Панасенко Є.В. Вплив агромеліоративних заходів на відновлення властивостей та родючості нафтозабрудненого чорнозему

Краткое содержание

При потраплянні до ґрунту сирої нафти (дуже складної суміші органічних сполук і мінеральних розчинів) у його товщі відбувається латеральне і радіальне розділення забруднювача. Вертикальний рух нафти по ґрунтовому профілю створює хроматографічний ефект, призводячи до диференціації складу нафти: у верхньому гумусовому горизонті сорбуються високомолекулярні компоненти нафти, які містять багато смолисто-асфальтенових речовин. При цьому у піщаних ґрунтах створюється суцільний фронт руху нафти, у важких суглинках вона проникає по тріщинах, уздовж кореневих систем рослин, сорбується в окремих горизонтах, визначаючи мозаїчну, плямисту картину забруднення ґрунтового профілю. Багатьма дослідженнями в різних країнах було встановлено, що на акумуляцію і трансформацію вуглеводнів нафти в ґрунті, впливає дуже велика кількість факторів. Зокрема, важливе значення має інтенсивність забруднення, склад самої нафти, гранулометричний склад ґрунту, його вологість, щільність, структурність, рельєф місцевості, температура, рівень засолення ґрунтових вод, тип водного режиму та ін.

У літературі висвітлювались різноманітні аспекти змін властивостей ґрунтових екосистем на територіях нафтопромислів. Вони свідчать, що поряд із змінами геохімії та іонно-сольового режиму техногенний галогенез передбачає також суттєві зміни агрохімічних, фізико-хімічних та інших важливих властивостей ґрунтів. Головними наслідками впливу нафтового забруднення на мікробіологічні властивості ґрунтів є збіднення видового різноманіття, чисельності ґрунтової біоти. Відбувається зміна складу популяції і груп мікроорганізмів у результаті чого в забруднених ґрунтах з’являються види, які рідко зустрічаються або зовсім нетипові для цього ґрунту.

При аналітичному огляді літератури було встановлено, що не існує єдиного універсального методу відновлення родючості нафтозабруднених ґрунтів. Це пояснюється, насамперед, багатофакторністю умов та складністю самого забруднення.

Умови, об’єкти і методика досліджень. Дослідження з вивчення поведінки нафти в ґрунті проводились у модельних (МД), лабораторних і польових дослідах з 1999 по 2006 рік. Для спостереження за самовідновленням, фітотоксичністю, дією різних доз меліорантів було проведено мікропольові досліди (МПД). Мікропольові досліди проводились на території Коротичанського дослідного поля Харківського району, Харківської області. Основним об’єктом досліджень був чорнозем опідзолений важкосуглинковий на лесі.

МД № 1 - визначення змін властивостей ґрунтів при їх забрудненні сирою нафтою на різних етапах біодеградації: (перший - 1 місяць, другий 6 місяців). Проводили у дренованих скляних судинах місткістю 300 см³ за щомісячної зміни циклів зволоження і висушування ґрунту. Ґрунти: чорнозем опідзолений важкосуглинковий та дерново-підзолистий супіщаний. Рівні забруднення: 0; 0.2; 0.5; 1; 2; 5; 10; 15; 20 % від ваги ґрунту.

МД № 2 - вплив фізичних властивостей ґрунту (вологості та щільності) на вертикальну міграцію нафти за трифакторною композиційною схемою Дж. Бокса. Рівень забруднення становить 10, 20 та 30% від ваги ґрунту, щільність – 1,1; 1,2; 1,3 г/см³  вологість – 25; 50; 75 % від НВ.

МД № 3 - встановлення впливу температури і гранулометричного складу ґрунту на фізичне випаровування вуглеводнів ваговим методом. Проводився у скляних колонках діаметром 28 і довжиною 300 мм, заповнених повітряно-сухим важко суглинковим ґрунтом (52% фізичної глини) , легкосуглинковим ґрунтом (26% фізичної глини) та піском (5% фізичної глини), забрудненими з поверхні товарною нафтою еквівалентно 5; 10; 20 л/м². Фізичне випаровування досліджувалось протягом місяця за середньомісячної температури повітря 2,5; 5,2; 14,1; 18,7⁰ С.

МПД № 1 - встановлення ефективності окремих меліорантів на відновлення родючості ґрунту, забрудненого відносно невеликою (3-6 л/м²) кількістю нафти. В цьому досліді вивчалась ефективність технології екранування.

Схема досліду: 1) контроль (ґрунт незабруднений); 2) фон 1 (забруднення нафтою 3 л/м²); 3) фон 2 (забруднення нафтою 6 л/м²); 4) фон 1 + N₃₀₀P₆₀K₆₀; 5)варіант 4 + солома, 1 т/га; 6) варіант 5 + клиноптилоліт, 2,5 т/га; 7) варіант 6 + вапно, 2 т/га; 8) Варіант 7 + оксиетилцелюлоза, 0,2 т/га; 9) фон 2 + N₃₀₀ P₆₀ K₆₀; 10) варіант 9 + солома 1 т/га; 11) варіант 10 + клиноптилоліт 2,5 т/га; 12) варіант 11 + вапно, 2 т/га; 13) варіант 12 + оксиетилцелюлоза, 0,2 т/га; 14) фон 2 + зверху солома, 5 см + пісок, 10-15 см + ґрунт 20 см з гноєм 100 т/га + 40см шар чорнозему опідзоленого; 15) фон 2 + зверху солома 5 см + пісок 10-15 см + ґрунт 20 см. з гноєм 100 т/га + 20 см шар чорнозему щебенюватого на елювії карбонатів;

МПД № 2 - визначення інтенсивності біодеградації та змін властивостей ґрунту за різних рівнів забруднення. У ньому досліджували також вплив агромеліоративних сумішей на ці зміни.

Схема досліду: 1) контроль I (чистий ґрунт); 2) забруднення нафтою 1% від ваги 20см шару (= 2,5 л/м²); 3) нафта 1% + N₃₀₀Р₆₀К₆₀ + солома, 1 т/га + вапно 2 т/га; 4) нафта 2% ( 5,0 л/м²); 5) нафта 2% + N₃₀₀Р₆₀К₆₀ + солома, 1 т/га + вапно 2 т/га;         6) нафта 4% ( 10 л/м²); 7) нафта 4% + N₃₀₀Р₆₀К₆₀ + солома, 1 т/га + вапно 2 т/га;          8) нафта 8% ( 20 л/м²); 9) нафта 8% + N₃₀₀Р₆₀К₆₀ + солома, 1 т/га + вапно 2 т/га;

МПД № 3 - дослідження негативної дії окремих нафтопродуктів і їх сумішей на ґрунт і рослини в динаміці за роками.

Схема досліду: 1) бензин, 10 л/м²; 2) гас, 10 л/м²; 3) дизельне пальне, 10 л/м²; 4) мазут, 10 л/м²; 5) бензин, 10 л/м² + гас, 10 л/м² + дизпаливо, 10 л/м² + мазут, 10 л/м²; 6) варіант 5 + бітум. 4 л/м²; 7) варіант 6 + парафін. 2 кг/м²; 8) контроль.

МПД № 4 - динаміка фітотоксичності ґрунту, а також зміна його фізичних, агрохімічних, мікробіологічних властивостей через 1, 3, і 6 місяців після потрапляння нафти до ґрунту. Забруднення моделювалось шляхом щорічного внесення нафти на окремі варіанти в дозі 10 л/м² протягом семи років.

МПД № 5 – було передбачено встановлення оптимального співвідношення меліорантів для відновлення родючості нафтозабрудненого ґрунту. Рівень забруднення – 5 л/м². Меліорантами, що вносились через 1 місяць після забруднення, були: азотні добрива в дозі 100; 300; 1000кг д.р./га; фосфорно-калійні добрива – 60; 180; 360кг д.р./га; солома 0,5; 1; 2 т/га; цеоліт 1; 2,5; 5 т/га.

Аналіз ґрунтів проводили за такими методиками: гранулометричний і мікроагрегатний склад за методом піпетки в модифікації Качинського (ГОСТ 12536-79), загальний уміст гумусу за Тюріним (ГОСТ 26213-91), рН і аніонно-катіонний склад водної витяжки за ГОСТ 26423-85 – ГОСТ 26428-85, уміст увібраних катіонів за Шоленбергером, рухомого фосфору та калію за Чириковим (ДСТУ 4115-02), уміст нафтопродуктів методом гравіметрії та інфрачервоної спектроскопії (ММВ 31-497058-017-2003 та 31-497058-009-2002), повну, капілярну та найменшу вологоємність за методом колонок, максимальну гігроскопічність за Ніколаєвим, інтенсивність дихання ґрунту за виділенням СО₂ в модифікації Макарова, нітрифікаційну та амоніфікаційну здатність за методом Кравкова в модифікації Болотиної та Абрамової, чисельність мікроорганізмів основних еколого-трофічних груп визначали в секторі мікробіології ННЦ ІГА імені. О.Н.Соколовського методом посіву ґрунтової суспензії відповідного розведення на тверді живильні середовища. Уміст азоту, фосфору та калію у рослинах - методом мокрого спалювання. Дані, одержані в модельних і мікропольових дослідах обробляли методами математичної статистики за програмами Statistika, Exel, Microcal Origin 3.0, Matycad 8.0.

особливості міграції та трансформації нафти в ґрунті

Вплив температури. температура є одним із основних чинників зовнішнього середовища, який безпосередньо впливає на процеси міграції і трансформації нафти в ґрунті. Залежно від температури різко змінюється питома густина нафти. Навіть за однакової температури густина різних типів нафти може відрізнятися залежно від кількості твердих метанових вуглеводнів (парафінів) і смолисто-асфальтенових речовин у її складі. Фізичне випаровування легких вуглеводнів у відсотках до ваги внесеної нафти в першу чергу залежить від температури навколишнього середовища та гранулометричного складу (рис 1).

Із підвищенням температури та вмісту фізичної глини в ґрунті зростає кількість випаруваної нафти, яка складає 6-85 % від внесеної. Виявлено залежність між кількістю внесеної нафти і відсотком випаруваної. Зі збільшенням рівня забруднення зменшується кількість випаруваних вуглеводнів незалежно від гранулометричного складу та температури.

Рис. 1. Вплив гранулометричного складу на випаровування нафти

Найбільше це проявляється на важкосуглинковому ґрунті і значно менше на легкосуглинковому та піску. За середньомісячної температури 2,5⁰С випаровування на варіанті з забрудненням важкосуглинкового ґрунту в дозі 5 л/м² становило 20%, тоді як при температурі 14,1⁰С - 39%, а при 18,7⁰С - 85% відповідно. При забрудненні піску в цій же дозі при 2,5⁰С випаровування складало 14%, з підвищенням температури до 18,7⁰С–31%.

Вплив фізичних показників ґрунту. Важливими чинниками, що впливають на процеси трансформації й акумуляції нафти в ґрунті є його фізичні показники (пористість, щільність, поглинальна здатність, вологість, мікроагрегатний склад), які визначають перебіг процесів, що складають фізичне випаровування, міграцію, біодеградацію та ін.

Вологість має важливе значення у накопиченні нафти в ґрунті. При зменшенні вологості ґрунту вміст нафти в ньому із посиленням забруднення збільшується   (рис. 2). За вологості ґрунту 75% від НВ з підвищенням забруднення від 10 до 30% від ваги ґрунту вміст нафти практично не змінювався і знаходився в межах 7,5-8% від внесеної. При 10%-вому рівні забруднення і вологості 25% від НВ вміст нафти в ґрунті становить 10%, що еквівалентно 30% -вому рівні забруднення при вологості 50% від НВ. Найбільший вміст нафти у досліджуваному ґрунті був на варіанті з максимальним забрудненням (30%) при мінімальній вологості 25% від НВ і становив 14,4%. Це можна пояснити тим, що нафта також як і вода – рідина й тому, чим менша вологість ґрунту, тим більше буде адсорбуватись нафти в ґрунтових порах. Цим самим ґрунт виконує бар’єрну функцію і виступає в ролі адсорбенту, перешкоджаючи потраплянню вуглеводнів нафти до ґрунтових вод.

Рис. 2. Розподіл темнозабарвлених вуглеводнів залежно від вологості ґрунту за різних рівнів забруднення (у легенді показано вміст нафти, що накопичилася у ґрунті, у відсотках до кількості внесеної)

вплив нафтового забруднення на родючість ґрунту

Зміна фізичних показників. Забруднення ґрунту нафтою негативно впливає на параметри водних властивостей ґрунту. З часом у процесі розкладу вуглеводнів нафти ґрунт частково повертається до свого початкового стану. Негативний гідрофобізуючий ефект вуглеводнів нафти зменшує параметри повної, найменшої, капілярної вологоємності, максимальної гігроскопічності, які не повертаються до початкового рівня за три роки (табл. 1). Особливо сильний негативний вплив спостерігається в рік забруднення. ґрунт настільки став гідрофобним, що капілярного підняття води не було зовсім, а повна й найменша вологоємність зменшилась порівняно з контролем у 2,5 і 2,8 рази відповідно. Значно зменшується швидкість капілярного підняття. У рік забруднення воно було відсутнім зовсім, а на варіанті з минулорічним забрудненням швидкість капілярного підняття була майже в 10 разів меншою порівняно з контролем.