Особенности процессов самовосстановления нефтезагрязненных подзолистых и дерново-подзолистых почв в условиях Ленинградской области

Маячкина, Наталья Викторовна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Особенности процессов самовосстановления нефтезагрязненных подзолистых и дерново-подзолистых почв в условиях Ленинградской области
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Особенности процессов самовосстановления нефтезагрязненных подзолистых и дерново-подзолистых почв в условиях Ленинградской области"

На правах рукописи

/С^у/

Маячкина Наталья Викторовна

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ САМОВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОДЗОЛИСТЫХ И ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ В УСЛОВИЯХ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 06.01.03 - агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г 4 ОКТ 2013

Санкт-Петербург 2013

005535804

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук

Капелькина Людмила Павловна

Официальные Пасынков Александр Васильевич

оппоненты: доктор биологических наук; Агрофизический

НИИ, главный научный сотрудник

Донских Иван Николаевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры «Почвоведения и агрохимии» ФГОУ ВПО СПбГАУ

Ведущая организация: Институт проблем промышленной экологии

Севера КНЦ РАН

Защита состоится «. /4 иол^Хг 2013 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 при ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института

Автореферат разослан « /о>, 20/вг.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук ^ ' ' Е.В. Канаш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На территории Ленинградской области проходит система нефтепроводов, в том числе Балтийская трубопроводная система, обеспечивающая выход нефтей Тимано-Печорского региона к Финскому заливу Балтийского моря. Часть из этих трубопроводов эксплуатируется более 20 лет. Как показывает практика, обеспечить абсолютную безопасность в действующих технологических системах невозможно, поэтому приходится признать неизбежным загрязнение почв углеводородным сырьем при добыче и транспортировке нефти (Состояние окружающей среды ..., 1995; Булатов и др., 1997).

Несмотря на наличие общих черт деградации нефти в почвах различных типов и биоклиматических зон, степень нарушения (угнетения) компонентов экосистем и скорость естественного самоочищения почв значительно различаются в зависимости от конкретных условий местности, а также состава нефти. Между тем оценка степени техногенного воздействия на экосистему и адекватный выбор рекультивационных мероприятий являются необходимыми для скорейшего восстановления нарушенного почвенно-растительного покрова и биогеоценоза в целом. Чтобы применить наиболее эффективные методы рекультивации, необходимо детально изучить процесс естественного восстановления биогеоценозов, типичных для данной местности.

Кроме того, в настоящее время отсутствуют экологические нормативы допустимого остаточного содержания нефти в почвах для южно-таёжной подзоны, при которых возможно достаточно быстрое восстановление растительности и почвенного микробоценоза, а негативные последствия для экосистем могут быть самопроизвольно ликвидированы. Определение механизма и скорости восстановления почв и растительности при разных уровнях загрязнения нефтью является весьма важным как в природоохранном (экологическом), так и в технологическом аспектах, поскольку позволит организациям, осуществляющим ликвидационные и рекультивационные работы, экономить трудозатраты, время и средства при восстановлении нефтезагрязненных почв.

Цель исследований - изучение особенностей процессов восстановления почв подзолистого типа при разных уровнях нефтяного загрязнения в условиях южной тайги (на примере Ленинградской области).

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить особенности процессов биодеградации нефти в почвах подзолистого типа при разных уровнях нефтяного загрязнения в натурных условиях Ленинградской области.

2. Выявить изменение фракционного состава нефтепродуктов (НП) в разных почвах вследствие процессов самоочищения.

3. Изучить изменение токсикологических характеристик почв и почвенных вытяжек в зависимости от времени и степени загрязнения нефтью методами биотестирования.

4. Изучить особенности восстановления растительности на нефтезагрязненных почвах по показателям фитопродуктивности, общего проективного покрытия (ОПП) и видового состава.

Научная новизна.

Впервые для Ленинградской области в условиях многолетних полевых опытов изучены процессы самоочищения почв подзолистого типа от нефти. Установлена скорость процессов биодеструкции нефти и изучены особенности изменения фракционного состава НП в почвах.

Впервые исследованы закономерности восстановления растительности в типичных биогеоценозах Ленинградской области в зависимости от уровня загрязнения почв нефтью.

Впервые для условий региона выявлены уровни загрязнения почв подзолистого типа нефтью, не вызывающие достоверных и значимых нарушений их важнейших экологических параметров: физиологической активности комплекса почвенных микроорганизмов, продукционной способности почв, состояния растительного покрова, а также безопасные по степени токсичности водных вытяжек из нефтезагрязненных почв.

Практическая значимость.

На основании лабораторных и полевых экспериментов разработаны рекомендации по биотестированию почв, уточняющие набор тест-объектов и способы пробоподготовки почв и почвенных вытяжек, которые явились основой при разработке «Методики выполнения измерений ... для определения токсичности техногенно-загрязненных почв» (2009). Предложенные рекомендации биотестирования дают возможность более эффективного использования этих методов экологической оценки при проведении исследований почв и грунтов с целью определения их токсичности.

Результаты, характеризующие степень нарушения почвенно-растительного покрова при разных уровнях нефтяного загрязнения и скорость процессов восстановления почв подзолистого типа, могут быть использованы для разработки экологических нормативов содержания нефти и продуктов ее трансформации в дерново-подзолистых и подзолистых почвах Северо-Запада России.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на международной конференции «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2004 г.); международной конференции «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды» (Саратов, 2005 г.); межрегиональной конференции «Актуальные проблемы экологической безопасности и устойчивого развития регионов» (Санкт-Петербург, 2006 г.); заседании Санкт-Петербургского отделения Докучаевского общества почвоведов (Санкт-Петербург, 2007 г.); международном молодежном научно-экологическом форуме стран Балтийского региона «Экобалтика 2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); VII всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2009» (Йошкар-Ола, 2009 г.); международной конференции

«Биосферные функции почвенного покрова» (Пущино, 2010 г.); Н-м молодежном экологическом конгрессе «Северная Пальмира» (Санкт-Петербург, 2010 г.); всероссийской конференции «Проблемы радиологии и агроэкологии» (Обнинск, 2011 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, обсуждении и разработке программы, проведении лабораторных и полевых опытов, обработке полученных экспериментальных данных, анализе и обобщении результатов исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 научных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков и 22 таблицы в тексте и 16 таблиц в Приложении. Список литературы включает 213 источников, из которых 62 на иностранных языках.

Благодарности. Автор признательна научному руководителю, д.б.н. Л.П.Капелькиной, д.б.н. Л.Г.Бакиной за консультации и помощь в работе, к.б.н. М.В.Чугуновой за любезно предоставленные данные по определению биологической активности почв, к.б.н. Т.М.Королевой и к.б.н. Е.Ю.Кузьминой за консультации по уточнению видов растений, всем сотрудникам лаборатории методов реабилитации техногенных ландшафтов НИЦЭБ РАН за поддержку и помощь в проведении полевых и лабораторных экспериментов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОСТОЯНИЕ НАЗЕМНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ

В главе изложены современные представления о влиянии нефтяного загрязнения на различные компоненты биогеоценозов. Анализ литературы свидетельствует о том, что нефтяное загрязнение вызывает существенное изменение всего комплекса структурно-механических, гидрофизических и агрохимических свойств почвы (Солнцева, 1988; Глазовская, 1997; Зильберман и др., 2005). В результате нефтезагрязнения почва утрачивает (полностью или частично, в зависимости от уровня загрязнения) свою способность обеспечивать функционирование биогеоценоза, составляющей частью которого является. Однако, несмотря на многочисленные исследования (Пиковский, 1988; Оборин и др., 1988, 2008; Киреева, 1996; Чижов и др., 1998; Маркарова, 2000; Иларионов, 2004; Бреус и др., 2005; Богданов и др., 2010), посвященные изучению деградационных процессов, которые происходят в почвенно-растительном покрове при нефтяном загрязнении, в литературе очень мало данных о скорости восстановления нефтезагрязненных территорий в пределах Ленинградской области. Практически не изучена степень нарушенности основных параметров

почвенно-растительного покрова в зависимости от типа почв и уровня загрязнения, а также динамические характеристики процессов самовосстановления разных биогеоценозов.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили в 2004-2011 гг. на двух контрастных и широко распространенных на территории Ленинградской области почвах подзолистого типа - дерново-подзолистой суглинистой (г. Пушкин) и на подзоле иллювиально-железистом песчаном (Лужский район Ленинградской области). Исследования проводили в натурных условиях, для чего были заложены многолетние полевые опыты по загрязнению почв нефтью. Перед загрязнением с почв был удален растительный покров. Дозы внесенной нефти составили для дерново-подзолистой почвы 0,7; 1,4; 4,0; 10,0 л/м", для подзола - 0,6; 1,2; 3,5; 8,5 л/м". Дозы нефти подбирали так, чтобы достигнуть аналогичного уровня загрязнения. Первые две дозы загрязнения были обозначены нами условно как «невысокие», а последние две - как «повышенные», а почвы соответственно «слабозагрязненные» и «сильнозагрязненные». Площадь учетной делянки 1 м", повторность 4-кратная. В опыте использовали сырую нефть, предоставленную ОАО «Киришинефтеоргсинтез».

Исходная дерново-подзолистая суглинистая почва характеризуется весьма благоприятными с агрохимической точки зрения свойствами (Бакина и др., 2007): близкой к нейтральной реакцией среды (рНка 6,1), низкой гидролитической кислотностью (Нг 3,5 ммоль экв/100г почвы), довольно высоким содержанием обменных оснований - 11,5 ммоль экв/100 г почвы, вследствие чего степень насыщенности ими почвы приближается к 80%. Содержание гумуса высокое - 3,5%, содержание подвижных питательных элементов фосфора и калия является средним (110 и 160 мг/кг почвы соответственно).

Подзол был выбран в качестве неустойчивой, очень уязвимой в экологическом отношении почвы. В исходном состоянии характеризуется крайне неблагоприятными агрохимическими показателями: имеет повышенную кислотность (рНКС| 3,6; Нг около 6,0 ммоль экв/100 г почвы), незначительное содержание обменных оснований (1 ммоль экв/100 г почвы), вследствие чего степень насыщенности ими не превышает 15%. Почва обеднена органическим веществом и питательными элементами (содержание подвижного фосфора и калия менее 10 мг/кг почвы).

В 2004-2005 гг. на опытных делянках был проведен посев смесью семян многолетних трав (по 70,0 г на делянку) с целью залужения нефтезагрязненной почвы и изучения последующей реакции трав на уровень ее загрязнения. Смесь газонных трав состояла из следующих видов: полевицы обыкновенной (Agrostis capillaris) - 20%, овсяницы красной (Festuca rubra) — 20%, мятлика лугового (Роа pratensis) — 20%, плевела

многолетнего (Loliam pereime) - 20% и клевера лугового (Trifolium pratense) -20%.

На песчаном подзоле через неделю после загрязнения нефтью однократно был проведен посев овса полевого (А veno sativa). Выбор злаковой культуры был связан с ее устойчивостью к пониженному уровню кислотности почвы. Учет биомассы проводили в конце первого вегетационного сезона (октябрь 2004 г.). Далее на подзоле проходило самостоятельное заселение опытных делянок преимущественно мохово-лишайниковой растительностью. Учет биомассы в дальнейшем не проводили, чтобы не нарушить естественный растительный покров делянок.

Содержание НП в исследуемых образцах определяли методом абсорбционной хроматографии с ИКС-окончанием по РД 52.18.575-96 «Определение валового содержания нефтепродуктов в пробах методом инфракрасной спектрометрии». Вытяжки для определения готовили с использованием четыреххлористого углерода. Качественный состав НП определяли на газовом хроматографе GC95.

Токсикологическую оценку почв проводили методом биотестирования на высших растениях и гидробионтах (дафниях). Биотестирование водных экстрактов из почв проводили согласно «Руководству по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов». Фитотестирование нефтезагрязненных почвенных образцов проводили по «Методике выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно-загрязненных почв».

Функциональную активность почвенного микробоценоза оценивали по продуцированию почвой ССЬ (почвенному «дыханию») по методу Э.А.Головко (1971) в модификации Арнстовской-Чугуновой (Аристовская и др., 1988).

При изучении зарастания нефтезагрязненных почв исследовали качественные и количественные фитоценотические характеристики, а именно: величину надземной биомассы, ОПП, видовой состав растений, частоту встречаемости видов, сходство флор при разном уровне нефтезагрязнения почв. Данные параметры определяли по общепринятым в геоботанике методикам (Миркин, 2000).

3. ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ПОЧВАХ ВСЛЕДСТВИЕ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ

В исследованиях использовали «тяжелую» нефть средней вязкости, плотность которой 0,87г/см3, количество углеводородов (УВ) легкой фракции в ее составе не более 10%. Аналитические данные группового состава сырой нефти свидетельствуют о преобладании метаново-нафтеновых УВ, которые составляют 46,9% от массы нефти. Доля ароматических (моно- и бициклических) УВ также значительна и составляет 22,4%. Полиароматические У В не превышают 10%, а бензольные и спирто-

бензольные смолы в сумме составляют 18,8%. Доля асфальтенов в сырой нефти незначительна - 2,1 %.

Трансформация нефти в почвах, т.е. изменение ее содержания, состава и свойств с течением времени происходит под действием ряда физических, химических и биологических процессов, приводящих к распаду нефти до простых соединений, включающихся в естественный круговорот веществ (Середин, 1998; Кудрявцев, Знаменщиков, 2009). Конечными продуктами деградации нефти в почвах являются углекислый газ и вода, а также ряд промежуточных кислородсодержащих соединений (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны и др.), которые частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются из почвенного профиля. Кроме того, в почве накапливаются устойчивые нерастворимые продукты метаболизма - результат дальнейшего уплотнения, битуминизации высокомолекулярных продуктов.

Результаты аналитического определения исходного содержания НП в загрязненных почвах и постепенное его изменение в течение 8 лет исследований представлены на рис. 1.

Исследованиями установлено, что в дерново-подзолистой почве при всех изученных дозах загрязнения нефтью (до 10 л/м") процессы деструкции нефти характеризуются наиболее активным протеканием в первые два года после загрязнения. За это время в результате процессов естественной деградации нефти общее содержание НП в почвах уменьшилось на 50-65% от исходного уровня, а именно: в варианте с загрязнением 0,7 л/м" нефти - с 0,55 до 0,29%, в варианте с 1,4 л/м" нефти - с 0,92 до 0,48%, при загрязнении 4 л/м2 нефти - с 1,43% до 0,65 % и при 10 л/м2 нефти - с 3,02% до 1%.

—— контроль

Рис. 1. Изменение содержания НП в почвах вследствие процессов самоочищения. А - дерново-подзолистая суглинистая почва, Б — песчаный подзол

В дальнейшем уменьшение общего количества НП в дерново-подзолистой почве продолжалось, однако интенсивность этого процесса несколько снизилась. В последние годы наблюдений особенно заметно этот процесс замедлялся в вариантах с невысоким уровнем нефтезагрязнения. На делянках с повышенным уровнем загрязнения биодеструкция нефти проходила в 2-2,5 раза эффективнее.

Полученные результаты, характеризующие изменение содержания в дерново-подзолистой почве НП, хорошо согласуются с данными определения биологической активности почв, оцененной по такому интегральному показателю, как актуальное «дыхание», полученными для этих же объектов М.В.Чугуновой при участии автора (2005, 2011). Исследованиями установлено, что в течение первого вегетационного сезона после загрязнения дерново-подзолистой почвы нефтью усилилась ее дыхательная активность, особенно при повышенном уровнем загрязнения (рис.2А), что свидетельствует, во-первых, о бурном развитии в почве резистентных к нефти форм микроорганизмов, и, во-вторых, об интенсификации процессов ее биоразложения. В дальнейшем эмиссия углекислого газа снижалась, и через 3 года после начала опыта в вариантах с невысокими дозами нефти интенсивность дыхания почв практически не отличалась от уровня контроля. Дыхание сильнозагрязненной дерново-подзолистой почвы после прохождения в первый год опыта пика активности также снижалось, однако его уровень оставался выше контроля на протяжении всех последующих лет наблюдений.

250 200 150 100 2 50 о -50

— контро.;

— 0,7 л/м2

— 1,4 л/м2 4,0 л/м2 10,0 л/м

—< - контроль — 0,6 л/м2 1,2 л/м2 —3,5 л/м2 8,5 л/м2

0 12 24 36 48 60 0 >2 36 48 60

время после загрязнения, месяцы время после загрязнения, месяцы

А Б

Рис. 2. Интенсивность выделения С02 нефтезагрязненными почвами относительно контроля (М, %). А - дерново-подзолистая суглинистая почва; Б - песчаный подзол

Процесс деградации нефти в песчаном подзоле был значительно замедлен по сравнению с дерново-подзолистой почвой (рис. 1Б). В течение первого года после нефтезагрязнения снижение содержания НП во всех вариантах опыта не превышало 5-10%. Через два года после загрязнения (в июне 2006 г.) в варианте с минимальной дозой нефти содержание нефтяных УВ снизилось на 40% от исходного уровня загрязнения, в вариантах с повышенным уровнем нефти содержание НП за этот период изменилось незначительно. Наиболее активно биодеградация НП в сильнозагрязненных вариантах песчаного подзола протекала в последующие 4 вегетационных сезона (2006-2009 гг.). В этот период исследований в вариантах с повышенными дозами внесения нефти концентрация НП снизилась на 5563% относительно исходных значений.

Результаты изучения динамики общего содержания НП в песчаном подзоле согласуются с данными его биологической активности (Чугунова,

2005; Чугунова, Маячкина, 2011). Микрофлора подзола по сравнению с микробоценозом дерново-подзолистой окультуренной почвы оказалась более чувствительной к ингибирующему воздействию нефтяных УВ. Так в почве с максимальной дозой нефти биологическая активность при свежем загрязнении была полностью подавлена. Исследования показали, что при невысоком уровне загрязнения наиболее интенсивно нефть окислялась первые 1,5 года эксперимента, т.е. в период ее максимальной дыхательной активности. Снижение содержания НП в подзоле, загрязненном повышенными дозами нефти, началось значительно позднее, что по времени тоже совпало с пиком эмиссии ССЬ этих почв.

Таким образом, полученные результаты позволяют говорить о высокой эффективности процессов биодеградации нефтяных УВ в дерново-подзолистой почве, о чем свидетельствует значительное снижение общего содержания НП. В то же время песчаный подзол характеризуется менее активным разложением нефти, поскольку пик активной убыли НП смещен примерно на 2 года по сравнению с дерново-подзолистой суглинистой почвой, а снижение содержания НП существенно меньше.

Исследование фракционного состава НП в загрязненных почвах в течение 3 вегетационных сезонов 2004-2006 гг. выявило следующее (табл.1).

Таблица 1. Изменение фракционного состава НП в почвах полевых опытов за 3 вегетационных сезона, % от общего содержания НП _

Объект Срок (месяц, год) Насыщенные УВ Ароматические УВ Бензольные смолы Спирто-бензольные смолы Асфальтены

Сырая нефть 46,9 32,2 6,0 12,8 2,1

Дерново-подзолистая суглинистая почва 06.2004 40,2 27,3 14,2 14,8 3,5

10.2004 33,5 27,7 13,4 22,1 з,з

10.2005 26,6 25,2 13,5 26,4 8,4

10.2006 19,9 21,4 19,1 32,3 7,3

Песчаный подзол 10.2004 42,9 25,2 10,6 16,5 4,8

10.2005 39,9 26,6 9,6 16,4 7,3

10.2006 37,7 23,0 9,1 21,6 8,6

В дерново-подзолистой почве доля насыщенных УВ снизилась почти вдвое (с 40,2 до 19,9%), более чем на 20% сократилась доля ароматических УВ (с 27,3 до 21,4%). Относительное содержание более устойчивых, сложных по молекулярной структуре УВ, имеющих в составе молекул несколько ароматических колец со связями углерод-углерод (бензольные и спирто-бензольные смолы, асфальтены) за это время увеличилось по сумме почти в 2 раза (с 32,5 до 58,7% от общего содержания НП).

Изменение фракционного состава НП в песчаном подзоле в течение первых трех лет наблюдений в целом носит такой же характер, что и в дерново-подзолистой почве, хотя интенсивность этих процессов значительно ниже. Доля насыщенных и ароматических УВ в почве уменьшилась по сравнению с первым годом на 12 и 8,7% соответственно, а доля бензольных, спирто-бензольных смол и асфальтенов в сумме увеличилась с 31,9 до 39,3%.

Такое незначительное по сравнению с дерново-подзолистой почвой изменение в соотношении НП разного фракционного состава свидетельствует о том, что интенсивность процесса биологического разложения нефтяных УВ в подзоле очень низка. Это связано, несомненно, с бедностью микробоценоза подзола и его низкой ассимиляционной активностью в отношении нефтяных УВ. Таким образом, медленное разложение НП в песчаном подзоле сопровождается и более умеренным по сравнению с дерново-подзолистой почвой изменением фракционного состава.

4. ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ МЕТОДАМИ БИОТЕСТИРОВАНИЯ

Изменение токсичности почвенных вытяжек для дафний

С целью изучения влияния нефтезагрязненных почв на водные объекты была проведена оценка токсичности водных вытяжек. В качестве тест-объекта использовали представителей зоопланктона ветвистоусых рачков дафний (Daphnia magna Straus), которые широко распространены в природных водоемах.

Исследованиями установлено (рис. 3), что слабозагрязненная дерново-подзолистая почва не оказывает острого токсического действия на дафний ни при свежем разливе, ни в дальнейшем (здесь и далее: под свежим разливом

120 100

среднее go количество живых дафний 60 относительно контроля, %

20 0

время после загрязнения, месяцы

Рис. 3. Изменение токсичности водных вытяжек из нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы для дафний в зависимости от времени самоочищения

"♦-контроль (вода) ' ./' -Ш~0 л/м2

—А—0,7 л/м2

}Ж л/м2

.......................................... ™~4 ,,/м2

-♦40 л/м2

1 6 12 18 24 30

мы понимаем разлив нефти в текущем году). Почвенные образцы с повышенными дозами нефти обладали острой токсичностью до второго вегетационного сезона. Лишь в третьем вегетационном сезоне сильнозагрязненные почвы полностью утратили токсичность.

Исследование токсичности водной вытяжки из песчаного подзола на дафниях показало (рис. 4), что при свежем разливе невысокие дозы нефти обладали слабой и средней токсичностью для дафний, и становятся нетоксичными в течение 3-4 вегетационных сезонов. В то же время повышенные дозы нефти являются очень сильно токсичными и сохраняют высокую токсичность в течение всего периода наблюдений (8 лет).

среднее количество живых дафний относительно контроля, %

контроль (вода) -»-О д/м2 ™&—0,6 л/м2 -*-1,2 л/м2 ~3,5 л/м2 ™#-~8,5 л/м2

18 30 42 54 66 78 90

время после загрязнения нефтью, месяцы

Рис. 4. Изменение токсичности водных вытяжек из нефтезагрязненного песчаного подзола для дафний в зависимости от времени самоочищения

Изменение токсичности нефтезагрязненных почв для растений

Исследование токсичности нефтезагрязненных почв для растений проводили методом фитотестирования. В качестве тест-объекта использовали семена овса посевного (Avena sativa), согласно методике фитотестирования ФР. 1.39.2006.02264, разработанной в НИЦЭБ РАН при участии автора.

Дерново-подзолистая почва (рис. 5) через месяц после разлива нефти была малотоксична для высших растений при повышенных дозах загрязнения и нетоксична при невысоких дозах. К концу второго вегетационного сезона стала нетоксичной и сильнозагрязненная почва, вследствие чего определение фитотоксичности для этой почвы было исключено из списка контролируемых показателей. Важно отметить, что на протяжении всех сроков исследований всхожесть семян не имела достоверных отличий ни в одном из исследуемых вариантов нефтезагрязнения дерново-подзолистой почвы.

всхожесть относительно контроля, %

140

120 100 80 60 40 20 0

контроль ,7 л/м2 1.4 л/м2 4 л/м2 10 л/м2

1 6 12 18 время после загрязнения нефтью, месяцы

длина корней относительно контроля, %

длина колеоптвлей относительно контроля, %

контроль .7 л/м2 1.4 л/м2 4 л/м2 10 л/м2

1 6 12 18 время после загрязнении нефтью, месяцы

120

100 ар в

80 ,1ц —контроль

60 0,7 л/м2

40 1.4 л/м2

_____¿1 ¡1Д1?

-чН-10 л/м2

1 6 12 18 время после загрязнения нефтью, месяцы

Рис. 5. Изменение фитотоксичности нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы в зависимости от уровня загрязнения и длительности периода самоочищения. Контролируемые тест-параметры развития растений: А - всхожесть, Б - длина корней, В - длина колеоптилей

Песчаный подзол оказался менее устойчив к нефтяному загрязнению по показателю фитотоксичности (рис. 6), чем дерново-подзолистая почва.

всхожесть относилельно контроля, %

140

120 100 80 60 40 20 0

"♦-контроль О ,б л/м2 л/м2

-3,5 л/м2

—1—8,5 л/м2

1 6 18 30 42 66 78 90 время после загрязнения нефтью, месяцы

_ 100 длина корней

относительно

контроля. %

6 18 30 42 66 78 90 время после загрязнения нефтью, месяцы

длина колеонтилей относительно контроля, %

160 140 120 100 80 60 40 20 0

18 30

66 78

контроль

б д/м2 1,2 л 'м2 3,5 л/м2 8,5 л-'м2

контроль

~Ш™0,6 л/м2 1,2 л/м2 —г—3,5 л/м2 •-¡—8.5 л/м2

время после загрязнения нефтью, месяцы

Рис. 6. Изменение фитотоксичности нефтезагрязненного песчаного подзола в зависимости от уровня загрязнения и длительности периода самоочищения. Контролируемые тест-параметры развития растений: А - всхожесть, Б - длина корней, В - длина колеоптилей

При свежем разливе нефти только минимальная доза оказалась не токсичной для растений. Все последующие опытные варианты нефтяного загрязнения вызывали значительное угнетение не только биометрических параметров проростков (длина корней снизилась на 35-60% от контроля, а зеленых проростков — на 55-85%), но и приводили к достоверному снижению всхожести семян на 30-50% относительно контрольных показателей.

В целом можно сказать, что песчаный подзол при сопоставимых уровнях нефтяного загрязнения характеризуется более высокой токсичностью по сравнению с дерново-подзолистой суглинистой почвой. Это подтверждается исследованиями других авторов по изучению уровня токсичности почв в зависимости от гранулометрического состава (С2егта\У5ка-Кигеа е( а!., 2006; Лисовицкая, Терехова, 2010).

5. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВАХ

РАСТИТЕЛЬНОСТИ

НА

Для оценки состояния растительного покрова на делянках с разным уровнем нефтезагрязнения почв использованы следующие геоботанические характеристики: ОПП; продуктивность растительности (надземная биомасса); видовой состав растений; частота встречаемости видов; сходство видового состава.

Восстановление фитопродуктивности нефтезагрязненных почв

Изменение фитопродуктивности дерново-подзолистой почвы в зависимости от дозы нефти и времени после загрязнения представлено на рис. 7.

—♦»•контроль

биомасса ^"^^Зр**® "" т

относительно 80 —fes...................................... на~0,7л/м2

контроля, % 60 t ~*~1,4л/м2

-4 л/м2

-10 л/м2

1 6 12 18 24 30 36 42 48 54 время после загрязнения нефтью, месяцы

Рис. 7. Изменение надземной биомассы растений на дерново-подзолистой почве при загрязнении ее разными дозами нефти в течение 5 лет после разлива.

Как известно, фитопродуктивность является одним из основных диагностических показателей экологического состояния почв (Doran et al., 2000; Karlen et al., 2003, 2008; Schloter et al., 2003; Титова и др., 2004; Капелькина, 2010; Семенов и др., 2011). Установлено, что по показателю

фитопродуктивности сильнозагрязненная нефтью дерново-подзолистая суглинистая почва в условиях южной тайги восстанавливается в течение двух-трех вегетационных сезонов, слабозагрязненная почва не вызывает достоверных изменений показателя фитопродуктивности даже при свежем разливе. По-видимому, при нефтезагрязнении почвы, меньшем 1%, остаточное количество НП не угнетает процессы накопления растительной биомассы.

Определение надземной биомассы овса, высеянного на делянках после разлива нефти, в конце первого вегетационного сезона выявило (табл. 2), что загрязнение песчаного подзола нефтью в невысоких дозах не только не снижает фитопродуктивность почвы, но и достоверно ее увеличивает. Повышенные дозы нефти почти полностью подавляют рост растений и формирование биомассы.

Таблица 2. Влияние загрязнения песчаного подзола нефтью на величину надземной биомассы овса (октябрь 2004 года, возд.-сух.нав.)

п=Л, Р-0.95,1=2.45

Доза нефти, л/м2 ш ср., г Б 1

0 0,12 0,02 - -

0,6 0,33 0,07 +172,9 3,20

1,2 0,13 0,02 +9,4 0,69

3,5 0,03 0,01 -71,9 9,66

8,5 0,02 0,01 -84,4 11,74

Примечание (здесь и для табл. 3 и 4): N - изменение контролируемого показателя относительно контроля, в %.

Восстановление общего проективного покрытия растительности на нефтезагрязненных почвах

Одним из наиболее показательных параметров, позволяющем судить о степени восстановлении растительности на загрязненных или нарушенных почвах, является площадь ОПП растительности. Результаты изучения динамики восстановления этого показателя в полевых опытах по загрязнению нефтью разных типов почв представлены на рисунке 8.

Установлено, что загрязнение дерново-подзолистой суглинистой почвы нефтью в невысоких дозах не влияет на величину ОПП даже при свежем разливе (рис. 8А). Растительный покров на сильнозагрязненной почве, испытывая при свежем разливе явное угнетение, к концу второго вегетационного сезона восстанавливается по этому показателю. Наибольшая в данном опыте доза загрязнения 10 л/м2 вызывает при свежем разливе полное угнетение растительности. Тем не менее, к концу четвертого вегетационного сезона растительный покров этого варианта по показателю ОПП полностью восстанавливается.

120 100 £ 80 2' «о 5 40 20 о

120

контроль 10(1

£ 80

—".' 1 М -5 60

-¿ '1,4 Л'м2

о 40

--4 л м2 20

— |0я'м2 0

2004 2005 2006 2007 годы

2005

2007 2009 годы

2011

Рис. 8. Восстановление ОПП растительности на делянках при разных дозах нефтезагрязнения: А- дерново-подзолистая почва, Б - песчаный подзол

Загрязнение нефтью песчаного подзола оказывает длительное угнетающее действие на растительный покров (рис. 8Б). При невысоких дозах нефтезагрязнения ОПП растительности восстанавливается в течение трех-шести лет. Сильное загрязнение подзола нефтью привело к полному угнетению растительности. В течение 7 лет на делянках с повышенным уровнем загрязнения наблюдалось произрастание единичных растений, по-видимому, в очагах меньшего загрязнения вследствие отбора проб. Массовое заселение делянок растениями началось через 7 лет после разлива нефти.

Восстановление видового состава растительности на нефтезагрязненных почвах

На залежном участке опытного поля СПбГАУ, прилегающем к нефтезагрязненным опытным делянкам дерново-подзолистой почвы, развиты крупнотравные (высотой более 1 м) луговые злаково-разнотравные и разнотравные сообщества. Доминанты крупнотравного луга: ежа сборная, овсяница луговая, бодяк полевой, тысячелистник обыкновенный, полынь обыкновенная, осот полевой, ястребинка зонтичная.

Показатель среднего количества видов растений, выросших на нефтезагрязненной дерново-подзолистой почве через два года после внесения нефти в почву был достоверно ниже контроля при всех изученных в опыте дозах нефтяного загрязнения (табл. 3). Расчет коэффициента Сёренсена показал высокую степень сходства видового состава растений на делянках контрольного и нефтезагрязненных вариантов. Частота встречаемости видов, рассчитанная по коэффициенту Раункиера, имела разницу между контрольными и опытными делянками (N1, %) 19,1-29,8% в зависимости от доз нефтяного загрязнения.

Через три года после загрязнения среднее количество видов на контрольных и нефтезагрязненных делянках выровнялось, более того, в варианте с минимальным нефтезагрязнением этот показатель был несколько выше контрольного значения. Коэффициент сходства флор оставался на высоком уровне на протяжении всего периода наблюдений. Частота

встречаемости видов на нефтезагрязненных делянках не имела существенных отличий от контроля, разница составляла 5-10%.

Проведенные исследования позволили определить виды, устойчивые к нефтяному загрязнению дерново-подзолистой почвы: одуванчик лекарственный Taraxacum officinale Wigg., тысячелистник обыкновенный Achillea millefolium L., лютик едкий Ranunculus acris L., клевер гибридный Trifolium hybridum L., борщевик сибирский Heracleum sibiricum L., тимофеевка луговая Phleum pratense L., вейник наземный Calamagrostis epigeios L., пырей ползучий Elytrigia repens L., мятлик луговой Poa pratensis L.

Песчаный подзол был выбран нами как эталон наиболее бедной, экологически наименее устойчивой почвы. Кислая реакция среды, бедный минералогический состав, крайне низкая обеспеченность подвижными питательными элементами, неблагоприятный водный режим являются причиной того, что данные почвы являются низко продуктивными. Эти почвы плохо зарастают после различных антропогенных нарушений, в том числе загрязнений, и для их восстановления, как правило, необходим довольно значительный период времени. Все перечисленные особенности в полной мере проявились при зарастании нефтезагрязненных опытных делянок (табл. 4).

Среднее количество видов растений на песчаном подзоле в конце третьего вегетационного сезона после загрязнения при минимальной дозе загрязнения было выше, чем на контроле, а при всех остальных дозах -достоверно ниже. При максимальной дозе загрязнения число видов было меньше на 58% по сравнению с контролем. При этом сохраняется высокая степень сходства видового состава на делянках контрольного и нефтезагрязненных вариантов.

Зарастание загрязненного подзола осуществляется в основном растениями, характерными для исходных сообществ, за исключением щавеля малого, полии поникшей и политрихума волосоносного. Эти виды -эрозиофилы, представители пионерных растений, в большом количестве произрастают в окружающем лесу на нарушенном субстрате (канавы, ямы, оголенный грунт и др.).

Таблица 3. Динамика зарастания делянок нефтезагрязненой дерново-подзолистой почвы (2006-2008 гг.)

Параметры Варианты опыта (дозы нефти, л/м")

Контроль 0,7 1,4 4,0 10,0

2006 г.

Среднее число видов по вариантам 12,0±0,4 9,8+0,3 9,5±0,3 9,0+0,6 8,3+0,3

Общее число видов по вариантам 22 21 19 21 20

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) - 0,98 0,88 0,93 0,86

Коэф. Раункиера, N. % - -19,1 -19,1 -23,4 -29,8

2007 г.

Среднее число видов по вариантам 15,8+0,9 16,3±1,1 14,3±0,6 14,3±1,5 15,3+1,6

Общее число видов по вариантам 29 27 27 27 29

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) - 0,89 0,86 0,86 0,86

Коэф. Раункиера, N1, % - +3,8 -9,5 -9,5 -4,8

2008 г.

Среднее число видов по вариантам 16,8±0,9 17,0±1,0 16,0+1,0 16,0+0,4 15,0+0,4

Общее число видов по вариантам 31 28 27 29 27

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) - 0,88 0,90 0,90 0,86

Коэф. Раункиера, N. % - +1,5 -4,5 -7,5 -10,4

Таблица 4. Динамика зарастания делянок нефтезагрязненого подзола (2006-20011 гг.)

Параметры Варианты опыта (дозы нефти, л/м2)

Контроль 0,6 1,2 3,5 8,5

2006 г.

Среднее число видов по вариантам 6,0±0,4 6,5±0,3 4,5±0,3 3,0±0 2,5±0,3

Общее число видов по вариантам 9 9 7 6 5

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) - 1,0 0,89 0,80 0,71

Коэф. Раункиера, N1, % +8,3 -25,0 -50,0 -58,3

2007 г.

Среднее число видов по вариантам 5,5±0,9 6,0±0,7 4,5±0,3 2,5±0,6 2,2±0,2

Общее число видов по вариантам 7 7 7 6 3

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) - 0,86 1,0 0,92 0,60

Коэф. Раункиера , N. % - +9,1 -18,2 -54,5 -59,1

2008 г.

Среднее число видов по вариантам 7,3±0,8 7,3±0,7 5,50,5 3,0±0,5 3,3±0,3

Общее число видов по вариантам 11 12 11 8 7

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) 0,78 0,73 0,74 0,67

Коэф. Раункиера, N. % - 0 -24,1 -58,6 -69,0

2010 г.

Среднее число видов по вариантам 9,3±0,9 9,0±0,4 7,8±1,3 5,8±1,5 5,3±0,5

Общее число видов по вариантам 12 11 12 12 10

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) - 0,96 1,0 0,92 0,82

Коэф. Раункиера , N. % - -2,7 -16,2 -37,8 -43,2

2011 г.

Среднее число видов по вариантам 8,0±0,7 8,5±0,6 8,3±0,5 6,5±0,3 5,5±0,5

Общее число видов по вариантам 12 12 11 10 8

Коэф. Сёренсена (коэф. сходства) - 1,0 0,96 0,91 0,80

Коэф. Раункиера , К, % - +6,3 +3,1 -15,6 -31,3

Выводы:

1. Установлена высокая эффективность процессов биодеградации нефтяных УВ в дерново-подзолистой почве, о чем свидетельствует значительное снижение в почве общего содержания НП и существенное изменение их фракционного состава. В то же время песчаный подзол характеризуется значительно менее активным разложением нефти, и убыль содержания НП протекает гораздо более медленными темпами. Пониженная интенсивность процесса биологического разложения нефтяных УВ в подзоле связана, несомненно, с бедностью микробоценоза почвы и его низкой деструктивной активностью в отношении нефтяных УВ. Медленное разложение НП в песчаном подзоле сопровождается и более умеренным по сравнению с дерново-подзолистой почвой изменением их фракционного состава.

2. Водная вытяжка из дерново-подзолистой почвы при невысоких дозах нефти не оказывала острого токсического действия на дафний ни при свежем разливе, ни в последующие годы. Почвы с повышенными дозами нефти были остро токсичны для дафний до конца второго вегетационного сезона и полностью утратили токсичность к концу третьего вегетационного сезона. Исследование токсичности водных вытяжек из песчаного подзола на дафниях показало, что при свежем разливе невысокие дозы нефти обладают слабой и средней токсичностью для дафний, и становятся нетоксичными в течение 3-4 вегетационных сезонов. В то же время повышенные дозы нефти являются очень сильно токсичными и сохраняют высокую токсичность в течение всего периода наблюдений (8 лет).

3. По результатам фитотестирования дерново-подзолистая почва в первый месяц после разлива нефти нетоксична при невысоких дозах и токсична при повышенных дозах для высших растений. К концу второго вегетационного сезона сильнозагрязненные почвы стали нетоксичными. Песчаный подзол оказался гораздо менее устойчив к нефтяному загрязнению по показателю фитотоксичности. При свежем разливе нефти только минимальная доза оказалась не токсичной для растений. Все остальные дозы нефтяного загрязнения вызывали значительное угнетение не только биометрических параметров проростков, но и приводили к достоверному снижению всхожести семян на 30-50% относительно контроля. При сопоставимых уровнях нефтяного загрязнения песчаный подзол характеризуется более высокой токсичностью по сравнению с дерново-подзолистой почвой.

4. Загрязнение дерново-подзолистой почвы невысокими дозами нефти (исходное содержание НП составляет 0,92±0,11% на воздушно-сухую навеску почвы) не снижает фитопродуктивность почвы, оцениваемую по величине надземной биомассы травянистых растений, даже при свежем разливе. Почва, загрязненная повышенными дозами нефти, восстанавливается за два-три вегетационных сезона. Загрязнение песчаного подзола невысокими дозами нефти также не снижает фитопродуктивность

почвы, а минимальная испытанная в опыте доза даже достоверно увеличивает биомассу растений. Однако повышенные дозы нефти подавляют рост растений и формирование биомассы на протяжении всего периода наблюдений.

5. Загрязнение дерново-подзолистой почвы нефтью в невысоких дозах не влияет на величину ОПП растительности даже при свежем разливе. Наибольшая доза загрязнения вызывает при свежем разливе полное угнетение растительности (до 95%), которая восстанавливается по этому показателю к концу четвертого вегетационного сезона. Загрязнение подзола нефтью оказывает длительное угнетающее действие на почвенно-растительный покров. При содержании НП 0,4% ОПП почвы восстанавливается в течение 3-х лет, при концентрации загрязнения 0,9% - в течение 6-ти лет. Загрязнение нефтью в повышенных дозах оказывает полное угнетение растительности, восстановление которой началось только через 7 лет после разлива нефти.

6. Зарастание делянок нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы, расположенных среди крупнотравных (высотой более 1м) луговых злаково-разнотравных и разнотравных сообществ, происходило в зависимости от уровня нефтяного загрязнения. Среднее количество видов растений, выросших на нефтезагрязненных делянках, через 2 года после внесения нефти в почву было достоверно ниже контроля при всех изученных в опыте дозах нефти, так же как и частота встречаемости видов, рассчитанная по коэффициенту Раункиера. Расчет коэффициента Сёренсена показал высокую степень сходства видового состава растений на делянках контрольного и нефтезагрязненных вариантов. К концу четвертого вегетационного сезона нефтезагрязненные делянки не отличались от контроля ни по среднему количеству видов, ни по частоте встречаемости.

7. Проведенные на дерново-подзолистой почве исследования позволили определить виды, устойчивые к нефтяному загрязнению: одуванчик лекарственный Taraxacum officinale Wigg., тысячелистник обыкновенный Achillea millefolium L., лютик едкий Ranunculus acris L., клевер гибридный Trifolium hybridum L., борщевик сибирский Heracleum sibiricum L., тимофеевка луговая Phleum pratense L., вейник наземный Calamagrostis epigeios L., пырей ползучий Elytrigia repens L., мятлик луговой Poa pratensis L.

8. Интенсивность зарастания песчаного подзола также зависела от уровня нефтяного загрязнения почвы. В конце третьего вегетационного сезона после загрязнения среднее количество видов растений при минимальной дозе загрязнения было выше, чем в контроле, а при всех остальных дозах — достоверно ниже. При максимальной дозе загрязнения (8,5 л/м2) достоверное снижение числа видов растений составило 58% относительно контроля. К концу седьмого вегетационного сезона среднее и общее число встречающихся видов растений на делянках подзола с невысокими дозами нефти были равны контрольным значениям. На делянках

с повышенными дозами нефти сохранилась достоверная разница по среднему числу видов и частоте встречаемости.

9. Зарастание сильнозагрязненных нефтью делянок на песчаном подзоле осуществляется в основном растениями, характерными для исходных сообществ - зелеными мхами (политрихум можжевельникоподобный Polytrichum juniperinum и дикранум многоножковый Dicranum polysetum), лишайниками (кладония лесная Cladonia arbusatla и цетрария исландская Cetraria islándico) и травянистыми растениями (полевица булавовидная Agrostis clavata). Кроме того, существенную долю составляют представители пионерных растений-эрозиофилов, которые в большом количестве произрастают в окружающем лесу на нарушенном субстрате (канавы, оголенный грунт и пр.), такие как, щавель малый Rumex acetosella, политрихум волосоносный Polytrichum piliferum и полия поникшая Pohlia nutans.

Список основных публикаций:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Чернов Д.В., Бакина Л.Г., Маячкина Н.В. Особенности биодеструкции нефтяных углеводородов в целинной и окультуренной почвах Ленинградской области // Известия СПбГАУ. 2011. № 23. С. 74-78.

2. Чугунова М.В., Маячкина Н.В., Бакина Л.Г., Капелькина Л.П. Особенности биодеградации нефти в почвах Северо-Запада России // Вестник Нижегородского университета. 2011. № 5(1). С. 110-117.

3. Маячкина Н.В., Чугунова М.В. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки // Вестник Нижегородского университета. 2009. № 1. С. 84-93.

Статьи и тезисы в сборниках научных трудов:

4. Бакина Л.Г., Бардина Т.В., Маячкина Н.В., Чугунова М.В., Капелькина Л.П. К методике фитотестирования техногенно загрязненных почв и грунтов // Матер. Межд. конф. «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения». Апатиты: изд. Кольского научного нентра РАН. 2004. Ч. 1. С. 167-169.

5. Капелькина Л.П., Бакина Л.Г., Бардина Т.В., Чугунова М.В., Маячкина Н.В. Исследование загрязненных почв методами биотестирования // Сб. тез. Межд. науч. конф. «Современные проблемы загрязнения почв». М.: МГУ. 2004. С. 353-355.

6. Бакина Л.Г., Бардина Т.В., Орлова Е.Е., Маячкина Н.В. Влияние различных доз нефти на токсичность и продуктивность дерново-подзолистой суглинистой окультуренной почвы. // Гумус и почвообразование. Сб. науч. тр. СПбГАУ. СПб. 2005. С. 196-202.

7. Бакина Л.Г., Чугунова М.В., Бардина Т.В., Маячкина Н.В., Герасимов А.О., Галдиянц A.A.. Особенности биодеструкции нефти в разных типах почв Северо-Запада // Тез. докл. Межд. конф. «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды». Саратов: Научная книга. 2005. С. 62-63.

8. Чугунова М.В., Бакина Л.Г., Бардина Т.В., Орлова Е.Е., Маячкина Н.В. Изменение биологических свойств почв разного гранулометрического состава при

нефтяном загрязнении // Гумус и почвообразование. Сб. науч. тр. СПбГАУ. СПб. 2007. С. 16-22.

9. Маячкина Н.В. Методы биотестирования: обзор, обоснование, применение // Сб. науч. тр. по итогам межрег. конф. «Актуальные проблемы экологической безопасности и устойчивого развития регионов». СПб. 2006. С. 93-97.

10. Маячкина Н.В., Бакина Л.Г., Бардина Т.В., Герасимов А.О., Галдиянц A.A. Динамика снижения токсичности нефтезагрязненной дерново-подзолистой и песчаного подзола по результатам биотестирования // Сб. докл. заседаний СПб отделения Докучаевского общества почвоведов. СПб: ООО «Изд. ЛЕМА». 2007. Вып. 1. С. 52-61.

11. N.V.Majachkina Eco-toxical assessment of soil on the basis of biotesting // Сб. тр. Межд. молодеж. науч. экологич. форума стран Балтийского региона «Экобалтика 2008». СПб: Изд. Политехи, ун-та. 2008. С. 142-145.

12. Капелькина Л.П., Маячкина Н.В. Биотестирование - интегральный метод оценки состояния природной среды // Тез. докл. VII Всеросс. конф. по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2009». Йошкар-Ола. 2009. С. 106.

13. Бакина Л.Г., Чугунова М.В., Маячкина Н.В., Капелькина Л.П. Особенности процессов естественной биодеградации нефти в разных типах почв Ленинградской области // Матер. Всеросс. научн. конф. «Биосферные функции почвенного покрова». Пущино: изд. SYMCHROBOOK. 2010. С. 27-29.

14. Маячкина Н.В. Восстановление растительного покрова на нефтезагрязненных почвах Северо-Запада // Сб. науч. тр. 2-го молодежного экологического конгресса «Северная Пальмира». СПб: НИЦЭБ РАН. 2010. С. 254-259.

15. Маячкина Н.В. Динамика восстановления видового разнообразия растительного покрова при разных уровнях нефтезагрязнения залежной дерново-подзолистой почвы // Сб. докл. научн.-практич. конф. «Проблемы радиологии и агроэкологии». Обнинск. 2011. С. 332-344.

16. Чугунова М.В., Бакина Л.Г., Маячкина Н.В., Капелькина Л.П., Бардина Т.В., Герасимов А.О. Оценка динамики процессов самовосстановления нефтезагрязненных почв по интегральным критериям состояния и функционирования компонентов экосистем // Матер, докл. IV съезда Об-ва почвоведов им. В.В. Докучаева. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН. 2012. Кн. 1. С. 226-227.

Методики, внесенные в Федеральный реестр

17. Капелькина Л.П., Бардина Т.В, Бакина Л.Г., Чугунова М.В., Герасимов А.О., Маячкина Н.В., Галдиянц A.A. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно-загрязненных почв. ФР. 1.39.2006.02264. СПб: Изд-во «Фора-принт». 2009. 19 с.

18. Капелькина Л.П., Бардина Т.В, Бакина Л.Г., Чугунова М.В., Маячкина Н.В., Галдиянц A.A. Методика определения класса опасности буровых шламов М-БШ-01-2004. ФР. 1.39.2004.01061. СПб: Изд-во Политехнического ун-та. 2011. 19 с.

19. Капелькина Л.П., Бардина Т.В, Бакина Л.Г., Чугунова М.В., Герасимов А.О., Маячкина Н.В., Галдиянц A.A. Методика определения класса опасности буровых шламов М-БШ-02-2004. ФР. 1.39.2004.01104. СПб: Изд-во Политехнического ун-та. 2011. 21 с.

Подписано в печать 07.10.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 1 1075Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Маячкина, Наталья Викторовна, Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАН

на правах рукописи

04201365099

Маячкина Наталья Викторовна

Специальность 06.01.03 - Агрофизика

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ Введение 5

1. Влияние нефтяного загрязнения на состояние наземных биогеоценозов......................................................... 9

1.1. Влияние нефтяного загрязнения на почвы 9

1.2. Влияние нефтяного загрязнения на основные компоненты биоценозов............................................................ 13

1.2.1. Изменение почвенных микробоценозов под влиянием нефтяного загрязнения..........................................................................................14

1.2.2. Влияние нефтяного загрязнение на растительность....................21

2. Объекты и методы исследования..................................................................30

2.1. Характеристика района исследований......................................................30

2.2. Объекты исследования..........................................................................................33

2.3. Методы исследований..........................................................................................41

3. Изменение содержания нефтепродуктов в почвах вследствие процессов биодеструкции..................................................46

3.1. Особенности процессов деградации нефти в разных типах почв..................................................................... 46

3.2. Результаты изучения процессов биодеградации нефти в почвах по данным полевых опытов............................. 51

3.2.1. Особенности биодеградации нефти в дерново-подзолистой почве...................................................................... 53

3.2.2. Особенности биодеградации нефти в подзоле................. 56

3.3. Изменение фракционного состава нефти в загрязненных почвах.................................................................. 59

4- Оценка токсичности нефтезагрязненных почв методами

биотестирования.................................................... 65

4.1. Методологические аспекты биотестирования................. 65

4.1.1 Биотестирование с использованием гидробионтов............ 67

4.1.2. Биотестирование с использованием растений

(фитотестирование).................................................. 69

4.2. Изменение токсичности нефтезагрязненных почв

вследствие процессов самоочищения........................... 72

4.2.1. Изменение токсичности почвенных вытяжек для дафний .. 72

4.2.1.1. Биотестирование на дафниях нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы.................................................. 73

4.2.1.2. Биотестирование на дафниях нефтезагрязненного песчаного подзола..................................................... 75

4.2.2. Изменение токсичности нефтезагрязненных почв для растений................................................................ 79

4.2.2.1. Фитотестирование нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы................................................... 79

4.2.2.2. Фитотестирование нефтезагрязненного песчаного подзола 83

5. Оценка состояния растительности на нефтезагрязненных

почвах................................................................. 91

5.1. Восстановление фитопродуктивности нефтезагрязненных почв..................................................................... 93

5.1.1. Особенности восстановления фитопродуктивности дерново-подзолистой почвы......................................... 93

5.1.2. Восстановление фитопродуктивности нефтезагрязненного песчаного подзола..................................................... 101

5.2. Восстановление общего проективного покрытия растительности на нефтезагрязненных почвах................. 105

5.2.1. Изменение общего проективного покрытия растительности

на дерново-подзолистой почве..................................... 105

5.2.2. Восстановление общего проективного покрытия растительности на нефтезагрязненном подзоле................ 108

5.3. Восстановление видового разнообразия растительности на нефтезагрязненных почвах.......................................... 111

5.3.1. Видовой состав растительности на дерново-подзолистой

почве........................................................................................................................................112

5.3.2. Видовой состав растительности на песчаном подзоле..............116

Выводы....................................................................................................................................124

Список литературы......................................................................................................128

Приложение..................................................................................................................151

ВВЕДЕНИЕ

Кроме того, в настоящее время отсутствуют экологические нормативы допустимого остаточного содержания нефти в почвах для южно-таёжной подзоны, при которых возможно достаточно быстрое восстановление растительности и почвенного микробоценоза, а негативные последствия для экосистем могут быть самопроизвольно ликвидированы. Определение механизма и скорости восстановления почв и растительности при разных уровнях загрязнения нефтыо является весьма важным как в природоохранном (экологическом), так и в технологическом аспектах,

поскольку позволит организациям, осуществляющим ликвидационные и рекультивационные работы, экономить трудозатраты, время и средства при восстановлении нефтезагрязненных почв.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

Научная новизна.

способности почв, состояния растительного покрова, а также безопасные по степени токсичности водных вытяжек из нефтезагрязненных почв.

Практическая значимость.

Работа выполнена в 2004-2012 гг. в Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском Научно-исследовательском центре экологической безопасности РАН в соответствии с тематическими планами НИР (государственные регистрационные номера Гр №№ 101200402654, 01.02.006.07793, 01.2.007.08730, 01.2.010.55620, 01.2.010.55621).

По теме диссертации опубликовано 37 научных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, а также 3 методики биотестирования, внесенных в Федеральный реестр.

1. ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОСТОЯНИЕ НАЗЕМНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ

1.1. Влияние нефтяного загрязнения на почвы

В настоящее время во всем мире активно изучается проблема влияния нефтезагрязнения на различные компоненты биогеоценозов. В нашей стране подобные исследования проводятся: в Башкортостане и Татарстане, где распространены черноземы, серые лесные, дерново-карбонатные почвы (Абзалов и др., 1988; Киреева, 1996; Габбасова и др., 2001; Зарипова и др., 2001; Киреева и др., 2010), в Краснодарском крае (Карасёва и др., 2001), на Кольском полуострове (Евдокимова и др., 2010), в Республике Коми и Западной Сибири (Чижов и др., 1998; Громова и др., 2001; Маркарова, Ренжина, 2001; Мурыгина, Калюжный, 2001; Середина и др., 2010;); в Республике Калмыкия, где в районах нефтепромыслов преобладают засоленные бурые полупустынные почвы (Даваева и др., 2010); на подзолах о.Сахалин (Липатов, Сотникова, 2010). За рубежом подобные исследования проводятся в Западной Европе, Северной Америке, Канаде (Jobson et al., 1972; Biodegradability..., 1974; Westlake et al., 1978; McGill, Rowell, 1980; Atlas, 1981; Schwille, 1984; Batylinski et al., 1989; Jorgenson, 1991; Bioremediation for shoreline..., 1992; Foght, Westlake, 1992; Svenm, Feksness, 1993; Sprenger et al., 1994) и на других территориях.

Почвы и грунты считаются загрязненными, когда концентрация загрязняющих веществ в них достигает такой величины, при которой начинаются негативные экологические изменения в окружающей среде: нарушается равновесие в почвенной экосистеме, гибнет почвенная биота, падает фитопродуктивность, происходит изменение структуры, водно-физических свойств почв, снижается их плодородие, создается опасность загрязнения подземных и поверхностных вод в результате вымывания загрязняющих веществ из почвы и их растворения в воде (Глазовская, 1997; Соловьев и др., 2001; Маганов и др., 2006). Эффект, приводящий к снижению фитопродуктивности загрязненных почв, вплоть до полного её отсутствия,

является наиболее значительным негативным воздействием нефтяного загрязнения на окружающую среду (Донченко, 2007).

Очищение почв от нефти - это сложный физико-химический и биохимический процесс, скорость и направленность которого зависит от ряда факторов, таких как природно-климатические условия местности, тип и свойства почв, активность почвенной микрофлоры, начальная концентрация нефти в почве и ее свойства (Маркарова, Ренжина, 2001).

Разнообразие почв в пределах одной климатической зоны свидетельствует о том, что одни и те же климатические условия, преломляясь прежде всего через поверхностные геологические условия (рельеф, литологические условия: строение, состав и свойства почвообразующих пород), определяют разнообразие комбинаций всех факторов, ведущих к разнообразию режимов почвообразования: водно-воздушного, теплового, окислительно-восстановительного, кислотно-щелочного, пищевого. Особенности режимов почвообразования определяют не только разнообразие почв, но и условия формирования экологических ниш и разнообразие биологических видов (Гагарина, 2004).

Влияние нефти на почву многопланово. Установлено, что характер влияния нефтяного загрязнения определяется главным образом естественной буферностыо почвы. Малобуферные с меньшим содержанием гумуса и поглощенных оснований дерново-подзолистые почвы являются более уязвимыми при нефтезагрязнении, чем черноземы (Пиковский, 1988; Титова и др., 2004).

При исследовании показателя нефтеемкости разных типов почв воздушно-сухие образцы, просеянные через сито, увлажняли до 60% от полной влагоемкости, помещали в стаканы с отверстиями на дне и вносили нефть до появления первой капли на дне стакана (Сидтиков и др., 2001). Согласно полученным данным, почвы по убыванию нефтеемкости расположились в следующем порядке: перегнойно-торфяная (33%), чернозем типичный (23%), серая лесная (19%), глинистая желто-бурая (17%),

аллювиальная лугово-зернистая легкосуглинистая (15%), песчаная подзолистая (13%). Подобные исследования проводились и зарубежными исследователями (Reible et al., 1990; Gerstl et al., 1994; Haggerty, Gorelik, 1998; Pasteris et al., 2002).

Нефтезагрязнение оказывает влияние на содержание кислорода в почве, поскольку вытесняется почвенный воздух. Кроме того происходит разрушение структуры почв в результате склеивания частиц, ведущее к нарушению аэрации (Звягинцев и др., 1989; Hinchee, Arthur, 1991; Левин и др., 1995; Аммосова и др., 1999).

Загрязнение нефтью влияет также на водно-физические свойства почв. Смолисто-асфальтеновые компоненты нефти гидрофобны, поэтому почвы теряют способность впитывать и удерживать влагу. Снижаются такие почвенные показатели, как гигроскопическая влажность, водопроницаемость, влагоемкость и другие показатели. В полевом опыте показано, что влажность сильнозагрязненного песчаного подзола в сухое время года может снижаться на 80% относительно контроля (Бакина и др., 2008). При изучении скорости биодеградации НП в почвах отмечено ее ускорение при увеличении влажности от 6 до 75% (Hinchee, Arthur, 1991), а оптимальная скорость утилизации нефтяных углеводородов (УВ) микроорганизмами наблюдается при влажности почвы в пределах 30-90% (Leahy, Corwell, 1990). Установлено, что при нефтезагрязнении увеличивается дисперсность почв, уменьшается их структурность, степень агрегатности, удельная плотность (Зильберман и др., 2005).

Загрязнение почвы нефтью приводит к изменению агрохимических свойств почв: резко увеличивается количество углерода в гумусовом горизонте, уменьшается емкость поглощения за счет обволакивания почвенных коллоидов нефтяной пленкой, из-за чего образуется механический барьер между почвенными частицами. Снижается также содержание подвижного фосфора. По литературным данным (Хазиев, Фатхиев, 1981), в нефтезагрязненной дерново-подзолистой почве содержание

подвижного фосфора снижается в 1,5-2 раза. Расширяется соотношение С:Ы вследствие внесения безазотистых УВ нефти (Орлова, 1998). Так, в опытах с нефтезагрязненной серой лесной почвой этот показатель увеличивается с 11 до 24-28 (Габбасова и др., 2001). До полного исчезновения изменяется содержание нитратов, что свидетельствует о подавлении нитрификационных процессов в почве.

Продукты трансформации нефти резко изменяют состав и свойства почвенного гумуса. По экспериментальным данным исследователей (Аммосова и др., 1999; Бакина и др., 2007; Гальченко и др., 2008), установлено, что при нефтезагрязнении наблюдается увеличение общего содержания углерода в почве. Качественный состав гумуса также претерпевает изменения. Изучая влияние нефтяног�

Информация о работе

Маячкина, Наталья Викторовна
кандидата биологических наук
Санкт-Петербург, 2013
ВАК 06.01.03

Диссертация

Особенности процессов самовосстановления нефтезагрязненных подзолистых и дерново-подзолистых почв в условиях Ленинградской области - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы