Мониторинг почвенного покрова

Усиление государственного контроля за использованием и охраной земель приводит к ужесточению требований к почвенно-экологическим обследованиям территорий, подверженных воздействию НГК. В связи с этим основными задачами почвенного обследования (мониторинга) являются:

- выявление загрязненных почв и определение причин загрязнения и (или) механического нарушения;

- оценка экологических последствий загрязнения почвы;

- реабилитация и контроль за восстановлением нарушенных почв.

Конечная цель обследования - разработка экологических требований к ох­ране почв (включая предложения по изоляции и рекультивации нарушенных земель).

Нефтепромыслы - объекты, совмещающие элементы нефтедобывающих и нефтетранспортных предприятий, они имеют специфику в воздействии на почвы.

Устойчивость почв к различного рода техногенным нагрузкам определяет­ся многими факторами, поэтому существующие методы и приемы контроля для получения информации о состоянии почв отличаются большим разнообразием (рис. 7.5).

Как и для других видов мониторинга компонентов ОС, при организации почвенного мониторинга выделяют глобальный, региональный и локальный уровни. Нефтедобывающие предприятия чаще имеют дело с локальной, т.е. местной, системой наблюдений. Однако для оценки происходящих изменений в почвах необходимо различать фоновый и импактный мониторинг почв. В первом случае предполагается организация наблюдений за состоянием почв до начала действия антропогенных нагрузок, во втором предусматривается оцен­ка изменений параметров почв при непосредственном воздействии антропогенных факторов.

В соответствии с концепцией государственного мониторинга ОС монито­ринг почв проводится в комплексе с другими видами мониторинга. В то же время он включает наблюдения за:

- основными параметрами ландшафта, в частности за формами рельефа, вызванными антропогенными изменениями;

- составляющими водного баланса территории и их химическим составом;

- процессами опустынивания, переувлажнения, зарастания, осушения;

- состоянием земельного фонда, растительности, микробионтов;

- биогеохимическим круговоротом веществ в системе "почва - растительность".

При этом все многообразие показателей состояния почв можно свести к следующим группам, подлежащим контролю (табл. 7.7).

Однако перечень показателей должен быть оптимальным и обеспечен реальными наблюдениями. Кроме табличных он может быть расширен с учетом специфики деятельности предприятий и видов почв. В практике наблюдений сложились определенные нормы показателей на различных этапах техноген­ной нагрузки.

Рис. 7.5. Схема почвенно-экологического мониторинга

К показателям ранней диагностики относят биологическую активность почв, численный и видовой состав микроорганизмов и беспозвоночных, ферментативную активность почв, интенсивность выделения СО₂, характеристики ионно-солевого и кислотно-солевого режимов. Они определяются несколько раз за сезон и позволяют выявить начальные стадии деградации почв.

Для текущего контроля и среднесрочной диагностики от 1 раза в сезон до 1 раза в 2-5 лет применяют следующие показатели: катионообменные свой­ства почв, содержание доступных для растений элементов, мощность и запасы подстилки, состав гумуса.

Таблица 7.7 - Контролируемые показатели почвенного мониторинга (по Э.Н. Гапонюки С.Г. Малахову, 1989)

Для долгосрочной диагностики такие показатели, как валовой состав почв (включая тяжелые металлы), минеральный состав, содержание и запасы гумуса, показатели структуры и физических свойств почв, определяются 1 раз за 5-10 лет и больше.

Поскольку набор контролируемых показателей состояния почв и методов их контроля достаточно велик и не всегда оправдан, остановимся на методических особенностях организации почвенного мониторинга на нефтепромыслах.

Контроль загрязнения почвы. Согласно действующим ГОСТам при контро­ле загрязнения почвы в качестве основных показателей выступают:

- содержание химических веществ в почве;

содержание ЗВ в смежных природных средах;

- показатели санитарного состояния почвы (бактериологические, гельминтологические, энтомологические).

В качестве дополнительных показателей состояния почв могут использоваться показатели биотестирования.

Согласно другому стандарту обязательным при контроле почвы санитарно-защитной зоны предприятия независимо от его профиля является определение рН почвы и содержания в ней канцерогенных и радиоактивных веществ, а из санитарно-бактериологических показателей - определение бактерий группы кишечной палочки и титра Clostridium perfringers. Ряд загрязняющих почву химических веществ подлежит определению только при наличии известного источника загрязнения - это аммонийный и нитратный азот, хлориды, пестициды, тяжелые металлы в валовых и подвижных формах, нефть и нефтепро­дукты, летучие фенолы, сернистые соединения, детергенты, мышьяк, циани­ды, полихлоридные бифенилы.

Для контроля загрязнения почв на нефтепромыслах в качестве диагностических показателей чаще всего используются:

- морфологическое строение почвенного профиля;

- содержание нефтепродуктов в почве и грунтовых водах;

- ферментативная активность почвы;

- содержание в почве сопутствующих загрязнителей: минеральных солей, тяжелых металлов, канцерогенных веществ.

Эти показатели были закреплены во Временных методических рекоменда­циях Госкомгидромета (М., 1984) и в руководящем документе Миннефтегазпрома (РД39-0147098-015-90 Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах Миннефтегазпрома (М., 1989). В настоящее время это наиболее полные инструкции по контролю загрязнения почвы нефтепродуктами. Инструк­ция Миннефтегазпрома предполагает также контроль загрязнения, возникше­го в результате аварийных ситуаций. Для контроля аварийного загрязнения почвы специально устанавливают режимные пункты наблюдения.

Контроль загрязнения почв санитарно-защитной зоны любого предприятия должен проводиться на основе данных о предельно допустимых выбросах и сбросах. По требованию действующих нормативных документов в ССЗ предприятия почва должна быть проверена на содержание канцерогенных веществ. Присутствие этих веществ обычно определяют по содержанию бенз(а)пирена.

Согласно Инструкции по организации и осуществлению государственного контроля за использованием и охраной земель органами Минприроды России (М., 1994) наличие в почве токсичных веществ может быть установлено косвенным путем - по их влиянию на биологические объекты. Перечень видов контроля загрязнения почв и предлагаемых характеристик в ГОСТах, в отече­ственной и зарубежной литературе к постоянным характеристикам относит такой показатель, как присутствие ЗВ в сопредельных средах. Таким образом, вводится функция почвы как депонирующей среды в экосистеме. Показателем этих процессов является так называемая проточность. Проточность геосисте­мы - это механизм выноса чужеродных веществ в ходе нормального функционирования. Чем большей проточностью обладает почва, тем более вероятно распространение загрязнений в ландшафте.

Подвижность ЗВ в почве зависит от ее свойств и свойств отдельных горизонтов, а также от расположения почвы в ландшафте. Поэтому контроль за загрязнением почвы не может осуществляться отдельно от общего почвенно-экологического контроля, предполагающего определение различных свойств почвы, через которые реализуется ее устойчивость.

Экологический контроль состояния почвы. Экологический подход к оценке состояния почв направлен на выявление изменений в почвенно-биологических процессах под техногенным воздействием, что и определяет набор показателей почвенно-экологического контроля.

С определенной степенью условности все показатели можно разделять на характеризующие состояние почвы в момент контроля (фактологические) и отражающие биопродуктивность, скорость и направленность почвообразовательного процесса (прогностические) [2].

Фактологические показатели свойства почвы: рН, окислительно-восстановительный потенциал, содержание органического вещества, легкорастворимых солей, обменного натрия, дыхание почвы и ее фитотоксичность.

К прогностическим показателям относят скорость уменьшения содержания гумуса, трансформации органического вещества, загрязнения почвы. Помимо таких - комплексных - систем показателей состояния почвы в литературе предложены показатели, применимые только для региональных почв. Например, мощность и запасы подстилки - важное свойство лесных почв, а наличие льда в почвенной толще - показатель состояния почв мерзлотных регионов.

Почва, рекультивированная на месте амбара, представляет собой механи­чески нарушенный профиль, в основном сохранивший природное чередова­ние горизонтов, но с измененным гумусо-аккумулятивным горизонтом, "разбавленным" техногенным материалом. При этом сохраняются основные почвообразовательные процессы, дополненные новыми процессами, связанными с ассимиляцией чужеродного материала. То же можно сказать и о почвах, нарушенных при прокладке выкидных линий.

При контроле развития и восстановления почв буровых площадок и отва­лов хорошо разработаны такие методы биотестирования, как микробиологи­ческие и альгологические тесты. В частности, неоднократно апробированы и широко применяются данные о численности микроорганизмов, физиологичес­кой активности их доминирующих ассоциаций, об активности разложения целлюлозы и белка (целлюлазная и протеолитическая активность), накоплении аминокислот и витаминов на ткани. С развитием восстановительного процесса почв список показателей дополняется качественным составом гумуса, соотно­шением его фракций, общими запасами валового углерода, распределением гумуса по профилю почвы и др.

При нефтяном загрязнении в качестве биотеста самоочищения почв рекомендуется кроме такого показателя, как активность дегидрогенеза, использо­вать активность гидролитических ферментов (фосфатазы и уреазы).

Общий контроль состояния почвы в полевых условиях может быть осуществлен с помощью потенциометрического метода. Кислотность и Eh (окислительно-восстановительный потенциал) почвы - ключевые почвенные характе­ристики, определяющие протекание различных процессов, а также доступность для растений различных питательных элементов.

К экспресс-методам, применимым для анализа почвы в районе нефтедобы­чи, согласно РД 39-0147098-015-90 относится диагностика нефтяных загряз­нений с помощью фильтровальной бумаги. При низкой степени загрязнения нефтепродуктами этот анализ практически неприменим. В полевых условиях выполняют морфологическое описание и измерение горизонтов техногенно-измененной почвы, а также определяют уровень стояния грунтовых вод. Все другие методы, применяющиеся для контроля экологического состояния почвы, требуют лабораторного оборудования.

Самые простые из них - весовые методы, которые исходя из требований РД 39-0147098-015-90 используют при определении плотности почвы и фитомассы растений (как показателя биопродуктивности). Они предполагают высушивание почвенного или растительного материала в сушильном шкафу и, следо­вательно, не могут быть реализованы вне лаборатории. Эти методы вполне доступны отраслевым лабораториям на объектах добычи нефти.

Методика определения фитотоксичности имеет различные модификации, и, как правило, определение уровня химического загрязнения почвы проводится на основании различий состояния растений в контрольной (рост в отсутствие токсикантов) и в испытуемой почвах. Реальный показатель фитотоксичности определяется по сравнению с опытом на тестируемой среде с контрольного (незагрязненного) участка.

Особо следует акцентировать внимание на приготовлении вытяжек для определения содержания в почве нефтепродуктов, поскольку при оценке загряз­нения именно характер пробоподготовки дает весьма существенные различия. Нефть и нефтепродукты могут быть извлечены из почвы различными раствори­телями: петролейным эфиром, гексаном, бензолом, спирто-бензолом, хлорофор­мом, хлористым метиленом, четыреххлористым углеродом и др. Практически все используемые реактивы частично растворяют природные органические вещества почвы и могут извлекать некоторые неорганические соединения. В то же время не всегда происходит полная экстракция всех компонентов не­фти. Предпочтительным является гексан, который растворяет углеводородную часть нефтепродуктов и низкомолекулярные смолистые соединения. Исполь­зование кипящего гексана позволяет достичь наиболее полного извлечения неф­тепродуктов.

Особое место в почвенно-экологическом мониторинге должно быть отведе­но контролю качества информации.

Метрологическая аттестация - первое, что необходимо для получения дан­ных, сопоставимых с данными других аналитических лабораторий. Воспроизводимость результатов того или другого метода анализа оценивают по варьи­рованию результатов параллельных определений. Ограничением служит природная изменчивость различных почвенных свойств. Считается, что для определения почвенных показателей (как правило, сильно изменяющихся в ес­тественных условиях) можно применять методы, аналитическое среднее квадратическое отклонение которых составляет не более 7₂ природного изменения этого показателя.

При межлабораторном контроле в качестве контрольных образцов применяют государственные и отраслевые стандартные образцы, подготовленные и аттестованные в соответствии с ГОСТ 8.315.91.

При внутрилабораторном контроле проводят регулярный анализ серии стандартных образцов с известным химическим составом либо частичный повторный анализ образцов, ранее проанализированных в лаборатории, для которых определены средние значения показателей.

В связи с тем что загрязнение почв на нефтепромыслах проявляется локаль­но и связано с технологическим оборудованием, выбор режимных пунктов почвенно-экологического контроля на этих объектах не составляет трудности.

К обязательным пунктам наблюдения следует отнести площадки буровых скважин, емкости для хранения ГСМ, площадки дизельной установки, амбары буровых скважин, места приготовления реагентных растворов, блочные насосные станции, нагнетательно-эксплуатационные и поглощающие скважины, ДНС, выкидные и транспортные линии, нефте- и продуктопроводы.

Схемы отбора проб вблизи большинства названных источников загрязне­ния устанавливают в зависимости от их расположения в рельефе, геохимичес­кой гидрологической обстановки, поскольку загрязнители поступают в почву в жидком виде. Точки отбора проб объединяют в систему профилей, располагающихся в направлении движения поверхностного стока от места разлива до места промежуточной или окончательной аккумуляции.

При отсутствии ярко выраженных точечных источников загрязнения и при площадном источнике лучше использовать отбор проб по сетке. При контроле физических свойств почвы или их биологической активности, а также биопродуктивности почв отбор проб проводится на ключевых участках (размер их различается в зависимости от контролируемого параметра).

Наблюдения за нефтепромысловым загрязнением почв в начальный период мониторинга производят в основном на территориях, прилегающих к факельным площадкам. Отбор проб почвы производится по 5 лучам, расположение которых учитывает направление и вероятность преобладающих ветров. Так, например, с учетом розы ветров для одного из месторождений расстояния между факелом и точками опробования были следующими: северо-восточный луч (ази­мут 45°) - 25, 250 м; юго-западный луч (азимут 225°) - 25, 100, 250, 500 м; восточный луч (азимут 90°) - 25, 100 м; северный луч (азимут 0°) - 25, 100 м; южный луч (азимут 180°) - 25, 100, 250, 500, 1000 м. Такое распределение 15 мест опробования почв даст возможность оценить площадь рассеяния и кон­центрацию твердых продуктов сгорания попутных газов вокруг факелов. На удалении 100 м обычно фиксируют максимальную концентрацию вредных ком­понентов.

К определяемым в почвах компонентам относятся нефтепродукты, бенз(а)-пирен, полициклическая ароматика (ПАУ), а также тяжелые металлы Hg, V, Mo, W, Ni, Zn, Pb, Sn, Cd, Сr и др.

Рекомендациями [45] при оценке деградации земель в качестве инструмен­та мониторинга предусматривается на подготовительном этапе работ состав­лять карты техногенных нагрузок с нанесением источников техногенного воздействия, границ земельных угодий, лесополос, гидрографической сети, почвенных контуров, границ водосборных бассейнов в масштабе 1:10000 -1:100000. На этих картах дается примерная оценка интенсивности загрязнения почв, определяются участки территории с повышенными требованиями и стратегия пробоотбора.

В соответствии с [45] рекомендуется картографическое обеспечение на уров­не землепользования в масштабе 1:2000 -1:10000. В первую очередь это почвенные карты с нанесением всех границ поверхностных водных объектов, дорожной сети и источников воздействия нарушенных и ненарушенных почв. К нарушениям относят все земли со снятым или перекрытым гумусовым горизонтом и не пригодные к использованию без предварительного восстановле­ния плодородия. Степень деградации почв определяется по специальной мето­дике.

Пробоотбор и картографирование загрязнения и деградации почв проводят в зависимости от источника воздействия. Для точечных источников фиксация деградации и пробоотбор при воздушном поступлении рекомендуются по 4-8 направлениям (румбам) через 0,5, 1, 2,4, 8, 16 км. Для линейных источников точки размещаются вдоль источника по линиям на расстоянии от него 0,1; 0,2; 0,5 км.

При нефтяном загрязнении организация наблюдений производится в зависимости от сложности рельефа, геохимической и гидрологической обстанов­ки. Точки пробоотбора объединяют в систему профилей, в направлении дви­жения поверхностного стока от мест разлива до мест промежуточной или конечной аккумуляции. Минимальное количество профилей - 3. Одновремен­но закладывается серия разведочных скважин, которые также располагаются на профилях по потоку подземных вод и должны пересекать интенсивный уча­сток загрязнения.

Глубина отбора индивидуальных и смешанных (не менее чем из 15 индивидуальных образцов) проб рекомендуется для пашни 0-20 см, для сенокоса - 0-15, для леса (без подстилки) - 0-10 см; при аварийном загрязнении неф­тепродуктами - до глубины нижнего фронта движения нефтяного потока в почве.

В соответствии с приведенными выше рекомендациями предлагается в границах отвода ежегодно отбирать пробы на буровых площадках в количестве 20 шт. по 4 основным румбам через 0,5; 1; 2; 4; 8 км, на линейных сооружениях и внутрипромысловых продуктопроводах - на расстоянии 0,1; 0,2 и 0,5 км по профилям.

Для детальной характеристики загрязненных почв территория разделяется на элементарные участки, каждый из которых характеризуется объединенной почвенной пробой. Такой подход принят в соответствии с ГОСТ 28168-89, где после рекогносцировочного обследования территории регламентируется ее разбивка на элементарные участки, по возможности прямоугольной формы, раз­мер которых изменяется в зависимости от экономического района, эрозион­ных процессов и характера землепользования. Затем отбирают 20-40 точечных проб через равные интервалы для составления объединенной пробы. Площади таких участков устанавливаются от 0,5 до 5 га в зависимости от категории слож­ности территории. В целом способы отбора почвенных проб должны отвечать существующим стандартам. В экстремальном случае (например, при аварий­ных разливах нефти) степень и размеры загрязнения почв предлагается оцени­вать визуально по состоянию угнетенной растительности.

Ряд методических документов конкретизирует особенности отбора точеч­ных проб в случае контроля загрязнения нефтью, нефтепродуктами, тяжелыми металлами, легкомигрирующими веществами. Объединенная проба составляется не менее чем из 5 точечных проб, отобранных на площадке не менее 10 х 10 м на каждые 0,5-20 га территории с учетом однородности почвенного и растительного покрова, характера использования территории. Отбор ведется методом конверта, по диагонали или другим способом, обеспечивающим от­бор типичной для генетических горизонтов либо слоев пробы почвы.

В проекте международного стандарта "Методы отбора проб при оценке загрязнения почв" в целом сохраняется подобный подход, который предлагается изменять в зависимости не только от категории сложности местности, но и от характеристики загрязнителя, целей картографирования, особенностей хозяй­ственного использования. В основе схемы отбора - гексагональная сетка, в узлах которой проводится отбор смешанных проб.

Предлагаемые методы учета пространственной изменчивости состояния почвенного покрова сводятся к нейтрализации влияния неоднородности на результаты мониторинга для обеспечения точности при статистической обработке данных.