Оценка эффективности рекультивации нефтезагрязненных почв

С конца XX в. исследователи связывают качество почвы с ее способностью выполнять экологические функции, в первую очередь, создавать условия для роста и развития живых организмов [Nikitin et al., 2010]. В настоящее время звучат опасения, что антропогенно измененные почвы не смогут выполнять функции воспроизводства и поддержания жизни на Земле [Haygarth, Ritz, 2009; Керженцев, 2010; Кова-

• © Еремченко О. З., Сапцын Р. В., Ложкина Е. А., Тыршу Е. В., 2022

лев, Ковалева, 2020].

В нефтегазовом комплексе России транспортировка нефти и нефтепродуктов от мест добычи и до мест потребления не исключает вероятности аварийных разливов и последующего загрязнения почвенного покрова. Нефтезагрязненные почвы на долгое время выбывают из народно-хозяйственного использования, требуя значительные средства на проведение рекультивации. Современные методы рекультивации направлены не только на устранение нефтезагрязнения, но и на восстановление плодородного слоя почвы1 [Черняховский и др., 2004]. Формирование благоприятных агрохимических свойств у рекультивированных почв особенно важно на землях сельскохозяйственного назначения, т.к. культурные растения имеют повышенные требования к реакции почвенной среды, содержанию гумуса и питательных веществ.

В южно-таежной подзоне Пермского края, вследствие разгерметизации нефтепровода, произошли разливы нефти и последующее загрязнение дерново-подзолистой на площади около 300 м2 (участок № 1) и серой почвы – на площади около 250 м2 (участок № 2). Оба загрязненных участка относятся к категории земель «Земли сельскохозяйственного назначения». Сразу после аварии нефть с верхними слоями загрязненной почвы была вывезена для последующей санации. На нарушенных участках был выровнен рельеф путем отсыпки на поверхность незагрязненного почвогрунта, привезенного с территорий складирования отходов животноводства и проведения дорожно-строительных работ. Цель нашей работы – оценка эффективности рекультивации нефтезагрязненных почв и способности рекультивированного слоя создавать условия для роста и развития культурных растений.

Материалы и методы исследований

Из рекультивированного слоя почв отбирались пробы с глубины 0–20 см равномерно по всей площади участков; каждую отдельную пробу готовили путем смешивания из 3–5 индивидуальных проб. На участке № 1 исследовали три смешанные пробы, а на участке № 2 – пять смешанных проб. На фоновых почвах смешанные пробы отобрали с трех стенок разреза по глубинам 0–20 см.

Содержание остаточной нефти и нефтепродуктов определили по ПНД Ф 16.1:2.2.22-98, величину рН водной суспензии – по ГОСТ 26483-85, содержание органического углерода – по Тюрину, содержание подвижных фосфатов и подвижного калия по ГОСТ Р 54650–2011.

Экологическое состояние и степень токсичности почвогрунта исследовали методом фитотестирования кресс-салатом Lepidium sativum L. на основе авторской методики [Пат. RU2620555С1 …, 2017]. Ответную реакцию тест-культуры на рекультивированных почвах сравнивали с состоянием растений на фоновых почвах.

Высоту и массу кресс-салата, выращенного на почвенных пробах, измерили в 25–кратной повторности; значимость различий с тест-контролем оценили с помощью критерия Стьюдента с доверительной вероятностью 95% и выше (Р < 0.05).

Редокс-активность растительных экстрактов из листьев кресс-салата определили методом Петта – Прокашева [Практикум …, 2016]. Биологическая повторность определения редокс-активности – 4-кратная. Сравнение редокс-активности растений, выращенных на пробах почвогрунта, с редокс-активностью растений на фоновой почве провели на основе однофакторного дисперсионного метода с применением критерия Краскела-Уоллиса; значимыми считали различия между сравниваемыми средними величинами с доверительной вероятностью 95% и выше (Р < 0.05).

Результаты и их обсуждение

Фоновые почвы исследовали на расположенных рядом облесенных участках, в пределах того же рельефа, где произошло нефтезагрязнение почв. В соответствии с современной классификацией почв России [Классификация …, 2004], фоновая почва вблизи рекультивированного участка № 1 диагностирована как дерново-подзолистая постагрогенная почва. В профиле почвы постагрогумусовый горизонт имеет мощность около 28 см, под ним залегает субэлювиальный горизонт BEL, который постепенно переходит в текстурный горизонт ВТ.

Фоновая почва возле участка № 2 определена как серая почва. В профиле почвы под серогумусовым горизонтом AY мощностью около 25 см залегает гумусово-элювиальный горизонт AEL мощностью 13 см; ниже выделен субэлювиальный горизонт BEL мощностью около 18 см, который постепенно переходит в текстурный горизонт ВТ [Классификация …, 2004].

Известно, что нефть оказывает на растения прямое токсическое (или стимулирующее) действие, и опосредованное действие – через изменение физико-химических свойств почвы и трансформацию поч- венного микробного сообщества. В обеих рекультивированных почвах количество остаточной нефти превышало фоновый уровень: в дерново-подзолистой в 1.7–3 раза, а в серой почве, за исключением одной пробы, – в 2.3–4 раза (табл. 1).

Таблица 1

Остаточное содержание нефтепродуктов в рекультивированных почвах (слой 0‒20 см), мг/кг

[Residue levels of oil products in reclaimed soils (layer 0‒20 cm), mg/kg]

Почва	№ пробы	Нефтепродукты
Дерново-подзолистая
Рекультивированная	1	86
	2	135
	3	148
Фоновая		менее 50

Серая почва

Рекультивированная	1	50
	2	177
	3	187
	4	147
	5	110
Фоновая		47

Остаточное количество нефтепродуктов в рекультивированных почвах оценили относительно нормативов допустимого остаточного содержания нефтепродуктов (ДОСНП), принятых в Пермском крае1. Норматив ДОСНП для типа дерново-подзолистых почв категории «Земли сельскохозяйственного назначения» составляет 2400 мг/кг почвы. Остаточное содержание нефтепродуктов в рекультивированной дерново-подзолистой почве в 16–28 раз ниже ДОСНП (табл. 1). Норматив ДОСНП для типа серых почв категории «Земли сельскохозяйственного назначения» составляет 2400–2600 мг/кг почвы. Остаточное содержание нефтепродуктов в рекультивированной серой почве в 13–63 раза ниже ДОСНП.

Таким образом, на обеих почвах проведение технических работ по устранению нефтезагрязнения способствовало существенному снижению количества остаточной нефти относительно ДОСНП, однако по сравнению с фоновым содержанием, в рекультивированных почвах сохраняется некоторый уровень нефтезагрязнения.

Для оценки агрохимического состояния рекультивированного слоя почв проведено сравнение с гумусовым горизонтом фоновых почв. Реакция почвенной среды (рН (KCl) ) в рекультивированной дерновоподзолистой почве была менее кислой, чем в фоновой постагрогенной почве (табл. 2). Содержание гумуса было выше во всех трех пробах по сравнению с фоновым уровнем. Количество подвижных фосфатов и калия в пробе № 1 не отличалось от содержания в фоновой почве, но участки, с которых были отобраны смешанные пробы № 2 и № 3, оказались значительно более обеспеченными питательными элементами. В методике Министерства сельского хозяйства РФ предложена формула расчета показателя плодородия кислых почв²:

/ гумус ф. Р2 05 ф К2 О ф рН(кС1) ф. \ ^пп -           1 з ~~+                         : 4 ,

\гумус ОПТ.   Р2 О5 ОПТ.   К2 О ОПТ. pHQKi) опт./ где Кпп – показатель почвенного плодородия для каждого типа почв; гумус, Р2О5, К2О, рН – агрохимические показатели; ф. – фактические значения агрохимических показателей; опт. – оптимальные значения агрохимических показателей.

Оптимальные уровни содержания подвижных фосфатов и калия в почвах были выбраны по результатам полевых опытов агрохимической службы Центрального района Нечерноземной зоны [Шафран, Прошкин, 2008]. Диапазон колебаний агрохимических свойств дерново-подзолистых и серых почв охватывал практически все возможные вариации, встречающиеся в почвах Центрального района Нечерноземной зоны. За оптимальный уровень содержания питательных веществ исследователи приняли такое содержание фосфора и калия в почве, при котором прекращался рост урожайности культур по мере увеличения обеспеченности этими элементами питания. Оптимальное содержание питательных веществ в дерново-подзолистой суглинистой почве в Центральном районе Нечерноземной зоны составляло для озимой пшеницы: Р2О5 – 140 мг/кг, К2О – 160 мг/кг. Оптимальное содержание питательных веществ в серой почве в Центральном районе Нечерноземной зоны составляло для озимой пшеницы: Р2О5 – 130 мг/кг, К2О – 180 мг/кг.

Оптимальные значения рН и количества гумуса для расчета коэффициентов плодородия также были выбраны из базы данных по состоянию почв в Центральном районе Нечерноземной зоны. Согласно этим данным, наиболее благоприятная реакция почвенной среды в серых почвах была равна 6.8 рН, в дерновоподзолистых – 6.9 рН; а наибольшее содержание гумуса в серых почвах составляло 4.6%, а в дерновоподзолистых почвах – 3.6% [Шафран, Прошкин, 2008].

Коэффициент почвенного плодородия (К пп ), рассчитанный по основным агрохимическим свойствам для фоновой дерново-подзолистой почвы равен 0.6; для смешанной пробы № 1 он был немного выше (табл. 2). Для почвенных проб № 2 и № 3 К пп оказался выше в несколько раз по сравнению с фоновым значением. Средний коэффициент почвенного плодородия для рекультивированного слоя дерновоподзолистой почвы (К пп = 1.42) был выше коэффициента плодородия у гумусового горизонта постагро-генной почвы. Одновременно следует отметить характерный для смешанных проб высокий интервал колебаний показателей плодородия рекультивированной почвы.

Таблица 2

Свойства фоновой дерново-подзолистой почвы и рекультивированной почвы, слой 0‒20 см [Properties of the background soddy-podzolic soil and reclaimed soil, layer 0-20 cm]

Почва	№ пробы	рН	Гумус, %	Р 2 О 5 , мг/кг	К 2 О, мг/кг	К пп
Рекультивированная дерновоподзолистая почва	1	4.34	5.64	29	59	0.69
	2	5.81	5.83	455	359	1.99
	3	5.00	5.20	361	246	1.57
Фоновая дерново-подзолистая постагрогенная почва		4.04	4.42	30	63	0.60

Примечание. К пп – коэффициент почвенного плодородия.

Фоновая серая почва имеет кислую реакцию среды, величина рН=4.87 (табл. 3). Все смешанные пробы из рекультивированной серой почвы характеризуются более благоприятной, нейтральной реакцией среды. Содержание гумуса в рекультивированной почве выше, чем в фоновой почве. Во всех пробах из рекультивированной почвы обеспеченность фосфатами и калием выше, чем в фоновой почве. Расчеты К пп показали, что коэффициент почвенного плодородия у рекультивированной почвы в 1.7–2.2 раза выше, по сравнению с коэффициентом плодородия фоновой серой почвы. Таким образом, после проведения рекультивационных работ на нефтезагрязненной серой почве был восстановлен верхний корнеобитаемый слой с повышенными показателями плодородия.

Таблица 3

Свойства фоновой серой почвы и рекультивированной агрогенной почвы, слой 0‒20 см [Properties of the background gray soil and reclaimed agrogenic soil, layer 0-20 cm]

Почва	№ пробы	рН	Гумус, %	Р 2 О 5 , мг/кг	К 2 О, мг/кг	К пп
Рекультивированная серая почва	1	6.99	4.57	37	121	0,74
	2	6.86	4.89	59	76	0,84
	3	7.10	4.11	45	113	0,73
	4	6.71	7.75	48	146	0,96
	5	7.04	5.77	47	121	0,83
Фоновая серая почва		4.87	3.61	14	29	0.44

Примечание. К пп – коэффициент почвенного плодородия.

В условиях нефтезагрязнения растения являются чуткими индикаторами уровня токсичности почвы [Назаров, Иларионов, 2005; Чугунова и др., 2011]. Кресс-салат используют при анализе почвенных загрязнений, как отдельными поллютантами, так и при их комплексном воздействии [Шунелько, Федорова, 2002; Czerniawska-Kusza et al., 2006; Sujetovienė, Griauslytė, 2008; Lisovitskaya, Terekhova, 2010]. При выращивании кресс-салата на пробах рекультивированной дерново-подзолистой почвы было установлено снижение высоты и массы относительно растений кресс-салата на фоновой почве (рис. 1).

Известно, что неблагоприятные факторы корневой среды вызывают в растениях развитие окислительного стресса [Колупаев, Карпец, 2019]. Ранее в наших экспериментах установлено повышение редокс-активности кресс-салата в ответ на подкисление, засоление, подщелачивание и загрязнение тяжелыми металлами корневой среды [Пат. RU2620555С1 …, 2017].

По результатам фитотестирования установлено некоторое повышение редокс-активности у кресс-салата, выращенного на пробе № 3 из рекультивированной дерново-подзолистой почвы. Усиление редокс-активности кресс-салата при одновременном снижении высоты и массы свидетельствует о неко- торой токсичности почвенной пробы; в этой пробе было повышено содержание остаточной нефти (см. табл. 2). Данные о повышенной редокс-активности тест-культуры соответствуют сведениям о накоплении в проростках растений при нефтяном стрессе веществ, характеризующихся восстановительной активностью (антоцианы, рибофлавин, аскорбиновая кислота) [Чупахина, Масленников, 2004]. Таким образом, после проведения технического этапа рекультивационных работ, несмотря на повышенный коэффициент плодородия, почвенные условия для развития растений остаются менее благоприятными, чем у фоновой постагрогенной почвы.

А

Б

В

Рис. 1. Высота (А), масса (Б) и редокс-активность (В) кресса-салата на фоновой и рекультивированной дерново-подзолистой почве;

* – значимые различия с фоновыми показателями

[Height, weight and redox activity of watercress on the background and reclaimed soddy-podzolic soil:

* – significant differences with background indicators]

Фитотестирование серой почвы показало, что рекультивированный слой создает лучшие условия для роста и развития кресс-салата; высота и масса растений были выше, чем у растений на фоновой серой почве (рис. 2). Редокс-активность не отличалась от фонового уровня или была немного ниже. По-видимому, остаточное количество нефти в серой почве не оказывает токсического воздействия на тест-культуру.

Для общей оценки эффективности рекультивации нефтезагрязненных почв был использован метод математической оптимизации. Из выборки показателей оптимальных свойств почв (х 1 , х 2 , х 3 , х 4 ,… х n ) выбран экстремум – минимальное (х min ) или максимальное (x max ) значение. Для содержания остаточных нефтепродуктов в качестве лучших были выбраны минимальные значения; а для рН, содержания органического углерода, подвижных фосфатов и калия – максимальные значения. В качестве экстремума для редокс-активности растительных экстрактов был взят минимальный показатель, полученный в опытах на каждом типе почвы. Экстремумом высоты и массы тест-культуры были максимальные показатели растений на каждом типе почвы. Относительно экстремума рассчитали нормированные значения показателей: x k = х min / х n , или x k = х n / х max . Сложили нормированные значения показателей и получили критерий оптимизации свойств для каждой почвы и почвенной пробы (табл. 4). При данном формализованном подходе был учтен комплекс свойств, тесно связанных с почвенным плодородием (рН, гумус, питательные элементы), а также отражающих способность загрязненных почв создавать условия для роста и развития растений (остаточные нефтепродукты, высота, масса и редокс-активность тест-культуры).

Рекультивация нефтезагрязненной дерново-подзолистой постагрогенной почвы не в полной мере способствовала восстановлению почвенной функции по созданию условий роста и развития растений, т.к. в пределах участка №1 имеются зоны с пониженными критериями оптимизации свойств. У рекультивви- рованного слоя серой почвы критерии оптимизации свойств были выше, чем у фоновой неокультуренной серой почвы (табл. 4).

Рис. 2. Высота (А), масса (Б) и редокс-активность (В) кресс-салата на фоновой и рекультивированной серой почве;

* – значимые различия с фоновыми показателями

[ Height, weight and redox activity of watercress on background and reclaimed gray soil:

* – significant differences with background indicators ]

Таблица 4

Нормированные значения показателей состояния рекультивированных почв, слой 0‒20 см [Normalized values of indicators of the state of reclaimed soils, layer 0-20 cm]

Почва	№ пробы	рН	Гумус	Р 2 О 5	К 2 О	Нефтепродукты	Высота тест-культуры	Масса тест-культуры	Редокс-активность	К опт
Рекультивированная дерновоподзолистая	1	0.7	1.0	0.1	0.2	0.6	0.8	0.8	0.8	5.0
	2	1.0	1.0	1.0	1.0	0.4	1.0	0.9	1.0	7.3
	3	0.9	0.9	0.8	0.7	0.3	0.8	0.8	0.9	6.1
Фоновая дерновоподзолистая		0.7	0.8	0.1	0.2	1.0	1.0	1.0	0.9	5.7
Рекультивированная серая	1	1.0	0.6	0.6	0.8	1.0	1.0	1.0	0.9	6.9
	2	1.0	0.6	1.0	0.5	0.2	0.8	0.8	1.0	5.9
	3	1,0	0.5	0.8	0.8	0.2	0.9	0.9	0.9	6.0
	4	0.9	1.0	0.8	1.0	0.3	0.8	0.8	1.0	6.6
	5	1.0	0.7	0.8	0.8	0.4	0.9	0.9	0.9	6.4
Фоновая серая		0.7	0.5	0.2	0.2	0.8	0.6	0.5	0.9	4.4

Примечание. К опт – критерий оптимизации.

Выводы

• 1.    Коэффициенты почвенного плодородия и критерии оптимизации свойств использованы при оценке процесса восстановления экологических функций почв, рекультивированных после нефтезагрязнения.

• 2.    Рекультивированный слой дерново-подзолистой почвы характеризовался существенной неоднородностью агрохимических свойств и остаточной фитотоксичностью; экологическая функция по созданию условий для роста и развития растений восстановлена не в полной мере.

• 3.    Рекультивированный слой серой почвы характеризуется повышенными величинами коэффициента плодородия и критерия оптимизации свойств; отличается более благоприятными условиями для роста и развития растений, по сравнению с неокультуренной серой почвой.