ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ КАЛМЫКИИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Разработка мероприятий по оптимизации природопользования на территории России осложняется плохой изученностью свойств систем в их естественном состоянии. При контроле загрязнения почв нефтепродуктами решаются три основные задачи: определяются масштабы загрязнения; выявляется комплекс показателей, характерных для эколого-геохимического районирования; решаются вопросы ремедиации почв. Наиболее остро эта проблема отмечена в связи с изучением пустынных ландшафтов страны.
Целью данной работы было изучение нефтяного загрязнения природной среды на территориях участков буровых Улан-Хольского месторождения, расположенного на юго-востоке Республики Калмыкия (РК), и исследование особенностей накопления биологически активных веществ в надземной части сельскохозяйственных культур, произрастающих в условиях полевого опыта, где моделируется нефтяное загрязнение.
Северо-западная часть Прикаспийской низменности – это провинция светло-каштановых и бурых почв, солонцовых комплексов, песчаных массивов и пятен солончаков. В регионе встречаются почвы как песчаного и супесчаного гранулометрического состава, сформировавшиеся на древнеаллювиальных отложениях, так и тяжелосуглинистого и глинистого состава, развитые на материнских породах тяжелого гранулометрического состава.
Пробы почв и растений отбирали как на территории буровых, так и за территорией. Фоном служила почва на расстоянии 10 км от станции Улан-Холл, где не было ни буровых площадок, ни животноводческих стоянок. На изученных участках Улан-Холлского месторождения нефти преобладают равнинные слабо всхолмленные ландшафты, менее распространены лиманы и барханы; распространены бурые полупустынные почвы легкого гранулометрического состава разной степени солонцеватости. Природные ландшафты в значительной степени замещены сельскохозяйственными, урбанизированными и промышленными. В разрезе, сделанном на территории буровой площадки оказалось, что все горизонты сильнозасолены; особенно сильно верхний горизонт, затем засоление уменьшается; тип засоления сульфатный по всей глубине. Почвы мало обеспечены азотом, с высоким содержанием подвижного фосфора. Содержание нефтепродуктов находится в пределах 0,02-10%, минимальное содержание нефтепродуктов на глубине 140-180 см, максимальное - на поверхности, ниже (до 140см) распределение равномерное, на территории буровой - больше у амбара на глубине 0-30см.
Растительный покров буровых площадок представлен единичными и случайными по составу растениями. У факела проективное покрытие составляет от 28-30%, доминируют колючка верблюжья и полынь белая, встречаются паслен черный, сирения стручковая, гелиотроп европейский. У дизеля проективное покрытие составляет 10%, преобладают полынь белая, дурнишник колючий, единично встречаются тысячелистник тонколистый. На фоновой территории преобладают полынь белая, костры, ковыли и лебеда.
Известно, что при благоприятных условиях степные экосистемы, эволюционируя, сохраняются тысячелетиями. При техногенном воздействии они могут разрушаться за очень короткий промежуток времени. На нефтезагрязненной территории повышается вариабельность токсичных элементов Hg и As и понижается биофильных металлов Zn, Cu, Co, Mn. В зоне техногенного загрязнения окружающей среды возрастает изменчивость состава растений в отношении важнейших биофильных элементов по сравнению с фоновыми участками. В растениях и сопряженных почвах наблюдается увеличение концентрации технофильных As, Cd, Cr, Pb, CI, Fe и в меньшей степени биофильных Mn, Co, Cu, Zn элементов в траве и в почвах, сопряженных с техногенными зонами.
Перспективным в экологическом и экономическом плане является использование растений для фиторемедиации нефтезагрязненных почв. Положительная роль растений в очищении почв связана с их способностью поглощать и трансформировать химические токсиканты, активизировать деятельность микробного сообщества почв, и, как следствие, интенсифицировать процессы трансформации чужеродных соединений. Эффективность фитоэкстракции элементов-загрязнителей из почвы пропорциональна произведению коэффициента накопления на урожайность растений. Экологический период полуочищения почвы может изменяться от нескольких до сотен тысяч лет в зависимости от свойств почвы, растений и элемента-загрязнителя. Поэтому представляет особый интерес биохимическая оценка степени повреждения природных экосистем при нефтяном загрязнении почвы, на основании которой можно разработать мероприятия по их восстановлению.
Посев в нефтезагрязненную почву бобовых и злаковых растений является одним из приемов интенсивной рекультивации. Был проведен полевой опыт, опыты ставили в течении двух лет с целью изучения динамики накопления в растениях и выноса растениями и их отдельными органами биологически активных веществ в зависимости от условий выращивания, от фона NPK, от дозы нефти на почве (гумус 2,5%, рН водный 7,3, N_общ. 14,0 мг/100г, P₂O₅ 25,0 мг/100г, К₂О 32,0 мг/100г, тип засоления SO_4-Cl). Полевые опыты проводились методом микроделянок на светло-каштановой среднезасоленной, среднесуглинистой почве, загрязненной товарной нефтью Улан-Хольского месторождения. Содержание нефти в почве составило 10% от массы почвы. Контролем служили образцы почв с незагрязненных участков. Известно, что в почве, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, нарушается нормальное содержание многих элементов, в основном происходит снижение содержания азота, в меньшей степени подвижного фосфора и обменного калия. На делянки подвергнутые рекультивации внесены органо-минеральные удобрения в дозе N30P60K30. Применение минеральных удобрений способствует оптимизации соотношения питательных элементов в почвенном растворе и созданию определенной буферной емкости среды нефтезагрязненной почвы, что является важным фактором для обменных процессов. В своих исследованиях по подбору культур мы исходили из реальных почвенно-климатических условий региона и выбрали амарант, овес, кресс-салат и ячмень. Эти растения высевались в загрязненную почву. Посев семян ячменя и амаранта проводили весной через 30 дней после постановки опыта. Делянки были поделены на три части: 1) удобрения (контроль); 2) нефть 2006г. + удобрения; 3) для ячменя и амаранта нефть 2006 г., повторно вносилась нефть в 2007г. + удобрения; для кресс-салата и овса – нефть 2007г. + удобрения.
В нефтезагрязненной почве под ячменем увеличивается содержание N-NH₄ в 1,5 раза, подвижного фосфора (Р) в 1,3 раза; под амарантом увеличивается N-NH₄ в 1,2 раза, Р - в 1,2-2,0 раза. Содержание Fe увеличивается по сравнению с фоновым в 3 раза. В 2007 г добавились в опыт две культуры: овес и кресс-салат, которые рекомендуются другими авторами для фитомелиорации. Изменения свойств почвы определялись в конце вегетационного периода по параметрам: фитотоксичность, углерод-азотное отношение (С:N), накопление ТМ. При выращивании растений соотношение С:N увеличивается в обоих сериях опытов: и в контроле, и в нефтезагрязненной почве, что также свидетельствует о сдвиге окислительно-восстановительного режима и деградационных изменениях. В фоновых почвах отношение С:N практически одинаково и в среднем составляет 1,72. На нефтезагрязненной почве показатель С:N резко увеличивается, достигая значений 4,67-10,77, что объясняется повышением содержания С_орг. за счет техногенных потоков углеводородов.
В загрязненных почвах резко меняется состояние органического вещества почв и распределение в них С_орг, было установлено, что накопление Сорг и расширение углеродно-азотного отношения зависят от возделываемых культур, но оно не может являться однозначными показателями детоксикации нефти в почве.
Одним из важных факторов, который обычно учитывается при решении вопроса о фитомелиорации и сельскохозяйственного использовании загрязненных нефтепродуктами земель, является негативное влияние почвы на рост и развитие возделываемых на ней культур. В концентрациях 1-5% нефть обладала токсическим действием на рост растений. Растения, выращенные на этих почвах, отличалась от контроля. Негативное влияние нефтезагрязнения повлияло на овес обыкновенный, такие показатели как длина колоса, стебля и число зерен уменьшились, у ячменя при загрязнении уменьшается число зерен и колосков, у кресс-салата уменьшается число листьев в 2 раза при сравнении с контролем. У ячменя длина стебля и число зерен в почве загрязненной в 2006 г выше, чем в двух других опытах (на 2 см в сравнении с контролем и на 11,2 см при повторном нефтезагрязнении в 2007 г). Для ячменя и овса также было проведено наблюдение динамики роста в течение вегетационного периода. Всходы ячменя и овса появились дружно в контроле и в нефтезагрязненной почве 2006 г и 2007 г. Максимальный рост ячменя наблюдается на 7 неделе как у контроля, так и на нефтезагрязненной почве. Сравнительные данные по биопродуктивности 4 видов сельскохозяйственных растений и соотношение этих веществ в зависимости различной степени нефтезагрязнения почв показали следующее: у ячменя увеличивается выход зерен, в среднем из 2-3 колосков ячменя получено 61-63 штук зерен, что на 30,6% выше, чем в контроле и на 55% выше чем, при повторном нефтезагрязнении; у кресс-салата при нефтезагрязнении увеличивается длина стебля (на 2,3 см), но уменьшается число листьев. Это можно объяснить приспособленностью ячменя к неблагоприятным условиям, что позволяет его использовать там, где другие растения не выживают. Влияние нефтезагрязнения у амаранта сказалось на длине корня: больше на 1,7 см по сравнению с контролем, а при повторном загрязнении на 3,8 см. Он рос и накапливал биомассу значительно медленнее, чем растения в контроле. Средний вес стеблей и листьев одного растения даже на слабозагрязненной почве через 2 месяца отличался от контрольных показателей в 7 раз, а через 4 месяца уже в 12 раз. Замедление роста побегов растений сопровождалось уменьшением размера листьев в загрязненных нефтью вариантах опыта. К концу инкубационного периода площадь листовой поверхности одного такого растения была в 6-7 раз меньше площади листьев в контроле. Накопление биомассы надземной части амаранта тормозилось нефтью сильнее, чем накопление биомассы корней. Двухмесячное выращивание его в почве, содержащей 1% нефти, вызвало уменьшение биомассы корней относительно контроля на 25%, а в концентрации 2-5 % - в 3 раза. Загрязнение почвы нефтяными углеводородами меняло морфологию корней амаранта - падало число и длина боковых корней. Со временем негативное воздействие углеводородов нефти на корневую систему амаранта немного уменьшалось.
Важным параметром в формировании периода полуочищения является коэффициент распределения элемента между твердой и жидкой фазами почвы. Скорость очищения почвы может быть вычислена, если известны коэффициент накопления элемента, масса урожая растений, масса 1 га почвы, коэффициент распределения элемента между твердой и жидкой фазами и интенсивность осадков на загрязненной территории и т.д.
Изучение химических показателей плодородия почв показало, что по всем делянкам наблюдалось уменьшение содержания азота в почве в 10 раз, что объясняется усвоением азота растениями. Накопление азота происходило, в основном в стеблях амаранта у него увеличилось содержания N-NO₃ в 40 раз. Зольность растений на нефтезагрязненных почвах увеличилась для овса на 6,6 %, у ячменя на 23-31%, у амаранта на 6-16%, понижение зольности наблюдалось для кресс-салата - на 1%. Увеличение зольности объясняется увеличением содержания соединений Ca, Mg, Fe и др. элементов. Содержание СaO > для ячменя на 5,5%, кресс-салата > на 19%, < произошло для овса на 14%, < у амаранта на 14-16%. В настоящее время вопросы баланса химических элементов на нефтезагрязненной почве приобретает все большее значение. Имеющиеся работы свидетельствуют о значительных колебаниях в величинах выноса (N  4-35 кг/га, P₂O₅ 2-25кг/га, K₂O 6-90 кг/га). Сравнивая полученные данные в условиях опыта с литературными данными, можно отменить повышенный вынос золы. Вынос же N, P урожаем сельскохозяйственных культур в условиях полевого опыта несколько понижен, что связано со сравнительно невысокой урожайностью. Несмотря на отмеченную ранее обогащенность сельскохозяйственных культур калием, вынос его с урожаем зерна невысок.
Комплексные удобрения во всех случаях повысили количество вынесенных зольных элементов и азота, что, прежде всего, связано с увеличением урожая зерна. Повышение в зерне содержания N, P, K, Fe и Zn обусловило значительное увеличение выноса этих элементов урожая. Особенно сильно (на 40% относительно контроля) возрастает вынос фосфора. Доля MgO и СаО в составе золы несколько снижается, что, видимо, связанно с интенсивным поступлением в зерно других компонентов.
Содержание клетчатки было максимальным в фазу созревания. К концу вегетации оба показателя снижались. Ячмень развивался значительно быстрее. В первый срок отбора растения этого вида уже вступили в фазу созревания. В эту в них выявлено наибольшее содержание клетчатки, тогда как максимальное содержание дубильных веществ выявлено в фазу окончания роста. К концу вегетации содержание дубильных веществ, клетчатки, жиров, углеводов снижалось. Для кресс-салата изменения в содержании дубильных веществ, клетчатки, жиров, углеводов происходит волнообразно: снижение в период начала цветения, но к началу плодоношения  эти показатели достигли максимума. Для амаранта изменения содержания изученных соединений происходят также как и у ячменя, но концентрации значительно выше в 1,5-2 раза. Различия в динамике изучаемых первичных и вторичных метаболитов, вероятно, обусловлены разной продолжительностью фаз и темпов сезонного развития у изучаемых видов растений: для амаранта наиболее продолжительной является фаза активного роста, а для кресс-салата - фаза цветения.
На интенсивность процессов накопления биологически активных веществ сильнее оказывает влияние нефтяное загрязнение почв. При нефтяном загрязнении почв произошли изменения в содержании клетчатки: для овса и ячменя уменьшилось на 28 и 6%, соответственно, для кресс-салата и амаранта увеличилось на 20 и 1%, соответственно, но после 50% разрушения нефти содержание клетчатки у него увеличилось на 13%. Содержание дубильных веществ уменьшилось для овса на 4,3%, кресс-салата на 1,5%, амаранта 1,0-6,0%. Увеличилось содержание дубильных веществ у ячменя в первый год внесения удобрений на 2,0%, на следующий год содержание дубильных веществ понизилось до контрольных результатов. Установлено, что наиболее активно происходит детоксикация почв при выращивании ячменя и амаранта в комплексе с комплексными минеральными удобрениями, когда содержание нефтепродуктов в почвах не превышает 5%. Эти растения адаптированы к нефтяному загрязнению и обладают низким потенциалом усвоения жидких нефтяных углеводородов. Таким образом, с урожаем сельскохозяйственных культур, выращенных на нефтезагрязненных почвах, выносится почти половина внесенных с удобрениями питательных веществ и изменяется биохимический состав.
 

Л.Х. Сангаджиева, Ц.Д. Даваева, О.В. Гаряева, О.С.Сангаджиева