Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы загрязнения компонентов городской среды нефтепродуктами 10
1.1. Органические загрязняющие вещества нефтяного происхождения, характерные для городской среды 10
1.2. Формы нахождения, поведение нефтепродуктов в почвенном покрове ... 13
1.3. Влияние нефти и её продуктов на свойства почвенного покрова 15
1.3.1. Влияние нефти и её продуктов на морфологические и физико химические свойства почвы 16
1.3.2. Влияние нефти и её продуктов на биологические свойства почв 19
1.4. Нормирование и оценка экологического состояния почв, загрязненных
нефтепродуктами 22
1.5. Технологии восстановления почв, загрязненных нефтепродуктами 27
ГЛАВА 2. Характеристика района исследования 30
2.1. Природно-ландшафтная характеристика Архангельска 30
2.2. Источники загрязнения углеводородами нефтепродуктов Архангельска ... 33
ГЛАВА 3. Объекты и методы исследования
3.1. Объекты исследования 36
3.2. Программа работ 36
3.3. Методы экологического исследования 37
3.4. Объем выполненных работ 45
ГЛАВА 4. Влияние автотранспорта на загрязнение урбоэкосистемы Архангельска 47
4.1. Состояние приземного слоя атмосферы 48
4.2. Содержание нефтепродуктов в почвах 50
4.3. Временная и пространственная динамика аккумуляции и миграции нефтепродуктов в городских почвах 53
ГЛАВА 5. Влияние углеводородов нефтепродуктов на физико химические свойства почв 59
5.1. Содержание остаточных углеводородов нефтепродуктов
5.2. Емкость катионного обмена 65
5.3. Кислотно-основные свойства 68
5.4. Содержание и фракционно-групповой состав органического вещества 75
5.5. Содержание подвижных форм биофильных элементов 84
ГЛАВА 6. Влияние углеводородов нефтепродуктов на биологические свойства почв 96
6.1. Общая численность основных групп микроорганизмов 96
6.2. Ферментативная активность 104
6.3. Дыхательная активность 111
6.4. Интенсивность микробного разложения целлюлозы 115
6.5. Фитотоксичность почв 118
ГЛАВА 7. Предложения по диагностике и нормированию загрязнения почв нефтепродуктами 126
Выводы и предложения 133
Список литературы 136
- Формы нахождения, поведение нефтепродуктов в почвенном покрове
- Источники загрязнения углеводородами нефтепродуктов Архангельска
- Методы экологического исследования
- Временная и пространственная динамика аккумуляции и миграции нефтепродуктов в городских почвах
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Загрязнение компонентов окружающей среды углеводородами нефти и нефтепродуктов является экологической проблемой России: она остра в нефтедобывающих районах и актуальна в городах (Экология города, 2008). Одновременно в отечественной и мировой науке существует проблема нормирования нефтяного загрязнения почв и экосистем. Для нефти, нефтепродуктов не установлены значения предельно допустимых концентраций, не разработаны экологически безопасные нормы содержания в почве. Ориентировочно допустимые концентрации нефти и нефтепродуктов в почвах, разработанные для крупных групп почв, сходных по основным свойствам, определяющим устойчивость к загрязнению (гранулометрический состав, рН и др.), носят общий характер.
В настоящее время и в России, и за рубежом основным при оценке состояния окружающей среды и нормировании её качества признан эколого-биологический подход. В России С. И. Колесниковым с соавторами (Колесников и др., 2011) предложена оценка степени негативного воздействия загрязнения углеводородами нефти и бензина на основе «эмерджентного» подхода по степени нарушения экологических и хозяйственных функций, выполняемых почвой в природной экосистеме, агроэкосистеме или урбоэкосистеме.
Однако эколого-биологические особенности загрязнения городской среды Архангельска углеводородами нефтепродуктов не выявлены. На территории города состояние приземного слоя атмосферного воздуха, почвенный покров на содержание углеводородов нефтепродуктов не исследовались, оценка негативного воздействия данного загрязнения на почвенный покров на основе «эмерджентного» подхода не проводилась.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в изучение проблемы загрязнения почв углеводородами нефтепродуктов внесли Д. К. Азнаурьян, Т. П. Алексеева, В. Г. Алехин, Т. А. Андреева, Т. И. Бурмистрова, В. Ф. Вальков, В. Т. Емцев, М. Г. Жаркова, Д. Г. Звягинцев, Р. Б. Иванова, Л. А. Изерская, Н. М. Исмаилов, К. Ш. Казеев, М. И. Кахаткина, Н. А. Киреева, С. И. Колесников, Л. В. Кувшинская, Е. И. Новоселова, Т. С. Онегова, Ю. И. Пиковский, Е. А. Рогозина, В. П. Середина, Т. П. Славнина, Н. П. Солнцева, Н. Н. Терещенко, Ф. Ф. Фатхиев, А. И. Фахрутдинов, Ф. Х. Хазиев, Т. С. Шорина, M. Cerna, R. Margesin, A. Zimmerbauer, F. Schinner, C. T. Odu, J. Skujins и др.
Большая часть исследований проведена на нефтезагрязненных почвах Юга России, Западной Сибири и Ненецкого автономного округа. Однако в районах Крайнего Севера, где нефтедобывающая промышленность отсутствует, такие исследования не проводились.
Цель и задачи исследований. Цель исследования – выявить эколого-биологические особенности загрязнения углеводородами нефтепродуктов городской среды Архангельска и изучить подходы к нормированию загрязнения нефтепродуктами зональных почв Крайнего Севера.
Были поставлены следующие задачи:
-
Определить содержание загрязняющих веществ выбросов от автотранспорта, выявить территориальные особенности и уровень загрязнения приземного слоя атмосферы селитебного ландшафта Архангельска.
-
Определить содержание углеводородов нефтепродуктов; установить территориальные особенности и степень загрязнения почвенного покрова урболандшафтов Архангельска, особенности кумуляции и миграции углеводородов нефтепродуктов в почвах селитебного ландшафта.
-
Выявить закономерности влияния загрязнения углеводородами нефтепродуктов на физико-химические и биологические свойства зональных почв Крайнего Севера.
-
Изучить возможность и целесообразность использования физико-химических и биологических показателей в целях диагностики загрязнения углеводородами нефтепродуктов почв и экосистем в целом.
-
Предложить количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания углеводородов нефтепродуктов в почвах Крайнего Севера.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые выявлены особенности загрязнения углеводородами нефтепродуктов приземного слоя атмосферы, почвенного покрова урболандшафтов Архангельска для последующей оценки их экологического состояния; предложена градация урбанизированных почв Крайнего Севера по категориям загрязнения углеводородами нефтепродуктов; по результатам модельного эксперимента установлены закономерности изменения физико-химических и биологических свойств под влиянием углеводородов нефтепродуктов для зональных почв Крайнего Севера; установлена возможность и целесообразность использования физико-химических и биологических показателей в целях диагностики загрязнения углеводородами нефтепродуктов почв и экосистем Крайнего Севера в целом.
Предложены методика расчета интегрального эколого-химико-биологического показателя состояния почв и шкалы для оценки степени деградации почв по интегральным показателям химического и эколого-химико-биологического состояния; установлены количественные ориентиры содержания углеводородов нефтепродуктов в почвах Крайнего Севера для разработки региональных нормативов.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в том, что:
доказаны и критериально обоснованы следующие научные положения: о причинно-значимых факторах, определяющих рассеивание и накопление углеводородов нефтепродуктов в компонентах урбоэкосистемы; об основных изменениях физико-химических и биологических свойств почв Севера при загрязнении углеводородами нефтепродуктов; о комплексном подходе к экологической оценке загрязнения почвенного покрова городских экосистем углеводородами нефтепродуктов, заключающегося в тесной взаимосвязи физико-химических и биологических параметров почв; о роли физико-химических и биологических показателей при оценке эколого-биологического состояния почв Севера; об экологически опасных концентрациях углеводородов нефтепродуктов для зональных почв Крайнего Севера;
разработаны и внедрены шкалы для оценки урбанизированных почв по категориям загрязнения углеводородами нефтепродуктов; методика расчета интегрального эколого-химико-биологического показателя состояния почв; шкалы для оценки степени деградации почв по интегральным показателям химического и эколого-химико-биологического состояния.
Практическая значимость работы состоит в применении результатов исследований при мониторинге и диагностике экологического состояния почв, загрязненных углеводородами нефтепродуктов; при разработке рекомендаций по снижению токсико-экологических последствий загрязнения углеводородами нефтепродуктов, региональных нормативов содержания углеводородов нефтепродуктов в почвах, предложений по рекультивации загрязнённых почв, формированию почвогрунтов различных ландшафтов Архангельска и в других природоохранных мероприятиях; при чтении лекционных курсов института естественных наук и технологий и лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова; при написании учебных пособий и монографий.
Методология и методы исследования. В основу методологии эколого-биологического исследования положены работы Д. К. Азнаурьян, Т. П. Алексеевой, Т. А. Андреевой, Т. И. Бурмистровой, В. Ф. Валькова, М. Г. Жаркова, К. Ш. Казеева, С. И. Колесникова, В. П. Серединой и Н. Н. Терещенко.
В основу подбора современных методик эколого-биологических исследований положены нормативные документы и работы многих ученых. При проведении работы были использованы три основных группы методов: полевые, лабораторные и камеральные.
Информационной базой исследований послужили экспериментальные результаты, полученные и интерпретированные диссертантом в течение 2008–2012 гг.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Для урболандшафтов Архангельска характерно незначительное загрязнение приземного слоя атмосферы углеводородами бензина и загрязнение средней степени почвенного покрова углеводородами нефтепродуктов. Констелляция природных (сезон года, ветровой режим, гранулометрический состав), антропогенных (городская застройка, автотранспорт) абиотических факторов обуславливает загрязнение углеводородами нефтепродуктов в юго-восточной части города и неравномерное распределение загрязнителей по почвенному профилю.
-
Углеводороды бензина, дизельного топлива, моторного масла воздействуют однообразно на физико-химические свойства (положительно и негативно); разнообразно на биологические свойства: бензин оказывает только антибиологическое действие, дизельное топливо, моторное масло как антибиологическое, так и стимулирующее. С течением времени (4 месяца) характер воздействия нефтепродуктов на физико-химические свойства не меняется, на некоторые биологические свойства меняется: исчезает антибиологическое воздействие и первоначальный стимулирующий эффект дизельного топлива (50 г/кг), моторного масла (10–50 г/кг) меняется на ингибирующий.
-
По степени информативности физико-химические и биологические показатели почв при загрязнении углеводородами нефтепродуктов образуют ряд (в среднем по гранулометрическим составам): содержание органического вещества > содержание подвижных форм фосфора (Р2О5) > дыхательная активность > активность почвенной каталазы > обменная кислотность = содержание подвижных форм калия (К2О) > гидролитическая кислотность = численность КОЕ бактерий > содержание аммонийного азота (N-NH4+) > численность КОЕ актиномицетов > активность почвенной уреазы > длина главного корня проростка > содержание нитратного азота (N-NО3-) > актуальная кислотность > целлюлозолитическая активность. Биологические показатели имеют наибольшую чувствительность к загрязнению углеводородами нефтепродуктов.
-
Экологически опасными концентрациями углеводородов легких нефтепродуктов для зональных почв Крайнего Севера являются: 8 мг/кг для супесчаной, 15 мг/кг для суглинистой, 24 мг/кг для глинистой.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты исследований и обоснованность выводов основываются на большом количестве экспериментальных данных, полученных с применением современных физико-химических и биологических методов анализа, с использованием стандартных и аттестованных методик. Корректность результатов подтверждается их сходимостью при повторных экспериментах, достоверностью данных, обработанных методами математической статистики.
Данная работа была поддержана грантами РФФИ и Администрации Архангельской области 08-04-98808, 11-04-98800-а и внутренним грантом САФУ № 4 (2012 г.), в которых автор был исполнителем.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на II Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы человечества» (Москва, 2009); Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Экология-2009, 2011), (Уфа, 2009, 2011); XV Всероссийской конференции с международным участием «Геологические опасности» (Архангельск, 2009); III Международной конференции «Геоэкологические проблемы современности» (Владимир, 2010); Всероссийской конференции «Закономерности изменения почв при антропогенных воздействиях и регулирование состояния и функционирования почвенного покрова» (Москва, 2010); Региональной научно-практической конференции «Образование и наука: ступени развития» (Архангельск, 2010); V Международной научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем» (Пенза, 2011); Всероссийском фестивале науки. Научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» (Рязань, 2011); VI съезде Общества почвоведов им. В. В. Докучаева (Москва, Петрозаводск, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена в двух томах: том 1 на 158 страницах, содержит 17 таблиц, 39 рисунков и состоит из введения, 7 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 248 источников в том числе 34 на иностранных языках; том 2 – приложения на 68 страницах, содержит 66 таблиц.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем коллегам – соавторам публикаций, принимавшим участие на различных этапах выполнения исследования. Особую благодарность автор выражает доктору с.-х. наук, профессору, Почетному работнику ВПО РФ Е. Н. Наквасиной за всестороннюю консультационную помощь. Автор благодарит коллектив кафедры химии и химической экологии ИЕНТ САФУ им. М. В. Ломоносова за помощь на протяжении всего исследования и лично к.х.н., доцента Т. А. Корельскую., к.п.н., доцента Э. В. Швакову, Е. В. Осинскую за оказание всесторонней поддержки при подготовке диссертации.
Формы нахождения, поведение нефтепродуктов в почвенном покрове
Загрязнение урбанизированной среды органическими соединениями происходит так же и в огромном числе непреднамеренных ситуаций: проливы органических загрязнителей на предприятиях по производству, передаче и распределению электроэнергии, газа, пара и горячей воды, складах горюче-смазочных материалов, нефтехранилищах, при технических неисправностях автотранспорта. В этих случаях урбанизированная среда загрязняется не только компонентами НП, используемыми при эксплуатации автотранспорта: растворители, бензины, дизельные топлива, моторные и смазочные масла, но и антидетонационными добавками: тетраэтилсвинцом, который в настоящее время запрещен к применению, метил-трет-бутиловым эфиром - реагентом, повышающим октановое число бензина, а кроме того, оксигенатом - соединением, содержащим в своем составе кислород (Ступин, 2009). Одновременно источником НП являются нефтяные битумы, применяемые для строительства и ремонта дорожных покрытий и состоящие из наиболее высокомолекулярных компонентов нефти - асфальтенов, асфальтогеновых (полинафтеновых) кислот и их ангидридов, смол и масел (Химия, 2003).
Таким образом, список органических загрязнителей нефтяного происхождения разнообразен. Основными источниками данных соединений являются предприятия промышленности и теплоэнергетики (выбросы, сбросы, отходы); места хранения нефтепродуктов; автотранспорт (выбросы, маслянистая грязь автомобилей, проливы, разливы нефтепродуктов при технических неисправностях); дорожные покрытия (нефтяные битумы, дождевые стоки); несанкционированные автостоянки и места для мойки и ремонта автотранспорта.
Частица глины с присоединившимися к ней частицами органического вещества почвы и пленкой воды (Ступин, 2009) - в пористой среде - в парообразном и жидком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмульсионной фазе; - в пористой среде и трещинах - в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами почвы, в сорбированном состоянии на частицах горной породы или почвы, в том числе - гумусовой составляющей почв (рисунок 1.1); - в поверхностном слое почвы или грунта в виде плотной органоминеральной массы (Трофимов и др., 2000; Ступин 2009).
Качественные и количественные изменения, механизмы перераспределения органических веществ нефтяного происхождения в почве не изучены ни для одного такого вещества (Корте и др., 1997), но установлено, что в процессе превращения органических веществ в почве большую роль играют три группы факторов: параметры загрязнения, свойства почвы и характеристика внешней среды. Главный абиотический фактор трансформации - ультрафиолетовое излучение (Пиковский, 1993; Трофимов и др., 2000). Лучше всего изучено поведение в почве наиболее токсичных загрязнителей, таких как ксенобиотики (пестициды), (Корте и др., 1997), хлоранилины, фенолы и др. Поведение НП в почве аналогично поведению пестицидов (рисунок 1.2), (Другов, Родин, 2007).
Оставшаяся в почве нефть и НП подвергаются естественной трансформации, основной механизм которой - биоразложение. Биоразложение протекает в аэробных условиях, и, первой ступенью процесса являются реакции окисления. Продуктами естественной трансформации биоразложения нефти и НП являются: - спирты, эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и др.; - твердые нерастворимые продукты, образовавшиеся в результате уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывания их в органоминеральные комплексы; - твердые корочки высокоминеральных компонентов нефти на поверхности почвы (Азнаурьян, 2009). А. Е. Кузнецовым и Н. Б. Градовой (2006) изучена миграция как легких, так и тя 15 желых органических соединений в почве и предложены схемы их распределения. Легкие органические соединения мигрируют через пористую среду под воздействием капиллярных и гравитационных сил как отдельные фазы. Давление источника загрязнения позволяет легким органическим соединениям преодолевать капиллярные силы и вытеснять воздух и/или воду из пор среды. В случае удаления источника разлива для легких органических соединений характерна прерывистая миграция, и они попадают в сгустки, окруженные водой. При этом вода и загрязнения находятся по почвенному профилю только в локальных зонах, где препятствия движению жидкостей наименьшие.
Загрязнения соединениями, плотность которых меньше плотности воды, (нефть, НП, некоторые ароматические соединения), при затруднении движения в вертикальном направлении формируют плавающий слой на поверхности водного зеркала и поверхности зоны, насыщенной водой.
Загрязнения соединениями, плотность которых больше плотности воды, (хлорор-ганические соединения, полиароматические углеводороды) стремятся вниз через водоносный слой и скапливаются под водной фазой или над плохо проницаемыми почвенными слоями, формируя погружной слой загрязнения. При вертикальном проникновении данных углеводородов возможно загрязнение глубинных горизонтов подпочв и грунтовых вод (Кузнецов и др., 2006).
Таким образом, формы нахождения углеводородов нефтепродуктов и их миграция в почвенном покрове разнообразны. Главным абиотическим фактором при естественной трансформации углеводородов нефтепродуктов является ультрафиолетовое излучение, а основным механизмом - биоразложение.
Источники загрязнения углеводородами нефтепродуктов Архангельска
Экологическая обстановка в Архангельске формируется под влиянием загрязняющих веществ (ЗВ) предприятий теплоэнергетики и транспорта.
Из предприятий теплоэнергетики на загрязнение территории города в первую очередь оказывают влияние Архангельская ТЭЦ, долгое время работавшая на мазуте, и только с 2011г. переведенная на природный газ, 65 котельных города, работающих в основном на угле, Архангельские городские тепловые сети и ОАО «Архангельский Ко-ТЭК». Существенный вклад в загрязнение окружающей среды Архангельска вносят ТЭЦ города Северодвинска: ТЭЦ-1, работающая на угле, и ТЭЦ-2, работающая с 2011г. на природном газе и мазуте.
В 2010 г. на долю предприятий теплоэнергетики приходится 46% (114,27 тыс. т. в год) выбросов всех стационарных источников области. Из них на долю Архангельской ТЭЦ приходится 39,00 тыс.т., Северодвинских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 - 66,97 тыс.т., Архангельских городских теплосетей - 5,29 тыс.т., ОАО «Архангельский КоТЭК» - 3,01 (Состояние и охрана..., 2011). Основные ЗВ в выбросах этих предприятий - сернистый ангидрид, оксиды углерода и азота, летучие органические соединения (ЛОС), углеводороды (без ЛОС).
За 2005-2009 гг. выбросы ЗВ от промышленных источников в городе возросли на 30% (Состояние и охрана..., 2011). Уровень загрязнения атмосферы в Архангельске в последние годы оценивается как высокий (Состояние и охрана..., 2007; Состояние и ох 34 рана..., 2008). Так, в 2010 г. высокий уровень определялся средними за год концентрациями формальдегида, бенз(а)пирена, диоксида и оксида азота, превышающими ПДК. На стационарных постах ГУ «Архангельский ЦГМС-Р» в Архангельске зафиксировано 7 случаев высокого загрязнения (выше 10 ПДК) атмосферного воздуха бенз(а)пиреном (Доклад об экологической ..., 2012).
В селитебном ландшафте основными источниками загрязнения окружающей среды являются: жилищно-комунальные хозяйства, предприятия пищевой промышленности, транспортные организации. Из них источниками загрязнения углеводородами нефтепродуктов (НП) - автомобильный транспорт, автомобильные заправочные станции, дорожные покрытия, несанкционированные автостоянки, места для мойки и ремонта автотранспорта. В 2012 г. вклад автотранспорта в суммарные выбросы составил 37% (Состояние и охрана..., 2013). Ежегодно в Архангельске наблюдается тенденция роста парка автотранспорта, который за 2006-2008 гг. увеличился на 16%. По состоянию на 01.01.2013г. в Архангельске зарегистрировано 383 649 единиц автомобильного транспорта (Состояние и охрана..., 2008; Состояние и охрана..., 2011; Состояние и охрана...,2013). Автотранспорт является источником оксидов углерода, азота, серы, углеводородов, альдегидов, бенз(а)пирена и сажи. Источником углеводородов НП является и асфальт. В результате нагрева, истирания асфальта происходит загрязнение атмосферы и прилегающего к автодорогам почвенно-растительного покрова углеводородами нефтяного происхождения (таблица 2.1).
К источникам загрязнения территории Архангельска, наряду с автотранспортом, можно отнести железнодорожный (Архангельское отделение Северной железной дороги (СЖД) - филиала ОАО «Российские железные дороги»), воздушный (ОАО Аэропорт «Архангельск», ФГУП 2 - Архангельский объединенный авиаотряд», ОАО «Норд Авиа»), морской (ОАО «Северное морское пароходство», ЗАО «Бункерная компания» и др.) и водный (ОАО «Северное речное пароходство, ОАО «Архангельский речной порт» и др.) транспорт. По Архангельскому отделению СЖД потребление дизельного топлива тепловозами на магистралях за 2012 г. составило 109 127 т., выбросы ЗВ от отделений СЖД - 6 757 т., что на 10 т. меньше уровня 2011 года. Приоритетными ЗВ в выбросах от тепловозов являются диоксид серы, оксиды азота, ЛОС, оксид углерода, сажа, аммиак, метан. Суммарный выброс ЗВ от самолетов с газотурбинными двигательными установками (ГТДУ) так же непрерывно растет, что обусловлено ростом числа эксплуатируемых единиц транспорта. Сравнительные данные по выбросам ЗВ в аэропортах от ГТДУ и двигателей внутреннего сгорания показывают, что большая часть выбросов оксидов углерода (55%) и азота (77%), углеводородов (93%) приходится на ГТДУ (Состояние и охрана..., 2011; Состояние и охрана..., 2013).
Несмотря на то, что основные источники загрязнения города располагаются на территории промышленного ландшафта, из-за преобладания ветров южных и юго-западных направлений, суммарная повторяемость которых достигает 80%, наблюдается перенос ЗВ в направлении центра города на территорию селитебного ландшафта.
Таким образом, в Архангельске сконцентрирован ряд источников загрязнения окружающей среды углеводородами нефтепродуктов. Автотранспорт, наряду со стационарными объектами, обуславливает загрязнение приземного слоя атмосферы и почвенного покрова. Однако оценка загрязнения приземного слоя атмосферы города выбросами загрязняющих веществ от автотранспорта и городских почв углеводородами нефтепродуктов ранее не исследовались.
В качестве контроля (эталона сравнения) для городских почв использовали условно чистую дерновую почву пригорода Архангельска, для почв модельного эксперимента, загрязненных НИ, - условно чистые зональные почвы различного гранулометрического состава. Дерновая почва сформирована на суходольном лугу в районе д. Бабо-негово, дерново-подзолистая - на залежи в районе д. Васьково Приморского района Архангельской области. Выбор эталона сравнения для городских почв, почв для модельного эксперимента был обусловлен процессами почвообразования, характерными для города и для региона (Архангельская область..., 1967; Скляров, Шарова, 1970; Горячкин, 1995).
Методы экологического исследования
Оценка физико-химических и биологических свойств почв модельного эксперимента проводилась на основании двух принципов: - санитарно-гигиеническое нормирования содержания в почвах БЭ, используя соотношение фактически определенной концентрации элемента и предельно-допустимой его концентрации. Соответственно, изучаемые объекты подразделяются на 2 категории: соответствующие и несоответствующие требованиям; - системы общепринятых шкал, применяемых для почв (Звягинцев, 1978; Практикум по агрохимии, 1997; Кабиров и др., 1997; Пискунов, 2004; Наквасина, 2009; Оптимизация минерального..., 2012).
Оценка емкости поглощения проводилась по следующим критериям, мг-экв./100 г почвы: малая - 15, средняя - 15-30, высокая - 30 (Наквасина, 2009).
Оценочные шкалы почв по кислотности (рНвод и рНсол), по содержанию органического вещества (гумуса), подвижных форм фосфора и калия; по количеству бактерий, активности уреазы представлены в приложении 2, таблицы 4-9 (Звягинцев, 1978; Кабиров и др., 1997; Пискунов, 2004; Оптимизация минерального..., 2012).
Для получения сопоставимых результатов по итогам биотестирования рассчитаны индексы токсичности оцениваемого фактора (ИТФ): ТФп ИТФ = —-, (2) ТФк где ТФ0 - значение регистрируемой тест-функции в опыте, ТФк - в контроле. Величина ИТФ изменяется от 0 до М, где М - любая положительная величина. Класс фитотоксич-ности определяли согласно шкале (Кабиров и др., 1997), (приложение 2, таблица 10).
Оценка степени нарушения функций почв при их загрязнении НП проводилась на основании системы интегральных показателей: химического состояния (ИПХСП), предложенного В. П. Серединой с соавторами (2006), и биологического состояния (ИПБСП), предложенного В. Ф. Вальковым с соавторами (1999).
Данные методики позволяют оценить совокупность физико-химических и биологических показателей. Для этого в выборке максимальное значение каждого из показателей принимается за 100% и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в остальных образцах: Б1 = (Бх I Бтах) х 100%, (3) где Б1 - относительный балл показателя, Бх - фактическое значение показателя, Бтах -максимальное значение показателя.
После этого, суммируются уже относительные значения многих показателей (например, физико-химические показатели: актуальная, обменная кислотность, содержание органического вещества, подвижных форм калия; биологические показатели: количество КОЕ бактерий, актиномицетов, активность почвенной уреазы, дыхание и др.) и рассчитывается средний оценочный балл изученных показателей для образца (варианта):
Бер. = (Б1 +Б2 + БЗ ...+ Бп) IN, (4) где Бср. - средний оценочный балл показателей, Б1 - относительный балл показателя, N - число показателей.
Интегральные показатели физико-химического {ИПХСП) и эколого-биологического (ИПЭБСП) состояния почвы рассчитывают аналогично формуле (3): ИПХСП = (Бср. I Бср. max) х 100%, (5) ИПЭБСП = (Бср. /Бср. max) х 100%, (6) где Бср. - средний оценочный балл всех показателей, Бср. max - максимальный оценочный балл всех показателей.
При диагностике загрязнений за 100% принимается значение каждого из показателей в незагрязненной почве и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в загрязненной почве.
Оценка степени деградации почв на основе ИПЭБСП приведена по шкале С. И. Колесникова, К. Ш. Казеева (2002), (приложение 2, таблица 11).
Сравнение выборок осуществляли статистическим методом проверки нуль-гипотезы с помощью F-критерия. Для исследования структуры взаимосвязей изучаемых параметров использовали корелляционный анализ.
В основу оценки экологического состояния городской среды Архангельска положен большой объем полевых, лабораторных и камеральных работ. Выбрано и описано 28 точек учета автотранспорта. Построены математические модели загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха по загрязняющим веществам: NO2, NO, SO2, СО, углеводороды бензина.
В Архангельске заложено и описано 85 пробных площадей (ПП) и 2 ПП - в пригороде, в том числе на 18 ПП - полные почвенные разрезы. С ПП Архангельска взято 168 почвенных образцов: селитебный ландшафт - 89 образцов с 65 ПП (с 58 ПП почвенные образцы отбирали в слое 0-20 см, с 7 - по горизонтам почвенного профиля), промышленный ландшафт - 33 образца (с 10 ПП отбирали по горизонтам почвенного профиля). Для рассмотрения сезонной динамики накопления нефтепродуктов (НП) в почвах было отобрано 35 почвенных образцов с 4 ПП селитебного ландшафта города (14 почвенных образцов отобраны в весенний период, 6 образцов - в летний и 15 образцов - в осенний период). Почвенные образцы отобраны по горизонтам почвенного профиля.
Для оценки влияния автотранспорта на загрязнение городских почв НП с 13 ПП (почвенные образцы отбирали в слое 0-20 см) было отобрано 26 почвенных образцов: 13 - около автодорог с различной степенью интенсивности движения транспортного потока и уровнем загрязнения, 13 - на расстоянии более 5 м от дороги за искусственной или естественной преградой.
В ходе модельного эксперимента изучено 324 почвенных образца, 108 проб, в том числе 27 проб незагрязненных почв по физико-химическим и биологическим показателям. Собственными силами на базе лаборатории биогеохимических исследований ИЕНТ САФУ имени М.В. Ломоносова в почвенных образцах, отобранных на территории промышленного и селитебного ландшафтов Архангельска, определено содержание НП, в пробах модельного эксперимента - остаточное содержание НП, физико-химические и биологические показатели. В лабораторных условиях было проведено более 7 000 различных химических и биологических анализов.
Наряду с промышленностью и энергетикой существенное воздействие на окружающую среду оказывает транспорт. В городах автотранспорт - один из главных источников загрязнения: в процессе функционирования транспорта в атмосферу попадает резинотехническая пыль, токсичные вещества, содержащиеся в отработанных газах; в результате слива и пролива горючего и смазочных материалов загрязняются почва и водоемы (Ручин и др., 2009).
В настоящее время в большинстве городов мира, в том числе России доля выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) от передвижных источников увеличивается по сравнению со стационарными источниками. Данная тенденция объясняется рядом причин: увеличение численности автомобильного парка, планировка городской сети магистралей, возможное несоответствие автотранспорта требованиям государственных стандартов по токсичности и дымности (ГОСТ Р 52033-2003; Ручин и др., 2009).
Экологическое состояние окружающей среды любого города находится в неразрывной связи с парком автотранспорта. В Архангельске увеличение уровня загрязнения атмосферного воздуха происходит главным образом вследствие значительного роста автотранспорта. Именно автотранспорт является одним из основных источников загрязнения Архангельска как неорганическими поллютантами, так и нефтепродуктами (НП).
Продукты неполного сгорания топлива аэрогенным путем воздействуют на компоненты урбоэкосистемы: приземный слой атмосферы - человек, растение - почва. Происходит и точечное загрязнение почвенно-растительного покрова углеводородами бензина, дизельного топлива, моторного масла вследствие технических неисправностей автотранспорта, ведущих к утечке горюче-смазочных материалов. Загрязнение городской среды НП носит долговременный характер и может выйти за рамки локального воздействия, что первоначально приводит к изменению структурных и функциональных особенностей урбоэкосистем, а в дальнейшем к их неустойчивости (Михайлова, Попова, 2011).
Временная и пространственная динамика аккумуляции и миграции нефтепродуктов в городских почвах
Вероятно, минимальное содержание органического вещества связано с тем, что состав бензина и дизельного топлива представлен легкими углеводородами, которые испаряются и легче разлагаются микроорганизмами до С02, так как имеют более короткие углеводородные цепи.
В почвах, загрязненных НП, выявлена зависимость накопления органического вещества от гранулометрического состава, его содержание увеличивается в ряду почв: супесь — суглинок — глина, т.е. чем тяжелее гранулометрический состав почвы, тем интенсивнее аккумулируются в ней органические поллютанты. Это может быть связано с большим содержанием в глине частиц менее 0,01 мм, у которых удельная площадь поверхности, сорбирующей углеводороды НП, больше. Супесь характеризуется малыми сорбционными способностями. Существенное отличие содержания органического вещества в глине, суглинке от содержания в супеси подтверждается в некоторых вариантах модельного эксперимента значениями F-критерия (приложение 4, таблица 8).
Во всех вариантах эксперимента в загрязненных почвах с течением времени наблюдается увеличение содержания органического вещества. Эта зависимость может быть объяснена высокой термической устойчивостью незамещенных аренов к реакциям окисления, в результате данные соединения при обработке почв хромовой смесью окисляются не полностью. С увеличением времени инкубации загрязненных почв постепенно происходит частичное окисление и деструкция данных соединений в результате деятельности микроорганизмов. Наиболее интенсивное возрастание доли извлекаемого органического вещества с течением времени наблюдается в почвах, загрязненных бензином и дизельным топливом, что связано с меньшим содержанием гидрофобных ароматических соединений в их составе (в основном моноциклических). В моторном масле содержатся полиядерные ароматические соединения, которые медленнее подвергаются деструкции под воздействием почвенных микроорганизмов, следовательно, уровень определяемого органического вещества изменяется с увеличением времени инкубации менее интенсивно.
Влияние концентрации НП на содержание органического вещества подтверждается положительными коэффициентами корреляции (таблица 5.3), при которых наибольшее содержание органического вещества связано с наибольшим остаточным содержанием НП.
Увеличение содержания органического вещества в почвах, загрязненных НП, связано с увеличением гумусовых веществ (ГВ) и гумина, обусловленным процессами гумификации и трансформации углеводородов. Процессы гумификации и трансформации углеводородов в почвах, загрязненных НП, различны и зависят от их гранулометрического состава, вида НП, внесенного в почву и срока инкубации. Содержание ГВ, гумина в глине, суглинке существенно отличается от содержания в супеси в некоторых вариантах модельного эксперимента (приложение 4, таблица 9, 10). Также, подтверждается существенное отличие содержания гуминовых кислот (ГК), фульвокислот (ФК) в глине, суглинке от содержания в супеси (приложение 4, таблица 11, 12).
Интенсивность преобразования гидрофобных инертных углеводородов, входящих в состав НП, в лабильные формы ГВ зависит от гранулометрического состава почвы (рисунок 5.8). Содержание ГВ в почвах тяжелого гранулометрического состава при загрязнении их НП практически не меняется относительно незагрязненной инкубированной почвы. С высокой скоростью данный процесс протекает в почвах легкого гранулометрического состава, где с течением времени, например, при внесении бензина происходит увеличение накопления ГВ по сравнению с незагрязненной инкубированной почвой в 1,5-2,0 раза. Меньшая степень преобразования НП в гумусоподобные вещества в почве тяжелого гранулометрического состава может быть связана с быстрым образованием гумусированных пленок на поверхности частиц, которое уменьшает сорбционную способность поверхности, и накопление новообразованных ГВ снижается вследствие их быстрой минерализации.
Уровень накопления гумусоподобных веществ зависит от вида НП. Независимо от гранулометрического состава почв, концентрации НП и срока инкубации содержание ГВ уменьшается в ряду НП: бензин — дизельное топливо — моторное масло, что связано с составом НП и доступностью их для микробиологической деструкции. Наибольшая интенсивность образования ГВ наблюдается в почвах, загрязненных бензином, в которых содержание ГВ увеличивается на 10-12% по сравнению с незагрязненной инкубированной почвой. Бензин легче включается в процесс гумификации и способствует его протеканию по направлению образования лабильной фракции органического вещества (деградационное направление), которая легко включается в дальнейшие процессы гумификации. С течением времени происходит равномерное увеличение содержания ГВ (рисунок 5.9). В глинистой почве вовлечение НП в процессы гумификации начинается на более ранних сроках инкубации (до 1-го месяца инкубации). Этому способствует большая удельная площадь почвенных частиц, на поверхности которых протекают микробиологические процессы преобразования гидрофобных молекул НП в лабильные фракции органического вещества почв.
В суглинистой и супесчаной почвах после 1-го месяца инкубации наблюдается уменьшение содержания ГВ по сравнению с исходными значениями. Это связано с тем, что происходит конденсация НП с ГВ природного происхождения и укрепление данных структур: лабильные ГВ связываются в инертную фракцию, плохо поддающуюся последующей гумификации. С течением времени (после 4-х месяцев инкубации) происходит увеличение содержания ГВ, что объясняется деструкцией высокомолекулярных компонентов и началом процессов гумификации НП под действием микроорганизмов.
Таким образом, в почвах глинистого состава вовлечение молекул углеводородов НП в процесс гумификации происходит на более ранних сроках (до 1-го месяца инкубации), но интенсивность их деструкции ниже, чем в почвах легкого гранулометрического состава, так как одним из основных факторов, лимитирующих процесс разложения углеводородов, является газовоздушный режим почвы. Аэрация почв легкого гранулометрического состава осуществляется значительно лучше.
Одновременно с увеличением содержания ГВ в загрязненных почвах наблюдается увеличение доли гумина по сравнению с незагрязненными инкубированными почвами, что может быть связано с тем, что углеводороды НП легко образуют с компонентами почвы прочные органоминеральные соединения (гумин). Данную зависимость можно объяснить искусственным внесением алифатических, алициклических и ароматических соединений, входящих в состав НП, которые не извлекаются пирофосфатом натрия, в результате чего интерпретируются как гумин, согласно методике анализа.
