CC BY
19
УДК 631.433.3+504.53.06 М.В. Якутии1,2, А.И. Шепелев3, Р.Г. Мазитов3 1ИПА СО РАН, Новосибирск СГГА, Новосибирск 3СурГУ ХМАО, Сургут
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ТЕРРИТОРИЙ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ПОДЗОНЕ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ
M.V. Yakutin12, A.I. Shepelev3, R.G. Mazitov3 1Institute of Soil Science and Agrochemistry (ISSA) 18 Sovetskaya Ul., Novosibirsk, 630099, Russian Federation Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation 3Surgut State University (SurSU) 14 Energeticov Ul., Surgut, 628400, Russian Federation
USE OF INSTRUMENTAL METHODS IN ECOLOGICAL MONITORING OF OIL POLLUTION TERRITORIES IN THE MEAN TAIGA
Oil pollution territories in a subzone of mean taiga of Western Siberia were investigated. The comparative analysis of emission CO2 from different soils contaminated by oil and uncontaminated, has allowed to draw a conclusion that the given parameter may be used in monitoring ecosystems in regions of oil extracting.
Увеличение объемов добычи углеводородного сырья в Западной Сибири сопровождается масштабным загрязнением почв битуминозными веществами. На территории некоторых месторождений на каждый 1 м2 поверхности (исключая собственно поверхности разливов) приходится около 20 г нефти [1]. Известно, что естественная деструкция таких загрязнителей в почвах представляет собой сложный микробиологический процесс [2]. Битумы существенно подавляют активность микробиологической деструкции, в первую очередь, за счет закупорки почвенных пор - ухудшается воздухообмен в системе почва - приземный слой атмосферы [3].
Среди большого многообразия физико-химических, химических, биохимических и биологических методов, используемых в мониторинге нефтезагрязненных почв, все еще недостаточно широко используются полевые инструментальные методы диагностики. Анализ эмиссии СО2 из почвы является одним из важнейших показателей функционального состояния подземного яруса экосистемы, который как раз и испытывает наиболее сильное воздействие при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов. Скорость выделения углекислого газа из почвы является важным показателем степени их битуминозного загрязнения, и может служить нормативом для оценки скорости восстановления. Вследствие этого интенсивность выделения СО2 из почвы можно рассматривать как важнейший показатель биологической активности
почвы, а определение эмиссии СО2 является простым и чувствительным методом определения состояния подземного блока экосистемы [4, 5, 6, 7].
Для измерения эмиссии СО2 с поверхности почвы традиционно используются адсорбционный [8] и камерный статический методы [9], которые не лишены определенных недостатков. Наиболее точным и простым методом оценки эмиссии СО2 на данный момент является метод, основанный на использовании полевого инфракрасного газоанализатора. При этом определяется естественная эмиссия газа с ненарушенной поверхности почвы за определённый промежуток времени.
Цель настоящего исследования состояла в сравнительном изучении эмиссии СО2 из почв разных типов на территориях нефтяных месторождений в подзоне средней тайги Западной Сибири, испытавших воздействие нефтяного загрязнения и незагрязненных.
Исследование проведено в подзоне средней тайги Западной Сибири, в Тюменской области в окрестностях пос. Салым и близ г. Сургут, во второй половине сентября. Вегетационный сезон в год наблюдения не отличался существенно по количеству осадков и по среднедекадным температурам воздуха от климатической нормы. Объекты исследования были выбраны на территориях Западно- и Верхне-Салымского (точки 1-8), Мамонтовского (точки 9-12), Южно-Сургутского (точки 13-15) и Усть-Балыкского (точка 16) месторождений нефти.
К настоящему времени упор в исследованиях эмиссии СО2 из почвы делается на изучении сезонной многолетней динамики процесса в различных экосистемах [10, 11]. Результатами этих исследований стали выводы о том, что за вегетационный период почвы бореальных лесов эмитируют в среднем 70-80 % общей эмиссии СО2, а за холодный период - 20-30 % СО2 [12].
Несмотря на высокую вариабельность изучаемого показателя, существуют убедительные данные, свидетельствующие о синхронности изменений эмиссии СО2 из различных почв, находящихся в одном исследуемом районе [10, 11]. Это дало возможность в данной работе сделать упор на одномоментном сравнительном изучении интенсивности эмиссии СО2 из почв различных экосистем.
Для оценки интенсивности дыхания почвы использовался полевой инфракрасный газоанализатор (ШСА) с металлической изолирующей камерой размером 27 х 20 х 10 см. Газовый поток (400 мл/мин) создавался встроенной помпой. Для измерения потока СО2 с поверхности почвы металлическая изолирующая камера врезалась нижним краем на 1 -2 см в почву в целях недопущения поступления в нее атмосферного воздуха. Окончательный расчет
Л
приводится в мг С02 / на м в мин.
Измерения эмиссии СО2 проводились во всех экосистемах в дневное время между 12 и 16 часами. В каждой точке измерения выполнялись на четырех однородных ровных участках. Статистическая обработка результатов проводилась методами вариационного и дисперсионного анализов [13].
Сравнение интенсивности дыхания отдельных почв, относящихся к разным типам в различных геохимических позициях ландшафта и по-разному
хемогенно нарушенных, указало на значительную разницу в скорости продуцирования СО2 (рис. 1).
Эмиссия СО2 с поверхности всех исследованных не заболоченных почв не подвергавшихся влиянию нефтяного загрязнения (Т. 1-3, 5-7, 10, 12, 15) варьировала от 13,4 до 20 мг СО2 на м в минуту. Различия между этими почвами по изученному показателю при разовом определении нельзя считать достоверными.
Уровень выделения СО2 из торфянисто-глеевой почвы (Т. 4) был в 2 раза ниже, чем из всех остальных лесных почв. Влияние комплекса факторов, связанных с переувлажнением, на изученный показатель оказалось сильным (Б = 18,8) и достоверным (р < 0,01).
Известно, что переувлажнение почв приводит к снижению эмиссии СО2. Так, например, показано, что осенью влажность почвы оказывает отрицательное действие на выделение СО2 [14]. Торфянисто-глеевая почва, находящаяся в аккумулятивной позиции катены, к началу осени оказывается переувлажненной, и эмиссия СО2 с ее поверхности снижается.
Т. 1 ] I---1
Т. 2 I I-1
Т. 3 ■= 1--1
Т. 4 I I-1
т. 5 | |--1
Т. 6 | |--1
Т. 7 >- I--1
Т. 8 1—1—.
Т. 9 1=.—.
Т. 10 I =1-1
Т. 11 I I-1
Т. 12 I--1--1
Т. 13 I I I
Т. 14 =■-1
Т. 15 I =■-1
Т. 16 ¡1-1-1
I
0 5 10 15 20 25
НСР(5%)= 5,0
Рис. 1. Выделение СО2 с поверхности опытных участков (мг СО2 / м в мин)
Влияние комплекса факторов, связанных с удаленностью почвы от участка
нефтяного разлива, на эмиссию СО2 изучалось на Южно-Сургутском
месторождении (Т. 13, 14, 15). Это влияние оказалось сильным (Б = 37,5) и достоверным (р < 0,001). Чем дальше участок расположен от кромки нефтеразлива, тем выше эмиссия СО2.
Основное выделение СО2 из почвы происходит за счет дыхания микроорганизмов и корней растений. Корневое дыхание, как считается, составляет 1/3 от общей величины дыхания почвы [15]. Вклад микробного дыхания в общий поток СО2 превышает 50 % [16]. Вклад почвенной фауны в общую продукцию углекислоты почвой оценивается менее, чем в 2 % [17].
Загрязнение нефтью и нефтепродуктами приводит к гибели подавляющего количества видов растений [18]. Несмотря на увеличение биомассы микроорганизмов [19], их численности и разнообразия бактерий, у микромицетов разнообразие снижается, и в составе типичного микромицетного комплекса увеличивается число штаммов с фитотоксическими свойствами [20, 21, 22]. Под влиянием нефтяного загрязнения снижается целлюлазная активность почв [23] и, соответственно, интенсивность деструкционных процессов. Так как установлено, что интенсивность выделения СО2 из почвы является показателем скорости разложения органического вещества [9]. Это закономерно приводит к снижению продукции СО2 (образование СО2 в результате биогенных а абиогенных процессов в почве [11]) и, соответственно, эмиссии СО2 из почвы.
В лесных экосистемах эмиссия СО2 происходит преимущественно при минерализации подстилки [24, 25]. В результате нефтеразлива подстилка оказывается загрязненной нефтью гораздо больше, чем верхние горизонты почвы, и минерализация ее резко замедляется. Что также приводит к снижению эмиссии СО2.
Эмиссия СО2 из почв участков, подвергшихся нефтяному загрязнению и рекультивированных торфом на территории Мамонтовского месторождения (Т. 9, 11), была достоверно ниже, чем из почв, окружающих участок нефтяного разлива (Т. 10, 12) (Б = 18,9; р < 0,01). При этом влияние посева трав на участке, рекультивированном торфом, на эмиссию СО2 оказалось незначимым (Б = 0,08). Метод рекультивации нефтезагрязненных участков: засыпка песком (Т. 8, 16) или торфом (Т. 9, 11), как оказалось, не влияет на эмиссию СО2 из почв (Б = 3,0). Различия между этими участками по изученному показателю оказались недо стоверными.
Почвы рекультивированных участков прошли стадию загрязнения нефтью, что неизбежно снизило здесь интенсивность деструкционных процессов. Дальнейшие рекультивационные мероприятия привели к перекрытию загрязненного слоя низкоуглеродным субстратом (песок) или перемешиванию загрязненного слоя с субстратом, характеризующимся низким содержанием азота и зольных элементов (торф). И в первом, и во втором случае интенсивность деструкционных процессов в толще почвы оказывается низкой, и низкой оказывается эмиссия СО2.
Таким образом, проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:
1. Наибольшая интенсивность эмиссии СО2 отмечена в почвах лесных экосистем, не подвергшихся влиянию нефтяного загрязнения и заболачивания.
2. В переувлажненных почвах эмиссия СО2 резко снижается.
3. Участки, загрязненные нефтью, рекультивированные торфом или песком характеризуются низкими значениями эмиссии СО2. Достоверных различий между участками, рекультивированными торфом или песком по изученному показателю не выявлено.
4. Комплекс факторов, связанных с удалением от места нефтяного разлива, оказывает достоверное сильное влияние на эмиссию СО2 из почвы.
5. Полевое инструментальное измерение эмиссии СО2 может быть рекомендовано в некоторых случаях в качестве экспресс-метода оценки степени нарушенности подземного блока экосистем в районах нефтедобычи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сивоконь И.С. Анализ современного состояния природной среды в районе Ватинского нефтяного месторождения // Биол. ресурсы и природопользование. -Нижневартовск, 1991. - Вып. 1.
2. Алехин В.Г., Емцев В.Т., Рогозина Е.А, Фахрутдинов А.И. Биологическая активность и микробиологическая рекультивация почв, загрязненных нефтепродуктами / Биологические ресурсы и природопользование. - Нижневартовск, 1998. - Вып. 2.
3. Салангинас Л.А. Изменение свойств почв под воздействием нефти и разработка системы мер по их реабилитации. - Екатеринбург, 2003. - 411 с.
4. Стратонович М.В., Евдокимова Н.В. Влияние удобрений на некоторые показатели биологической активности дерново-подзолистой почвы // Изв. ТСХА. - 1975. - № 2.
5. Гришина Л.А. Биогеохимические циклы углерода // Биогеохимические циклы в биосфере. - М.: Наука, 1976.
6. Мирчинк Т.Г., Паников Н.С. Современные подходы к оценке биомассы и продуктивности грибов и бактерий в почве // Успехи микробиологии. - М.: Наука, 1985. -Вып. 20.
7. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методика исследований. - Ростов на Дону: Изд-во Ростовского университета, 2003.
8. Шарков И.Н. Определение интенсивности продуцирования СО2 почвой адсорбционным методом // Почвоведение. - 1984. - № 7.
9. Макаров Б.Н. Газовый режим почв. - М.: Агропомиздат, 1988. - 104 с.
10. Лубнина Е.В., Помазкина Л.В., Семенова Ю.В. Эмиссия СО2 в агроэкосистемах на техногенно-загрязненных фторидами почвах // Почвоведение. - 2006. - № 3.
11. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России / В.Н. Кудеяров, Г.А. Заварзин, С.А. Благодатский и др. - М.: Наука, 2007. - 315 с.
12. Курганова И.Н., Кудеяров В.Н. Оценка потоков диоксида углерода из почв таежной зоны России // Почвоведение. - 1998. - № 9.
13. Плохинский Н.А. Биометрия. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 367 с.
14. Иванникова Л.А., Семенова Н.А. Суточная и сезонная динамика выделения СО2 серой лесной почвой // Почвоведение. - 1988. - № 1.
15. Кудеяров В.Н., Хакимов Ф.И., Деева Н.Ф., Ильина А.А., Кузнецова Т.В., Тимченко А.В. Оценка дыхания почв России // Почвоведение. - 1995. - № 1.
16. Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России: анализ баз данных, многолетний мониторинг, общие оценки // Почвоведение. - 2005. - № 9.
17. Кобак К.И. Биотические компоненты углеродного цикла. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. -
248 с.
18. Васильев С.В. Воздействие нефтегазодобывающей промышленности на лесные и болотные экосистемы. - Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998. - 136 с.
19. Joergensen R.G., Schmaedeke F., Windhorst K., Meyer B. Biomass and activity of microorganisms in a fuel oil contaminated soil // Soil. Biol. Biochem. - 1995. - V. 27, № 9.
20. Посттехногенные экосистемы Севера. - СПб.: Наука, 2002. - 159 с.
21. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Татосян М.Л., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологическое состояние чернозема обыкновенного // Почвоведение. - 2006. - № 5.
22. Киреева Н.А., Бакаева М.Д., Мифтахова А.М. Литическая активность микромицетов нефтезагрязненных почв как один из факторов фитотоксичности // Агрохимия. - 2006. - № 9.
23. Киреева Н.А., Водопьянов В.В., Мифтахова А.М. Влияние нефтяного загрязнения на целлюлазную активность почв // Почвоведение. - 2000. - № 6.
24. Комиссарова И.Ф. Выделение СО2 из почв под растительностью Никитского ботанического сада // Вестн. МГУ. Почвовед. - 1987. - № 4.
25. Комаров А.С., Чертов О.Г. Сток углерода в почву как критерий устойчивого функционирования лесных экосистем / Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах. - М.: Наука, 2007. - 380 с.
© М.В. Якутии, А.И. Шепелев, Р.Г. Мазитов, 2009
