Характер изменения свойств почв нефтезагрязненных экосистем в условиях гумидного почвообразования

УДК 631.41 В.П. Середина, А.И. Непотребный, М.Е. Садыков

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ПОЧВ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ГУМИДНОГО ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

В статье рассматриваются данные полевых и экспериментальных исследований почв нефтезаг-рязненных экосистем в условиях южной тайги Западной Сибири. Установлено специфическое влияние нефтяного загрязнения на основные параметры почв в пределах ореола загрязнения. Результаты исследований могут быть использованы при проведении почвенно-экологического мониторинга и рекультивации почв.

Ключевые слова: почва, свойства, нефтезагрязнение, экосистема, южная тайга.

V.P. Seredina, A.I. Nepotrebny, M.E. Sadykov

PROPERTY CHANGE PATTERN OF THE SOILS IN THE OILY ECOSYSTEMS IN THE HUMID SOIL-FORMATION CONDITIONS

The data of field and experimental research of the soils in the oily ecosystems in the conditions of Western Siberia South taiga are considered in the article. The specific effect of oil contamination on the basic soil characteristics within the affected area is revealed. The research results can be applied for soil-ecological monitoring and soil recultivation.

Key words: soil, properties, oil-contamination, ecosystem, south taiga.

Введение. В условиях возрастающего антропогенного воздействия увеличиваются техногенные потоки различных загрязняющих веществ, усиливается их давление на все компоненты биосферы и слагающие её наземные экосистемы. Территории нефтепромыслов в Западной Сибири занимают значительные площади, поэтому проблемы техногенного влияния нефти здесь наиболее актуальны [1]. Повышенная восприимчивость почв к загрязнению органическими поллютантами в условиях гумидного почвообразования связана с недостаточной теплообеспеченностью и малым содержанием элементов питания [2]. Длительность восстановления данных почв обусловлена замедленным темпом естественных биогеохимических процессов. Интенсивное развитие нефтяной и газовой промышленности в Западно-Сибирском регионе существенно повысило значимость почвенного компонента в экосистемных и ресурсных исследованиях. В связи с этим знание трендов техногенной эволюции почвенного покрова, интенсивности и направленности изменений свойств почв и природных процессов в зоне техногенеза очень важно как для практических действий, так и для планирования и организации контроля на длительную перспективу.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований послужили фоновые (незагрязненные) и подверженные техногенной нагрузке почвы месторождений углеводородного сырья, расположенные в южно-таежной подзоне Западной Сибири. Своеобразие природных условий Васюганской группы нефтяных месторождений - равнинность территории, тяжелый гранулометрический состав почвообразующих пород, положительный водный баланс, слабый отток поверхностных вод - способствует повышенному гидроморфизму почв, прогрессивному заболачиванию и широкому развитию процессов подзоло-, глее- и болотообразо-вания. В соответствии с новой классификацией почв России [3] в пределах изученной территории широкое распространение получили почвы постлитогенного ствола (текстурно-дифференцированного, глеевого, аль-фегумусового отделов) и органогенного ствола (торфяного отдела). В качестве модельного объекта для определения воздействия нефтяного загрязнения были выбраны почвы, расположенные в различных зонах техногенной нагрузки, - импактная, буферная, фоновая. Нефтезагрязнённые почвы изучались в нативных условиях в пределах ореола загрязнения на различном удалении от эпицентра загрязнения. В качестве фоновой почвы выступала глубокоподзолистая остаточно-карбонатная почва.

Почвенно-экологическое обследование территории нефтегазовых месторождений осуществлялось методом маршрутов и ключевых участков. Аналитические исследования были выполнены с использованием общепринятых в почвоведении методов.

Результаты исследований и их обсуждение. Нефть, попадая в почву с определенными кислотноосновными условиями, нарушает равновесие естественных процессов, что приводит к изменению системы почвенных параметров. Практически каждый разлив сырой (не товарной) нефти сопровождается поступле-

нием в экосистему легкорастворимых солей, которые в различном соотношении с органической частью нефти находятся в пластовых жидкостях. Особенности трансформации и устойчивости изменения геохимических процессов в почвах южной тайги можно рассмотреть на примере влияния нефтедобычи на природные ландшафты.

Нефтяные загрязнители почв представлены, как известно, в виде многокомпонентных смесей. При нефтедобыче в Западной Сибири для заводнения буровых скважин используются воды, имеющие, как правило, хлоридно-натриевый состав. Сырая нефть эксплуатируемых месторождений также содержит органические и минеральные соединения, в том числе и легкорастворимые соли [4]. Н.П. Солнцева [5] указывает, что даже однократного поступления в ландшафты высокоминерализованных вод или нефти достаточно для интенсивной трансформации ландшафтообразующих геохимических процессов.

Анализ водной вытяжки болотных почв, загрязненных нефтью, свидетельствует о значительном содержании в их верхних горизонтах легкорастворимых солей (табл. 1).

Таблица 1

Вариационно-статистические показатели содержания компонентного состава водной вытяжки нефтезагрязненных болотных почв, мг/кг

Компонент М± т V, % М± т V, %

Плотный остаток, % 2,21±0,32 26 2,19±0,29 22

СІ- 13321±113 24 8339±74 12

Э04 2- 15,7±1,9 18 20,0±2,2 15

N8+ 6538±86 23 8060±91 24

К+ 134±120 26 83,5±8,5 21

По содержанию солей и величине плотного остатка верхняя толща болотной почвы (0-40 см) относится к засоленной, хлоридного типа засоления. Можно считать, что поверхностные торфяные горизонты являются своего рода экраном для нефтяного потока. В составе водных вытяжек из загрязненных нефтью почв доминирующее положение среди анионов занимает хлор, среди катионов - натрий. Результаты анализа водных вытяжек почв подзолистого типа почвообразования свидетельствуют о том, что легкорастворимые соли непосредственно после аварии (прорыва нефтепроводов) отмечаются во всей надиллювиальной части профиля.

Поскольку в таежных районах нефтедобычи создаются условия для промывного водного режима, то можно предположить, что легкорастворимые соли, привнесенные в почвы с нефтью, будут довольно быстро выноситься из профиля почв. Битуминозные вещества, поступающие в почвы в результате техногенного загрязнения нефтью, миграционно более устойчивы. Известно, что для полного разложения нефти в почвах средней тайги требуется не менее 10-20 лет [6]. Более того, в восстановительных условиях, характерных для многих почв нефтедобывающих районов Западной Сибири, процессы разложения нефти значительно замедляются. Поэтому аккумулятивные ландшафты могут служить источником вторичного загрязнения территории нефтепродуктами. Процесс освобождения от водорастворимых солей протекает активно: стадия техногенного засоления субаэральных таежных почв, загрязненных сточными водами, оказывается крайне неустойчивой. Однако в болотных почвах рассоление наблюдается более длительный период вследствие их большей сорбционной емкости и принадлежности к аккумулятивным ландшафтам.

В отличие от загрязнения сточными высокоминерализованными водами, при загрязнении почв сырой нефтью такого быстрого изменения солевого профиля не происходит (табл. 2). Это связано с тем, что полное расслоение сырой нефти на собственно битуминозные вещества и минерализованные воды осуществляется не сразу. Кроме того, какая-то часть солей остается долгое время связанной в нефтяных эмульсиях и не поддается быстрому вымыванию атмосферными осадками.

Таблица 2

Результаты анализа водной вытяжки нефтезагрязненных почв

Глубина, см мг-экв/100 г почвы %

НСОз - СІ - Э04 2- Са2+ Мд2+ К+ Сумма солей Сумма токсичных солей

10 м от границы нефтяного пятна

0-10 0,28 - 7,30 0,40 0,90 6,28 0,2 -

10-20 0,08 - 6,00 0,20 0,20 5,68 - -

20-40 0,08 - 6,00 0,30 0,20 5,58 - -

40-60 0,12 - 5,20 0,20 0,20 4,92 - -

60-80 0,08 - 6,50 0,20 0,20 6,18 - -

80-100 0,08 - 6,40 0,20 0,20 6,08 - -

5 м от границы нефтяного пятна

0-10 0,32 0,12 7,40 0,40 0,10 7,34 - -

10-20 0,16 0,06 6,60 0,20 0,10 6,52 - -

20-40 0,04 0,01 7,50 0,20 0,20 7,15 - -

40-60 0,12 0,11 6,70 0,20 0,20 6,53 0,2 -

Эпицентр нефтяного загрязнения

0-10 0,16 - 6,10 0,40 0,40 5,46 0,2 -

10-20 0,28 0,22 6,30 0,30 0,40 6,10 0,2 -

20-40 0,21 0,19 6,60 0,40 0,30 6,30 0,2 -

40-60 0,24 0,09 7,10 0,30 0,20 6,93 - -

60-80 0,12 - 7,10 0,20 0,20 6,82 0,2 -

80-100 0,20 0,08 6,20 0,20 0,20 6,08 0,2 -

По мере приближения к эпицентру загрязнения в составе водных вытяжек появляются ионы хлора. Низкое содержание легкорастворимых солей свидетельствует о загрязнении почвы нефтью с преобладающим содержанием углеводородистых соединений и незначительным содержанием в ее составе пластовых минерализованных вод. Процессы технопедогенеза могут быть поступательными или циклическими, обратимыми (ощелачивание) или необратимыми трендами преобразования почвенной матрицы. В работах [7-8] указывается на то, что при загрязнении в почвах могут возникать специфические, характерные для природных и техногенных факторов, процессы, которые не имеют природных аналогов в нативных условиях. В результате один и тот же техногенный геохимический импульс (сырая нефть) приводит к последовательному появлению в почвах различных вторичных продуктов. При этом в природных кругооборотах могут появляться токсичные для почв соединения, которых не было ни в техногенных потоках, ни в исходных природных экосистемах. Поскольку в компонентном составе водной вытяжки исследованных нефтезагрязненных почв (см. табл. 2) наблюдается практически полное отсутствие ионов хлора и токсических солей, но в то же время среди катионов отмечается преобладание N8+, а среди анионов - ЭСи2', то этот факт свидетельствует о затухании процессов техногенного галогенеза.

Исследования, проведенные ранее [9], указывают на то, что гумусовые горизонты сравнительно более устойчивы к воздействию загрязнителя, чем иллювиальные. Такое поведение данных химических показателей в ответ на нефтяное загрязнение объясняется неодинаковой буферной способностью отдельных почвенных горизонтов. Верхние горизонты почв более устойчивы к такому типу техногенных нагрузок, но обладают менее высокой активностью восстановления, в то же время нижние горизонты, являясь изначально менее устойчивыми к техногенезу, восстанавливаются быстрее. В зависимости от типа загрязнителя (нефть или собственно сточные воды) устойчивость почв несколько различается.

Несмотря на относительно кратковременное взаимодействие техногенного загрязнителя с почвенной массой, происходит глубокая перестройка физико-химических и некоторых морфологических свойств исходных почв. Наиболее ярким и важным последствием является глубокая перестройка почвенного поглощающего комплекса и щелочно-кислотных условий. Эти изменения, в свою очередь, обусловливают существенную трансформацию и многих других почвенно-геохимических показателей (табл. 3).

Таблица 3

Влияние сырой нефти на физико-химические свойства почв

Глубина, см Угле- род, % Сумма обмен. катионов Гидрол. кислотность Степень насыщен. основан., % рН водн. рН сол. С02 карбо- натов, %

ммоль/100 г почвы

'лубокоподзолистая остаточно-карбонатная почва

15-25 0,88 12,31 16,60 43 4,4 3,6

35-45 0,81 25,17 14,51 63 4,5 3,7

60-70 0,72 38,37 11,19 77 4,6 3,8

80-90 0,42 44,52 - - 4,7 - 3,7

140-150 0,12 45,11 - - 4,9 - 5,5

10 м от границы нес этяного пятна

0-10 3,89 20,32 10,84 65 5,4 4,0

10-20 0,83 18,16 12,13 60 4,7 3,4

20-40 0,84 12,33 13,49 48 4,9 3,4

40-60 0,97 22,72 10,12 69 5,4 3,5

60-80 0,61 31,55 8,04 80 6,0 3,7

80-100 0,59 31,26 3,64 89 6,1 3,9

5 м от границы нес яяного пятна

0-10 4,56 18,24 9,75 65 4,8 4,0

10-20 1,90 18,17 8,42 68 4,5 3,3

20-40 1,59 14,32 5,57 72 4,8 3,4

40-60 2,45 24,74 4,82 84 5,3 3,5

Эпицентр нефтяного загрязнения

0-10 25,4 18,59 5,42 77 5,0 3,8

10-20 6,38 12,21 5,78 68 5,4 3,8

20-40 2,84 12,16 7,66 61 5,9 4,0

40-60 2,79 14,24 7,80 64 6,2 4,2

60-80 3,75 22,68 6,13 79 6,0 3,3

80-100 2,12 28,95 5,97 83 6,1 4,0

По мере приближения от фона к эпицентру нефтяного загрязнения увеличиваются значения рН водной и солевой суспензии, т.е. наблюдается подщелачивающий эффект. Эти изменения являются характерной особенностью исследованных загрязненных почв. Однако, принимая во внимание результаты [8], можно предположить, что это еще не предел подщелачивания. Автор указывает на то, что даже в исходно кислых почвах южной тайги реакция среды может повышаться до 6,1—8,3 ед. на фоне ненасыщенного почвенного поглощающего комплекса. В той же последовательности в направлении от фоновых вариантов к импактной зоне действия нефтяных потоков происходит снижение величины гидролитической кислотности и уменьшение обменных водорода и алюминия. Причиной изменения кислотно-основных свойств нефтезагрязненных почв является замещение ионов водорода и алюминия почвенного поглощающего комплекса натрием из сопутствующих нефти пластовых вод.

Поступление в почву сырой нефти оказывает существенное влияние на ход почвообразовательных процессов в целом и физико-химические свойства в частности. Нефтяное загрязнение ведёт к трансформации основных параметров почв, в значительной степени стирающей свойства исходной литоматрицы и нарушающей равновесие естественных процессов. Вследствие реализации в почвах обменных процессов натрий становится частью равновесной системы «почвенный поглощающий комплекс - почвенный раствор» и активно участвует в изменении соотношения обменных катионов в почве. Параллельно с процессами деструктивной дезинтеграции углеводородов нефти происходит освобождение обменных позиций в ППК и трансформация его состава, что выражается в «техногенном осолонцевании» почв гумидных территорий. Наиболее показательна в этом смысле динамика изменения содержания иона натрия. Непосредственно после загрязнения внедрение этого катиона в ППК наиболее активно происходит в верхних горизонтах профиля почв. Это наблюдается как при загрязнении сточными водами, так и нефтью, хотя интенсивность этих процессов различна. Сопряженно с динамикой содержания поглощенного натрия происходят изменения кислотности почв. Нефтяные потоки, проникая в почву, значительно увеличивают содержание органического углерода, так как собственно нефть состоит из большого числа углеводородов разнообразного строения и

высокомолекулярных смолистых и асфальтеновых веществ. Следовательно, трансформации свойств почв, загрязненных нефтью, осуществляются определенными трендами, которые проявляются в виде нарушений почвенных состояний, приводящих к значительной перестройке почвенного поглощающего комплекса, изменению кислотно-основных свойств и появлению в почвенном профиле легкорастворимых солей, которые не характерны для почв исходных природных экосистем.

Характер распределения нефтяных компонентов в почвах зависит от ряда факторов, основными из которых являются морфологические, структурные, вещественные и генетические особенности конкретного почвенного профиля, его положение в системе геохимических ландшафтов, количество и состав поступившей нефти, времени, прошедшего с момента загрязнения [9]. Однако основным механизмом проникновения нефти в более глубокие горизонты является гравитационное стекание по ослабленным зонам - каналам миграции, что сопровождается насыщением нефтью объемов магистральных каналов, активным всасыванием в межпедные плоскости и диффузией в межтрещинную массу [7]. В почвенном профиле нефтяные потоки распространяются неравномерно, а частично задерживаются на барьерах различной природы. Такие горизонты, особенно во влажном состоянии, практически не пропускают органические поллютанты.

В автоморфных почвах подзолистого ряда можно выделить несколько барьеров, препятствующих быстрой миграции нефти. Во-первых, это верхний органогенный горизонт, который адсорбирует наибольшее количество нефти, особенно ее тяжелых фракций. Во-вторых, иллювиальный горизонт, который механическим образом препятствует проникновению нефтяных компонентов вниз по профилю, в результате чего в этом горизонте отмечается повышенное содержание органического углерода и нефтепродуктов (табл. 4).

В сопряженных почвах, например, болотно-подзолистых, имеющих широкое развитие на исследуемой территории, в связи со спецификой окислительно-восстановительных условий и высокой влажности миграции поллютанта препятствуют их глеевые горизонты.

Таблица 4

Содержание нефтепродуктов в техногенно-загрязненных почвах

Глубина взятия образцов, см 10 м от границы нефтяного пятна 5 м от границы нефтяного пятна Эпицентр нефтяного загрязнения

Содержание нефтепродуктов, г/кг почвы

0-10 0,391 0,501 260

10-20 0,321 0,436 59,20

20-40 0,688 0,711 28,40

40-60 0,857 6,14 19,90

60-80 0,768 Не опр. 6,33

80-100 1,230 Не опр. 5,81

На основе полевых исследований нами было выявлено, что в песчаных почвах (подзолах) создается сплошной фронт продвижения нефти. В тяжелых суглинках нефть проникает по трещинам вдоль корневых систем растений, сорбируется в отдельных горизонтах, определяя мозаичную, пятнистую картину загрязнения почвенного профиля. Существенное ограничение транспорта нефти часто наблюдается при их сорбционном удерживании почвой. Причиной замедления проникновения нефти по почвенному профилю также может стать явление набухания органического вещества почвы в углеводородах нефти.

Заключение. В условиях нефтезагрязненных экосисистем южной тайги Западной Сибири выявлены значительные качественные и количественные изменения основных параметров химического состояния почв. Установлено специфическое влияние техногенного воздействия на свойства почв в пределах ореола загрязнения. Важным следствием воздействия нефтяных потоков является появление в почвах легкорастворимых солей. В зависимости от типа почвы, водного режима почв, количества и продолжительности воздействия загрязнителя нефтяные вещества могут проникать через органогенный и иллювиальный горизонты, особенно при легком гранулометрическом составе. Существенным барьером для нефтяных веществ в радиальном направлении является зеркало грунтовых вод, или верховодка. При этом определенная часть нефти сорбируется почвой, а оставшаяся меняет направление миграции на горизонтальную, в сторону движения грунтовых вод. Таким образом, закономерности формирования профиля поллютанта на момент загрязнения обусловлены строением почвенного профиля - системой почвенно-геохимических барьеров, их свойствами, количеством и формой почвенной влаги.

Литература

1. Ландшафтно-геохимический анализ изменения природной среды в районах нефтедобычи / А.И. Сысо, С.В. Васильев, Б.А. Смоленцев [и др.] //Сибирский экологический журнал. - 2001. - № 3. - С. 333-342.

2. Середина В.П. Оценка техногенного воздействия нефти на свойства почв Западной Сибири // Изв. Том. политехн. ун-та. - 2003. - Т. 306. - № 2. - С. 34-37.

3. Классификация и диагностика почв России / Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева [и др.]. -Смоленск: Ойкумена, 2004. - 342 с.

4. Удодов Л.А., Расторгуев Н.М., Назаров А.Д. Минеральные воды нефтегазоносных районов Томской области // Изв. Том. политехн. ун-та. - 1975. - Т. 237. - С. 157-204.

5. Солнцева Н.П. Изменение морфологии дерново-подзолистых почв в районах нефтедобычи // Добыча полезных ископаемых и геохимия природных экосистем. - М.: Наука, 1982. - С. 29-70.

6. Глазовская М.А. Методологические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям. - М., 1997. - 102 с.

7. Пиковский Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 208 с.

8. Солнцева Н.П. Эволюционные тренды почв в зоне техногенеза // Почвоведение. - 2002. - № 1. - С. 9-20.

9. Нефтезагрязненные почвы: свойства и рекультивация / В.П. Середина, Т.А. Андреева, Т.П. Алексеева [и др.]. - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - 270 с.

---------♦-----------

УДК 504.705:581.526.45 Л.И. Возна, А.В. Кабанов

РЕКРЕАЦИОННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛУГОВЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ В АСПЕКТЕ ИЗМЕНЕНИЯ

ПОЧВЕННОГО ПЛОДОРОДИЯ

В статье рассматриваются изменения основных почвенных характеристик (плотность, пороз-ность, pH, гумус, содержание подвижных питательных веществ) в связи с трансформацией естественного лугового фитоценоза под воздействием различных рекреационных нагрузок. На основании степени нарушенности травяного покрова выделено четыре зоны рекреационной нагрузки с соответствующими особенностями структуры и составом фитоценоза.

Ключевые слова: рекреационная трансформация, луговой фитоценоз, почвенное плодородие.

L.I. Vozna, A.V. Kabanov

RECREATIONAL TRANSFORMATION OF MEADOW PHYTOCENOSIS IN THE ASPECT OF SOIL FERTILITY

CHANGE

Changes in the basic soil characteristics (density, porosity, pH, humus, mobile nutritive material availability) in connection with natural meadow phytocenosis transformation under the influence of various recreational loadings are considered in the article. On the basis of grassy cover damage degree four zones of recreational loading with corresponding peculiarities of structure and phytocenosis composition are chosen.

Key words: recreational transformation, meadow phytocenosis, soil fertility.

Всевозрастающее антропогенное воздействие оказывает существенное негативное влияние на природные экосистемы г. Москвы. Антропогенные факторы различны по характеру и силе воздействия на ландшафты города. Одним из таких факторов можно назвать рекреационную нагрузку. Именно этот вид воздействия является наиболее сильно выраженным для пригородных, а также парковых и лесопарковых территорий города. При рекреационном воздействии происходит нарушение всех компонентов экосистемы, что приводит к нарушению ее структуры. Изменение структуры биогеоценоза под влиянием рекреационных нагрузок, в первую очередь, наиболее отчетливо проявляется на травяном покрове, в то же время наиболее высокая антропотолерантность присуща древесным растениям, которые в меньшей степени страдают от изменения свойств экотопа, а также более устойчивы к вытаптыванию и механическому воздействию рекре-антов [1-2].

Среди травянистых видов наиболее устойчивыми к рекреационной нагрузке являются луговые и сорные виды, а наименее - лесные [3-6].

Воздействие рекреации на растения может быть как прямым, так и опосредованным. При прямом воздействии наблюдается механическое повреждение надземных органов растений, появление выбитых