Остров Белый (Карское море): рекультивация почв

Остров Белый (73^○15' с. ш., 70^○50' в. д.) находится в Карском море севернее полуострова Ямал и входит в состав Ямало-Ненецкого автономного округа [1]. Площадь острова составляет 1900 км², а его поверхность по рельефу равнинная и покрыта тундровой растительностью. С 1933 г. на острове существует полярная метеостанция им. М.В. Попова. К этому острову сейчас привлечено внимание общественности, поскольку он выбран для начала осуществления программы по очистке Арктики от мусора и отходов, накопившихся в процессе функционирования полярной инфраструктуры [2, 3].

Обследование части территории острова, проведенное нами в 2015 г. показало, что здесь имеются участки как с механически нарушенными почвами, то есть лишенными растительного покрова и верхнего органогенного слоя, так и с загрязненными почвами, например, вследствие складирования на них топлива в виде каменного угля. В результате возникла геоэкологическая проблема, требующая оперативного разрешения, чтобы избежать полной деградации почвенного покрова, а, следовательно, сохранить аборигенную флору и фауну заполярного острова.

Между тем почва обладает самовосстановлением, происходящим путем постепенного ее заселения растениями, поступления растительного опада, развития дернового процесса и накопления гумуса [4]. Однако в условиях сурового климата Крайнего Севера самовосстановление почвы потребует продолжительного времени, измеряемого десятками лет. В этой связи представляется вполне рациональным ускорить восстановление почвенного покрова острова Белый приемлемой технологией рекультивации, так как механическое нарушение и загрязнение почв относится к числу существенных факторов подрывающих нормальные биогеохимические циклы веществ в природе. Приемлемость технологии рекультивации может оцениваться с помощью ключевых биохимических показателей, отражающих восстановление плодородия почв.

Целью данной работы явилась разработка в условиях in vitro эксперимента технологии рекультивации механически нарушенных и загрязненных почв острова Белый, посредством использования местного торфа в смеси с конкретной почвой с учетом полной влагоемкости последней. Здесь под полной влагоемкостью понимается то наибольшее количество влаги, которое содержится в почве при полном насыщении всех ее пор. Такой методологический подход позволяет получить необходимую информацию для осуществления в перспективе широкомасштабной in situ рекультивации почв путем применения местного торфа и получаемого из него стимулятора роста растений – гумата калия (калийной соли гуминовой кислоты). При этом оценка эффективности рекультивации почв производится посредством анализа активности фермента дегидрогеназы.

Концепция технологии рекультивации почв острова Белый

Суть концепции технологии рекультивации механически нарушенных и загрязненных почв острова Белый состоит в формировании представления о влиянии полной влагоемкости почвы и местного торфа и получаемого из него препарата гумата калия на данный процесс.

Как известно, почва при полном насыщении влагой всех ее пор превращается в двухфазную систему, состоящую из твердой и жидкой фазы, если не считать ничтожного по объему сорбированного или зажатого количества воздуха, оставшегося в почве [5]. Использование такого критерия рекультивации как полной влагоемкости не случайно, так как для почв Крайнего Севера характерно явление так называемого гидроморфизма, то есть временного или постоянного переувлажнения, охватывающего сезоннооттаивающий слой, когда количество влаги превышает 70-80% полной влагоемкости.

Что касается применения торфа, то эта органогенная порода состоит не только из не полностью разложившихся остатков растений, но и продукта их разложения в виде гумуса, включающего, в частности, гуминовые кислоты, характеризующиеся высоким содержанием углерода, и все необходимые для растений питательные элементы. Из таких трех элементов питания, как азота, фосфора и калия, в торфе больше всего содержится азота (до 3,5%). Кроме того торф обладает определенным пулом различных физиологических групп микроорганизмов (аммонификаторы-аэробы, споровые бактерии, олигонитрофилы, грибы, нитрификаторы, денитрификаторы, маслянокислые бактерии), участвующих в разложении органического вещества торфа, что делает доступным для растений элементы питания [6]. Именно в этой связи внесение торфа как биоорганического удобрения в механически нарушенные или загрязненные почвы будет способствовать восстановлению биогеохимического цикла веществ на уровне микробных популяций, функционирование которых диагностируется через биохимическую активность [7, 8]. Значение микробных популяций состоит не только в количестве поставляемой биомассы (за один год достигает 20-50 т/га), что сближается с наземной биомассой растений, а главным образом в той работе, которую они производят по минерализации органических остатков в почве. Отмирая, микроорганизмы высвобождают различные элементы, которые вступают в новые циклы круговорота. Примечательно также, что темный цвет торфа способствует поглощению тепла и быстрому прогреву почвы, что особенно важно при ее рекультивации в условиях Крайнего Севера.

Что касается гумата калия, то это вещество положительно влияет на рост и развитие растений, активизируя обменные процессы и обладая мембранотропным клеточным воздействием, а также повышает устойчивость растений к такому неблагоприятному фактору внешней среды, как низкой температуре. Калий, входящий в состав данного вещества способствует нормальному течению фотосинтеза, образованию и накоплению в растениях витаминов и активирует работу многих ферментов.

Оценка эффективности использования торфа для рекультивации почвы осуществляется посредством анализа активности фермента дегидрогеназы. Этот фермент катализирует реакции дегидрирования (отщепления водорода) органических веществ (углеводов, спиртов и органических кислот), поступающих с растительными остатками в почву и на практике успешно используется в качестве ключевого биохимического показателя процесса восстановления плодородия почвы.

Адекватность использования активности дегидрогеназы при оценке эффективности рекультивации механически нарушенных и загрязненных почв с различной полной влагоемкостью посредством внесения торфа была ранее нами доказана путем проведения корреляционного и регрессионного анализа данных опыта по активности фермента и полной влагоемкости тундровых почв Тазовского полуострова (68^○09' с. ш., 76^○02' в. д.; Ямало-Ненецкий автономный округ) [4]. Так, расчет коэффициента корреляции, указывающего на направление и степень сопряженности в изменчивости признаков, показал наличие сильной существенной корреляционной зависимости между активностью дегидрогеназы и полной влагоемкостью (r = 0,95) почв. Соответствующая формула корреляционной зависимости, то есть уравнение линейной регрессии, позволяющее судить о том, как количественно меняется результативный признак (y) при изменении факториального (x) на единицу измерения, имело следующий вид:

y = 7,71 + 0,15x.

Как оказалось, чем больше была полная влагоемкость почв, тем выше оказалась активность их дегидрогеназы. Ведущее значение влажности для активности дегидрогеназы почвы связано с тем, что влага определяет нормальное физиологическое состояние микроорганизмов и растений, как продуцентов ферментов в почве, а также поддерживает в реакционном состоянии ферменты и их субстраты (углеводы, спирты и органические кислоты).

Итак, с повышением полной влагоемкости механически нарушенных и загрязненных почв и внесением в них торфа и получаемого из него гумата калия должна возрастать активность дегидрогеназы как таковая, что позволяет вполне обоснованно использовать этот показатель для оценки эффективности рекультивации почв.

Технология рекультивации почв острова Белый

1. Фаза подготовки к рекультивации почв

На территории острова Белый было отобрано 5 образцов механически нарушенных и загрязненных почв (табл. 1). Из них 4 образца по гранулометрическому составу представляли собой супесь и 1 образец – связный песок, отобранный из загрязненного участка, где ранее складировался каменный уголь. Здесь под супесью понимается содержание в ней физической глины (частиц <0,01 мм) в количестве 10-20%, а под связным песком - содержание в нем физической глины в количестве 5-10%.

Таблица 1 Физико-химические свойства образцов механически нарушенных и загрязненных почв из острова Белый

Почвы различались и по другим показателям: по полной влагоемкости (ПВ), актуальной кислотности (pH_вод) и потенциальной кислотности (pH_сол). Здесь под актуальной кислотностью понимается кислотность почвенного раствора, создаваемая углекислотой (H₂CO₃), водорастворимыми органическими кислотами и гидролитически кислыми солями, и которая оказывает непосредственное влияние на развитие почвенных микроорганизмов и растений. Под потенциальной кислотностью, то есть кислотностью твердой фазы почвы, подразумевается кислотность, обусловленная наличием ионов водорода (H⁺) и ионов алюминия (Al³⁺) в поглощенном состоянии.

Между тем следует отметить тесную связь влагоемкости почвы с гранулометрическим составом исследуемых почв. Так, легкие почвы, то есть связнопесчаного и супесчаного гранулометрического состава, отличаются низкими значениями влагоемкости, содержания гумуса, элементов питания растений и поглотительной способности, а внесение торфа, как рекультивирующего средства, может существенно повысить эти показатели.

В нашем случае речь идет об использовании для рекультивации почв местного торфа, то есть из Ямало-Ненецкого автономного округа. Это не случайно, потому что местный торф имеет зональные признаки, которые удалось нам доказать путем анализа содержания атомов алифатического, ароматического, полисахаридного и карбоксильного углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа методом ядерно-магнитно-резонансной ¹³С-спектроскопии [9]. Так, были установлены статистически значимые различия в содержании некоторых видов углерода в гуминовых кислотах гумуса торфа из Ямало-Ненецкого автономного округа и смежного Ханты-Мансийского автономного округа (62^○0' с. ш., 72^○0' в. д.), табл. 2. Эти различия отмечаются, прежде всего, в преобладающем содержании алифатического углерода относительно ароматического углерода в торфе из Ямало-Ненецкого автономного округа, как наиболее значимом показателе структуры углеродного скелета гуминовых кислот, что позволило представить полученный результат в качестве первого зонального признака.

Таблица 2 Сравнительная оценка содержания различных видов углерода (%) в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа из Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и ХантыМансийского автономного округа (ХМАО)

Установленное соотношение двух видов углерода свидетельствует о нарушенном гидрофильно-гидрофобном балансе, так как алифатические фрагменты гуминовых кислот являются носителями гидрофильных свойств в отличие от гидрофобных ароматических фрагментов. В то время как практически одинаковый уровень содержания алифатического и ароматического углерода в торфе из Ханты-Мансийского автономного округа доказывает существование в нем гидрофильно-гидрофобного баланса [10]. Существенные различия отмечаются в относительно большем содержании полисахаридного углерода в торфе из Ямало-Ненецкого автономного округа, чем в торфе из Ханты-Мансийского автономного округа, что указывает на значимую роль полисахаридов в формировании гуминовых кислот в местном торфе, что позволило представить полученный результат в качестве второго зонального признака.

В целом, выявленные зональные признаки гуминовых кислот гумуса торфа из Ямало-Ненецкого автономного округа подтверждают его «совместимость» с почвенно-растительным покровом и служат веским основанием для использования местного торфа как биоорганического удобрения для рекультивации механически нарушенных и загрязненных почв острова Белый. Так называемая «совместимость» местного торфа с почвенно-растительным покровом Ямало-Ненецкого автономного округа обусловлена, в частности, повсеместным распространением на ненарушенных минеральных и на органогенных (торфяных) почвах данного региона такого многолетнего растения, как сфагнового мха (Sphagnum). Это растение, накапливая поступающие с осадками минеральные вещества и разлагаясь по завершении жизненного цикла, отдает их подстилающей почве вместе со своей биомассой и является важным источником образования местного торфа.

Кроме того, нами оценивалась возможность получения препарата гумата калия, как стимулятора роста растений, из местного торфа, вносимого совместно с торфом при осуществлении рекультивации почв. Между тем гарантией получения химически чистого и стабильного препарата гумата калия является извлечение гуминовых кислот из торфа и их очистка, по всем правилам получения химически чистых веществ, когда практически не затрагиваются молекулярные структуры этих кислот [11]. Именно, исходя из этого принципа, была разработана нами описанная ниже методика получения гумата калия из местного торфа.

Данная методика получения гумата калия из торфа включает следующие этапы:

1. декальцинирование торфа 0,1 н раствором серной кислоты (H₂SO₄) при соотношении 1:20; затем полученную суспензию оставляют на 1 сутки, и после ее отстаивания раствор от твердой фазы отделяют декантацией, то есть путем сливания раствора с осадка;

2. проведение 4-5 кратной экстракции (продолжительностью до 20 часов) гуминовых кислот из полученного осадка 0,1 н раствором гидроксида натрия (NaOH) при соотношении 1:15; затем твердую фазу от щелочного раствора отделяют центрифугированием;

3. осаждение (в течение 1 суток) гуминовых кислот из полученного щелочного раствора 10% раствором соляной кислоты (HCl) при соотношении 50:1 с последующим отделением осадка центрифугированием;

4. очищение полученного осадка гуминовых кислот путем растворения в 0,5-1,0 л 0,1 н раствора гидрооксида натрия (NaOH), а также добавления сульфата натрия (Na₂SO₄) для коагуляции минеральных частиц и последующего центрифугирования щелочного раствора; затем гуминовые кислоты осаждают прибавлением 0,1 н раствора соляной кислоты (HCl) до установления рН 1-2; полученный осадок гуминовых кислот многократно промывают дистиллированной водой до установления рН 6 и высушивают в термостате при 50^оС;

5. приготовление из полученного порошка гуминовых кислот маточного 2,5% раствора гумата калия, посредством добавления в соответствующую навеску 0,1 н раствора гидрооксида калия (KOH) и дистиллированной воды с последующим доведением рН искомого раствора до значения, равного 7 единицам; затем из маточного раствора готовят 0,125% водный раствор гумата калия для целей рекультивации нарушенных и загрязненных почв.

2. Фаза рекультивации почв

Для непосредственного проведения рекультивации механически нарушенных и загрязненных почв необходимое соотношение торф:почва выбирали по показателю полной влагоемкости из табл. 3. В данном случае, это соотношение для почвы № 1 составило 1:6, для остальных почв – 1:4. В данной таблице в качестве стартового расчетного соотношения было использовано соотношение торф:песок (1:4), рекомендованное в работе [12] для рекультивации почв, где рыхлый песок из местного песчаного карьера, характеризовался низким уровнем полной влагоемкости.

Таблица 3 Соотношение торф:почва в зависимости от полной влагоемкости (ПВ) нарушенных или загрязненных почв

Далее для подтверждения эффективности использования смеси местного торфа с конкретной почвой проводили сравнительный анализ активности дегидрогеназы данной смеси с активностью фермента механически нарушенных и загрязненных почв в контролируемых гидротермических условиях спектрофотометрическим способом, защищенным патентом Российской Федерации [13]. В результате проведения 30 суточного эксперимента было установлено, что внесение торфа стимулирует активность дегидрогеназы в 1,3-3,0 раза в зависимости от почвы, что позволяет говорить о реальной возможности использования торфа, как рекультивирующего средства (табл. 4).

Таблица 4 Активность фермента дегидрогеназы (мкг 2,3,5-трифенилформазана/(г • сут)) образцов механически нарушенных и загрязненных почв из острова Белый и смеси торф:почва на 30 сут

Таким образом, реализация технологии рекультивации механически нарушенных и загрязненных почв из острова Белый в условиях in vitro эксперимента показала, что есть возможность не только рационально использовать местный торф и получаемый из него гумат калия, но и приступить с помощью этих ремедиирующих средств в перспективе к широкомасштабной in situ рекультивации почв, для ускорения восстановления биогеохимических циклов веществ первоначально на уровне микробных популяций, чтобы избежать полной деградации почвенного покрова, как основу существования аборигенной флоры и фауны. Подобного рода рекультивация явится импульсом к последующему восстановлению биогеохимических циклов веществ на уровнях беспозвоночных организмов и растительных биогеоценозов.

Литература

1. ru.wikipedia.org/wiki/Белый_(остров,_Карское_море).

2. Томашунас В.М., Абакумов Е.В. Содержание тяжелых металлов в почвах полуострова Ямал и острова Белый // Гигиена и санитария. 2014. № 6. С. 26-31.

3. Васильчук А.К., Васильчук Ю.К. Инженерно-геологические и геохимические условия полигональных ландшафтов острова Белый (Карское море) // Инженерная геология. 2015. № 1. С. 50-65.

4. Галиулин Р.В., Башкин В.Н., Галиулина Р.А., Припутина И.В., Арабский А.К. Рекультивация нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова с помощью торфа: оценка эффективности посредством анализа активности ферментов // Агрохимия. 2013. № 4. С. 76-80.

5. Ревут И.Б. Физика почв. Л.: Колос, 1972. 368 с.

6. Емельянова Т.Я., Крамаренко В.В. Обоснование методики изучения деформационных свойств торфа с учетом изменения степени его разложения // Известия Томского политехнического университета. 2004. Том 307. № 5. С. 54-57.

7. Ковда В.А. Биогеохимические циклы в природе и их нарушение человеком // Биогеохимические циклы в биосфере. Материалы VII Пленума СКОПЕ. М.: Наука, 1976. С. 19-85.

8. Ивлев А.М. Биогеохимия. М.: Высшая школа, 1986. 127 с.

9. Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М.: Химия, 2000. 408 с.

10. Сартаков М.П. Спектроскопия ЯМР ¹³С гуминовых кислот торфов Среднего Приобья // Химия растительного сырья. 2008. № 3. С. 135-139.

11. Чумак В.А., Сартаков М.П. Опыт изучения условий получения высоких урожаев на Крайнем Севере (Остяко-Вагульский опорный пункт, Ханты-Мансийская опытная станция). Ханты-Мансийск: АУ «Технопарк высоких технологий», 2014. 514 с.

12. Андреев О.П., Ставкин Г.П., Левинзон И.Л., Перепелкин И.Б., Лобастова С.А. Защита и восстановление земель и ландшафтов Крайнего Севера при добыче газа // Экология и промышленность России. 2003. № 6. С. 4-9.

13. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Маклюк О.В., Припутина И.В. Патент на изобретение № 2491137. Российская Федерация. Способ контроля эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава посредством анализа активности дегидрогеназы // Изобретения (патенты). М.: ФГБУ ФИПС, 2013. № 24 (1 ч.). C. 141.