Изменение свойств дерново-подзолистых суглинистых почв под действием загрязнения продуктами нефтедобычи и приемы их рекультивации

Размещено на http://www.allbest.ru/

44

изменение свойств дерново-подзолистых СУГЛИНИСТЫХ почв под действием загрязнения ПРОДУКТами нефтедобычи и приЁмы их РЕКУЛЬТИВАЦИИ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Леднев Андрей Викторович

Ижевск 2008

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Удмуртский государственный научно-исследовательском институт сельского хозяйства и на кафедре агрохимии и почвоведения Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» с 1996 по 2006 гг.

Официальные оппоненты: Член-корреспондент Россельхозакадемии, доктор сельскохозяйственных наук Завалин Алексей Анатольевич

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кузнецов Максим Филиппович

Доктор сельскохозяйственных наук Уланов Анатолий Николаевич

Ведущее предприятие: ГУ «Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства»

Защита состоится « 21 » ноября 2008 года в 10 часов в аудитории Б- 206 на заседании диссертационного совета ДМ 220.022.03 при ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия». Адрес: 610017, г. Киров, Октябрьский проспект, 133. Факс: (8332) 548-633, e-mail: vsaa@insysnet.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « » октября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биол. наук, доцент О.С. Кривошеина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При добыче углеводородного сырья осуществляется очень сильное и многостороннее техногенное воздействие на почвенный покров. Это связано с тем, что на территории нефтепромыслов функционируют комплексы производственных сооружений, разобщённых территориально, но связанных системами трубопроводов, энергопередач, транспортными системами, организацией работ. По данным Международного Социально-экологического союза, на сегодня в России добывается ежегодно около 300 млн. тонн нефти, из которых от 1,5 до 10 % (Иванов, 1982; Бочарникова, 1987; Булатов и др., 1997) теряется при добыче и транспортировке. Даже при минимальной оценке это около 4,5 млн. тонн в год (Замойский и др., 1995).

Удмуртская Республика входит в регион с хорошо развитой нефтедобывающей промышленностью. На её территории расположено свыше 100 нефтяных месторождений, 60 % из которых находятся в разработке. Ежегодная добыча нефти составляет более 9 млн. тонн. Протяжённость трубопроводных коммуникаций составляет около 30 тыс. километров, уровень аварийности на них за последние пять лет снижен в два раза, но тем не менее по отдельным месторождениям число аварийных ситуаций измеряется в пределах 0,04 - 0,70 шт/год (Саламатова, 2002).

Любые технические сооружения на промысле (скважины, трубопроводы, факелы и др.) являются потенциальными источниками техногенных потоков, различающихся по составу, концентрациям и объёмам выбрасываемых в природу веществ. Сброс чужеродных и, как правило, геохимически активных соединений вызывает трансформацию и последующее разрушение природных систем, вплоть до полной деградации. На длительный срок происходит отчуждение земель из сельскохозяйственного или лесохозяйственного производства. Нефтедобывающие предприятия несут большие затраты по восстановлению загрязнённых почв и выплате штрафных санкций длительный период.

Существующие в настоящее время технологии рекультивации загрязненных почв имеют низкую эффективность или требуют очень больших затрат, и поэтому разработка новых приемов и способов восстановления почвенного и растительного покрова, позволяющих сократить этот период, снизить стоимость рекультивационных работ, имеют большую актуальность.

Исследования проведены на дерново-подзолистых суглинистых почвах Удмуртской Республики, типичных для территории Нечернозёмной зоны РФ, преобладающих на сельскохозяйственных угодьях.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является изучение свойств дерново-подзолистых суглинистых почв восточно-европейской части Нечернозёмной зоны РФ, загрязнённых продуктами нефтедобычи, и разработка агроприёмов их рекультивации. Для выполнения цели исследований поставлены следующие задачи:

Ш изучить влияние различных уровней загрязнения почв нефтью, нефтепромысловыми водами (НВ) и нефтеводосолевой эмульсией (НВСЭ) на их агрохимические, агрофизические и биологические свойства;

Ш определить параметры уровней загрязнения дерново-подзолистых почв нефтью и нефтепромысловыми водами;

Ш выявить действие различных мелиорантов, доз и видов удобрений, фитомелиорации на скорость разложения нефти, на количество и состав солей в почве;

Ш выявить зерновые культуры и многолетние травы, способные произрастать на почвах, загрязненных продуктами нефтедобычи, в условиях восточно-европейской части Нечернозёмной зоны РФ, определять влияние поллютантов на их продуктивность;

Ш изучить влияние продуктов нефтедобычи и агроприёмов по рекультивации загрязнённых почв на видовой состав и численность микроорганизмов;

Ш дать экономическую и энергетическую оценку разработанным агроприёмам рекультивации загрязнённых почв.

Научная новизна. Впервые в условиях Удмуртской Республики на территории, типичной для восточно-европейской части Нечернозёмной зоны РФ, изучены химические, физико-химические, физические и биологические свойства дерново-подзолистых почв, загрязнённых продуктами нефтедобычи. Определены уровни загрязнения почв для каждого поллютанта. Установлена скорость процессов природного самовосстановления при различных уровнях загрязнения. Разработаны и испытаны различные агроприёмы, оказывающие влияние на скорость разложения нефти в почве, на количество и состав в ней легкорастворимых солей. Выявлены наиболее эффективные из них с экономической, энергетической и экологической точек зрения для каждого вида поллютантов с учетом их степени загрязнения почвы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Установлено влияние различных уровней загрязнения продуктами нефтедобычи на свойства дерново-подзолистых почв и на продуктивность сельскохозяйственных культур на протяжении длительного периода после загрязнения. Для условий восточно-европейской части Нечерноземной зоны РФ выявлены сельскохозяйственные культуры, способные произрастать на почвах, загрязнённых нефтью и нефтепромысловыми водами. В результате проведённых исследований разработаны научные основы рекультивации дерново-подзолистых почв, загрязнённых продуктами нефтедобычи. Предложены производству эффективные, экологически безопасные ресурсосберегающие, адаптированные к условиям восточно-европейской части Нечернозёмной зоны РФ, агроприёмы рекультивации этих почв с учётом их степени загрязнения. Разработаны нормативно-правовые и руководящие документы по рекультивации почв для нефтедобывающих предприятий Удмуртской Республики.

Данные исследования являются логическим продолжением работ, выполненных в других почвенно-климатических зонах, и позволяют значительно расширить научные и практические представления по данной проблеме. почва удобрение нефть загрязнение

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменения свойств дерново-подзолистых почв и их продуктивности в зависимости от вида поллютанта и уровня загрязнения.

2. Научно-обоснованные дифференцированные агроприёмы по рекультивации почв в связи с различным уровнем загрязнения и видом поллютантов.

3. Системный подход к рекультивации загрязнённых почв, позволяющий восстановить их продуктивность в течение 2 - 4 лет.

Реализация результатов исследований. На основании полученных данных разработаны следующие регламентирующие и методические документы: «Методическое руководство по рекультивации земель, загрязнённых нефтью и нефтепромысловыми водами на территории Удмуртской Республики» (1998); «Технологии получения сорбентов нефти из местного сырья для очистки водных объектов и почвы» (2000); «Практическое руководство по рекультивации земель, загрязнённых аварийными разливами нефти и нефтепромысловыми жидкостями, строительстве и ремонте трубопроводов и других объектов нефтедобычи на территории землепользования НПУ «Белкамнефть» (2001); «Практическое руководство по рекультивации земель, загрязнённых аварийными разливами нефти и нефтепромысловых вод» (2002); «Проект по рекультивации земель загрязненных аварийными разливами нефти и нефтепромысловых вод на месторождениях ОАО «Удмуртнефть» (2005, 2006); «Типовой проект по рекультивации земель, загрязнённых аварийными разливами нефти и нефтепромысловых вод» (2005). Названные работы прошли экологическую экспертизу, согласованы со всеми природоохранными учреждениями и утверждены руководством соответствующих нефтедобывающих компаний. В настоящее время они является регламентирующими документами при составлении проектов рекультиваций почв на конкретные загрязненные участки и используются различными организациями при составлении соответствующих разделов проектов ОВОС (оценки воздействия объектов нефтедобычи на окружающую среду).

Силами сотрудников отдела экологии ГНУ УГНИИСХ и кафедры агрохимии и почвоведения ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА полностью рекультивированы два загрязнённых участка на Чутырском нефтяном месторождении и два участка на Гремихинском месторождении Удмуртии общей площадью 1,5 га. На основании разработанных проектов осуществлён весь комплекс рекультивационных мероприятий на 26 участках с загрязнёнными почвами на общей площади более 200 га сельскохозяйственных и лесных угодий.

Результаты исследований используются в проведении курсов повышения квалификации специалистов экологических служб, учебном процессе на агрономическом и лесохозяйственном факультетах ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» и на нефтяном факультете Удмуртского государственного университета.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований изложены в журналах: «Аграрная наука Евро-Северо-Востока» № 5 (2004), № 8 (2006), № 1 (2007), № 11 (2008), «Плодородие» № 4 (2005), № 4 (2007), «Вестник Россельхозакадемии» № 2 (2007), № 3 (2008), «Доклады Россельхозакадемии» № 2 (2007), «Земледелие» № 4 (2007), «Аграрный вестник Урала» № 6 (2007); доложены на III съезде Общества почвоведов (Суздаль, 2000), на Всероссийских конференциях в Санкт-Петербурге (1997, 1999), Кирове (1999), Екатеринбурге (2001), Перми (2001), Уфе (2002), на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА (1997 - 2007); обобщенные многолетние данные исследований приведены в монографии (2008). По теме диссертации опубликована 31 научная работа общим объёмом более 45 условных печатных листов.

Данные исследования признаны лучшей завершенной научной разработкой Россельхозакадемии в области АПК России за 2005 год и отмечены Дипломом Россельхозакадемии.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 378 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 5 глав, содержит 34 таблицы, 54 рисунка, 62 приложения. Список использованных источников включает 300 наименований, в том числе 30 на иностранных языках.

Организация проведения исследований. Автор выражает искреннюю признательность за оказанную помощь и содействие в выполнении исследований д. с-х. н. В.П. Ковриго, д. с.-х. н. А.С. Башкову, к. с.-х. н. А.В. Дмитриеву, сотрудникам кафедры агрохимии и почвоведения ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА и отдела экологии и природопользования ГНУ УГНИИСХ.

содержание работы

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМЫХ ВОПРОСОВ

Приведена подробная характеристика основных видов продуктов нефтедобычи, которые могут вызывать загрязнение почв. К ним относятся: нефть, нефтепромысловые воды и нефтеводосолевая эмульсия. Каждый из этих поллютантов имеет свои отличительные особенности, оказывает строго индивидуальное влияние на свойства почв и поэтому требует разработки своего комплекса мероприятий по восстановлению нарушенного плодородия.

Сделан обзор аварийных ситуаций, при которых происходит загрязнение почв продуктами нефтедобычи. Анализ экологически опасных ситуаций на нефтепромыслах Удмуртской Республики показал, что здесь основными причинами аварий является коррозия металла и технический брак (дефекты труб). За период с 1993 по 2005 годы количество аварийных ситуаций колебалось от 2170 до 2646 в год, общий ущерб измерялся от 1346 до 1875 млн. рублей («Государственные доклады…», 1993 - 2005 гг.). Подавляющее количество аварий имело низкую категорию опасности, но, тем не менее, в совокупности они привели к исключению из оборота десятков гектаров с.-х. угодий, а также обусловили массовое усыхание лесных массивов на площади более 50 га.

Показано, что все продукты нефтедобычи являются опасными источниками загрязнения почвенного покрова. Проанализированы материалы отечественных и зарубежных авторов по изучению влияния продуктов нефтедобычи на свойства почвы, характер изменения их с течением времени, возможные подходы к восстановлению нарушенного загрязнением почвенного плодородия. Отмечается, что сравнительно подробно исследовано влияние нефти и нефтепромысловых вод на свойства почв в Республиках Татарстан, Башкортостан, в Западной Сибири, в некоторых странах ближнего и дальнего зарубежья. Обозначены наиболее слабо изученные аспекты рекультивации загрязнённых почв нефтедобывающих районов и сформулированы задачи собственных исследований.

2.Объекты, условия и методика проведения исследований

Основным объектом исследований выбраны дерново-подзолистые почвы, загрязнённые продуктами нефтедобычи. Дерново-подзолистые почвы являются преобладающим типом в почвенном покрове территории восточно-европейской части Нечернозёмной зоны РФ. Только в Удмуртской Республике они занимают около 68 % ее территории (Ковриго, 2004). На них расположена основная часть нефтедобывающих объектов и коммуникаций. Именно они в первую очередь подвергаются загрязнению продуктами нефтедобычи в результате аварийных ситуаций. Эти почвы имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке мероприятий по рекультивации.

Дерново-подзолистые почвы имеют небольшой, с невысоким содержанием органического вещества, гумусовый горизонт. Его мощность редко превышает 10-20 см. Сразу под ним расположен подзолистый горизонт с очень низким плодородием, его мощность в среднем около 10-15 см. Под подзолистым расположен очень плотный глинистый или тяжелосуглинистый иллювиальный горизонт, который является природным сорбционно-биогеохимическим барьером при фильтрации нефтепромысловых вод и особенно нефти. Дерново-подзолистые почвы имеют неблагоприятные физические свойства и в целом характеризуются невысоким потенциальным плодородием. Особых ограничений при проведении рекультивационных работ у данных почв нет.

Климат Удмуртской Республики умерено-континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой и довольно жарким коротким летом. В среднем за год по республике выпадает около 500 мм осадков, а за вегетационный период (май - август) - 250...300 мм. На холодное время приходится 30…35 % осадков, на теплое (с t > 5° С) - 65...70 %. По характеру увлажнения территория республики относится к зоне с неустойчивым увлажнением. Засушливые периоды или явления чаще всего наблюдаются со второй половины мая до середины июня, а иногда и в июле. Вероятность засушливых явлений составляет 25 %.

Климатические условия Удмуртской Республики в целом благоприятны для возделывания всех сельскохозяйственных культур, включенных в Госреестр, и поэтому имеется возможность при проведении рекультивационных работ эффективно использовать фитомелиорацию.

В диссертацию вошли результаты 22 лабораторных опытов, 7 стационарных полевых опытов и 6 опытов, заложенных в условиях производственного загрязнения в различных районах Удмуртии. Кроме того, использованы материалы многочисленных экспедиционных обследований производственно-загрязненных участков, выполненных по заказу ОАО «Удмуртнефть».

Лабораторные опыты проведены в почвенно-агрохимической лаборатории Иж ГСХА в сосудах Кирсанова. Подготовка почвы и набивка сосудов произведена по методике закладки вегетационного опыта, предложенной А.В. Соколовым (1975). Повторность опытов 4…6-кратная. Стационарные опыты проведены на опытных полях ГНУ Удмуртский ГНИИСХ (Завьяловский район), ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА (УОХ «Июльское», Воткинский район), на территории Гремихинского (Воткинский район) и Чутырского (Игринский район) нефтяных месторождений. В исследованиях широко использованы микро-, мелкоделяночные и полевые опыты с площадью опытных делянок 0,25…25 м². Невозможность применения делянок с большей площадью объясняется двумя причинами: 1) закладка полевых опытов с искусственным загрязнением требует больших материальных затрат и сопряжена с опасностью загрязнения окружающей среды; 2) большой неоднородностью производственно-загрязненных участков, что не позволяет соблюсти принцип единственного различия на более-менее значительной территории. Делянки с площадью до 1м² изолировались полиэтиленовой пленкой до глубины 30…40 см. Повторность полевых опытов 4-кратная.

В опытах проводили анализ влияния на свойства почвы следующих уровней загрязнения: по нефтепромысловым водам - до 0,25; 0,50; 0,75; 1,00; 2,00 % водорастворимых солей; по нефти - до 1; 3; 5; 7; 10; 15 %. Из приёмов рекультивации почв изучали: 1) три системы применения удобрений (минеральную, органическую и органоминеральную); 2) дозы внесения удобрений и мелиорантов; 3) биопрепарат на основе Rhodococcus-сурфактантных комплексов, разработанный Пермским институтом экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН при участии отдела экологии ГНУ УГНИИСХ; 4) сельскохозяйственные культуры, толерантные к нефтяному загрязнению. Контролем являлись аналогичные варианты с загрязненной почвой без применения удобрений, мелиорантов и биопрепарата. Из органических удобрений в опытах изучался навоз КРС и вермикомпост, из мелиорантов - кальцийсодержащие соединения (известняковая мука, мел, негашеная известь и гипс), из с.-х. культур - яровые зерновые (ячмень, пшеница и овес) и многолетние травы (девять видов). Выбор трав осуществлялся согласно их нефтетолерантности, солеустойчивости и Госреестра для Удмуртской Республики.

Анализы почв и растений проведены в почвенно-аналитических лабораториях ГНУ УГНИИСХ, ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА и лаборатории алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ УрО РАН. Определение физических свойств проведено по общепринятым методикам (Агрохимические методы исследования почв, 1975; Методы исследования физических…, 1986); определение агрохимических показателей выполнено по соответствующим ГОСТам и ОСТам; содержание нефти рассчитано исходя из содержания техногенного углерода в почве, определенного по Тюрину; интенсивность выделения диоксида углерода определена методом Штатнова в модификации Макарова; общая численность микроорганизмов - методом прямого подсчета; учет численности физиологических групп почвенных бактерий, актиномицетов и мицелиальных грибов - путём высева на элективные среды. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов по Б.А. Доспехову (1985).

3. Влияние поллютантов на свойства почв

3.1 Влияние нефти на свойства почвы

Влияние нефтяного загрязнения на почвенную кислотность дерново-подзолистых почв определялось исходной величиной рН_КСI почвы и нефти. При загрязнении нефтью исходно кислых почв в первые 1 - 2 месяца после загрязнения происходило смещение реакции солевой вытяжки в щелочную сторону на 0,1-0,2 ед. рН, а на близких к нейтральным и нейтральных почвах - в кислую сторону на 0,1-0,3 ед. рН. В течение первых лет после загрязнения под действием нефти происходило постепенное увеличение кислотности, после чего наблюдалась ее стабилизация на определенном уровне, который превышал кислотность незагрязненных почв на 0,1-0,4 ед. рН (рис.1). Одной из причин подкисления загрязненной почвы является то, что нефть способствует развитию в ней грибной микрофлоры, продукты метаболизма которой являются низкомолекулярными органическими кислотами.

Влияние нефти на сумму обменных оснований зависело от степени загрязнения. Уровень загрязнения нефти до 1 % обусловил увеличение этого показателя на 0,1 - 2,6 ммоль/100 г почвы (или на 3 - 14 %). Это объясняется тем, что в составе нефти всегда присутствует некоторое количество, во-первых, катионов оснований, во-вторых, непредельных, полициклических и ароматических углеводородов, обладающих небольшой физико-химической и химической поглотительной способностью. При увеличении уровня загрязнения показатель суммы обменных оснований резко уменьшался. При 5% загрязнении уменьшение по сравнению с незагрязненной почвой составило 1,4 - 4,3 ммоль (8 - 22 %), при 10 % загрязнении - 4,5 - 6,8 ммоль (24 - 59 %). Это связано не с уменьшением общего количества оснований, а в результате снижения их степени подвижности из-за блокировки обменных позиций коллоидов гидрофобными нефтяными пленками, вследствие чего нормальное прохождение обменных реакций между ППК и почвенным раствором значительно нарушалось. По мере постепенной минерализации и гумификации углеводородов нефти происходило сокращение разницы в показателях суммы обменных оснований между загрязненной и чистой почвой. На четвертый год сумма обменных оснований в вариантах с 5 и 10 % исходным загрязнением не только достигла показателей почвы без нефти, но даже превышала её на 0,65 - 1,15 ммоль/100 г почвы (рис. 2).

Загрязнение почвы нефтью обуславливает резкое повышение в ней общего содержания органического вещества в тех горизонтах, куда проникли нефтепродукты. Между уровнем загрязнения нефтью и содержанием углерода в почве существует весьма тесная положительная прямолинейная зависимость (коэф. корреляции равен 0,97 ± 0,03). Это указывает на возможность использования этого показателя в качестве агрохимического теста для установления уровня загрязнения почвы нефтью. Максимальное количество нефтепродуктов, которые могут удержать дерново-подзолистые суглинистые почвы, не превышает 12 - 14 % от её массы.

По мере разложения нефти, содержание техногенного органического вещества в почве постепенно уменьшается, но даже через несколько лет после загрязнения значительно превышает фоновое (в окружающих незагрязненных почвах). Так, при 5 % загрязнении нефтью через шесть лет, при любой системе рекультивации, в почве сохранилось от 1,19 до 1,43 % нефтепродуктов (абсолютных процентов от массы почвы) или 23,8 - 28,6 % от исходного количества, а при 10 % загрязнении - от 2,01 до 2,76 абс. % или 20,1 - 27,6 % от исходного. Это объясняется тем, что часть органических соединений, входящих в состав нефти, вступила в прочные химические связи с минеральной частью почвы, а какое-то количество - гумифицировалось.

Нефть оказывает на все основные элементы минерального питания одинаковое отрицательное действие - резко снижает содержание их подвижных, а значит и доступных для растений и почвенных микроорганизмов форм. В первый месяц после загрязнения наибольшее снижение этого показателя по сравнению с незагрязненными почвами наблюдалось у нитратного азота (на 72,8 -86,8 %), наименьшее - у аммонийного азота (на 12,0 - 15,7 %). Снижение содержания всех этих элементов в большинстве случаев не зависело от их количества в загрязненной почве. Негативное влияние нефти на пищевой режим почвы объясняется тем, что она образует вокруг почвенных агрегатов гидрофобные плёнки, препятствующие проникновению в них водных растворов. В зависимости от дозы загрязнения происходит частичная или почти полная изоляция почвенных частиц и структурных отдельностей от жидкой фазы. При средней и сильной степени загрязнения эта причина становится одной из основных, обуславливающих резкое снижение почвенного плодородия, изреживания и гибели растений, замедление скорости разложения нефти.

Таблица 1

Действие различных концентраций нефти на содержание элементов минерального питания в загрязненной почве (среднее по 5 опытам)

По мере разложения нефти содержание подвижных форм фосфора, калия и нитратного азота в почве постепенно возрастало и на четвертый год после загрязнения приблизилось к контрольным показателям (содержание этих элементов в незагрязненной почве). Содержание аммонийного азота уже на второй месяц после загрязнения достигло контрольного и в дальнейшем в течение четырех лет превышало его на 24…42 % (на фоне - нефть 5%) и на 13…105 % (на фоне - нефть 10%). На пятый год после загрязнения содержание этой формы азота значительно уменьшилось, особенно в вариантах с внесением удобрений.

Нефтяное загрязнение оказывает негативное влияние на водно-воздушные свойства почвы. Наблюдалось уменьшение как воздухо-, так и влагоемкости, что связано с заполнением и закупоркой нефтепродуктами макро- и микропор в почвенной толще, общая порозность загрязнённой почвы вследствие этого снизилась на 20 - 34 %.

Исследование влияния нефтяного загрязнения на почвенный бактериоценоз показало, что поллютанты в концентрации до 10 вес.% от массы абсолютно сухой почвы оказали дифференцированное воздействие на почвенную микробиоту, подавляли рост гетеротрофов и стимулировали развитие углеводородокислителей. Так, в первый месяц после загрязнения нефтью количество гетеротрофных микроорганизмов в почвах снизилось более чем в 10 раз, тогда как численность углеводородразрушителей, напротив, увеличилась в 4 раза. Более высокая (15 вес.%) концентрация нефти оказала ингибирующее действие на развитие обеих групп микроорганизмов. Это, безусловно, определяется повышенной концентрацией токсичных компонентов нефти, обладающих биоцидным и мутагенным воздействием. Присутствие большого количества нефтепродуктов, помимо прямого ингибирующего эффекта на почвенную микробиоту, создавало гидрофобный барьер поступлению воздуха в почвенные поры, снижая парциальное давление используемого бактериальными окислительными системами кислорода.

В последующие месяцы в нефтезагрязненных почвах происходило постепенное восстановление численности гетеротрофных бактерий и дальнейшее развитие нефтеразрушающих микроорганизмов. При изучении таксономической структуры сформированного нефтеокисляющего микробиоценоза загрязненных почв установлено, что для него характерно присутствие большого количества аэробных грамположительных бактерий, принадлежащих к родам Rhodococcus (R. erythropolis, R. opacus, R. ruber), Bacillus (B. megaterium, B. brevis) и Micrococcus (M. luteus), а также грамотрицательных микроорганизмов родов Pseudomonas, Acinetobacter и Agrobacterium.

В первый год после загрязнения нефть оказывала ярко выраженное влияние на рост и развитие растений. Направление и степень влияния находились в прямой зависимости от дозы загрязнителя. При низкой степени загрязнения (до 1 %) нефть еще не оказывала негативного воздействия на растения, а иногда даже стимулировала их рост и развитие (на 5…6 %) вследствие улучшения структуры почвы, её водного и пищевого режимов. При средней степени загрязнения (1 - 3 %) растения развивались более-менее нормально, но уже наблюдалось постепенное снижение их биологической продуктивности и наиболее чувствительные из них полностью погибли. Концентрация нефти более 5 % оказала отрицательное влияние на рост и развитие растений. На очень сильно загрязнённых участках (более 7 %) растительный покров полностью отсутствовал. По мере разложения нефти степень её токсичности значительно уменьшилась, но она по-прежнему оказывала негативное влияние на агрономические свойства почвы, что обусловило резкое снижение урожайности культур. Даже на пятый год после загрязнения она составила при 5 % загрязнении - 82,3 %, а при 10 % - только 13,9 % от урожайности на незагрязненной почве.

3.2 Влияние нефтепромысловых вод на свойства почвы

Нефтепромысловые воды (НВ) образуются при добыче и подготовке нефти, они включают в себя пластовые и производственные сточные воды. Основной объем НВ составляют сопутствующие и добываемые с нефтью пластовые воды, и поэтому прежде всего именно они определяют физико-химические свойства НВ. На нефтяных месторождениях в Предуралье минерализация НВ колеблется в пределах от 100 до 300 г/л, то есть они представляют собой рассолы. От общего содержания ионов (ммоль/л) на долю СI ^- приходится примерно 50%, Na⁺ - 25…40 %, К⁺ - 5…10 %, Са²⁺ и Mg²⁺ (в сумме) - 5…15 %. На долю SО₄^2- и HСО₃^2- приходится менее 1 %.

Нефтепромысловые воды в первые один - два года после загрязнения обуславливают подщелачивание дерново-подзолистых почв на 0,1…0,5 и более ед. рН_КСI, внедрение в ППК повышенного количества обменного натрия до 23…72 % (в зависимости от степени загрязнения), увеличение суммы обменных оснований на 3,3…8,3 % (при низкой и средней степени загрязнения) и уменьшение этого показателя на 4,3…23,8 % (при высокой и очень высокой степени загрязнения). На третий - четвертый год после загрязнения кислотность и сумма обменных оснований в почвах приблизилась к показателям на контроле (вариантах без НВ), содержание обменного натрия осталось очень высоким (10,3…14,1 ммоль/100г почвы), что соответствовало, согласно группировке почв по степени солонцеватости, сильно солонцеватым почвам.

Одним из наиболее характерных геохимических процессов преобразования загрязненных почв является техногенный (ТГ) галогенез - засоление почв и грунтов. Пусковой механизм ТГ галогенеза - высокоминерализованные нефтепромысловые воды, в составе которых значительную роль играют водорастворимые хлориды, а в меньшей степени - сульфаты и карбонаты. В загрязненных почвах происходит резкое увеличение показателя плотного остатка, которое обусловлено как прямым привнесением легкорастворимых солей, входящих в состав поллютанта в количестве 100…300 мг/л солей, так и повышением под их влиянием растворимости минеральных и органических соединений почвы. Наблюдалась сильная прямая зависимость величины плотного остатка от дозы исходного загрязнения НВ - чем больше доза загрязнителя, тем выше содержание плотного остатка в почве (r = 0,940,06). Первоначально незасоленные почвы, даже при уровне загрязнения до 1,0 % пл. ост., согласно группировке почв по степени засоленности, перешли в разряд солончаков. Наибольшее содержание водорастворимых солей отмечалось в первый год после загрязнения. В условиях гумидного климата к концу третьего года произошло значительное естественное рассоление верхнего слоя загрязнённых почв атмосферными осадками и талыми водами.

В загрязнённых почвах отмечались существенные изменения характера агрегатированности пахотного горизонта. Под действием НВ наблюдалось увеличение глыбистости, значительное (с 38,4 до 6,8 %) уменьшение количества агрономически ценных агрегатов размером 0,25 - 10 мм, резкое (почти в 8 раз) снижение коэффициента структурности. Образование глыбистой структуры объясняется пептизирующим действием на почвенные коллоиды иона натрия, находящегося в загрязненных НВ почвах в повышенном количестве. Во влажном состоянии он вызывает набухание и заплывание почвы, а при подсыхании цементирует её в чрезмерно большие агрегаты. Внедрение натрия в ППК также обусловило ухудшение важнейшего свойства структуры - водопрочности агрегатов, наблюдалось снижение их количества с 72,1 % (на контроле) до 59,8 % в загрязненной почве. Ухудшение структуры в техногенно осолонцованных почвах сопровождалось увеличением плотности их сложения на 6,6 - 13,3 %, в зависимости от уровня загрязнения. Следствием высокой плотности и повышенной набухаемости почвенной массы явилось значительное снижение водопроницаемости загрязнённых почв. Коэффициент фильтрации уменьшился по сравнению с контролем в 2,8 раза.

Влияние нефтепромысловых вод на рост и развитие растений находилось в тесной зависимости от уровня загрязнения, периода, прошедшего после загрязнения, и определялось в первую очередь степенью засоления почв. Слабое загрязнение НВ (0,25 - 0,40 % пл. ост. от массы абс. сух. почвы) вызвало математически достоверное повышение биологической урожайности многолетних трав и зерновых культур на 8…15 %. Увеличение урожайности обусловлено двумя причинами: во-первых, произошло уменьшение почвенной кислотности в результате загрязнения водами, содержащими значительное количество катионов оснований; во-вторых, улучшился пищевой режим почвы, так как в ионный состав нефтепромысловых вод входили многие макро- и микроэлементы минерального питания растений. При среднем уровне загрязнения почвы (0,40 - 0,75 % пл. ост.) у большинства растений произошло резкое снижение биологической урожайности и особенно её генеративной части. Образовывались щуплые, невыполненные зерна и плоды, у всех культур значительно уменьшилось количество продуктивных растений. Степень загрязнения нефтепромысловыми водами более 1,00 - 1,50 % пл. ост. явилась критической для большинства культур, произрастающих на территории Удмуртской Республики. Выжили только единичные растения, которые находились в угнетённом состоянии и не образовали генеративных органов. Степень загрязнения НВ более 2,00 % пл. остатка являлась токсичной для подавляющего большинства растений. Наблюдалась полная гибель растительного покрова. На второй год после загрязнения степень токсичности почв значительно снизилась, уменьшение урожайности культурных растений составило при дозе НВ до 1 % пл. ост. - 13,9 %, а при дозе НВ до 2% пл. ост. - 44,3 %. На третий год после загрязнения исходная доза НВ до 1% пл. ост., даже без внесения мелиорантов, обусловила повышение урожайности на 26,5 %, а доза НВ до 2 % пл. ост. все ещё действовала на растения отрицательно, снижение урожайности составило 7,3 %.

3.3 Влияние нефтеводосолевой эмульсии на свойства почвы

Нефтеводосолевая эмульсия (НВСЭ) представляет собой пластовую жидкость, состоящую из нефти, нефтепромысловых и сточных вод, растворённых газов. Процентное содержание нефти в этой смеси может меняться от 90-95 % (в начале разработки месторождений) до 20-30 % и менее (Анализ коррозионной..., 1999). Физико-химический состав эмульсии значительно изменяется от процентного соотношения отдельных компонентов в смеси, особенностей месторождений и применяемых химреагентов в процессе добычи. На нефтеводосолевую эмульсию приходится основной объём нефтедобычи в Удмуртии, и поэтому именно она является самым распространенным загрязнителем. Влияние НВСЭ на свойства почвы определялось совокупностью действия двух её составляющих: нефти и нефтепромысловых вод.

Установлено, что загрязнение почвы НВСЭ вызвало значительное изменение катионного состава почвенного поглощающего комплекса. Наибольшее влияние на катионный состав оказали нефтепромысловые воды, входящие в состав эмульсии. Полученные данные свидетельствуют об активном внедрении в ППК загрязнённых почв обменного натрия, входящего в солевой состав НВ, и вытеснением им катионов, определяющих кислотные свойства - Н⁺, Al³⁺ и преобладающих в катионном составе незагрязненных почв - Са²⁺, Mg²⁺. Через месяц, при загрязнении почвы до 1 % пл. ост., количество Nа⁺ в ней достигло 28,1…28,4 %, а при 2 % пл. ост. - 59,8…62,5 % от ЕКО, после чего наблюдалось его уменьшение. Наибольшее снижение содержания обменного натрия наблюдалось в первый вегетационный период, после чего его количество стабилизировалось и уменьшалось очень медленно. На шестой год после загрязнения содержание Nа⁺ достигло при дозе НВ, в составе НВСЭ, 1% пл. ост.- 4,4…7,2%, а при дозе НВ 2 % пл. ост. - 5,5…7,2 % от ЕКО, что по классификации солонцовых почв соответствовало слабой и средней степени солонцеватости.

Увеличение доли нефти в составе НВСЭ обусловило снижение количества обменного натрия в ППК в первый год после загрязнения и увеличение его в последующий период. Это связано с тем, что нефтяные пленки блокировали обменные позиции коллоидов и тем самым ослабили воздействие на них легкорастворимых солей, входящих в состав эмульсии. Эта же причина впоследствии сдерживала выход уже поглощенного натрия из ППК в почвенный раствор в результате обменных реакций. Таким образом, с увеличением дозы нефтяного загрязнения удлиняется период рассолонцевания почв и усложняется их рекультивация.

В первый год после загрязнения нефтепромысловые воды в составе эмульсии обусловили четко выраженное смещение кислотно-щелочного баланса в щелочную сторону. Величина сдвига определялась количеством легкорастворимых солей в составе НВСЭ, так загрязнение до 1 % пл. ост. вызывало подщелачивание почвы на 0,1…0,3 ед. рН, а до 2 % пл. ост. - на 0,3…0,5 ед. рН. Нефть в составе эмульсии уменьшала величину сдвига баланса в щелочную сторону на 10…50 %, наибольшее подкисляющее действие на почву оказала доза нефти 5 %. На второй год после загрязнения наблюдалось постепенное увеличение кислотности почвы под действием НВСЭ и к концу вегетации этот показатель уже практически не отличался от контрольного (кислотности на незагрязненной почве). На третий и четвертый год после загрязнения кислотность почвы продолжала увеличиваться, и отклонения от контроля достигли 0,3…0,6 ед. рН. Постепенное подкисление почвы, как уже говорилось, объясняется увеличением численности грибной микрофлоры, продукты метаболизма которой являются, в том числе, низкомолекулярными органическими кислотами. Кроме этого, растения, произрастающие на нейтральных и слабощелочных почвах, также выделяют в почвенный раствор значительное количество минеральных и органических кислот. На пятый год после загрязнения кислотность почвы снова стала уменьшаться и на шестой год уже на 0,1…0,3 ед. рН оказалась ниже показателей незагрязнённой почвы (рис. 3).

Влияние на химические свойства почвы нефтеводосолевой эмульсии определялось её очень сложным полихимическим составом. Наличие среди её основных компонентов нефти обуславливало резкое увеличение в загрязнённой почве содержания органического вещества. Количество техногенного углерода в почве, закономерно, находилось в прямой зависимости от степени загрязнения и от содержания нефти в составе НВСЭ. Даже через три года после загрязнения сохранялась сильная положительная связь между дозой внесенной нефти и содержанием ее в почве (r=0,940,06).

Наибольшая скорость разложения нефти в первый год после загрязнения наблюдалась в вариантах с дозой нефти 10 % на всех фонах (рис.4). Это связано с тем, что в этих вариантах наиболее интенсивно шли физико-химические процессы разложения нефти (выветривание, испарение, вымывание, окисление). Кроме того, происходило стекание нефти в составе НВСЭ по крупным порам под действием гравитационных сил, так как общее количество эмульсии превышало максимально возможное, которое могли удержать дерново-подзолистые почвы в своей толще. При более низких дозах загрязнения скорость разложения нефти в течение первого года наблюдений была довольно стабильна. Увеличение концентрации нефтепромысловых вод в составе эмульсии с 1% пл. ост. до 2 % в первые недели после загрязнения обусловило небольшое (2…5 %) дополнительное уменьшение содержания нефти в почве, что связано с более интенсивным процессом вымывания органических соединений вниз по профилю за счет повышения их растворимости под действием одновалентных катионов, входящих в состав НВ, что подтверждается повышением содержания нефти в слое почвы 20 - 40 см. В дальнейшем наличие повышенного количества легкорастворимых солей замедлило процесс разложения нефти (на 2…8%), так как вызвало дополнительное угнетение микробиологического углеводородокисляющего комплекса.

На пятый год после загрязнения содержание нефтепродуктов в почве достигло величины 1,5…1,8 абс. % и в дальнейшем уменьшалось очень медленно. Это связано с тем, что в почве к этому периоду сохранились в основном из техногенных органических соединений только две группы: 1) вступившие в прочные химические связи с минеральной частью почвы; 2) подвергнувшиеся частичной гумификации.

Изменение величины плотного остатка - важнейшего комплексного показателя состояния засолённых почв - под действием НВСЭ показано на рис.5. Приведенные данные свидетельствуют, что на этот показатель закономерно основное влияние оказали нефтепромысловые воды, входящие в состав нефтеводосолевой эмульсии. При загрязнении почвы НВСЭ до 1 % пл. ост. он составил через две недели 0,79…0,96 %, при загрязнении почвы до 2 % пл. ост. - 1,40…1,69 %. Из этого следует, что, согласно группировке почв по степени засоленности для хлоридного типа засоления (РД 39-00147275-056-2000), почвы из незасолённых в результате загрязнения перешли в разряд солончаков.

Увеличение содержания нефти, входящей в состав НВСЭ, с 5% до 10% обусловило небольшое (на 0,2…0,4 % от массы абс. сух. почвы) снижение показателя плотного остатка в первый год после загрязнения, а в последствии, наоборот, небольшое (на 0,1…0,2 %) его повышение. Это обусловлено гидрофобными свойствами нефти, затрудняющими переход водных растворов солей в мелкие капиллярные внутриагрегатные поры, а впоследствии из этих пор - в почвенный раствор.

За период наблюдений произошло постепенное уменьшение плотного остатка в почве, загрязнённой НВСЭ, в результате вымывания из неё легкорастворимых соединений. Наибольшая скорость рассоления наблюдалась в первые два года после загрязнения в вариантах с меньшим содержанием нефти в составе эмульсии, кроме того, четко прослеживалась зависимость: чем выше концентрация легкорастворимых солей при исходном загрязнении, тем большее их количество вымылось за этот период. Интенсивное вымывание легкорастворимых солей из пахотного горизонта привело к засолению нижележащих слоёв почвы.

Действие НВСЭ на физические свойства почвы определялось обводненностью эмульсии или, другими словами, соотношением в ней собственно нефти и нефтепромысловых вод. Увеличение содержания нефти в составе НВСЭ вызвало снижение плотности твердой фазы почвы и плотности сложения, полевой влажности, содержания гигроскопической и максимально гигроскопической влаги, наименьшей и капиллярной влагоемкости, общего запаса влаги в загрязненной почве; резкое увеличение водопрочности почвенных агрегатов, липкости, пластичности, коэффициента структурности и общей пористости. Увеличение НВ в составе эмульсии вызвало снижение общей пористости, наименьшей и капиллярной влагоемкости, коэффициента структурности, водопрочности почвенных агрегатов; увеличение плотности твёрдой фазы почвы и плотности сложения, полевой влажности, содержания гигроскопической влаги, общего запаса влаги в почве, липкости и пластичности.

Загрязнение почвы нефтеводосолевой эмульсией (нефть до 15% + НВ до 1% пл. ост.), по сравнению с загрязнением одной товарной нефтью (до 15 %), вызвало значительную перестройку микробиоценоза. Увеличилось содержание сульфатвосстанавливающих групп в 11,6 раз и микомицетов - в 107,8 раза, появились нитрифицирующие бактерии. Уменьшилось количество гетеротрофных бактерий - в 1,7; олиготрофных - в 1,2; углеводородокисляющих (УВ) - в 1,4; аммонифицирующих - в 10,4; денетрифицирующих - в 5,6х10³ раз; полностью исчезли актиномицеты. Увеличение в составе НВСЭ количества нефтепромысловых вод с 1% до 2% пл. ост. вызвало дополнительное снижение численности всех физиологических групп микроорганизмов в среднем в 2 - 3 раза. Исключение составили аммонифицирующие бактерии, их количество возросло в 3 раза.

Нефтеводосолевая эмульсия оказала очень сильное отрицательное влияние на рост и развитие растений. Концентрация нефти в 5 %, особенно при дозе НВ до 2 % пл. ост., и на второй год после загрязнения являлась критической для изучаемых культур. Урожайность зерна составила только 6,0 % от контрольной («чистой » почвы), а соломы - 14,5 %. Ячмень при этой дозе загрязнения образовал лишь единичные низкорослые продуктивные стебли с невыполненным колосом, причем масса зерна в колосе была чрезвычайно низкой (0,09 г). При дальнейшем увеличении концентрации нефти в составе НВСЭ (до 10 %) большинство семян зерновых культур потеряло всхожесть, а проросшие растения погибли в фазе всходов.

На третий год после загрязнения токсичность почвы несколько уменьшилась, тем не менее урожайность зерна при исходном загрязнении нефтью в составе НВСЭ до 5 % составила 16,7…18,0 %, а при загрязнении до 10 % нефти - только 7,0…10,8 % от контроля. На четвёртый год после загрязнения урожайность культур ещё повысилась, но всё ещё была ниже контрольной в 2…4 раза, и по-прежнему четко просматривалась её прямая зависимость от исходной степени загрязнения. Основным лимитирующим фактором, определяющим продуктивность растений, в течение всего периода наблюдений из компонентов НВСЭ являлась нефть. Нефтепромысловые воды в составе эмульсии в изучаемой концентрации не оказывали статистически достоверного влияния на урожайность с.-х. культур (Fp < Fт).

4. Приёмы рекультивации почв, загрязнённых продуктами нефтедобычи

Рекультивация земель - это комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народохозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель, а также на улучшение условий окружающей среды (РД 39-00147105-006-97). На территории нефтепромыслов основным и самым сложным по восстановлению до исходного состояния объектом рекультивации являются почвы, загрязнённые продуктами нефтедобычи: нефтью, нефтепромысловыми водами и нефтеводосолевыми эмульсиями.

В зависимости от вида угодий и характера дальнейшего использования территории различают следующие направления рекультивации: а) рекультивация пахотных почв; б) рекультивация кормовых угодий (сенокосов и пастбищ); в) рекультивация лесных почв; г) рекультивация рекреационных земель, используемых для отдыха, укрепления здоровья и т.д.; д) предотвращение вторичного загрязнения ландшафтов поверхностным или внутрипочвенным стоком с загрязнённых участков. Характер предполагаемого использования определяет способы рекультивации загрязнённых земель. Наибольшие требования предъявляются к сельскохозяйственным угодьям (пашне, сенокосам и пастбищам), поэтому на них всегда планируется проведение мероприятий по рекультивации в полном объеме. Именно это направление рекультивации положено в основу для изучения в диссертационной работе.

Рекультивация для сельскохозяйственных, лесохозяйственных и других целей, требующих восстановления плодородия почв, осуществляется последовательно в два этапа: технический и биологический. Подразделение единого процесса рекультивации на техническую и биологическую часть является относительным, отличаясь лишь технологическим подходом к восстановлению плодородия нарушенных почв.

Целью рекультивации нефтезагрязненных земель является их перевод в состояние, соответствующее санитарно-гигиеническим нормам. Поскольку основными загрязняющими веществами, образующимися при нефтедобыче, являются нефть и нефтепромысловые воды хлоридно-натриевого типа, показателем очистки нефтезагрязненных земель является остаточное содержание в почве нефтепродуктов, обменного и водорастворимого натрия, водорастворимого хлора и суммарное содержание легкорастворимых солей (плотный остаток).

Рекультивация почв, загрязнённых нефтью

К настоящему времени разработано большое количество методов и способов ликвидации загрязнений объектов природной среды нефтью и нефтепродуктами. В условиях Удмуртской Республики наиболее приемлемым из них является способ восстановления нарушенного загрязнением плодородия почвы с помощью специально подобранного комплекса агротехнических, агрохимических, мелиоративных и биологических мероприятий.

Многолетние исследования показали, что в почвах, загрязненных нефтью, даже без внесения удобрений и мелиорантов, за счет проведения интенсивного рыхления, удалось резко снизить количество углеводородов (рис. 6). Это свидетельствует о достаточно большом потенциале дерново-подзолистых почв к самовосстановлению и о высокой эффективности рыхления в первый период после загрязнения. Высокая эффективность рыхления объясняется следующими причинами: 1) увеличивается диффузия кислорода в почвенные агрегаты; 2) резко ускоряется улетучивание легких фракций углеводородов; 3) возрастает интенсивность физико-химического разложения углеводородов под действием солнечной радиации (фотолиз); 4) обеспечивается разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью; 5) происходит равномерное распределение компонентов нефти и нефтепродуктов в почве; 6) увеличивается активная поверхность почвы; 7) положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами углеводородов. Высокая эффективность рыхления нефтезагрязненных почв отмечена и другими исследователями (Оборин, 1987; Исмаилов, 1990; Гилязов, Гайсин, 2003).

Наибольшая скорость разложения нефти весь период исследований наблюдалась в вариантах, где были внесены удобрения, так как они значительно улучшили пищевой режим загрязнённой почвы. Полученные данные свидетельствуют, что эффективность минеральной, органической и органоминеральной систем удобрений оказалась очень близкой, но, тем не менее, в большинстве случаев совместное внесение органических и минеральных удобрений обуславливало дополнительное ускорение минерализации нефти на 4…12 %, по сравнению с раздельным их использованием (рис. 6). Применение исследуемого биопрепарата оказалось эффективным для восстановления микробного биоценоза только сильнозагрязненных нефтепродуктами (более 10 вес.%) почв.