SPECIFIC FEATURES OF AGRICULTURAL RECULTIVATION DURING CHEMICAL DEGRADATION OF CHERNOZEM IN THE STEPPE ZONE OF ZAVOLGA PROVINCE

Full Text

Основной причиной уменьшения площади сельскохозяйственных угодий являются процессы их деградации [2, 5]. Химическая деградация зависит от состава, концентрации и активности загрязняющих веществ, режима хозяйственного использования территории. Началом процесса деградации является поступление загрязняющих веществ в сосредоточенный сброс [1, 3]. Проблема загрязнения почв сельскохозяйственного назначения в Поволжском регионе в результате процессов нефтедобычи является актуальной и определяет особенности процессов их рекультивации [6, 7, 8]. Цель исследований - разработка способов восстановления плодородия черноземов, нарушенных в результате химической деградации, для использования в сельскохозяйственном обороте. Задачи исследований - оценить уровень основных агрохимических показателей нефтепродуктов, высокоминерализованных пластовых вод, тяжелых металлов в черноземных почвах площадью 0,0622 га при их загрязнении, произошедшем в результате прорыва нефтепровода. Материал и методы исследований. В 2019-2021 гг. проводилось комплексное агрохимическое обследование земельного участка в районе кустовых насосных станций (КНС) Дмитриевского месторождения КНС-9 и КНС-10 в границах Кинель-Черкасского района Самарской области, площадью 0,0622 га. Почвенные разрезы закладывались таким образом, чтобы охватить все формы рельефа и участки предполагаемого засоления и загрязнения. Координирование земельного участка осуществлялось по внешней границе с помощью прибора GPSmap 60Cx - GARMIN. Смешанные образцы отбирались методом конверта на площадке 20×20 м. Всего на исследованной территории было отобрано 3 образца для проведения лабораторных испытаний: 1 разрез был заложен на глубину 0-60 см, из которого отобрано 2 почвенных образца. Кроме того был отобран 1 смешанный образец (из 5 точечных проб). На фоновой почве отобран 1 образец на глубине 0-20 см. Почвенные образцы просушивались до воздушно-сухого состояния и направлялись в аккредитованную лабораторию. Лабораторные анализы выполнялись в лаборатории ФГБУ «Станция агрохимической службы «Самарская», имеющей «Аттестат аккредитации испытательной лаборатории (центра) в системе аккредитации аналитических лабораторий (центров)» (№РОСС RU.0001.510565, выдан 10.08.2016 г., дата внесения сведений в реестр аккредитованных лиц 22.04.2015 г.). Результаты лабораторных анализов образцов почв из разрезов и смешанных образцов, взятых на нарушенных и загрязненных почвах, сравнивались с показателями фоновой почвы. Химизм и степень засоления почв определялись по данным анализа водной вытяжки. Тип засоления определялся составом анионов и катионов в характеризуемом слое или горизонте по классификации Н. И. Базилевича и Е. И. Панковой [4]. Результаты исследований. В результате производственной деятельности произошло загрязнение почвы высокоминерализованными пластовыми водами и тем самым причинен вред почвам как объекту окружающей среды на площади 622 м2. По природно-сельскохозяйственному районированию страны исследуемая территория находится в степной зоне Заволжской провинции. Почвенный покров представлен черноземами типичными, расположенными на вершинах водоразделов и склонах различной экспозиции. Почвообразующими породами для них послужили элювиальные и делювиальные глины и суглинки. Тип деградации - химическая. Уровень загрязнения химическими веществами (токсичными солями) очень высокой степени. Характеристика почв по содержанию гумуса, мощности гумусового горизонта, рН солевой вытяжки, механическому составу, содержанию подвижного фосфора и обменного калия представлена в таблице 1. Данные приводятся по результатам почвенного обследования, проведенного в 2003 г. ОАО «ВолгоНИИгипрозем». Контрольные разрезы для взятия образцов почв закладывались из расчета 5 разрезов на 1 тыс. га равномерно по территории хозяйства по видам сельскохозяйственных угодий. В случае, если точка заложения разреза удалена от места прохождения трассы более чем на 500 м, характеристика почвенной разновидности приводилась по ближайшему разрезу, заложенному на данной почвенной разновидности. Таблица 1 Фоновые агрохимические показатели черноземов степной зоны Заволжской провинции Почва Содержание гумуса, % Мощность гумусового горизонта, см рН солевой вытяжки Физическая глина, % Емкость поглощения мг/экв. на 100 г Чернозем типичный среднегумусный маломощный слабосмытый легкоглинистый 6,4 40 6,6 - 42 Содержание гумуса в верхнем горизонте 6,4%. Мощность гумусового горизонта 40 см. Реакция почвенной среды близкая к нейтральной (рН 6,6). Емкость поглощения 42 мг/экв. на 100 г почвы (табл. 1). Тип засоления определяется составом анионов и катионов в характеризуемом слое или горизонте по классификации Н. И. Базилевича и Е. И. Панковой 1968 года. Основываясь на полученной картине солевого режима почв, можно сделать вывод, что в почве на участке в формировании солевого режима принимают участие анионы: Cl-, SO4-2, HCO3-, и катионы: Na+, Мg2+ и Са2+ (табл. 2). Таблица 2 Содержание ионов в почве по генетическим горизонтам черноземов, подвергшихся осолонцеванию Глубина взятия образца, см рН мМоль на 100 г почвы Плотный остаток, % СО3 2- НСО3 - Cl - SO4 2- Ca 2+ Mg 2+ Na + K + 0-20 7,7 0 - - - - - 6,30 0,35 - 20-40 7,3 0 0,25 16,0 0,58 0,25 0,13 16,6 0,04 1,123 0-20 8,1 0 0,50 0,24 0,34 0,50 0,50 0,35 0,03 0,099 Степень, химизм засоления и наличие солонцеватости в разрезе по участкам и точкам отбора образцов приведен в таблице 3. В результате лабораторных исследований установлено, что водорастворимые соли присутствуют по всему профилю заложенного разреза, присутствуют повышенные количества ионов Clи Na+. По количественному содержанию водорастворимых солей определен хлоридный тип засоления очень сильной степени, поскольку хлоридного аниона содержится больше остальных, из катионов преобладает ион Na+. По содержанию обменного натрия - почвы участка обследования малонатриевые. Преобладающей в растворе водной вытяжки является соль NaCl - самая токсичная по воздействию на растительность. При таком количестве токсичные соли оказывают отрицательное воздействие на рост и развитие растений. При длительном испытании почвы наличием данных солей происходит процесс осолонцевания. Таблица 3 Степень, химизм засоления и наличие солонцеватости черноземов степной зоны Заволжской провинции Площадь участка, га Номер точки отбора образца (глубина взятия образца) Тип засоления Степень засоления Степень солонцеватости 0,0622 1 р* (0-20) Хлоридный Очень сильнозасоленные Малонатриевые (содержание Na от емкости поглощения 16%) 1 р (40-60) Хлоридный Очень сильнозасоленные Малонатриевые (содержание Na от емкости поглощения 16%) 2 с** (0-20) - - - 3 ф*** (0-20) Засоление отсутствует Примечание: * - «р» - почвенный образец взят с разреза; ** - «с» - смешанный образец; *** - «ф» - образец взят на фоновой ненарушенной почве. При оценке степени загрязнения земель и земельных участков нефтью и нефтепродуктами в качестве допустимого уровня ранее было принято использовать значение, равное 1,0 г/кг, в соответствии с ГОСТ Р 57447-2017 «Наилучшие доступные технологии. Рекультивация земель и земельных участков, загрязненных нефтью и нефтепродуктами». Содержание нефтепродуктов на участке на глубине 0-20 см 193-260 мг/кг, на глубине 20-40 см - 76,0 мг/кг. Содержание нефтепродуктов в почве участка обследования не превышает допустимый уровень, установленный ГОСТ Р 57447-2017, и соответствует фоновому уровню загрязнения (табл. 4). Таблица 4 Степень загрязнения нефтепродуктами черноземов степной зоны Заволжской провинции Площадь участка, га Глубина взятия образца, см Нефтепродукты, мг/кг Уровень загрязнения почв нефтепродуктами 0,0622 1 р * (0-20) 260,0 Фоновый 1 р (40-60) 76,0 Фоновый 2 с** (0-20) 193,0 Фоновый 3 ф*** (0-20) 47,0 нет Примечание: * - «р» - почвенный образец взят с разреза; ** - «с» - смешанный образец; *** - «ф» - образец взят на фоновой ненарушенной почве. Содержание органического вещества в виде гумуса на участке 4,7-5,1% на глубине 0-20 см и 3,0% на глубине 20-40 см, на фоновых землях - 3,5%. Реакция среды почвенного раствора на обследованном участке нейтральная (рН 6,3), на фоновой почве - слабощелочная (рН 7,1). Содержание подвижных форм тяжелых металлов (Cu, Zn, Co и Mn) находится в пределах ПДК. Исходя из утвержденной кадастровой стоимости в границах Кинель-Черкасского района стоимость одного гектара земель составляет 35800 рублей. Исходя из полученных расчетов, кадастровая стоимость загрязненного земельного участка - 2226,76 рублей. Расчёт стоимости затрат на проведение рекультивации и природоохранные мероприятия выполнен в ценах июня 2019 г. Показатели расчёта экономической эффективности капитальных вложений на проведение рекультивации загрязненных земель и природоохранные мероприятия представлены в таблице 5. Таким образом, расчётная эффективность затрат на рекультивацию загрязненных земель и другие природоохранные мероприятия при производстве работ по восстановлению загрязненных земель составит 0,02 - это ниже нормативного коэффициента капитальных вложений (Ен/р = 0,09 для пастбища). Общие затраты на рекультивацию (к сроку ее окончания) составляют 118,45 тыс. руб. Состав и содержание работ по проведению рекультивации земель при последствиях загрязнения почвенного покрова на площади 622,0 кв. м. состоят из технических и биологических мероприятий по рекультивации. Технический этап рекультивации на участке предусматривает следующие мероприятия: планировка поверхности на общей площади 0,0622 га; плантажная вспашка на глубину до 40 см общей площадью 0,0622 га. Агротехнический этап рекультивации включает в себя комплекс мероприятий химической и механической мелиорации загрязненного участка: двукратное рыхление грунтов; внесение органических удобрений в количестве 6,22 т на площади 0,0622 га; плантажная вспашка на глубину до 40 см; дискование на площади 0,0622 га; нарезка кротовин. Таблица 5 Показатели общей экономической эффективности капитальных вложений на проведение рекультивации черноземов степной зоны Заволжской провинции № Показатели Формула расчета или условное обозначение Единицы измерения Количественное значение показателей 1 Рекультивируемая площадь, всего S га 0,0622 пашня S1 га - пастбище S2 га 0,0622 2 Эколого-экономический результат ЭЭР тыс. руб. 2,227 3 Капитальные вложения (К. В.) на рекультивацию: - технический этап Кт тыс. руб. 0,46 - биологический этап Кб тыс. руб. 117,99 4 Общие затраты на рекультивацию, всего Крек = КТ + Кб тыс. руб. 118,45 5 Эффективность капиталовложений на рекультивацию Э = ЭЭР / Крек 0,02 Наибольшая скорость разложения нефти наблюдается при внесении удобрений, так как они значительно улучшают пищевой режим загрязнённой почвы. Наиболее эффективным является совместное внесение органических и минеральных удобрений, которое обуславливает дополнительное ускорение минерализации нефти на 4-12% по сравнению с раздельным их использованием. На участке площадью 0,0622 га принято восстановление земель под пастбище. С этой целью на участке приняты следующие мероприятия: дискование земель на площади загрязненных земель 0,0622 га; внесение минеральных удобрений в количестве 0,28 ц (норма внесения 4,5 ц/га); вспашка земель в два следа на глубину 40 см; предпосевная культивация почвы в двух направлениях на площади 0,0622 га; боронование почвы в двух направлениях на площади 0,0622 га; посев многолетних трав: донник - 0,622 кг, житняк - 0,622, пырей - 0,622 га; прикатывание почвы до и после посева. Расчет потребности в материалах приведен в таблице 6. Таблица 6 Расчет потребности в материалах для рекультивации черноземов степной зоны Заволжской провинции Площадь участка, га Норма внесения и высева Потребность Органические удобрения, т/га Минеральные удобрения, ц Семена многолетних трав, кг/га Органические удобрения, т Минеральные удобрения, ц Семена многолетних трав, кг Нитрофоска Пырей Житняк Донник Нитрофоска Пырей Житняк Донник 0,0622 100 4,5 10 10 10 6,22 0,28 0,622 0,622 0,622 Химическая мелиорация проводится на участке площадью 0,0622 га, на котором отмечено засоление пластовыми водами. При внесении гипса в почву происходит замещение в почвенном поглощающем комплексе обменного натрия на кальций. Норму внесения гипса устанавливают по содержанию обменного натрия в почве по формуле К. К. Гедройца: , где Д - доза гипса, т/га; 0,086 - значение 1 мг-экв. гипса; Na - содержание обменного натрия, мг-экв. на 100 г почвы; Е - емкость обмена, мг-экв. на 100 г почвы; 0,05 - количество обменного натрия (% от емкости обмена), не оказывающее отрицательного влияния на свойства почвы и оставляемое в ППК; h - мощность мелиорируемого слоя, см; dV - плотность сложения мелиорируемого слоя, г/см3; DB - содержание CaSO4×2Н2О в мелиоранте, %. В качестве мелиоранта применяется фосфогипс, который является крупнотоннажным отходом производства двойного суперфосфата и преципитата. Представляет собой очень тонкий порошок серого или белого цвета, содержащий 75-85% гипса, 0,5-0,6% фосфорной кислоты, 5-6% глины и воду. Фосфогипс гораздо дешевле гипса, обладает высокой растворимостью, присутствие в нем водорастворимого фосфора усиливает мелиорирующий эффект. Для расчета потребности гипса использовалась наибольшая величина обменного натрия - 6,7 мг-экв. на 100 г почвы (16% от емкости поглощения 42,0 мг-экв. на 100 г почвы), мощность мелиорируемого слоя 30 см, плотность сложения 1,2 г/см3, содержание гипса в мелиоранте - 75 %. Рассчитанная доза гипса составляет 18,99 т/га. Способ внесения гипса определен следующим образом: осень под вспашку 2/3 нормы, весной под культивацию 1/3 нормы. Заключение. В почве на исследуемом участке в формировании солевого режима принимают участие анионы Cl-, SO42-, HCO3-, и катионы Na+, Мg2+, Са2+. По присутствию и количеству водорастворимых солей в профиле почвы определен хлоридный тип засоления сильной степени, содержание Na от емкости поглощения 16% свидетельствуют о наличии процессов осолонцевания. Содержание нефтепродуктов, подвижных форм тяжелых металлов находится в пределах ПДК. По результатам агрохимических анализов на участке порыва нефтепровода принято два способа восстановления земель: технический и биологический. Расчётная эффективность затрат на рекультивацию загрязненных почв составила 118,45 тыс. руб. Согласно полученным расчетам для проведения рекультивационных работ потребуется 6,22 т/га органических удобрений, 0,28 ц минерального удобрения (нитрофоска), по 0,622 кг семян многолетних трав (пырей, житняк, донник), 18,99 т/га фосфогипса.

About the authors

Natalia M. Trots

Samara State Agrarian University, Ust-Kinelsky

Email: troz_shi@mail.ru
Samara Region, Russia

Oksana V. Gorshkova

Volga Research and Design and Survey Institute for Land Management

Email: we-so63@rambler.ru
Samara, Russia

References

Supplementary files