CC BY
45
УДК 662.69+631.4:502.76
DOI 10.29003/m669.0514-7468.2019_41_3/264-271
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ДОБЫЧЕ ГАЗА В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ: ПУТИ РЕШЕНИЯ
В.Н. Башкин, Р.В. Галиулин1
Представлен подход по решению геоэкологических проблем и управлению геоэкологическими рисками при добыче газа на севере Западной Сибири посредством инновационной адаптивной технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв, ныне успешно реализуемой на Тазовском полуострове как на территории функционирования объектов ООО «Газпром добыча Ямбург». Данная технология апробирована при рекультивации различных (механически нарушенных и погребённых каменным углём) тундровых почв острова Белый (Карское море).
Ключевые слова: добыча газа, геоэкологические риски, тундровые почвы, нарушение почв, управление, технология, рекультивация.
Ссылка для цитирования: Башкин В.Н., Галиулин Р.В. Геоэкологические проблемы при добыче газа в Западной Сибири: пути решения // Жизнь Земли. 2019. Т. 41. № 3. С. 264- 271. DOI 10.29003/m669.0514-7468.2019_41_3/264-271.
Поступила 31 мая 2019 / Принята к публикации 3 июля 2019
SOLUTIONS OF GEOECOLOGICAL PROBLEMS IN GAS PRODUCTION
IN WESTERN SIBERIA
V.N. Bashkin1, Dr. Sci (Biol.), R.V. Galiulin2, Dr. Sci (Geogr.)
1 Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science of RAS 2 Institute of Basic Biological Problems of RAS
Approach to thegeoecological problem solutions and management of geoecological risks at gas production in the north of Western Siberia by means of innovative adaptive technology of recultivation of mechanically disturbed tundra soils successfully realized in the Tazovsky Peninsula as the territory of functioning of the facilities of LLC «Gazprom dobycha Yamburg» is presented. All steps of this method are mentioned. Besides, this technology approved at recultivation of different (mechanically disturbed and buried by coal) tundra soils of Bely Island (the Kara Sea).
Keywords: gas production, geoecological risks, tundra soils, disturbance, management, technology, recultivation.
Введение. В настоящее время основная добыча газа в нашей стране осуществляется на севере Западной Сибири, и в перспективе здесь же намечается концентрация добычи газа за счёт Надым-Тазовского, Уренгойского, Ямбургского и Ямал-Гыданско-го месторождений углеводородов. Между тем, при добыче газа, как при любом другом технологическом процессе, не исключаются геоэкологические риски, которые могут проявляться, например, в механическом нарушении тундровых почв при проезде техники, связанной с осуществлением геологоразведки, бурением скважин и обустройством промыслов. В результате целостность профиля тундровых почв нарушается, так как они частично или полностью лишаются растительного покрова и органогенного
1 Башкин Владимир Николаевич - д.б.н., профессор, г.н.с. Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН, vladimirbashkin@yandex.ru; Галиулин Рауф Валиевич -д.г.н., в.н.с. Института фундаментальных проблем биологии РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН, rauf-galiulin@ rambler.ru.
264 Жизнь Земли 41(3) 2019 264-271
слоя, а минеральные нижележащие горизонты выходят на дневную поверхность и изменяется криогенная обстановка. В результате нарушения растительного покрова, уничтожения дернины может начаться развитие термоэрозии грунтов, приводящей к оврагообразованию, и, как следствие, к неустойчивости сооружений и технических устройств, провисанию опор газопроводов и т. д., что создаёт опасность возникновения аварийных ситуаций. В этой связи становится чрезвычайно актуальной своевременная рекультивация механически нарушенных тундровых почв посредством описываемой здесь инновационной адаптивной технологии [1-3].
Данная технология впервые была реализована на Тазовском полуострове (68°09' с. ш., 76°02' в. д.; Ямало-Ненецкий а. о.) на территории функционирования объектов ООО «Газпром добыча Ямбург», являющейся стопроцентной дочерней компанией ПАО «Газпром» (рис. 1).
Эта компания обеспечивает более 40 % общего объёма добычи ПАО «Газпром» и 34 % всего добываемого российского газа и владеет лицензиями на разработку и добычу углеводородов, в частности, с Ямбургского и Заполярного газоконденсатных месторождений.
Итак, что представляет собой инновационная адаптивная технология рекультивации нарушенных тундровых почв? Уникальность данной технологии заключается в её биогеохимическом и концептуальном обосновании, а также в подтверждении её практической значимости рядом патентов Российской Федерации на изобретения [4-8].
Биогеохимическая основа инновационной адаптивной технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв. Как показывают многолетние исследования авторов, проблема механически нарушенных тундровых почв может быть эффективно решена с помощью инновационной адаптивной технологии рекультивации, включающей подход по восстановлению плодородия тундровых почв. При этом происходит регенерация нарушенных биогеохимических циклов химических элементов на уровне микроорганизмов, низших беспозвоночных организмов и фито-ценозов. Это связано со значением сообществ организмов (бактерии, ак-тиномицеты, грибы, дрожжи) для почвы, которое состоит не только в количестве поставляемой ими биомассы (за один год достигающей 20-50 т/га, что сближается с наземной биомассой растений), а, главным образом, в их работе по минерализации органических остатков в почве, т. к. микроорганизмы, отмирая, высвобождают различные элементы, вступающие в новые циклы биогеохимического круговорота. Что касается низших организмов почвы (простейшие, черви, моллюски, тихоходки, членистоногие), то они являются
X КГ о )i2b О-^з 9, I / 36) гК £ реки ¿0 озера "= болота
[J < к '! сз \ } <£> 1 S >> / щ vai гУ^^- Мл *
' к (-А n I-- 1 % * г ( yV ^ГазсЧ-^ m
! о ■ ю, О/ .^Xeeepi ыи^ _по|ляр_ныи _ _ _KiRW.r.
1 - Полуостров Ямал
2 - Тазовский полуостров
3 - Гыданекий полуостров
4- территория рекультивации механически нарушенных тундровых почв
Рис. 1. Территория рекультивации механически нарушенных тундровых почв на Тазовском полуострове (Ямало-Ненецкий автономный округ, 67°15' с. ш., 74°40' в. д.).
Fig. 1. The territory of the recultivation of mechanically disturbed tundra soils on the Taz Peninsula (Yamalo-Nenetz autonomous district, 67°15' N, 74°40' E).
также важнейшим фактором в циклах элементов-биофилов, в перераспределении энергии, фотосинтетически связанной в фитомассе, в накоплении и возобновлении запасов почвенного гумуса и плодородии почв. И, наконец, роль фитоценозов заключается в том, что они являются основным механизмом фиксации солнечной энергии и образования фитомассы на суше с вовлечением в ткани растений углерода, воды и таких элементов-биофилов, как азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия, кремния, железа и др.
Концептуальная модель инновационной адаптивной технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв. Согласно концептуальной модели инновационной адаптивной технологии рекультивации, в механически нарушенные почвы вносится местный торф с учётом их гранулометрического состава или полной влагоёмкости в зависимости от рельефа местности, затем следует посев и выращивание на них смеси многолетних злаковых трав с использованием получаемого из местного торфа гумата калия, как стимулятора роста и развития этих растений (рис. 2).
Рис. 2. Концептуальная модель инновационной адаптивной технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв.
Fig. 2. Conceptual model of innovative adaptive technology for reculltivation of mechanically disturbed tundra soils.
Со временем многолетние злаковые травы в ходе их произрастания вытесняются коренными для тундры мхами (Bryophyta) и лишайниками (Lichenes), в свою очередь являющимися важным источником образования того же самого торфа. Именно такое содержание технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв придает ей адаптивный характер к природным условиям севера Западной Сибири.
Для рекультивации механически нарушенных тундровых почв используется торф, что не случайно, так как эта органогенная порода состоит не только из не полностью разложившихся остатков растений, но и продукта их разложения в виде гумуса, включающего, в частности, гуминовые кислоты, вещества, характеризующиеся высоким содержанием углерода, и всех необходимых для растений питательных элементов. Из таких важных трёх элементов питания, как азот, фосфор и калий, в торфе больше всего содержится азота (до 3,5 %). Кроме того, торф включает пул различных физиологических групп микроорганизмов (аммонификаторы-аэробы, споровые бактерии, оли-
гонитрофилы, грибы, нитрификаторы, денитрификаторы, маслянокислые бактерии), участвующих в разложении органического вещества торфа, что делает доступным для растений элементы питания. Примечательно также, что тёмный цвет торфа способствует эффективному поглощению тепла и быстрому прогреву почвы, что особенно важно при её рекультивации в условиях севера Западной Сибири. Тепловой мелиорации нарушенной почвы может также способствовать стабильное повышение температуры почвы за счёт выделяемого в процессе разложения торфа диоксида углерода. Что касается использования гумата калия, то калий, входящий в его состав, позволяет нормализовать физиологические процессы в растениях, выращиваемых на нарушенных тундровых почвах, что связано с образованием углеводов и витаминов и активацией ферментов, способствующих повышению морозоустойчивости растений.
Стадии инновационной адаптивной технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв. Инновационная адаптивная технология рекультивации механически нарушенных тундровых почв включает перечень операций, выполняемых последовательно в три стадии:
Первая стадия:
а) на крупномасштабной картосхеме (масштаб 1:200 000 и крупнее) искомой территории, предназначенной для рекультивации механически нарушенных тундровых почв, выделяют отдельные участки почв с измерением их площадей, а также определяют места расположения ближайших торфяных залежей;
б) с указанных участков почв и торфяных залежей отбирают усреднённые репрезентативные образцы почвы и торфа (из слоя 0-6 см), как для определения гранулометрического состава или полной влагоёмкости почвы в зависимости от рельефа местности, так и с целью последующего выбора дозы торфа в виде соотношения торф/почва, необходимого для рекультивации конкретного участка [4, 5];
в) гранулометрический состав почвы, т. е. относительное содержание в ней частиц различной величины (гранул), определяют в случае рекультивации механически нарушенных почв на территориях с волнистым рельефом и неоднородным почвенным покровом;
г) полную влагоёмкость почвы, т. е. наибольшее количество влаги, которое содержится в почве при полном насыщении всех её пор, определяют в случае рекультивации механически нарушенных почв на территориях с равнинным или слаборасчленённым рельефом и однообразным почвенным покровом.
Вторая стадия:
а) на основе выбранного соотношения торф/почва рассчитывают массу торфа, заделываемую в 0-6 см слой механически нарушенной почвы, а также массу самой нарушенной почвы в слое 0-6 см, исходя из площади рекультивируемого участка;
б) массу торфа предварительно доводят до рассыпчатого состояния путём воздушной сушки, что необходимо для удобства его равномерного распределения по всей площади рекультивируемого участка и дальнейшей заделки в слой механически нарушенной почвы;
в) заделку торфа в соответствующей дозе в 0-6 см слой механически нарушенной почвы участка и посев семян смеси многолетних злаковых трав осуществляют по принципу «залужения», т. е. создания сплошного травяного покрова на участке, используя соответствующие технологии и технику.
В составе растительной смеси, формируемой из многолетних злаковых трав, могут быть кострец безостый (Бтотт ¡петт1$), пырейник сибирский (Е1утт вШпсш),
овсяница луговая (Festuca pratensis), овсяница красная (Festuca rubra), мятлик луговой (Poapratensis), тимофеевка луговая (Phleumpratense) и другие виды, которые позволяют получить густой травостой и плотный дёрн на рекультивируемом участке.
Третья стадия:
а) для улучшения посевных свойств семян, регулирования состояния растений на различных стадиях их роста и развития в процессе формирования их продуктивности, а также повышения устойчивости растений к неблагоприятным воздействиям внешней среды применяют препарат гумата калия, используемый в определённых дозах для замачивания семян перед посевом, корневой подкормки и некорневой подкормки (опрыскивания) в период вегетации, с использованием соответствующей технологии и техники;
б) препарат гумата калия выделяют оригинальным способом из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа, когда извлечение, прежде всего, гуминовых кислот из гумуса торфа и их очистка производятся по всем правилам продуцирования химически чистых веществ, практически не затрагивающих молекулярные структуры гуминовых кислот, что, в конечном счёте, гарантирует получение стабильного препарата гумата калия [6];
в) дальнейший уход за растительностью на рекультивируемом участке осуществляют, используя соответствующие технологии и технику; при изреживании травостоя по тем или иным причинам проводят дополнительный посев семян многолетних злаковых трав;
г) об эффективности рекультивации механически нарушенных почв с использованием торфа и гумата калия, посева и выращивания смеси многолетних злаковых трав судят по результатам сравнительного анализа двух ключевых показателей восстановления плодородия - активности фермента дегидрогеназы и надземной биомассы смеси многолетних злаковых трав механически нарушенных (контроль) и рекультивированных почв [7, 8].
Реализация инновационной адаптивной технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв на Тазов-ском полуострове. Высокая эффективность инновационной адаптивной технологии рекультивации механически нарушенных тундровых почв была подтверждена результатами восстановления плодородия почвы на Тазовском полуострове, как на территории функционирования объектов ООО «Газпром добыча Ямбург».
Результаты оценки восстановления плодородия механически нарушенной почвы показали, что за две недели активность фермента дегидрогеназы рекультивированной тундровой почвы возрастала в 51 раз, а надземная 268
Рис. 3. Оценка эффективности рекультивации механически нарушенной почвы с помощью торфа и гумата калия.
Fig. 3. Effect assessment of the recultivation of mechanically disturbed soil using peat and potassium humate.
биомасса многолетних злаковых трав на рекультивированной почве увеличивалась на 52 % относительно механически нарушенной почвы (контроль) (рис. 3).
В целом это свидетельствует о большом потенциале восстановления плодородия почвы при использовании торфа и гумата калия и о процессе эффективной регенерации нарушенных биогеохимических циклов химических элементов на уровне микроорганизмов, низших беспозвоночных организмов и фитоценозов.
Как оказалось, инновационная адаптивная технология рекультивации механически нарушенных тундровых почв может найти применение не только при восстановлении плодородия почв на территориях функционирования объектов газовой промышленности, но и на арктических островах с характерной инфраструктурой.
Апробация инновационной адаптивной технологии рекультивации на различных (механически нарушенных и погребённых каменным углем) тундровых почвах на острове Белый (Карское море). В качестве примера рекультивации почв арктических островов с характерной для них инфраструктурой был взят остров Белый, находящийся в Карском море, где с 1933 г. существует полярная метеостанция им. М.В. Попова (рис. 4).
Обследование территории острова Белый показало, что здесь имеются участки как с механически нарушенными тундровыми почвами, т. е. лишёнными растительного покрова и верхнего органогенного слоя, так и с погребёнными каменным углем почвами (вследствие складирования на них данного вида топлива). В результате создалась геоэкологическая проблема, требующая оперативного решения, чтобы избежать полной деградации почвенного покрова, и, следовательно, сохранить аборигенную флору и фауну арктического острова.
Результаты оценки рекультивации показали, что внесение торфа стимулирует активность фермента дегидроге-назы в почве, погребённой каменным углем на 132 %, а в механически нарушенной почве - на 202 % относительно контроля (нерекультивированная нарушенная почва), что позволяет говорить о реальной возможности использования торфа для восстановления плодородия (рис. 5).
В первом варианте по рекультивации погребённой каменным углем тундровой почвы повышение активности фермента дегидрогеназы не случайно, т. к. уголь отнесён к числу веществ с нейтральным составом органической массы, к которому хорошо адаптируется как аборигенная микрофлора, так и микроорганизмы, вносимые в составе торфа.
Заключение. Таким образом, подход к решению геоэкологических проблем и управлению геоэкологическими
Рис. 4. Участок рекультивации различных (механически нарушенных и погребённых каменным углём) тундровых почв на острове Белый (73°15' с. ш., 70°50' в. д.; Карское море).
Fig. 4. Recultivation plot of various (mechanically disturbed and coal buried) tundra soils in the Bely Island, Kara Sea ((73°15' N, 70°50' E).
Рис. 5. Оценка эффективности рекультивации разных (механически нарушенных и погребённых каменным углём) тундровых почв на острове Белый (Карское море).
Fig. 5. Effect assessment of recultivation of various (mechanically disturbed and coal buried) tundra soils in the Bely Island.
рисками, связанными с механическим нарушением тундровых почв при добыче газа на севере Западной Сибири, а также на арктических островах с характерной инфраструктурой, заключается в использовании трёхстадийной инновационной адаптивной технологии рекультивации этих почв. Данная технология была успешно реализована на Тазовском полуострове как на территории функционирования объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» и апробирована на острове Белый (Карское море). Практическая значимость данной технологии подтверждена целым рядом патентов Российской Федерации на изобретения [4-8]. Работа выполнена в рамках темы Миннауки РФ «Физико-химические и биогеохимические процессы в антропогенно загрязнённых почвах», № 0191-2019-0049.
ЛИТЕРАТУРА
1. Galiulin R.V., Bashkin V.N. Activity of catalase and dehydrogenase enzymes as a tool for controlling the soil reclamation process // Ecological and Biogeochemical Cycling in Impacted Polar Ecosystems. New York: Nova Science Publishers, 2017. P. 91-100.
2. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Innovative biogeochemical technology in the gas industry as green economy display // Izazovi Zelene Economije. Medunarodna monografija. Beograd: ECOLOGICA, 2018. P. 153-160.
3. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Geoecological Risk Management in Polar Areas. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2019. 156 p.
4. Патент Российской Федерации на изобретение № 2491137. Способ контроля эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава посредством анализа активности дегидрогеназы. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиу-лин Р.В., Галиулина Р.А., Маклюк О.В., Припутина И.В. Опубликовано: 27.08.2013. Бюллетень № 24.
5. Патент Российской Федерации на изобретение № 2611159. Способ оценки эффективности рекультивации посредством торфа нарушенных тундровых почв с различной полной влаго-емкостью. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Алексеев А.О., Салбиев Т.Х.-М., Серебряков Е.П. Опубликовано: 21.02.2017. Бюллетень № 6.
6. Патент Российской Федерации на изобретение № 2610956. Способ получения гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Алексеев А.О., Галиулина Р.А., Мальцева А.Н., Ямников С.А., Николаев Д.С., Мурзагулов В.Р. Опубликовано: 17.02.2017. Бюллетень № 5.
7. Патент Российской Федерации на изобретение № 2611165. Способ оценки эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв посредством внесения местного торфа и гумата калия. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Алексеев А.О., Ямников С.А., Николаев Д.С., Мурзагулов В.Р. Опубликовано: 21.02.2017. Бюллетень № 6.
1 2 3
1 - почва для рекультивации
(контроль)
2 - рекультивированная,
погребённая каменным углём почва
3 - рекультивированная,
механически нарушенная почва
8. Патент Российской Федерации на изобретение № 2672490. Способ биохимического контроля эффективности рекультивации нарушенных и загрязненных тундровых почв. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Соловищук Л.А., Маклюк О.В. Опубликовано: 15.11.2018. Бюллетень № 32.
REFERENCES
1. Galiulin R.V., Bashkin V.N. Activity of catalase and dehydrogenase enzymes as a tool for controlling the soil reclamation process. Ecological and Biogeochemical Cycling in Impacted Polar Ecosystems. New York: Nova Science Publishers, 2017. P. 91-100.
2. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Innovative biogeochemical technology in the gas industry as green economy display. Izazovi Zelene Economije. Medunarodna monografija. Beograd: ECOLOGICA, 2018. P. 153-160.
3. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Geoecological Risk Management in Polar Areas. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2019. 156 p.
4. Russian Federation patent on invention No. 2491137. Method of control of recultivation efficiency of the disturbed tundra soils of different granulometric composition by means of the dehydrogenase activity analysis. Arno O.B., Arabsky A.K., Bashkin V.N., Galiulin R.V. Galiulina R.A., Maklyuk O.V., Priputina I.V. Published: 27.08.2013. Bulletin No. 24 (in Russian).
5. Russian Federation patent on invention No. 2611159. Method of assessment of recultivation efficiency by means of peat of the disturbed tundra soils with different full moisture capacity. Arno O.B., Arabsky A.K., Bashkin V.N., Galiulin R.V., Galiulina R.A., Alekseev A.O., Salbiev T.Kh.-M., Serebryakov E.P. Published: 21.02.2017. Bulletin No. 6 (in Russian).
6. Russian Federation patent on invention No. 2610956. Method of receiving of potassium humate from local peats of the Yamal-Nenets Autonomous Okrug. Arno O.B., Arabsky A.K., Bashkin V.N., Galiulin R.V., Alekseev A.O., Galiulina R.A., Maltseva A.N., Yamnikov S.A., Nikolaev D.S., Murzagulov V.R. Published: 17.02.2017. Bulletin No. 5 (in Russian)
7. Russian Federation patent on invention No. 2611165. Method of assessment of recultivation efficiency of the disturbed tundra soils by means of application of local peat and potassium humate. Arno O.B., Arabsky A.K., Bashkin V.N., Galiulin R.V., Galiulina R.A., Alekseev A.O., Yamnikov S.A., Nikolaev D.S., Murzagulov V.R. Published: 21.02.2017. Bulletin No. 6 (in Russian)
8. Russian Federation patent on invention No. 2672490. Method of biochemical control of recultivation efficiency of disturbed and polluted tundra soils. Arno O.B., Arabsky A.K., Bashkin V.N., Galiulin R.V., Galiulina R.A., Solovishchuk L.A., Makliuk O.V. Published: 15.11.2018. Bulletin No. 32 (in Russian).
