Устойчивость светло-каштановых почв Калмыкии к нефтяному загрязнению

На территории Республики Калмыкия числится 40 месторождений нефти и газа, в том числе 19 нефтяных, 10 газовых, 6 нефтегазовых и 5 нефтегазоконденсатных. Начальные суммарные ресурсы (НСР) углеводородов Калмыкии оцениваются в 7405 млн. т условного топлива (УТ), в том числе: жидких (нефть, конденсат) – 3627 млн. т, из которых разведано 84, 7 млн. т (2,3 %); по газу 3778 млрд. м3, из которых разведано 21, 3 млрд. м3 (0,5 %). В целом степень разведанности НСР составляет 0,1 %.

Территория Калмыкии относится к двум почвенным зонам: каштановой и бурой. Почвами бурого типа занята большая часть Прикаспийской низменности, а почвами каштанового типа – ее северо-западная часть, Ергени и надпойменные террасы Маныча. Территория Ергенинской возвышенности расположена в зоне сухих степей, отличительной чертой которых является комплексность почвенного и растительного покрова, проявляющаяся в мозаичном сочетании степных и пустынных участков. Такое сочетание обусловлено обилием солонцов и солончаков, распространенных в республике повсеместно. Ергенинская возвышенность входит в состав восточной зоны. Согласно схеме почвенно-географического районирования почвенный покров исследуемой территории представлен в основном светлокаштановыми почвами [1]. На Ергенинской возвышенности: светло-каштановые различного гранулометрического состава в комплексе с солонцами, лугово-каштановые суглинистые, солонцы в комплексе со светло-каштановыми солонцеватыми суглинистыми почвами. Светло-каштановые почвы образуют самую южную подзону сухих степей, переходную к полупустыне. Составляют основной фон почвенный покрова Ергенинской возвышенности. Залегают, как правило, в комплексе с солонцами [2].

Утечка нефти и нефтепродуктов в природную среду связана с тем, что производственный цикл нефтедобывающего производства в настоящее время еще далек от совершенства. Несмотря на то что технология добычи и транспортировки нефти постоянно совершенству- ется с учетом защиты окружающей среды, актуальность проблемы не снижается. Нефтяной промысел представляет собой комплекс производственных сооружений, разобщенных территориально, но взаимосвязанных системами трубопроводов, энергопередач и организацией работы. К основным сооружениям нефтепромысла относятся скважины, компрессорнонасосные станции, сборные пункты, нефтехранилища, трубопроводы, отстойники, некоторые вспомогательные сооружения. Каждое из перечисленных сооружений представляет собой единичный потенциальный источник загрязнения окружающей территории. Основными загрязняющими веществами являются: пластовая жидкость, состоящая из сырой нефти, газа, нефтяных вод, газовых шапок нефтяных залежей; законтурные воды нефтяных пластов, нефть, газ и сточные воды, полученные в результате отделения пластовой жидкости и первичной подготовки нефти; подземные воды, используемые для поддержания пластового давления; буровые растворы, применяемые для «смазки» и промывки стволов скважин во время бурения; нефтепродукты. Попадание этих веществ в окружающую среду происходит вследствие несовершенства или нарушения технологии, плохого качества, износа оборудования, различных аварийных ситуаций и т.д. Трансформация нефти и нефтепродуктов в почве зависит как от состава нефти, так и от почвенно-климатических условий. Интенсивность процессов разложения нефти в почве увеличивается с севера на юг [3].

Объекты и методы исследования

Для изучения устойчивости светло-каштановых почв Калмыкии к нефтяному загрязнению был проведен модельный опыт. Модельный опыт проводился на кафедре химии Калмыцкого государственного университета. Светло-каштановая почва была отобрана с учебноопытного поля КалмГУ. Почву загрязняли различными концентрациями нефти 2,5, 5, 10 % от массы почвы. Нефть Восточно-Камышинского месторождения разбавлена 1:1 мазутом. Почвы подвергнуты рекультивации с внесением органоминеральных удобрений в количестве (мочевины 0,3 г, суперфосфата 0,6 г, сульфата калия 0,3 г) для ускорения разложения нефти в почве. Для изучения фитотоксичности загрязненных почв был взят тест-организм – кукуруза. Семена были посажены в апреле 2012 г., продолжительность опыта 20 дней.

Почву инкубировали в вегетационные емкости. Необходимую влажность почвы поддерживали путем добавления водопроводной воды. На протяжении опыта (20 дней) поддерживались температура 25–26°С и рассеянный солнечный свет в течение 16 ч в сутки. Состояние почв определяли через 10 и 20 сут после загрязнения.

Лабораторно-аналитические исследования выполнялись с использованием общепринятых методов [4]. Для общей характеристики почв проводился анализ водной вытяжки в соотношении почва : вода – 1:5. Определена величина сухого остатка – общая сумма водорастворимых веществ, дающая косвенное представление о концентрации почвенного раствора; катионы – Са, Mg, K, Na и анионы – Cl, SO 4 , HCO 3 .

Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, дегидрогеназы – по методике Галстяна в модификации Хазиева. О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян кукурузы (всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков).

Результаты исследованияВлияние нефтяного загрязнения на фитотоксичность светло-каштановых почв

Первые проростки кукурузы появились на 5-й день, семена проросли на контроле и на загрязненных участках 2,5 и 5 %, причем на контроле проросло значительно больше семян, чем на загрязненных участках. На 10-й день на контроле у кукурузы проросли все посаженные семена, средняя длина стебля составила 16,3±1,3 см. На загрязненном (2,5 %) также проросли все посаженные семена, но у проростков наблюдался более замедленный рост, средняя длина стебля составила 6,9±0,8 см. При загрязнении 5 % проростки растений имели нехарактерный желтый цвет, средняя длина стебля 6,2±0.6 см. При загрязнении 10 % проростки кукурузы не проросли (рис. 1).

контроль                                    нефть 2,5 %

нефть 5 %                                  нефть 10 %

Рис. 1. Влияние различных доз нефтезагрязнения на всхожесть кукурузы

Влияние нефтяного загрязнения на рост и развитие кукурузы представлено в таблице 1.

Таблица 1

Изменение морфометрических параметров кукурузы под влиянием нефтяного загрязнения в условиях модельного опыта

Опыт	5-й день		10-й день		15-й день		20-й день
	Всхожесть, %	Длина стебля, см	Всхожесть, %	Длина стебля, см	Всхожесть, %	Длина стебля, см	Всхожесть, %	Длина стебля, см
Кукуруза + N30P60K30
Контроль	90	1,1±0,4	100	16,3±1,3	100	20,7±2,1	100	25,5±2,7
Нефть + мазут 2,5 %	18	0,4±0,2	100	6,9±0,8	90	15,4±1,2	82	20,1±2,1
Нефть + мазут 5 %	18	0,3±0,1	90	6,2±0,6	90	13,9±0,9	73	18,3±1,5
Нефть + мазут 10 %	нет	-	нет	-	нет	-	нет	-

Исходя из полученных данных, следует отметить, что нефтяное загрязнение негативно повлияло на морфометрические показатели растения: уменьшилась длина стебля. Отрицательное действие выявлено и на компонентах структуры урожая: уменьшилось число проросших растений, уменьшилась общая биомасса растений.

Влияние нефтяного загрязнения на биологические свойства почвы

Оказавшись в почве, нефть ухудшает ее структуру, повышается кислотность, накапливаются патогенные микроорганизмы. Все это приводит к снижению плодородия почв, что негативно влияет на рост и развитие растений, почвенных водорослей и урожайность сельскохозяйственных культур. Последствия загрязнения нефтью проявляются во всех компонентах экосистем, в том числе и в биологической активности почв [5].

Каталазная и дегидрогеназная активность отражает интенсивность различных биологических процессов в почве. При этом активность ферментов служит показателем потенциальной биологической активности почвы. Каталаза и дегидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам – наиболее чувствительным к химическому загрязнению, что дает информативную картину протекающих в почве биологических процессов и ее экологического состояния [6]. Результаты влияния нефтяного загрязнения на биологические свойства светло-каштановой почвы представлены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние нефтяного загрязнения на биологические свойства светло-каштановой почвы

№	Варианты опыта	Сорг, %	рН	Активность каталазы, мл О2/г	Активность дегидрогеназы, мг ТТХ/10г	С:N
Светло каштановая почва
1	контроль	0,59	7,50	4,4	19,3	1,78
2	нефть 2,5 %	1,05	7,70	3,2	15,8	3,28
3	нефть 5 %	1,16	7,75	1,7	11,3	3,92
4	нефть 10 %	1,19	7.87	0,9	9,06	4,46

Загрязнение почвы нефтью приводит к ухудшению ее состояния. Увеличивается значение pH, что свидетельствует о защелачивании почвы. В модельных образцах содержание органического углерода (Сорг) по сравнению с контролем резко возросло. Среди свойств почвы, влияющих на фильтрацию нефти, важна ее влажность, поскольку при увлажнении почв происходило увеличение содержания органического углерода.

Значения активности каталазы и дегидрогеназы снижаются, и это снижение находится в прямой зависимости от дозы внесенной концентрации нефти. Негативное действие нефти на биологические процессы в почве объясняют обволакиванием нефтяными углеводородами почвенных частиц, содержанием в нефти тяжелых металлов, ароматических углеводородов, в частности фенолов, накоплением в почве продуктов окисления углеводородов, таких как гексадециловый спирт, пальмитиновая, бензойная, салициловая кислоты и др., значительным увеличением соотношения C:N и др. [7].

Влияние нефтяного загрязнения на физико-химические свойства почвы

Изучение свойств почвы при различных условиях загрязнения нефтью показало, что произошли существенные изменения характера агрегированности нефтезагрязненных почв. В почвах повысилась гидрофобность, ухудшилась смачиваемость, увеличилась вязкость, изменился цвет почвы от смолисто-черного в верхней части колонки до темно-коричневого в нижней. При высыхании почв наблюдалось появление глыбистости, увеличилась плотность, уменьшилась фильтрационная способность (причем в большей степени при увлажнении).

Результаты анализа водной вытяжки из почв модельного опыта показали, что все исследуемые почвы относятся к засоленным, тип засоления карбонатно-сульфатно-натриевый, причем, чем больше концентрация внесенной нефти, тем сильнее проявляется засоление (табл. 3).

Нефтяное загрязнение способствовало увеличению содержания сульфат-ионов и уменьшению хлорид-ионов в загрязненных почвах кукурузы, как на 10-й, так и на 20-й день отбора проб. Так, в почвах под кукурузой на 10-й день отбора сульфаты увеличились в 1,8 раза по сравнению с контролем, а хлориды уменьшились в 2 раза. Такие же изменения катионных и анионных компонентов прослеживались и на 20-й день отбора загрязненных почв. Почвы кукурузы: сульфаты увеличились в 1,1 раза, хлориды уменьшились в 1,6 раза (рис. 2).

Таблица 3

Результаты анализа водной вытяжки из почв модельного опыта

№ пробы	Варианты опыта	рН	Сухой остаток, %	В числителе мэкв/100 г почвы, в знаменателе %
				Са2+	Mg2+	Na+	HCO 3 -	Cl-	SO 4 2-
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Кукуруза + N30P60K30 10 дней
1	Контроль	7,50	1,54	1,071 0,021	0,428 0,005	20,765 0,478	4,080 0,249	6,996 0,248	7,719 0,371
2	Нефть + мазут 2,5 %	7,70	1,74	0,857 0,017	0,214 0,003	23,134 0,532	7,344 0,448	5,830 0,207	11,031 0,530
3	Нефть + мазут 5 %	7,75	1,70	0,571 0,011	0,357 0,004	22,519 0,518	7,752 0,473	4,664 0,166	11,031 0,530
4	Нефть + мазут 10 %	7.87	1,74	0,500 0,010	0,357 0,004	23,138 0,532	6,528 0,398	3,498 0,124	13,969 0,671
Кукуруза + N30P60K30 20 дней
13	Контроль	7,55	1,29	0,714 0,014	0.643 0,008	17,088 0,393	4,896 0,299	5,830 0,207	7,719 0,371
14	Нефть + мазут 2,5 %	7,65	1,30	0,500 0,010	0,357 0,004	17,009 0,391	4,896 0,299	3,498 0,124	8,656 0,416
15	Нефть + мазут 5 %	7,70	1,29	0,428 0,009	0,286 0,003	17,119 0,394	5,304 0,324	3,498 0,124	9,031 0.434
16	Нефть + мазут 10 %	8,50	1,23	0,500 0,010	0,286 0,003	16,264 0,374	5,712 0,348	3,498 0,124	8,656 0,416

Рис. 2. Динамика содержания хлоридов и сульфатов при загрязнении почв нефтепродуктами

Также при нефтяном загрязнении возросла роль гидрокарбонатов, их содержание увеличилось в 1,9 раза. Катионные изменения идут в сторону увеличения концентрации Na (в 1,1 раза) и уменьшения концентраций Ca (в 2,1 раза) и Mg (в 1,1 раза).

Результаты изучения водной вытяжки из почв после внесения нефти показали, что изменились тип и степень засоления. Степень засоления увеличилась от слабозасоленных до сильнозасоленных. Тип засоления изменился с сульфатно-хлоридно-натриевого на карбо-натно-сульфатно-натриевый.

Влияние нефтяного загрязнения на изменение режима питания

Почвы модельного опыта, загрязненные разными дозами нефти, были подвергнуты рекультивации путем внесения органо-минеральных удобрений и посевом растений. Общее содержание азота в почвах модельного опыта находится в пределах 2030-4220 мг/кг почвы. Содержание фосфора варьирует от 42,4 до 157 мг/кг. Калий содержится в количестве 5901230 мг/кг.

С увеличением концентрации нефти происходит усвоение общего азота. Максимальная концентрация нефти (10 %) понижает уровень азота в 1,2 раза; доля подвижных форм фосфора уменьшается в 2,8 раза; концентрация подвижного калия уменьшается в 1,7 раза на 10-й день отбора проб. Аналогичная ситуация прослеживается и на 20-й день отбора проб. У почв под кукурузой уменьшились доля общего азота вследствие усвоения и содержание подвижных форм фосфора и калия, причем, чем выше концентрация нефти, тем сильнее прослеживалась эта зависимость. Так, концентрация 2,5 % уменьшала: содержание азота в 1,2 раза; содержание фосфора в 1,8 раз; содержание калия в 1,4 раза. Концентрация 10 % уменьшила: содержание азота в 1,4 раза; содержание фосфора в 2,4 раза; содержание калия в 1,7 раз (табл. 4).

Таблица 4

Изменение режима питания на загрязненных почвах модельного опыта

№	Место взятия пробы	Общий N, мг/кг	N-NO 3 , мг/кг	N-NH 4 мг/кг	P 2 О 5 мг/кг	K2О, мг/кг	зола, %
Кукуруза + N30P60K30 10 дней
1	Контроль	3310	124,5	85,3	157,8	1140,0	86.35
2	Нефть + мазут 2,5 %	3200	102,1	101,4	84,0	710,0	84,00
3	Нефть + мазут 5 %	2960	98,6	120,9	88,8	790,0	78,85
4	Нефть + мазут 10 %	2670	89,9	158,9	55,0	640,0	61,75
Кукуруза + N30P60K30 20 дней
5	Контроль	3440	110,2	91,2	136,4	1230,0	73,50
6	Нефть + мазут 2,5 %	2830	90,2	118,7	74,4	840,0	54.20
7	Нефть + мазут 5 %	2700	87,8	141,6	90,4	930,0	56,40
8	Нефть + мазут 10 %	2370	79,9	173,7	55,4	700,0	60,20

Установлено, что нефтяное загрязнение способствует изменению соотношения азота нитратов к азоту аммония. Так, с увеличением концентрации нефти увеличивается содержание азота аммония и уменьшается содержание азота нитратов (рис. 3).

Нефтяное загрязнение светло-каштановой почвы приводит к изменению режима питания: уменьшаются концентрации главных компонентов питания растений, увеличиваются отношение органического углерода к общему азоту и соотношение аммонийного азота к нитратному азоту.

Выводы

• 1.    Светло-каштановые почвы неустойчивы к загрязнению нефтью и нефтепродуктами, что ведет к изменению биологической активности и физико-химических свойств почв.

• 2.    Установлено что загрязнение светло-каштановой почвы нефтью и нефтепродуктами приводит к снижению показателей прорастания и интенсивности начального роста. Всхожесть, энергия, синхронность и скорость прорастания, длина корней и побегов снизились во всех вариантах экспериментов.

• 3.    Выявлено, что загрязнение нефтью и нефтепродуктами ведет к изменению ферментативной активности почв. Между содержанием в почве загрязняющего вещества и биологической активностью почвы наблюдается отрицательная корреляционная связь.

  

  □ Кукуруза N-NH4 ■ Кукуруза N-NO3

  □ Кукуруза N-NH4 ■ Кукуруза N-NO3

  
  

  10-й день

  
  

• 4.    Доказано, что нефтяное загрязнение светло-каштановой почвы приводит к изменению физико-химических свойств почв. Увеличивается засоление, уменьшаются концентрации главных компонентов питания растений, увеличиваются отношение органического углерода к общему азоту и соотношение аммонийного азота к нитратному азоту.

20-й день

Рис. 3. Изменение содержания форм азота в нефтезагрязненных почвах