Техногенные пустыни Противоэрозионная устойчивость почвы

В данной работе показано решение проблемы противоэрозионной устойчивости почвы, загрязняемой газовым конденсатом, путем проведения опыта по рекультивации (восстановлению плодородия) почвы, то есть регенерации на ней растительности, препятствующей процессу эрозии. В качестве объекта исследования был взят участок на территории дожимной компрессорной станции (Ставропольский край), обеспечивающей расчетное давление магистрального газопровода по мере снижения пластового давления. Здесь отмечалось хроническое загрязнение черноземной тяжелосуглинистой почвы в результате поступления газового конденсата из продувочной свечи (вертикальной трубы с оголовком), что выразилось в полном отсутствии растительности на определенной площади вокруг свечи. Как известно, газовый конденсат состоит в основном из высоко кипящих фракций углеводородов (от 30-80 до 200-300°С), то есть бензиновых и керосиновых компонентов, и поэтому загрязнение окружающей среды в данном случае выразилось в постоянном ощущении их специфического запаха в атмосферном воздухе.

В опыте для рекультивации почвы использовали биокомпост «Пикса» (марки «Премиум»), получаемый путем ускоренной ферментации торфа с навозом (4:1) и обогащения микроорганизмами (10⁶ клеток/г) и питательными веществами [Семенцов, 2006]. Торф, используемый для приготовления данного биокомпоста, характеризовался объемной массой (при влажности 60%) - 570 кг/м³, степенью разложения 20%, зольностью 25% и рН 5,5. Сорбционная емкость торфа по отношению к углеводородам составляла 8-10 г на 1 г абсолютно сухого вещества торфа.

В отдельные делянки с размерами 0,5х0,5 м, после разрыхления почвы, вносили с заделкой в поверхностный ее слой (0-6 см) биокомпост в дозах 4 и 8 кг/м². Для создания густого травостоя и плотной дернины, защищающей почву от эрозии, производили посев смеси многолетних трав (15-30 г семян на 1 м²) из числа корневищных и корнеотпрысковых растений, то есть мятлика лугового (Poa pratensis), овсяницы красной (Festuca rubra), полевицы белой (Agrostis alba) и др. Продолжительность жизни этих видов растений в травостое достигает 10 и более лет. Контрольный вариант представлял собой делянку без внесения биокомпоста. На 42 сут оценивали продуктивность многолетних трав посредством измерения сырой биомассы целых растений в различных вариантах опыта, а также проводили контроль активности ферментов каталазы и дегидрогеназы в почве методами, защищенными двумя патентами Российской Федерации [№ 2387995, № 2387996].

Для количественного газометрического определения активности каталазы использовали пероксид водорода, который разлагается под действием данного фермента на кислород и воду [Хазиев, 1976]:

2H₂O₂ → O₂ + 2H₂O.

При этом измеряется скорость разложения пероксида водорода при его взаимодействии с почвой или со смесью почвы с биокомпостом по объему выделяющегося кислорода. Активность каталазы выражали в мл О₂/(мин·г).

Для количественного спектрофотометрического определения активности дегидрогеназы использовали 2,3,5-трифенилтетразолийхлорид (C₁₉H₁₅N₄Cl, бесцветное вещество), который, акцептируя мобилизованный дегидрогеназой водород, превращается в почве или смеси почвы с биокомпостом в 2,3,5-трифенилформазан (C₁₉H₁₆N₄, вещество красного цвета), который кратно экстрагировали этиловым спиртом:

C₁₉H₁₅N₄Cl + H₂ ® C₁₉H₁₆N₄ + HCl.

Другим продуктом реакции является хлористый водород. Интенсивность окрашивания объединенных спиртовых вытяжек из почвы и смеси почвы с биокомпостом измеряли раздельно спектрофотометром при длине волны 490 нм. Активность дегидрогеназы выражали в мкг 2,3,5-трифенилформазана/(г×сут).

Анализ содержания углеводородов газового конденсата в поверхностном слое почвы, проведенный методом инфракрасной спектрометрии, при экстракции веществ четыреххлористым углеродом, показал неравномерный характер хронического загрязнения участка вокруг продувочной свечи. На разных делянках количество углеводородов в почве колебалось в пределах 1,8-5,4 г/кг в течение продолжительного периода времени (3,5 мес.). Интересно отметить, что эти количества оказались одного порядка с содержанием углеводородов, отмечаемым в почвах вокруг ряда автозаправочных станций (1,9-8,2 г/кг), что, в первом и во втором случае, определяется состоянием динамического равновесия процессов испарения и сорбции веществ, зависящим от гидротермических условий [Семенцов и др., 2006]. В целом это свидетельствует об идентичности техногенной нагрузки на окружающую среду двух совершенно различных источников высоко кипящих фракций углеводородов.

Результаты посева и выращивания многолетних трав показали, что растения на порядок были более продуктивными на делянках с внесением биокомпоста в дозах 4 и 8 кг/м² по сравнению с делянкой без его внесения (табл. 1). Так, вес сырой биомассы многолетних трав был выше по сравнению с контролем в среднем в 8,6 и 16,9 раза.

При внесении в почву биокомпоста в дозах 4 и 8 кг/м² активность каталазы и дегидрогеназы повышалась соответственно в среднем в 1,9 и 2,4 и 5,8 и 8,9 раза по сравнению с вариантом без внесения биокомпоста. Повышение активности каталазы и дегидрогеназы при внесении биокомпоста свидетельствует об эффективности рекультивации почвы, в которой непосредственное участие принимают исследуемые ферменты. Так, если каталаза разрушает токсичный для микроорганизмов и корневой системы растений пероксид водорода, образуемый в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ (углеводов, спиртов, кислот и др.) в почве, то дегидрогеназа катализирует отщепление водорода от молекул этих веществ.

Доказательством адекватности использования активности каталазы и дегидрогеназы почвы для оценки эффективности регенерации растительности, в виде многолетних трав, на загрязняемой газовым конденсатом почве послужили результаты корреляционного и регрессионного анализа данных опыта. Так, расчет коэффициента корреляции (r), указывающего на направление и степень сопряженности в изменчивости признаков, показал наличие сильной корреляционной зависимости между биомассой растений и активностью каталазы (r = 0,78), биомассой растений и активностью дегидрогеназы (r = 0,85). Соответствующие формулы корреляционной зависимости, то есть уравнения линейной регрессии, позволяющие судить о том, как количественно меняется результативный признак (y) при изменении факториального (x) на единицу измерения, имели следующий вид:

y = 0,002x + 1,528;

y = 0,41x + 76,76.

Как оказалось, чем больше была биомасса растений на участке, как следствие внесения биокомпоста, тем больше оказались величины активности каталазы и дегидрогеназы, определяемые функционированием микроорганизмов внесенного биокомпоста и корневой системы произрастающих растений, как продуцентами данных ферментов.

Таким образом, проблема противоэрозионной устойчивости почвы, загрязняемой газовым конденсатом, решается путем ее рекультивации, что заключается во внесении биокомпоста, в посеве и выращивании многолетних трав и контроле активности ферментов. Однако в условиях хронического загрязнения почвы газовым конденсатом необходимо будет проводить постоянное наблюдение за состоянием травостоя, при изреживании которого необходимо возобновлять рекультивацию. В целом, такой подход позволяет активно противодействовать процессу эрозии почвы, и, следовательно, избежать явной угрозы стабильности инженерно-технических сооружений газовой промышленности, расположенных на территориях, подверженных эрозии почвы.

Таблица 1. Продуктивность многолетних трав и активность ферментов при внесении биокомпоста в почву, загрязняемую газовым конденсатом