CC BY
17УДК 631.4:502.76
ISSN 1812-5220
© Проблемы анализа риска, 2017
Риск нарушенных почв Тазовского полуострова (Ямало-Ненецкий автономный округ)
A. К. Арабский,
ООО «Газпром добыча Ямбург», Ямало-Ненецкий автономный округ, г. Новый Уренгой
B. Н. Башкин,
ФГБУН Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Московская область, г. Пущино
Р. В. Галиулин, Р. А. Галиулина,
ФГБУН Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Московская область, г. Пущино
Аннотация
Оценивается риск нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова (Ямало-Ненецкий автономный округ) в районе производственной деятельности ООО «Газпром добыча Ямбург». Проблема риска нарушенных почв решается путем их рекультивации с использованием торфа и определения эффективности данного процесса посредством биохимического анализа почв.
Ключевые слова: нарушенная почва, риск, рекультивация, торф, биохимический анализ.
Содержание
Введение
1. Материалы и методы исследования
2. Результаты и их обсуждение Заключение
Литература
Введение
Тазовский полуостров находится на севере Западно-Сибирской равнины в Ямало-Ненецком автономном округе (67°15' с. ш., 74°40' в. д.) между Обской губой (морским заливом) на западе и Тазовской губой на востоке (рис.) [1]. Поверхность полуострова равнинная, покрыта многочисленными озерами и болотами, слабо наклонена на востоке к Тазовской губе и падает крупными обрывами на западе к Обской губе. Тазовский полуостров с характерными для тундры мохово-лишайниковыми, луговыми, болотными и кустарниковыми растительными ассоциациями представляет собой идеальные условия для пастбищного оленеводства.
Вместе с тем Тазовский полуостров располагает уникальными месторождениями природного газа, на которых дочерняя компания ПАО «Газпром» — ООО «Газпром добыча Ямбург» проводит геолого-разведочные работы, обустройство и разработку новых месторождений, а также осуществляет добычу газа и газового конденсата и их подготовку к транспорту. В процессе подобного рода производственной деятельности не исключаются, в частности, механические воздействия на почвенно-растительный покров при проезде техники, связанной с осуществлением разведки, бурением скважин и обустройством промыслов. В результате тундровые почвы частично или полностью лишаются растительного покрова и органогенного слоя, при этом минеральные горизон-
ты выходят на дневную поверхность и изменяется криогенная обстановка [2—4]. Однако почва обладает самовосстановлением плодородия, обусловленным постепенной регенерацией на ней растительного покрова. Так, на дренированных участках, не затронутых необратимыми криогенными процессами (термоэрозией, солифлюкцией и термокарстом), начальный период самовосстановления почв характеризуется заселением различными видами травяно-злаковой ассоциации, не характерными для естественных сообществ. При высокой продуктивности заселяемых видов, большом количестве растительного опада, бурном развитии дернового процесса происходит интенсивное накопление гумуса в верхних горизонтах почв. Завершающий период регенерации растительного покрова характеризуется вытеснением видов травяно-злаковой ассоциации коренными для тундры растениями — мхами и лишайниками.
Между тем ООО «Газпром добыча Ямбург», следуя принципам триединой концепции устойчивого развития (sustainable development), во всех аспектах своей производственной деятельности руководствуется соблюдением баланса между экономическими, социальными и экологическими ее составляющими [1]. Одними из основополагающих принципов экологической политики данной компании являются минимизация негативного воздействия и сохранение окружающей среды в зоне размещения ее производственных объектов, что реализуется, в частности, в рекультивации нарушенных тундровых почв. Так, например, на почвах, лишенных органогенного слоя, создается плодородный слой (толщиной 5—6 см) путем покрытия смесью торфа и песка в соотношении 1:4 [4].
Применение торфа для рекультивации нарушенных почв неслучайно, 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, характеризующиеся высоким содержанием углерода, и все необходимые для растений питательные элементы. Из таких трех элементов питания, как азот, фосфор и калий, в торфе больше всего содержится азота (до 3,5%). Кроме того, торф обладает определенным пулом различных физиологических групп микроорганизмов
Рисунок. Карта-схема территории отбора образцов почв и торфа (68°09'с. ш., 76°02'в. д.): 1 — полуостров Ямал; 2 — Тазовский полуостров; 3 — Гыданский полуостров; 4 — междуречье рек Пур и Таз; а — реки; б — озера; в — болота; г — условный район отбора образцов почв и торфа для исследований in vitro
(аммонификаторы-аэробы, споровые бактерии, олигонитрофилы, грибы, нитрификаторы, дени-трификаторы, маслянокислые бактерии), участвующих в разложении органического вещества торфа, что делает доступным для растений элементы питания [5]. Примечательно также, что темный цвет торфа способствует поглощению тепла и быстрому прогреву почвы, что особенно важно при ее рекультивации в условиях Крайнего Севера.
Однако в условиях сурового климата тундры об эффективности рекультивации почв с использованием торфа можно будет судить по факту регенерации на них растительного покрова только спустя десятки лет после начала этого мероприятия [3, 4]. Поэтому становится крайне важной разработка подхода по оперативной оценке эффективности рекультивации нарушенных почв в условиях in vitro посредством их биохимического анализа, т. е. определения активности ферментов как ключевых показателей процесса восстановления почвенного плодородия.
Цель работы — решение проблемы риска нарушенных почв Тазовского полуострова путем их рекультивации с использованием торфа и оперативной оценки эффективности данного процесса посредством биохимического анализа почв.
1. Материалы и методы исследования
Усредненные образцы из слоя 0—6 см двух нарушенных тундровых почв подзолистого типа, представляющих собой по гранулометрическому составу связный песок, были отобраны на участках в районе расположения установок комплексной подготовки газа, обеспечивающих сбор и обработку природного газа и газового конденсата в соответствии с требованиями отраслевых и государственных стандартов. Здесь под связным песком понимается содержание физической глины (частицы < 0,01 мм) в почве в количестве 5—10%. На одном участке растительный покров отсутствовал, на другом участке отмечалась регенерация растительного покрова в виде отдельных представителей травяно-злаковой ассоциации и мхов. Содержание Сорг в почве без растительного покрова было 0,2%, а с растительным покровом — 0,9%. В опытах для рекультивации нарушенных почв применяли торф, добавляемый в почву в соотношении 1:4. В качестве почвенного эталона сравнения использовали слой 0—10 см торфяно-глеезема типичного тундрового [6]. Краткая физико-химическая характеристика исследуемых образцов почв и торфа приведена в табл. 1.
Для оценки эффективности рекультивации нарушенных почв образцы массой 50 г без добавления и с добавлением торфа, увлажненные до 70% от полной влагоемкости, инкубировали в чашках Петри в термостате при температуре 30 °С. Здесь под полной влагоемкостью понимается то наибольшее количество влаги, которое содержится в почве при полном насыщении всех ее пор. В динамике на 5-е, 10-е, 20-е и 30-е сут проводили биохимиче-
ский анализ почв посредством определения активности каталазы и дегидрогеназы соответственно газометрическим и спектрофотометрическим методами, защищенными патентами Российской Федерации [7, 8].
2. Результаты и их обсуждение
Известно, что из исследуемых ферментов каталаза инициирует реакцию разложения пероксида водорода на воду и кислород, образующегося в процессе дыхания микроорганизмов и в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ. Активность каталазы почв принято рассматривать как показатель не только функциональной активности микрофлоры, но и сохранности ферментов в постмортальном растительном материале [9]. Что касается дегидрогеназы, то ее роль заключается в катализе реакции дегидрирования (отщеплении водорода) органических веществ (углеводов, спиртов и органических кислот), поступающих с растительными остатками. Регрессионный анализ выявил высокую положительную сопряженность (квадрат коэффициента корреляции, г2 = 0,90—0,98) активности каталазы и дегидроге-назы по типу линейной функции, что заключается в передаче отщепляемого дегидрогеназой водорода кислороду воздуха с образованием воды и (или) пе-роксида водорода, последующее разложение которого осуществляет каталаза.
Данные табл. 2 показывают, что наиболее близкой к активности каталазы торфяно-глеезема типичного тундрового, принятой за 100%, была соответствующая активность нарушенной почвы с растительным покровом, которая за пери-
Физико-химическая характеристика образцов почв и торфа Тазовского полуострова
Таблица 1
Образец Плотность, г/см3 Капиллярная влагоемкость, % Полная влагоемкость, % рНвод
Торфяно-глеезем типичный тундровый 0,39 216 315 5,1
Торф 0,40 216 420 5,4
Нарушенная почва без растительного покрова 1,71 25 32 5,9
То же + торф, 4:1 1,04 66 80 5,1
Нарушенная почва с растительным покровом 1,54 37 43 5,1
То же + торф, 4:1 0,89 78 102 5,3
Динамика активности ферментов нарушенных почв Тазовского полуострова Таблица 2
при их рекультивации с использованием торфа
Образец Активность каталазы/дегидрогеназы, в % от активности торфяно-глеезема типичного тундрового
сутки
5 10 20 30
Торф 43,8/128,5 40/100 53,8/96,7 63,6/101,2
Нарушенная почва без растительного покрова 25,0/9,2 20,0/6,7 23,1/7,6 27,3/5,9
То же + торф, 4:1 25,0/32,6 20,0/23,9 23,1/19,0 27,3/23,7
Нарушенная почва с растительным покровом 75,0/18,6 73,3/13,6 61,5/15,1 72,7/11,9
То же + торф, 4:1 37,5/70,5 40,0/58,6 61,5/59,9 54,5/41,0
од наблюдения составляла 61,5—75,0%, что выше активности даже торфа, используемого для рекультивации почв. Это позволяет сделать вывод о значимом вкладе растений в биохимическую активность почвы через постмортальный растительный материал благодаря сохраняющимся в нем ферментам. Как видно, регенерация растительного покрова как самовосстановление нарушенной почвы диагностировалась путем повышения активности каталазы.
Противоположная картина наблюдалась в случае активности дегидрогеназы, как известно, коррелирующей с общим количеством микроорганизмов в почве, при определении которой реально анализируется соответствующая функциональная активность микрофлоры, ферменты которой воздействуют на субстраты дегидрирования (углеводы, спирты и органические кислоты) [9]. Так, за весь период наблюдения добавление торфа существенно повышало активность дегидрогеназы нарушенной почвы без растительного покрова, и особенно с растительным покровом, т. е. эффективность рекультивации нарушенных почв с помощью торфа четко диагностировалась путем повышения активности данного фермента. Что касается активности дегидрогеназы самого торфа, то она не только достигала соответствующей активности фермента торфяно-глеезема типичного тундрового, но и в первые 5 сут была выше на 28,5%.
Доказательством адекватности использования активности дегидрогеназы при оценке эффектив-
ности рекультивации нарушенных почв с помощью торфа послужили результаты корреляционного и регрессионного анализа данных опыта. Так, расчет коэффициента корреляции, указывающего на направление и степень сопряженности в изменчивости признаков, показал наличие сильной корреляционной зависимости между активностью де-гидрогеназы и удельным весом образцов (г = -0,95), активностью дегидрогеназы и капиллярной влаго-емкостью (г = 0,95), а также активностью дегидро-геназы и полной влагоемкостью (г = 0,95) образцов. Соответствующие формулы корреляционной зависимости, т. е. уравнения линейной регрессии, позволяющие судить о том, как количественно меняется результативный признак (у) при изменении факто-риального (х) на единицу измерения, имели следующий вид:
у = 76,9 — 44,4х; у = 2,74 + 0,28х; у = 7,71 + 0,15х.
Как оказалось, чем меньше удельный вес и соответственно больше капиллярная и полная вла-гоемкость, определяемая в значительной степени органической составляющей используемых образцов, тем выше активность дегидрогеназы. Это подтверждается данными работ [9, 10], где отмечалось повышение активности дегидрогеназы с возрастанием влажности в различных почвах. Ведущее значение влажности в активности дегидрогеназы почвы связано с тем, что влага определяет нормальное физиологическое состояние микроорганизмов и растений, продуцирующих ферменты в почве,
а также поддерживает в реакционном состоянии ферменты и их субстраты (углеводы, спирты и органические кислоты).
Заключение
Таким образом, оперативная оценка в условиях эксперимента in vitro эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова с использованием торфа показала возможность научно обоснованного подхода к широкомасштабной рекультивации нарушенных почв in situ в районе производственной деятельности ООО «Газпром добыча Ямбург».
Литература
1. Андреев О. П., Башкин В. Н., Галиулин Р. В., Арабский А. К., Маклюк О. В. Решение проблемы геоэкологических рисков в газовой промышленности. Обзорная информация. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. 78 с.
2. Васильевская В. Д., Кирилишин В. В. Антропогенные нарушения почвенного покрова в южной тундре Ямала и мероприятия по их предотвращению // Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение. 1993. № 4. С. 3—9.
3. Васильевская В. Д., Григорьев В. Я. Биологические показатели деградации и самовосстановления почвенно-растительного покрова тундр // Сибирский экологический журнал. 2002. Т. IX. № 3. С. 355—370.
4. Андреев О. П., Ставкин Г. П., Левинзон И. Л., Перепел-кин И. Б., Лобастова С. А. Защита и восстановление земель и ландшафтов Крайнего Севера при добыче газа // Экология и промышленность России. 2003. № 6. С. 4—9.
5. Емельянова Т. Я., Крамаренко В. В. Обоснование методики изучения деформационных свойств торфа с учетом изменения степени его разложения // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307. № 5. С. 54—57.
6. Хренов В. Я. Почвы криолитозоны Западной Сибири: морфология, физико-химические свойства, геохимия. Новосибирск: Наука, 2011. 211 с.
7. Башкин В. Н., Бухгалтер Э. Б., Галиулин Р. В., Коняев С. В., Калинина И. Е., Галиулина Р. А. Патент на изобретение № 2387995. Российская Федерация. Способ контроля очистки почв, загрязненных углеводородами, и нейтрализации углеводородных шламов посредством анализа
активности каталазы // Бюллетень. Изобретения. Полезные модели. 2010. № 12 (IV ч.). С. 938.
8. Башкин В. Н., Бухгалтер Э. Б., Галиулин Р. В., Коняев С. В., Калинина И. Е., Галиулина Р. А. Патент на изобретение № 2387996. Российская Федерация. Способ контроля очистки почв, загрязненных углеводородами, и нейтрализации углеводородных шламов посредством анализа активности дегидрогеназы // Бюллетень. Изобретения. Полезные модели. 2010. № 12 (IV ч.). С. 938—939.
9. Ефремова Т. Т., Овчинникова Т. М. Сезонная оксире-дуктазная активность осушенных торфяных почв в связи с гидротермическими условиями среды // Сибирский экологический журнал. 2008. Т. XV. № 3. С. 441—449.
10. Павлючук З., Асеева И. В., Судницын И. И. Влияние потенциала (давления) почвенной влаги на активность дегидрогеназы в почвах // Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение. 1982. № 2. С. 60—63.
Сведения об авторах
Арабский Анатолий Кузьмич: доктор технических наук, заместитель главного инженера ООО «Газпром добыча Ямбург»
Число публикаций: 231
Область научных интересов: геоэкология, устойчивое развитие газовой промышленности Контактная информация:
Адрес: 629300, Ямало-Ненецкий автономный округ, г. Новый Уренгой, ул. Геологоразведчиков, д. 9 Тел.: +7 (3494) 96-60-73 E-mail: [email protected]
Башкин Владимир Николаевич: доктор биологических наук, главный научный сотрудник ФГБУН Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН) Число публикаций: более 300
Область научных интересов: биогеохимия и геоэкология Контактная информация:
Адрес: 142290, Московская область, г. Пущино, ул. Институтская, д. 2 Тел.: +7 (4967) 73-02-81 E-mail: [email protected]
Галиулин Рауф Валиевич: доктор географических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Институт фундаментальных проблем биологии РАН (ИФПБ РАН) Число публикаций: 441
Область научных интересов: геоэкология и биогеохимия Контактная информация:
Адрес: 142290, Московская область, г. Пущино, ул. Институтская, д. 2 Тел.: +7 (4967) 33-14-53 E-mail: [email protected]
Галиулина Роза Адхамовна: научный сотрудник ФГБУН Институт фундаментальных проблем биологии РАН (ИФПБ РАН) Число публикаций: 264
Область научных интересов: геоэкология и биогеохимия Контактная информация:
Адрес: 142290, Московская область, г. Пущино, ул. Институтская, д. 2 Тел.: +7 (4967) 33-14-53 E-mail: [email protected]
