CC BY
60
И.Ю. Давыдова
ПЕДОХИМИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ГЛЕЕГЕНЕЗА НА ПОЧВЫ, ЗАГРЯЗНЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДАМИ НЕФТИ
Актуальность экологических вопросов, касающихся ландшафтов лесостепи и южной тайги европейской территории России, не вызывает сомнения. Прежде всего, это обусловлено значительной концентрацией предприятий нефтегазового комплекса (объекты нефтегазодобычи, нефтеперерабатывающие заводы, предприятия нефтепродуктообеспечения), а также других отраслей промышленности и сельского хозяйства. Техногенное воздействие на почву и ландшафт в целом практически повсеместно сопровождается загрязнением органическими и другими веществами, способными оказывать педохимическое влияние. В условиях естественного или техногенного переувлажнения загрязнение почв органическими веществами может привести к развитию деградации почв, глеегенный механизм которых остается практически не изученным. Слабо исследованным является и вопрос о негативной трансформации в этих условиях черноземов, в том числе в агроэкосистемах.
Несмотря на обширную базу инструктивно-методических документов, регламентирующих условия проведения рекультивационных работ на нефтезагрязненных землях, в данной области многие экологические аспекты освещены недостаточно, что существенным образом отражается на целесообразности выполнения данных рекомендаций. До сих пор не решена проблема остаточного уровня нефтяного загрязнения, а это важный лимитирующий фактор самовосстановления почвы. Вопрос о продолжительности периода самовосстановления почвы по-прежнему остается открытым. Почти не рассмотрены эдафические последствия различных ремедиационных технологий, в том числе основанных на внесении в нефтезагрязненную почву ферментируемых веществ. К таким технологиям можно отнести, например, промывки почв растворами синтетических и биологических сурфактантов, а также внесение сорбентов из отходов—растениеводства—и—животноводства,—органических—мелиорантов—(гумино минеральный концентрат и др.), микробных деструкторов на органических носителях, ферментных препаратов и т. п.
Таким образом, в настоящее время представляется целесообразным всестороннее исследование этих техногенных воздействий на почвы ландшафтов рассматриваемого региона.
Техногенез - это совокупность геохимических процессов, вызванных производственной деятельностью человека [2; 9]. Этот процесс протекает как антропогенное изменение миграции химических элементов [10], в том числе с ним связано увеличение подвижности железа в восстановительной глеевой (бескислородной) среде в почвах и горных породах [7; 8; 11]. В восстановительных условиях при отсутствии сероводорода происходит элювиирование Fe2+, Мп2+ и других химических элементов, то есть развивается техноглеегенез.
Основные закономерности техногенного изменения почв в связи с глееобразованием обусловлены теми же факторами и процессами, что и в естественных условиях, но они могут значительно видоизменяться при поступлении извне дополнительных источников энергии. Поэтому важное значение имеет широко распространенное загрязнение окружающей природной среды веществами органического происхождения. Органические поллютанты, сорбенты и мелиоранты являются причиной глеегенеза почв в условиях техногенного переувлажнения.
При добыче, транспортировке, переработке и хранении нефти и нефтепродуктов, а также размещении нефтесодержащих отходов происходит загрязнение окружающей природной среды углеводородами. Поскольку нефтяные углеводороды относятся к педохимически активным веществам, в почвах, грунтах и подземных водах такие соединения способны изменять Е^-рН состояние среды, концентрацию комплексообразователей и миграционную способность химических элементов [1].
Органическое вещество почвы и загрязняющие ее нефтяные углеводороды дают начало трофическим цепям детритного типа, где главная роль принадлежит почвенным редуцентам (гетеротрофная микрофлора).
Под влиянием продуктов микробного синтеза происходит восстановление, а при соответствующем водном режиме и несбалансированный вынос железа, что в переувлажненных почвах является основным признаком развития процесса глееобразования.
Следовательно, при техногенезе избыточное увлажнение почв и наличие органических поллютантов служат причиной возникновения техноглеегенеза, или сокращенно глеегенеза. В современной литературе принят термин техноглеегенез, под которым понимают глееобразование, возникающее под влиянием технологических факторов.
Практически все технологии рекультивации земель и очистки почв, загрязненных нефтью, нефтепродуктами и другими органическими экотоксикантами, способствуют повышению содержания органического вещества в почве. На окисление загрязнителей, сорбентов и мелиорантов органической
природы используется свободный кислород, а при его недостатке в анаэробных условиях - нитраты, трехвалентное железо, сульфаты. В результате на фоне переувлажнения в почве развивается глеегенез или сульфатредукция. Эти негативные процессы могут усиливаться, если рекультивационные технологии предусматривают повышение увлажнения почвы в сочетании с внесением поверхностно-активных веществ, которые легко ферментируются в почве. Процесс микробиального разложения углеводородов и других органических веществ может обусловливать почвенный токсикоз.
Очевидно, что техногенно-инициированные глееобразование и сульфатредукция в перспективе могут получить широкое распространение из-за концентрации промышленности, сельского хозяйства и населения. Это обстоятельство необходимо связывать с техногенным переувлажнением почв и подтоплением территорий, тепловым и химическим загрязнением окружающей природной среды [6].
В целях установления значения глеегенеза в деградации почв, загрязненных углеводородами нефти, в ходе нашего исследования решались задачи по изучению: 1) факторов развития глеегенеза почв в районах нефтяной промышленности в южно-таёжные лесной подзоне и лесостепной зоне Европейской России и 2) физического моделирования влияния водного режима на Е^-рН состояние почвы, загрязненной углеводородами нефти, в том числе при ремедиации органическими сорбентами и мелиорантами.
Изучение факторов глеегенного воздействия проводилось на почвах природно-технических систем нефтяной промышленности, расположенных на границе южно-таежной подзоны и лесостепной зоны в Центральной России, а именно:
1) чернозем выщелоченный суглинистый на карбонатном древнеаллювиальном суглинке (Тамбовская область);
2) черноземовидная глееватая суглинистая почва на карбонатном древнеаллювиальном суглинке
(Тамбовская область);
3) дерново-подзолистая глееватая супесчаная почва на покровной супеси (Брянская область);
4) дерново-глеевая оруденелая супесчаная почва на покровной супеси (Брянская область);
5) дерново-подзолистая глееватая супесчаная почва на древнеаллювиальной супеси (Брянская область);
6) черноземовидная глееватая суглинистая почва на покровном бескарбонатном суглинке (Брянская область);
7) дерново-глеевая суглинистая почва на покровном лессовидном суглинке (Брянская область).
В модельных экспериментах изучалась почва из пахотных горизонтов чернозема выщелоченного суглинистого (Рязанская область) и чернозема типичного суглинистого (Курская область).
Для решения первой задачи проводилась оценка производственной и природоохранной деятельности ряда нефтяных компаний. Это было вызвано необходимостью установления потенциальной опасности предприятий нефтегазового комплекса в отношении загрязнения почв нефтью и продуктами ее трансформации, а также другими органическими поллютантами. В качестве источников информации использовалась нормативно-правовая, научно-техническая, инструктивно-методическая документация, касающаяся производственной деятельности этих предприятий. К эколого-экспертной оценке были представлены проекты нормативов образования отходов и лимитов размещения, экологические паспорта предприятий, паспорта опасных отходов, рабочие проекты, внутриведомственные инструкции и т. п. Кроме этого, на данном этапе исследований были проведены проектно-изыскательские и лабораторно-аналитические работы на конкретных объектах нефтегазового комплекса. При изучении почв использовали картографические, химико-аналитические и микробиологические методы.
При выполнении второй задачи нами проводились модельные опыты, во время которых изучалось действие трех типов водного режима на развитие глеегенеза: 1) периодически промывного режима; 2) кратковременно застойно-промывного режима (периодическое затопление на 1 сутки); 3) длительно застойно-промывного режима (периодическое затопление на 2 месяца). При этих режимах увлажнения почвы исследовалось влияние органических поллютантов, сорбентов и мелиорантов, которые используются в природно-технических системах нефтяной промышленности.
В модельном опыте в качестве органических поллютантов применялись нефть и нефтепродукты (моторное масло). Сорбентами этих поллютантов были опилки и солома, мелиорантами (сурфактантами) - поверхностно-активные вещества (СПАВ и БиоПАВ), которые используют как эмульгаторы для нефтеизвлечения, например, СПАВ анионного типа, то есть натриевые соли карбоновых кислот, в том числе синтетических жирных кислот (С10-С18). Внесение Био-ПАВ было основано на применяемой в нефтяной промышленности мелассной технологии (биотехнология питательного заводнения). Био-ПАВ продуцируются бродильной микрофлорой, например клостридиями, при разложении углеводов.
Микроорганизмы производят сурфактанты, полисахариды, растворители и другие нефтевытесняющие соединения. При сбраживании мелассы образуются жирные кислоты, спирты, CO2, H2, ПАВ, снижающие в несколько раз межфазное натяжение в системе «вода - нефть». Для удаления нефти применялась циклическая интродукция свекловичной мелассы или сахарозы и микроорганизмов из сброженного навоза, способных ферментировать углеводы, с внесением в питательную среду солей аммония и фосфора.
Схема модельного лизиметрического эксперимента по изучению глеегенеза и его влияния на свойства гор. Ап чернозема выщелоченного суглинистого включала следующие варианты:
1) «нефть (10 г/кг почвы)»;
2) «нефть (10 г/кг почвы) + солома (5 г/кг почвы)»;
3) «солома (5 г/кг почвы)»;
4) «нефть (10 г/кг почвы)+ СПАВ (10 г/кг почвы)»;
5) «нефтепродукты - моторное масло (10 г/кг почвы)»;
6) «фильтрат с полигона ТБО (БПК5 - 4000 мг/л, ХПК - 6000 мг/л) »;
7) «нефть (10 г/кг почвы) + опилки (30 г/кг почвы)»;
8) «нефть (10 г/кг почвы) + 1%-ный раствор сахарозы + сброженный навоз (0,05 г/кг почвы) +
0,03%-ныйраствор NHCl + 0,03%-ныйраствор KH2PO4»;
9) «нефть (10 г/кг почвы) + 4%-ный раствор сахарозы + сброженный навоз (0,05 г/кг почвы) +
0,03%-ный раствор NH4CI + 0,03%-ный раствор KH2PO4 »;
10) «нефть (10 г/кг почвы) + 4%-ный раствор мелассы + сброженный навоз (0,05 г/кг почвы) +
0,03%-ный раствор NH4CI + 0,03%-ный раствор KH2PO4»;
11) «нефть (10 г/кг почвы) + сброженный навоз (0,05 г/кг почвы)»;
12) «пресная гидрокарбонатно-кальциевая вода»;
13) «пресная гидрокарбонатно-кальциевая вода + сахароза (0,2 %)»;
14) «пресная гидрокарбонатно-кальциевая вода + сахароза (1 %)»;
15) «ультрапресная вода + сахароза (1 %)»;
16) «слабосоленая сульфатно-натриевая вода»;
17) «слабосоленая сульфатно-кальциевая вода»;
18) «слабосоленая сульфатно-натриевая вода + сахароза (1 %)»;
19) «слабосоленая сульфатно-кальциевая вода + сахароза (1 %)»; контроль -«неорошаемая и не загрязненная нефтяными углеводородами почва (гор. Ап чернозема)». Продолжительность опыта в вариантах: 1-6 - 8 месяцев; 7-11 - 1,5-2 месяца; 12-15 - 18 месяцев;
16-19 - 9 месяцев.
В процессе модельного эксперимента по традиционным методикам проводили наблюдения за изменением окислительно-восстановительного потенциала почвы и реакцией среды (рН) под влиянием глеегенеза. Полученные данные обрабатывали методами математической статистики. На обсуждение выносятся следующие результаты исследования:
1. Функционирование предприятий нефтяной промышленности, расположенных в южной тайге и лесостепи Европейской России, обусловливает глеегенез почв.
2. При ремедиации чернозема, загрязненного нефтью и нефтепродуктами, глеегенным следует считать такое воздействие, которое вызывает развитие восстановительной обстановки в почве.
3. На фоне периодического переувлажнения нефтезагрязненных почв, в том числе в связи с их ремедиацией с помощью органических сорбентов и мелиорантов, кислотно-щелочные условия (рН среды) претерпевают существенную трансформацию.
4. При глеегенном воздействии Eh-рН состояние чернозема определяется водным режимом. 1. Функционирование предприятий нефтяной промышленности, расположенных в южной тайге
и лесостепи Европейской России, обусловливает глеегенез почв.
Этому в значительной степени способствует гидрогеологическая ситуация, сложившаяся на объектах вследствие естественных и техногенных причин. Как показали проведенные исследования, под влиянием грунтовых вод и поверхностного стока на 20 из 23 объектов нефтепродуктообеспечения, почвы подвергаются переувлажнению и загрязнению нефтяными углеводородами [4; 5].
В рассматриваемом регионе наблюдается пространственная неоднородность литолого-гидрологических условий, следствием которой может быть переувлажнение почв (табл. 1). Обследованные объекты располагаются на низких террасах, плоских водоразделах и в других местах с крайне малым уклоном зеркала грунтовых вод. На многих участках водоупорные слои (флювиогляциальные и моренные глины) находятся близко от дневной поверхности. Гидрогеологические
особенности территории также характеризуются формированием локальных верховодок и грунтовых вод спорадического распространения, образованием заболоченных западин и мочажин («степных блюдец») из-за суффозии в лессовидных отложениях. Дополнительным фактором является наличие многочисленных техногенных точечных источников переувлажнения почв и грунтов.
Почвы почти всех обследованных объектов находятся под влиянием грунтовых вод, загрязненных нефтепродуктами. Коэффициент концентрации загрязнения грунтовых вод составляет и-101 - п105 и выше (табл. 1). Выдавливание «плавающих линз» нефтепродуктов при высоком стоянии грунтовых вод на дневную поверхность резко увеличивает загрязнение всех почвенных горизонтов.
Содержание нефтепродуктов в почве выше фоновых значений на несколько порядков и в гумусовых горизонтах почв может достигать 5000-10 000 мг/кг почвы и более (рис. 1). Это значительно превышает условно допустимый уровень количества нефтепродуктов в почвах - 1000 мг/кг.
Установлено, что общее количество углеводородов, поступивших в гумусовые горизонты только из приземного слоя воздуха за весь период эксплуатации предприятий, равно п10-3 - я-101 кг/кг почвы.
Проведенные наблюдения за динамикой содержания нефтепродуктов в грунтовых водах (рис. 2) и почвах (рис. 3) показали значительную изменчивость уровня загрязнения.
Таблица
1 Гидрогеологические условия на обследованных объектах
№
С /
объек- Х та арактеристика отложенийУГ В, м фа". Спдк
1. Р ^ - аЛИшп^ - аллювиальные отложения первой надпойменной тер-~~ рясы Пески с гравием и галькой суглинки супеси глины ■:■:■:■: - Юар-К^ст - апт-сеноманский терригенный горизонт. Пески, алевр 1 прослои глин. 0-2 иты, 3-5
9. - р1 I- II - покровные почвенно-лессовые образования. Суглинки 2,5-3,0 Ш. прослоями песка. ~~ - а2111тк-к1 - аллювиальные отложения второй надпойменной террас (за границей московского оледенения). Пески с гравием и галько суглинки. - - водно-ледниковые отложения времени наступания ледник Глина. ~~ - аШтп^ - аллювиальные отложения первой надпойменной тер- 1,0 =1 4,8 < 4050 расы. Пески с гравием и галькой, суглинки, супеси, глин] ^^ - Jзcl - келловейский ярус. Глины. 2—19 с л] ы й, 1. . нзами и
18. П- "|~П - р11-Ш - субаэральные образования. Покровные супеси тяжелые 0,5-2,5 5-130
11
и пылеватые. - f,lg Ilms - водно-ледниковые отложения времени отступания лед -ника. Пески, суглинки, супеси, глины. - gIIms - ледниковые отложения - морена. Суглинки с гравием, галькой и валунами, с отторженцами дочетвертичных пород.
Литология:
- песок,
- лессовидный суглинок,
- переслаивание различных литологических разностей и смешанные породы,
- суглинок с обломками (морена),
- глина.
Чернозем (гор. Ап, 0-25 см) Черноземовидная глееватая почва (гор. А, 25-50 см)
9 500 1000 2Ü0G 3000 5000 С
Рис. 1. Уровень загрязнения нефтепродуктами гумусовых горизонтов почв лесостепи. Объект № 9
Сф акт. /СпДК
Ноябрь 1997 г. Июнь 1998 г.
Рис. 2. Динамика коэффициента концентрации загрязнения нефтепродуктами (Сфакт/Спдк)
грунтовых вод. Объект № 18
Дерново-подзолистая глееватая супесчаная почва (гор. А1, 0-15 см). Объект № 18
Октябрь 1999 г.
Июнь 2000 г.
Дерново-подзолистая глееватая супесчаная почва (гор. А1, 0-15 см). Объект № 1
Концентрация нефтепродуктов (мг/кг почвы)
Рис. 3. Динамика уровня загрязнения нефтепродуктами гумусово-элювиальных горизонтов почв южной тайги Под влиянием переувлажнения и загрязнения нефтепродуктами в почвах развивается анаэробиоз. Например, на объекте № 9 (рис. 1) в загрязненном нефтепродуктами пахотном горизонте черноземовидной глееватой почвы значения показателя гН составляли 19,622,2, что соответствовало интенсивно восстановительной среде. При отсутствии загрязнения, несмотря на большее переувлажнение, в гумусовом горизонте дерново-глеевой почвы среда была слабовосстановительной (гН =
22,2-25,0).
В гумусово-элювиальном горизонте дерново-подзолистой глеевой супесчаной почвы (рис. 2, 3) была отмечена та же закономерность: загрязнение нефтепродуктами приводит к анаэробиозу (гН = 23,3), в отсутствие углеводородов обстановка в почве окислительная (гН2 = 26,3).
В анаэробной среде развивался глеегенез. Этот процесс сопровождался возрастанием подвижности железа, щелочно-земельных металлов и фосфора, снижением кислотности почвы (табл. 2).
При глеегенезе способность почвы к самовосстановлению сохраняется. Методом мультисубстратного тестирования дерново-подзолистой глеевой супесчаной почвы и черноземовидной глееватой суглинистой почвы было установлено, что при содержании нефтепродуктов 1000,0-25 000,0 мг/кг почвы степень нарушенности микробного сообщества средняя [3].
Таблица 2
Влияние переувлажнения и загрязнения нефтепродуктами на почвы
Почва Горизонт, Сорг.; % рНвод. рНкС1 Нг ^ осп. Р205 -еобщ.
см мг-экв/100 г мг/100 г почвы
Черноземовидная глееватая суглинистая почва
(объект № 9)
Ап (0-20)
А (40-50)
А (80-90)
2.62 4,55 1.90 2,25 1.50 2,18 1.05 1,96 0.63 0,64 0.52 0,76
~7Ж
7.81 7.78 7,72 7.22 8,00
5.82 6,74 5.92 7,26 5.87 7,06
не опр.
не опр.
не опр.
00 0,4
04 0,4
12
0,0
64.0 80,0 80.0 112,0 56.0 112,0
~ШГ 62,0 15.0 52,0
не опр.
30,0 32,0
Дерново-подзолистая глееватая супесчаная почва (объект № 18)
4,30 5,89
2,41 0,75
A1 (10-20)
4,63 6,00
1,08 0,20
Bg (40-50)
G (80-90)
4,65 5,92
0,67 0,47
15,0 22.0 17,0 21.0 21,0
Дерново-подзолистая глеевая супесчаная почва
(объект № 1)
A1 (0-15)
4.66 4,76
4.05 4,15
Ш
1,4
не опр.
не опр.
не опр.
Примечание. Числитель - незагрязненная почва, знаменатель - загрязненная нефтепродуктами почва (уровень загрязнения > 5000 мг/кг почвы).
2. При ремедиации чернозема, загрязненного нефтью и нефтепродуктами, глеегенным следует считать такое воздействие, которое вызывает развитие восстановительной обстановки в почве.
Проведенные наблюдения за динамикой окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) чернозема показали значительное влияние водного режима, от которого в основном зависело последействие органических поллютантов, сорбентов и мелиорантов на Ел-состояние почвы.
При промывном водном режиме внесение органических добавок незначительно отражается на Ел-состоянии чернозема (рис. 4, вариант 1). Значения ОВП (Ел) почвы были равны +500... + 600 мВ. Однако сульфатредукция и ускоренное разложение нефти при внесении мелассы привели к резкому снижению ОВП до отрицательных значений.
При кратковременно застойно-промывном режиме в черноземе были отмечены наиболее контрастные окислительно-восстановительные условия (рис. 4, вариант 2). Отчетливо прослеживалось влияние различных органических веществ на Ел-состояние почвы. Загрязнение чернозема нефтью и фильтратом не вызывало существенного изменения ОВП почвы. Применение сброженного навоза, гипсование с внесением углеводов обусловливало в черноземе слабый анаэробиоз (Ел ~ +350 мВ). Загрязнение нефтепродуктами и ремедиация растительными сорбентами и СПАВ, осолонцевание чернозема в присутствии легко ферментируемых веществ, внесение соломы приводили к развитию в почве устойчивой восстановительной среды (Ел ~ 0 мВ). Наиболее интенсивный анаэробиоз (Ел—160 мВ) был вызван влиянием легко ферментируемых добавок, в том числе на фоне нефтяного загрязнения чернозема.
Длительное переувлажнение чернозема (рис. 4, вариант 3) послужило причиной формирования восстановительной среды (Ел < +250 мВ). Внесение любых органических веществ усиливало анаэробиоз.
700 -
600 -500 - ? ' > ^ - - * ,г|
наибольшее
наименьшее .
среднее
> 400 -^ 300 -ш 200 -
100 -
0 -100 - г ь
Вариант 1 (слева направо): солома, нефть, контроль, нефть + опилки, нефтепродукты, нефть + солома, сахароза, нефть + СПАВ, нефть + сахароза (4 %) + сброженный навоз, нефть + сброженный навоз, нефть + сахароза (1 %) + сброженный навоз, фильтрат, нефть + меласса (4 %) + сброженный навоз, гипс + сахароза, сульфат натрия + сахароза.
500
400 _
наибольшее наименьшее . среднее
" ' г
Вариант 2 (слева направо): нефть, фильтрат, контроль, гипс + сахароза, нефть + сброженный навоз, нефтепродукты, нефть + солома, нефть + СПАВ, солома, сульфат натрия + сахароза, нефть +
> Е
300 -200 --
1100 --
ш
0 --100 --200 ---гпп
^ ^ (■ ^ (■
опилки, нефть + сахароза (4 %) + сброженный навоз, нефть + сахароза (1 %) + сброженный навоз, сахароза, нефть + меласса (4 %) + сброженный навоз.
300 у 250 -200 -150 -1 100 --" 50 -0 --50 --100 --150 --
ш
!■ г >
^ ^
наибольшее наименьшее - среднее
Вариант 3 (слева направо): контроль, фильтрат, нефть + сброженный навоз, солома, нефть + сахароза (4 %) + сброженный навоз, нефтепродукты, нефть + солома, сахароза, нефть, нефть + СПАВ, гипс + сахароза, нефть + меласса (4 %) + сброженный навоз, сульфат натрия + сахароза, нефть + опилки, нефть + сахароза (1 %) + сброженный навоз
Рис. 4. Влияние органических поллютантов, сорбентов и мелиорантов на ОВП (Ел) чернозема при промывном (вариант 1), кратковременно застойно-промывном (вариант 2) и длительно застойно-промывном (вариант 3) режимах
3. На фоне периодического переувлажнения нефтезагрязненных почв, в том числе в связи с их ремедиацией с помощью органических сорбентов и мелиорантов, кислотно-щелочные условия (рН среды) претерпевают существенную трансформацию.
Это обусловлено развитием глеегенеза вследствие анаэробного разложения органического вещества [7].
Сочетание в черноземе нефтяных углеводородов и легко сбраживаемых углеводов оказывает самое глубокое воздействие на Ел-рН состояние почвы в условиях кратковременного или длительного переувлажнения.
Анализ динамики рН лизиметрических вод нефтезагрязненного чернозема (рис. 5) показал, что среда в почве может изменяться от сильнощелочной (рН = 8,9) до сильнокислой (рН = 3,7) в зависимости от условий ремедиации.
При увеличении количества легко ферментируемых веществ кислотность почвы возрастает. Разложение нефти в присутствии легко сбраживаемых углеводов протекало в сильнокислой среде, что было следствием развития в почве глубокого анаэробиоза. Лизиметрические воды содержали значительное количество органических кислот (до 30 мгэкв/л).
Без внесения растворов углеводов, а также при использовании растительных сорбентов, деструкция нефти обусловливала сильнощелочную среду. В лизиметрических водах кислотность от органических кислот не была обнаружена. Несмотря на переувлажнение, в почве отсутствовал устойчивый анаэробиоз.
Следует особо подчеркнуть значение водного режима в формировании кислотно-щелочных условий почвы при глеегенном воздействии.
На фоне кратковременно застойно-промывного режима ферментация углеводов приводит к резкому подкислению среды, при их отсутствии в нефтезагрязненной почве преобладают щелочные условия (рис. 5).
При длительно застойно-промывном режиме преобладает нейтральная среда и органические добавки в этом случае не оказывают на нее заметного влияния (рис. 6). Однако совместное разложение нефти и углеводов в условиях длительного переувлажнения приводило к подкислению среды. При внесении легко ферментируемых веществ в почву, не загрязненную нефтью, не отмечалось значительного снижения рН лизиметрических вод и содержание в них органических кислот было низким
(< 8,2 мг экв/л). Под вли
9 -
8 - Л н 1 .
7 -
наибольшее
наименьшее .
среднее
I-
\ >
5 - ^ 1
4 - ■ [
3 -
Вариант (слева направо): нефть + солома, нефть, нефть + опилки, контроль, солома, нефтепродукты, нефть + СПАВ, фильтрат, нефть + сброженный навоз, сахароза, сахароза + сульфат натрия, сахароза + гипс, нефть + сахароза (1 %) + сброженный навоз, нефть + сахароза (4 %) + сброженный навоз, нефть + меласса (4 %) + сброженный навоз.
Рис. 5. Влияние органических поллютантов, сорбентов и мелиорантов на значения рН лизиметрических вод из чернозема при кратковременно застойно-промывном режиме
9 -
8 -7 -
наибольшее
наименьшее . среднее
£6 - - -
5 -
4 -
3 -
Вариант (слева направо): сахароза, контроль, фильтрат, нефть + солома, солома, нефть, нефтепродукты, нефть + СПАВ, нефть + опилки, нефть + меласса (4 %) + сброженный навоз, нефть + сброженный навоз, сахароза + гипс, сахароза + сульфат натрия, нефть + сахароза (1 %) + сброженный навоз, нефть + сахароза (4 %) + сброженный навоз.
Рис. 6. Влияние органических поллютантов, сорбентов и мелиорантов на значения рН лизиметрических вод из чернозема при длительно застойно-промывном
режиме
Вариант. 1: нефть + сахароза + сброженный навоз; 2: нефть + сброженный навоз; 3: нефть + опилки.
Рис. 7. Последействие глеегенеза на рН-состояние чернозема при кратковременно застойно-промывном режиме
Например, доверительные интервалы значений всех видов кислотности лизиметрических вод в момент отбора проб и через 2 месяца перекрываются, несмотря на некоторое увеличение значений рН (табл. 3). Поэтому после глеегенного воздействия следует проводить мероприятия по снижению кислотности почвы.
Таблица
3 Остаточная кислотность лизиметрических вод при глеегенезе чернозема
Вариант рН* Кислотность, мг •экв/л*
общая от органических кислот от СО2
Почва + нефть + меласса (4 %) + сброженный навоз (кратковременно застойно-промывной режим) 4,4 ± 0,2 / 4,9 ± 0,1 27.0 ± 4,2 / 20.1 ± 3,3 18,0 ± 3,4 / 17,7 ± 2,3 9,2 ± 2,4 / 4,9 ± 3,7
* Значения рН и кислотности лизиметрических вод при отборе проб (числитель) и через 2 месяца (знаменатель).
4. При глеегенном воздействии Ек-рН состояние чернозема определяется водным режимом.
Кратковременное переувлажнение создает наиболее контрастную обстановку в почве: от окислительной щелочной и нейтральной среды (гН = 28 - 31) при загрязнении нефтяными углеводородами до интенсивно восстановительной кислой (гН2 < 7) при ремедиации легко ферментируемыми веществами (табл. 4).
При длительном переувлажнении (табл. 4) глеегенез связан преимущественно с интенсивно восстановительной нейтральной средой (гН2 = 10 - 20).
Таблица
4 Ек-рН состояние гор. Ап чернозема при глеегенном воздействии
Вариант опыта ср. гН2 (тт гН) Характеристика среды
1 2 5
Кратковременное переувлажнение
Почва 28 (21) окислительная щелочная
Почва + нефть 31 (25) окислительная щелочная
Почва + моторное масло 29 (11) окислительная нейтральная
Почва + нефть + солома 30 (10) окислительная щелочная
Окончание таблицы
Почва + солома Почва + нефть + опилки Почва + нефть + 1%-ный раствор сахарозы +
ферментированный навоз
Почва + нефть + 4%-ный раствор сахарозы +
ферментированный навоз
Почва + нефть + 4%-ный раствор мелассы +
ферментированный навоз
Почва + нефть + ферментированный навоз
Почва + 1%-ный раствор сахарозы Почва + Na2SO4 + 1%-ный раствор сахарозы Почва + гипс + 1%-ный раствор сахарозы
2 5
31 (9) окислительная нейтральная 28 (22) окислительная щелочная
< 7 интенсивно
< 7 интенсивно
< 7 интенсивно
восстановительная кислая
восстановительная кислая
восстановительная кислая
слабовосстановительная
12
12
25 (22)
нейтральная интенсивно восстановительная близкая
к нейтральной интенсивно
восстановительная близкая
к нейтральной интенсивно
восстановительная близкая
Почва + нефть + СПАВ Почва + фильтрат
Почва
Почва + нефть Почва + моторное масло Почва + нефть + солома Почва + солома Почва + нефть + опилки Почва + нефть + 1%-ный раствор сахарозы +
к нейтральной
25 (10) слабовосстановительная нейтральная
26 (24) слабовосстановительная нейтральная Длительное переувлажнение
16 (10) интенсивно восстановительная нейтральная 10 интенсивно восстановительная нейтральная 15 интенсивно восстановительная нейтральная
20 (10) интенсивно восстановительная нейтральная
21 (12) слабовосстановительная нейтральная
10 интенсивно восстановительная нейтральная
ферментированный навоз
Почва + нефть + 4%-ный раствор сахарозы +
ферментированный навоз Почва+нефть + 4%-ный раствор мелассы +
ферментированный навоз
10 интенсивно восстановительная нейтральная
10 интенсивно восстановительная слабокислая
10 интенсивно восстановительная нейтральная
1
9
Почва + нефть + ферментированный навоз 10 интенсивно восстановительная нейтральная
Почва + 1%-ный раствор сахарозы 19 интенсивно восстановительная нейтральная
Почва + Na2SO4 + 1%-ный раствор сахарозы 18 интенсивно восстановительная нейтральная
Почва + гипс + 1%-ный раствор сахарозы 18 интенсивно восстановительная нейтральная
Почва + нефть + СПАВ13 интенсивно вос тановитель ная нейтральная Почва + фильтрат 24
слабовосстановительная нейтральная
Таким образом, в результате наших исследований были сделаны следующие выводы:
1. В южно-таежной подзоне и лесостепи поступление в переувлажненную почву углеводородов нефти и других органических веществ, подвергающихся анаэробной ферментации, служит причиной возникновения техноглеегенеза.
2. Следствием глеегенеза является трансформация Е^-рН состояния почвы. Наиболее глубокие изменения наблюдаются при периодическом кратковременном переувлажнении. В присутствии нефти и нефтепродуктов в сочетании с растительными остатками в почве преобладает окислительная щелочная или нейтральная обстановка. Наличие углеводов в черноземе, загрязненном нефтью, формирует интенсивно восстановительную кислую среду. При периодически промывном водном режиме, как и при длительном затоплении, Е^-рН состояние чернозема изменяется в меньшей степени.
3. На фоне глеегенеза при наличии углеводородов нефти в почве накапливаются органические кислоты и происходит падение рН чернозема. После сброса избыточной воды повышенная кислотность почвы сохраняется. Это позволяет рекомендовать либо период «покоя» в 1-2 месяца между ремедиацией почвы углеводсодержащими мелиорантами и посевом, либо известкование почв после промывок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богдановский, Г.А. Химическая экология. - М. : Изд-во Моск. гос. ун-та, 1994. - 237 с.
2. Глазовская, М.А. Теория геохимии ландшафтов в приложении к изучению техногенных потоков рассеяния и анализу способности природных систем к самоочищению // Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние экосистем. - М. : Наука, 1981. - С. 7-41.
3. Давыдова, И.Ю. Исследование способности к самоочищению нефтезагрязненных почв лесостепи методом мультисубстратного тестирования // Сб. науч. тр. / Ряз. гос. с.-х. акад. им. П.А. Костычева. - Рязань, 2001. - С. 13-15. 4. Давыдова, И.Ю. Гидрогеологические факторы деградации лесостепных почв, прилегающих к предприятиям нефтепродуктообеспечения / И.Ю. Давыдова, Ю.А. Мажайский // Экологическое состояние природной среды и научнопрактические аспекты современных мелиоративных технологий: сб. науч. тр. / Мещерский филиал ГНУ ВНИИГиМ ; под общ. ред. Ю.А. Мажайского. - Рязань, 2004. - С. 528-538.
5. Давыдова, И.Ю. Эколого-мелиоративные мероприятия при техногенезе почв южной тайги и лесостепи европейской части России под влиянием нефтегазового комплекса / И.Ю. Давыдова, Ю.А. Мажайский // Сохранение и повышение продуктивности мелиорируемых земель Центра Нечерноземной зоны России и Беларуси / Ряз. гос. с.-х. акад. им. П.А. Костычева ; Под общ. ред. Ю.А. Мажайского, А.П. Лихацевича. - Рязань, 2005. - С. 301-356.
6. Давыдова, И.Ю. Трансформация Еи-рН состояния черноземов в связи с техногенным глееобразованием // Вестник Ряз. гос. ун-та. - 2005. - № 2/12. - С. 91-100.
7. Зайдельман, Ф.Р. Подзоло- и глееобразование. - М. : Наука, 1974. - 204 с.
8. Зайдельман, Ф.Р. Влияние состава вод и режима обводнения на свойства черноземных почв в условиях модельного эксперимента / Ф.Р. Зейдельман, А.С. Никифорова, И.Ю. Давыдова // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. -1987. - № 4. - С. 27-34.
9. Пашкевич, М.А. Геохимия окружающей среды. - СПб., 1997. - 59 с.
10. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта / А.И. Перельман, Н.С. Касимов. - М. : Астрея-2000, 1999. - 768 с.
11. Солнцева, Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. - М. : Изд-во Моск. гос. ун-та, 1998. - 376 с.
