/>
Чижов Б. Е., Захаров А. И., Гаркунов Г. А.
Почрезвычайным техногенным ситуациям, связанным с выбросами нефти инефтепродуктов, Тюменская область лидирует не только в России, но и в мире.Ежегодные объемы аварийно разливаемой нефти составляют от 50 до 70 тыс. т, аобщая площадь замазученных земель в 1996 г. ориентировочно оценивалась в 50тыс. га. В ближайшие годы она может удвоиться в связи со старением и переходомв аварийное состояние более 8000 км трубопроводов. Если в 80-е годы вХанты-Мансийском автономном округе ежегодно фиксировалось 150-250 аварий, то в1995-1997 гг. их количество увеличилось более чем в десять раз и составляло2300-3200 случаев в год.
Объект и методы
Исследованиявыполнены в подзонах северной и средней тайги Западной Сибири на территорииНефтеюганского, Сургутского и Нижневартовского районов Тюменской области. Онивключали: изучение особенностей распределения нефти по генетическим горизонтампочв, определение концентраций свежей нефти и остаточных нефтепродуктов опасныхдля основных компонентов лесных фитоценозов, исследование деградационно-восстановительнойдинамики древостоев и живого напочвенного покрова. Применялись стационарный истатистический методы исследования. Дозированное загрязнение обессоленной иобезвоженной товарной нефтью выполнено в 1985-86 гг. в трех наиболее распространенныхтипах леса — сосняках брусничном и кустарничково-черничном, кедровникекислично-черничном, представленных спелыми и приспевающими насаждениями. Почвыопытных участков соответственно песчаные, супесчаные и легкосуглинистые. Учетсостояния древостоя и живого напочвенного покрова водился до загрязнения вконце первого, на 4 и 9 годы после разлива нефти.
Категориисостояния деревьев определялись глазомерно по общепринятой методике /I/. Покернам измерялись радиальные приросты древесины. Отпад деревьев определялся впроцентах от общего запаса насаждения, сплошным пересчетом деревьев.
Результаты и обсуждение
Дозированное загрязнение товарной нефтью
Хорошаяпроницаемость дренированных песчаных и супесчаных почв обусловила глубокоепроникновение загрязнителя в почву и материнские породы. Начиная с доззагрязнения 50 л/м2 следы нефти обнаруживаются на глубине 100 и болеесантиметров, при дозах 10-20 л/м2 глубины проникновения нефти в почвусоставляют 10-30 см. При дозах 1,5 л/м2 и менее загрязнитель в основномперехватывается торфянистым горизонтом и лесной подстилкой.
/>
Рис.1Остаточное количество нефти (%) в песчаных и супесчаных почвах на 2-5 год последозированного внесения в л/м2
Попадаяв почву, нефть претерпевает количественные и качественные изменения врезультате испарения, вымывания, ультрафиолетового разложения имикробиологического окисления. На участках дозированного загрязнения попрошествию двух лет остаточные массы загрязнителя составляли в среднем 38, трех- 30 и четырех — 24 % от внесенного количества (рис.1).
Таблица1.
Содержаниеостаточных нефтепродуктов в почвенных горизонтах через 3 года последозированного загрязненияГлубина взятия образцов Содержание нефтепродуктов, кг/м2 при начальном загрязнении, л/м2 10 20 50 100 Сосняк брусничный Лесная подстилка (3 см) 0,3 0,3 0,3 0,3 3 — 10 см 1,4 3,4 4,3 4,8 11 — 20 см - 1,6 4,3 4,6 21 см и более - 0,1 5,2 10,9 Всего 1,7 5,4 14,1 20,6 Сосняк кустарничково-черничный Лесная подстилка (5 см) 0,5 0,5 0,5 0,5 5 — 15 см 0,8 2,7 3,8 5,1 16 — 25 см - 2,1 3,4 4,6 26 см и более - 1,6 6,6 14,9 Всего 1,3 6,9 14,3 25,1 Кедровник кисличио-черничный Торфянистый (10 см) 1 1 0,9 1,3 10 — 20 см 2,4 5 7,3 5,3 21 — 30 см 0,2 1,3 2,2 2,1 31 и более 0,1 0,6 1,9 3,1 Всего 3,7 7,9 12,3 11,8
Снижениеуровня загрязнения почв нефтью тесно связано с изменением ее фракционногосостава. В течение первого года практически полностью испарились и вымылисьфракции нефти с температурой кипения ниже 200о С. На разливах 10-летнейдавности в составе остаточной нефти абсолютно преобладали асфальтены и смолы(С17 и более) с температурой кипения выше 300о С (табл. 2). Как показалилабораторные опыты, они малотоксичны для растений, но при относительно высокихконцентрациях способны существенно повлиять на свойства почв: изменить еегидрофобность, затруднить капилярный подъем влаги, затормозить процессыминерализации органогенных остатков.
Таблица2
Фракционныйсостав остаточных нефтепродуктов в песчаных и супесчаных почвах, %Длина углеродной цепи Температура кипения,°С Свежая нефть Годы после разлива нефти 2 3 10 Менее С11 Менее 200 71 - - - С12-С14 200 — 250 11 4 - - С15 – C16 250 — 300 8 23 10 - Более C17 Более 300 10 73 90 100 Примечание: во второй год образцы отбирались из лесной подстилки, в остальные годы — из минеральных слоев почвы с глубины 0-10 см
Живойнапочвенный покров
Нефть,обладая контактным гербицидным действием, повредила только те части растений,которые замазучены. Отмирание многолетников происходит после загрязнениякорневищ, от которых они ежегодно возобновляются. Сохранение живогонапочвенного покрова определяется глубиной проникновения нефти и глубинойразмещения в почве органов вегетативного размножения растений.
Насекциях, где нефть была внесена разбрызгиванием в дозе 1,5 л/м2, леснаяподстилка и мохово-лишайниковый покров загрязнились на глубину 1,8±0,14 см. Этовызвало резкое сокращение обилия только лишайников и всходов сосны, кедра.Кустарнички и травы быстро восстановили временно усохшие надземные органы.
Приполном замазучивании лесной подстилки (5 л/м2) в соснякахзеленомошно-брусничном и кустарничково-черничном наряду с мхами и лишайникамисильно изрежены брусника и черника. Встречаемость их остается достаточно высокой,чтобы популяции обоих видов восстановились в ближайшие 10-20 лет. Осокашаровидная и хвощи, у которых корневища находятся в минеральном горизонте,оправились от повреждений на второй год. Через три года проективное покрытиепочвы осокой в полтора раза превышало исходное.
Придозах 10 и 20 л/м2 нефть проникла в почву соответственно на глубину 11-16 и18-20 см. В загрязненных горизонтах оказались не только органы вегетативноговозобновления, но и корневые системы трав и кустарничков. Все компоненты живогонапочвенного покрова характеризуются сильным и длительным угнетением. Вкачестве микрорефугимов, обеспечивающих сохранение отдельных особей, выступаютпокрытые подстилкой и мхами полуразложившиеся стволы деревьев. Нефть, обтекаятрухлявую древесину, почти не проникает внутрь стволов. Поэтому корневища икорневые системы брусники, черники, багульника, освоившие валеж в качествесубстрата, сохраняются жизнеспособными.
/>
/>
/>
/>
Рис.2. Деградационно-восстановительная динамика проективного покрытия живогонапочвенного покрова в % к исходному обилию при различных дозах загрязнения(л/м2)
Суглинистыепочвы менее проницаемы для нефти, поэтому при дозах менее 20 л/м2 сохранность итемпы восстановления живого напочвенного покрова на суглинке выше, чем напесчаной почве сосняка брусничного. При дозах 50-100 л/м2 различиянесущественные, поскольку травяно-моховой покров отмирает в обоих случаях болеечем на 98 %.
Задевятилетний период не отмечено восстановление на загрязненных участках зеленыхмхов и лишайников. Замазучивание лесной подстилки исключало возвращение их наисходное место. Крайне медленно восстанавливаются кустарнички: брусника,черника, багульник. Даже на делянках с минимальными дозами (1,5 — 5 л/м2) онине достигли в течение 9 лет исходного обилия (рис. 2).
Скоростьвосстановления травяного покрова определялась видовым составом, сохранностьюпосле нефтяного воздействия и уровнем остаточного загрязнения почвы. Наделянках с дозами 10 и 20 л/м2, где остаточное загрязнение составлялосоответственно 3,7 и 7,9 кг/м2, даже достаточно устойчивые к нефти осока шаровиднаяи хвощи не достигли за 9 лет исходного обилия. Делянки с более высокими дозамиоставались мертвопокровньми.
Древостой
Наибольшееугнетение деревьев отмечено в сосняке брусничном, где увеличение гидрофобностипесчаных почв усугубило и | без того напряженный дефицит влаги. Изменениесостояния деревьев, выразившееся в посветлении молодой хвои, более раннемопадении старой хвои, уменьшении прироста ветвей, уменьшении размеров листьевберезы, впервые стало заметным на второй год на секциях с дозами более 10 л/м2,а в сосняке кустарничково-черничном — на секциях с дозами 50 и 100 л/м2. Натретий год эти деревья перешли в категорию сильно ослабленных: крона ажурная,прирост по диаметру сократился, хвоя повреждена на 30-60 %. На секциях с дозами10-20 л/м2 изменения в состоянии древостоя стали заметными только на четвертыйгод.
Таблица3
Динамикасостояния древостоев сосняка брусничного (Сбр.) и соснякакустарничково-черничного (Скч.) после загрязнения товарной нефтьюПоказатели Годы наблюдений Исходные дозы загрязнения, л/м2, типы леса 5 10 — 20 50 — 100 Сбр Скч Сбр Скч Сбр Скч Категории состояния древостоя До загр. 1,8 2,2 2,2 2,2 1,8 2,1 4 2,1 2,6 2,7 3,1 3,6 3,5 9 2 3,4 2,8 3,8 4 4,3 Отпад деревьев в % от общего количества 4 4 1 5 21 23 9 18 6 21 41 43
Впервые годы после загрязнения уменьшение радиального прироста деревьев отмеченотолько в кедровнике кислично-черничном. В последующие годы снижение приростовна секциях с дозами 50 и 100 л/м2 приняло катастрофический характер во всех типахлеса и происходило на фоне массового усыхаю деревьев. Существенно снизиласьпродуктивность древостоев в секциях с дозами загрязнения 20 л/м2. Резкоеснижение величин радиальных приростов происходило в первые три года, после чегонаметилась некоторая стабилизация процесса (Рис. 3)
/>
Рис.3. Радиальный прирост деревьев при различных дозах загрязнения, в % к контролю
Подрост
Врезультате попадания нефти на ассимиляционный аппарат подпологовый подростхвойных и лиственных пород практически полностью погиб даже при минимальных(1-1,5 л/м2) дозах загрязнения. Процесс деградации подпологового подростапродолжался 1-2 года.
Начинаясо второго-третьего года на секциях с дозами 20 л/м2 ежегодно появлялись всходысосны и кедра, которые в дальнейшем погибали. На 3 год количествоодно-двухлетних всходов сосны и кедра составляло 0,6-1,3 тыс./га на секциях сконцентрацией нефти в лесной подстилке 13-17 % и 0,2 тыс./га — при концентрациинефти 22 %. Однако на четвертый (1989) год в условиях сильной засухи ониотмерли более чем на 80 %. Из-за неблагоприятных агрофизических свойствзамазученной почвы рост всходов был очень замедленный даже там, где ониприурочены к минерализованным, с удаленным АО, пятнам почвы; продолжался ихотпад. На 9 год состояние ранее сохранившегося подроста и самосевастабилизировалось, учтено большое количество новых всходов (табл.4), новероятность их сохранения неясна.
Таблица4
Количествосохранившегося самосева древесных пород по учету на девятый год, тыс.штТип леса Годы появления всходов после загрязнения Сосна Кедр Сосняк брусничный 2-4 5-7 0,7 0,4 8-9 3,4 0,5 Всего 4,1 0,9 Сосняк кустарничково-черничный 2-4 0,2 5-7 2,4 1,6 8-9 5,1 0,1 Всего 7,5 1,9
Участки аварийных разливов нефти
Деградациялесных фитоценозов происходит как от прямого воздействия нефти на подземныеорганы растений, так и от косвенного ее влияния на почвенные условия:увеличение гид-рофобности песчаных почв, усугубление анаэробных условий в суглинистыхи торфяных почвах. Отрицательный эффект усиливается тем, что нефтяномузагрязнению в большинстве случаев сопутствует солевое из-за обводненности нефтиминерализованными водами. При обваловке разлива участок оказывается еще ипереувлажненным. Отрицательному воздействию подвергаются все компонентыфитоценоза, но наиболее чувствительным является живой напочвенный покров.
Поснижению устойчивости к нефтяному загрязнению лесные растения образуютследующий ряд: вейники ланцетный и пурпурный, осока шаровидная, канареечниктростниковидный, хвощ лесной, багульник болотный, вейник наземный, брусника,кипрей болотный, плеврозий Шребера, иван-чай, седмичник европейский, княженика,морошка, линнея северная.
Изболотных растений высокоустойчивы: рогоз, осоки острая, речная и сероватая,тростник обыкновенный, в меньшей мере пушица влагалищная и многоцветковая,сфагнумы.
Невсе фитоценозы, загрязненные нефтью, обречены на полную гибель. При слабомзагрязнении, когда остаточное количество нефтепродуктов на разливах давностьюболее 2 лет составляет менее 4-5 кг/м2, почвы способны самоочищаться,фитоценозы самовосстанавливаться. В живом напочвенном покрове наиболее быстровосстанавливаются травы. В качестве пионерных видов на старых разливаввстречаются рогоз, ситник лягушачий, осоки, частуха, ситняг t канареечник,вейники, кипрей болотный, иван-чай, пушица. Достижение травянистойрастительностью исходного обилия при слабом загрязнении происходит за 3-5 лет,при среднем — течение 5-15 лет. Для восстановления на сильно загрязненныхучастках брусники, черники и других ценных кустарничков потребуются десятки исотни лет, нередко наблюдается полное их исчезновение. По сравнению сдревостоем и подростом живой напочвенный покров более тонко реагирует назагрязнение и может использоваться в качестве фитоиндикатора при определениилесо-пригодности замазученных участков до и после рекультивации.
Деградационныеизменения древостоя на аварийных разливах обычно заканчиваются в течение 2-3лет. Отмирание деревьев ускоряется, если нефтяному загрязнению сопутствуетсолевое. Признаком засоления является угнетение и усыхание деревьев впограничной полосе за пределами замазученной зоны, пожелтение кончиков хвои илистьев.
Вслучаях, когда на умеренное нефтяное загрязнение накладывается подтопление,процесс разрушения древостоев может продолжаться до 8-12 лет, до наступлениявлажных лет, когда ослабленные деревья погибнут от вымочки (табл. 5).
Таблица5
Отпаддеревьев на участках аварийных разливов нефти на 8-12 год после аварииОбъект наблюдений Опад в % от общего запаса деревьев различных пород Сосна Ель Кедр Пихта Береза Разливы нефти 21 4 26 43 20 Контроль 7 1 5 17
Деревьяразных пород проявляют различную устойчивость к нефтяному загрязнению. Хвойныев целом менее устойчивы, чем лиственные, но различия между ними достовернытолько в диапазоне концентраций средней степени загрязнения. На участках сослабым загрязнением и при сильном замазучивании адичия сглаживаются.
Вразреженных древостоях происходит изменение экологической обстановки: меняютсяусловия освещения и тепловой режим сообщества, снижается сопротивляемостьветровалу, болезням и вредителям. Такие древостои могут стать очагамираспространения вредителей на прилегающие территории. Сопутствующие нефтяномузагрязнению засоление и подтопление резко снижают связь между состояниемдревостоя и концентрацией в почве нефтепродуктов (коэффициенты корреляции0,16-0,1) и не позволяют в большинстве случаев сделать достоверный прогнозбудущего состояния древостоя сразу после разлива нефти. Необходимостьсанитарных рубок более надежно можно определить по результатам повторныхобследований состояния насаждения на второй-четвертый год после загрязнения.
Сувеличением загрязнения почвы нефтью снижается количество благонадежногоподроста и текущий прирост его в высоту. Связь этих показателей с содержаниемнефтепродуктов в лесной подстилке «умеренно-значительная»,коэффициенты корреляции равны 0,50-0,55.
Двадцатипроцентноеповреждение подроста кедра теоретически приходится на 15-процентную концентрациюнефти в лесной подстилке, у сосны — на 30 %. Однако высокая (70 % и более)сохранность подроста сосны наблюдается даже при содержании нефти в леснойподстилке 40-55 % / 2 /. Некоторые нефтезагрязненные участки и их периферийныечасти имеют достаточное количество благонадежного подроста для сформированиядревостоя — 4-6 тыс. шт./га. Это обусловлено тем, что типы леса, подвергающиесязагрязнению при аварийных разливах нефти, обычно имеют выраженный микрорельеф.Подрост приурочен к микроповышениям, а нефть растекается по микропонижениям.
Свежаянефть высоко токсична для всходов древесных пород (рис. 4). Предельнодопустимые концентрации сырой нефти в песчаном субстрате лежат в пределах 1-2%. По снижению устойчивости проростков древесные растения образуют следующийряд: береза бородавчатая, кедр сибирский, сосна обыкновенная, ель сибирская,пихта сибирская, лиственница Сукачева и сибирская.
/>
Рис.4. Количество проростков сосны, сформировавших семядоли в зависимости отконцентрации нефти в песчаном субстрате (в % к контролю).
Наибольшейтоксичностью обладают фракции нефти с температурой кипения 150 — 250о С. Посколькусо временем содержание этих фракций в нефтезагрязненных почвах уменьшается,фитотоксичность остаточного нефтепродукта ниже, чем сырой нефти. Отрицательноевоздействие остаточного нефтепродукта заключается преимущественно в ухудшенииим агрофизических свойств почв: увеличение гидрофобности песчаных почв,ухудшение воздухообмена в суглинистых и торфянистых почвах.
Возобновлениедревесных пород начинается по мере испарения и биодеградации в поверхностныхслоях почвы легких, токсичных для растений фракций нефти. на аварийных разливахединичные всходы сосны, кедра и всходы березы на лесной подстилке с содержаниемнефти 20-40% появляются на 2 — 3 год после загрязнения. Обильные всходы сосны икедра отмечены на 4 — 7 год. Начиная с 4 года, они встречаются на сильнозагрязненных участках (табл. 6). Массовые всходы приурочены к влажным годам.Появлению их способствует минерализация почвы.
Таблица6
Семенноевозобновление древесных пород на старых аварийных разливах нефтиДавность загрязнения, лет Содержание остаточных нефтепродук тов в Ао Количество всходов, тыс.шт/га Сосна Ель Кедр Береза 6 10,6 4,4 0,8 0,4 5-500 7 8,6 2,4 4 1,2 5 — 500
Массовоепоявление всходов, показывая снижение фитотоксичности остаточногонефтепродукта, не гарантирует успешное лесовосстановление. Из-занеблагоприятных агрофизических свойств замазученной почвы рост всходов оченьзамедленный, наблюдается большой их отпад. Единичный надежный подрост встречентолько у березы и осины. Более 90 % разливов требуют рекультивации, направленнойна снижение в почве остаточных нефтепродуктов и создание субстрата, пригодногодля прорастания семян, укоренения и выживания всходов древесных и травянистыхрастений.
Выводы
1.В результате испарения, вымывания, ультрафиолетового разложения и микробиологическогоокисления за два первых года количество нефти в почве сокращается более чемвдвое. Через пять лет остаточный нефтепродукт составляет 25-30 % от Попавшей впочву нефти. Из состава загрязнителя за 2-3 года исчезают легкие, наиболеетоксичные фракции.
2.Наиболее чувствительны к нефти мхи и лишайники. Более устойчивы многолетниетравянистые растения. Кустарнички (багульник, брусника, черника) занимают поустойчивости промежуточное положение.
3.Первые признаки воздействия через почву нефти на крупный подрост, подлесок идревостой появляются через год после загрязнения почв. Последующий отпадподроста и подлеска при дозах загрязнения 20 л/м2 и более длится 2-3 года,после чего положение стабилизируется, отпад древостоя затягивается на 10 иболее лет. Сопутствующее солевое загрязнение укорачивает деградационныепроцессы лесных фитоценозов до 2-3 лет.
4.Многофакторная обусловленность состояния лесных фитоценозов на аварийныхразливах нефти чрезвычайно затрудняет прогноз их состояния сразу после загрязнения.Необходимость санитарных рубок и рекультивационных работ следует уточнять порезультатам повторных обследований на 2-4 год после загрязнения.
5.На разливах давностью более 3 лет остаточное загрязнение из асфальтенов и смолможет допускать появление всходов древесных и травянистых растений, но приуровне загрязнения более 10 кг/м2 сильно ухудшаются агрофизические свойствапочв, В этих случаях восстановление исходных фитоценозов растягивается надесятки и даже сотни лет. Поэтому более 90 % разливов нефти требуют интенсивнойрекультивации.
Список литературы
Санитарныеправила в лесах Российской Федерации. Утв. Приказом Председателя Комитета полесу от 18 мая 1992 г., № 90.
СоромотинА.В., Гашев С.Н., Гашева М.Н., Быкова Е.А. Влияние нефтяного загрязнения налесные биогеоценозы // Материалы I Всесоюз. Конф. «Экология нефтегазовогокомплекса». Вып. I. Ч. 2. М., 1989. С. 180-191.