Действие нефти и нефтепродуктов на основные свойства почвы

3.7.2 Действие нефти и нефтепродуктов на основные свойства почвы

3.7.2.1 Изменения физико-химических свойств почвы.

С ростом нефтяного загрязнения влажность почвы возрастает с увеличением нефтепродукта в 2 раза в среднем на 1%. Причиной этого является снижение скорости транспирации влаги через лежащий слой, загрязненный нефтью. Мульчирование слоя почвы толщиной в 1 см с различной степенью загрязнения приводит к 3-хкратному снижению скорости транспирации в зависимости от дозы нефти. При использовании незагрязненной почвы скорость транспирации на 4-е сутки составляла. 82+2 мм/см² в сутки, при дозе нефти 8 л/кв.м. – 37+3, при 16,24 л/м²- 25+6, это свидетельствует о значительных нарушениях водного и воздушного режимов нефтезагрязненных почв, приводящих к развитию анаэробных процессов в почве.

Воды, сопутствующие нефти, часто содержат высокие концентрации солей натрия, что, в свою очередь, оказывает в значительной мере влияние на такое свойство почвы, как липкость, которая по мер насыщения в составе поглощенных оснований натрия резко увеличивается. В результате увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы.

От наличия натрия в почвенном поглощающем комплексе зависит и пластичность почвы – это способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранить приданную форму после устранения этой силы. Наибольшей пластичностью отличаются почвы, содержащие более 25% обменного натрия от емкости поглощения.

С липкостью почвы в свою очередь тесно связано такое важное агрономическое свойство почвы как физическая спелость – это когда у почвы при обработке исчезает свойство прилипать к сельскохозяйственным орудиям и появляется способность крошиться на комки.

С увеличением в составе обменов катионов натрия возрастает способность почвы к набуханию – увеличению объема почвы при увлажнении. При насыщении почвы натрием набухание достигает 120-150%.

Набухание почвы вызывает неблагоприятные в органическом отношении изменения в поверхностном слое почвы, приводящие к разрушению структуры почвы и ее агрегатов.

Усадка – сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и набухание. Чем больше набухание, тем сильнее усадка почвы. При сильной усадке в почве образуется многочисленные трещины, происходит разрыв корневой системы растений.

Такое важное свойство почвы как твердость также непосредственно связано с составом поглощенных оснований, при насыщении натрием твердость увеличивается в 10-15 раз, отсюда резко возрастает технологическая характеристика почвы – сопротивление обработке.

При загрязнении почвы нефтью и нефтепродуктами резко ухудшается водно-воздушные свойства почвы, такие как влагопроницаемость, влагоемкость, воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Существенное влияние оказывает на тепловые свойства почвы загрязнение ее поверхностного слоя нефтепродуктами. Теплопоглотительная способность почвы характеризуется величиной альбедо (А), которая показывает, какую часть поступающей лучистой энергией отражает почва. Для черного тела, целиком поглощающего поступающую лучистую энергию Солнца, альбедо будет стремиться к 0, таким образом, у загрязненных почв резко изменяется тепловой режим.

Кроме изменения физических свойств загрязнения почв нефтью сопровождается значительными изменениями химических свойств: как уже говорилось выше, высокие концентрации солей натрия в сопутствующих водах попадая в почву и почвенно-поглощающий комплекс (ППК) кроме прямого токсичного действия вытесняет кальций, что вызывает заметное изменение почвенной кислотности в сторону подщелачивания. Так рН водной суспензии верхних горизонтов почв может подниматься до 8.

В почвах, загрязненных нефтью, изменяются окислительно-восстановительные процессы, которые оказывают большее влияние на почвообразовательный процесс и плодородие почв. С этими процессами тесно связаны превращение растительных остатков, темпы накопления и состав образующих органических веществ, превращение соединений азота, серы, фосфора, железа, марганца в почвах. При падении окислительно-восстановительного потенциала развивается денитрификация.

3.7.2.2 Изменения агрохимических свойств почвы

По-видимому изменения агрохимических свойств нефтезагрязненных почв на первых этапах загрязнения характеризуются временной иммобилизацией основных элементов минерального питания в биомассе углеводородоокисляющих микроорганизмов, так как через три вегетационных периода различия в содержании в контрольных и незагрязненных почвах сглаживалась, приближаясь по уровню к контролю.

Таким образом, нефтяное загрязнение почв оказывает существенное влияние на все основные характеристики почвы и прежде всего плодородие - т.е. способность почвы удовлетворяет потребность растений в элементах питания, воде, обеспечивает их корневые системы достаточным количеством воздуха и тепла для нормальной деятельности.

3.7.2.3 Изменение микробиологических свойств почвы

Литературные данные о соотношении различных видов и родов микроорганизмов в нефтезагрязненной почве противоречивы, что обусловлено сложностью проблемы: различием почв, зависимостью изменений в микробном сообществе от дозы загрязнителя и вида углеводородов, соотношением различных видов микроорганизмов в незагрязненной почве и другими факторами, оказывающими влияние на развитие того или иного организма.

В работах ряда авторов показано, что после завершения периода острого токсического действия нефтепродуктов на почвенную микробиоту общая численность микроорганизмов возрастает с увеличения доз нефти, агротехнические обработки сглаживают этот эффект, количество организмов, окисляющих углеводороды, достигает максимального значения при дозе 16 л/м², при этом численность почвенных актиномицетов постепенно снижается.

Результаты исследований разных авторов, полученных при применении различных методов показывают несомненное влияние загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами на почвенную микробиоту, которое в значительной степени определяется дозой загрязнителя и зависит от изменения физико-химических и агротехнических свойств почвы, как среды обитания организмов.

При содержании в почве 100-200 т/га углеводородов нефти происходит стимуляция жизнедеятельности всех исследованных групп микроорганизмов, при увеличении до 400-1000 т/га наблюдается ингибирование биологической активности почв, заключающееся в снижении роста и развития микроорганизмов, уровня ферментов и интенсивности дыхания почвы.

Для разработки научно обоснованных мероприятий для очистки загрязненных почв в последние годы активизировались исследования микробиологического расщепления нефти и нефтепродуктов.

Разложение органического вещества, поступающего в почву, состоит из двух основных этапов – минерализации и гумификации. Результатом первого этапа является постепенное исчезновение органических и образование минеральных соединений, включающихся в биологический круговорот. Второй завершается консервацией органического вещества и вновь образованных устойчивых к разложению – гумусовых соединениях. Биохимические процессы разложения органического вещества в почве происходят при непосредственном участии биологических катализаторов – ферментов микроорганизмов. Большая часть микроорганизмов получает энергию, необходимую для их жизнедеятельности, в результате окисления или восстановления органических соединений.

Источники углерода для различных микроорганизмов могут быть разнообразны, начиная с СО₂ и кончая сложными органическими соединениями (жирные кислоты, спирты и т.д.). Биологическое окисление происходит путем дегидрогенизации более или менее восстановленного вещества (субстрата). Процесс, происходящий непосредственно при участии молекулярного кислорода, называется аэробным. При анаэробном процессе атомы водорода связываются не с кислородом, а с какой-либо органической молекулой или радикалом. Этот процесс более эффективен, так как в большинстве своем молекулы органического вещества полностью окисляются до диоксида углерода и воды. На скорость разрушения нефти и нефтепродуктов в почве влияют физико-химические и биологические свойства почвы, климатические условия, а также химический состав нефти и нефтепродуктов. По скорости разрушения в почве органические соединения могут быть разделены на 3 группы (5):

- сравнительно легко разрушающиеся, и, не образующие устойчивых в почве продуктов превращения. (α-нафтил, фенол, тимол, крезол. и др);

- устойчивые в почве вещества (β-нафтил,β-нафтиламин, и да.)»

- вещества, образующие долгоживущие, устойчивые в почве продук­та превращения, (индол, n- и о-толуидин и др.).

Внесенные в больших дозах анилин, n-крезол, β-нафтил, β-нафтиламин, 14-нафтохинон придавали почве водоотталкивающие свойства. Гидрофобность в этом, случае была следствием образования на поверх­ности почвенных частиц. пленки из полимерных молекул, являющихся продуктом трансформации загрязняющих почву органических веществ. Возникающие при этом нарушения водно-воздушного режима могут оказать отрицательное влияние на почвенную микрофлору и обусловленные ею биохимические процессы.

Для активизации микробиологических процессов разложений нефти и нефтепродуктов и ускорения самоочищения почвы эффективным средст­вом являемся внесение в почву растворимых азотных и фосфорных удоб­рений; при сильном загрязнении целесообразно вносить поверхностно-активные вещества (по научно обоснованным биологическим показателям).

Для рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами считаются целесообразными следующие методы:

- механическая очистка;

- захоронение и сжигание;

- агротехническая и биологическая мелиорация;

- применение диспергаторов и интенсификаторов микробиологического разложения нефти.

Экономические расчеты показывают, что затраты на рекультивацию загрязненных нефтью и нефтепродуктами, почв полностью восстанавлива­ются при возврате очищенных почв сельскохозяйственному, производству н рациональному использованию под пастбища и пахотные поля.