CC BY
89
УДК 631.427:665.6
Воеводина Т.С., Русанов А.М., Васильченко А.В.
Оренбургский государственный университет E-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ НЕФТИ НА ХИМИЧЕСКИЕ СВОйСТВА ЧЕРНОЗЕМА
обыкновенного южного предуралья
Процесс деградации почв и ландшафтов в настоящее время представляет собой глобальное явление и стоит в ряду главных проблем экологии и почвоведения. Среди множества факторов деградации почв особое место занимает загрязнение её нефтью. Изменение свойств почвы при загрязнении нефтью, а также процессы ее миграции, аккумуляции и метаболизма зависят от физико-химического состава и количества пролитой нефти, почвенно-климатических и ландшафтных условий, типа почвы, наличия тех или иных биохимических барьеров, каналов миграции и диффузии в почвенном профиле. При нефтяном загрязнении прежде всего заметно меняются химические свойства почв.
Последствия загрязнения почвы нефтью зависят от состава углеводородного сырья, его концентрации и распределения в почвенном профиле, от срока экспозиции. Особенно негативное воздействие оказывает на почвы сырая нефть, которая приводит к изменения химических свойств почв и к сильнейшему их засолению. Нефтяное загрязнение вызывает резкое увеличение содержания органического углерода в почвах c 3,5 до 9,8% и способствует ухудшению азотного режима почв (отношение С^ колеблется от 30 до 289) и снижению содержания подвижных форм фосфора (в среднем в 3,5 раза). Загрязнение почв товарной нефтью (обессоленной и обезвоженной) не сказывается на кислотно-щелочном балансе почв, а сырая нефть вызывает подщелачивание различной степени почвенного раствора, что находится в зависимости от концентрации нефти. Анализ водной вытяжки загрязненных нефтью почв показал, что при загрязнении сырой нефтью резко увеличилось содержание сухого остатка, характер засоления определяется накоплением ионов натрия и хлора, что сопровождается резким снижением содержания ионов кальция в почвенном растворе.
Ключевые слова: чернозем, нефтяное загрязнение, сырая и товарная нефть, химические свойства почв.
Введение
Процесс деградации почв и ландшафтов в настоящее время представляет собой глобальное явление и стоит в ряду главных проблем экологии и почвоведения. Усиление агро- и техногенных воздействий, сопровождающееся прогрессирующим ухудшением свойств и режимов почвы, создает реальную угрозу сокращения или полной утраты ее экологических и производительных функций. На протяжении последних десятилетий ведущим фактором деградации почв и почвенный покров Южноуральского региона являлось его бессистемное сельскохозяйственное использование. Немалый вред экологическому состоянию почв наносят добывающая и перерабатывающая отрасли промышленности.
Среди множества факторов деградации почв особое место занимает загрязнение её нефтью. Изменение свойств почвы при загрязнении нефтью, а также процессы ее миграции, аккумуляции и метаболизма зависят от физико-химического состава и количества пролитой нефти, почвенно-климатических и ландшафтных условий, типа почвы, наличия тех или иных биохимических барьеров, каналов миграции
и диффузии в почвенном профиле. При нефтяном загрязнении прежде всего заметно меняются химические свойства почв.
Объекты и методы
Лабораторный эксперимент по загрязнению почв нефтью проводился на образцах чернозема обыкновенного среднемощного (гор. А+АВ=43-45 см) малогумусного (содержание гумуса 5,5-5,8%) тяжелосуглинистого. Почва была загрязнена 1, 5, 10, и 15% концентрациями сырой и товарной нефти. В качестве контроля использовались не загрязненная почва (многолетняя залежь).
Образцы отбирали из слоя почвы 0-20 см, лабораторно-аналитические исследования проводили в соответствии с принятыми в почвоведении методами: определение содержания органического вещества по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (1993); определение аммония проводилось колориметрическим методом, легкорастворимых фосфатов - по методу Чирикова, химического состава водных вытяжек и состава грунтовых вод для засоленных почв по методике, введенной в действие приказом Министерства сельского хозяйства СССР от 20
августа 1976 г. .№173. Математическая обработка данных производилась с помощью пакета программ Microsoft Office Excel и Statistic 6.0
[1]-[3].
В качестве загрязнителя была использована товарная (обессоленная и обезвоженная) и сырая нефть с Зайкинского месторождения Первомайского района Оренбургской области.
Результаты и их обсуждение
Исследования органического вещества в нефтезагрязненных почвах показали, что
общее его содержание не зависит от качества нефти и возрастает с увеличением концентрации загрязнителя. Вероятно, что увеличение органического вещества в почвах, загрязненных нефтью, связано с тем обстоятельством, что в составе этого природного углеводорода на углерод приходится 83-87%, который при попадании в верхние горизонты почв входит в состав суммы их органических соединений. На рисунке 1 показана прямая зависимость между концентрацией нефти и содержанием органического вещества почв, которая описы-
Концентрация нефти, % Рисунок 2. Отношение C:N в почве, загрязненной нефтью
Концентрация нефти, % Рисунок 1. Содержание органического вещества в почве, загрязненной нефтью
описывается уравнением следующего вида: у = 1,51х + 1,15; R2 = 0,9103 (загрязнение товарной нефтью); у = 1,68х + 0,92; R2=0,9256 (загрязнение сырой нефтью).
Выявлено, что с ростом содержания привнесенного углерода происходит увеличение отношения С^. При этом изменения содержания общего азота не значительны. Ранее установлено, что чем ниже отношение С^, тем выше подверженность органического вещества минерализации. Наиболее благоприятные условия для микробного гидролиза органических веществ почв складываются при величинах отношений С^ от 10 до 20 [4]-[6].
В исследуемых образцах нефтезагрязненной почвы отношение С^ колеблется от 30 до 289 и зависит от количества привнесенного углеро-
да (рис. 2). Такое соотношение кардинально меняет условия поступления питательных веществ в растения, приводит к ухудшению азотного режима почв и нарушению корневого питания культур. Подавление процессов нитрификации начинается уже при уровне загрязнения 1 % и достигает максимума при 15 % загрязнении почв нефтью. При этом не выявлена достоверная разница между загрязнением товарной и сырой нефтью, поскольку, не зависимо от качества нефти, наблюдается сдвиг соотношения С^ в сторону увеличения органического углерода.
Существенные изменения происходят во фракционном составе азота органического вещества почв. В нефтезагрязненных почвах значительно уменьшается содержание легкорастворимых форм азота (в среднем в 3,5 раза).
Таблица 1. Содержание элементов минерального питания и рН почв, загрязненной нефтью
Концентрация нефти,% рН №-ЫН„, мг/мк К-Ш3, мг/мк РА, мг/100 г
Товарная нефть
0 (контроль) 7,9 9,2 5,3 1,9
1 8,0 11,8 5,1 1,7
5 7,9 6,8 2,1 0,9
10 7,9 3,1 0,6 0,5
15 8,0 0,2 сл 0,1
Сырая нефть
0 (контроль) 7,8 9,2 5,3 1,9
1 8,1 7,5 3,2 0,8
5 8,3 4,1 0,7 0,7
10 8,5 0,3 сл 0,2
15 8,9 сл сл 0,1
Таблица 2. Состав водной вытяжки почв, загрязненных нефтью
Концентрация нефти,% Сухой остаток,% нсо-3 С1 Сумма анионов Са2+ мй2+ Сумма катионов №++К+ по разности
%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Чернозем обыкновенный загрязненный товарной нефтью
0(контроль) 0,12 0,029 0,028 0,023 0,080 0,020 нет 0,020 0,085
1 0,16 0,031 0,031 0,028 0,090 0,021 нет 0,021 0,091
5 0,14 2 0,029 3 0,035 4 0,025 5 0,089 6 0,018 7 нет 8 0,018 9 0,086 10
1
10 0,17 0,030 0,032 0,024 0,086 0,009 нет 0,009 0,089
15 0.15 0,034 0,034 0,026 0,094 0,007 нет 0,007 0,090
Чернозем обыкновенный загрязненный сырой нес )тью
0(контроль) 0,12 0,029 0,028 0,023 0,080 0,050 нет 0,050 0,085
1 0,60 0,024 0,130 0,042 0,196 0,047 0,003 0,050 0,123
5 1,27 0,038 0,250 0,064 0,352 0,042 нет 0,042 0,390
10 2,89 0,079 0,830 0,071 0,980 0,032 нет 0,032 0,965
15 3,26 0,085 1,325 0,079 1,489 0,030 нет 0,030 1,12
Наряду с ухудшением азотного режима происходит уменьшение содержания подвижных форм фосфора как в образцах, загрязненных сырой нефтью, так и при загрязнении товарной нефтью (табл. 1).
Изменение кислотности почв зависит, прежде всего, от качества нефти и содержания в ней высокоминерализованных пластовых вод. Из таблицы 1 видно, что при загрязнении почвы товарной нефтью, независимо от исходной дозы, кислотный режим остается без достоверных изменений. При загрязнении почв сырой нефтью отмечается последовательное подщ-елачивание почвенного раствора с 7,8 в незагрязненном черноземе до 8,9 при загрязнении 15%. Это обусловлено хлоридно-натриевым составом пластовых вод, количество которых в сырой нефти может быть очень высоким.
Хлоридно-натриевое засоление почв, сопровождающее нефтяное загрязнение, приводит к осолонцеванию почв и сложной многофазовой перестройке почвенно-поглощающего комплекса (ППК). Ионы натрия вытесняют из ППК кальций и магний, на долю которых приходится основная часть обменных катионов в чистой почве. В целом поглотительная способность почв снижается, что определяется не только уменьшением количества поглощенных катионов, но и утратой их способности обмениваться из-за обволакивания почвенных коллоидов нефтяной пленкой [7]-[9].
Высокое содержание натрия в почвенном растворе вызывает активное вытеснение Са2+ благодаря чему натрий занимает его место в ППК, что, в свою очередь, является важной составляющей солонцового процесса.
Из таблицы 2 видно, что в почвах, загрязненных товарной нефтью, состав солей водной вытяжки остается практически неизменным. Достоверные изменения наблюдаются лишь в снижении содержания ионов и относительном увеличении доли катионов. В образцах почв загрязненных сырой нефтью резко увеличилось содержание сухого остатка: от 0,12%
в контрольном образце до 3,26% при максимальном уровне загрязнения.
Характер засоления определяется накоплением ионов натрия и хлора, количество которых по сравнению с контролем возрастает в 13 и 47 раз при 15% загрязнении. В солевой вытяжке содержание ионов кальция снижается на фоне резкого увеличения ионов натрия с 0,050% на контроле до 0,030% при максимальном загрязнении. При 1% загрязнении почвы сырой нефтью наблюдается средняя степень засоления, при 5% - сильное, а 10 и 15% загрязнение определяет очень сильную степень хлор-идно-натриевого засоления почв.
Заключение
Последствия загрязнения почвы нефтью зависят от состава углеводородного сырья, его концентрации и распределения в почвенном профиле, от срока экспозиции. Почва, загрязненная нефтью, становится не способной полноценно выполнять свои экологические функции в ландшафте. Особенно негативное воздействие оказывает на почвы сырая нефть, которая приводит к изменения химических свойств почв и к сильнейшему их засолению. Нефтяное загрязнение вызывает резкое увеличение содержания органического углерода в почвах и способствует ухудшению азотного режима почв и снижению содержания подвижных форм фосфора.
Загрязнение почв товарной нефтью (обессоленной и обезвоженной) не сказывается на кислотно-щелочном балансе почв, а сырая нефть вызывает подщелачивание различной степени почвенного раствора, что находится в зависимости от концентрации нефти. Анализ водной вытяжки загрязненных нефтью почв показал, что при загрязнении сырой нефтью резко увеличилось содержание сухого остатка, характер засоления определяется накоплением ионов натрия и хлора, что сопровождается резким снижением содержания ионов кальция в почвенном растворе.
8.09.2015
Список литературы:
1. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв [Текст] / Е.В. Аринушкина. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. -488 с.
2. Агрохимические методы исследования почв [Текст]. - М.: Наука, 1976. - 656с.
3. Дмитриев, Е.А. Математическая статистика в почвоведении [Текст] / Е.А. Дмитриев. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. -400 с.
4. Гилязов, М. Ю. Изменение некоторых агрофизических свойств выщелоченного чернозема при загрязнении товарной нефтью в условиях Татарстана [Текст] / М. Ю. Гилязов // Почвоведение. - 2002. - №12. - С. 1515-1519.
5. Халимов, Э. М. Экологические и микробиологические аспекты повреждающего действия нефти на свойства почвы [Текст] / Э. М. Халимов, С. М. Левин, В. С. Гузев // Вестник Московского университета. Сер. 17, Почвоведение. - 1996. - №2. - С. 59-64.
6. Хазиев, Ф. Х. Изменение биохимических процессов в почвах при нефтяном загрязнении и активации разложения нефти [Текст] / Ф. Х. Хазиев, Ф. Ф. Фатхиев // Агрохимия. - 1981. - №10. - С. 102-111.
7. Пиковский, Ю. И. Проблемы диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами [Текст] / И. Ю. Пиковский [и др.] // Почвоведение. - 2003. - №9. - С. 1132-1140.
8. Русанов, А. М. Динамика биохимических процессов в почвах при нефтяном загрязнении [Текст] / А.М. Русанов, Т.С. Шорина // Вестник ОГУ. - 2009. - №10. - С. 600 -603.
9. Русанов, А. М. Влияние антропогенных нагрузок на период биологической активности и гумус черноземов [Текст] / А. М. Русанов // Вестник ОГУ - 1999. - №2. - С. 59-65.
Сведения об авторах: Воеводина Татьяна Сергеевна, доцент кафедры общей биологии Оренбургского государственного университета, кандидат биологических наук, Шифр специальности - 03.02.13 - Почвоведение 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: 8(3532) 37-24-80; e-mail: [email protected]
Русанов Александр Михайлович, декан химико-биологического факультета Оренбургского государственного университета, доктор биологических наук, профессор, Шифр специальности - 03.02.13 - Почвоведение 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: 8(3532) 37-24-80; e-mail: [email protected]
Васильченко Анастасия Валерьевна, доцент кафедры общей биологии Оренбургского государственного университета, кандидат биологических наук, Шифр специальности - 03.02.13 - Почвоведение 460018, г Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: 8(3532) 37-24-80
