CC BY
4НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология № 2 2016
УДК 631.45.67
Канд. биол. наук С.Н. Досбергенов 1
СОДЕРЖАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ НА РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ УЧАСТКАХ ТЕРРИТОРИИ АМБАРОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАРААРНА
Ключевые слова: техногрунты, амбары, засоление, элементы питания, азот, фосфор, калий
Изложены результаты исследований по элементам питания на рекультивированных техногрунтах территории амбаров месторождения Караарна. Содержание подвижного фосфора и гидроли-зуемого азота уменьшается за счет связывания некоторой части растворимых соединений азота и фосфора компонентами нефти, богатыми функциональными группами. Содержание валового и обменного калия возрастает в зависимости от степени загрязнения.
Технология рекультивации земель загрязненных нефтью и нефтепродуктами относится к биологическим методам очистки нефтезагрязненных почв. Она основана на стимулировании активности аборигенной углеводород-окисляющей микрофлоры, путем внесения мелиорантов-алюмосиликатов. В частности, цеолитов Чанка-найского месторождения, обладающих сорбирующими и каталитическими свойствами и биопреперата «Бакойл-К2», в сочетании с дозированным внесением минеральных удобрений, которые адаптированы к природно-климатическим условиям Западного Казахстана и к средам с высокой соленостью (более 4 %) и разной кислотностью (рН 5.9). Они безопасны для почвенного микробиоценоза, так как выделены из нефтезагрязненных почв исследуемого региона.
Важная функция почв заключается в регулировании всех потоков вещества в биосфере. Все биологические циклы элементов, включая циклы таких важнейших биогенов, как углерод, азот, кислород, фосфор, а также циклы воды осуществляются именно через почвы, при ее регулирующем участии в качестве аккумулятора биогенных элементов. Почва -
1 КазНИИ почвоведения и агрохимии им. У.У. Успанова, г. Алматы, Ка-захстанг
125
это связующее звено и регулирующий механизм в системах биологической и геологической циркуляции элементов. Загрязнение нефтью приводит к значительным изменениям физико-химических свойств почв. Разрушение слабых почвенных структур и диспергирование почвенных частиц сопровождается снижением водопроницаемости почв, влияющих в дальнейшем на пищевой режим [1].
Задача биологической рекультивации состоит в том, чтобы на месте безжизненной пустыни получить любое сообщество растений, обладающее оптимальной способностью к быстрейшему оздоровлению после-промышленного ландшафта, и наиболее полезной биологической продуктивностью. Субстраты территории амбаров лишены растительности, т.к. техногрунты токсичны для растительности. Факторами фитотоксичности выступают хлориды и сульфаты, которые создают неблагоприятные условия. Для восстановления нарушенных и загрязненных техногрунтов были проведены рекультивационные мероприятия, которые способствовали улучшению физических, химических и физико-химических свойств. В задачи исследований входило, изучение сохранения питательных элементов в грунтах в пострекультивационный период.
Опыты проводились на солончаке соровом, который трудно поддается рекультивации и при загрязнении нефтепродуктами обладает очень слабой способностью к самовосстановлению. Эти почвы отмечаются полным отсутствием биогенности, связанной с очень высоким содержанием легкорастворимых солей и длительным пребыванием их в переувлажненном состоянии. Их формирование происходит при непосредственном участии сильно минерализованных грунтовых вод, залегающих на глубине 1,0 м при загрязнении нефтью экосистем соров. Не исключена возможность попадания ее в грунтовые воды, после чего полная очистка экосистем от нефтепродуктов практически окажется невозможной.
Во время проведения полевых научных исследований на опытных участках было заложено 8 почвенных разрезов: Р-1 и Р-2 на участке рекультивированном в 2012 г. и Р-5 - в 2011 г. Кроме того отобраны образцы почв из рекультивированного участка 2014 г в разрезах Р-6 и Р-7.
Для сравнения заложили разрез Р-8 на бурой солончаковатой почве, а также были взяты пробы почвенно-грунтовой воды. Визуальный анализ почвы показал, что идет начальный этап реставрации техногрунта. В последействии произойдет трансформация в характерный тип почвы -
126
корково-пухлый солончак с выпотом солей и наличием рыхлой вспученной коркой на поверхности.
Содержание валового и подвижного фосфора в техногрунтах территории амбаров. Среднее содержание фосфора в земной коре составляет 0,093 %. По происхождению они бывают органические и минеральные. Запасы фосфора в почвах месторождения Караарна связаны с ее литологией. Почвообразующие породы возникли из различных морских, озерных и речных отложений, поэтому они имеют разные гранулометрические составы. Песок состоит из силикатов: 8Ю2 - 96,66 % и 0,02...0,06 % Р2О5. Содержание фосфора зависит от степени дисперсности алевритов, мергелей и глин. Различные формы фосфатов связаны с гранулометрическим составом горизонта почвы. В горизонтах почвы с одинаковым механическим составом они зависят от степени выветривания алюмосиликатов, а также от степени кварцевания крупных частиц. Однако надо отметить, что запасы фосфора зависят от коэффициента выветривания легких и тяжелых фракций аутогенных, классических и эпигенетических минералов, а содержание илистых частиц связано с ее гранулометрическим составом. Рассматривая содержание валового фосфора в техногрун-тах территории амбаров, обнаруживаем, что количество валового фосфора возрастает с увеличением содержания органического углерода. Однако, прямой зависимости между содержанием органического углерода и валового фосфора в почве нет, как между азотом и гумусом. Разница в содержании валовой формы фосфора в почвах месторождения наблюдается при различии в их гранулометрическом составе и степени загрязнения нефтью.
Рассмотрим особенности в распределении валового фосфора в профиле техногрунта и целинной бурой солончаковатой почвы. Если валовое содержание Р2О5 в верхнем слое техногрунта принять за 100 %, то содержание его в нижележащих слоях снижается, но зависит от гранулометрического состава.
Сравнение данных гранулометрического состава техногрунтов и содержание в них фосфора показало, что на распределение фосфора по генетическим горизонтам профиля оказывает большое влияние их гранулометрический состав. На техногрунтах легкого механического состава содержание валового фосфора, вплоть до материнской породы, остается мало измененным (Р-1). В более тяжелых техногрунтах отмечается большая его аккумуляция в гумусовом горизонте.
127
В почвах с перемеживающимся механическим составом наблюдается изменение содержания валового фосфора по профилю почв в зависимости от механического состава горизонта (Р-5), так как глубина проникновения нефти определяется механическим составом. В почвах легкого механического состава нефть просачивается на большую глубину.
Содержание валовой формы фосфора показывает лишь общие запасы в техногрунте этого элемента и не служит показателем обеспеченности доступными для растений фосфатами. Рассмотрение тенденции изменения валовой формы фосфора в техногрунтах территории амбаров показало, что его запасы выше по сравнению с целинной бурой солончаковатой почвой.
При обогащении техногрунта нефтью и продуктами ее распада, запасы валовых форм азота и фосфора увеличиваются за счет связывания отдельными компонентами нефти минеральных соединений этих веществ. На тех-ногрунтах территории амбаров изменение содержания подвижного фосфора происходит в зависимости от степени засоления, нефтезагрязнения и литологии. Некоторая корреляционная связь в горизонтах техногрунта между литологией и содержанием подвижного фосфора отмечается в разрезе Р-3. Содержание подвижного фосфора изменяется по профилю техногрунта (табл.). Происходит снижение концентрации подвижного фосфора в нижних горизонтах, по сравнению с почвами естественного состояния (целина).
Особенно сильно это отмечается в нефтезагрязненных техногрунтах. Уменьшение содержания подвижного фосфора можно объяснить высоким соотношением С : N в результате загрязнения техногрунта нефтью. Это интерпретируется тем, что микроорганизмы, разлагающие углеводороды будут иммобилизовать неорганический фосфор в почве, приводя к уменьшению количества экстрагируемого фосфора в техногрунтах. Кроме того, содержание подвижного фосфора при нефтезагрязнении уменьшается за счет связывания некоторой части растворимых соединений фосфора компонентами нефти, богатыми реактивными функциональными группами.
Немаловажную роль также играет засоление техногрунта. В засоленных техногрунтах в афитогенных условиях происходит переход подвижных форм фосфора в неподвижные. В карбонатных техногрунтах территории амбаров подвижные формы фосфора в щелочной среде обволакиваются тонкой пленкой карбонатов и переходят в валовую форму. При возрастании содержания валового фосфора, содержание подвижных форм снижается. Этот процесс осуществляется при режиме испарения. Содержание подвижного фосфора не зависит от сроков проведения рекультивационных работ.
128
Таблица
Содержание элементов питания на рекультивированных участках территории амбаров месторождения Караарна
Разрез, год рекультивации Глубина взятия пробы, см Элементы питания о ^ у г й К щ б О Сумма солей, % Литология
валовые, % подвижные, мг/кг
Р2О5 К2О Общий N Р2О5 К2О Гидр. N
Р-1, 2013 г. 0...17 0,040 0,62 0,014 10 240 25,2 0,41 4,019 Псв
17...30 0,040 0,62 0,014 12 320 22,4 0,34 4,650 Псв
30.50 0,048 0,62 0,014 25 330 28,0 1,02 4,349 Псв
Р-3, 2012 г. 0.22 0,048 0,75 0,028 46 440 30,8 0,95 6,472 Л/с
22.40 0,035 0,75 0,014 12 300 25,2 0,48 4,597 СП
40.80 0,044 1,12 0,014 12 320 19,6 0,48 4,292 Л/с
Р-5, 2011 г. 0.0,2 0,048 0,94 0,028 12 500 16,8 0,34 4,268 СП
0,2.35 0,040 0,87 0,014 12 330 11,2 0,03 2,007 СП
35.65 0,036 0,75 0,028 10 260 16,8 0,82 1,763 СП
Р-6, 2014 г. 0.35 0,048 0,94 0,042 23 530 39,2 1,70 6,460 Л/с
35.55 - - 0,042 12 720 47,6 0,92 8,082 Т/с
55.100 0,112 0,75 - - - 50,4 1,29 11,519 Л/с
Р-8, целина 0.10 0,048 0,87 0,042 10 430 36,4 0,34 0,620 СП
10.23 0,024 0,69 0,014 19 140 33,6 0,10 0,439 СП
23.50 0,048 0,87 0,028 19 540 36,4 0,24 3,959 Т/с
50.58 0,024 0,62 0,028 23 160 28,0 - 2,030 С/с
Примечание: СП - супесь, Л/с - легкий суглинок, С/с - средний суглинок, Т/с - тяжелый суглинок, Псв - песок связанный.
Содержание валового и легкогидролизуемого азота. Поскольку основная часть азота находиться в почве в виде сложных органических соединений, то валовое содержание этого элемента напрямую связано с содержанием и качеством гумуса. Общее содержание азота в техногрунтах опытного участка колеблется от 0,014 до 0,042 %. Превращение органических форм почвенного азота в минеральные, осуществляется различными группами микроорганизмов, активность которых зависит от комплекса физико-химических условий, складывающихся в почве. Структура и состав имеющихся в ней азотосодержащих органических веществ, водно-физических и других режимов, определяющих экологические условия функционирования микробиоценозов. Изменения, происходящие при нефтезагрязнении, в первую очередь, связаны с нарушением водно-воздушного режима в результате заполнения порового пространства нефтью, склеивания структурных от-дельностей и образованием битумной коры. В результате первичные окислительные условия в почвах меняются на окислительно-восстановительные и восстановительные. Возникновение анаэробиозиса приводит к подавлению нитрификации и усилению аммонификации.
По исследованиям автора, изменения в содержании общего азота при загрязнении техногрунта нефтью были различными. Они зависели от срока проведения рекультивационных работ. В течение последующих лет после проведения рекультивационных работ содержание общего азота снижается. При уменьшении количества органического углерода и при незначительных изменениях в содержании общего азота в техногрунтах происходило нарушение соотношения между азотом и углеродом. Такое нарушение, по-видимому, является одной из причин токсичности нефти и нефтепродуктов [4]. Однако, восстановление нарушенного соотношения С : N только внесением азотных удобрений, по-видимому, невозможно. В то же время, внесение умеренных доз азота может оказаться полезным, в связи с заметным снижением нитрификационной способности загрязненного техногрунта. Для нормального роста бактерий требуется около 10 частей С на одну часть N . Если это соотношение больше, то рост бактерий и утилизация углеводородов происходит медленно. В загрязненном техногрунте отношение С : N может достигать 400...420 по сравнению с 17 для не загрязненной почвы [2].
Недостаток биогенных элементов необходимо пополнить путем внесения в почву минеральных удобрений, которые стимулируют разложение углеводородов в техногрунтах [3]. Валовое содержание азота характеризует техногрунт со стороны общего запаса этого элемента, но не гово-
130
рит об обеспеченности его доступными для питания растений соединениями азота. Поскольку валовое содержание азота не характеризует его доступность для питания растений, мы не рассматриваем его как агрономический показатель. Валовой азот используется для вычисления запасов азота в техногрунтах, в расчетных слоях для характеристики гумуса и вычисления соотношения С : N.
По нашим исследованиям самое высокое содержание гидролизуемо-го азота отмечено в профиле участка рекультивированного в 2014 г. (Р-6), где оно варьировало от 3,92 до 50,4 мг/кг почвы. При сильном засолении техногрунтов нефтепромысловыми сточными водами на фоне загрязнения нефтепродуктами происходит накопление как аммиачного, так и нитратного азота. Этот показатель выше, чем в целинной почве, где содержание гидро-лизуемого азота составляет 36,4 мг/кг почвы, но оно плавно снижается вглубь толщи почв. Самый низкий показатель отмечен на участке, рекультивированном в 2011 г. (Р-5), где в корковом слое содержится 16,8 мг/кг азота. В подкорковом слое идет снижение до 11,2 мг/кг, далее вглубь толщи техногрунта вновь возрастает до 16,8 мг/кг. На это повлиял легкий механический состав грунта, а также весенне-осенние осадки, которые частично промывают легкогидролизуемый азот вглубь толщи техногрунта. В данном случае содержание легкогидролизуемого азота по сравнению с целинной почвой ниже (табл.). На техногрунте рекультивированном в 2012 г. (Р-3) содержание легкогидролизуемого азота в верхнем 0.22 см горизонте составляет 30,8 мг/кг почвы, но оно снижается вглубь толщи почв плавно до 19,6 мг/кг за счет подавления активности нитрифицирующих бактерий. На этом участке относительно длительное загрязнение при сильном засолении повлияло на содержание подвижных форм азота.
Наиболее стабильное содержание гидролизуемого азота на рекуль-тивационным участке 2013 г. (Р-1), где оно варьирует от 22,4 до 28,0 мг/кг почвы, благодаря легкому механическому составу.
Изменение содержания калия в техногрунтах опытных участков. Содержание валового калия в почвах находится в составе труднорастворимых аллюмосиликатных минералов. В процессе нарушения почвенного покрова в техногрунтах территорий амбаров изменяется структура и состав почвенно-поглощающего комплекса, что отражается на калийном режиме и связано с низким содержанием глинистых минералов (табл.).
Анализ валового калия показывает, что в ходе трансформации его содержание по сравнению с целинной бурой солончаковатой почвой уве-
131
личивается и зависит от степени загрязнения. В связи с засоленностью морских отложений и воздействием высокоминерализованных пластовых вод с их реагентами, происходит поступление в техногрунты агрессивных растворов. Действие сводится к растворению почвенных карбонатов валовых форм азота, фосфора и калия, что приводит к сильному засолению, изменению реакции среды. В результате чего изменяется активность и подвижность некоторых элементов, увеличивается токсичность техног-рунтов. В связи с возрастанием засоленности техногрунта на рекультивированных участках также возрастает содержание обменного калия. Подвижных форм калия в нефтезагрязненных рекультивационных участках больше, чем на целинной почве. При возрастании содержания валового калия, также возрастает и содержание подвижных форм.
В заключении отметим, что содержание подвижного фосфора и гидролизуемого азота на рекультивированных участках уменьшается за счет связывания некоторый части растворимых соединений азота и фосфора компонентами нефти, богатыми функциональными группами. При обогащении почвы нефтью и продуктами ее распада в техногрунтах территории амбаров возрастают запасы валовых форм азота и фосфора. Содержание валового и подвижного калия возрастает в зависимости от степени загрязнения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Габбасов И.М. Оценка состояния почв с данными сроками загрязнения // Почвоведение. - 2002. - № 10. - С. 1265-1273.
2. Гиязов М.Ю. Изменение некоторых агрохимических свойств выщелоченного чернозема при загрязнении его нефтью // Агрохимия. - 1980. -№12. - С. 73-75.
3. Файени Е. Удо. Влияние загрязнения почвы производными нефти на рост кукурузы // Охрана природы - 1976. - 340.- С. 26-29.
4. Хазиев Ф.Х., Фахтиев Ф.Ф. Изменение биохимитческих процессов в почвах при нефтяном загрязнении и активации разложения нефти // Агрохимия. - 1981. - №10. - С. 102-111.
Поступила 25.11.2015
Биол. гылымд. канд. С.Н. Досбергенов
ЦАРААРНА М¥НАЙ КЕН ОРНЫНЬЩ АМБАР ЛАР АУМАГЫНДАГЫ РЕКУЛЬТИВАЦИЯЛАНГАНУЧАСКЕЛЕРШЩ
ЦОРЕКТ1К ЦУРАМЫ
132
Тушн свздер: технотопыра^, ^амбалар, туздану, ^орек элементтерi, азот, фосфор, калий
Мацалада 1араарна мунай кен орныныц амбарлар аумагындагы рекулътивацияланган учаскелертщ цоректЫ элементтергтц нэтижелерi келтгрыген. Жылжымалы фосфор мен гидролизденуш1 азоттыц мвлшерi мунай компонеттертщ функционалдыц топтарымен байланысца mycyim байланысты азаяды. Калий мвлшерi техногрунттыц туздану дэрежеане байланысты арта тyседi.
Биол. гылымд. канд. S.N. Dosbergenov
THE CONTENT OF NUTRITION ELEMENTS ON THE RECULTIVATION AREA OF THE KARAARNA OIL DEPOSITS
TERRITORY
Keywords: tehnoground, barns, salinization, nutrition elements, nitrogen, phosphorus, potassium
This article shows the research results of nutrition elements on reclaimed tehnoground areas of Karaarna barns. Contents of hydrolyzable labile phosphorus and nitrogen is reduced by binding a portion of soluble compounds of nitrogen and phosphorus components of the oil-rich functional groups. The content of total and exchangeable potassium increased, depending on the degree of contamination.
133
