.S., Trubina M.R., LukinaN.V., Gebel' N.E., TerinA.A., Elovikov Yu.I., Toporkov N.V. Ekologicheskie osnovy i metody biologicheskoi rekul'tivatsii zolootvalov teplovykh elektrostantsii na Urale. Ekaterinburg : UrO RAN, 2002. 356 s.

8. Makhnev A.K., Makhneva N.E. Landshaftno-ekologicheskie i populyatsionnye aspekty strategii vosstanovleniya narushennykh zemel' // Sibirskii ekologicheskii zhurnal. 2010. T. 17, № 3. S. 453-459.

9. Pandey V.C. Assisted phytoremediation of fly ash dumps through naturally colonized plants // Ecological Engineering. 2015. № 82. PP. 1-5.

10. Nazarkina A.V., Krupskaya L.T., Derbentseva A.M., Zvereva V.P., Morina O.M. Artiindustraty teploelektrostantsii yuga Dal'nego Vostoka: fiziko-mekhanicheskie svoistva, otsenka protivoerozionnoi stoikosti, rekul'tivatsiya // Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2012. № 3. S. 122-126.

11. Nazarkina A.V., Aref'eva O.D., Derbentseva A.M. Vzaimosvyaz' fiziko-mekhanicheskikh, protivoerozionnykh i vodnykh svoistv artindustratov TETs yuga Dal'nego Vostoka // Problemy regional'noi ekologii. 2013. № 2. S. 140-143.

13. Zikeli S., Kastler M., Jahn R. Cation exchange properties of soils derived from lignite ashes // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2004. Vol. 167, № 4. PP. 439-448.

14. Zikeli S., Kastler M., Jahn R. Classification of anthrosols with vitric/andic properties derived from lignite ash // Geoderma. 2005. Vol. 124, № 3-4. PP. 253-265.

17. Suslova N.G., Atkina L.I., Chizhov B.E., Agafonov E.Yu. Sozdanie rekreatsionnykh ob\"ektov na territorii zolootvala g. Tyumeni // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2008. № 2. S. 219-222.

18. Chizhov B.E., Parygina N.G., Suslov A.V., Atkina L.I. Inventarizatsiya territorii zolootvala i metody sozdaniya na nikh parkovykh nasazhdenii Tyumeni // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa - Lesnoi vestnik. 2007. № 8. S. 85-91.

19. Chizhov B.E., Atkina L.I., Agafonov E.Yu., Suslova N.G. Ispytanie travosmesei dlya rekul'tivatsii zolootvala v Tyumeni // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa. 2008. № 3. S. 90-93.

20. Shishov L.L., Tonkonogov V.D., Lebedeva I.I., Gerasimova M.I. Klassifikatsiya i diagnostika pochv Rossii. Smolensk : Oikumena, 2004. 342 s.

21. Prokof'eva T.V., Gerasimova M.I., Bezuglova O.S., Bakhmanova K.A., Gol'eva A.A., Gorbov S.N., Zharikova E.A., Matinyan N.N., Nakvasina E.N., Sivtseva N.E. Vvedenie pochv i pochvopodobnykh obrazovanii gorodskikh territorii v klassifikatsiyu pochv Rossii // Pochvovedenie. 2014. № 10. S. 1155-1164.

22. Bragina P.S. Pochvoobrazovanie na otkhodakh gornodobyvayushchikh predpriyatii Kemerovskoi oblasti : dis.. kand. geogr. nauk. M. : MGU, 2016. 156 s.

24. Sokolov D.A., Kulizhskii S.P., Loiko S.V., Domozhakova E.A. Ispol'zovanie skaniruyushchei elektronnoi mikro skopii dlya diagnostiki protsessov pochvoobrazovaniya na poverkhnosti otvalov kamennougol'nykh razrezov Sibiri // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya. 2014. № 3 (27). S. 36-52.

27. Ranjbar N., Kuenzel C. Cenospheres: A review // Fuel. 2017. Vol. 207. PP. 1-12.

28. Kutchko B.G., Kim A.G. Fly ash characterization by SEM-EDS // Fuel. 2006. Vol. 85, № 17-18. PP. 2537-2544.

29. Dudas M.J., Warren C.J. Submicroscopic model of fly ash particles // Geoderma. 1987. Vol. 40, № 1-2. PP. 101-114.

30. Bragina P.S., Gerasimova M.I. Pochvoobrazovatel'nye protsessy na otvalakh gornodobyvayushchikh predpriyatii (na primere yuga Kemerovskoi oblasti) // Geografiya i prirodnye resursy. 2014. № 1. S. 45-51.

32. Elementarnye pochvoobrazovatel'nye protsessy: Opyt kontseptual'nogo analiza, kharakteristika, sistematika / otv. red. N.A. Karavaeva, S.V. Zonn. M. : Nauka, 1992. 184 s.

33. Warren C.J., Dudas M.J. Weathering processes in relation to leachate properties of alkaline fly ash // Journal of Environmental Quality. 1984. Vol. 13, № 4. PP. 530-538.

34. Warren C.J., Dudas M.J. Formation of secondary minerals in artificially weathered fly ash // Journal of Environmental Quality. 1985. Vol. 14, № 3. PP. 405-410.

Особенности процессов почвообразования на участках самозаростающих золоотвалов твердотопливной теплоэлектро станции

Аннотация

Special features of soil development within overgrowing fly ash deposit sites of the solid fuel power plant

Abstract

События