Трансформация почв под воздействием нефти и нефтепродуктов

Попадая на земную поверхность, нефть оказывается в качественно новых условиях. Из анаэробной обстановки с очень замедленными темпами геохимических процессов нефть попадает в кислородную среду, в которой большую роль играют биохимические факторы.

Средняя концентрация нефти и нефтепродуктов в почвах в различных нефтегазоносных бассейнах России колеблется в широких пределах в зависимости от времени и объемов поступления нефти, типа нефти, биокли- матических условий территории, строения профиля, химических и физических свойств почв (табл. 8.1). В большинстве случаев заг-

165

рязнение превышает фоновые уровни на 2-5 порядков, в отдельных случаях оно достигает 400-500 г/кг.

Рассмотрим особенности распределения нефти в различных почвах при поступлении ее на поверхность. Глубина возможного просачивания нефти не зависит от принадлежности к определенным почвенным зонам и варьирует от 1,5 до 2,0 м. Наиболее глубоко нефть и нефтепродукты продвигаются в почвах и грунтах легкого гранулометрического состава, где фиксированная глубина проникновения нефти составляет 8,5 м. Битуминозные компоненты в почвах сохраняются очень долго (рис. 8.7). Так, например, через 25 лет после загрязнения остаточные концентрации битуминозных веществ в дерново-подзолистых почвах Пермского Прикамья превышают фоновый уровень в 4-20 раз и более.

Накопление нефти в почвах обычно происходит на геохимических барьерах. Внутрипочвенная радиальная миграция нефти тесно связана с

Таблица 8.1

Содержание битуминозных веществ (гексановая фракция) в загрязненных нефтью почвах разных нефтедобывающих районов России (Солнцева, 1998)

* Индексы горизонтов даны по первоисточнику.

характером геохимических барьеров. Нефть, как и легкорастворимые соли, аккумулируется при разливах, прежде всего в верхних гумусовых, торфяных горизонтах почв (биогеохимических барьерах), причем, как было установлено полевыми исследованиями и подтверждено экспериментами, наиболее емкими биогеохимическими барьерами являются торфяные горизонты, где содержание битуминозных веществ составляет 500-600 мг/кг сухой массы (рис. 8.8). В качестве внутрипрофильных геохимических и механических барьеров выступают глеевые, мерзлотные, глинисто-иллювиальные и глеевые горизонты почв. В мелких торфяниках (рис. 8.8в) нефть сконцентрирована в торфяном горизонте, в меньшей степени она накапливается на глеевых барьерах. В иллювиальножелезистых подзолах нефть накапливается на биогеохимическом барьере - в гумусовом горизонте; под ним в подзолистом горизонте прослеживается снижение по профилю содержания нефти, а затем накопление в иллювиальных горизонтах (рис. 8.8а).

В группе мерзлотно-тундрово-таежных ландшафтно-геохимических районов (Глазовская, 1988; Пиковский, 1993) миграция нефти контролируется биогеохимическими барьерами (торфяным и гумусовым горизонтами), а также мерзлотным барьером. На мерзлотных барьерах направление миграции меняется с вертикальной на латеральную.

В почвах таежно-лесной зоны радиальная миграция нефти связана с сочетанием геохимических барьеров. В иллювиально-гумусовых подзолах отмечается два максимума накопления нефти: в органогенном и иллювиальном горизонтах. В трансаккумулятивных ландшафтах наблюдается вторичное накопление нефти, ее содержание на пять - шесть порядков превышает таковое в элювиальных ландшафтах.

Рис. 8.8. Распределение нефти (г/кг) в вертикальном профиле загрязненных почв (Солнцева, 1998)

а - после загрязнения нефтью иллювиально-железистых подзолов; б - после загрязнения нефтью тундрово-глеевых почв; в - после загрязнения нефтью мелких торфяников

Миграция нефти в дерново-подзолистых почвах контролируется биогеохимическим барьером гумусового и сорбционным барьером иллювиального горизонтов.

В подчиненных супераквальных и аккумулятивных позициях нефть аккумулируется в верхних органогенных и глеевых горизонтах.

В лесостепных районах вертикальная миграция нефти проходит в толще мощного (120 см) слоя аккумулятивно-гумусового горизонта чернозема, в котором практически полностью ассимилируется техногенный поток. Такое распределение нефти оказывает негативное влияние на данные почвы, однако сохраняет незагрязненными другие компоненты ландшафта.

В полупустынной, пустынной зонах и в сухих субтропиках проникновение нефти в глубь почвенного профиля происходит как фронтально, так и по трещинам усыхания. Почти вся масса нефти задерживается в верхней части профиля. Повышенная температура теплого периода и высокая доза ультрафиолетовой радиации обуславливают интенсивное разложение нефтепродуктов. Наблюдается значительное засоление почв нефтяными и промысловыми водами с образованием вторичных устойчивых солончаков. В гидроморфных почвах при загрязнении сернистыми нефтями возможно образование сероводорода.

Для почв влажно-субтропических районов характерна интенсивная минерализация нефти и нефтепродуктов, выщелачивание остаточных продуктов из почв, рассеяние растворимых органических и минеральных веществ.

Нефть и нефтепродукты, поступающие в почвы, оказывают многостороннее воздействие на их свойства. С.Я. Трофимов и М.С. Розанова (2002) отмечают кардинальные изменения воздушного и водного режима почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами: потеря способности почв впитывать и удерживать влагу вследствие образования на поверхности почвенных частиц нефтяной пленки и, как следствие, уменьшение водопроницаемости, влаго- емкости, влаговместимости по сравнению с фоновыми почвами, а также уменьшение влажности верхнего горизонта нефтезагрязненных почв и увеличение влажности подповерхностных горизонтов почв; изменение воздушного режима почв вследствие вытеснения воздуха нефтью и уменьшения пор аэрации; ухудшение структуры почвы в результате склеивания механических частиц и образования весьма крупных агрегатов.

Отмечаются также изменения морфологических свойств почв: резкая фрагментарность изменений морфологических признаков почв из-за неравномерности распределения нефти и нефтепродуктов в профиле почвы; высокая ожелезненность почвенного профиля, выражающаяся в увеличении содержания железистых новообразований по сравнению с фоновыми территориями. Набольшее число железистых новообразований наблюдается в горизонтах В; заметное увеличение числа плотных новообразований органо-минеральной природы. Количество их в элювиальных горизонтах загрязненных почв составляет 14-20 на 1 см2, при 4-6 в незагрязненных аналогах; характерный рисунок натечных образований, связанный с усилением суспензионного переноса и микротурбациями почвенного материала.

Отмечаются изменения физико-химических и химических свойств нефтезагрязненных почв: изменение окислительно-восстановительных условий, связанное с нарушением аэрации и возникновением анаэробных условий; подщелачивание почвенного раствора и увеличение pH среды. Наблюдается уменьшение емкости поглощения; значительное увеличение содержания органического углерода в почвах, что связано с поступлением углерода нефти. Изменяются показатели гумусного состояния почв. В нефтезагрязненных почвах происходит некоторое уменьшение содержания гумино- вых кислот, предположительно связанных с Са, и фракций свободных фульвокислот; увеличение негидролизуемого остатка. Уменьшается степень гумификации органического вещества. В составе органического вещества уменьшается доля растворимых фракций.

Конечные продукты деградации нефти считаются близкими компо- Jlj нентам почвенного гумуса, тем не менее, их присутствие в почвах /У/ изменяет физические характеристики почвы, ухудшает водно-воз- душный режим и ограничивает нормальное функционирование почвенной биоты.

Активно функционирующие в почве сапротрофные микроорганизмы отвечают на действие возрастающих доз нефти четырехступенчатой адаптационной реакцией (Звягинцев и др., 1989, 2002). На начальных этапах загрязнения, в интервале концентраций нефти, соответствующих зоне гомеостаза (до 1 мл/кг), наблюдается увеличение численности микроорганизмов.

Ингибирующее действие нефти определяется ее легкими фракциями. Низкомолекулярные ароматические углеводороды (бензин и дизельное топливо) оказывают тормозящее влияние на почвенную биоту, а нефтепродукты, содержащие тяжелые фракции, не оказывают на нее прямого негативного воздействия.

¦ ¦ ¦

Приведенные сведения о распределении нефтяных тел в почвенном профиле и их дальнейшей судьбе в почвах позволяют оценить почвенный покров нефтезагрязненных территорий с точки зрения принадлежности почв к разным классификационным группам. В почвах и грунтах с маломощным профилем (тундрово-глеевых, маломощных подзолах) нефтяные битуминозные тела «заполняют» почти весь почвенный профиль и нарушают или маскируют свойства исходных горизонтов. Аналогичная ситуация возможна и в почвах с более сложным и развитым профилем в условиях сильного загрязнения (повторные разливы нефти при авариях). Такие почвы относятся к нефтяным, точнее, битуминозным хемоземам. Насыщение или пропитка почвенной толщи легкими фракциями нефти, когда сохраняется последовательность горизонтов, хотя и с химически измененными свойствами, определяет отнесение почвы к хемоземам (или линоземам, в классификации В.И. Терентьева), являющимся аналогами городских интруземов. Стадия таких «бензиновых» почв, по-видимому, непродолжительна, в связи с высокой подвижностью и неустойчивостью легких фракций нефти, и в реальном почвенном покрове территорий нефтепромыслов они редки.

Нахождение нефтяных тел в отдельных горизонтах - на геохимических барьерах - служит основанием для определения почв как хемопочв, тем более, что присутствие нефтяных тел является не только формальным классификационным признаком, но и влияет на гумусовое состояние почв и миграционные процессы. В почвах гумидных районов нефтяные тела стимулируют развитие своеобразных глеевых процессов. Следует напомнить, что загрязнение почв собственно нефтью и нефтепродуктами обычно сопровождается описанными выше процессами засоления-рассоления, поэтому в названиях почв неизбежны сложные комбинации типа уже упоминавшихся «битуминозных солончаков по дерново-подзолистым почвам».

Почвенный покров нефтезагрязненных территорий характеризуется широким развитием хемоземов - битуминозных солончаков по дерново-подзолистой почве, солончаковатых и солонцеватых дерново-подзолистых почв.

Нахождение нефтяных тел в отдельных горизонтах служит основанием для определения почв как хемо-почв (хемочерноземы битуминозные, хемоподзолистые солончаковатые).