Содержание к диссертации
Введение
1. Объекты и методы исследования 7
2. Экологические условия формирования и общая характеристика почв месторождений углеводородного сырья 19
2.1. Экологические условия формирования почв 19
2.2. Свойства почв фоновых территорий 26
2.2.1. Морфологическая характеристика и гранулометрический состав 27
2.2.2. Физико-химические свойства 51
3. Оценка техногенного воздействия нефти на морфологическое строение и основные параметры химического состояния почв 62
3.1. Морфологический облик и гранулометрический состав техногенно загрязненных почв 62
3.2. Влияние нефтяного загрязнения на основные химические показатели почв 71
3.2.1, Кислотно-основные и окислительно- восстановительные свойства 71
3.2.2. Катионообменные свойства . 84
4. Экспериментальная оценка влияния нефти на биологические свойства почв 101
4.1. Микробиология и ферментативная активность 101
4.2. Состав гумуса и азота 111
4.3. Фитотоксичность почв 121
5. Критерии оценки влияния нефтяного загрязнения на почвы 127
Выводы 139
Список использованной литературы 141
- Морфологическая характеристика и гранулометрический состав
- Морфологический облик и гранулометрический состав техногенно загрязненных почв
- Кислотно-основные и окислительно- восстановительные свойства
- Микробиология и ферментативная активность
Введение к работе
Актуальность исследований. Увеличение объемов добычи нефти на территории Западной Сибири приводит к усилению техногенной нагрузки на все компоненты экосистемы, в том числе и на почвы. Во многих нефтегазоносных районах сложилась крайне неблагоприятная экологическая ситуация, которая с каждым годом ухудшается из-за учащающихся аварий на нефтепроводах. В настоящее время нефть и нефтепродукты признаны приоритетными загрязнителями окружающей среды (Пиковский Ю.И., 1993; Солнцева Н.П., 1982, 2002). Под воздействием нефтяных потоков в почве происходят глубокие и часто необратимые изменения свойств, а иногда и существенная перестройка всего почвенного профиля. Поскольку компоненты почвенной системы взаимосвязаны, то при изучении посттехногенных трансформаций почв необходим комплексный подход. В последнее время основное внимание уделяется разработке новых методов рекультивации нефтезагрязненных почв, в то время как региональных комплексных исследований по влиянию нефти на всю совокупность почвенных параметров проводится недостаточно. Поэтому интегральная оценка уровня нагрузки и состояния экосистем приобретает особую актуальность.
Цель и задачи исследования. Цель работы - дать интегральную оценку воздействия нефтяного загрязнения на основные параметры химического и биологического состояния почв в условиях гумидного почвообразования.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
Изучить специфику формирования и дать общую характеристику почв, распространенных на территории месторождений углеводородного сырья.
В природных условиях и в модельных экспериментах исследовать процессы, протекающие в почвах, загрязненных нефтью, установить их интенсивность и направленность.
В полевом модельном эксперименте выявить закономерности изменения биологических показателей почв под влиянием различных доз нефти.
Дать интегральную характеристику изменения основных почвенных параметров при техногенном загрязнении нефтью и выделить критерии оценки.
Научная новизна работы. Впервые выполнена разносторонняя комплексная оценка влияния нефтяного загрязнения на параметры химического и биологического состояния почв. Изучен широкий спектр показателей фоновых и загрязненных нефтью почв, как в природных условиях, так и в модельных экспериментах (полевых, лабораторных). Выявлена интенсивность и направленность трансформационных изменений свойств почв под воздействием нефтяных потоков применительно к конкретным ландшафтам в условиях гумидного почвообразования. С учетом специфики данного региона для нефтезагрязненных почв определен набор наиболее информативных параметров, на основе которых предложен интегральный показатель химического состояния почв (ИПХС).
Теоретическая и практическая значимость. Диссертационная работа расширяет существующие представления об особенностях воздействия нефтяного загрязнения на почвы, а также вносит вклад в решение теоретических вопросов посттехногенного почвообразования.
Результаты исследований могут быть использованы научными и природоохранными организациями при мониторинге и диагностике состояния почв, подверженных нефтяному загрязнению, оценке степени воздействия на окружающую среду, при разработке новых методов рекультивации почв, а также при экологическом нормировании загрязнения почв нефтью. Полученные материалы в настоящее время используются в учебном процессе при чтении курса лекций по химии почв и биогеохимии в Томском государственном университете.
Вклад автора. При личном участии автора выполнены все полевые исследования, включая закладку модельных экспериментов. Автору
5 принадлежит определение всех химических показателей почв, состава гумуса, азота, гранулометрического состава, оценка фитотоксичности почв, а также интерпретация всех полученных данных и их статистическая обработка. Положения, выносимые на защиту,
Характер трансформационных изменений основных параметров химического состояния почв под воздействием нефтяного загрязнения определяется спецификой их геохимической обстановки и положением в ландшафте.
Посттехногенные преобразования параметров химического и биологического состояния почв при нефтяном загрязнении обусловлены дозами поллютанта и длительностью его воздействия.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международных научных и научно-практических конференциях: «Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель» (Томск, 2002), ConSoil 2003 - 8th International FZK/TNO Conference on Contaminated Soil (Belgium, 2003), 14th Annual Meeting of SETAC Europe «Environmental Science Solutions. A Pan-European Perspective» (Prague, 2004), «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2004), «Экологические проблемы инженерного образования» (Томск, 2004); на Всероссийских конференциях: «Проблемы региональной экологии» (Томск, 2000), «Человек и почва в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2004), «Современные проблемы почвоведения Сибири и оценки земель» (Томск, 2005), а также на конференции молодых учёных и специалистов «Региональные проблемы экологии и природопользования» (Томск, 1999), научной конференции «Биолого-почвенный факультет: прошлое, настоящее и будущее» (Томск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов,
списка литературы и приложения; содержит 30 таблиц, 21 рисунок. Список литературы включает 180 источников, в том числе 12 иностранных.
Автор глубоко признателен за помощь в работе и поддержку своему научному руководителю д.б.н. В.П. Серединой, выражает искреннюю благодарность Н.Ф. Протопопову, К.С. Козлову, Н.К. Смирновой, Т.П. Алексеевой, всем сотрудникам кафедры почвоведения и экологии почв Томского государственного университета.
7 1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Оценка техногенного воздействия нефти на основные химические и биологические показатели почв дана на основании полевых и экспериментальных исследований на территории нефтегазоносных районов. Объектами изучения послужили фоновые (незагрязненные) и загрязненные нефтью почвы месторождений углеводородного сырья, которые расположены в пределах Парабельского, Каргасокского и Александровского районов Томской области (рис. 1). В течение трех лет (1999-2001 гг.) автор принимала участие в комплексных инженерно-экологических изысканиях, проводимых предприятием «ТомскНИПИнефть». На протяжении полутора лет велись лабораторные и полевые модельные эксперименты с искусственным загрязнением почв нефтью. В данной работе приводится характеристика более 30 почвенных разрезов. В общей сложности отобрано 255 индивидуальных образцов почв, сделано 28 видов различных анализов.
Исследованные нефтепромыслы в соответствии с почвенно-географическим районированием (1962), относятся к подзонам средней и южной тайги Западной Сибири. Их особенностью является слабое проявление автоморфного почвообразования и ускоренное гидроморфного, что определяет состав, структуру почвенного покрова и свойства почв. Условия формирования, генетические особенности и химическая характеристика почв, слагающих почвенный покров месторождений, подробно рассмотрены в следующей главе.
В основу решения поставленных задач положен комплексный подход, а также применены методы: сравнительно-географический, сравнительно-аналитический, полевой, методы моделирования и математической статистики. Почвенно-экологическое обследование территории нефтегазовых месторождений осуществлялось методом маршрутов и ключевых участков.
Влияние загрязнения нефтью в природных условиях изучали с помощью
Речная сеть Л/ ЛЭП Местороладения
Д/Нефтепроводы ИІ Нефтяные
А/ Газопроводы Нефте-газоконденсатные
| Озера Города 1 Площади с нефте- и газопроявлениями
Районные центры ^) Границы районов
I Граница области
Рисунок 1 - Территории исследованных месторождений углеводородного сырья Томской области
9 сопоставления свойств загрязненных подзолистых и аллювиальных почв с их фоновыми аналогами. При этом соблюдалось требование максимальной однородности факторов почвообразования - почвообразующих пород, элементов рельефа и характера растительности.
В естественных условиях на почвы одновременно воздействует множество природных факторов, поэтому довольно сложно в чистом виде выделить влияние техногенного загрязнителя, а в лабораторных условиях существует возможность контроля сразу нескольких факторов. Для изучения влияния различных доз нефти на кислотно-основные, окислительно-восстановительные свойства и катионообменную способность почв проведены модельные опыты с искусственным загрязнением нефтью. Поскольку при загрязнении основное количество нефти сосредоточено в верхних горизонтах почвенного профиля, то в качестве опытных образцов использовались гумусовые горизонты дерново-подзолистой и аллювиальных почв, а также горизонт А2 подзолистой грунтово-глееватой почвы (табл. 1, 2). В условиях лабораторного эксперимента производилось искусственное загрязнение дерново-подзолистой и аллювиальных почв сырой нефтью Советского нефтяного месторождения, а подзолистой почвы нефтью Первомайского нефтяного месторождения, которые принадлежат к типу парафино-нафтеновых нефтей, являются маловязкими, сернистыми, смолистыми и имеют низкую плотность (прил. 1).
Перед закладкой опытов в почве были отобраны крупные корни растений. Почва была растёрта, просеяна через сито с диаметром 2 мм, тщательно перемешана и помещена в предварительно взвешенные сосуды по 200г в каждый. Опыт проводился в четырёхкратной повторности. На протяжении всего опыта сосуды с почвой находились в оптимальных гидротермических условиях (температура 25С, влажность 60% ПВ). Схема опыта включала следующие варианты: контроль, 5% нефти, 25% нефти от массы почвы.
* * * *
Таблица 1 - Физико-химические свойства образцов почв, использовавшихся в модельных опытах
Таблица 2 — Гранулометрический состав образцов почв, использовавшихся в модельных опытах
Дозы внесения нефти в почву были выбраны на основании исследований ряда авторов (Андресон Р.К., Пропадущая Л.А., 1979; Славнина Т.П., Кахаткина М.И, Середина В.П., 1989). В качестве контроля использовались незагрязненные нефтью варианты указанных почв. На аллювиальной луговой, аллювиальной слоистой и подзолистой грунтово-глееватои почве продолжительность опыта составила 90 дней, а на дерново-подзолистой - 45 дней. Образцы для анализа отбирались в следующие сроки: 10, 30, 45 и 90 дней, по истечении которых проводился ряд химических анализов. Фитотоксичность аллювиальной луговой почвы, загрязненной разными дозами нефти, оценивали биотестом с помощью проростков яровой пшеницы. Посев производили едва проклюнувшимися семенами на глубину 1см. В каждый сосуд высевали по 12 зерен пшеницы. За прорастанием семян и развитием растений велись ежедневные наблюдения.
Модельные опыты с искусственным загрязнением почв нефтью проводились не только в лабораторных, но и в естественных условиях. С целью изучения влияния различных доз нефти на биологические свойства почвы был заложен полевой модельный эксперимент. Опытные площадки размером 1м поверхностно загрязнялись товарной нефтью Урманского месторождения, характеристика которой приведена в приложении 2. Схема опыта включала следующие варианты: контроль; 2.5 кг/м нефти; 5 кг/м нефти; 10 кг/м нефти; 15 кг/м нефти. Опыт проводился в трехкратной повторности. В качестве контрольного варианта служила незагрязненная аллювиальная дерновая почва, характеристика которой приведена в таблицах 1 и 2. Почвенные образцы для анализа отбирали на глубину 0-20 см через 3, 10 дней и 1, 3, 15 месяцев после закладки опыта. В каждый срок наблюдения изучали ряд почвенных характеристик. Фитотоксичность почвы оценивали по изменению фитомассы растений относительно контроля.
Лабораторно-аналитические исследования (рН водный, рН солевой, ОВП, гидролитическая кислотность, сумма обменных катионов, обменный кальций, магний, емкость катионного обмена) выполнены с использованием
13 общепринятых в почвоведении методов (Аринушкина Е.В., 1970; Агрохимические методы..., 1975). Обменную кислотность определяли по Соколову, натрий обменный - по Гедройцу, калий обменный - по Масловой (Важенин И.Г., 1975), калий необменный - по Гедройцу (1955), калий водорастворимый - в водной вытяжке (1:5), азот валовой — по методу Гинзбург, фракционный состав азота - по Воробьеву в модификации Шконде и Королевой,, углерод органического вещества - по методу Тюрина, фракционно-групповой состав гумуса - по методу Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой (Пономарева В.В., Плотникова Т.А., 1975). Гранулометрический состав определяли пирофосфатным методом по Качинскому (Качинский Н.А., 1958). Бактерий аммонификаторов определяли методом посева на МПА; микроорганизмов, разлагающих минеральные формы азота - методом посева на КАА, углеводородокисляющих микроорганизмов - методом посева на синтетическую среду Мюнца. Активность ферментов - по методам Галстяна (1974, 1978). Нефтепродукты -методом ИК-спектрофотометрии. Микробиологические показатели определяли в лаборатории НИИББ, почвенные ферменты в лаборатории СибНИИТ СО РАСХН, содержание нефтепродуктов в почве определяли в лаборатории ОГУ «Облкомприрода».
Для проведения статистической обработки цифровой материал модельных экспериментов был сгруппирован в каждой почве и сведен в матрицы:
Лабораторный модельный эксперимент: 1. Аллювиальная луговая почва: 12 наблюдений на 12 переменных для каждого срока (независимая переменная - «схема опыта»; зависимые переменные - рН водный, рН солевой, гидролитическая кислотность, сумма обменных катионов, обменный кальций, обменный магний, ЕКО, степень насыщенности основаниями, калий обменный, калий необменный, калий водорастворимый);
Подзолистая грунтово-глееватая почва: 12 наблюдений на 9 переменных для каждого срока (независимая переменная - «схема опыта»; зависимые переменные - рН водный, рН солевой, гидролитическая кислотность, сумма обменных катионов, обменный кальций, обменный магний, ЕКО, степень насыщенности основаниями);
Дерново-подзолистая почва: 12 наблюдений на 4 переменных (независимая переменная - «схема опыта»; зависимые переменные - калий обменный, калий необменный, калий водорастворимый).
Для дискриминантного анализа все наблюдения были сгруппированы в 2 матрицы (48 наблюдений на 9 переменных) для аллювиальной луговой и подзолистой грунтово-глееватой почвы (группирующая переменная - «схема опыта», переменные - рН водный, рН солевой, гидролитическая кислотность, сумма обменных катионов, обменный кальций, обменный магний, ЕКО, степень насыщенности основаниями). Полевой модельный эксперимент:
4. Аллювиальная дерновая почва: 15 наблюдений на 10 переменных
(независимая переменная - «схема опыта»; зависимые переменные -
общий углерод, азот валовой, азот минеральный, азот,
легкогидролизуемый, азот трудногидролизуемый, ферменты каталаза,
дегидрогеназа, полифенолоксидаза, пероксидаза).
Проверка на нормальность распределения признаков проводилась с помощью критериев Колмогорова-Смирнова, Лиллиефорса, Шапиро-Уилки, а также графическим способом с помощью гистограмм (Леонов В.П., 1990). В связи с тем, что большинство признаков имеет ненормальное распределение, в данной работе применялись непараметрические методы статистики. Статистическая обработка массива данных производилась в табличном процессоре Microsoft Excel 2002 и пакете STATISTICA 6.0.
С помощью однофакторного дисперсионного анализа в условиях модельных экспериментов исследовалось влияние различных доз нефти на различные параметры почв. Для проверки статистических гипотез
15 использовался непараметрический критерий Краскела-Уоллиса (Холлендер М., Вулф Д.А., 1983). Нулевая гипотеза (Н0), проверяемая с помощью этого критерия, состоит в том, что совокупности, из которых производятся выборки (т), являются одинаково распределенными. Альтернативная гипотеза (Hi) утверждает обратное.
Н0:т[= ..= Th; Ні:т#...^ть
Для вычисления значений критериальной статистики все п наблюдений упорядочивают по возрастанию от 1 до п; находят сумму рангов Rb ...Дки средний ранг для к групп по формулам:
R'=tr' д.,=1ъ/и>)
Вычисляют критерий:
12 fRj
*(*+!)& rij
я-^МЛ-д-)1-
N(N + \)jt
-з(лг+і)
где N - количество групп, п - количество наблюдений в каждой группе
Если достигнутый уровень значимости (р) < 0,05, то отвергаем нулевую гипотезу о равенстве законов распределения количественных признаков в выборках и принимаем Hi. Если критерий дает значимый результат, то можно утверждать, что распределения совокупностей различны. Однако это не означает, что их средние не равны между собой. Критерий медианы позволяет сделать вывод о равенстве медиан (Но). Критериальной статистикой в данном случае является х2, вычисляемый по формуле:
2 __ ^ (наблюдаемое — ожидаемое)
*-* оасидаемое
Это критерий равенства биномиальных вероятностей в нескольких выборках. Достигнутый уровень значимости сравнивается с заданным (р = 0,05) и делается вывод о принятии соответствующей статистической гипотезы. В работе учитывались значения этого критерия, но поскольку противоречий в принятии той или иной гипотезы между критериями Краскела — Уоллиса и %2 отмечено не было, то в таблицы были занесены
только полученные значения критерия г Краскела - Уоллиса, как более наглядные. После принятия альтернативной гипотезы (Hj) для установления того, какие из тк различаются, были вычислены свободные от распределения множественные сравнения, основанные на суммах рангов Краскела-Уоллиса (Холлендер М., Вулф Д.А., 1983).
Принимали решение хиф tv, если выполнялось неравенство:
Уг(, ,V4
'n(n+\)~
\Ки ~К.у\^2(а/[к(к-ф
. П.. П., ,
Если верна Н0> то вероятность правильно принять все решения обеспечена и равна (1-а).
Корреляционный анализ позволил выявить существующие связи между различными количественными признаками и оценить значимость этих связей с точки зрения процессов, происходящих в почвах. Величина ранговой корреляции выражается коэффициентом ранговой корреляции Спирмэна rs:
г,*1-б3-1)
(=i
где di - разность между значениями рангов каждого значения х и соответствующего значения у.
Коэффициент ранговой корреляции является частным случаем коэффициента парной корреляции г^. Значение rs тем ближе к значению г^, чем сильнее линейность корреляционной связи между признаками (Леонов В.П., 1990). Значения г находятся внутри интервала 1 > rs > -1. Нулевую гипотезу ps =0 проверяют с помощью f-статистики (при п > 10), которая имеет распределение Стьюдента с f=n-2 степенями свободы.
При альтернативной гипотезе^ ф0 используют двусторонний критерий, т.е. значение t сравнивают с табличным 'y(n_2). В этом случае, если t>tma(a, то
нулевая гипотеза отвергается. Также нулевую гипотезу можно проверить с помощью достигнутого уровня значимости (р). В том случае, когда р < 0,05
17 нулевая гипотеза отвергается и принимается альтернативная гипотеза, указывающая на существование статистически значимой корреляционной зависимости между исследуемыми количественными признаками.
Дискриминантный анализ применялся в работе для оценки межгрупповых различий (группы - варианты опыта) с помощью определенного набора переменных и выделения среди них наиболее информативных. Характеристики, применяемые для того, чтобы отличить один класс от другого, называются дискриминантными переменными.
Для интерпретации различий между группами и выбора тех переменных,
которые вносят наибольший вклад в значение дискриминантной функции,
чаще всего используют стандартизованные коэффициенты (с;). Они
вычисляются на основе нестандартизованных коэффициентов (Uj), входящих
в дискриминантную функцию. Коэффициенты и; выбираются таким образом,
чтобы средние значения дискриминантной функции для различных классов
как можно больше отличались друг от друга. Они вычисляются по
следующим формулам (Клекка У.Р., 1989):
і -А
Ui = Viin.~g> и0 = -Ц Ui X,.. >
где ^( _ последовательность р коэффициентов;
Я* - общее число наблюдении по всем классам;
g - число классов;
X - среднее значение переменной і по всем классам.
Нестандартизованные коэффициенты представляют собой изменение положения точки в дискриминантном пространстве при единичном приращении соответствующей переменной; они дают информацию об абсолютном вкладе данной переменной в значение дискриминантной функции. Коэффициенты, представленные в стандартной форме позволяют говорить об относительном вкладе переменных, что даёт возможность ранжировать их по информативности. Стандартизованные коэффициенты вычисляются по формуле;
= I w»
C,~u'in.-g ' где щ - сумма квадратов /-й переменной, определяемая соотношением
= vyf Y _ ]
Wi,- 2-л 2-і \Х/ы Xiif№C,km Xjk»i
к=\ т=\
М- - общее число наблюдений; g- число групп;
Х1к, - средняя величина переменной і в лг-м классе; п^ - число
наблюдений в к-м классе.
Считается, что чем больше величина стандартизованного коэффициента, тем больше вклад соответствующей переменной в функцию.
Статистика Лямбда Уилкса — это мера различий между классами по нескольким дискриминантным переменным. Величина Лямбды Уилкса, близкая к нулю, показывает высокую степень различий между классами.
Коэффициент множественной корреляции (R ) показывает меру связи данной переменной с остальными переменными в дискриминантнои функции. Чем выше коэффициент множественной корреляции, тем сильнее данная переменная связана с остальными переменными и тем полезнее она в дискриминантнои функции.
Статистика F-включения представляет собой частную F-статистику, оценивающую улучшение различения групп от использования рассматриваемой переменной по сравнению с различением, достигнутым с помощью других уже отобранных переменных. Если величина статистики F-включения мала, то вряд ли она вносит существенный вклад в различение групп.
Экспериментальный цифровой материал подвергнут вариационно-статистической обработке согласно Н.А. Плохинскому (1970), Б.А. Доспехову (1973), Е.А. Дмитриеву (1995).
Морфологическая характеристика и гранулометрический состав
Температурные ресурсы почвенного климата отличаются от атмосферных, что связано с более поздним прогреванием и ранним выхолаживанием почв (Азьмука Т.Н., 1986). Неоднородность # температурного режима почв определяется не только ресурсами климата, но и другими параметрами. Влажные и тяжелые по гранулометрическому составу почвы более холодные. Средняя и южная тайга — области сезонного промерзания почвогрунтов на глубину 1,5-2,5 м (Земцов А.А., Мизеров Б.В., Николаев В.А., 1988). Суглинистые породы лесной зоны в условиях сильного промерзания приобретают специфическую острореберную плитчато ореховатую структуру. В пределах внеледниковой зоны суглинки имеют четкие черты лёссовидных пород - высокую пористость, трещиноватость, способность образовывать вертикальные стенки (Евсеева Н.С., Земцов А.А., 1990; Эколого-мелиоративный..., 1999). Таежная зона Западно-Сибирской равнины характеризуется избыточным увлажнением и недостаточной теплообеспеченностью (Мячкова Н.А., 1983). В средней и южной тайге Западной Сибири выпадает в среднем около 500 мм осадков (Рутковская Н.В., Окишева Л.Н., 1966). Соотношение осадков и « испарения обусловливает возможность избыточного увлажнения территории (Вендров С.Л., Глух И.С., 1972). С действием важнейших климатических показателей — тепла и влаги тесно связано формирование и чередование почвенно-растительных зон. В ботанико-географическом отношении район входит в состав бореально-лесной области, охватывает среднюю и южную часть таежной зоны (Горожанкина СМ., 1973). Зональная растительность представлена темнохвоиными лесами с доминированием в подзоне южной тайги пихты сибирской, а в подзоне средней тайги кедра сибирского с участием ели (Прокопьев Е.П., 1968; Горожанкина СМ., Константинов В.Д., 1978; Природные ресурсы..., 1991). Осина и береза (белая, пушистая) присутствует в большинстве лесных сообществ. На песчаных отложениях распространены сосновые леса, нередко с присутствием лиственницы сибирской.
Подлесок тайги достаточно развит и представлен рябиной, красной и черной смородиной, черемухой, малиной, бузиной, жимолостью, караганой (Горожанкина СМ., Константинов В.Д., 1978). В поймах рек основным типом растительности являются луга и болота. Особенности формирования и развития растительного покрова пойм во многом обязаны взаимодействию паводка и литологической основы, именно с этим связано распространение деревянистых и травянистых видов растений. Лесная растительность в поймах занимает наиболее высокие гипсометрические позиции (Шепелев А.И., Шепелева Л.Ф., 1995).
В подзоне южной тайги напочвенный покров кедрово-пихтовых, елово-пихтовых, пихтовых, кедровых и сосновых лесов создает крупнотравье с большим участием папоротников. В заболоченных местообитаниях развиты низинные осоково-гипновые болота. Севернее крупнотравье уступает место таежному разнотравью и мелкотравью, и зеленым мхам, а болота представлены переходными сфагновыми.
Отличительная особенность южнотаёжной подзоны — широкое распространение на её территории вторичных тёмнохвойно-мелколиственных травяных и мелкотравно-зеленомошных лесов. Они возникли на месте кедрово-елово-пихтовых лесов - основного зонального типа, частично сохранившегося после вырубок и пожаров. Зональные леса занимают около 30 % лесопокрытои территории. В составе хвойных пород отмечается преобладание на севере кедра и ели, а на юге - пихты.
Для западных и восточных окраин подзоны характерны массивы сосновых лесов, произрастающих на подзолистых почвах лёгкого гранулометрического состава, а также участки березовых и осиновых лесов, формирующихся на более тяжёлых по гранулометрическому составу почвах. В подлеске и во втором ярусе темнохвойных лесов на западе и юге подзоны встречается липа. В травяном покрове северной части подзоны преобладает мелкотравье (майник, линнея, кислица), а в южной части большая роль принадлежит различным видам широкотравья. Состав растительности как первичных, так и вторичных лесов зависит от дренированности территории. На повышенных хорошо дренируемых участках распространены осочковые пихтарники и снытевые березняки, а на слабо дренированных поверхностях, граничащих с болотами, преобладают вейниково-сфагновые кедровники и крупнотравные березово-осиновые леса.
Заболоченность трех почвенно-географических подзон тайги нарастает к северу, но наиболее обширные по площади ареалы болотных почв (Васюганский — 53 тыс. км ) и наибольшая мощность торфяных залежей (до 10 м) характерны для южной подзоны (Эколого-мелиоративный..., 1999) (рис. 3).
Южной тайге соответствует подзона грядово-мочажинных, сосново-кустарничково-сфагновых мезотрофных и евтрофных древесно-травяно-моховых и травяно-моховых болот (Львов Ю.А., 1987). В среднем заболоченность этой территории около 30 % (Лисе О.Л., Березина Н.А., 1981). В средней тайге сокращается видовое разнообразие сообществ.
Среди заболоченных пространств преобладают верховые сфагновые болота, которые занимают обширные плоские водоразделы (Природные ресурсы..., 1991). Согласно Н.С. Евсеевой и А.А. Земцову (1990), подзоне средней тайги соответствует подзона грядово-мочажинно-озерковых и грядово-мочажинных болот; заболоченность территории достигает 50-80 %.
Морфологический облик и гранулометрический состав техногенно загрязненных почв
Об этом свидетельствует присутствие в горизонте Вь В2 и В3к новообразований оксида железа в виде охристых пятен, гумуса и глин в виде кутан на гранях структурных отдельностей. Одной из причин этого явления может служить утяжеление гранулометрического состава от элювиального к иллювиальному горизонту, т.е. присутствие механического фильтрационного барьера. Переходный к почвообразующей породе карбонатный горизонт является, возможно, своеобразным щелочным геохимическим барьером на пути органо-минеральных соединений и способствует их осаждению в иллювиальных горизонтах.
В дерново-среднеподзолистой почве со вторым гумусовым горизонтом (р. 3) отчетливо прослеживается приуроченность максимального накопления. гумуса к горизонту Аь что указывает на развитие гумусово-аккумулятивного процесса (см. табл. 6). Несмотря на то, что второй гумусовый горизонт отчетливо выделяется в профиле почвы по окраске, содержание гумуса в нем лишь немного выше, чем в подзолистом и составляет 1,89 %. В целом, для дерново-подзолистых почв характерно довольно резкое снижение содержания гумуса к иллювиальным горизонтам, так как в верхней части профиля таких почв закрепляются, в основном, слабо растворимые в воде бурые гуминовые кислоты (Пономарева В.В., Плотникова Т.А., 1980), практически не способные к миграции.
Исследованные почвы подзолистого типа почвообразования характеризуются кислой реакцией среды. В глубокоподзолистой почве (р. 1) наиболее кислыми являются оподзоленные горизонты. В лесной подстилке, так же, как и в иллювиальных горизонтах, кислотность несколько ниже; почвообразующая порода характеризуется нейтральной реакцией среды, что объясняется присутствием карбонатов. Поведение показателей почвенной кислотности согласуется с количеством обменных катионов и степенью насыщенности почв основаниями. В дерново-среднеподзолистой почве со вторым гумусовым горизонтом рН среды слабо изменяется, однако минимальные величины наблюдаются в средней части профиля. Подобные закономерности были отмечены также рядом исследователей (Пономарёва В.В., 1964; Непряхин Е.М, 1977; Гаджиев И.М., 1982). Оподзоленные горизонты изученных почв содержат малое количество поглощенных катионов и наименее насыщены основаниями. Величина гидролитической кислотности имеет максимальное значение в органогенных горизонтах.
Как отмечают многие авторы (Lundstrom U.S., van Breemen N., Bin D., 2000), подзолообразование связано с накоплением в почвенной среде разнообразных кислот (щавелевой, лимонной, яблочной, малеиновой, янтарной и др.), которые, обладая большой комплексообразующей способностью, непосредственно определяют развитие процесса и играют существенную роль в разрушении ППК. Кислая реакция среды способствует переводу многих компонентов твердой фазы почвы в миграционно -способное состояние. Изученные почвы характеризуются довольно высокой обменной кислотностью, причем она связана как с ионами водорода, так и с ионами алюминия (см. табл. 6). В верхних органогенных и оглеенных нижних горизонтах почвы преобладает обменный водород, а в средней части профиля дерново-подзолистых почв обменная кислотность обусловлена, главным образом, ионами алюминия.
Торфянисто-подзолистая глеевая почва (р. 4) по физико-химическим свойствам мало отличается от дерново-подзолистой со вторым гумусовым горизонтом (р. 3). В ней содержится несколько больше гумуса в верхних минеральных горизонтах, который постепенно убывает с глубиной. Отмечается менее кислая реакция среды, что может объясняться значительной оглеенностью профиля данной почвы. Среди обменных катионов значительную долю составляют водород и алюминий, на что указывают довольно высокие величины гидролитической и обменной кислотности. Количество обменных катионов (Са , Mg ) постепенно увеличивается от элювиальных к иллювиальным горизонтам от 4,8 в горизонте A]A2 до 17,5 мг-экв/100г почвы в переходном к почвообразующей породе горизонте. Дерново-глеевая оподзоленная почва (р. 5) характеризуется высоким содержанием гумуса в гумусовом горизонте (16,77 %), кислой реакцией среды по всему профилю (см. табл. 6). Данная почва отличается высокими значениями гидролитической и обменной кислотности в гумусовом горизонте и низкими - в иллювиальных оглеенных горизонтах (см. табл. 6). Ф.Р. Заидельман (1997) указывает на то, что в сильно оглеенных горизонтах обменная кислотность связана с обменным водородом. Нейтрализация среды при оглеении и мобилизация щелочноземельных металлов может быть связана с их вытеснением из кристаллической решетки некоторых минералов водородом, двухвалентным железом и другими ионами. В соответствии с гранулометрическим составом, содержанием гумуса и реакцией среды находится количество и состав поглощенных катионов. В оподзоленном горизонте сумма обменных катионов и насыщенность основаниями имеют невысокие значения, которые с глубиной постепенно увеличиваются (см. табл. 6). Профиль дерново-глеевой оподзоленной почвы выщелочен от карбонатов и в почвообразующей породе они не обнаруживаются.
Дерново-глеевая насыщенная почва (р. 6) по свойствам значительно отличается от оподзоленной (р. 5). В верхнем горизонте данной почвы содержится 14,42 % гумуса, в иллювиальных горизонтах его количество резко снижается (см. табл. 6). Почва имеет нейтральную и слабощелочную реакцию среды по всему профилю. Среди обменных катионов ведущую роль играют кальций и магний, что связано с присутствием новообразований карбонатов. Данная почва практически полностью насыщена основаниями, что свидетельствует о довольно полной нейтрализации образующихся в органогенном горизонте агрессивных кислот. Морфологическое строение и химические свойства дерново-глеевых почв свидетельствуют о том, что они обладают высоким потенциальным плодородием. Эти почвы высоко гумусированы, имеют мощные гумусовые горизонты и содержат достаточное для растений количество питательных веществ.
Кислотно-основные и окислительно- восстановительные свойства
Фоновая аллювиальная лугово-болотная почва (р. 15) характеризуется тяжелосуглинистым гранулометрическим составом с преобладанием фракций крупной пыли и ила по всему профилю (см. табл. 8). Иллювиальный горизонт BFcg (21-34см), загрязненной нефтью аллювиальной лугово-болотной почвы глинистый и бесструктурный в отличие от горизонта Bpeg (21-37см) фоновой почвы, имеющего непрочно-комковатую структуру.
В заболоченных пойменных почвах нефть пропитывает все горизонты, попадая в грунтовые воды. В результате подпора загрязненных нефтью грунтовых вод может происходить вторичное загрязнение почв, поэтому очевидно, что почвы аккумулятивных пойменных ландшафтов несут дополнительную опасность загрязнения сопредельных территорий, В почвах легкого гранулометрического состава глубина просачивания нефти достигает 70 см и более, в почвах тяжелого состава - 45 см, в торфянистых болотных почвах нефть проникает на глубину 20-30 см, растекаясь в горизонтальном направлении на значительные расстояния. В торфянисто-подзолистых глеевых почвах просачивание идет только до глубины залегания подзолисто-глеевого горизонта (до 20 см).
Таким образом, морфологическое описание ряда сопряженных разрезов (фоновых - загрязненных) позволяет диагностировать нефтяное загрязнение по совокупности морфологических признаков. Имея информацию о гранулометрическом составе фоновых почв, особенностях профильной организации и положении их в ландшафте, можно прогнозировать направление и глубину миграции нефти.
Морфологический облик является отражением совокупности протекающих в почве химических процессов, поэтому для оценки степени изменения почвы под влиянием нефти, устойчивости к данному виду загрязнения и способности к самоочищению необходимо изучение показателей ее химического состояния.
В связи с негативным влиянием нефти происходит трансформация почвенной среды, обусловленная, как указывают многие авторы (Рябчиков A.M., 1974; Пиковский Ю.И., Солнцева Н.П., 1981; Цуцаева В.В., Кахаткина М.И., Середина В.П., 1982; Березин А.Е., 1995; Трофимов С.Я. и др. 2000), в значительной степени изменением комплекса химических параметров.
Оценивая химические свойства почв и почвенные процессы можно получить представление о химическом состоянии почв (Орлов Д.С., Воробьева Л.А., 1982). В соответствии с современными представлениями о почве, как о многокомпонентной и многофазной системе, в настоящее время разработана общая система показателей химического состояния почв (Воробьева Л.А., 1998), в которой выделяются две группы. В первую объединены показатели свойств почв и почвенных компонентов, показатели второй группы отражают степень выраженности, скорость природных и антропогенных процессов. С этих позиций изучено изменение химического состояния почв под влиянием техногенного загрязнения нефтью.
Почвы представляют собой сложные кислотно-основные системы. В их состав входят разнообразные компоненты, которые при взаимодействии с водой проявляют свойства кислот, оснований, амфотерных соединений. Интенсивность микробиологической деятельности, растворение почвенных минералов, коагуляция и пептизация коллоидов, окислительно-восстановительные и другие процессы в почве находятся в тесной связи с реакцией почвенного раствора. Величина рН зависит от многих других факторов, в частности, от химического состава почвенных растворов, прежде всего, от концентрации в них щелочных и щелочноземельных химических № элементов и кислотных компонентов, в том числе, углекислоты и органических кислот.
Нефть, попадая в почву с определенными кислотно-основными условиями, нарушает равновесие естественных процессов, что приводит к изменению системы почвенных характеристик. В связи с этим исследование реакции почв на техногенное воздействие нефтяных потоков проводилось на загрязненных почвах, приуроченных к различным ландшафтам (элювиальным, аккумулятивным).
Подзолистым почвам свойственна кислая реакция среды (табл. 9). Вниз по профилю отмечается снижение кислотности, что связано с характером почвообразующих пород, представленных покровными суглинками, а также выносом оснований из верхних горизонтов и некоторым накоплением их в иллювиальной части профиля. Загрязнение нефтью подзолистых почв приводит к сдвигу реакции среды в сторону подщелачивания, снижению величины гидролитической кислотности.
Микробиология и ферментативная активность
Через 90 дней численность микроорганизмов-аммонификаторов повышается, особенно в сильно загрязненных вариантах опыта. По сравнению с предыдущим сроком, значительно увеличивается количество микроорганизмов, разлагающих минеральные формы азота, несколько снижается У ОМ, но при слабой степени загрязнения (2,5 и 5 кг/м ) остается в -2 раза выше, чем в контроле (см. табл. 20). Определение показателя минерализации-иммобилизации (КАА/МПА) не позволило выявить какой-либо определенной. направленности биохимических процессов преобразования азотсодержащих соединений. Однако следует отметить, что величина этого показателя в сильно загрязненных вариантах во все сроки наблюдения ниже, чем в контроле, что может указывать на преобладание в среде микроорганизмов-аммонификаторов.
Таким образом, установлено, что нефтяное загрязнение с первых дней ингибирует жизнеспособность микроорганизмов, которые осуществляют и разложение азотсодержащих соединений в почве, и стимулирует активность углевод ородокисляющей микрофлоры (за исключением варианта с максимальной дозой нефти). Численность микроорганизмов, разлагающих как органические, так и минеральные формы азота начинает постепенно возрастать только после 90 дней взаимодействия нефти с почвой. Очевидно, только к этому времени снижается концентрация, ароматических углеводородов, которые являются наиболее токсичными для биоты. А.А. Оборин и др. (1988) также отмечают, что в это время в почве доминирующими становятся биохимические процессы преобразования углеводородов нефти, которые осуществляются с помощью микроорганизмов.
В результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, мезофауны и корневой системы растений в почве накапливаются разнообразные ферменты, которые участвуют в важнейших биохимических процессах: трансформации органических веществ, мобилизации элементов питания (Славнина Т.П., Инишева Л.И., 1987). Уровень и соотношение активности ферментов контролируется гидротермическим режимом территории, химическими и физико-химическими свойствами почв, содержанием органического вещества, то есть комплексом условий, который определяет количество и соотношение групп почвенных микроорганизмов, развитие наземной растительности. Активность ферментов позволяет выявить особенности биологического фактора почвообразования, который играет важную роль в формировании и развитии почвы как органо-минерального тела (Галстян А.Ш., 1982)
Ведущими, определяющими главные звенья почвообразовательного процесса, по мнению большинства исследователей, являются два класса ферментов - гидролазы и оксидоредуктазы. Гидролазы осуществляют гидролитический распад высокомолекулярных органических соединений и играют важную роль в обогащении почвы питательными веществами, доступными для растений и микроорганизмов. Оксидоредуктазы участвуют в окислительно-восстановительных процессах, формируя плодородие почв.
Ферментативная активность, по мнению многих авторов (Исмаилов Н.М., 1988; Хазиев Ф.Х. и др., 1988; Антоненко A.M., Занина. О.В., 1992; Киреева Н.А. и др., 2002), может служить для оценки антропогенных изменений почв: окультуренности, эффективности агроприемов, мелиорации, а также загрязненности различными техногенными веществами.
Как было показано выше, изменение экологических параметров при нефтяном загрязнении влияет на численность и физиологическое состояние почвенных микроорганизмов и тем самым непосредственно и косвенно определяет поступление ферментов в почву, иммобилизацию и проявление их активности. Способность микроорганизмов к деструкции углеводородов. обусловлена двумя факторами (Коронелли Т.В., 1982): наличием сложных ферментов - оксидаз, осуществляющих введение одного атома кислорода из его молекулярной формы в концевую группу углеводорода, и наличием в клетках приспособлений, обеспечивающих поглощение гидрофобного нерастворимого в воде субстрата.
Известно, что при участии окислительно-восстановительных ферментов (оксидоредуктаз), в частности, каталазы и дегидрогеназы, происходит детоксикация и минерализация углеводородов (УВ) нефти (Хазиев Ф.Х., Фатхиев Ф.Ф., 1981; Киреева Н.А., 1995). Каталаза косвенно влияет на этот процесс: в результате расщепления перекиси водорода образуется свободный кислород, который используется аэробными микроорганизмами, участвующими в деструкции нефтяных углеводородов.
Активность каталазы в исследуемой аллювиальной дерновой почве низкая и по шкале Д.Г. Звягинцева (1978) почва относится к бедной этим ферментом. При нефтяном загрязнении снижается уровень каталазной активности (табл. 21). Некоторые авторы отмечают, что внесение в почву небольших количеств нефти значительно увеличивает активность фермента (Алиев С.А., Гаджиев Д.А., 1977; Исмаилов Н.М., 1988), что объясняется увеличением численности УОМ, а дальнейшее повышение дозы - снижает. В наших исследованиях такой закономерности не отмечено даже на фоне повышения количества УОМ. Ингибирование этого фермента статистически значимо в варианте с максимальной дозой нефти (15 кг/м2) как в начальный период после загрязнения, так и по прошествии 3 месяцев (прил. 6). Через 15 месяцев каталазная активность в варианте со слабой степенью загрязнения приближается к контролю, в вариантах с высокой дозой нефти она увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим сроком, но не достигает значений в незагрязненной почве. Снижение активности каталазы может быть обусловлено присутствием в нефти серы, меркаптанов, которые являются ингибиторами данного фермента (Хазиев Ф.Х, Фатхиев Ф.Ф., 1981), а также снижением численности аэробных микроорганизмов в почве.
Похожие диссертации на Интегральная оценка воздействия нефтяного загрязнения на параметры химического и биологического состояния почв таежной зоны Западной Сибири
