Реакция сельскохозяйственных растений на загрязнение почвы нефтью
| Вид материала | Документы |
- Механическая обработка почвы важнейший элемент системы агротехнических мероприятий, 1342.34kb.
- Методические указания и задания к лабораторно-практическим занятиям по биотехнологии, 889.76kb.
- Экологическая химия почвы, 155.47kb.
- Проект практических действий «Как спасти речку Ельцовка -2, вчера сегодня завтра», 96.46kb.
- Инновационный проект внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий возделывания, 117.11kb.
- Стресс сельскохозяйственных животных, как ответная реакция на неблагоприятные условия, 198.02kb.
- Влияние удобрений, способов обработки и пленочной мульчи на питательный режим почвы,, 516.42kb.
- Осенняя обработка почвы для сахарной свеклы, 93.47kb.
- Поздняковой Анны Александровны Симоненко Сергей Валерьевич реферат, 193.96kb.
- Перечень элементов, определяемых в лаборатории физических методов анализа ац бггэ, 76.94kb.
Реакция сельскохозяйственных растений на загрязнение почвы нефтью
И.Ю. Давыдова, Е.П. Пахненко-Дурынина
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
При добыче, транспортировке, переработке и хранении нефти и её производных происходит загрязнение окружающей природной среды нефтяными углеводородами [4]. Негативные последствия загрязнения этими органическими веществами проявляются во всех компонентах экосистем, в том числе и через почву. Как правило, плодородие почв, загрязненных нефтью и продуктами её переработки, значительно снижается, что требует проведения рекультивационных мероприятий.
В этой связи представляется интересной оценка возможности самовосстановления почвы и разработка рекомендаций по интенсификации этого процесса в зависимости от уровня загрязнения нефтью. Этой проблеме посвящено много исследований, в том числе вошедших в соответствующие методические рекомендации.
Например, при уровне загрязнения нефтяными углеводородами торфяного субстрата 20 г/кг и песчаного субстрата 10 г/кг достаточным мероприятием для активизации процессов очищения почвы является применение агротехнического воздействия, поскольку эти дозы не оказывают заметного ингибирующего воздействия на рост растений [1].
Почва и грунт, загрязненные нефтью, относятся к отходам, опасным для окружающей природной среды, в соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов [7].. Код данного вида отхода – 340 000 («грунт, загрязненный сырой нефтью»).
Содержание нефти в почве и грунте 10 г/кг соответствует 4 классу опасности отхода (Wi=9120,1; Ki=10,9), который устанавливается расчетным методом [3]. Степень вредного воздействия отхода 4 класса опасности на окружающую природную среду характеризуется как низкая, что означает нарушение экологической системы и возможность её восстановления за период не менее трех лет.
В соответствии с гигиенической оценкой почв, используемых для выращивания сельскохозяйственных растений, при содержании нефти в почве больше ПДК устанавливается умеренно опасная категория загрязненности почв [6]. При такой категории допускается возделывание любых культур при условии контроля качества сельскохозяйственных растений, атмосферного воздуха рабочей зоны и местных водоисточников.
Однако реакция различных сельскохозяйственных растений на загрязнение почвы нефтяными углеводородами не может быть одинаковой даже при одном и том же уровне загрязнения ввиду их физиологических особенностей. Очевидно, что ремедиация загрязненных почв может быть оценена по функции «почва – растение», а это зависит от подбора сельскохозяйственных культур.
Как правило, в инструктивно-методических документах рекомендуется залужение [8-11]. Возделывание многолетних трав является почвовосстановительным способом наиболее широкого спектра действия, поскольку он подходит для первого этапа восстановления почв сельскохозяйственных и лесных угодий, а также для создания газонов и озеленения промплощадок.
Оптимальность этого подхода для агроценозов вызывает сомнения, т. к. другие культуры по сравнению с многолетними травами могут оказаться наименее восприимчивыми к негативным изменениям эдафона.
С целью биоиндикации изменения функциональных свойств почвы, загрязненной нефтью, по реакции сельскохозяйственных растений, имеющих разную чувствительность к неблагоприятным факторам среды, был проведен вегетационный опыт. Экологические функции загрязненной нефтью почвы оценивались по деградации её свойств, а именно: фитотоксичность, обеспеченность азотом, гумусное состояние, структурные и водно-физические показатели.
Для вегетационного опыта использовалась почва из пахотного горизонта выщелоченного среднесуглинистого чернозема на покровном лессовидном суглинке. Доза вносимой нефти составляла 10 000 мг/кг почвы, что соответствует очень высокому уровню загрязнения, поскольку превышает ориентировочно допустимое количество (ОДК) нефти в почве в 10 раз [5]. Загрязнение почвы нефтью проводилось до посева сельскохозяйственных культур. Контроль – не загрязненная нефтью почва из того же горизонта.
На чистой и нефтезагрязненной почве выращивались кукуруза на зеленую массу, клевер на сено, газонные травы (райграс, мятлик, овсяница), овес, ячмень. Каждый вариант проводился в пятикратной повторности.
Во все вегетационные сосуды до посева вносились минеральные удобрения, а именно: аммиачная селитра, суперфосфат и сернокислый калий. Дозы азота, фосфора, калия составили по 0,1 г/кг почвы во всех вегетационных сосудах. Для клевера доза минерального азота была снижена до 0,03 г/кг.
Реакция растений на загрязнение почвы нефтью оценивалась визуально в процессе вегетации, а также по урожайности сельскохозяйственных культур. Деградационные изменения свойств почвы определялись в конце вегетационного периода по параметрам: фитотоксичность, углеродно-азотное соотношение, агрегатный состав почвы, водоудерживающая способность.
По результатам учета урожайности было установлено, что этот показатель при очень сильном загрязнении почвы сырой нефтью весьма зависим от индивидуальных особенностей растений (таблица № 1). Для кукурузы, клевера, газонных трав и ячменя было отмечено снижение урожайности на фоне нефтяного загрязнения на 70-85 % по сравнению с контролем. Овес является более устойчивой культурой к такому уровню загрязнения, т. к. потеря урожайности была в 2 раза меньше (40 %). Поэтому рекомендуемые для биологического этапа рекультивации травы (райграс, мятлик, овсяница, клевер) не подходят для этой цели при уровне загрязнения почвы нефтью 10 г/кг почвы. В данном случае лучше использовать овес.
Следует отметить, что соотношение основной и побочной продукции при загрязнении нефтью улучшилось. Выход зерна по отношению к соломе увеличился для овса в 1,6 раза, ячменя – в 1,5 раза по сравнению с контролем.
^ Таблица № 1. Урожайность сельскохозяйственных растений на почве, загрязненной нефтью
| Культура | Вариант опыта | Урожайность, кг/кв. м | Зерно:солома | Снижение урожайности, % к контролю |
| Кукуруза | Почва | 3,88 ±0,18 | | 85,0 |
| Почва + нефть | 0,60±0,08 | |||
| НСР0,95=±0,25 | ||||
| Газонные травы | Почва | 0,69±0,04 | | 74,0 |
| Почва + нефть | 0,18±0,03 | |||
| НСР0,95=±0,05 | ||||
| Клевер | Почва | 0,22±0,02 | | 73,0 |
| Почва + нефть | 0,06±0,00 | |||
| НСР0,95=±0,01 | ||||
| Ячмень | Почва | 0,11±0,01 | 0,2 | 70,0 |
| Почва + нефть | 0,03±0,01 | 0,3 | ||
| НСР0,95=±0,01 | | |||
| Овес | Почва | 0,18±0,02 | 0,5 | 40,0 |
| Почва + нефть | 0,11±0,03 | 0,8 | ||
| НСР0,95=±0,01 | | |||
Среди возможных причин резкого снижения урожайности сельскохозяйственных растений, как правило, в первую очередь указывается деградация свойств почвы. Однако проведенный нами анализ наиболее важных почвенных показателей не выявил их сколько-нибудь значительных негативных изменений.
Во-первых, оценка загрязнения почвы сырой нефтью на суммарную токсичность чернозема по методу биотестирования (таблица № 2) показала, что только для кукурузы среда является токсичной. Для этой культуры отмечен эффект торможения роста корней даже через 4 месяца после загрязнения почвы нефтью. В данном случае почва по суммарной токсичности характеризуется как умеренно токсичная, т. е. имеет 3 класс опасности. Это обстоятельство означает нарушение экологической системы с периодом восстановления не менее 10 лет /3/.
Для всех остальных исследованных культур эффект торможения роста корней как результат последействия нефтяного загрязнения не был установлен (таблица № 2). В этом случае почву можно считать нетоксичной, т. е. экологическая система практически не нарушена, степень воздействия нефтяного загрязнения на природную среду имеет условно нулевой уровень, класс опасности - пятый /3/.
Наоборот, результатом последействия столь высокого уровня нефтяного загрязнения является эффект стимуляции роста корней этих культур. Для овса был отмечен максимальный эффект стимуляции роста корней – 151,2 %, для клевера – 23,3 %, ячменя – 23,5 %; минимальный эффект наблюдался для газонных трав – 14,3 %.
Следовательно, овес менее всего восприимчив к очень высокому уровню нефтяного загрязнения.
^ Таблица № 2. Изменение остаточной суммарной токсичности почвы при загрязнении нефтью
| Культура | Вариант опыта | Среднее арифмети- ческое длины проростка, см | Эффект тормо- жения роста корней, % | Характе- ристика почвы по суммарной токсичности | Класс опас- ности | Эффект стиму- ляции роста корней, % |
| Кукуруза | Почва | 1,5 | 39,9 | Умеренно токсичная | 3 | 0,0 |
| Почва+ нефть | 0,9 | |||||
| НСР0,95=±0,1 | ||||||
| Овес | Почва | 0,4 | 0,0 | Нетоксичная | 5 | 151,2 |
| Почва+ нефть | 1,1 | |||||
| НСР0,95=±0,1 | ||||||
| Клевер | Почва | 1,9 | 0,0 | Нетоксичная | 5 | 23,3 |
| Почва+ нефть | 2,4 | |||||
| НСР0,95=±0,2 | ||||||
| Газонные травы | Почва | 2,2 | 0,0 | Нетоксичная | 5 | 14,3 |
| Почва+ нефть | 2,6 | |||||
| НСР0,95=±0,1 | ||||||
| Ячмень | Почва | 2,5 | 0,0 | Нетоксичная | 5 | 23,5 |
| Почва+ нефть | 3,1 | |||||
| НСР0,95=±0,2 | ||||||
В результате проведенных исследований было установлено, что накопление органического углерода и расширение углеродно-азотного соотношения зависят от возделываемых культур и не могут являться однозначными показателями деградации почвы при нефтяном загрязнении.
Под всеми культурами наблюдалось увеличение общего содержания органического углерода в почве вследствие нефтяного загрязнения (таблица № 3). Однако под разными культурами остаточное содержание Сорг. было неодинаковым. Например, в конце вегетационного периода под кукурузой отмечалось увеличение содержания Сорг. на 1,2%, под овсом – на 0,8%, под газонными травами – на 0,6 %, под клевером – на 0,3%; под ячменем накопления Сорг. не было.
Это обстоятельство означает, что скорость разложения нефти в почве убывает в ряду культур следующим образом: ячмень → клевер → газонные травы → овес → кукуруза.
Содержание общего азота в почве в конце вегетационного периода также зависело от культуры (таблица № 3). В варианте с овсом произошло снижение количества общего азота с 0,33 % до 0,23 %, что объясняется выносом азота урожаем. Возделывание других культур не сопровождалось обеднением почвы азотом, поскольку их урожайность значительно снизилась (см. выше).
Следовательно, баланс азота в почве, загрязненной нефтью, определяется, главным образом, выносом урожаем возделываемой культуры, а не процессами микробиальной деструкции нефти в почве. Поэтому представляется нецелесообразным интенсифицировать процесс самоочищения почвы, загрязненной нефтью, внесением азотных удобрений, как это считалось ранее.
^ Таблица № 3. Влияние сельскохозяйственных растений на углеродно-азотное соотношение при загрязнении почвы нефтью
| Культура | Вариант опыта | Сорг., % | Nобщ., % | С:N |
| Кукуруза | Почва | 1,91 | 0,18 | 10,61 |
| Почва + нефть | 3,13 | 0,21 | 14,91 | |
| Овес | Почва | 2,22 | 0,33 | 6,73 |
| Почва + нефть | 3,00 | 0,23 | 13,04 | |
| Клевер | Почва | 2,62 | 0,24 | 10,92 |
| Почва + нефть | 2,89 | 0,25 | 11,56 | |
| Газонные травы | Почва | 2,29 | 0,25 | 9,16 |
| Почва + нефть | 2,91 | 0,23 | 12,65 | |
| Ячмень | Почва | 2,53 | 0,18 | 14,06 |
| Почва + нефть | 2,55 | 0,22 | 11,59 |
Что касается изменения углеродно-азотного соотношения при загрязнении почвы нефтью, то можно отметить его расширение под всеми культурами, кроме ячменя (таблица № 3). Наиболее вырос этот показатель под овсом (с 6,73 до 13,04), что определяет необходимость увеличения дозы азотных удобрений при возделывании этой культуры на нефтезагрязненной почве.
Ввиду изменения содержания органического углерода в почве при загрязнении нефтью, было выполнено определение содержания углерода во фракциях гумуса для варианта с овсом (таблица № 4). В конце вегетационного периода, т. е. по мере самоочищения почвы от нефти, произошло увеличение общего содержания гуминовых кислот (с 54,1 % до 69,4 %), в том числе фракции гуминовых кислот, свободных и связанных с подвижными полуторными окислами, а также фракции, связанной с кальцием. Сумма фульвокислот, наоборот, уменьшилась с 35,6 % до 27,4 %, что сопровождалось снижением содержания всех подвижных фракций фульвокислот. В почве, загрязненной нефтью, наблюдалось уменьшение негидролизуемого остатка и расширение соотношения гуминовых кислот и фульвокислот.
Следовательно, под влиянием деструкции нефти в почве происходит улучшение группового и фракционного составов гумуса, т. е. увеличение гуматности, снижение подвижности, повышение потенциальной агрегирующей способности и адсорбционных свойств гумуса, что имеет важное экологическое значение.
^ Таблица № 4. Углерод фракций гумуса, % к Собщ. почвы
| Вариант опыта | Сорг., % | Сгк | Сфк | Сгк+ Сфк | Сгк: Сфк | |||||||
| 1 | 2 | 3 | ∑ | 1а | 1 | 2 | 3 | ∑ | ||||
| Почва | 2,22 | 9,9 | 35,6 | 8,6 | 54,1 | 6,3 | 7,2 | 15,8 | 6,3 | 35,6 | 89,7 | 1,5 |
| Почва+ нефть | 3,00 | 14,3 | 46,4 | 8,7 | 69,4 | 5,7 | 3,6 | 10,1 | 8,0 | 27,4 | 96,8 | 2,5 |
Как известно, от гумусного состояния почвы зависит агрономическая ценность её структуры. В таблице № 5 представлены результаты сухого и мокрого просеивания почвы, позволяющие оценить изменение агрегатного состава под влиянием нефтяного загрязнения. В вариантах с кукурузой и овсом эти изменения носят однонаправленный характер, а именно: содержание агрономически ценных агрегатов при сухом просеивании и коэффициент структурности остаются неудовлетворительными, в то время как водопрочность агрегатов значительно возрастает. В результате нефтяного загрязнения в варианте с овсом наблюдалась отличная водопрочность агрегатов; в варианте с кукурузой водопрочность агрегатов стала избыточно высокой. Эти изменения позволяют предполагать, что под овсом деструкция нефти происходит быстрее, а под кукурузой агрегаты «запарафиниваются», т. е. на них адсорбируются трудноразлагаемые фракции нефти.
^ Таблица № 5. Структурное состояние чернозема, загрязненного нефтью
(сухое и мокрое просеивание по Саввинову)
| Культура | Вариант опыта | Содержание фракций агрегатов1), % | Характеристика структурного состояния почвы | ||||||||||
| Размер фракций агрегатов, мм | Содержание агрономически ценных агрегатов размером 0,25-10 мм, % | Коэффи- циент структур- ности агрегатов2) | Содержание водопрочных агрегатов размером >0,25 мм, % | ||||||||||
| >10 | 10-7 | 7-5 | 5-3 | 3-2 | 2-1 | 1-0,5 | 0,5-0,25 | <0,25 | |||||
| Кукуруза | Почва | 91,3 | 3,3 | 1,3/ 0,0 | 1,2/ 0,3 | 0,8/ 1,0 | 1,0/ 4,0 | 0,3/ 17,1 | 0,1/ 21,6 | 0,3/ 56,0 | 8,4 (неудовл.) | 0,1 (неудовл.) | 44,0 (хорошее) |
| Почва+ нефть | 79,5 | 7,1 | 4,3/ 60,0 | 3,8/ 4,6 | 2,6/ 4,5 | 1,2/ 6,0 | 0,4/ 6,3 | 0,1/ 4,2 | 0,2/ 14,5 | 20,3 (неудовл.) | 0,3 (неудовл.) | 85,5 (избыточно высокое) | |
| Овес | Почва | 64,7 | 11,5 | 7,6/ 0,6 | 7,9/ 0,7 | 4,7/ 0,7 | 3,6/ 1,2 | 0,8/ 4,0 | 0,5/ 15,1 | 0,8/ 77,3 | 34,5 (неудовл.) | 0,6 (неудовл.) | 22,7 (недостато-чно удовлетв.) |
| Почва+ нефть | 72,6 | 10,1 | 8,8/ 38,0 | 9,5/ 6,7 | 7,1/ 6,9 | 2,3/ 8,2 | 0,8/ 8,7 | 0,7/ 7,0 | 0,9/ 24,5 | 26,5 (неудовл.) | 0,5 (неудовл.) | 73,5 (отличное) | |
Примечание. 1) В числителе – результаты сухого просеивания, в знаменателе – результаты мокрого просеивания. 2) Отношение содержания агрегатов размером от 0,25 до 10 мм к сумме агрегатов размером >10 мм и <0,25 мм.
На фоне повышения водопрочности агрегатов не произошло негативного изменения влагоемкости почвы, т. е. потенциальная доступность воды растениям осталась почти на прежнем уровне. В таблице № 6 приведены значения различных видов почвенной влагоемкости, а также набухания, установленные по данным основной гидрофизической характеристики для варианта с овсом. Очевидно, что рассматриваемый уровень загрязнения почвы нефтью не имеет пролонгированных последствий по отношению к её водно-физическим свойствам. В этом случае водоудерживающая способность и набухание мало изменяются, агрегаты остаются водопроницаемыми, доступность воды растениям сохраняется.
^ Таблица № 6. Влагоемкость горизонта Ар чернозема на фоне загрязнения нефтью
| Вариант опыта | Максималь- ная адсорб- ционная влагоем- кость | Максималь- ная молеку- лярная влагоем- кость | Максимальная капиллярно-сорбционная влагоемкость | Наимень- шая влаго-емкость | Влаж-ность набу-хания |
| % от массы почвы | |||||
| Почва | 6,1 | 23,2 | 26,1 | 28,3 | 51,9 |
| Почва+ нефть | 6,0 | 23,1 | 26,0 | 28,2 | 50,4 |
Поскольку нефтяное загрязнение привело к повышению водопрочности почвенной структуры, то была оценена возможность применения кротового дренажа на периодически переувлажняемых почвах черноземного ряда с целью улучшения их водно-воздушного режима и ускорения биодеструкции нефти. Среди таких почв можно указать, например, лугово-черноземные почвы подов, черноземы-смолницы и другие высокогумусированные почвы с периодическим застоем воды (аллювиальные и т. п.). Целесообразность применения кротового дренажа для интенсификации самоочищения переувлажняемых нефтезагрязненных почв устанавливалась по устойчивости кротовых дрен и прогнозному сроку их службы по методу Ф.Р. Зайдельмана /2/. Данный метод основывается на учете изменения количества водопрочных мезоагрегатов размером 3-5 мм после просеивания в воде.
Для проведения эксперимента использовалась почва из варианта с овсом.
По результатам определения количества водопрочных агрегатов после их просеивания в воде было установлено, что загрязнение почвы нефтью приводит к резкому (более чем на порядок) повышению водоустойчивости мезоагрегатов по сравнению с контролем. В нефтезагрязненной почве содержание водоустойчивых агрегатов составило 61,25 % от веса всех агрегатов данного размера, а на контроле – только 4,5 %. Поскольку нефтезагрязненная почва отличается хорошей сохранностью мезоагрегатов в воде, что снижает возможность заплывания кротовых дрен и обеспечивает их эффективное действие в течение 3-4 и более лет, то создание кротового дренажа представляется целесообразным на рассматриваемых почвах.
Выводы
- Биоиндикация нефтяного загрязнения с целью оценки сохранности экологических функций почвы в агроэкосистемах должна осуществляться при использовании сельскохозяйственных растений с различной чувствительностью к негативным изменениям факторов среды.
- Во время этапа биологической рекультивации на черноземе с уровнем загрязнения нефтью 10 г/кг лучше возделывать овес, поскольку эта культура наименее чувствительна к такому уровню загрязнения. Травы (мятлик, райграс, овсяница, клевер) использовать нецелесообразно в виду их более высокой чувствительности к нефтяному загрязнению.
- Уровень загрязнения нефтью 10 г/кг почвы не приводит к повышению токсичности почвы по отношению к овсу, ячменю, клеверу и газонным травам. Последействием загрязнения является существенное стимулирование роста корней этих культур и, особенно, овса. Для кукурузы установлена умеренная степень токсичности почвы при таком уровне загрязнения нефтью.
- Значительной деградации свойств почвы, загрязненной нефтью, не происходит. В процессе самовосстановления почвы улучшаются её гумусное и структурное состояния, а также сохраняется доступность растениям воды и веществ из почвенного раствора. Запас общего азота не изменяется в связи с низкой урожайностью культур; под овес целесообразно вносить более высокие дозы азотных удобрений.
- Снижение плодородия почвы, загрязненной нефтью, в основном зависит от специфичности реакции сельскохозяйственных растений на загрязнение, что, в свою очередь, определяется особенностями физиологии культур.
Литература
- Александров А.И., Загвоздкин В.К., Ерцев Г.Н., Громова О.В., Маркарова М.Ю., Таскаев А.И., Архипченко И.А., Мурыгина В.П., Лушников С.В., Калюжин В.А. Оптимизация технологии биорекультивации загрязненных нефтью почв в условиях Крайнего Севера //Новые технологии для очистки нефтезагрязненных вод, почв, переработки и утилизации нефтешламов. Международная конференция. 10-11 декабря 2001 г. Тезисы докладов. – М.: Издательский дом «Ноосфера», 2001. С. 94-96.
- Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. М.: Издательство МГУ, !987. – 304 с.
- Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды. Утверждены приказом МПР России от 15 июня 2001 г. № 511.
- Мажайский Ю.А., Давыдова И.Ю., Евтюхин В.Ф., Евсенкин К.Н. Агроэкологическая оценка нефтезагрязненных земель территорий ЛПДС //Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности . Доклады четвертой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Санкт-Петербург, 16-18 июня 1999 г. В 2-х т. – С.-Пб., 1999. Т. 1. С. 396-398.
- Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель. Утверждены Минприроды России 15.02.95, Роскомземом 28.12.94 и Минсельхозпродом России 26.01.95.
- Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. Утверждены заместителем Главного Государственного санитарного врача СССР 13.03.87 № 4266-87.
- Приказ Госкомэкологии РФ о федеральном каталоге отходов № 527 от 27.11.97 г. Зарегистрирован в Минюсте РФ 29.12.97 г. № 1445.
- РД 39-0147103-365-86. Инструкция по рекультивации земель, загрязненных нефтью // Уфа, Миннефтепром СССР, ВНИИСПТнефть, 1987.
- РД 39-014-70-98-015-90*. Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах предприятий Миннефтепрома //Уфа, Миннефтегазпром, 1989.
- РД 39-0147098-015-90. Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах предприятий Миннефтегазпрома //Уфа, Миннефтегазпром России, 1990.
- РД 39-00147105-006-97. Инструкция по рекультивации земель, нарушенных и загрязненных при аварийном и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов // Уфа, Минтопэнерго России, 1997.