Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние углеводородных загрязнителей на свойства почвы и приёмы их реабилитации 9
Глава 2. Условия, материал, методы исследований 23
2.1 Агроклиматические ресурсы Кемеровской области 23
2.2 Почвы Кемеровской области 26
2.3 Условия проведения исследований 31
2.4 Материал и объекты исследований 34
2.5 Методы исследований 40
Глава 3. Выбор биотеста для оценки токсичности нефтепродуктов в почве 48
Глава 4. Динамика физических и водно-физических свойств почвы 59
4.1 Изменение плотности и пористости почв 59
4.2 Изменение водопрочности и гранулометрического состава почвы 69
Глава 5. Изменнение химических свойств почвы 77
5.1 Содержание гумуса в почве 77
5.2 Динамика макроэлементов в почве 80
Глава 6. Изменение биологических свойств почвы 93
6.1 Влияние нефтепродуктов на структуру и продуктивность фитоценоза 93
6.2 Реакция дождевых червей на загрязнение почвы 104
6.3 Изменение ферментативной активности почв 112
Выводы 124
Рекомендации 125
Литература
- Условия проведения исследований
- Изменение водопрочности и гранулометрического состава почвы
- Динамика макроэлементов в почве
- Реакция дождевых червей на загрязнение почвы
Условия проведения исследований
Почва является одной из важнейших составных частей в структуре географических оболочек и представляет собой открытую полидисперсную систему, через которую постоянно проходит поток вещества и энергии, депонируется большое количество тонкодисперсного материала, различных газов, радионуклидов, всевозможных химических элементов и соединений.
Она выполняет разнообразные биогеоценотические и глобальные функции, в том числе: физические, химические, информационные, целостные, литосферные, гидросферные, этносферные и др. (Добровольский, Никитин, 2006). При условии минимального техногенного давления почва способна к самоорганизации, самоочищению, воспроизводству плодородия за счет многофункциональности.
В последние десятилетия осложнилась ситуация с сохранением целостности почвенного покрова и его экологической неуязвимости ввиду интенсивного вскрытия, загрязнения разными по происхождению поллютантами. Недостаточно разработана и малоэффективна законодательная база по охране и восстановлению природных ландшафтов.
В России добывается около 17 % мировых запасов нефти, 25% газа, 15% каменного угля, 14 % товарной железной руды, большие объемы других полезных ископаемых. Это приводит к утрате и загрязнению природных ландшафтов, значительному сокращению и деградации площадей целинных почв, резкому изменению их экологических функций и, как следствие, к снижению биологического разнообразия (Никитин и др., 1997; Добровольский, Никитин, 2000). Одним из самых крупных бассейнов России по запасам угля и объемов добычи является Кузбасс. Запасы каменного угля в Кемеровской области составляют 693 млрд. т или 67% запасов углей страны. В настоящее время добычу ведут более 50 шахт и 30 угольных разрезов, которыми в 2011 году было добыто 192,1 млн. т (Официальный сайт... http://www.ako.ru). Эксплуатация угольных месторождений, где на ограниченной территории сконцентрированы многомиллиардные запасы угля, определяет неизбежную трансформацию естественных ландшафтов в техногенные. Там, где поработала мощная горнодобывающая техника, как правило, остаются безжизненные земли, или техногенные ландшафты. Разработка месторождений, влечет за собой разрушение почвенного и растительного покрова, нарушение естественного рельефа, изменение микроклимата и вынос на дневную поверхность значительных объемов вскрышных пород. По доле нарушенных земель в общей территории региона Кузбасс в 10 раз опережает средний показатель по России (Малахов, 1999). По разным оценкам почвенный покров полностью разрушен на площади от 80 тыс. га (Глебова, 2004) до 200 тыс. га (Баранник, Счастливцев, 1999).
На агрогенных почвах Кемеровской области применяют пестициды в условиях открытого и закрытого грунта. Они широко востребованы в ветеринарной практике для обработки животных от эктопаразитов, в лесном хозяйстве, на землях несельскохозяйственного назначения и на предприятиях, осуществляющих хранение и переработку зерновых культур. Отмечается тенденция увеличения количества торговых наименований и действующих веществ пестицидов. В 2010 г. их количество составляло 199, а действующих веществ - 108; в 2011 г. - 244 и 123; в 2012- 253 и 125 соответственно.
В 2013 г. запущена в действие первая очередь Яйского нефтеперерабатывающего завода, который должен перерабатывать огромные количества сырой нефти для производства нефтепродуктов. Известно, что ни один из нефтяных промыслов или нефтеперерабатывающих предприятий не может позиционировать себя, как предприятие с экологически чистыми технологиями, исключающими выброс в природную среду токсичных отходов, утечки, потери нефтепродуктов при транспортировках (Орлов, 1994; Ишкова, 2012 и др.). Углеводороды, попадая в почву, становятся источником дополнительного поступления в атмосферу диоксида углерода, который считается опасным загрязнителем (Мязин и др., 2012). Происходит трансформация основных свойств почвы, в первую очередь, физических и водно-физических. Исследованиями С. Н. Досбергенова, Т. К. Томиной (2013) почв Кенкиякского месторождения Актобинской области Казахстана установлено, что при нефтехимическом загрязнении произошло нарушение мощности и сложения генетических горизонтов почвенного профиля, изменение плотности, структурно-агрегатного состояния, пористости, изменилось содержании гумуса, высокомолекулярных соединений, зольных элементов питания растений, реакция почвенного раствора. Ими доказано, что нефтезагрязненные почвы отличаются от тех же типов в естественном состоянии по всем параметрам гранулометрического состава. В них выше фракции среднего песка, ниже - фракций крупной, средней и мелкой пыли, ниже микрооструктуренность, на 3- 11% ниже водопрочность агрегатов.
Исследованиями дерново-подзолистых почв Нечерноземной зоны России Е. В. Просянниковым и др. (2012) и почв Татарстана Ф. X. и др., (1988) позволили установить тенденцию к снижению их пористости и плотности. Изменения этих показателей, по их мнению, обусловлены агрегированием почвенных частиц, увеличением содержания глыбистых агрегатов размерами более 10 мм и снижением содержания агрономически ценных.
Из-за клеящих свойств нефтепродуктов возможно обесструктуривание почвы и смена характера границ между генетическими горизонтами, перестройка почвенного поглощающего комплекса со сдвигом щелочно -кислотных условий, как правило, в сторону снижения кислотности и миграционная активность, уровень концентрации химических элементов (Солнцева, 1981, 1985, 1998; Фарахова, 2009; Просянников, 2012).
Такие агрохимические показатели почвы, как содержание азота, фосфора и калия отражают способность почв обеспечивать питательный режим для растений (Ермохин, 1995, 2011) и микроорганизмов (Фатеев и др., 2004). Их функции в растениях строго специфичны, но по значимости они равноценны. Избыточное накопление или резкий недостаток любого из них снижает продуктивность фитоценозов, а разбалансированность элементного состава растений представляет опасность для здоровья населения и животных.
Условия азотного питания оказывают существенное влияние на рост и развитие растений. При достаточном снабжении растений этим элементом в них усиливается синтез органических азотистых веществ, своевременно проходят основные этапы органогенеза, формируются полноценные побеги с типичной зеленой окраской, физиологически зрелые семена и высокая товарная и биологическая продуктивность.
Ухудшение азотного режима часто наблюдается в условиях загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами. Исследователи фиксируют меньшее его содержание в загрязненных почвах по сравнению с неподверженными такому фактору (Просянников, 2012) или даже острое токсическое воздействие (Салангинас, 2003). Это сопровождается снижением нитрифицирующей способности почвы при одновременном увеличении содержания углерода и аммонийного азота. Известно, что азот органических соединений становится доступным растениям только после минерализации. Процесс нитрификации является окислительным и осуществляется только в аэробных условиях. При недостаточной аэрации процесс нитрификации подавлен, и в таких случаях в почве может накапливаться аммиачный азот (Ермохин, 1995).
Фосфор оказывает непосредственное влияние на использование растениями азота и калия. Наблюдается синергизм между перечисленными элементами. Надо помнить, что фосфор и калий являются регуляторами окислительно-восстановительных процессов в растениях, действуя в противоположных направлениях, тогда при случайном резком преобладании фосфора над азотом и калием все синергические явления могут перейти в антагонистические (Ермохин, Сидирева, 2011).
Изменение водопрочности и гранулометрического состава почвы
Кемеровская область расположена преимущественно в горах Южной Сибири. На юго-западе области протягивается низкогорный и плосковершинный Салаирский кряж (средняя высота 400 -550 м), на востоке расположен Кузнецкий Алатау высота до 2178 м, гора Верхний Зуб - высшая точка области). Альпинотипные формы рельефа в горах Кузнецкого Алатау сочетаются с выположенными гольцовыми вершинами (1500 -2000 м), с курумами и обильными снежниками. Горные массивы глубоко расчленены долинами рек, в верховьях некоторых из них сохранились следы древних оледенений в виде троговых долин, каров и скоплений морен. Южную часть Кемеровской области занимают средневысотные массивы Горной Шории (до 1630 м, гора Патын). В центральной части простирается Кузнецкая котловина, занимающая свыше 30% площади Кемеровской области. Равнинный, слабохолмистый рельеф котловины нарушается рядом кряжей, увалов, невысоких хребтов (Тарадановский увал, Салтымаковский хребет и др.). Наиболее низкие абсолютные высоты (230-260 м) находятся на крайнем севере Кемеровской области, в пределах Западно - Сибирской равнины.
В Кемеровской области первые фундаментальные исследования почвенного покрова проведены в 19 в. В начале 20 в. российские почвоведы положили в основу развития науки о почве известную на тот период методологию, разработали методики, описали фациальные особенности формирования почв, собрали первые экземпляры почвенных монолитов. В 60-е - 70-е годы прошедшего столетия почвы Кемеровской области изучал С.С. Трофимов, написавший монографию «Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области» (1975). По данным СО РАН, г. Новосибирск, на местах техногенных ландшафтов в ненарушенных естественных условиях функционировало огромное множество почв. Каждый тип почвы, выполнял определённый набор экологических функций, обеспечивая устойчивость функционирования ландшафтов. Естественный почвенный покров нарушенных территорий был представлен: 11 типами, 33 подтипами, более 100 родами и 1500 видами почв (Гаджиев и др., 2001).
Зона южной тайги низменности - район Тонгул-Долгоунского междуречья и плоскоувальных отрогов Томского кряжа и Кузнецкого Алатау. Это зона смешанных осиново-пихтовых и березово-осиновых лесов. Почвы в основном разной степени оподзоленные, по механическому составу суглинистые и тяжелосуглинистые. Под разреженными лесами встречаются светло-серые и серые лесные почвы. На гривообразных возвышениях 28 супесчаные, а по правобережью реки Долгун - боровые пески под сосняком. По понижениям и по пойме реки Кии - комплекс луговых и аллювиально-оподзоленных, аллювиально-болотных почв и торфяников. В пойме реки Тяжин - комплексы лугово-оподзоленных, лугово-болотных и аллювиально-оподзоленных, лугово-болотных и аллювиально-подзолистых почв и торфяников.
Зона расчлененной северной лесостепи и лесостепи предгорий занимает центральную лесостепную часть Кузнецкой котловины и Мариинско -Ачинскую лесостепь. В пределах Кузнецкой котловины материнскими почвообразующими породами являются лессовидные средние и тяжелые суглинки. В Мариинско - Ачинской лесостепи - делювиально-озерные слоистые отложения неоднородного суглинистого и глинистого механического состава.
Зона островной лесостепи и лесостепи Кузнецкой котловины расположена вдоль левого берега Томи и вдоль Транссибирской железной дороги (Мариинск - Тисуль - Ачинск).
Основной фонд лесостепи - выщелоченные среднегумусные, среднемощные черноземы. По склонам северной экспозиции - темно-серые и серые лесные почвы, а по понижениям - лугово-черноземные.
Подзона степного ядра Кузнецкой котловины - степная западная часть Кузнецкой котловины и Предсалаирская депрессия, с общим уклоном на северо-запад. В основном почвы этой подзоны представлены среднегумусными, среднемощными и маломощными тяжелосуглинистыми выщелоченными черноземами, а также контуры солонцеватых, часто маломощных черноземов.
Высокогорная зона черневой тайги Кузнецкого Алатау и Горной Шории. Основной тип почв на этой обширной территории подзолистый: глубокоподзолистые горно-таежные глинистые почвы. Для них характерно полное отсутствие дернового горизонта, очень значительная мощность (до 60 80 см и более) подзолистого горизонта, очень глубокое и четкое проявление иллювиального горизонта. Широко распространены черноземные почвы. Особенно большие площади они занимают в бассейне реки Ини, на левобережье Томи, встречаются отдельными участками в Тисульском районе. Но черноземы неоднородны. В центральной и северо-западной частях Кузнецкой котловины (степь и южная лесостепь) они тучные, слабо выщелоченные, с мелко-комковатым строением, обладают высоким естественным плодородием, удовлетворительно обеспечены питательными веществами: азотом, калием, фосфором. Толщина гумуса здесь достигает 30-40 сантиметров.
В северной лесостепи (Тисульский, Чебулинский районы) преобладают выщелоченные и оподзоленные черноземы, что связано с избыточным увлажнением и обилием древесно-кустарниковой растительности. Содержание гумуса в таких черноземах редко доходит до восьми процентов. В этих черноземах содержатся трудноусваиваемые растениями соединения фосфора, и это несколько снижает плодородие
Подзолистые почвы распространены на большей части равнинной тайги, на склонах гор. В лесах и почве мало перегноя, он вымывается обильными осадками, поэтому под тонким слоем перегноя образуется светлый белесый горизонт вымывания. При известковании и внесении удобрений эта почва повышает плодородие, и могут успешно использоваться в сельскохозяйственном производстве.
Зона серых лесных и дерново-оподзоленных почв включает низкие и среднегорные районы Салаирского кряжа, Кузнецкого Алатау и Горной Шории. Эти почвы наиболее типичны и характерны для горно-таежных областей. Материнская порода почв представлена суглинками, часто с примесями щебнистого материала. Эти типы почв обладают невысоким плодородием. Слой гумуса незначителен. Почвы требуют внесения органических удобрений. Они имеют большое водоохранное и лесохозяйственное значение, если не распаханы. В горных районах Кузнецкого Алатау наблюдается высотная поясность почв: под таежными массивами преобладающими являются глубоко подзолистые почвы; на плоских водоразделах, на слабо разрушенных коренных породах распространены подзолистые почвы на твердых суглинках. Этот тип почв с увеличением высоты переходит в горно-луговые почвы альпийского типа. В пределах альпийской области распространены торфяно-болотные почвы, на вершинах гор-гольцов - тундровые почвы. Большую часть поверхности высоких горизонтов гор занимают крупнокаменные осыпи, характеризующиеся отсутствием сомкнутого почвенного покрова. На плоских вершинах, в горных долинах имеются также торфяно-глеевые, лугово-болотные почвы, которые могут быть использованы как хорошие луга при условии мелиоративных работ.
Динамика макроэлементов в почве
При загрязнении воды отработкой минерального масла выявлено, что 1% концентрация практически не снижает накопления растениями биомассы, но фактически в некоторой степени даже стимулирует этот процесс, что согласуется с исследованиями Н. А. Киреевой и др. (2006) по реакции яровой пшеницы на загрязнение нефтью темно-серо лесной почвы.
С повышением концентрации ростовые процессы заметно тормозятся и соответственно этому падают показатели сухой биомассы растений на 22,1 -53,3%. В этих же вариантах загрязнения воды дизельным топливом наблюдается еще большее снижение тестируемых показателей - на 49,5 -69,5%, что свидетельствует о более жестком воздействии дизельного топлива на живые системы (растения).
Не менее убедительны результаты по снижению хлорофиллов айв, их суммы, а также каротиноидов (табл. 4).
Выявлено резкое снижение хлорофиллов и каротиноидов во всех вариантах опыта, но особенно с повышением концентраций отработки минерального масла и дизельного топлива до 5-10%. При загрязнении воды 1%-ной концентрацией отработки минерального масла и дизельного топлива содержание хлорофилла а в листьях овса уменьшилось на 9,6% в каждом. Содержание хлорофилла в в первом случае повысилось (+ 10,3%), а во втором отмечено падение на 6,2%. Содержание каротиноидов (желтые, оранжевые, красные пигменты) было существенно ниже контрольного варианта (на 20-60 %). С повышением концентрации нефтепродуктов происходило дальнейшее прямо пропорциональное их снижение на 60-98%. Аналогичные результаты получены А. М. Цулаия (2011) в процессе изучения многофункциональных изменений у овса посевного под влиянием нефтесолевого загрязнения. Ею отмечено подавление фотосинтеза по отношению к контролю в пределах 30 -70% в зависимости от концентрации загрязнителя. Экспериментальным путем определено, что это связано с появлением хромосомных аберраций и гибелью клеток корней. При попадании нефтепродуктов в почву они начинают взаимодействовать не только с корневой системой овса, но и других растений, с запасом семян, микробоценозами, животными, их метаболитами, твердой, жидкой и газообразной фазой почвы. Определенное влияние на их реакционную способность оказывают гидротермические условия, которые в Сибири характеризуются крайней неустойчивостью. В 2010 г. изучена реакция овса на токсичность отработки минерального масла и дизельного топлива в полевых условиях. Оценка биотеста в 2010 г. в условиях загрязнения почвы подтвердила закономерности, выявленные лабораторным путем (рис. 11).
При 1% концентрации загрязнения почвы отработкой минерального масла растения овса благополучно развивались и на момент учета наземной биомассы превысили контрольный вариант (без загрязнения) на 9,2 %, что отражает некоторый стимулирующий эффект, скорее всего связанный с присутствием в почве определенного фонда макро- и микроэлементов, находящихся в более доступном для растений состоянии. Судя по тому, как снизилась биомасса на варианте с внесением дизельного топлива на 6,6%, можно предполагать специфические механизмы взаимодействия этого загрязнителя с твердой, жидкой и, особенно, газовой фазой почвы. Одной из характеристик, отражающих поведение дизельного топлива при попадании в природные среды, является химическая стабильность, или способность топлива противостоять окислительным процессам. Наличие гетероатомных соединений, особенно в сочетании с ненасыщенными углеводородами, способствует их окислительной полимеризации и поликонденсации, тем самым, влияя на образование смол и осадков. Вероятнее всего, дизельное топливо, быстро распространяясь по системе пор и капилляров, значительно сильнее ограничивает доступ кислорода к семенам, и к развивающейся корневой системе. Начиная с концентрации загрязнителей 5% и выше, фитомасса овса сорта Фобос резко падает. При загрязнении отработкой минерального масла потери составили 13,4 - 22,5%, на вариантах с загрязнением дизельным топливом - на 24,7 - 35,3%. Содержание хлорофиллов и каротиноидов также снизилось (рис. 12).
Реакция дождевых червей на загрязнение почвы
По известным в научной литературе сведениям основными факторами, препятствующими выживанию растений, являются токсическое действие углеводородов нефти и нефтепродуктов и изменение физико-химических свойств почвы. Рост гидрофобности и другие изменения свойств почвы обусловлены тяжелыми фракциями углеводородов, а прямой токсический эффект определяется легкими фракциями. Обволакивание нефтью почвенных частиц препятствует миграции подвижных форм фосфора, азота, обменного калия и других незаменимых элементов в почвенный раствор и тем самым может вызвать угнетение растений за счет их недостатка в жидкой фазе почвы (Ермакова, 2001).
Важным аспектом данных исследований является изучение биологической продуктивности фитоценозов, как одного из факторов почвообразования (Воронов, 1963; Киреева и др., 2010). Сведения о запасах надземной и подземной фитомассы дают представление о количестве растительного вещества, участвующего в биологическом круговороте, а также раскрывают пути приспособления экосистем к техногенным факторам воздействия.
Многие исследователи замечали, что в первые месяцы после загрязнения биологические объекты (растения, микроорганизмы) активизируется в большей мере, чем в последующие годы, но, как правило, сильнее это выражено на фонах минимального загрязнения (Водопьянов и др., 2004).
Нами проведено изучение динамики накопления биомассы растений (в пересчете на воздушно сухое вещество за июль - сентябрь 2010 г. после загрязнения почвы. Установлено, что биомасса стремительно нарастала, начиная с июля 2010 г., в десятки раз превышала первоначальные показатели. На рисунках 36-37 отчетливо видно, что в первые 2 месяца показатели опытных вариантов были существенно ниже контрольного варианта, не подверженного загрязнению нефтепродуктами. На третий месяц после в трех вариантах (1.К; l.O; 2.0) загрязнения отработкой минерального масла установлено достоверное превышение (на 26,7-48,3%). Оно связано, с одной стороны, со стимулирующим эффектом не высоких концентраций загрязнения (1%) в первых двух из них, а с другой стороны, очевидно влияние высокой окислительной способности ассоциации микроорганизмов марки «Биоойл-Югра». Нельзя этого сказать в отношении результатов, полученных по фону загрязнения дизельным топливом. 9(12,4
На всех вариантах отмечено меньшее накопление сухой биомассы, но эффективность биопрепарата-нефтедеструктора была существенной. Превышение по сухой массе в вариантах с обработкой загрязненной почвы ассоциацией микроорганизмов было в 1,5-4 раза по отношению к соответствующим контролям.
Важно отметить, что доля биомассы на опытных вариантах в первые два месяца была существенно ниже показателей общего контрольного варианта. Она составила 7,6-39,1 % в июле; на 32,0-41,0% - в августе в условиях загрязнения отработкой минерального масла. На фоне разных концентраций дизельного топлива эти показатели были соответственно - 6,4-24,2 % и 17,7-42,0%. В сентябре показатели существенно увеличились (до 20,5-87,2%), но не приблизились к показателю общего контроля (рис. 37-38). В силу влияния разных абиотических факторов (погодные условия, элементы питания в почве и разные концентрации загрязнителей) выявлена динамика показателя в разные годы и закономерности, отражающие сложные системы взаимодействия почвенной биотьт в процессе очищения среды обитания, что не единожды подтверждено другими исследователями данного направления (Зволинский, 2008; Сизых, 2009).
Доля биомассы растений по отношению к общему контролю %: Кобщ. - не загрязненный фон; 1.К- ЗК-варианты загрязненные ММ в концентрации 1%, 5% и10%; 1.0-3.0- то же + обработка (НД).
Анализ четырехлетних результатов эксперимента показывает постепенное и достоверное увеличение в накоплении биомассы растений. Показатели общего контрольного варианта, не загрязненного нефтепродуктами, в 2013 г. возросли по отношению к данным 2010 г. - на 213,8%, 2011 г.- на 3,8%, 2012 г.-на 151,1%.
Графический материал подтверждает аналогичную закономерность практически и по всем загрязненным вариантам опыта (рис. 39).
Расчет корреляционных связей показал высокую положительную зависимость формирования биомассы от количества выпавших осадков, среднюю положительную - от температуры воздуха, среднюю отрицательную -от концентрации нефтепродуктов (табл. 18). Особенно сильно это заметно в контрастные по погодным условиям периоды, как 2012-2013 гг. Как отмечено выше, с повышением концентраций загрязнителей, особенно дизельного топлива, наблюдалась полная гибель некоторых видов растений и их зачатков. Ожидаемы физиологические отклонения от нормы, в том числе в виде появления гигантских или карликовых форм, нарушения нормальных пропорций во внешнем облике растений и др. (Зволинский, 1993). Возможно, такие изменения в морфологии растений привели к снижению показателей биомассы массы на 61,5% - 86,1%.
В целом следует отметить, что нефтепродукты негативно влияют на состояние растительного покрова и его продуктивность. В результате загрязнения почвы отработкой минерального масла число видов в разнотравно 104 луговом биоценозе снизилось в 6-20 раз, а под влиянием дизельного топлива -в 10-60 раз зависимости от концентрации загрязнителей. За 4 года исследований полностью исчезло и не возобновилось 18 видов, в том числе востребованных населением для целевого использования в пищу, как лекарственное сырье, на декоративное обустройство территории и т.д. Использование ассоциации микроорганизмов марки «Биоойл-Югра» в качестве биоремедианта показало положительные результаты, выраженные в повышенном накоплении биомассы растениями по сравнению с загрязненными нефтепродуктами контрольными делянками.
