Изменение состояния почв. Загрязнение почвенной среды нефтью и нефтепродуктами. Загрязнение окружающей среды

Введение

Почва подвержена воздействию загрязнителей, поступающих из атмосферы, с поверхностным стоком, из подпочвенных пород и подземных вод.
Современная урбоэкосистема является источником различных экологических проблем. Антропогенные потоки вещества, образующиеся в ходе производственно-бытовой деятельности городского населения, чрезвычайно многообразны и содержат высокие концентрации широкого круга химических элементов.
Целью настоящей работы было раскрыть особенности изменения свойств почвы, а так же определить последствия при ее загрязнении. Для этого был определен ряд задач:
- изучить роль почвенного покрова в биосфере;
- привести основные типы загрязнений почвенного покрова;
- определить основные направления борьбы с загрязнением литосферы.
Почвы крупных населенных пунктов испытывают интенсивную антропогенную нагрузку, которая часто приводит к их деградации и, соответственно, к нарушению нормального функционирования, что оказывает как прямое, так и косвенное негативное воздействие на живые организмы.
Выполнение почвой многочисленных незаменимых экологических функций – биогеоценотических, антропосферных, атмосферных, литосферных, общебиосферных, этносферных заставляет внести существенные изменения в отношение к почвенному покрову как объекту сельскохозяйственного труда и месту размещения различных сооружений и построек. Необходимым оказывается также и признание того, что почва одновременно является не менее важным биосферно-экологическим ресурсом. [1] Значимость почвенного покрова в функционировании биосферы обуславливает актуальность данной темы.
1. Роль почвенного покрова в биосфере
Почвенный покров представляет собой основной элемент в системе реализации биогеохимической функции биосферы. Педосфера обладает способностью к саморазвитию, саморегуляции, в результате чего обеспечиваются оптимальные условия для жизни представителей флоры и фауны, микроорганизмов. Также почвенный покров обеспечивает возможность к поспроизводству биомассы живого вещества.
В конечном итоге, почвенный покров формирует в биосфере определенную экологическую нишу. Значимость почвенного покрова обусловлена большим разнообразием представителей животного и растительного мира, для которых она является основным местом обитания. Также и в отношении существования человека можно отметить, что почва позволяет обеспечить его жизнеспособность.
Наиболее существенной функцией почвенного покрова является постоянное обеспечение благоприятных условий для существования и воспроизводства жизни на планете во всем разнообразии ее форм. Именно в этом аспекте значимость почвенного покрова следует сопоставлять с озоновым слоем стратосферы.
Современное состояние климата обеспечено именно газово-атмосферной функцией почвенного покрова. Так, обилие представителей флоры на поверхности почвенного покрова позволяет регулировать уровень углекислого газа в атмосферном воздухе, а следовательно, и сдерживать проявление «парникового эффекта». Необходимо отметить, что присутствие на поверхности почвенного покрова лесов и трав и торфяников позволили аккумулировать огромное количество углекислого газа из атмосферы, который присутствовал в прошлые геологические эпохи. Таким образом, отмечено снижение в воздухе углекислого газа и насыщение его кислородом.
Отличительной особенностью почвенного покрова является способность к самовосстановлению. Пусть даже скорость этого процесса невелика, образование почвенного покрова, значение данного процесса сложно переоценить. Данное свойство обуславливает возможность воспроизводства всего живого. Однако, при наличии хозяйственной деятельности, антропогенная нагрузка превосходит возможности самовосстановления, и в таких случаях, когда интенсивность хозяйственного использования земельных ресурсов высока, можно говорить о невозможности возобновления почвенного покрова.
Почвенный покров и растения производят ценнейшую и необходимую для человека биологическую продукцию, аккумулируют и распределяют космическую энергию, обеспечивают оптимальный баланс кислорода в атмосфере и являются экраном, удерживающим в биосфере важнейшие биофильные химические элементы от геохимического стока в Мировой океан. Почвенный покров играет роль универсального биологического поглотителя и нейтрализатора многих загрязнений, является важнейшим компонентом биосферы.
Почвы и почвенный покров Земли выполняют семь основных глобальных и экологических функций:
1. Поддержание жизни на Земле, которая определяется способностью к аккумулированию в доступных формах элементов питания, запасов воды, а так же к созданию оптимальных условий для укоренения растений, обитания микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных;
2. Обеспечение нерпрерывного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов веществ;
3. Регуляция физико-химического состава атмосферного воздуха и природных вод;
4. Регуляция интенсивности биосферных процессов, в частности плотности и продуктивности населяющих поверхность почвы организмов;
5. Накапливание на поверхности земли органического вещества - гумуса и связанной с ним энергии;
6. Защита литосферы от агрессивного воздействия внешних факторов, приводящих к разрушению горных пород;
7. Почва является незаменимым природным ресурсом, поскольку именно почва посредством живых организмов обеспечивает человека топливом, продовольствием, строительными материалами, сырьем для многих видов индустрии.
Почва может рассматриваться как экологический узел связи биосферы, в которым наиболее интенсивно протекают процессы взаимодействия живой и неживой материи. На почве замыкаются процессы обмена вещества между земной корой, гидросферой, атмосферой, обитающими на суше организмами. Иными словами, почва занимает ключевое положение в наземных экосистемах, и поэтому организация почвенного мониторинга, как неотъемлемой части общего мониторинга природной среды, является важной частью. [2]
Таким образом, почва является одним из структурных элементов биосферы и выполняет ряд экологических функций, обеспечивающих поддержание жизни на планете. Поэтому антропогенное воздействие следует контролировать и снижать, используя все доступные способы и методы.

2. Загрязнение почвенного покрова
В настоящее время проблема загрязнения почв носит глобальный характер, поскольку любой город или населенный пункт включает виды деятельности направленные на загрязнение или полное разрушение почвенного покрова. В целом, в период активной индустриализации, данной проблеме не уделялось должного внимания.
Основными факторами деградации почв являются:
- открытая добыча полезных ископаемых,
- водная и ветровая эрозия почв,
- орошение и осушение земель,
- вторичное засоление земель,
- применение пестицидов в земледелии,
- выпадение кислотных дождей, приводящее к подкислению почв.

2.1. Загрязнение нефтью и нефтепродуктами
На территории РФ эксплуатируется более 200 тыс. км магистральных и 350 тыс. км промысловых трубопроводов. Физический износ оборудования, отсутствие надлежащего контроля за его состоянием приводит к росту числа аварийных разливов нефти [3]. Именно аварийные разливы являются основным источником поступления нефтепродуктов в почву.
В таблице 1 приведена статистика прорывов нефтепроводов на территории РФ.
Таблица 1. Динамика порывов промысловых нефтепроводов, 2011-2018 гг. [18]
Годы 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Нефтяные компании 13617 13553 12482 11304 10925 9962 8993 8500
Прочие производители 789 552 501 405 484 542 479 450
Всего по РФ 14406 14105 12983 11709 11409 10504 9472 8950

Как видно из таблицы 1 за период 2011-2018 гг. наблюдалась устойчивая тенденция снижения числа порывов нефтепроводов на предприятиях топливно-энергетического комплекса.
В процессе оценки воздействия углеводородного загрязнения почвы на экологическое состояние ландшафтов важно учитывать, что содержащиеся в ней нефтепродукты оказывают прямое воздействие не только на структурно-агрегатный состав, физические и химические свойства, но и на биологические системы. Прежде всего, это выражено в изменении видового состава растительного покрова, снижении его биологической продуктивности и даже в полном исчезновении некоторых из них. результаты эксперимента на модельных площадках отражают высокую опасность для экологического состояния сопряженных сред «почва – растительный покров» при загрязнении нефтепродуктами, что приводит к нарушению их гомеостаза. Загрязнение почвы нефтепродуктами привело к исчезновению 30 % видов растений из общей популяции растительного покрова. [4]
Проведенный модельный эксперимент доказал, что показатели биологической активности, а, следовательно, и скорость самоочищения нефтезагрязнённых почв, количество остаточных нефтепродуктов в экосистеме зависят от свойств исходной почвы, от особенностей загрязнителя (плотность, кинетическая вязкость, температура застывания) и доз внесения загрязнителя. При загрязнении почв нефтью и нефтепродуктами нарушение информационных биогеоценотических функций происходит уже при содержании их в почве до 1 %, химических, физико-химических, биохимических и целостных биогеоценотических функций – 1-5 % для нефти и моторного масла и 1-10 % для бензина и солярки, физических функций – более 5 и 10 % соответственно

. Приведенные количественные параметры в наибольшей степени соответствуют почвам степного ряда с равномерным распределением илистых фракций. Однако они варьируют в зависимости от генетических свойств дифференцированных почв и наличия плотного иллювиального горизонта, определяющего защитную способность почвы. [5]
Некоторые авторы доказали, что через 20 лет после загрязнения концентрация токсичных нефтепродуктов снижается. На территории исследования наблюдается устойчивый растительный покров. Вероятно, основную массу нефтепродуктов в данный момент составляют малотоксичные углеводороды и смолисто-асфальтеновые компоненты, не токсичные для заселения большинством видов растений. [6]
Результаты лабораторных исследований биологической активности почв (БАП) представлены на рис. 1.

Рис. 1. Биологическая активность (БАП) контрольной почвы [6]
Интерес вызывает очень низкая активность верхнего горизонта. Это можно объяснить большим количеством нефти в данном поверхностном слое, который как фильтр принял на себя первый «экологический удар». [6]

2.2 Загрязнение пестицидами
В зависимости от характера использования пестициды разделяются на следующие группы:
- Инсектициды-для борьбы с вредными насекомыми;
- Гербициды-для борьбы с сорными растениями;
- Фунгициды- для борьбы с грибными болезнями растений;
- Зооциды- для борьбы с грызунами и т.д.
Практически все виды пестицидов вызывают патологии в сердечнососудистой системе. [7]
Наибольшую долю всех пестицидов, поставленных в различные регионы Российской Федерации составила 2.4-дихлорфеноксиуксусная кислота или ее соли (2.4-Д) в виде различных препаратов – более 100 т действующего вещества в отдельных регионах страны. На втором месте по применению в хозяйствах РФ – глифосат и его аналоги (3-й класс опасности).
При использовании пестицидов образуются следующие газообразные соединения:
- при использовании хлорорганических пестицидов (ХОП) – образуется хлористый водород и фосген;
- при использовании производных карбаминовых кислот – изотиоцианаты,
- при использовании фософорсодержащих пестицидов – фосфин и др.
Так же следует отметить, что газообразные продукты распада хлорорганических пестицидов поступают в атмосферный воздух.
С середины 20 века запрещено использование хлорорганических пестицидов. Однако, несмотря на данный запрет и давность срока его введения остаточные количества ГХЦГ, ДДТ и прочих ХОП в настоящее время зачастую проявляются в почвенном покрове сельхозугодий.
В таблице 2 приведены статистические данные по количеству внесенных пестицидов на территории РФ.

Таблица 2. Внесение пестицидов в открытом грунте на территории Российской Федерации в 2018 г. [18]
Федеральные округа Количество внесенных пестицидов, кг/га Обработано пестицидами, тыс. га

Инсектициды Фунгициды Гербициды
Центральный 0,31 1,32 0,94 27371,49
Северо-Западный 0,64 2,41 1,58 1210,02
Южный 0,66 1,36 0,74 22816,12
Северо-Кавказский
0,80 1,56 1,12 10633,96
Приволжский 0,27 1,03 0,80 16139,71
Уральский 0,33 0,67 0,80 4229,01
Сибирский 0,22 0,45 0,86 12288,66
Дальневосточный 0,65 1,93 1,56 2521,88

Остаточные количества пестицидов в почвах сельскохозяйственных угодий и естественных экосистем (рекреационные зоны) обнаружены на территории 11 из 40 обследованных субъектов Российской Федерации. И хотя в целом доля загрязненных почв за последние 15 лет устойчиво снижается, локально отмечено содержание некоторых форм пестицидов выше предельно допустимых концентраций (ПДК). В частности по содержанию суммарного гексахлорциклогексана (ГХЦГ) (1-й класс опасности) в пахотных почвах Новосибирской области отмечено превышение ПДК в семь раз.


Рис. 2– Динамика биологической активности почвы: контроль – почва без пестицидов;
опыт – почва с внесением лонтрела и шарпея [8]

Проведенные исследования показали, что широко используемые в настоящее время пестициды лонтрел и шарпей обладают значительной биоцидностью, что выражается в длительном угнетении биологической активности почвы после их внесения. В связи с тем, что в составе их молекулы имеются ионы хлора, распад этих пестицидов приводит к выделению в воздух хлорсодержащего газа фосгена [8]
Исследования некоторых авторов показывают, что использование пестицидов при выращивании сосны приводит к тератогенезу, который выражается в формировании двух фенотипов сосны: аномальные и условно нормальные. Пестициды, поступая в через корневую систему в растение проявляет мутагенную, канцерогенную и тератогенную активность.
Данная особенность сосны используется в качестве критерия присутствия загрязняющих веществ в почвенном покрове при реализации метода биоиндикации. [9]

2.3 Загрязнение диоксинами
В большую группу диоксинов и диоксиноподобных соединений входят как сами трициклические ароматические соединения: полихлорированные дибензо-p-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ), так и полихлорированные бифенилы (ПХБ), поливинилхлорид (ПВХ) и ряд других веществ, содержащих в своей молекуле атомы хлора. Отличительной чертой представителей этих соединений является чрезвычайно высокая устойчивость к химическому и биологическому разложению; они способны сохраняться в окружающей среде, концентрироваться в биомассе и переноситься по пищевым цепям. [10]
Таблица 3. Статистика загрязнение диоксинами в мире [19]
Страна Результаты национальных исследований, 1994 г Результаты пересчета в 1998-1999 г.
Австрия 29 121
Бельгия 727 454
Швейцария 182 183
Германия 600 840
Дания 43 50
Испания 134 327
Франция 621 1122
Люксембург 29 50
Норвегия 45 41
Голландия 89 117
Швеция 36 89
Финляндия 25 69
Великобритания 715 928
Всего 3273 5728

Результаты мониторинга окружающей среды, проводимые в Евросоюзе, США и Канаде, показывают тенденцию снижения загрязнения диоксинами. [19]
Главными источниками появления диоксинов в окружающей среде являются окисление и сжигание органических веществ, химическая, металлургическая, а также целлюлозно-бумажная промышленность. [11]

2.4 Загрязнение тяжелыми металлами
Почвенный покров является одним из важнейших аккумуляторов ионов тяжелых металлов. Следствием антропогенной деятельности является поступление большого количества тяжелых металлов. В конечном итоге, оказывается негативное влияние на ее биологические свойства и снижается уровень плодородия. Отличительной особенностью тяжелых металлов является их способность к быстрому включению в биоэкологические циклы миграции. Таким образом, тяжелые металлы становятся постоянными компонентами химического состава почвы.
Таблица 4. Статистика загрязнение тяжелыми металлами в России
Годы Количество проб почв в селитебной зоне с превышением гигиенических нормативов

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
РФ 2963 2713 2039 1583 1681 1359 1310

Статистика загрязнение тяжелыми металлами в России показывает снижение количества неблагоприятных проб более чем на 50%.
Исследованные почвы вблизи ТЭЦ, СХК и автотрассы характеризуются разным содержанием тяжелых металлов и радионуклидов, что обусловлено не только неодинаковым составом выбросов и удаленностью от источников загрязнения, но и различиями в свойствах почв. В распределении тяжелых металлов по профилям почв отмечается четкая закономерность – максимальные величины их содержания приурочены к гумусовым и иллювиальным горизонтам. [12]
Тяжелые металлы, являются индикаторами техногенного загрязнения городской почвы, в связи с чем, изучение особенностей их накопления и распределения является приоритетным направлением современных исследований почвенного покрова урбоэкосистем

Таблица 5. Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов
Степень транспортной нагрузки Содержание валовых и подвижных форм металлов

Zn Cu Pb
Cd

В П В П В П В П
I 116.5 24.2 43.6 3.4 33.0 7.8 0.4 0.3
II 113.0 6.3 20.2 0.3 24.1 3.4 0.4 0.2
III 88.1 11.4 19.9 0.5 15.0 3.5 0.3 0.2
IV 104.3 23.2 17.5 2.6 16.8 5.8 0.4 0.2

Максимальные значения средних концентраций, наблюдаются на участке с I степенью транспортной нагрузки, что в целом подтверждает значимость роли автотранспорта как основного источника загрязнения городских почв. [13]
Большую буферную способность к загрязнению нефтью проявили черноземы обыкновенные, темно-каштановая и каштановая почвы, меньшую – светло-каштановая и бурая полупустынная, и наименьшую – песчаная. Такая последовательность определяется эколого-генетическими свойствами исследованных почв. Чем лучше оструктуренность почвы, а, следовательно, и окислительные условия, а также чем выше биологическая активность почвы, тем выше ее устойчивость к загрязнению нефтью. [14]
Таким образом, привнесение загрязняющих веществ в почву сопряжено с промышленным производством, использованием объектов транспортной и энергетической инфраструктуры, а также с сельским хозяйством. Практически любой вид производственной или хозяйственной деятельности оказывает негативное воздействие на почвенный покров путем привнесения различных загрязняющих веществ.

3. Методы борьбы с загрязнением
В связи с ростом и развитием науки и техники, а также с возросшей актуальностью экологических проблем разрабатываются различные методы и средства борьбы с загрязнением почвенного покрова.

3.1. Методы борьбы с загрязнением почв тяжелыми металлами
Способы борьбы с загрязнением почвенного покрова тяжелыми металлами могут быть химическими, физическим, и биологическими