CC BY
33
УДК 631.4:502.76
DOI 10.29003/m1385.0514-7468.2020_42_2/153-159
рекультивация нарушенных почв на тазовском полуострове
В.Н. Башкин, Р.В. Галиулин1
Представлены материалы по эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв на Тазовском полуострове (Ямало-Ненецкий автономный округ), осуществлённой путём анализа активности фермента дегидрогеназы почвы. Для этой цели результаты анализа активности дегидрогеназы рекультивированной почвы сопоставляли с результатами анализа активности дегидрогеназы нарушенной почвы на момент начала рекультивации, взятыми из базы данных, хранящихся в лаборатории, контролирующей этот процесс.
Kлючевые слова: Тазовский полуостров, нарушенные тундровые почвы, диагностика эффективности рекультивации, активность фермента дегидрогеназы.
Ссылка для цитирования: Башкин В.Н., Галиулин Р.В. Рекультивация нарушенных почв на Тазовском полуострове // Жизнь Земли. 2020. Т. 42, № 2. С. 153-159. DOI 10.29003/ml385.0514-7468.2020_42_2/153-159
Поступила 24.01.2020 /Принята к публикации 20.05.2020
the recultivation of disturbed soils in the taz peninsula
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
The results of disturbed tundra soils recultivation efficiency in the Taz peninsula (Yamalo-Nenets Autonomous District) carried out by analysis of dehydrogenase enzyme activity of soil are presented. For this purpose, the results of analysis of dehydrogenase activity of recultivated soil were compared with the results of analysis of dehydrogenase activity of disturbed soil at the moment of beginning of recultivation, taken from database stored in laboratory that controls this process.
Keywords: Taz peninsula, disturbed tundra soils, diagnostics of recultivation efficiency, dehydrogenase enzyme activity.
Введение. Наблюдения показывают, что при проведении геологоразведочных работ, обустройстве и разработке газоконденсатных месторождений в Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО) (67°15' с. ш., 74°40' в. д.) происходит механическое воздействие проезжающей техники на почвенно-растительный покров тундры. В результате почвы частично или полностью лишаются растительности и органогенного слоя с выходом минеральных горизонтов на дневную поверхность, что приводит к нарушению биогеохимических циклов химических элементов на трёх различных уровнях: микроорганизмов, низших беспозвоночных организмов, а также травянистой и древесной растительности [3, 4]. Как известно, роль микроорганизмов заключается в том, что они производят минерализацию органических остатков в почве, а отмирая высвобождают от своей массы различные химические элементы, которые вступают в новые биогео-
1 Башкин Владимир Николаевич - д.б.н., профессор, г.н.с. Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН, [email protected]; Галиулин Рауф Валиевич - д.г.н., в.н.с. Института фундаментальных проблем биологии РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН, [email protected].
Жизнь Земли 42(2) 2020 153-159 1 53
химические циклы. Что касается низших беспозвоночных организмов, то они перерабатывают органические остатки, аккумулируя гумус в почве, и оказывают влияние на состав почвенного воздуха. Известно также, что травянистая растительность, в отличие от древесной, характеризуется ускоренным биогеохимическим циклом в системе почва-растение.
Между тем в условиях тундры в результате нарушения почвенно-растительного покрова может начаться развитие термоэрозии, т. е. эрозии, характерной для многолетней мерзлоты, приводящей к оврагообразованию и песчаным обнажениям и, как следствие, к геологической нестабильности газопроводов и других технических сооружений, что создаёт риск возникновения различных аварийных ситуаций. Почва обладает самовосстановлением, приводящим к возрождению почвенно-растительного покрова, однако этот процесс может занимать десятки лет. В этой связи становится чрезвычайно актуальной своевременная рекультивация нарушенных тундровых почв, включая регенерацию биогеохимических циклов химических элементов.
Анализ литературы свидетельствует об отсутствии достаточно эффективных способов рекультивации нарушенных тундровых почв, которые были бы, во-первых, адаптированными к природным условиям ЯНАО, во-вторых, приемлемость этих способов для практики определялась бы по эффективности регенерации нарушенных биогеохимических циклов химических элементов, прежде всего, на уровне микроорганизмов, и, в-третьих, были бы простыми и экономически приемлемыми для реализации.
Использованная нами в данной работе технология рекультивации нарушенных тундровых почв практически отвечает всем этим требованиям, в отличие от других технологий, предложенных или реализуемых разными авторами на полуострове Ямал (71° с. ш., 70° в. д.), в районе расположения Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения [1, 7, 8, 12-14]. Эти технологии характеризуются применением разнообразных привозных, искусственно создаваемых средств рекультивации для восстановления плодородия нарушенных тундровых почв в ЯНАО. В числе таких средств, в частности, используются минеральные и органические удобрения, вносимые в почву как отдельно, так и в виде их комбинаций; гранулы в комплексе с минеральными и органическими удобрениями и семенами многолетних злаковых трав; биоматы (специальные геотекстильные полотна), представляющие собой композиции, состоящие из двух и более слоёв, частично (из-за синтетической армирующей основы) или полностью био-деградируемые, с закреплёнными в их слоях минеральными и органическими удобрениями, семенами многолетних злаковых трав, стимуляторами роста и развития растений, штаммами почвенных микроорганизмов, влагоудерживающими и другими компонентами. При этом эффективность данных технологий оценивается на уровне травянистой растительности методом проективного покрытия, путём учёта количества и плотности растений, высоты и веса ростков и степенью развитости их корневой системы.
Недавняя апробация одной из подобных технологий на полуострове Ямал [7, 8] показала, что, при использовании, например, биоматов, растения испытывали затруднения при прорастании семян первого поколения сквозь полотно, а синтетическая армирующая основа этих композиций существенно препятствовала развитию корневой системы растений и прорастанию семян растений последующих поколений в почве. Однако полный отказ от синтетической армирующей основы биоматов снижал их про-тивоэрозионные свойства в отношении почвы. Кроме того, было отмечено, что аномально жаркое и сухое лето (выше 30°С), наблюдавшееся в 2016 г. в ЯНАО, весьма негативно отразилось на росте и развитии растений на рекультивируемых участках. 154
В настоящее время на Тазовском полуострове (68°09' с. ш., 76°02' в. д.) в импакт-ных зонах газовой промышленности реализуется созданная авторами так называемая инновационная биогеохимическая технология рекультивации нарушенных тундровых почв (рис. 1) [11]. Суть этой технологии заключается во внесении местного торфа в нарушенные тундровые почвы с учётом их гранулометрического состава или полной влагоёмкости в зависимости от рельефа местности, а также посева и выращивания смеси многолетних злаковых трав, с использованием получаемого из местного торфа гумата калия как стимулятора роста и развития растений.
Основным критерием оценки эффективности данной технологии является определение активности дегидрогеназы почвы как фермента, катализирующего реакцию дегидрирования, т. е. отщепления водорода от органических веществ почвы (углеводов, спиртов, кислот и др.). При этом под выражением активность дегидрогеназы почвы следует понимать активность дегидрогеназы микроорганизмов почвы, т. е. действующей как внутриклеточный фермент, а также являющейся одним из главных компонентов ферментативного пула микроорганизмов, участвующих в биогеохимических циклах химических элементов [6, 15, 16].
Цель работы - показать, как посредством анализа активности дегидрогеназы осуществляли диагностику эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв на отдельных участках территории Тазовского полуострова, в районе функционирования объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» - дочерней компании ПАО «Газпром». Способ реализации данного подхода был защищён патентом РФ на изобретение № 2672490 [5].
Методика исследования. Рекультивацию нарушенных тундровых почв, полностью лишённых растительности и органогенного слоя, проводили в 2016 г. на двух участках (№ 1 и № 2) территории Тазовского полуострова. Восстановление утраченного плодородия почв данных участков выполняли путём внесения в них местного торфа в количествах, рассчитанных с учётом полной влагоёмкости почв, посева и выращивания смеси многолетних злаковых трав (овсяница красная - Festuca rubra, овсяница луговая - Festuca pratensis, мятлик луговой - Poa pratensis, райграс пастбищный - Lolium perenne, тимофеевка луговая - Phleum pratense) и применения гума-та калия, используемого для замачивания семян перед посевом, корневой подкормки и некорневой подкормки (опрыскивания) способами, подробно описанными в работе [11]. Спустя два года из этих участков отбирали репрезентативные усреднённые образцы почвы методом «конверта», т. е. путём смешивания пяти отдельных проб, взятых из пяти условных точек. Затем осуществляли подготовку образца почвы к биохимическому анализу посредством её воздушного высушивания до рассыпчатого состояния при комнатной температуре, очистки от твёрдых включений (камней и
Рис. 1. Карта-схема территории функционирования объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» (ЯНАО): 1 - полуостров Ямал; 2 - Тазовский полуостров; 3 - междуречье рек Пур и Таз; 4 - Гыданский полуостров;
5 - участок № 1; 6 - участок № 2; а - реки;
6 - озёра, в - болота.
Fig. 1. The map-scheme of the territory of LLC «Gazprom dobycha Yamburg» with production sites (Yamalo-Nenets Autonomous District): 1 - the Yamal Peninsula, 2 - the Taz Peninsula, 3 - interfluve of the Pur and Taz rivers, 4 - the Gydan Peninsula, 5 - site of No.1, 6 - site of No.2, a - rivers, b - lakes, c - swamps.
^^SetMUii-
2020, том 42, № 2
корней), измельчения и просеивания через сито диаметром ячеек 2 мм, отбора проб почвы для анализа из образцов не менее чем в 6-кратной повторности, что позволяет сильно снизить ошибку результатов анализа фермента [2]. Диагностику эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв выполняли путём анализа активности дегидрогеназы в пробах почвы спектрофотометрическим методом, а результаты анализа выражали в мкг С19И16М4/(г/сут), т. е. 2,3,5-трифенилформазана, образуемого из 2,3,5-трифенилтетразолийхлорида (C19H15N4Cl) согласно реакции [5]:
C19H15N4CI + И2 = СИН16^ + HCl.
Результаты и обсуждение. Исследования показали, что в почве участка № 1 активность фермента дегидрогеназы повысилась в среднем в 57 раз, как свидетельство начала регенерации нарушенных биогеохимических циклов химических элементов на уровне микроорганизмов (табл. 1). В то же время на участке № 2 активность дегидро-геназы практически не изменилась.
Taблица 1. Активность фермента дегидрогеназы в почвах двух участков на территории Тазовского полуострова
Table 1. Dehydrogenase enzyme activity in soils of two sites in the Taz Peninsula territory
Почва Активность фермента дегидрогеназы, мкг ЦДбМ^г/сут) Почва Активность фермента дегидрогеназы, мкг ЦДДДг/сут)
Нарушенная почва участка № 1 5,6±0 Нарушенная почва участка № 2 5,3±0
Рекультивированная почва участка № 1 320,4±31,3 Рекультивированная, но повторно нарушенная почва участка № 2 7,1±2,7
Впоследствии выяснилось, что через год после осуществления рекультивации нарушенной тундровой почвы участка № 2 произошло непредвиденное прохождение через него техники с целью оперативного устранения аварийной ситуации на одном из объектов добычи природного газа. Это вызвало повторное нарушение почвенно-рас-тительного покрова, и поэтому на этом участке возникла необходимость возобновить рекультивацию почвы также с применением изначальной технологии, т. е. путём внесения местного торфа, посева и выращивания многолетних злаковых трав и использования гумата калия как стимулятора роста и развития растений [11].
Статистическая обработка результатов анализа активности дегидрогеназы почв двух участков путём оценки существенности разности выборочных средних по ¿-критерию [2] показала следующее. В случае участка № 1, при числе степеней свободы V = п1 + п2 - 2 = 6 + 6 - 2 = 10, где п1 и п2 - пробы почвы, взятые для анализа в шестикратной повторности, £теоретический при £05 равнялся 2,23, ^ - 3,17 и 1001 - 4,59, в то время как 1факТИЧескИЙ составил 10,06, т. е. был больше значений и^еский Это доказало эффективность рекультивации нарушенной почвы по фактическому значению ^критерия и позволило считать участок № 1 рекультивированным (табл. 2).
_ ъ-Ъ _ 320,4-5,6 _314,8
факгаческий Г^ ^ ^ + ^ 3^3 , >
\ х2 "1
_ хА-хъ _ 7,1-5,3 _ 1,8
фа— ГГ—Г Г—Г 2)7 . •
Таблица 2. Оценка существенности разности выборочных средних по t-критерию активности фермента дегидрогеназы [мкг С Н ЫДг/сут)] почв участков № 1 и № 2 на Тазовском полуострове
Table 2. Assessment of essentiality of selective averages difference on t-criterion of dehydrogenase enzyme activity [mkg C19H16N4/(g/ • day)] of soil sites of No.1 and No.2 in the Taz Peninsula
n Варианты Хп - средняя арифметическая; ¡¡_ - ошибка средней арифметической хп
1 Нарушенная почва участка № 1 на момент начала рекультивации х, ± ^ =5,6+0
2 Рекультивированная почва участка № 1 х2 ± = 320,4 ± 31,3
3 Нарушенная почва участка № 2 на момент начала рекультивации ±^з=5,3± 0
4 Рекультивированная почва участка № 2, но повторно нарушенная *4± ¿5=7,1 ±2,7
Для участка № 2 при числе степеней свободы V = п3 + п4 - 2 = 6 + 6 - 2 = 10, где п3 и п4 -пробы почвы, взятые для анализа в шестикратной повторности, £теоретичес1<ий при равнялся 2,23, - 3,17 и £001 = 4,59, в то время как £фактический составил 0,67, т. е. был меньше значений £георетический- Это не доказало эффективность рекультивации нарушенной почвы по фактическому значению ^критерия и позволило считать участок № 2 нерекультивированным.
Между тем факт положительного действия местного торфа при восстановлении плодородия нарушенной тундровой почвы участка № 1 можно объяснить специфическим для данного региона содержанием различных видов углерода в торфе, что ранее было установлено в сравнительных исследованиях методом 13С ЯМР-спектроскопии образцов торфа, взятых из двух регионов [9-11]. Так, в торфе из ЯНАО по сравнению с торфом из смежного Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) (62°15' с. ш., 70°10' в. д.) содержание алифатического углерода было больше (в 2,3-2,7 раза), чем ароматического углерода. Однако содержание ароматического углерода в торфе из ЯНАО было меньше (в 1,8-2,6 раза), чем в торфе из ХМАО, в то время как количество полисахарид-ного углерода было соответственно больше (в 2,0-4,2 раза). В целом это свидетельствует об относительно низкой ароматичности гуминовых кислот в торфе из ЯНАО и большей роли полисахаридов в их формировании. В результате были установлены отличительные признаки гуминовых кислот торфа ЯНАО, характеризующие их специфические региональные особенности, которые послужили основанием не только для использования местного торфа для рекультивации нарушенных тундровых почв, но и получения из него гумата калия как стимулятора роста и развития многолетних злаковых трав [11]. Это подчёркивает, с одной стороны, адаптированность используемой нами технологии рекультивации нарушенных тундровых почв к природным условиям ЯНАО, а с другой -несложность её выполнения и экономическую приемлемость для реализации.
Заключение. Диагностика эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв на Тазовском полуострове в районе функционирования объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» была осуществлена посредством анализа активности фермента дегидрогеназы. При этом результаты анализа активности дегидрогеназы рекультивированной почвы сопоставляли с результатами анализа активности дегидрогеназы нарушенной почвы на момент начала рекультивации, взятыми из базы данных, хранящейся в лаборатории, контролирующей процесс рекультивации. Об эффективности
рекультивации нарушенных тундровых почв судили путём оценки существенности разности выборочных средних по t-критерию, позволяющему установить достоверное различие между активностью дегидрогеназы рекультивированной и нарушенной почвы как свидетельство регенерации биогеохимических циклов химических элементов на уровне микроорганизмов. В случае если это различие оказывалось статистически недостоверным, например, в результате повторного нарушения целостности почвен-но-растительного покрова, то на искомом участке возобновляли процесс рекультивации до полного восстановления плодородия нарушенной почвы.
Работа выполнена в рамках темы Министерства науки и высшего образования РФ «Физико-химические и биогеохимические процессы в антропогенно загрязнённых почвах», № 0191-2019-0049.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галямов A.A., Гаевая Е.В., Захарова Е.В. Биологическая рекультивация сельскохозяйственных земель (оленьих пастбищ) на полуострове Ямал // Вестник КрасГАУ. 2015. № 10. С. 17-22.
2. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
3. Ивлев А.М. Биогеохимия. М.: Высшая школа, 1986. 127 с.
4. Ковда В.А. Биогеохимические циклы в природе и их нарушение человеком // Биогеохимические циклы в биосфере. Материалы VII Пленума СКОПЕ. Москва, 15-22.11.1974 г. М.: Наука, 1976. С. 19-85.
5. Патент Российской Федерации на изобретение № 2672490. Способ биохимического контроля эффективности рекультивации нарушенных и загрязнённых 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.
6. Петерсон Н.В. Дегидрогеназная активность в почве как проявление активности её микрофлоры // Микробиология. 1967. Том XXXVI. Вып. 3. С. 518-525.
7. Пыстина Н.Б., Баранов А.В., Листов Е.Л., Будников Б.О. Совершенствование технологий рекультивации нарушенных и загрязнённых земель на месторождениях углеводородов Крайнего Севера // Научный вестник Ямало-Ненецкого автономного округа. 2016. № 2 (91). С. 4-8.
8. Пыстина Н.Б., Унанян К.Л., Ильякова Е.Е., Хохлачёв Н.С., Лужков В.А. Совершенствование технологий рекультивации ландшафтов на склонах в условиях Крайнего Севера // Арктика: экология и экономика. 2017. № 2 (26). С. 27-34.
9. Сартаков М.П. Спектроскопия ЯМР 13С гуминовых кислот торфов Среднего Приобья // Химия растительного сырья. 2008. № 3. С. 135-139.
10. Alekseev A.O., Bashkin V.N. NMR 13C measurements for assessing humates from tundra peats // Ecological and Biogeochemical Cycling in Impacted Polar Ecosystems. New York: Nova Science Publishers, 2017. P. 101-128.
11. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Geoecological Risk Management in Polar Areas. Cham: Springer Nature Switzerland AG. 2019. 156 p.
12. Gaevaya E.V., Zakharova E.V., Skipin L.N., Galyamov A.A. Improvement of biological recultivation technology of disturbed soils of oil, gas and condensate field // Advances in Engineering Research. 2017. V. 133. P. 215-220.
13. Gagloeva A.E., Aistov I.P. Peculiarities of using biomass for oil-contaminated soils remediation in the Far North regions // J. of Soil and Water Science. 2018. V. 1 (1). P. 26-28.
14. Iglovikov A.V., Motorin A.S. Emerging technologies for recultivation of disturbed sandy soil after anthropogenic disturbances in the industrial development of the Far North // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. No. 194. P. 1-8.
15. Kumar S., Chaudhuri S., Maiti S.K. Soil dehydrogenase enzyme activity in natural and mine soil - A review // Middle-East J. of Sci. Research. 2013. V. 13 (7). P. 896-906.
16. Onet A. Relation between enzymatic activities and counts of soil microorganisms // Analele Universitatii din Oradea, Fascicular Protectia Mediului. 2007. V. XII. P. 224-230.
REFERENCES
1. Galyamov A.A., Gaevaya E.V., Zakharova E.V. Biological recultivation of agricultural lands (deer pastures) in the Yamal Peninsula. Vestnik KrasGAU [Herald of the KrasSAU]. 10, 17-22 (2015) (in Russian).
2. Dospekhov B.A. Field experience methodology (with basic statistical processing of research results). 351 p. (Moscow: Agropromizdat, 1985) (in Russian).
3. Ivlev A.M. Biogeochemistry. 127 p. (Moscow: Vysshaya Shkola, 1986) (in Russian).
4. Kovda V.A. Biogeochemical cycles in nature and their disturbance by human. Biogeochemical cycles in biosphere. Materials of VII Plenum of SCOPE. Moscow, 15-22.11.1974. P. 19-85 (Moscow: Science, 1976) (in Russian).
5. Russian Federation patent on invention No. 2672490. Method of biochemical control of recultivation efficiency of the disturbed and contaminated tundra soils. Arno O.B., Arabsky A.K., Bashkin V.N., Galiulin R.V., Galiulina R.A., Solovishchuk L.A., Makliuk O.V. Pub. 15.11.2018. Bull. No. 32 (in Russian).
6. Peterson N.V. Dehydrogenase activity in soil as function of its microflora activity. Mikrobiolo-giya [Microbiology]. XXXVI (3), 518-525 (1967) (in Russian).
7. Pystina N.B., Baranov A.V., Listov E.L., Budnikov B.O. Improvement of recultivation technologies of the disturbed and contaminated lands on fields of hydrocarbons of the Far North. Nauchnyj vestnik Yamalo-Nenetskogo AO [Sci. Herald of the Yamal-Nenets Autonomous District]. 2 (91), 4-8 (2016) (in Russian).
8. Pystina N.B., Unanyan K.L., Ilyakova E.E., Khokhlachev N.S., Luzhkov, V.A. Improvement of recultivation technologies for landscapes on slopes in conditions of the Far North. Arktika: ekologiya I ekonomika [The Arctic: Ecology & Economy]. 2 (26), 27-34 (2017) (in Russian).
9. Sartakov M.P. Spectroscopy of NMR 13C of humic acids of peats of the Middle Ob river region. Himiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Vegetable Raw Materials]. 3, 135-139 (2008) (in Russian).
10. Alekseev A.O., Bashkin V.N. NMR 13C measurements for assessing humates from tundra peats. Ecological and Biogeochemical Cycling in Impacted Polar Ecosystems. P. 101-128 (NY: Nova Science Publishers, 2017).
11. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Geoecological Risk Management in Polar Areas. 156 p. (Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2019).
12. Gaevaya E.V., Zakharova E.V., Skipin L.N., Galyamov A.A. Improvement of biological recultivation technology of disturbed soils of oil, gas and condensate field. Advances in Engineering Research. 133, 215-220 (2017).
13. Gagloeva A.E., Aistov I.P. Peculiarities of using biomass for oil-contaminated soils remediation in the Far North regions. J. of Soil and Water Sci. 1 (1), 26-28 (2018).
14. Iglovikov A.V., Motorin A.S. Emerging technologies for recultivation of disturbed sandy soil after anthropogenic disturbances in the industrial development of the Far North. IOP Conference Series: Earth and Environ. Sci. 194, 1-8 (2018).
15. Kumar S., Chaudhuri S., Maiti S.K. Soil dehydrogenase enzyme activity in natural and mine soil - A review. Middle-East J. of Sci. Research. 13 (7), 896-906 (2013).
16. Onet A. Relation between enzymatic activities and counts of soil microorganisms. Analele Universitatii din Oradea, Fascicula: Protectia Mediului. XII, 224-230 (2007).
