ЭКОЛОГИЯ (последнее)
ПОД МИКРОСКОПОМ ПОЧВА, ЗАГРЯЗНЕННАЯ НЕФТЬЮ
Актуальные публикации по вопросам экологии и природопользования.
Доктор биологических наук Галина РУСАНОВА, Институт биологии Коми научного центра УрО РАН
В течение Международного полярного года (2007 - 2008) ученые мира старались оценить состояние природных экосистем в высоких широтах, выявить их естественные изменения и различные последствия деятельности человека.
Для севера европейской части России одним из важнейших техногенных факторов остается освоение нефтегазовых месторождений. Здесь почвы, подвергшиеся углеводородному загрязнению, не восстанавливаются в полной мере, что проявляется, в частности, в морфологическом строении, в том числе на микроуровне.
Заглянем же в глубины их профиля и попробуем оценить степень трансформации.
Изучение тонких срезов почвы ненарушенного строения (шлифов) под микроскопом с увеличением в 40 - 80 раз позволяет лучше понять, как именно она организована и функционирует. С помощью этого метода можно проверить наши представления об объекте исследования, обнаружить надежные диагностические признаки современных процессов*. Между тем сведения о трансформации микростроения при нефтяном загрязнении крайне немногочисленны. Мы решили хотя бы отчасти заполнить имеющийся пробел и провели соответствующее исследование криогенных почв Большеземельской тундры**, пострадавших от разливов углеводородного сырья 1 год и 20 лет назад, с целью оценки их состояния.
ДО И ПОСЛЕ РАЗЛИВА
В северной части Европейской России, недалеко от побережья Баренцева моря (Варандейский комплекс
* См.: Г. Русанова. Большеземельская тундра: взгляд в прошлое. - Наука в России, 2007, N 1 (прим. ред.).
** Большеземельская тундра - холмистая моренная равнина высотой до 250 м в пределах Ненецкого автономного округа и Республики Коми (прим. авт.).
стр. 90
нефтяных месторождений) мы в 1999 г. отобрали пробы почв, загрязненных год назад. Последствия разливов двадцатилетней давности оценили южнее - в бассейне реки Печора (вблизи ее дельты), на северной границе подзоны южных гипоарктических тундр. Здесь, в районе расположения Ванейвисского комплекса в середине 1980-х годов проводили геологоразведочные работы, в ходе которых на поверхность попали дизельное топливо, отработанные буровые растворы, газоконденсатная смесь и т. п.
Несколько слов о природных условиях района изысканий. В южной тундре преобладают кустарниковые ивняково-мелкоерниковые растительные ассоциации, в северной - кустарничково-моховые сообщества. На этой холмистой, пологоувалистой территории многолетняя мерзлота местами имеет не сплошное, а островное распространение. Причем глубже всего - на 90 - 100 см - она залегает в почвах, классифицируемых как подзолы и подбуры, в глееземах мы регистрировали ее уже на 60 - 80 см, а в торфяно-подзолах глеевых и сухоторфяных почвах - на 40 и 36 см соответственно. Отметим: глубина оттаивания изученных супесчано-песчаных разновидностей составляет 60 - 80 см, суглинистых - 40 - 60, торфяных - 20 - 40 см. Память о неоднократных вторжениях сюда ледника и наступлениях моря хранят самые разные отложения - моренные супеси и суглинки, верхнечетвертичные морские, ледниково-морские, флювиогляциальные и озерно-аллювиальные, в настоящее время служащие материнскими породами.
Из всех генетических слоев почв мы отбирали горизонтально и вертикально ориентированные образцы, а затем по специальной методике с применением естественных смол и органических растворителей фиксировали материал для изготовления шлифов. Подобные смеси не оказывают влияния на перераспределение в нем загрязнителей, что первостепенно для наших объектов. Дальнейшее изучение проводили в лаборатории под поляризационным микроскопом с увеличением 70.
Прежде чем заглянуть в окуляр, вспомним: даже не подвергавшиеся загрязнению почвы указанных месторождений уже содержат нефтяные углеводороды, количество которых колеблется в пределах десятых долей грамма на 1 кг мелкозема и растет по мере приближения к работающим техническим системам. Это, главным образом, результат диффузии данных веществ из нефтегазоносных толщ на дневную поверхность. Причем самые высокие фоновые показатели - около 2 г/кг - выявлены в верхних горизонтах подзолов иллювиально-гумусово-железистых*, формирующихся в супесях, подстилаемых суглинками, а также глееземов торфяных, занимающих подчиненное положение в ландшафте, и почв, расположенных на сорбционных, глеевых, механических, геохимических и физико-химических барьерах**, способствующих осаждению и консервации техногенных органических веществ. "Отстают" в этом отношении (фоновое содержание нефтяных углеводородов 1 - 1,4 г/кг) подбуры и подзолы, развивающиеся в рыхлых песчаных отложениях. Дело в том, что здесь
* В ряде почв при накоплении выносимых из вышележащей толщи веществ - оксидов железа, органических компонентов, тонкодисперсных глинистых минералов - формируется иллювиальный горизонт, что находит отражение в их названии (прим. ред.).
** Перечисленные "барьеры" - зоны резкого уменьшения миграционной активности каких-либо химических элементов или веществ, обусловленного различными механизмами (механическое удержание, смена геохимического режима и пр.) (прим. ред.).
стр. 91
Микростроение торфяно-глеезема через 1 год после загрязнения. А - фрагментация растительных остатков (0 - 10 см); В, С - обволакивание пленкой загрязнителя агрегатов, фрагментов детрита (10 - 15 см); D - черный ореол в глеевом горизонте.
органические загрязнители легко мигрируют вниз по профилю и накапливаются не только в органогенных, но и иллювиальных горизонтах, а также над мерзлотой.
И еще. В тундре загрязнение нефтепродуктами идет "рука об руку" с усилением экзогенных процессов - дефляции, солифлюкции*, деградации мерзлоты. Почти всегда наблюдается механическое нарушение почвенного покрова. Анализируя микроморфологию нашего объекта, мы наблюдали проявления всех перечисленных техногенных воздействий и должны были их учитывать, делая выводы.
Разумеется, трансформированные варианты почв сравнивали с незатронутыми техногенным воздействием, характерные особенности которых связаны как с разнообразием геолого-геоморфологических условий, так и со спецификой мерзлотной обстановки. Формирующиеся на северной границе южных гипоарктических тундр, на рыхлых супесчаных отложениях подбуры и подзолы характеризуются проявлением криогенных процессов, оглеением нижней части профиля при близком (до 1 м) залегании мерзлоты. В профиле глееземов торфянистых наблюдается слабая дифференциация по илу и содержанию оксидов железа и алюминия. Гидроморфным подтипам свойственны деструкция органического вещества и, опять-таки, криогенная переработка материала.
При загрязнении нефтяными углеводородами стираются естественные черты (меняется окраска, уплотняется сложение), происходит подщелачивание почвенного раствора, перестраивается почвенно-поглощающий комплекс, растет содержание углерода, опускается граница мерзлоты. Степень трансформации зависит от количества привнесенных веществ и затрагивает либо весь профиль, либо его верхнюю часть.
Вот краткая морфологическая характеристика проанализированного нами профиля торфяно-глеезема со сроком загрязнения 1 год. Верхний 15-сантиметровый торфяной слой вблизи буровой скважины Варандейского комплекса пропитан нефтью и окрашен в черный цвет. Далее - тиксотропный** глеевый горизонт (15 - 30 см) с маслянистой вязкой консистенцией и черными пятнами на синем фоне. Глубина сезонного оттаивания почвы увеличилась на 14 см по сравнению с ненарушенными аналогами. Что же мы увидели при семидесятикратном увеличении?
Анализ микростроения показал: верхняя часть торфа характеризуется интенсивной фрагментацией растительных остатков, а нефтепродукты концентрируются на глубине 10 - 15 см. Здесь гидрофобная черная пленка обволакивает коагуляционные агрегаты, частицы детрита, а также стенки пор, препятствуя полноценной аэрации профиля, образуются крупные темноокрашенные сгустки, масса загрязнителя заполняет пустоты. В глеевом горизонте видны отдельные его ореолы и следы диффузного проникновения в минеральную толщу.
ДВАДЦАТЬ ЛЕТ СПУСТЯ
Поданным химического анализа почвы Ванейвисского комплекса с 20-летним загрязнением, залегающие на водоразделах, содержат значительное количество углеводородов - 21 - 41 г/кг, что в 10 - 20 раз превышает фоновые показатели. Как известно, высоко-
* Солифлюкция (от лат. solum - почва, земля и fluctio - истечение) - вязко-пластическое течение увлажненных тонкодисперсных грунтов на склонах, развивающееся в процессе их промерзания и протаивания (прим. ред.).
** Тиксотропия - способность некоторых структурированных дисперсных систем самопроизвольно восстанавливать разрушенную механическим воздействием исходную структуру (прим. ред.).
стр. 92
Микростроение подзола через 20 лет после загрязнения. А - мелкоагрегированные черные включения между зернами скелета (О-14 см); В - светло-коричневые флюидальные микрозоны (14 - 24 см); С - локальная цементация зерен скелета темно-коричневой массой (24 - 35 см); D - толстые оболочки на зернах скелета (35 - 60 см).
молекулярные компоненты нефти интенсивно сорбируются в гумусовом горизонте (но чем влажнее субстрат, тем это явление выражено слабее), а потом проникают в глубь профиля по порам и трещинам. На поверхности они образуют непроницаемый экран - битуминозную корку из смол и асфальтенов, что снижает аэрацию и провоцирует процесс оглеения. Теперь подробно о трансформации микростроения.
В легких автоморфных почвах - песчаных подзолах и подбурах - мы наблюдали аккумулятивный (накопительный) тип профильного распределения загрязнителя; хроматографическая картина при этом весьма четкая: черный цвет сосредоточен в верхних слоях, коричневый - в средних, светло-бурый, свидетельствующий о развитии оглеения, - в нижней части. На глубине 0 - 14 см нефтепродукты законсервировались в промежутках между зернами скелета*: мы наблюдали здесь черные микроучастки, мелкие сгустки с фестончатыми краями, агрегированные вследствие криогенного дробления. Ритмичные процессы то замерзания, то оттаивания почвы способствуют освобождению легких углеводородных фракций и аккумуляции более тяжелых, скопления которых предстают в виде сфер (наиболее устойчивая в природе форма), иногда линз округло-овальных очертаний. Светло-коричневый материал подвижных компонентов обнаруживается на глубине 14 - 24 см: микрозоны флюидального облика, сгустки различной формы и мелкие агрегаты. На минеральных зернах - темно-бурые окаймления. Поскольку растворы периодически подтягиваются к фронту промерзания, граница проникновения техногенных веществ расположена на глубине 24 - 35 см. В этой зоне пропитка мелкозема неоднородна, темно-коричневая масса цементирует минеральную часть. Смена верхнего супесчаного слоя уплотненным суглинистым способствует латеральной миграции веществ.
Модельными лабораторными экспериментами установлено: миграция нефти в песках зависит от структуры порового пространства и действия капиллярных менисковых сил. Обычно появлению темных пятен в нижних горизонтах предшествует заполнение загрязнителем полостей, трещин, корневых ходов в верхних. А если морфологические признаки аккумуляции углеводородов над экранирующими барьерами (мерзлота, подстилающие суглинки) отсутствуют, то причина - в перераспределении поллютантов в связи с горизонтальным перемещением по рельефу, а также движением к фронту промерзания.
Изучение техногенно-измененного и ненарушенного вариантов плоскобугристого торфяника с 20-летним сроком загрязнения показало: четких различий в морфологии на макроуровне нет за исключением уплотнения сложения (объем порового пространства снизился). Но верхняя граница мерзлоты в "пострадавшей" почве опустилась на 7 см. Причем нефтепродукты пропитали субстрат равномерно. И трансформация микростроения поверхностных горизонтов (0 - 24 см) заключалась в диспергировании растительных остатков, появлении их изогнутых форм (связанных с криотурбацией**), накоплении темных сгустков загрязнителя на них. С глубиной (24 - 30 см) сложение действительно уплотнилось, появились субпараллельно залегающие слои, крупные включения нефтяных углеводородов в виде черных новообразований неправильной формы. Ниже (30 - 45 см) заметны сильная фрагментация и прокра-
* Скелетом почвы называют зерна первичных минералов и обломков пород размером 0,25 - 1 мм, не подверженные перемещению при обычных почвообразовательных процессах (прим. авт.).
** Криотурбация - формы залегания горных пород или почв, возникающие при их замерзании в состоянии избыточного увлажнения и последующем протаивании, имеющие в разрезе вид завихрений, изгибов, колец и т. д. (прим. авт.).
стр. 93
шивание тканей, "траурное" окаймление срезов корней, продолжающееся уплотнение сложения, обособление групп темно-коричневых включений (сгустки и пятна), заполнение ими полостей.
В почвах на суглинистых отложениях (глееземах) распределение нефтепродуктов отличается от предыдущих типов. Хотя и здесь заметную роль играют выступающие в качестве биосорбента органогенные горизонты (0 - 22 см). Под микроскопом видны окаймленные коричневой пленкой агрегаты из мелких растительных остатков, часто встречающиеся в местных почвах, но в данном случае заметны черные пленки на них и углеводородная пропитка. В нижележащую минеральную толщу (22 - 43 см) загрязнитель проникает диффузно, меняя исходную окраску и образуя темные пленки вдоль трещин, окаймления поверхностей агрегатов и скелетных зерен, мелкие округлые формы. Кроме того, здесь появляются глинистые натеки вследствие распада исходных структурных отдельностей.
Образование специфических органоглинистых пленок при взаимодействии битуминозных веществ с почвенным материалом впервые (1995 г.) описала доктор географических наук Нина Солнцева из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Позже (1999 г.). Т. Л. Уайт (Университет Карлстон, Оттава, Канада) экспериментально подтвердил: причина появления этих новообразований - разрушение структуры криогенных почв проникающими в них нефтепродуктами. В шлифах загрязненных тундровых глееземов мы также наблюдали флюидальные натеки глин, не проявляющие зернистости и тусклости, а, значит, относительно молодые. В ненарушенных же аналогах, где тонкодисперсная масса устойчива благодаря криогенной агрегации материала, они представлены единичными мелкими обломками, в основе, очевидно, унаследованными от прошлых, более теплых фаз голоцена.
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ
Итак, физико-химическое взаимодействие нефтепродуктов с тундровыми почвами сопровождается модификацией элементов их микростроения вследствие развития сорбции, осаждения и диффузии, деформации порового пространства, криогенного разрушения включений загрязнителя и формирования изометричных агрегатов, распада исходной микроструктуры и усиления миграции тонкодисперной массы, интенсификации глеевых процессов.
На начальной стадии загрязнения (1 год) преобладают процессы сорбции и криогенного измельчения
Микростроение торфяной почвы через 20 лет после загрязнения. А - неупорядоченность сложения, криотурбация, пропитка тканей (0 - 24 см); В - уплотнение сложения, крупные включения загрязнителя (24 - 30 см); С - скопления темно-коричневых сгустков и пятен загрязнителя (30 - 45 см).
стр. 94
Микростроение глеезема через 20 лет после загрязнения. А - черные пленки загрязнителя на агрегатах из растительных остатков, пропитка агрегатов (0 - 22 см); В - черные пятна нефтяных углеводородов (22 - 30 см); С - пленки загрязнителя на стенках трещин (30 - 43 см); D - флюидальные глинистые натеки (43 - 50 см).
детрита в поверхностном органическом горизонте, а нефтяные углеводороды диффузно проникают в минеральную толщу. С течением времени происходит консервация этих веществ и их изменение под влиянием циклов промерзания-оттаивания и выветривания. Двадцать лет спустя они хранятся в форме черных, коричневых включений, в ряде случаев мелкораздробленных, и пленок на почвенных агрегатах, зернах скелета и других элементах.
Профильное распределение техногенных углеводородов в изученных нами почвах зависит от их гранулометрического состава и структуры, определяющих особенности порового пространства, а также от циклических криогенных процессов и наличия сорбционных, механических и геохимических барьеров. В верхних органогенных горизонтах остаются высокомолекулярные продукты окислительной поликонденсации, смолисто-асфальтеновые вещества, служащие своеобразным цементом и образующие плотные твердые корки. Легкие фракции, мигрирующие в нижележащие слои, попадают в анаэробные условия и также сохраняются длительное время.
В торфяниках поведение загрязнителя зависит от насыщения их водой в момент его попадания, наличия и глубины мерзлоты, рельефа местности. При высокой влажности возможности субстрата по впитыванию и удержанию веществ снижаются, к тому же близость мерзлотного барьера способствует латеральному (боковому внутрипочвенному) сбросу чужеродных компонентов, при низкой, наоборот, преобладают абсорбция и гравитационный механизм профильной миграции растворов. Причем капиллярная проводимость углеводородов в крупных порах торфа невелика из-за его незначительной плотности, но при повышении последней возрастает, и тогда достигает максимальных величин его сорбционная емкость (в нашем случае способность поглощать нефтепродукты).
В суглинистых криогенных почвах трансформация микростроения - функция циклов промерзания-оттаивания и концентрирования загрязнителя, взаимодействующего с глинистыми минералами. Здесь изменения протекают интенсивнее в связи с особенностями миграции влаги, деформацией порового пространства, разбуханием глин, разрушением структуры, что приводит в движение тонкодисперсную массу (в загрязненных объектах совместное с подвижными углеводородами), которая затем осаждается в нижележащих горизонтах в виде однородных глинистых натеков.
Во всех перечисленных вариантах биоклиматические условия тундры не способствуют быстрому разложению нефтяных углеводородов*. Поэтому меняются экологические функции почв, снижается количество и разнообразие населяющих их живых организмов, в растительном покрове начинают доминировать синантропные (связанные с человеком) виды, не свойственные местной флоре. Ни в одной из нарушенных почв не наблюдается формирование полноценного поверхностного ограногенного горизонта.
Проведенные исследования показали: с помощью микроморфологического метода можно диагностировать изменения криогенных почв, вызванные загрязнением нефтью. Поэтому примененный подход будет полезен при контроле состояния экосистем на землях, рекультивируемых после аварийных разливов.
* См.: М. Маркарова. Крайний Север: очистка почв от нефти. - Наука в России, 2006, N 5 (прим. ред.).
В течение Международного полярного года (2007 - 2008) ученые мира старались оценить состояние природных экосистем в высоких широтах, выявить их естественные изменения и различные последствия деятельности человека.
Для севера европейской части России одним из важнейших техногенных факторов остается освоение нефтегазовых месторождений. Здесь почвы, подвергшиеся углеводородному загрязнению, не восстанавливаются в полной мере, что проявляется, в частности, в морфологическом строении, в том числе на микроуровне.
Заглянем же в глубины их профиля и попробуем оценить степень трансформации.
Изучение тонких срезов почвы ненарушенного строения (шлифов) под микроскопом с увеличением в 40 - 80 раз позволяет лучше понять, как именно она организована и функционирует. С помощью этого метода можно проверить наши представления об объекте исследования, обнаружить надежные диагностические признаки современных процессов*. Между тем сведения о трансформации микростроения при нефтяном загрязнении крайне немногочисленны. Мы решили хотя бы отчасти заполнить имеющийся пробел и провели соответствующее исследование криогенных почв Большеземельской тундры**, пострадавших от разливов углеводородного сырья 1 год и 20 лет назад, с целью оценки их состояния.
ДО И ПОСЛЕ РАЗЛИВА
В северной части Европейской России, недалеко от побережья Баренцева моря (Варандейский комплекс
* См.: Г. Русанова. Большеземельская тундра: взгляд в прошлое. - Наука в России, 2007, N 1 (прим. ред.).
** Большеземельская тундра - холмистая моренная равнина высотой до 250 м в пределах Ненецкого автономного округа и Республики Коми (прим. авт.).
стр. 90
нефтяных месторождений) мы в 1999 г. отобрали пробы почв, загрязненных год назад. Последствия разливов двадцатилетней давности оценили южнее - в бассейне реки Печора (вблизи ее дельты), на северной границе подзоны южных гипоарктических тундр. Здесь, в районе расположения Ванейвисского комплекса в середине 1980-х годов проводили геологоразведочные работы, в ходе которых на поверхность попали дизельное топливо, отработанные буровые растворы, газоконденсатная смесь и т. п.
Несколько слов о природных условиях района изысканий. В южной тундре преобладают кустарниковые ивняково-мелкоерниковые растительные ассоциации, в северной - кустарничково-моховые сообщества. На этой холмистой, пологоувалистой территории многолетняя мерзлота местами имеет не сплошное, а островное распространение. Причем глубже всего - на 90 - 100 см - она залегает в почвах, классифицируемых как подзолы и подбуры, в глееземах мы регистрировали ее уже на 60 - 80 см, а в торфяно-подзолах глеевых и сухоторфяных почвах - на 40 и 36 см соответственно. Отметим: глубина оттаивания изученных супесчано-песчаных разновидностей составляет 60 - 80 см, суглинистых - 40 - 60, торфяных - 20 - 40 см. Память о неоднократных вторжениях сюда ледника и наступлениях моря хранят самые разные отложения - моренные супеси и суглинки, верхнечетвертичные морские, ледниково-морские, флювиогляциальные и озерно-аллювиальные, в настоящее время служащие материнскими породами.
Из всех генетических слоев почв мы отбирали горизонтально и вертикально ориентированные образцы, а затем по специальной методике с применением естественных смол и органических растворителей фиксировали материал для изготовления шлифов. Подобные смеси не оказывают влияния на перераспределение в нем загрязнителей, что первостепенно для наших объектов. Дальнейшее изучение проводили в лаборатории под поляризационным микроскопом с увеличением 70.
Прежде чем заглянуть в окуляр, вспомним: даже не подвергавшиеся загрязнению почвы указанных месторождений уже содержат нефтяные углеводороды, количество которых колеблется в пределах десятых долей грамма на 1 кг мелкозема и растет по мере приближения к работающим техническим системам. Это, главным образом, результат диффузии данных веществ из нефтегазоносных толщ на дневную поверхность. Причем самые высокие фоновые показатели - около 2 г/кг - выявлены в верхних горизонтах подзолов иллювиально-гумусово-железистых*, формирующихся в супесях, подстилаемых суглинками, а также глееземов торфяных, занимающих подчиненное положение в ландшафте, и почв, расположенных на сорбционных, глеевых, механических, геохимических и физико-химических барьерах**, способствующих осаждению и консервации техногенных органических веществ. "Отстают" в этом отношении (фоновое содержание нефтяных углеводородов 1 - 1,4 г/кг) подбуры и подзолы, развивающиеся в рыхлых песчаных отложениях. Дело в том, что здесь
* В ряде почв при накоплении выносимых из вышележащей толщи веществ - оксидов железа, органических компонентов, тонкодисперсных глинистых минералов - формируется иллювиальный горизонт, что находит отражение в их названии (прим. ред.).
** Перечисленные "барьеры" - зоны резкого уменьшения миграционной активности каких-либо химических элементов или веществ, обусловленного различными механизмами (механическое удержание, смена геохимического режима и пр.) (прим. ред.).
стр. 91
Микростроение торфяно-глеезема через 1 год после загрязнения. А - фрагментация растительных остатков (0 - 10 см); В, С - обволакивание пленкой загрязнителя агрегатов, фрагментов детрита (10 - 15 см); D - черный ореол в глеевом горизонте.
органические загрязнители легко мигрируют вниз по профилю и накапливаются не только в органогенных, но и иллювиальных горизонтах, а также над мерзлотой.
И еще. В тундре загрязнение нефтепродуктами идет "рука об руку" с усилением экзогенных процессов - дефляции, солифлюкции*, деградации мерзлоты. Почти всегда наблюдается механическое нарушение почвенного покрова. Анализируя микроморфологию нашего объекта, мы наблюдали проявления всех перечисленных техногенных воздействий и должны были их учитывать, делая выводы.
Разумеется, трансформированные варианты почв сравнивали с незатронутыми техногенным воздействием, характерные особенности которых связаны как с разнообразием геолого-геоморфологических условий, так и со спецификой мерзлотной обстановки. Формирующиеся на северной границе южных гипоарктических тундр, на рыхлых супесчаных отложениях подбуры и подзолы характеризуются проявлением криогенных процессов, оглеением нижней части профиля при близком (до 1 м) залегании мерзлоты. В профиле глееземов торфянистых наблюдается слабая дифференциация по илу и содержанию оксидов железа и алюминия. Гидроморфным подтипам свойственны деструкция органического вещества и, опять-таки, криогенная переработка материала.
При загрязнении нефтяными углеводородами стираются естественные черты (меняется окраска, уплотняется сложение), происходит подщелачивание почвенного раствора, перестраивается почвенно-поглощающий комплекс, растет содержание углерода, опускается граница мерзлоты. Степень трансформации зависит от количества привнесенных веществ и затрагивает либо весь профиль, либо его верхнюю часть.
Вот краткая морфологическая характеристика проанализированного нами профиля торфяно-глеезема со сроком загрязнения 1 год. Верхний 15-сантиметровый торфяной слой вблизи буровой скважины Варандейского комплекса пропитан нефтью и окрашен в черный цвет. Далее - тиксотропный** глеевый горизонт (15 - 30 см) с маслянистой вязкой консистенцией и черными пятнами на синем фоне. Глубина сезонного оттаивания почвы увеличилась на 14 см по сравнению с ненарушенными аналогами. Что же мы увидели при семидесятикратном увеличении?
Анализ микростроения показал: верхняя часть торфа характеризуется интенсивной фрагментацией растительных остатков, а нефтепродукты концентрируются на глубине 10 - 15 см. Здесь гидрофобная черная пленка обволакивает коагуляционные агрегаты, частицы детрита, а также стенки пор, препятствуя полноценной аэрации профиля, образуются крупные темноокрашенные сгустки, масса загрязнителя заполняет пустоты. В глеевом горизонте видны отдельные его ореолы и следы диффузного проникновения в минеральную толщу.
ДВАДЦАТЬ ЛЕТ СПУСТЯ
Поданным химического анализа почвы Ванейвисского комплекса с 20-летним загрязнением, залегающие на водоразделах, содержат значительное количество углеводородов - 21 - 41 г/кг, что в 10 - 20 раз превышает фоновые показатели. Как известно, высоко-
* Солифлюкция (от лат. solum - почва, земля и fluctio - истечение) - вязко-пластическое течение увлажненных тонкодисперсных грунтов на склонах, развивающееся в процессе их промерзания и протаивания (прим. ред.).
** Тиксотропия - способность некоторых структурированных дисперсных систем самопроизвольно восстанавливать разрушенную механическим воздействием исходную структуру (прим. ред.).
стр. 92
Микростроение подзола через 20 лет после загрязнения. А - мелкоагрегированные черные включения между зернами скелета (О-14 см); В - светло-коричневые флюидальные микрозоны (14 - 24 см); С - локальная цементация зерен скелета темно-коричневой массой (24 - 35 см); D - толстые оболочки на зернах скелета (35 - 60 см).
молекулярные компоненты нефти интенсивно сорбируются в гумусовом горизонте (но чем влажнее субстрат, тем это явление выражено слабее), а потом проникают в глубь профиля по порам и трещинам. На поверхности они образуют непроницаемый экран - битуминозную корку из смол и асфальтенов, что снижает аэрацию и провоцирует процесс оглеения. Теперь подробно о трансформации микростроения.
В легких автоморфных почвах - песчаных подзолах и подбурах - мы наблюдали аккумулятивный (накопительный) тип профильного распределения загрязнителя; хроматографическая картина при этом весьма четкая: черный цвет сосредоточен в верхних слоях, коричневый - в средних, светло-бурый, свидетельствующий о развитии оглеения, - в нижней части. На глубине 0 - 14 см нефтепродукты законсервировались в промежутках между зернами скелета*: мы наблюдали здесь черные микроучастки, мелкие сгустки с фестончатыми краями, агрегированные вследствие криогенного дробления. Ритмичные процессы то замерзания, то оттаивания почвы способствуют освобождению легких углеводородных фракций и аккумуляции более тяжелых, скопления которых предстают в виде сфер (наиболее устойчивая в природе форма), иногда линз округло-овальных очертаний. Светло-коричневый материал подвижных компонентов обнаруживается на глубине 14 - 24 см: микрозоны флюидального облика, сгустки различной формы и мелкие агрегаты. На минеральных зернах - темно-бурые окаймления. Поскольку растворы периодически подтягиваются к фронту промерзания, граница проникновения техногенных веществ расположена на глубине 24 - 35 см. В этой зоне пропитка мелкозема неоднородна, темно-коричневая масса цементирует минеральную часть. Смена верхнего супесчаного слоя уплотненным суглинистым способствует латеральной миграции веществ.
Модельными лабораторными экспериментами установлено: миграция нефти в песках зависит от структуры порового пространства и действия капиллярных менисковых сил. Обычно появлению темных пятен в нижних горизонтах предшествует заполнение загрязнителем полостей, трещин, корневых ходов в верхних. А если морфологические признаки аккумуляции углеводородов над экранирующими барьерами (мерзлота, подстилающие суглинки) отсутствуют, то причина - в перераспределении поллютантов в связи с горизонтальным перемещением по рельефу, а также движением к фронту промерзания.
Изучение техногенно-измененного и ненарушенного вариантов плоскобугристого торфяника с 20-летним сроком загрязнения показало: четких различий в морфологии на макроуровне нет за исключением уплотнения сложения (объем порового пространства снизился). Но верхняя граница мерзлоты в "пострадавшей" почве опустилась на 7 см. Причем нефтепродукты пропитали субстрат равномерно. И трансформация микростроения поверхностных горизонтов (0 - 24 см) заключалась в диспергировании растительных остатков, появлении их изогнутых форм (связанных с криотурбацией**), накоплении темных сгустков загрязнителя на них. С глубиной (24 - 30 см) сложение действительно уплотнилось, появились субпараллельно залегающие слои, крупные включения нефтяных углеводородов в виде черных новообразований неправильной формы. Ниже (30 - 45 см) заметны сильная фрагментация и прокра-
* Скелетом почвы называют зерна первичных минералов и обломков пород размером 0,25 - 1 мм, не подверженные перемещению при обычных почвообразовательных процессах (прим. авт.).
** Криотурбация - формы залегания горных пород или почв, возникающие при их замерзании в состоянии избыточного увлажнения и последующем протаивании, имеющие в разрезе вид завихрений, изгибов, колец и т. д. (прим. авт.).
стр. 93
шивание тканей, "траурное" окаймление срезов корней, продолжающееся уплотнение сложения, обособление групп темно-коричневых включений (сгустки и пятна), заполнение ими полостей.
В почвах на суглинистых отложениях (глееземах) распределение нефтепродуктов отличается от предыдущих типов. Хотя и здесь заметную роль играют выступающие в качестве биосорбента органогенные горизонты (0 - 22 см). Под микроскопом видны окаймленные коричневой пленкой агрегаты из мелких растительных остатков, часто встречающиеся в местных почвах, но в данном случае заметны черные пленки на них и углеводородная пропитка. В нижележащую минеральную толщу (22 - 43 см) загрязнитель проникает диффузно, меняя исходную окраску и образуя темные пленки вдоль трещин, окаймления поверхностей агрегатов и скелетных зерен, мелкие округлые формы. Кроме того, здесь появляются глинистые натеки вследствие распада исходных структурных отдельностей.
Образование специфических органоглинистых пленок при взаимодействии битуминозных веществ с почвенным материалом впервые (1995 г.) описала доктор географических наук Нина Солнцева из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Позже (1999 г.). Т. Л. Уайт (Университет Карлстон, Оттава, Канада) экспериментально подтвердил: причина появления этих новообразований - разрушение структуры криогенных почв проникающими в них нефтепродуктами. В шлифах загрязненных тундровых глееземов мы также наблюдали флюидальные натеки глин, не проявляющие зернистости и тусклости, а, значит, относительно молодые. В ненарушенных же аналогах, где тонкодисперсная масса устойчива благодаря криогенной агрегации материала, они представлены единичными мелкими обломками, в основе, очевидно, унаследованными от прошлых, более теплых фаз голоцена.
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ
Итак, физико-химическое взаимодействие нефтепродуктов с тундровыми почвами сопровождается модификацией элементов их микростроения вследствие развития сорбции, осаждения и диффузии, деформации порового пространства, криогенного разрушения включений загрязнителя и формирования изометричных агрегатов, распада исходной микроструктуры и усиления миграции тонкодисперной массы, интенсификации глеевых процессов.
На начальной стадии загрязнения (1 год) преобладают процессы сорбции и криогенного измельчения
Микростроение торфяной почвы через 20 лет после загрязнения. А - неупорядоченность сложения, криотурбация, пропитка тканей (0 - 24 см); В - уплотнение сложения, крупные включения загрязнителя (24 - 30 см); С - скопления темно-коричневых сгустков и пятен загрязнителя (30 - 45 см).
стр. 94
Микростроение глеезема через 20 лет после загрязнения. А - черные пленки загрязнителя на агрегатах из растительных остатков, пропитка агрегатов (0 - 22 см); В - черные пятна нефтяных углеводородов (22 - 30 см); С - пленки загрязнителя на стенках трещин (30 - 43 см); D - флюидальные глинистые натеки (43 - 50 см).
детрита в поверхностном органическом горизонте, а нефтяные углеводороды диффузно проникают в минеральную толщу. С течением времени происходит консервация этих веществ и их изменение под влиянием циклов промерзания-оттаивания и выветривания. Двадцать лет спустя они хранятся в форме черных, коричневых включений, в ряде случаев мелкораздробленных, и пленок на почвенных агрегатах, зернах скелета и других элементах.
Профильное распределение техногенных углеводородов в изученных нами почвах зависит от их гранулометрического состава и структуры, определяющих особенности порового пространства, а также от циклических криогенных процессов и наличия сорбционных, механических и геохимических барьеров. В верхних органогенных горизонтах остаются высокомолекулярные продукты окислительной поликонденсации, смолисто-асфальтеновые вещества, служащие своеобразным цементом и образующие плотные твердые корки. Легкие фракции, мигрирующие в нижележащие слои, попадают в анаэробные условия и также сохраняются длительное время.
В торфяниках поведение загрязнителя зависит от насыщения их водой в момент его попадания, наличия и глубины мерзлоты, рельефа местности. При высокой влажности возможности субстрата по впитыванию и удержанию веществ снижаются, к тому же близость мерзлотного барьера способствует латеральному (боковому внутрипочвенному) сбросу чужеродных компонентов, при низкой, наоборот, преобладают абсорбция и гравитационный механизм профильной миграции растворов. Причем капиллярная проводимость углеводородов в крупных порах торфа невелика из-за его незначительной плотности, но при повышении последней возрастает, и тогда достигает максимальных величин его сорбционная емкость (в нашем случае способность поглощать нефтепродукты).
В суглинистых криогенных почвах трансформация микростроения - функция циклов промерзания-оттаивания и концентрирования загрязнителя, взаимодействующего с глинистыми минералами. Здесь изменения протекают интенсивнее в связи с особенностями миграции влаги, деформацией порового пространства, разбуханием глин, разрушением структуры, что приводит в движение тонкодисперсную массу (в загрязненных объектах совместное с подвижными углеводородами), которая затем осаждается в нижележащих горизонтах в виде однородных глинистых натеков.
Во всех перечисленных вариантах биоклиматические условия тундры не способствуют быстрому разложению нефтяных углеводородов*. Поэтому меняются экологические функции почв, снижается количество и разнообразие населяющих их живых организмов, в растительном покрове начинают доминировать синантропные (связанные с человеком) виды, не свойственные местной флоре. Ни в одной из нарушенных почв не наблюдается формирование полноценного поверхностного ограногенного горизонта.
Проведенные исследования показали: с помощью микроморфологического метода можно диагностировать изменения криогенных почв, вызванные загрязнением нефтью. Поэтому примененный подход будет полезен при контроле состояния экосистем на землях, рекультивируемых после аварийных разливов.
* См.: М. Маркарова. Крайний Север: очистка почв от нефти. - Наука в России, 2006, N 5 (прим. ред.).
Опубликовано 20 июля 2014 года
Новые статьи на library.by:
ЭКОЛОГИЯ:
Комментируем публикацию: ПОД МИКРОСКОПОМ ПОЧВА, ЗАГРЯЗНЕННАЯ НЕФТЬЮ
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1405867792 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций