Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Географический факультет

На правах рукописи

Качинский Владимир Леонидович

ТЕХНОГЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ АРКТОТУНДРОВЫХ

ЛАНДШАФТОВ ОСТРОВА БОЛЬШОЙ ЛЯХОВСКИЙ

(НОВОСИБИРСКИЕ ОСТРОВА)

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель:

д.г.н., проф. Геннадиев А.Н.

Москва-

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………………. Глава 1. Существующие представления о свойствах техногенных углеводородов и их поведении в почвах различных ландшафтов…............ 1.1.Особенности состава техногенных углеводородов…………………………. 1.2.Самоочищение почв от техногенных углеводородов……………………….. 1.2.1. Физико-химическая и микробиологическая деградация техногенных углеводородов в почвах……………………………………………………............ 1.2.2. Рассеяние техногенных углеводородов в почвах с водными потоками... 1.2.3. Закрепление техногенных углеводородов на геохимических барьерах в почвах………………………………………………………………………………. Глава 2. Физико-географическая характеристика острова Большой Ляховский………………………………………………………………………… 2.1. Геолого-геоморфологические условия ……………………………………... 2.2. Климатические условия…………………………

2.3.Растительность……………………………………………………………........ 2.4. Геокриологические условия………………………………………………….. 2.5. Характеристика почв……………………………

Глава 3. Объекты и методы исследований………………………

3.1. Объекты исследований……………………………………………………….. 3.2. Методика химико-аналитических работ и обоснование системы диагностических показателей поведения техногенных углеводородов в почвах………………………………………………………………………………. Глава 4. Общая характеристика техногенных изменений почв острова Большой Ляховский…………………………………………………………....... 4.1. Морфологические техногенные изменения почв…………………………… 4.1.1. Свойства фоновых почв…………………………………………………….. 4.1.2. Свойства техногенно-трансформированных почв…

4.2. Уровень и характер углеводородного загрязнения почв…………………… 4.3. Содержание органического углерода в почвах……………………………... Глава 5. Радиальное распределение техногенных углеводородов в почвах в связи с ландшафтными условиями и свойствами органических поллютантов………………

5.1. Распределение гексановых битумоидов в профилях почв в связи с геохимическими барьерами и криогенными процессами………………………. 5.2. Профильное распределение гексановых битумоидов в почвах различного гранулометрического состава…………………………………………………….. 5.3. Вертикальная дифференциация почв по содержанию метаново-нафтеновых и нафтеновых углеводородов …………………………………………………….. 5.4. Радиальное распределение индивидуальных н-алканов в почвах…………. Глава 6. Распределение техногенных углеводородов в почвенногеохимических сопряжениях…………

6.1. Распределение гексановых битумоидов в почвенно-геохимических сопряжениях……………………………………………………………………… 6.2. Дифференциация почвенно-геохимических сопряжений по содержанию метаново-нафтеновых и нафтеновых углеводородов …………………………. 6.3. Латеральное распределение индивидуальных н-алканов в почвах………. Глава 7. Количественная оценка степени трансформации техногенных углеводородов в почвах в связи с их свойствами…………………………... 7.1. Техногенные углеводороды в почвах с различными условиями аэрации.. 7.2. Техногенных углеводороды в почвах при разной глубине залегания кровли многолетней мерзлоты…………………………………………………………… 7.3. Техногенные углеводороды в почвах в зависимости от состава и содержания органических поллютантов………………………………………... 7.4. Техногенные углеводороды в почвах в различных физико-географических условиях……………………………………

Выводы……………………………………………………………

Список литературы…………………………………………………….............. Приложения……………………………………………………………............... В настоящее время техногенное углеводородное загрязнение природной среды является одной из актуальных экологических проблем. В России загрязненные нефтепродуктами территории имеют место в различных районах. Такое техногенное воздействие наблюдается и на ряде территорий Российского арктического сектора (Красовская, 1999). Основной депонирующей средой в ландшафтах, принимающей на себя техногенные углеводороды (ТУВ), являются почвы. В результате углеводородного загрязнения происходит как трансформация самих почв (Shaver, G.R., Giblin, A.E et al., 2006; Шамраев, Шорина, 2009), так и органического загрязнителя.

Широкий спектр этих вопросов рассматривался исследователями при изучении почв, загрязненных ТУВ. Однако до сих пор практически отсутствуют данные о геохимических особенностях поведения ТУВ в почвах арктотундровых ландшафтов. Между тем, эти регионы требуют особого внимания, так как в последнее время все более возрастает воздействие углеводородного загрязнения на почвы арктотундровых территорий и они считаются наиболее уязвимыми, характеризуясь низким потенциалом самоочищения от углеводородных поллютантов.

В 60-х гг. ХХ в. на различных архипелагах и островах Российского арктического сектора (арх. Земля Франца Иосифа, Новая Земля, Новосибирские острова, остров Врангеля и др.) значительно усилилось техногенное давление на природную среду. В этих районах были созданы объекты инфраструктуры (военные базы, аэропорты, метеорологические станции и др.), куда осуществлялся массовый завоз нефтепродуктов для работы техники и отопления. Вплоть до 90-х гг. экосистемы этих территорий постоянно подвергались загрязнению ТУВ. В настоящий момент здесь существует множество техногенно-трансформированных в результате углеводородного загрязнения участков, а также хозяйственных заброшенных объектов: многочисленные скопления бочек с остатками нефтепродуктов, котельные, локаторные станции и др. Загрязненные объекты на этих территориях необходимо инвентаризировать, их воздействие на окружающую среду должно быть изучено для разработки научных основ рекультивации арктотундровых почв. В некоторых районах, например на арх. Земля Франца Иосифа, уже началась рекультивация территорий, проведено сжигание оставленного топлива, компостирование бочек с нефтепродуктами на месте с дальнейшим вывозом утилизированного материала (рис. 1).

Рис. 1. Рабочий момент компостирования бочек на арх. Земля Следует особо подчеркнуть, что ландшафтные условия арктической тундры, заключающиеся в крайне малом количестве атмосферных осадков, очень низких температурах и коротком периоде сезонного протаивания почв, не способствуют их самоочищению от углеводородов (УВ). В этой связи важна оценка ландшафтного воздействия арктотундровых природных условий на геохимические особенности поведения ТУВ в почвах.

Полевые данные для настоящего исследования были собраны в ходе экспедиции Русского географического общества на архипелаг Новосибирские острова в августе–сентябре 2012 года. В пределах архипелага заброшенные объекты хозяйственной инфраструктуры широко распространены на островах Большой Ляховский (полуостров Кигилях, мыс Шалаурова), Котельный (метеостанция Санникова, аэропорт Темп), Жохова (аэропорт) и прибрежной части полуострова Бунге (рис. 2). В качестве объектов исследования были выбраны 4 ключевых участка на полуострове Кигилях (остров Большой Ляховский): 1 – фоновый и 3 – в той или иной степени техногеннотрансформированных в результате углеводородного загрязнения в различных ландшафтных условиях.

Условные обозначения: уровень техногенного воздействия Рис. 2. Картосхема расположения объектов инфраструктуры на архипелаге Новосибирские острова Новосибирские острова началось в 1897 г. с полярной экспедиции Толля.

Позднее здесь работали такие исследователи как В.Д. Александрова (1971), Н.Н. Романовский (1959), Н.А. Караваева (1963, 1965), В.О. Таргульян (1963) и другие. Оценка углеводородного загрязнения почв территорий этого архипелага началась недавно – только в 2010 г организацией «Фонд полярных исследований «Полярный фонд» (Инвентаризация источников…, 2010).

Цель исследования: выявить геохимические особенности и провести анализ факторов поведения ТУВ в почвах арктотундровых ландшафтов острова Большой Ляховский (Новосибирские острова).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать систему диагностических показателей поведения ТУВ в почвах на основе сопряженного анализа данных люминесцентнобитумологического метода и метода газожидкостной хроматографии;

2. Установить уровни содержания и состав ТУВ в арктотундровых почвах в условиях воздействия различных типов углеводородных соединений (трансформаторное масло и дизельное топливо);

3. Охарактеризовать особенности и факторы радиальной и латеральной дифференциации почв арктотундровых ландшафтов по содержанию ТУВ поллютантов;

4. Количественно оценить степень и факторы трансформации ТУВ в почвах арктотундровых ландшафтов;

5. Сравнить факторы трансформации и поведение ТУВ в почвах арктотундровых, южнотундровых и среднетаежных ландшафтов.

Работа состоит из 7 глав, введения и заключения, списка литературы и приложений. В первой главе приводится литературный обзор, посвященный характеристике свойств компонентов загрязняющих углеводородных веществ и особенностям их поведения в почвах различных ландшафтов. Во второй главе дается характеристика физико-географических условий объектов исследования. Третья глава посвящена рассмотрению объектов, методов исследования и обоснованию системы диагностических показателей поведения ТУВ в почвах. В четвертой главе показаны особенности техногенных изменений в арктотундровых почвах. В пятой и шестой главах характеризуются геохимические особенности и анализируются факторы радиальной и латеральной дифференциации почв по содержанию различных компонентов углеводородных загрязнителей в связи с ландшафтными арктотундровыми условиями и свойствами органических поллютантов. В этих же главах приводятся данные, полученные автором для почв среднетаежных и южнотундровых ландшафтов, которые сравниваются с почвами арктотундровых ландшафтов. В шестой главе количественно оценивается степень трансформации ТУВ в изученных почвах в связи с различными ландшафтными факторами и свойствами органических поллютантов. В заключении приводятся выводы на основе проведенной работы.

Научная новизна работы: В работе впервые решена важная для геохимии ландшафтов и географии почв научная задача – выявлены геохимические особенности поведения различных групп ТУВ в почвах арктотундровых ландшафтов на примере острова Большой Ляховский. Новыми являются данные о геохимических особенностях радиального и латерального распределения ГБ, метаново-нафтеновых и нафтеновых УВ, широкой гаммы индивидуальных н-алканов (21 соединение) в арктотундровых почвах в связи с ландшафтными условиями территории, свойствами почв и органических загрязнителей. Впервые количественно оценена степень трансформации ТУВ в почвах арктотундровых ландшафтов, а также проведено сравнение с южнотундровыми и среднетаежными почвами. Предложена оригинальная система диагностических показателей для изучения поведения ТУВ в почвах.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанная система диагностических показателей, основанная на сопряженном анализе данных о содержании в почвах гексановых битумоидов, метаново-нафтеновых, нафтеновых УВ, индивидуальных н-алканов, фитана и пристана, позволила выявить геохимические особенности радиального и латерального распределения и оценить степень трансформации состава ТУВ в почвах арктотундровых ландшафтов острова Большой Ляховский.

2. В условиях крайне малого количества атмосферных осадков и очень короткого периода протаивания почв исследованные группы ТУВ проникновением в основную массу почв, отсутствием или слабо выраженной криогенным трещинам почв ТУВ мигрируют интенсивнее.

3. Приуроченность латерального потока ТУВ к приповерхностным или подвижные метаново-нафтеные УВ и н-алканы отличаются повышенной латеральной транзитностью относительно менее подвижных нафтеновых УВ.

4. В почвах арктотундровых ландшафтов наблюдается трансформация ТУВ, в том числе, обусловленная микробиологическим разложением, степень выраженности которой изменяется в связи с природными и техногенными горизонтах почв по сравнению с неглеевыми достигает двукратного уменьшения, по мере приближения к кровле многолетней мерзлоты – четырехкратного уменьшения, при снижении содержания органического углерода в почвах – трехкратного уменьшения.

5. Условия аэрации по сравнению с температурным фактором оказывают большее влияние на степень трансформации ТУВ в почвах, что выявляется при сопоставлении объектов исследования в арктотундровых, южнотундровых и среднетаежных ландшафтах.

Практическая значимость: Результаты исследования включены в отчет по гранту Русского географического общества № 61/2013-Н7 «Оценка экологогеохимического состояния почв Новосибирских островов». Выводы работы могут быть использованы в качестве научной основы при разработке программ по рекультивации арктотундровых почв, загрязненных ТУВ. Результаты работы имеют важное значение при проведении эколого-геохимического углеводородного загрязнения, в других регионах с аналогичными природными условиями.

Апробация работы: материалы диссертационной работы доложены на заседаниях кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (в период 2011-2013 г.г.). Основные положения работы были включены в доклады на следующих конференциях:

«Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности России» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийская молодёжная научная конференция «Актуальные проблемы биологии и международным участием (Томск, 2011); Пятая международная научная конференция «Экологические проблемы недропользования: наука и образование» (Санкт-Петербург, 2012); Международная научная конференция XVI Докучаевские молодежные чтения «Законы почвоведения: новые вызовы»

(Санкт-Петербург, 2013); Годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Сергеевские чтения (Москва, 2013); IV Международная научная конференция «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2013); Международная конференция «Biochars, compostsanddigestates. Production, characterization, regulation, marketing, uses and environmental impact» (Бари, Италия, 2013).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структуры и объем работы: Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 129 источников, в том числе 12 на английском языке. Общий объем работы 176 страниц, включая 55 рисунков и 14 таблиц и 9 приложений на 15 страницах.

Благодарности: Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю – доктору географических наук, профессору А.Н. Геннадиеву за научные консультации, помощь и содействие на всех этапах исследования.

Автор признателен заведующему кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв, академику РАН Н.С. Касимову, д.г.н., в.н.с. Ю.И. Пиковскому, к.г.н., с.н.с. Е.М. Никифоровой, всему коллективу кафедры и сотрудникам лаборатории углеродистых веществ биосферы географического факультета МГУ за внимательное отношение и конструктивные замечания к работе. Автор искренне благодарит к.б.н. Ю.А. Завгороднюю за помощь в освоении химикоаналитических методов исследования состава УВ в почвах и научные консультации.

Глава 1. Существующие представления о свойствах техногенных углеводородов и их поведении в почвах различных ландшафтов 1.1. Особенности состава техногенных углеводородов Техногенное загрязнение почв УВ широко распространено в мире и связано в основном с нефтью и нефтепродуктами (Московченко, 1998;

Бузмаков, Костарев, 2003).

ТУВ наряду с неуглеводородными соединениями входят в состав сложных комплексов органических веществ – нефти и нефтепродуктов. Нефти различных месторождений в мире характеризуются своей особой комбинацией углеводородной составляющей и смолисто-асфальтеновых компонентов (Судо, Судо, 2008).

Углеводородная часть органических загрязнителей включает следующие компоненты: алканы (метановые УВ), цикланы (нафтены) и ароматические соединения, различающиеся по химическим и физическим свойствам (молекулярный вес, степень полярности, вязкость и др.) и вследствие этого характеризующиеся разной миграционной способностью и сорбируемостью, устойчивостью к биодеградации, физико-химическому и фотохимическому разложению и др. В общем плане с увеличением степени полярности и веса молекулы индивидуального УВ возрастают его сорбционные свойства и ослабляются миграционные (Баженова, Бурлин, 2012). Так, подвижность УВ растет в ряду алканы–метаново-нафтеновые–нафтеновые соединения (табл.1).

В свою очередь, при увеличении степени полярности и молекулярного веса индивидуальных соединений каждой из групп УВ (например, н-алканов) их подвижность уменьшается (Гольдберг, Зверев и др, 1970; Чижов, 1998). К примеру, подвижность октодекана С18 ниже по сравнению с гептадеканом С17.

Установлено, что тяжелые алканы и нафтеновые УВ не теряют подвижность при более отрицательных температурах (Соболева, Гусева, 2002).

Кроме того, в составе нефти и нефтепродуктов содержится определенная доля неуглеводородных компонентов: асфальтены, смолы и гетероатомные соединения. В нефти содержание этих соединений составляет около 10-25%, в трансформаторном масле – около 50%, в дизельном топливе – не более 10%.

Эти вещества характеризуются наиболее низкой подвижностью по сравнению с УВ (табл.1) и относительно повышенной устойчивостью к физикохимическому и микробиологическому окислению.

Подвижность различных компонентов нефти и нефтепродуктов (Гольдберг, Зверев и др., 1970; Соболева, Гусева, 2002) Асфальтены Нафтеновые УВ Метаново-нафтеновые УВ В плане биодеградации относительно слабой устойчивостью характеризуются УВ с цепочечным химическим строением – нормальные алканы (н-алканы). В меньшей степени процессам биодеградации подвержены УВ разветвленного (изоалканы) и циклического (циклоалканы) строения (Гольдберг, Зверев и др., 1970; Баженова, Бурлин, 2012). На окисление УВ цепочечного строения микроорганизмам требуются меньшие энергетические затраты; в случае с разветвленным и циклическим строением (с радикальными цепями в структуре) процессы окисления углерода протекают не так интенсивно из-за его меньшей доступности в молекуле. Есть мнение, что более легкие УВ разлагаются более интенсивно по сравнению с более тяжелыми.

Однако при биодеградации последних могут образовываться более легкие, что увеличивает абсолютные количества первых. Наиболее легкие компоненты в значительном количестве слабо разлагаются из-за повышенной токсичности (Никитина, Голодяев, 2003; Оборин, Хмурчик и др., 2008; Бондаренко, 2008).

Нефти разделяются по фракционному составу по интервалу их температур кипения. От от 32 СО до 160 СО выкипает легкая фракция нефти, представленная углеводородными газами и нафтеново-полициклическими УВ.

Тяжелые компоненты нефти имеют температуру кипения выше 430 С О (табл.

2).

Температура кипения различных фракций нефти (Леффлер, 2004) По данным В.В. Тетельмина и В.А. Язева (2009), в нефти средняя доля алканов составляет 30%, нафтенов – 49%, аренов – 15% и битума (смолы и асфальтены и др.) – 6%. А.А. Петров (1984), изучив фракцию с температурами кипения 200-420° С в различных нефтях, разделил их на 4 типа (А1, А2, Б1, Б2) по соотношению углеводородных соединений (табл.3).

Групповой состав нефтей химических типов фракции 200-430 С (%) Ароматические 10-70 (20-40) 15-70 (20-40) 20-80 (20-45) 25-80 (25-50) В скобках приведены наиболее часто встречающиеся значения 1.2. Самоочищение почв от техногенных углеводородов Процессы самоочищения почв от нефтяных УВ включают их физикохимическое и микробиологическое разложение, а также рассеяние с водными потоками (Геннадиев, Пиковский, 2007). Эти процессы изучались в почвах различных природных зон, в том числе в модельных экспериментах (Глазовская, Пиковский, 1985; Звягинцев, 1989; Солнцева, 1998; Оборин, Хмурчик и др., 2008 и др.).

Установлено, что содержание метаново-нафтеновой фракции нефти за год в почвах лесотундры снизилось на 34%, в средней тайге – на 46%, в южной тайге – на 55% (Пиковский, Калачникова и др., 1985), в почвах Прикамья – на 65%, в почвах Апшеронского полуострова – на 62,5% (Пиковский, 1993) (табл.

4). За 10 лет в почвах лесостепной зоны содержание этих веществ снизилось более чем на 50% (Оборин, Хмурчик и др., 2008). Отмечается, что ведущим механизмом трансформации нефти в почвах лесотундровых и таёжных ландшафтов является вынос УВ с водными потоками, в почвах лесостепных ландшафтов – в результате микробиологического разложения (особенно в первые годы) и гумификации, а в почвах сухих субтропиков – минерализации и гумификации.

Содержание групповых компонентов нефти в почвах через один год после загрязнения (в % от первоначального содержания групповых компонентов) по данным модельных опытов в горизонте А1 (Пиковский, 1993) Выявлено, что в среднем через 4 вегетационных периода общее количество остаточной нефти в почве составляет 40–45% от обнаруженного через 1 месяц после ее внесения (Звягинцев, 1989). Через 1 месяц после внесения в почву мазута происходит его удаление в количестве 3%, а через месяца – 14% от начального содержания (Сидоров, Борзенков и др., 1998).

В процессе самоочищения почв от нефтяных УВ наблюдается уменьшение относительного содержания углеводородной части битумоидов и остаточное накопление более тяжелых компонентов – смол и асфальтенов, а также новообразованных продуктов трансформации УВ. Установлено, что после 15ти летней трансформации нефти в почве содержание маслянистых компонентов уменьшилось по сравнению с исходной нефтью в 2,8 раза, а содержание смол и асфальтенов увеличилось, соответственно в 1,4 и в 10 раз. По данным (Звягинцев, 1989) в течение первых 16 месяцев с момента добавления нефти в почву в объеме 24 л/м2 наблюдалось заметное уменьшение содержания метаново-нафтеновой фракции нефти (с 78 до 54%) и возрастание доли ее более тяжелых компонентов – преимущественно нафтеновых структур (с 12, до 18%) и смолисто-асфальтеновых компонентов (с 10 до 27%).

1.2.1. Физико-химическая и микробиологическая деградация микробиологической деградации ТУВ в почвах определяется различными природными (температурные условия, доступ кислорода, свойства почв и др.) и техногенными (концентрация и состав поллютантов) факторами.

Процессы разложения нефтепродуктов в почвах микробиологическим путем имеют связь с температурными условиями. Наиболее благоприятные условия для разложения жидких УВ большинства представителей Pseudomonas – 18–20° С, для штаммов Mycobacterium и Nocardia – 24–36° С (Оборин, Хмурчик и др., 2008). Активность углеводородокиcляющих микроорганизмов в почвах может проявляться и при значительно более низких температурах, что подтверждается данными других авторов (Коронелли, 1996), доказавшими окисление УВ при температурах 8–10° С бактериями рода R. erythopolis. При температуре 5° С проявили активность 28% штаммов бактерий. Установлено, что при температуре 4° С степень биодеградации УВ на 5–11% ниже по сравнению с температурой 8° С (Ананько, Пугачев и др., 2005).

Скорость микробиологического разложения УВ в арктотундровых почвах оценивается как низкая, что объясняется лимитирующим влиянием низких температур (Андреева, 1981; Kershaw, 1990; Пиковский, 1993; Jorge, Freijer, 1997; Margesin, Schinner, 2001; Mosbech, 2002; Kristin; Joris, 2003; Rike, Kjetil, 2003; Геннадиев, Пиковский, 2007; Dennis, Filler, 2008; Легостаева, Боескоров, 2009; Глязнецова, Зуева и др., 2011). Тем не менее, фактор микробного разложения ТУВ в арктотундровых почвах нельзя не учитывать, поскольку имеются свидетельства о том, что микроорганизмы могут разлагать эти вещества (Воrresen, Barnes et al., 2007) даже при температуре +1,6 С (Deppe, Richowandoth, 2005; Оборин, Хмурчик и др., 2008). Отмечалась возможность протекания слабоинтенсивной биохимической трансформации органического вещества в сезонно-талом слое почв Колымской низменности (Лупачев, Губин, 2012).

В процессе временной биотрансформации УВ изменяется количественный и качественный состав органических поллютантов в почвах в полевых условиях. При добавлении в почву 10% нефти и 106 углеводородокисляющих микроорганизмов за 1 месяц деградировало 69,4–89,9% внесенной нефти. В результате биотрансформации УВ в дерново-подзолистой почве Ленинградской области за 1 год содержание насыщенных УВ уменьшилось с 33,5% до 26%, а содержание асфальтенов, наоборот, увеличилось с 3,3% до 8,4% (Чернов, Бакина и др., 2011). Под действием биопрепаратов и естественного биоценоза почвы за 22 месяца в качественном составе нефти снизилось относительное содержание маслянистых компонентов в 1,2–1,9 раза, а концентрация асфальтенов увеличилось в 4,3–6,6 раз (Рогозина, 2010). Согласно (Сидоров, Борзенков и др., 1998) за 1–3 месяца при внесении биодобавок в почву содержание предельных УВ снижалась с 14% в исходном мазуте до 3 – 12% в почвах; доля смол и асфальтенов возросла соответственно от 16% до 23–31%.

Экспериментально доказано, что наиболее подвержены биотрансформации в почвах индивидуальные н-алканы. При внесении 0,2% нефти в мерзлотную почву Якутии за 53 дня из-за биодеградации содержание низкомолекулярных алканов С12–С18 уменьшилось в 2 раза (Лифшиц, Чалая и др., 2006). Е.А.

Рогозина (2010) установила, что из-за биодеградации за 2 месяца после загрязнения нефтью полигона доля н-алканов снизилась на 17,6–33,5%, а в лабораторных условиях эти значения существенно увеличивались до 61,1– 99,0%. Более легкие н-алканы интенсивнее разлагаются микробиологическим путем относительно более тяжелых (Звягинцев 1989). Так, за 1 месяц содержание н-алканов С15–С18 в дерново-подзолистой почве сократилось в раза, а более тяжелых н-алканов С27–С30 – в 2 раза; за 3 месяца эти величины возросли до 5,5 раз и 3,6 соотвественно (табл. 5).

Трансформация отдельных групп УВ метаново-нафтеновой фракции в дерново-подзолистой почве, % (Звяшинцев, 1989) Интенсивность микробиологического разложения ТУВ в почвах зависит от их свойств. Степень биодеградации нефтяных УВ существенно зависит от влажности почвы: в воздушно-сухом выщелоченном чернозёме за 2-3 года разложилось 40% УВ, во влажном – 90% (Бреус, Игнатьев др., 2004; Бреус, Смирнова-Ефстифеева и др., 2005). Такие различия в интенсивности биодеградации УВ авторы связывают с уменьшением проявления процесса сорбции поллютантов в воздушно-сухом чернозёме, ограничивающей их биодоступность.

При этом интенсивность микробиологического разложения ТУВ в почвах неоднозначно связана с концентрацией органических поллютантов (Звягинцев, Гузев и др., 1989). При низких (до 200 мг/кг) концентрациях УВ деятельность микроорганизмов ослаблена из-за недостаточного количества питательного субстрата; при слишком высоких содержаниях (от 2000 мг/кг) происходит подавление развития микроорганизмов из-за токсического воздействия УВ на микробоценоз и ухудшения водно-воздушного режима почвы.

Экспериментальные данные показали, что биодеградация нефтяных УВ в почвах возможна и под воздействием элементов растительного питания. Так, посев одуванчика роголистного в нефтезагрязнённой почве привёл к существенному уменьшению концентрации хлороформного битумоида на 40% (по сравнению с образцом, загрязнённым нефтью спустя 60 дней) и вызвал снижение содержания алканов С18–С25 и наличие бимодального распределения нормальных алканов в низко- (С15) и высоко- (С31) молекулярной области (Лифшиц, Чалая и др., 2006).

Изучен вклад испарения УВ в общее самоочищение почв от них.

Отмечается, что существует интерпретационная трудность в попытке разделить влияние испарения от других факторов, например, концентрации поллютанта, процессов микробиологического разложения и др. В летний период легкие фракции нефти могут удаляться за счет испарения до 15% (Барышникова, Грищенков и др., 2001). По данным (Мирошниченко, 2008), после 1 месяца при внесении в оподзоленный чернозём Украины от 2,5 до 40 л/м2 нефти испарилось от 6 до 85% лёгких УВ от внесённого количества. При этом отмечается, что испарение зависит в равной мере, как от температуры, так и от уровня загрязнения УВ. Согласно (Лифшиц, Чалая и др., 2006), при добавлении 0,2% нефти в мерзлотную почву Якутии за 53 дня содержание хлороформного битумоида и его углеводородной фракции уменьшилось на 22% в связи с процессами испарения и биодеградации. Испарение нефтепродуктов с температурой кипения менее 2500 С может быть ускорено регулярным рыхлением почвы (Чижов, 1990). По данным А.М. Рябчикова (1974), около 33% легких фракций нефти, попавших на водную поверхность, испаряется в течение 1-3 недель в атмосферу.

1.2.2.Рассеяние техногенных углеводородов в почвах с водными потоками При исследовании рассеяния УВ с водными потоками изучалась глубина проникновения и характер распределения нефтяных УВ в почвенном профиле и интенсивность их латеральной миграции. Были рассмотрены песчаные, глинистые и торфяные субстраты, а также влияние оглеения, многолетней мерзлоты и др. процессов и факторов на поведение нефтяных УВ в почвах различных ландшафтов.

По данным (Чижов, 1990), при внесении нефти в дозах 10 и 20 л/м2 в песчаные почвы Среднего Приобья, глубина проникновения нефти составила 8и 13-15 см, с увеличением дозы до 50 л/м2 этот показатель увеличился до 50см. Во влажных песчаных почвах глубина проникновения нефти не превышала 15 см, причём около ее 90% содержалось на глубине 0-10 см. В дерново-слабоподзолистой супесчаной почве Башкирского Приуралья после нефтяного разлива на её поверхности сформировалась битуминозная корка мощностью 10 см, препятствующая дальнейшей миграции нефти в радиальном направлении (Андресон, Мукатанов и др., 1980). В суглинистых почвах Среднего Приобья нефть просачивалась по почвенному профилю (по старым ходам и трещинам) до глубины 40 см, где её содержание колебалось в пределах 0,1–1,3%: из них 90% было сосредоточено в слое 0-15 см (Чижов, 1990).

Аналогичные данные были получены Г.В.Русановой (2000) для глинистых нефтезагрязнённых почв Большеземельской тундры спустя 20 лет после загрязнения. В лугово-чернозёмных глинистых почвах Башкирского Приуралья нефть обнаруживалась до глубины 80 см, в пойменных лугово-глееватых среднесуглинистых почвах – до 150 см (Андресон, Мукатанов и др., 1980), что вызвано, по-видимому, активным функционированием грунтовых вод, смещение границы которых приводило к усилению перераспределения УВ в почвах.

Средняя глубина проникновения нефти в торфяных почвах Среднего Приобья составляет 6,3 см, на 2-х участках глубина проникновения нефти превышала 20 см, 90% нефти содержалось в слое 0-5 см (Чижов, 1990).

Битуминизация почвенного профиля торфяных олиготрофных почв Среднего Приобья происходило на глубину до 30 см (Соловьева, Трофимов, 2008). По другим данным (Груздкова, Сурнин, 1990), в торфяно-глеевых почвах (разлив 170 тонн нефти) Самотлорского месторождения глубина проникновения нефти может составлять 115 см, что вызвано наличием второго максимума нефти в пределах глеевого горизонта почв, являющегося сорбционным геохимическим барьером. Даже через 9 лет после нефтяного разлива содержание нефтяных УВ в почвах на глубине 100 см достигает 8,9% (Оборин, Хмурчик и др., 2008), что вызвано слабой интенсивностью как деградации этих веществ, так и их существенным накоплением в торфяных субстратах. Имеющиеся данные несколько расходятся, по-видимому, из-за более высокого уровня углеводородного загрязнения почв, исследованных Р.А.Груздковой и В.А.Сурниным (1990). По данным В.В.Водопьянова (2006), около 25% нефти в почве удаляется путем рассеяния с водными потоками.

По данным (Каверина, Мячина, 2008), существенное воздействие на рассеяние УВ в почвах с водными потоками оказывает не только внутрипочвенный сток, но и грунтовые воды. Важное значение для выноса УВ имеет карстовый рельеф территории, способствующий усилению радиальной и латеральной миграции органических поллютантов (Пиковский, Геннадиев и др., 2008).

С.Я.Трофимов, А.Д.Фокин и др. (2008) предполагают, что процессы самоочищения торфяных почв от УВ протекают по экспоненциальному закону и выделяют процессы, ответственные за миграцию нефти в профиле торфяной почвы Ханты-Мансийского автономного округа: перемешивание в виде самостоятельной фазы, миграция в виде коллоидных растворов, сорбция твердой фазой и минерализация, а также «выдавливание» нефтяной фазы.

В арктотундровых почвах острова Большой Ляховский особую роль в изменении латерального распределения концентрации ТУВ могут играть приповерхностные латеральные потоки, начинающиеся в период таяния снега и протаивания верхних почвенных горизонтов. На этой территории по мере удаления от источника загрязнения фиксируются сначала пониженные концентрации ТУВ в почвах склонов, а потом наблюдается их некоторое увеличение (рис. 3), что может указывать на вовлечение органических поллютантов в приповерхностные миграционные процессы. Эти явления учитываются при анализе латерального распределения ТУВ в почвах Уренгойской тундры (Опекунова, Арестова и др., 1996).

Рис. 3. Суммарное содержание ТУВ в почвах на участке «Бывшая база»

острова Большой Ляховский (Инвентаризация источников…, 2010) 1.2.3. Закрепление техногенных углеводородов Представление о «геохимических барьерах», как участках земной коры, где на коротком расстоянии изменяются условия миграции химических элементов и соединений, и увеличивается их концентрация, разработано А.И.Перельманом и широко применяется в геохимии ландшафтов в настоящее время (Перельман, Касимов, 1999; Геохимические барьеры…, 2002;

Глазовская, 2012). При исследовании поведения нефти и нефтепродуктов в почвах лесотундровых ландшафтов были введены понятия «барьерконцентратор», накапливающий вещества и «барьер-экран»

препятствующий радиальной миграции вещества и переводящий их в латеральный поток, а также понятие «нефтеёмкость» - максимально возможные для каждого уровня влажности содержания нефти в почвенной массе (Солнцева, Гусева и др., 1996; Солнцева, 1998).

Ёмкость барьеров-концентраторов битуминозных веществ изучалась в почвах Пермского Прикамья, Западной Сибири, острова Сахалин, Калининградской области, Большеземельской тундры (Пиковский, 1993;

Солнцева, Гусева и др., 1996; Солнцева, Садов, 1998; Геннадиев, 2008; Нефть и окружающая среда…, 2008; Мазитов, 2010; Сотникова, Липатов, 2010; Аветов, Шишконакова, 2011 и др.). Отмечаются сходные механизмы концентрации ТУВ и их профильного распределения: 1) интенсивное накопление в органогенных горизонтах, 2) фронтальная миграция без максимумов и минимумов в горизонтах лёгкого гранулометрического состава, 3) передвижение по каналам миграции, трещинам и капиллярам в горизонтах тяжёлого гранулометрического состава. В почвах, загрязненных УВ, в верхних горизонтах происходит сплошное пропитывание почвенной массы, в нижних горизонтах – локальное и в меньшей степени.

К малоёмким геохимическим барьерам-концентраторам относятся дерновые и глеевые горизонты почв, к высокоёмким – торфяные и глинистые (Глазовская, 2012). Сорбционная способность субстратов по отношению к сырой нефти уменьшается в следующем ряду: глина – торф – песок (Анчугова, Маркарова и др., 2010). Торфяные горизонты почв обладают нефтеёмкостью 162% при влажности 25-50% (Солнцева, 1998), подстилки – до 20% (Аветов, Шишконакова, 2011), дернина – 28%, глеевые горизонты почв – 0,1-1% (Солнцева, Садов, 1998; Нефть и окружающая среда…, 2008). Очень высоким варьированием отличается нефтеёмкость горизонтов песчаного гранулометрического состава от 0,01% до 13,8%, что связано, с одной стороны, с высокой интенсивностью их самоочищения от битуминозных веществ, с другой – сильной аккумулятивной способностью за счёт эффективного порового пространства (Солнцева, Садов, 1998; Касимов, Воровьев, 2002;

Гусейнов, Слащева, 2011).

Наиболее дискуссионными научными проблемами являются вопросы функционирования барьеров-экранов и соотношение барьеров-экранов и барьеров-концентраторов битуминозных веществ. Глеевые горизонты почв являются барьерами-экранами битуминозных веществ, особенно в случае почв тяжёлого гранулометрического состава (Пиковский, 1993; Солнцева, 1998;

Солнцева, Садов, 1998; Каджоян, Касимов, 2008). При этом иллювиальножелезистые горизонты почв некоторыми исследователями рассматриваются как комплексные сорбционно-восстановительные барьеры этих веществ (Гусейнов, Слащева, 2011), а глеевые горизонты почв – как хемосорбционные барьеры (Глазовская, 2012). По данным других исследователей, глеевые горизонты почв различного гранулометрического состава о. Сахалин и Пермского Прикамья являются барьерами-концентраторами углеводородной части битуминозных веществ, что объясняется закреплением этих компонентов в восстановительных условиях, способствующих замедлению их деградации (Русанова, 1996, 2000;

Оборин, Хмурчик и др., 2008; Сотникова, Липатов, 2010) с образованием гидрофобных плёнок вокруг структурных единиц, блокирующих внутри- и межагрегатные поры (Русанова, 1996).

Почвенно-грунтовые воды и кровля многолетней мерзлоты являются барьерами-экранами на пути миграции ТУВ (Солнцева, 1998; Солнцева, Садов, 1998; Геннадиев, 2008; Нефть и окружающая среда…, 2008). М.А. Глазовская (2012) обратила внимание на то, что в районах с многолетнемерзлыми породами отмечаются термодинамические геохимические барьеры, которые по режиму функционирования в почвенном профиле отнесены к блуждающим.

Смена их уровня в почвенном профиле может приводить к усилению перераспределения УВ в радиальном направлении (Солнцева, 1998; Солнцева, Садов, 1998). Их повышенные содержания характерны для многолетнемерзлых пород, пониженные – для сезонно-талого слоя почв, что объясняется повышенной устойчивостью этих веществ из-за их низкой микробиологической деградации и повышенной миграцией в пределах сезонно-талого слоя (Ананьева, Дроздов и др., 2003; Чувилин, Микляева, 2005).

Выявлено, что на кровле многолетнемерзлых пород могут наблюдаться пониженные содержания ТУВ, а в самих породах концентрация поллютантов увеличивается (Чувилин, Микляева, 2005). Повышенные концентрации ТУВ в многолетнемерзлых породах вызваны накоплением нафтеновых УВ и тяжелых парафинов за счет их способности к миграции при более низких температурах.

Наиболее высокие концентрации ТУВ приурочены к средней части почвенного профиля, над которой скорость замерзания максимальна и составляет 4 мм/сут (Микляева, Зепалов, 2008).

Лабораторными исследованиями установлено, что наиболее легкие УВ могут мигрировать в восходящем направлении при циклическом промерзанииоттаивании почв, что обусловлено всплыванием этих соединений при максимальной влагонасыщенности почвы (Гильдеева, 2003).

Глава 2. Физико-географическая характеристика острова В главе приводятся данные о физико-географических условиях (геологогеоморфологические, климатические, геофизические, растительные и др.) острова Большой Ляховский, в большей степени полуострова Кигилях и рассматривается их влияние на характер поведения нефтепродуктов в почвах.

2.1. Геолого-геоморфологические условия По тектоническому районированию остров Большой Ляховский принадлежит к Верхояно-Колымскому складчатому поясу. Большая часть острова относится к Котельническо-Святоносскому поднятию, лишь полуостров Кигилях – к Бельковскому рифту (Национальный атлас России…, 2008).

Среди дочетвертичных образований наибольшую площадь (около 20%) получили синийские отложения мощностью 2000-3000 м, находящиеся во внутренней южной и юго-восточной части территории и представленные зелено-серыми полевошпатово-кварцевыми песчаниками и филлитовидными зелено-серыми и серыми серицито-хлорито-кварцевыми и хлорито-серицитокварцевыми сланцами. В юго-восточной части острова развиты темно-зеленые гнейсовидные кристаллические сланцы протерозойского возраста мощностью около 2000 м. Они имеют пироксен-плагиоклаз-амфиболовый, плагиоклазамфиболовый, амфиболовый, эпидот-амфиболовый и плагиоклаз-амфиболэпидотовый минералогический состав. На полуострове Кигилях распространены раннемеловые интрузивные породы ультраосновного (перидотиты, пироксениты), среднего (диоритовые порфириты) и кислого (гранодиориты, граниты) составов (Таргульян, 1963; Косько, Соболев и др., 2013). По данным В.О. Таргульяна (1963), граниты полустрова Кигилях острова Большой Ляховский состоят из следующих минералов: 47,6% – ортоклаз; 22,2% – плагиоклаз; 31,5% – кварц; 2,7% – биотит; 0,33% - акцессорные минералы (преобладает циркон).

На острове Большой Ляховский представлены различные генетические типы четвертичных образований: озерные, озерно-аллювиальные, озерноболотные (аласные), аллювиальные, морские, лагунные, элювиальноделювиальные, эоловые (рис. 4).

Большую часть острова занимают озерные и озерно-аллювиальные льдистые алевриты зыряновского и казанцевского века верхнего плейстоцена с мощностью более 100 м. В долинах крупных рек центральной части острова распространены морские суглинки, алевриты и пески санчуговского века среднего плейстоцена. В сартанский век верхнего плейстоцена формировались аласные суглинки с торфом, приуроченные преимущественно к западной и юго-восточной прибрежным частям острова, а также к верховьям долин крупных рек. Узкой полосой на южном побережье острова протягиваются морские и лагунные алевриты среднего и верхнего плейстоцена. Голоценовые элювиально-делювиальные образования занимают значительные по площади территории острова в южной и юго-восточной его частях (Национальный атлас России…, 2008), они характеризуются мощностью не более 10 м (Романовский, 1959).

Полуостров Кигилях сложен преимущественно рыхлыми суглинистыми толщами и по периферии на дневную поверхность выходят небольшие массивы коренных пород высотой от 100 до 300 м. над ур. моря (Таргульян, 1963).

По геоморфологическому районированию исследуемая территория расположена в пределах Восточно-Сибирской шельфово-островной провинции затопленных морских и субаэральных равнин и базальтовых плато ЛаптевоЧукотской страны. Рельеф полуострова Кигилях грядово-увалистый. К ведущим рельефообразующим процессам относятся: термокарст, солифлюкция, морозное выветривание и эоловый (рис. 4).

Полуостров Кигилях располагается на абсолютных высотах 30–80 м, прибрежные территории – 0–10 м, отдельные возвышенные участки достигают 168 м (г. Малакатын), 164 м (г. Санников-Тага). Превышения бровок долин над тальвегами эрозионных форм рельефа составляют 1–40 м. Ширина днищ долин варьирует от 1 до 50–60 м. Крутизна склонов изменяется от 4° до 30°. Крутые склоны – благоприятный фактор для катенарной миграции нефтепродуктов в почвах.

Рис. 4. Геоморфологическая картосхема острова Большого Ляховского (Геккель, 1967) 1 — плато; 2 — возвышенные платообразные участки и столообразные горы; 3 — озера; 4 — озерно-аллювиальные аккумулятивно-денудационные равнины с интенсивно развитыми термокарстовыми и овражно-долинными формами рельефа; 5 — речные аккумулятивные формы рельефа (пойма, надпойменные террасы, дельты); 6 — аккумулятивно-денудационные равнины (с неглубоким залеганием складчатого фундамента) с полигональносолифлюкционными, эрозионными и термокарстовыми формами рельефа; 7 — аласные формы термокарста — алы; 8 — морские аккумулятивные формы рельефа; 9 — осушки.

Район характеризуется хорошо выраженной овражно-балочной сетью, байджараховым рельефом. По данным полевых исследований, байджарахи имеют высоту 0,5–1,5 м (рис. 5), единичные – 20 м и более. Широко распространены пятна-медальоны.

Рис. 5. Байджараховый рельеф на полуострове Кигилях (фото автора, 2012) Суглинистый гранулометрический состав четвертичных образований острова Большой Ляховский из-за низкой водопроницаемости способствует ослаблению катенарной миграции нефтепродуктов.

Важными экзодинамическими процессами на острове Большой Ляховский являются: солифлюкция, термокарт и десерпция. Высокая пылеватость и влажность отложений изучаемого острова, наличие уклонов поверхности от 2– 3° до 10–15° и оголеленных почв-пятен способствует протеканию солифлюкции. В нижних частях склонов (особенно выпуклых) в результате течения влагонасыщенной почвенной массы формируются террасы, валы, фронтальные уступы и происходит аккумуляция солифлюкционных отложений (Канев, 1996). Следствием проявления экзодинамических процессов является существенная расчлененность рельефа изучаемой территории (рис. 6).

По данным исследований Н.Н. Романовского (1993), для почв острова Большой Ляховский характерна структурная солифлюкция при значительных (50–80 см) глубинах залегания многолетнемерзлых пород. Для склонов (особенно крутых), где развита солифлюкция, характерно неравномерное оттаивание; меньше на покрытых растительностью полосах и более глубокое – на оголенных. В механизме образования структурной солифлюкции в летнеосенний период участвуют: выдавливание на поверхность грунтовой массы при неравномерном промерзании сезонно-талого слоя, ее оплывание на поверхности и перемещение вниз по склону сильно увлажненного грунта, зажатого под сезонно промерзшим слоем. Особенно интенсивно солифлюкция может проявиться на склонах южной экспозиции.

Большой Ляховский (снимок, Google Earth) Ж.М. Белорусова (1963) указывает, что на острове Большой Ляховский причиной протекания солифлюкции является неравномерное распределение снега по почвенному покрову, что связывается с господством ветров западных и восточных румбов. Г.В. Горбацкий (1970) видит в солифлюкции главный процесс, определяющий ландшафтную структуру острова Большой Ляховский, и его следствием является разрыв или частичное уничтожение растительного покрова, что может повлечь за собой резкие изменения в отношении условий инсоляции, радиационных условий, водопропускной способности участка, испаряемости и условий снегозадержания. Особенно интенсивно процессы солифлюкции идут в начале летнего периода, когда происходит таяние снежников и почвы за счет этого насыщаются влагой. Скорость деструктивных процессов в пределах арктотундровой зоны высока. Отмечается, что процесс солифлюкции характеризуется цикличностью (около 10-11 и 20-30 лет).

Таким образом, С учетом наличия очень крутых (до 15°) склонов, в том числе южной экспозиции, активного снеготаяния в результате неравномерного распределения снега на почвенном покрове (Белорусова, 1963) за более чем 20летний инкубационный период нефтепродуктов в почвах (Инвентаризация…, 2010) произошли значительно более заметные перемещения почвенной массы по склонам, которые могли накапливаваться в их нижних частях. Это явление может вносить коррективы в особенности катенарной дифференциации почв по содержанию и составу нефтепродуктов и, возможно, приводить к существенному увеличению или уменьшению содержания ТУВ, особенно в пределах склоновых областей.

По климатическому районированию остров Большой Ляховский относится к Сибирской области арктического климатического пояса с морским типом климата (Национальный атлас России, 2008).

Суммарная солнечная радиация составляет 2800-3200 МДж/м2 в год.

Радиационный годовой баланс на острове Большой Ляховский составляет – МДж/м2, а индекс сухости М.И. Будыко очень низкий – 0 – 0,3 (Зукерт, Соколихина, 1993).

Среднегодовая температура воздуха составляет -12,4° С. Максимальная среднемесячная температура воздуха зафиксирована в августе +4,4° С, минимальная среднемесячная – в марте – 28,6° С (рис. 7). Абсолютная максимальная температура воздуха достигает + 22,0° С, абсолютная минимальная – - 53,0° С. По относительно давним данным среднегодовая амплитуда температур составляет около 29,0° С (Геккель, 1967); по современным данным – 33,0° С.

Среднемесячные температуры воздуха выше 0° С (1,8–4,4° С) отмечаются с июня по сентябрь (рис. 7). Устойчивого периода с температурой выше + 10° С не наблюдается. При этом заморозки отмечаются в течение всех трех летних месяцев: безморозный период редко превышает 15 дней, а продолжительность устойчивых морозов достигает 232 дня в году. Процент лет с отсутствием безморозного периода на полуострове Кигилях равен 96%.

Рис. 7. Среднемесячный ход температур на полуострове Кигилях острова Большой Ляховский (по данным метеостанции Кигилях, 2012) Низкие температуры воздуха в течение большей части года, отсутствие устойчивого периода с температурами выше + 10° С определяют крайне биодеградации и испарения в почвах острова Большой Ляховский.

Среднегодовое количество атмосферных осадков составляет 167 мм.

Около 60% (106 мм) их количества выпадает в виде дождя с июня по сентябрь (рис. 8), что эквивалентно приходу 1,1 мм воды в 1 день. Таким образом, за 20летний период с момента прекращения существенного углеводородного загрязнения на почвы острова Большой Ляховский выпало 2060 мм атмосферных осадков в течение летнего периода с интенсивностью их поступления всего лишь 1,1 мм/день. Около 40% атмосферных осадков (64 мм) выпадает в виде снега с октября по май. От 250 до 300 дней в году образуется снежный покров, высота которого находится в пределах 10–16 см (рис. 9). В период экспедиции первый снег выпал 31 августа 2012 г. на полуострове Кигилях.

количество осадков, мм Рис. 8. Среднемесячный ход атмосферных осадков на полуострове Кигилях острова Большой Ляховский (по данным метеостанции Кигилях, 2012) Малое количество (106 мм) жидких атмосферных осадков определяет слабую интенсивность миграции нефтепродуктов с водными потоками в почвах изучаемого острова, водозастойный тип водного режима – их слабую физикохимическую трансформацию кислородом воздуха.

Рис. 9. Среднемесячная высота снежного покрова на полуострове Кигилях острова Большой Ляховский (по данным метеостанции Кигилях, 2012) Приморское положение острова Большой Ляховский способствует поддержанию относительной влажности воздуха на высоком уровне (87-93%) в течение всего года (рис. 10). Из 88 дней с туманами 56 приходятся на летний нефтепродуктов с поверхности почвы.

относительная влажность, % Рис. 10. Среднемесячный ход относительной влажности на полуострове Кигилях острова Большой Ляховский (по данным метеостанции Кигилях, 2012) водозастойный тип водного режима на острове Большой Ляховский определяют крайне медленное физико-химическое и микробиологическое разложение и слабый вынос нефтепродуктов из почв.

кустарничково-травяно-лишайниково-моховую арктическую тундру и входит в состав Сибирско-Арктической флористической провинции (Национальный атлас России, 2008). На острове отмечено 111 видов сосудистых растений, к многолетние травы, мхи и лишайники (Геккель, 1967).

В кустарничковом ярусе произрастают различные виды ив: полярная (Salix polaris), арктическая (Salix arctica) и сизая (Salix glauca) и др.

В пределах байджарахов и на склонах эрозионных форм рельефа значительное распространение получили разнотравно-злаковые растительные (Александрова, 1976). В днищах балок, логов и оврагов типичны болотные осоковые (рис. 11.1; рис. 11.2). Среди злаков отмечены следующие виды:

groenlandica), щучка коротколистная (Deschampsia brevifolia), щучка brevifolia), мятлик высокогорный (Poa alpigena) и др. Из семейства осоковых прямостоячая (Carex stans) и др. В травянистом ярусе также присутствуют камнеломка дернистая (Saxifraga caespitosa), лютик Гмелина (Ranunculus (Papaverradicatum polaris) (Геккель, 1967).

Существенно меньшие территории занимает пояс обедненных моховолишайниковых горных тундр, характерный для возвышенных участков полуострова Кигилях. Здесь доминируют мхи (Rhacomitrium ypnoides, Dicranoweisia crispula, Grimmia gracilis, Polytrichum alpinum, Dicranum elongatum, Hylocomium proliferum) и лишайники, редко встречаются цветковые виды растений.

растительные сообщества на полуострове Кигилях (фото автора, 2012) Биологическая продукция фитомассы составляет 1,39 т/га в год. Общий запас фитомассы равен 5, 38 т/га, из них 3, 86 т/га приходится на фитомассу корней (табл. 6). Запасы мортмассы составляют 2,66 т/га в год (Базилевич, 1993).

Низкая биологическая продукция фитомассы, её запасы, а также запасы мортмассы свидетельствует об очень слабой интенсивности биологического круговорота (коэффициент биологического круговорота 0,49). Зольность мхов составляет 2-4%, злаков – 6-10% (Национальный атлас России, 2008).

Показатели биологического круговорота для территории Показатель биологического Количественная оценка Существенное участие злаков в травянистом ярусе растительности и высокая доля фитомассы корней растений (около 72%) острова Большой Ляховский способствуют формированию мощных горизонтов дернин, являющихся благоприятным фактором для накопления нефтепродуктов (Геккель, биологического круговорота определяет низкую скорость разложения нефтепродуктов.

Отсутствие растительности на склоновых поверхностях вследствие развития процессов солифлюкции в какой-то степени способствует переносу нефтепродуктов по верхним горизонтам почв сопряжений. Наличие байджарахов способствуют усилению окислению нефтепродуктов кислородом воздуха.

Полуостров Кигилях находится в области распространения сплошной многолетней мерзлоты. Для почв характерно неглубокое залегание многолетнемерзлых пород и очень короткий период (не более 2,5 месяцев) сезонного протаивания почв. Средняя глубина протаивания варьирует в широком диапазоне от 10–28 см в западинах между кочками до 48 см на вершине байджараха близ устья р. Нерпалах. Наибольшая глубина протаивания на исследуемых площадках отмечена в центрах полигонов, глубина оттаивания за летний период составляет 12–19 см (табл. 7). Глубина протаивания на торфах составляет не более 30–40 см, суглинках 50–60 см, на песках более 1 м.

Скорость протаивания почв в таких условиях низкая – обычно не более 0,3–0, см/сут. При относительных перепадах высот местности около 10 м днища ложбин оттаивают на 20 дней позже по сравнению со склонами и геокриология…, 1989).

Летняя динамика глубины оттаивания грунтов на различных участках острова Большого Ляховского (Новосибирские острова…, 1967) На острове Фаддеевский наблюдалось довольно заметное изменение температуры почвы с глубиной и ее сезонные колебания. Так, в июле на глубине 0,05 м температура почвы составляла +2,8°С, на глубине 0,1 м уменьшалась до +2,0°С. Далее в вертикальном направлении происходит более заметное уменьшение температуры до +1,1°С на глубине 1,15 м. На глубине 0, м температура почвы составляла +0,4°С. В августе почва в большей степени прогревалась и профильное изменение ее температуры носило более равномерный характер. Так, на глубине 0,05 м температура почвы составляла +2,1°С, на глубине 0,1 м – +1,6°С; 0,15 м – +1,2°С; 0,2 м – +0,6°С. Уже к сентябрю температура почвы на вышеуказанных глубинах находилась в пределах 0–0,1°С (Геккель, 1967).

Значительное влияние на температуру почв и глубину их протаивания оказывает моховой покров. Он способствует резкому сокращению амплитуды колебаний температуры почвы. Так, на поверхности мха температура почвы была +1,5°С, на глубинах 5–10 см – +0,5°С, на глубине около 20 см уменьшалась до +0,2°С. В первых числах июня, когда водораздельные поверхности освобождаются от снежного покрова, почвы протаивают всего на 4–4,5 см, что вызывает активное перемещение грунта на склонах (особенно крутых) и водных потоков, формирующихся при таянии снега (Геккель, 1967).

Средняя температура многолетнемерзлых пород в период оттаивания находится в пределах +1–+5 °С (Гросвальд, 1998; Каверин, Мажитова и др., 2012), среднегодовая – -12°С. Убывание среднесуточной температуры почвы с глубиной происходит резко: 5 см – не более +6°С, 10 см – +5°С, 15 см – +3°С, 20 см – не более +1,5°С.

Малая глубина залегания кровли многолетней мерзлоты и её низкие нефтепродуктов в почвах. Уменьшение температуры по почвенному профилю может вызвать ослабление разложения УВ микробиологическим путем.

Короткий период сезонного протаивания почв не способствует радиальному просачиванию органических поллютантов.

На южном побережье острова Большой Ляховский (устье р. Зимовье) располагаются едомы с повторно-жильными льдами. Эти горизонты мощностью около 40 м характеризуются различным литологическим составом:

серовато-коричневый ил и включениями торфа, лессоподобные пески. Важной его особенностью является наличие вертикально ориентированных ледяных жил мощностью от 3,5 м до мелких толщиной 1 мм, расположенных в интервале 1–17 м над уровнем моря (Васильчук, 2006). Высокая льдистость сопровождается скольжением оттаявшего грунта по мерзлой поверхности.

По данным В.А. Мощанского и А.В. Мулиной (1961), в долинах рек Якутии разница между выположенными частями коренных склонов и урезом воды около 40 м при ширине долины по уровню этих отметок около 500 м является достаточным условием для формирования температурной инверсии и значительному (на 2° С) охлаждению почв днища.

А.В. Лупачев и С.В. Губин (2012) показали, что в районах со сплошной многолетней мерзлотой льдистость отдельных прослоев почв может составлять 60–80%. В периоды максимального оттаивания при уклонах поверхности 12– 15° в условиях сильного переувлажнения надмерзлотных горизонтов может происходить перемещение по уклону вод, суспензий, грубого материала и надмерзлотная миграция и перераспределение в этом слое значительных объемов вещества. На приморских низменностях Якутии глубина сезонноталого слоя многолетнемерзлых пород не превышает 1 м, составляя до 40 см в почвах межнанополигональных трещин и 60–80 см – под нанополигонами. При пятнообразования и криотурбаций резко сокращается в Колымской низменности (Лупачев, Губин, 2012).

Изучаемая территория принадлежит зоне тундровых глеевых почв и подбуров Субарктики Восточно-Сибирской провинции (Национальный атлас России…, 2008). Здесь распространены следующие типы почв: дерновоарктические и тундрово-глеевые, торфяно-глеевые, аллювиальные, горные скелетно-щебнистые.

По острову Большой Ляховский существует относительно мало данных, характеризующих почвы, их морфологические, химические и физикохимические свойства и почвообразовательные процессы.

Согласно данным Н.А. Караваевой (1965), соотношение площадей, занимаемых различными почвами в южной части острова Большой Ляховский, составляет: арктотундровые гумусные слабоглеевые – 30%, почвы пятен – 40%, болотные мерзлотные арктотундровые перегнойные малоразвитые (вершины увалов) – 10%, болотные мерзлотные арктотундровые наносные (склоны увалов) – 20%. В связи с тем, что доля почв пятен в составе ландшафтов высоких увалов часто достигает высоких значений – 40–80% (Караваева, 1965) и 30–80% (Герасимова, 2007), эти почвы предлагается отображать на картах даже мелкого масштаба.

К наиболее важным почвообразовательным процессам арктической тундры относятся: оглеение, дерновый, ретинизация гумуса, криогенез и торфонакопление (Горячкин, Караваева и др., 1998). Существенной вехой в изучении арктотундровых почв острова Большой Ляховский стали исследования, проведенные в начале второй половины XX в. Н.А. Караваевой и В.О. Таргульяном.

По данным Н.А. Караваевой (1969), арктотундровая гумусная слабоглеевая почва имеет набор следующих генетических горизонтов:

А 0-4 см. Темнобурый суглинок с коричневым оттенком, увлажненный, рыхлый, содержит много корней;

АВ 4-23 см. Темно-бурый суглинок, увлажнен сильнее вышележащего горизонта, слегка уплотнен, содержит значительное количество корней;

Вg 23-31 см. Темный сизовато-бурый суглинок, увлажненный, уплотненный, почти без корней;

Bgm31-44 см. Такой же, как и вышележащий, суглинок с ржавыми пятнами и прослойками, с глубины 40 см прослеживается много льдистых прожилок.

Почвы пятен отличаются отсутствием органогенного горизонта и еще более слабой выраженностью оглеения (Караваева, 1965). Эти почвы рассматриваются как специфические слабобиогенные образования, производные от задерненных почв тундры. Основным источником новообразующегося органического вещества в почвах-пятнах являются корневые системы растений, в небольшом количестве проникающих из-под задерненных участков. Содержание органического вещества заметно снижается от 0,28 в верхней корочке, и составляло до 1,8% на глубинах 0-10 см. Этот автор приводит следующее описание разреза почвы-пятна: 0-2 см буроватопалевая, подсохшая пористая корочка, суглинистая. 2-32 см, темновато-бурый суглинок, следов оглеения нет, свежий, корней мало; С 32 см – мерзлый слой.

Арктотундровые гумусные слабоглеевые почвы острова Большой Ляховский характеризуются слабой выраженностью процессов оглеения, сильной выраженностью тиксотропии и наличием криогенных трещин (Караваева, 1963, 1965). Предлагаются называть эти почвы криоземами – криогидроморфными неглеевыми. Отсутствие оглеения в арктотундровых почвах эти авторы связывают с хорошей аэрацией почв и малым количеством жидких атмосферных осадков. Не ислючаются процессы надмерзлотного оглеения в результате таяния льда. В.В. Канев (1996) также отмечает, что специфическими морфологическими чертами криоземов Большеземельской тундры являются надмерзлотное оглеение и тиксотропия.

Арктотундровые почвы острова Большой Ляховский характеризуются маломощным (1-5 см) органогенным гумусовым горизонтом (Караваева, 1963).

Хорошая степень разложения органического вещества объясняется крайне малым количеством жидких атмосферных осадков, высоким уровнем аэрации почв и небольшим абсолютным количеством ежегодной фитомассы.

Криогидроморфные почвы Севера характеризуются в основном торфянистыми или грубогумусовыми органогенными горизонтами, что, связывается, повидимому, со слабым разложением органического вещества в условиях низких температур. В.В. Канев (1996) отмечает, что мощность торфяной подстилки к криоземов глееватых Большеземельской тундры составляет 5-15 см.

Тундровые глеевые почвы Северной Якутии характеризуются, согласно работ многих авторов (Караваева, 1963; Десяткин, Оконешникова и др., 2009), повышенным содержанием органического вещества. Так, по данным Р.В.

Десяткина, М.В. Оконешниковой и др. (2009), в верхних горизонтах тундровых глеевых почв содержится 5–9% органического вещества. Близкие результаты приводит Н.А. Караваева (1965): в верхних горизонтах арктотундровых слабоглеевых почв (0-10 см) острова Большой Ляховский содержится 4–7% гумуса, вниз по профилю (на глубине около 50 см) этот показатель постепенно снижается до 1,5–2%. Высокая гумусированность арктотундровых почв объясняется значительным преобладанием (в 2–12 раз) воздействия подземной фитомассы над надземной. Ещё более высокое (до 11,6%) содержание гумуса было обнаружено в органогенных горизонтах криоземов Большеземельской тундры (Канев, 1996).

Наиболее дискуссионной научной проблемой является выяснение факторов проявления надмерзлотной ретинизации гумуса в почвах на многолетнемерзлых породах. В надмерзлотном глеевом горизонте почв Северной Якутии выявлено до 11% гумуса (Десяткин, Оконешникова и др., 2009), что обусловлено ретинизацией подвижных гумусовых веществ.

Существенно меньшее (0,5–3%) количество органического вещества в надмерзлотных горизонтах арктотундровых почв приводит М.И. Герасимова (2007), что объясняется совокупностью различных причин: заторможенностью радиального перемещения вещества, развитием криогенных процессов, а также близким залеганием кровли многолетней мерзлоты. По другим данным (Караваева, 1965), в почвах острова Большой Ляховский не проявляется надмерзлотной ретинизации гумуса, а наблюдается лишь некоторая пропитанность почвенного профиля гумусовыми веществами. Ретинизации Большеземельской тундры (Русанова, 2010).

В гранулометрическом составе почв Севера Якутии преобладают крупнопылеватые-мелкопесчаные частицы (Десяткин, Оконешникова и др., 2009). По данным Н.А. Караваевой (1965), арктотундровые почвы острова Большой Ляховский имеют суглинистый гранулометрический состав:

содержание физической глины находится в пределах 18–25%, крупной пыли Повышенное содержание крупной пыли многие авторы связывают с дроблением пород при криогенном выветривании (Караваева, 1963, 1965;

Конищев, Рогов и др., 1974; Десяткин, Оконешникова и др., 2009; Русанова, 2010).

промораживания происходит коагуляция коллоидных частиц, что может определять пылеватость пород (Арчегова, 1979). Однако Н.А. Караваева (1963) указывает, что при оттаивании почв агрегаты почти полностью разрушаются и содержание коллоидных частиц в пылеватых фракциях оттаявших почв невелико.

Таким образом, к неблагоприятным условиям для физико-химического и микробиологического разложения нефтепродуктов в почвах острова Большой Ляховский относятся: 1) низкие температуры (нет устойчивого периода с температурами более 10° С); 2) слабая интенсивность биологического круговорота; 3) наличие многолетней мерзлоты (20–70 см), процесса оглеения и тиксотропных свойств почв. К благоприятным условиям для миграции нефтепродуктов в почвах относятся крутые (до 20°) склоны. Процессам миграции нефтепродуктов в почвах изучаемого острова не способствует малое количество (106 мм в течение очень короткого периода сезонного протаивания почв) жидких атмосферных осадков, среднесуглинистый гранулометрический состав почв, наличие мощных (до 20 см) дернин (способных к захвату поллютантов), глеевых и тиксотропных горизонтов почв. Вынос поллютантов может происходить при солифлюкции.

Сбор материалов для выполнения данной работы был проведен во время географическим обществом. В полевых условиях нами исследовались почвы острова Большой Ляховский (полуостров Кигилях), в разной степени загрязненные ТУВ. Источником загрязнения являются остатки нефтепродуктов (дизельное топливо и трансформаторное масло) в многочисленных бочках, образующих скопления различной конфигурации и площади на поверхности почвенного покрова. Изучены почвы фонового и трех техногеннотрансформированных участков: «Бывшая база», «Гора Малакатын», «Поселок геологов» (рис. 12), различающихся по характеру ландшафтных условий и техногенного воздействия (табл. 8). Исследовались почвы только в пределах слоя сезонного протаивания.

приводораздельной поверхности (высоты над ур.м. 50-60 м). Здесь были исследованы битуминозные оглеевающиеся почвы по криоземам глееватым на суглинистых почвообразующих породах. Преобладающей растительной ассоциацией является осоково-пушицевая с проективным покрытием 80-90%. В зонах разливов нефтепродуктов этот показатель варьирует от 0 до 40%.

В пределах этого участка находятся два разлива дизельного топлива площадью 50-100 м2. Их источником являются два крупных скопления бочек в количестве более 10000 шт., составленных в 4-7 ярусов. Изучено 2 почвенных разреза (БЛ-3, БЛ-4).

Кроме того, на участке «Бывшая база» были изучены почвы трех разливов преимущественно трансформаторного масла площадью 25, 250 и м2. Количество бочек составляет около 20, 150 и 80 шт., соответственно. Бочки равномерно расположены по площадкам. Изучено 6 почвенных разрезов (БЛ-1, БЛ-2, БЛ-27–БЛ-30) и выполнено три площадных опробования (ТП-I, ТП-II, ТП-III) с отбором 24 почвенных образцов.

На водораздельной поверхности исследованы почвы двух байджарахов высотой до 1 м, загрязненных дизельным топливом. Площади разливов – 4 и м2; количество бочек 7 и 17. Бочки расположены в основном в нижней части байджарахов. Проведено два площадных опробования верхних горизонтов почв (ТП-IV, ТП-V), включающие 10 точек.

На участке «Бывшая база», начиная с позиций, приуроченных непосредственно к источнику углеводородного загрязнения, было заложено два почвенно-геохимических профиля. Первое сопряжение протяженностью около 2 км включает криоземы трансэлювиального ландшафта в верхней и средней части склона (разрезы от БЛ-3 до БЛ-8), дерново-глеевые почвы трансэлювиально-аккумулятивных позиций в широком днище ложбины (разрезы БЛ-9, БЛ-13) и слаборазвитые почвы узкого днища ложбины (разрезы БЛ-10, БЛ-11, БЛ-12, БЛ-14, БЛ-15), характеризующейся трансэлювиальным катенарным положением. Второе сопряжение (протяженностью около 400 м) состоит только из криоземов транэлювиальных ландшафтов (БЛ-31, БЛ-32, БЛзанимающего поверхность склона.

Второй участок «Гора Малакатын» представляет собой каменную россыпь на высотах 100-170 м над ур. м., где были изучены горные скелетнощебнистые почвы (табл. 9). На поверхности почв слабо развит моховолишайниковый покров. Проективное покрытие не превышает 5%. На наиболее возвышенной части участка находится два скопления бочек с дизельным топливом (около 400 шт.) сложенных в 2-3 ряда в высоту. Здесь на двух площадках были отобраны 4 образца почв (ТП-VI, ТП-VII) с глубины 0-10 см.

У подножия каменной россыпи имеются три мелких (площадь 1-6 м2) маслянистых пятна с битумной коркой толщиной около 1 см. Пятна приурочены к единичным опрокинутым бочкам. На этом участке был проведен отбор почв с глубины 0-1 и 0-10 см (ТП-VIII–ТП-X; всего 14 образцов почв).

Щебнистость почв составляет около 60–80%.

БЛ- Фоновый Рис. 12. Картосхема расположения объектов исследования на полуострове Кигилях острова Большой Ляховский Масштаб 1: 20 000.

Условные обозначения:

SBA SBA

Техногенные факторы Условные обозначения: Элементарные геохимические ландшафты: Э – элювиальный; ТЭ – трансэлювиальный, ТЭА – трансэлювиально-аккумулятивный, SBA – субаквальный, SA – супераквальный. Плюс - наличие признака, Минус - отсутствие Природные факторы на высотах 2-3 м над ур.м., где были изучены битуминозные почвы оглеевающиеся по криоземам глееватым. Преобладающей растительной растительностью составляет около 80-90%, на загрязненных УВ почвах – не более 5%. Здесь находится одно крупное скопление бочек (площадь 1850 м2, около 3000 шт.). Бочки плотно уложены, образуя один контур в форме овала.

Изучено 2 почвенных разреза в пределах контура скопления бочек (БЛ-24, БЛ-25) и 2 разреза (БЛ-21, БЛ-23) за его пределами; проведено одно площадное опробование почв с шагом 20 м по четырем трансектам (ТП-XI, глубина взятия образца 0-10 см, 21 образец почв).

Фоновый участок расположен в 1 км к северо-западу от участка «Бывшая база». Здесь были изучены криозем байджараха (БЛ-34), криозем глееватый склона (БЛ-35) и дерново-глеевая почва днища ложбины (БЛ-36).

Общее число почвенных разрезов на острове Большой Ляховский составило 25.

Кроме того, объектами для сравнительного исследования данных о факторах и поведении ТУВ в почвах острова Большой Ляховский послужили нефтезагрязненные почвы (10 разрезов), расположенные в Среднем Приобье, Малоземельской тундры.

возвышенности) в пределах участка «Талинский» были изучены битуминозные оглеевающиеся почвы по светлоземам на суглинках ( почвенных шурфов: Тал–1 – Тал–10). Отобрано 60 почвенных образцов по следующим глубинам: 0-10, 10-20, 20-30, 30-50, 50-75, 75-100 см. Изучаемая территория относится к бассейну р. Хугот и характеризуется лиственничнососновыми и лиственнично-елово-кедровыми лесами на светлоземах, формирующихся на ледниковых суглинках. Почвы приурочены к катене приблизительно 13-летней давности и площадью 20 000 м2 Уклон поверхности от 2–3 до 7–8°. Проективное покрытие увеличивается от 0% в зоне разлива до 20-40% в нижней части катены, где произрастает березовоосиновый вторичный лес. Мощность битумной корки составляет около 20 см.

Нижняя часть почвенных профилей верхней части катены оглеена; с 60 см фиксируется верховодка.

В юго-восточной части Малоземельской тундре (Ненецкая гряда) в пределах участка «Коровинский», характеризующий законсервированное в течение более 25 лет газоконденсатное месторождение (площадь 134 км2), изучены 3 техногенно-трансформированные почвенные катены (луговая, лугово-болотная и болотно-луговая). Они приурочены к участкам законсервированных скважин. В ландшафтном плане территория относится к южнотундровой подзоне c тундровыми глеевыми почвами и подбурами иллювиально-железистыми на ледниковых отложениях. Участок входит в состав Ненецкого природного заказника федерального значения.

Морфологически описано 15 почвенных разрезов и отобрано 79 почвенных проводилась из верхнего почвенного горизонта (0–10 см) с шагом 10 м.

К использованным в данной работе методам относятся факторногеографический, катенарный, почвенно-морфологический и комплекс химико-аналитических методов. Почвы диагностированы в соответствии с группировкой техногенно-преобразованных почв (Геннадиев, Солнцева и др., классификации (Касимов, Перельман, 1999). Фоновые и слабо нарушенные почвенные горизонты названы по новой классификации почв (Шишов, Тонконогов и др., 2004), сильно нарушенные горизонты почв – согласно предложениям Н.Н. Солнцевой (1998). Барьеры-концентраторы и барьерыэкраны в почвах выделялись по их типологии (Солнцева, 1998; Глазовская, 2012). Битумные корки в работе рассматриваются в качестве поверхностных техногенных образований (Герасимова, Строганова и др., 2003), но включаются в состав почвенного профиля из-за того, что характеризуются, по данным рентгеновской микротомографии, относительно высокой (более 50%) долей минеральной части.

3.2. Методика химико-аналитических работ и обоснование системы диагностических показателей поведения ТУВ в почвах Для изучения характера углеводородного загрязнения, особенностей миграции поллютантов в почвах, а также количественной оценки глубины трансформации УВ в научной литературе приводится ряд показателей, связанных с содержанием различных компонентов нефтепродуктов.

Для выявления степени биодеградации, нефти и нефтепродуктов используют отношение содержания изо-алканов (пристана и фитана) к нормальным алканам, в частности, (и-С19+и-С20)/(С17+С18). На основе многочисленных лабораторно-экспериментальных и полевых исследований доказано, что нефти и нефтепродукты, в наибольшей степени затронутые биодеградацией, характеризуются высокими значениями этого показателя в результате снижения доли наименее устойчивых к биологическому разложению н-алканов (Сидоров, Борзенков, 1998; Барышникова, Грищенков и др., 2001; Гильдеева, 2003; Жуков, Мурыгина и др., 2006;Лифшиц, Чалая и др., 2006;Другов, 2007; Лифшиц, Кершенгольц и др., 2008; Рогозина, 2010;

Баженова, Бурлин и др., 2012; Ибатуллина, Семенова и др., 2012).

и-алканами вызвано особенностями их химического строения: и-алканы имеют разветвленную структуру (рис. 13), т.е. боковые цепи радикалов, что не дает возможность микроорганизмом окислять углерод в этих частях молекул. Отношение (и-С19+и-С20)/(С17+С18) также применялось к почвам и было названо «коэффициентом биологической деградации» (Кузнецов, Иларионов и др., 2000). При этом следует отметить, что этот показатель применим только для почв, в которых нефть и нефтепродукты находятся в стационарной фазе инкубации, когда основные превращения УВ под воздействием физических факторов минимальны, и доля н-алканов (С17 и С18) преимущественно под влиянием микробиологического воздействия (Кузнецов, Иларионов и др., 2000). Однако, несмотря на эту важную оговорку авторов отношения (и-С19+и-С20)/(С17+С18), этот показатель использовался применительно к почвам даже при низком (1 год) инкубационном периоде нефтепродуктов (Глязнецова, Зуева и др., 2011), а в экспериментальных исследованиях с внесением торфяных мелиорантов время инкубации было еще меньше – всего 3,5 месяца (Бурмистрова, Алексеева и др., 2003).

Рис. 13. Пути образования фитана (1) и пристана (2) из фитола (Баженова, Бурлин и др., 2012) Позднее коэффициент биологической деградации ТУВ применялся к водонефтяной эмульсии. С целью ускорения ее очистки от ТУВ в нее добавляли весьма эффективный биопрепарат «Деворойл». Уже после суток его инкубационного периода в изучаемой эмульсии отношение (иС19+и-С20)/(С17+С18) возрастало на 1 порядок (Филатов, Сваровская и др., 2011).

В литературе существует также предположение, что и-С19 и и-С20 могут накапливаться в почвах за счет выноса других более подвижных компонентов нефти, например, н-алканов (Галинуров, Сафаров и др., 2011).

Однако до сих пор нет прямых доказательств того, что н-алканы мигрируют в пределах ландшафтов активнее, чем и-алканы, в том числе, такие как пристан и фитан. Кроме того, авторы работы (Галинуров, Сафаров и др., 2011) не рассматривают факт биодеградации н-алканов как возможную причину снижения концентрации этих соединений в верхних горизонтах почв.

В отобранных почвенных образцах автором методом капиллярной газожидкостной хроматографии были количественно определены следующие характеристики: содержание метаново-нафтеновых (С14-23) и нафтеновых (С24-34) УВ. Отдельно рассчитаны содержания индивидуальных н-алканов (от С14 до С34) и изопреноидных УВ – пристана и фитана (Бродский, Буткова и др., 2010; Osuji, Ogali et al., 2009; Другов, 2007).

Выделение нефтепродуктов из почв проводили согласно методическим экстрагировали хлороформом, полученные экстракты отгоняли и после (неуглеводородные компоненты – смолы, асфальтены, окисленные вещества и др., содержание гетероатомные элементы) на адсорбционной колонке с оксидом алюминия.

Количественный анализ полученных проб УВ проводили на газовом хроматографе Agilent 6890N с пламенно-ионизационным детектором, колонкой DB5-ms 30мх 0,25ммх 0,25мкм и системой обработки данных HPChem. Инжектор – испаритель, газ-носитель – гелий (1мл/мин) температурная программа термостата – 60 – 300о С.

Содержание индивидуальных УВ в пробах определяли методом количественную смесь н-алканов С10–С34. Содержание метаново-нафтеновых и нафтеновых УВ в экстрактах определяли по площади выделенной области на хроматограмме, ограниченной пиками нормальных алканов, с учетом подъема базовой линии при нагреве колонки (рис. 14). В качестве стандартов использовали неполярные фракции нефтепродуктов – дизельного топлива и моторного масла (Другов, 2007).

Диагностика типа углеводородных загрязнителей проводилась по хроматограммы (Бродский, Буткова и др., 2010). При загрязнении дизельным трансформаторным маслом – в области С23-34; в случае смешанного идентифицировался в обоих областях хроматограммы (рис.14).

почвах использовался показатель (и-С19+и-С20)/(С17+С18). Как указано выше, его увеличение в почвах относительно значений1000исходных нефтепродуктах свидетельствует о деструкции наименее устойчивых к биодеградации н-алканов20С17 и С18 (Кузнецов, Иларионов и др., 2000; Другов, 2007;

Глязнецова, Зуева и др., 2011;Б Ибатуллина, Семенова и др., 2012) и относительном накоплении более устойчивых изопреноидных УВ – пристана и фитана (и-С19 и и-С20) (Петров, 1984).

Геохимические особенности радиального и латерального распределения нефтепродуктов в почвах изучали на основе полученных данных о содержании гексановых битумоидов (ГБ), метаново-нафтеновоых (С14-23) и нафтеновых (С24-34) УВ, а также индивидуальных н-алканов. Концентрация этих компонентов определялась в Химико-аналитическом центре факультета почвоведения МГУ. Указанные вещества были выбраны, так как они биодеградации в почвах, что позволяет выявить, с одной стороны, специфику их радиального и латерального распределения с учетом различных природных факторов, с другой – изменения характера распределения УВ в зависимости от их свойств. Подвижность и подверженность к биодеградации изучаемых компонентов увеличивается в ряду: ГБ – нафтеновые УВ – метаново-нафтеновые УВ – н-алканы. Величина отношения углеводородных оснований (С14-23)/(С24-34) характеризует изменение относительного содержания более легких метаново-нафтеновых УВ по сравнению с более тяжелыми нафтеновыми УВ.

Определяемые диагностические показатели сгруппированы в единую систему и показаны на рис. 15.

Исследование миграции и трансформации ТУВ в почвах Радиальная и латеральная дифференциация составу битумоидов, н-алканов и изопреноидов Рис. 15. Система диагностических показателей поведения ТУВ в почвах углеводородных компонентов по профилю почв и почвенно-геохимическим сопряжениям использованы коэффициенты радиальной (R) и латеральной (L) дифференциации почв. Первый рассчитывался как отношение содержания определенного компонента в верхнем почвенном горизонте к нижнему, второй – отношение содержания компонента в почве подчиненного ландшафта к его концентрации в почве автономного ландшафта (Гаврилова, Касимов, 1989).

Содержание и тип ГБ определялись люминесцентно-битумологическим методом в лаборатории углеродистых веществ биосферы географического факультета МГУ. Были выделены следующие типы битумоидов: легкий, маслянистый, смолистый и смолисто-асфальтеновый (Ботнев, Ильин и др., 1979). Содержание органического углерода проводили на приборе Elementar методом сухого сжигания, гранулометрический состав образцов почв – на лазерном гранулометре. Доля минеральной части в битумных корках исследовалась методом рентгеновской микротомографии (табл. 10).

Статистическая обработка результатов проведена в соответствии с методиками расчетов (Дмитриев, 2008).

Определяемый химический Метод определения Количество почвенных метаново-нафтеновых и газожидкостная нафтеновых и нафтеновых индивидуальных налканов – фитана и пристана Глава 4. Общая характеристика техногенных изменений почв 4.1. Морфологические техногенные изменения почв В главе дается характеристика морфологических свойств фоновых почв и анализ их трансформации, обусловленной загрязнением нефтепродуктами.

Протяженность катены фоновых почв, состоящей из криозема байдараха (БЛ-34), криозема глееватого склона (БЛ-35) и дерново-глеевой почвы днища ложбины (БЛ-34), составляет около 100 м. Уклоны поверхности изменяются от 5–7° в верхней части склона до 4° в днище ложбины. Проективное покрытие осоково-пушициевой растительной ассоциации заметно увеличивается по катене от 50 до 90%. Общим морфологическим свойством фоновых почв служит среднесуглинистый гранулометрический состав, относительное содержание физической глины в почвах составляет около 30–35%. В латеральном направлении мощность почвенного профиля, связанная с глубиной залегания кровли многолетней мерзлоты, уменьшается почти в 2 раза: 73 – 48 – 40 см (рис. 19). В этом же ряду увеличивается влажность почв, что указывает на повышенную влагонасыщенность почв локальных понижений по сравнению с почвами повышениями, что может быть связано с более ранним (на 20 дней) оттаиванием последних (Геккель, 1967).

Криометаморфический горизонт криозема байджараха (БЛ-34) характеризуется среднепризматической структурой, криозема глееватого склона (БЛ-35) и дерново-глеевой почвы днища ложбины (БЛ-36) – свойством тиксотропности. Наибольшее количество криогенных трещин наблюдается в криоземе глееватом склона (БЛ-35) (на глубинах 10-14 см, размеры 2 на 30 см), существенно меньше – в криоземе байджараха (БЛ-34) (на глубинах 46-73 см, размеры 1 на 3 см). На глубинах 22(30)-48 см отмечаются крупные темные пятна (рис. 17), обусловленные, по-видимому, ретинизацией гумусовых веществ.

В сопряженном ряду почв по катене цвет почвенных горизонтов изменяется от темно-бурого и сизовато-бурого до буровато-сизого и сизого, увеличиваются влажность и степень проявления глеевого горизонта (рис. 16).

Рис.16. Профиль криозема байджараха среднесуглинистого водораздельной поверхности на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-34) ложбины (БЛ-36) составляет 20 см (рис. 18) Разрез криозема глееватого склона (БЛ-35) представлен на рисунке (рис. 17).

СRM1, 12-22(30) – бурый, среднесуглинистый, сыройвлажный, много корней диаметром до 1 мм, творожистый, Рис.17. Профиль криозема глееватого среднесуглинистого на склоне на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-35) Рис.18. Профиль дерново-глеевой среднесуглинистой почвы днища ложбины на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-36) Криозём среднесуглинистый на суглинках 100, см - - почвенный разрез. Цветом показаны почвенные генетические горизонты.

Рис. 19. Фоновая катена криоземов среднесуглинистых на суглинках полуострова Кигилях острова Большой Ляховский 4.1.2. Свойства техногенно-трансформированных почв В результате загрязнения почв полуострова Кигилях (остров Большой Ляховский) нефтепродуктами изменяются их морфологические свойства:

набор почвенных горизонтов, их цвет, влажность, количество корней и криогенных трещин и др.

В пределах участка «Бывшая база» битуминозные оглеевающиеся почвы (БЛ-1; БЛ-2, БЛ-27–БЛ-30) по криоземам глееватым на суглинках водораздельной поверхности характеризуются существенным усилением выраженности оглеения и тиксотропии, появлением битуминозной корки мощностью 1-5 см, пропиткой почвенного профиля нефтепродуктами до 50см, темно-сизым цветом, наличием маслянистых пятен (размерами от 2 на 4 см до 3 на 12 см) на гранях структурных отдельностей, значительным уменьшением количества криогенных трещин (на глубинах 24-60 см, 1- крупных трещины мощностью от 20 на 0,5 см до 30 на 2 см), повышенной влажностью (рис. 20).

ТГ5 60-70 – сизый, однородный, среднесуглинистый, уплотнённый – плотный, сырой, творожистый, тиксотропный, холодный, граница ровная по увеличению плотности, нет резкого Рис.20. Профиль битуминозной оглеевающейся почвы водораздельной поверхности на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-1) запаха нефтепродуктов. С 70 см – кровля многолетней мерзлоты.

Рис.21. Профиль битуминозной оглеевающейся почвы водораздельной поверхности на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-3) Сопряжение битуминозных оглеевающихся почв и криоземов (БЛ-27 – БЛ-32) имеет протяженность около 100 м (рис. 22). Изучаемые почвы склона крутизной 5 – 7° пропитаны нефтепродуктами до глубины около 60 см (рис.

24). Повышенная влажность связана с нарушением кислородного баланса почв, загрязненных нефтепродуктами (Середина и др., 2006).

Битуминозные оглеевющиеся почвы БЛ-27 БЛ-28 БЛ- Рис. 22. Катена битуминозных оглеевающихся почв и криоземов глееватых на суглинках полуострова Кигилях острова Большой Ляховский Рис.23. Профиль дерново-глеевой почвы расширенного днища ложбины на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-9) Рис.24. Профиль битуминозного криозема склона на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-31) Криоземы (БЛ-3, БЛ-5–БЛ-7) слагают почвенно-геохимическое сопряжение протяженностью около 200 м (рис. 25). Максимальной пропиткой нефтепродуктами отличается криозем (БЛ-3), находящийся в 1 м от источника углеводородного загрязнения. Склоновые почвы (БЛ-5–БЛ-7) характеризуются практическим отсутствием видимой пропитки нефтепродуктами, отсутствием корней травянистой растительности и криогенных трещин, повышенной влажностью и пониженной плотностью.

Криоземы выположенной поверхности (БЛ-5) и крутого склона (БЛ-6;

растительности (диаметр до 2 мм) и пропиткой почвенного профиля нефтепродуктами до глубины 7 см, менее мощным генетическим профилем (от 20 до 50 см), повышенной влажностью и щебнистостью (до 60%, диаметр от 1 мм до 4 см). Криогенные трещины выражены в большей степени в гипсометрическим положением и наличием в связи с этим большей массы рыхлого суглинистого материала, подвергающегося процессам промерзанияоттаивания (Геккель, 1967).

Битуминозная оглеевющаяся почва на суглинках Рис. 25. Катена криоземов глееватых и битуминозных оглеевающихся почв на суглинках полуострова Кигилях острова Большой Ляховский Дернины в точках БЛ-11, БЛ-13, БЛ-33 и БЛ-12, БЛ-14, БЛ- (суглинок) суженного днища ложбины на глубине 0-10 см отличаются повышенной влажностью и щебнистостью (до 80%) по сравнению с фоновыми дернинами дерново-глеевой почвы днища ложбины (БЛ-36).

На участке «Поселок геологов», располагающемся на абсолютных отметках 2-3 м. над ур. моря, битуминозные оглеевающиеся почвы (БЛ-24, БЛ-25) (рис. 26).

уплотнённый, тёмные пятна на гранях структурных отдельностях по криогенным трещинам, творожистый, среднесуглинистый, влажный, уплотнённый, среднее количество корней диаметром до 13-23 ТГ3 – маслянистое пятно, серо-сизый, среднесуглинистый, Рис.26. Профиль битуминозной оглеевающейся почвы морского берега на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-24) Рис.27. Профиль криозема морского берега на суглинистой почвообразующей породе (БЛ-21) Криоземы (БЛ-21; БЛ-23) выположенной поверхности, расположенные за пределами контура скопления бочек на расстоянии 1 и 10 м соответственно имеют менее мощный (40-50 см) почвенный генетический профиль, пониженную влажность и плотность (рис. 27). Отсутствие пропитки нефтепродуктами этих почвенных профилей указывает на очень слабое боковое передвижение поллютантов.

На участке «Гора Малакатын» (абс. высоты 100–170 м. над ур. моря) горные скелетно-щебнистые почвы вершины и подножья каменной россыпи характеризуются специфическими морфологическими свойствами. Почвы в пределах вершины (ТП-VI, ТП-VII) имеют высокую (до 90%) щебнистость и несмотря на значительное (590 шт.) количество бочек (рис. 28, А) не имеют признаков пропитки нефтепродуктами. Почвы подножья каменной россыпи, загрязненные трансформаторным маслом (ТП-VIII–ТП-X), отличаются от почв вершины мощными (от 1 до 10 см) битумными корками (рис. 28, Б).

Кроме того, в целом горные скелетно-щебнистые почвы отличаются маломощным (не более 10 см) генетическим профилем, бурым и буро-сизым цветом субстрата 1-10 см, характеризуются значительным уменьшением количества корней травянистой растительности (диаметр до 1 мм) и криогенных трещин, пониженной влажностью. Отсутствие пропитки почвенного профиля нефтепродуктами и пониженная влажность может свидетельствовать о более интенсивном удалении ТУВ из почв.

Рис.28. Скопления бочек на вершине (А) и подножье (Б) каменной россыпи (фото автора, 2013) Таким образом, спустя 20 лет после прекращения функционирования объектов инфраструктуры в наиболее загрязненных нефтепродуктами почвах полуострова Кигилях на участках «Бывшая база», «Гора Малакатын» и «Поселок геологов» проявляются следующие особенности трансформации морфологических свойств: 1) появление пропитки почвенных профилей нефтепродуктами на глубинах от 10 до 70 см, 2) значительное уменьшение количества корней травянистой растительности. В почвах на участках «Бывшая база» и «Поселок геологов» отмечается: 1) существенное усиление выраженности оглеения и тиксотропии; 2) появление битуминозной корки мощностью 1–10 см, 3) наличие маслянистых компонентов на гранях структурных отдельностей в криогенных трещинах на глубинах 20–50 см.

4.2. Уровень и характер углеводородного загрязнения почв Почвы рассматриваемых четырех ключевых участков различаются по природе, уровням концентрации и составу УВ в верхних горизонтах (рис. 29).

Существует заметная связь между концентрацией ТУВ в почвах и составом органических поллютантов, а также расстояния от источника загрязнения.

Обсуждается изменение содержания ТУВ в почвах при разной плотности загрязнителя (количестве бочек). В качестве «уровня углеводородного загрязнения» почв рассматривается суммарное содержание нафтеновых и метаново-нафтеновых УВ в почвах.

Самое низкое (40–100 мг/кг) содержание УВ отмечено в фоновых почвах (криоземы байджарахов, криоземы глееватые склона и дерновоглеевые почвы днища ложбины) и в горных скелетно-щебнистых почвах вершины и подножья каменной россыпи (ТП-VI, ТП-VII; участок «Гора Малакатын»).

На исследуемой территории уровень поверхностного углеводородного загрязнения почв изменяется в широких пределах (рис. 29). Согласно данным статистического анализа, в почвах участка «Бывшая база» максимальное содержание УВ составляет 47 987 мг/кг, минимальное – 124 мг/кг, среднее – 6608 мг/кг. Величина стандартного отклонения равна 17 357, вариабельность высокая 247%. Наиболее низкие (100–700 мг/кг) концентрации органических поллютантов характерны для криоземов морского берега (ТП-XI; участок «Поселок геологов»). Сходное содержание УВ (100–700 мг/кг) наблюдается на участке «Бывшая база» в криоземах склона (БЛ-7, БЛ-32, БЛ-33), байджарахов (ТП-IV) и в слаборазвитых почвах (БЛ-10, БЛ-11, БЛ-12, БЛ-14) ложбины. В криоземах верхней (БЛ-5) и нижней (БЛ-8) части склона в пределах этого участка отмечаются повышенные концентрации УВ – мг/кг. В дерново-глеевых почвах днища ложбины (БЛ-9, БЛ-13) содержание УВ составляет 1000-2150 мг/кг. Максимальные концентрации (24000- мг/кг) поллютантов характерны для битуминозных оглеевающихся почв водораздельной поверхности (БЛ-1) криоземов склона (БЛ-31), а также горных скелетено-щебнистых почв (ТП-VIII).

Метеостанция Условные обозначения:

ТМ – трансформаторное масло ДТ – дизельное топливо