ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2013, № 1, с. 32-40
ХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ
УДК 631.4
ФАКТОРЫ И ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ПИРОГЕННЫХ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПОЧВАХ ЗАПОВЕДНЫХ И АНТРОПОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
© 2013 г. А. Н. Геннадиев, А. С. Цибарт
Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, 1
e-mail: alexagenna@mail.ru Поступила в редакцию 14.05.2012 г.
Рассмотрены особенности накопления пирогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в почвах в зависимости от типа сгораемого материала и условий горения (температуры, доступа кислорода, рассеяния продуктов горения). Выявлен характер накопления ПАУ в почвах трех заповедных территорий, пройденных лесными, степными и торфяными пожарами. Установлены особенности распределения в почвах ПАУ, образующихся при антропогенных пирогенных процессах: бытовом сжигании древесины и возгорании угольных отвалов. Показаны различия качественного состава ПАУ, поступающих в почвы из различных пирогенных источников.
Ключевые слова: лесные и торфяные пожары, углеводороды, загрязнение почв, заповедники, угольные отвалы.
DOI: 10.7868/S0032180X13010024
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что большое количество работ посвящено изучению полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в окружающей среде, существуют не в полной мере ясные представления, касающиеся их происхождения и характера накопления в отдельных компонентах ландшафта, в частности в почвах. Считается, что большая часть ПАУ поступает из пирогенных источников [31, 33], которые включают вулканизм, сгорание нефти и нефтепродуктов, материалов растительного происхождения. Продуцирование ПАУ при сгорании растительных материалов рассмотрено в ряде публикаций, но эти данные получены, главным образом, в ходе лабораторных экспериментов [7, 13, 14, 22, 25, 26, 29, 32]. Данных, касающихся высокотемпературного продуцирования ПАУ в реальных объектах окружающей среды, недостаточно. К примеру, природные пожары, как современные, так и прошлых геологических эпох, часто относят к источникам ПАУ в ландшафтах [2], но фактических сведений по этому вопросу крайне мало [15—17, 20, 21, 27]. В частности, слабо освещена связь особенностей накопления ПАУ в почвах с условиями горения (температурным режимом, доступом кислорода, характером рассеяния продуктов горения), а также с типом сжигаемого материала.
В целом считается, что большое количество ПАУ, находящихся в природных средах, образуется при температуре более 500°С из ненасыщенных углеводородов при присоединении углеводо-
родных радикалов в условиях недостатка кислорода [11]. Есть данные о том, что при горении древесины максимальный выход бенз(а)пирена фиксируется в двух температурных интервалах: около 350 и 550°С [30]. Согласно некоторым экспериментам по сжиганию хвои и шишек сосны при 500 и 850°С, выход ПАУ значительно выше при температуре 500° [23]. В целом образование полиа-ренов возможно до температуры 1000°С [25].
Установлено, что неинтенсивное горение и процессы тления приводят к большему выходу ПАУ, чем интенсивное горение. Так, тление сосны приводит к образованию 70% всех ПАУ, в то время как в эту стадию вовлекается только около 30% материала [17].
На количество ПАУ существенное влияние оказывает и присутствие кислорода. При его свободном доступе происходит более полное сжигание материала, и ПАУ выделяются в меньшем количестве по сравнению с ситуациями, когда доступ кислорода невелик [12, 17]. Но при высоких скоростях ветра при открытом горении происходит тушение языков пламени, и в большем количестве выбрасываются продукты неполного сгорания, которые включают ПАУ [17].
Характер исходного материала также важен для образования ПАУ. При этом необходимо отметить, что экспериментальные данные, приводимые в литературе, весьма затруднительно сравнивать, так как не существует единой методической схемы определения ПАУ. Кроме того, в части работ рассматриваются соединения в паро-
Ключевые участки исследования
Участок Ландшафты (по [6]) Почвенно-географическое районирование (по [5]) Пирогенный фактор
Норский заповедник (Амурская обл.) Хакасский заповедник, участок "Подзаплоты" (Республика Хакасия) Полистовский заповедник (Псковская обл.) Звенигородская биостанция МГУ (Московская обл.) Байдаевское месторождение Кузнецкого бассейна (Кемеровская обл.) Дальневосточные средне- и южнотаежные Западносибирские лесостепные Восточноевропейские подтаежные Восточноевропейские подтаежные Западносибирские лесостепные Верхнезейская провинция бурота-ежных и болотных мерзлотных почв Минусинская провинция обыкновенных и южных черноземов, выщелоченных черноземов и серых лесных почв Прибалтийская провинция дерново-подзолистых и болотно-подзо-листых почв Среднерусская провинция дерново-подзолистых почв Бийско-Енисейская провинция оподзоленных и выщелоченных черноземов и серых лесных почв Лесные пожары Степные и лесные пожары Торфяные и лесные пожары Бытовое сжигание древесины Возгорание угольных отвалов
газовом виде, в то время как в других публикациях приводятся результаты по ПАУ, сорбированным на поверхности частиц. Тем не менее, можно заключить, что горение растительности способствует образованию наиболее легких по молекулярной массе соединений: нафталинов, флуоре-нов, аценафтенов, фенантренов, пиренов. При горении разного растительного материала довольно существенно отличается абсолютное количество новообразованных углеводородов, оно максимально для хвойной древесины и минимально для травянистой растительности. Более подробный обзор по этому вопросу приведен нами ранее [10].
Пирогенные источники, встречающиеся в окружающей среде, существенно различаются по условиям горения, в частности, по характеру рассеяния продуктов. Интенсивным рассеянием продуктов горения характеризуются природные пожары. Лесные пожары отличаются высокими температурами (до 1000°С в пламени), большим доступом кислорода, значительными массами сгораемого материала [3]. При этом обычно формируются мощные восходящие токи воздуха. При степных пожарах температуры ниже, доступ кислорода также большой, но масса сгораемого материала меньше, чем при лесных пожарах, поэтому образуется меньшее количество продуктов горения [4]. Торфяные пожары часто происходят в режиме тления, температуры в очаге горения составляют около 700°С, кислорода в этом случае поступает мало [8].
Могут встречаться и условия менее интенсивного или ограниченного рассеяния продуктов горения. Так, ограниченным рассеянием продуктов характеризуется сжигание древесины в печах. При бытовом сжигании древесины продукты горения поступают из печи в атмосферу, но в более прохладном воздухе происходит их быстрая конденсация, и большая часть продуктов осаждается вблизи источника. Процесс горения происходит при высоких температурах и малом доступе кислорода. Чаще всего отмечается чередование режимов тления и горения [18].
Наиболее слабое рассеяние продуктов горения имеет место в случаях, когда лишь их небольшая часть выносится из зоны возгорания. В таких условиях, к примеру, может происходить сгорание углей в шахтах или отвалах. Окисление углей, как правило, начинается при обычных температурах в условиях их контакта с окружающим воздухом, в ходе самонагревания температуры возрастают до 350—400°С; при этих температурах может происходить воспламенение углей [24, 28, 33]. Кислород необходим для инициирования нагревания и возгорания, но в глубоких слоях отвалов выше роль процессов тления.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для выявления особенностей накопления пи-рогенных ПАУ в почвах в зависимости от почвенных свойств, типа сгораемого материала и условий горения исследовались пять ключевых участков (таблица). В пределах трех заповедных территорий, характеризующихся различными ландшафтными условиями, изучены пройденные лесными, степными и торфяными пожарами почвы и их неповрежденные аналоги. Кроме того, работы проводились на участках антропогенно-измененных территорий с проявлением пирогенно-го фактора. Всего изучено 87 почвенных разрезов.
На заповедных территориях по характеру повреждения растительности были выделены почвенные ряды, которые включали почвы участков, пройденных пожарами разной интенсивности, а также почвы фоновых или слабо пострадавших от огня участков. На лесных участках в один ряд включались почвы на одинаковых отложениях, аналогичных формах рельефа и со сходной изначальной растительной ассоциацией. На болотных и степных участках выбирали пары фоновых и пройденных пожарами почв. Почвенные образцы отбирали с глубин: 0—5, 5—10, 10—20, 20—30 см — в Полистовском и Хакасском заповедниках и 0— 5, 5—15, 15—40 см — в Норском заповеднике.
О 0 Фон I ...... II III
- 1----2 — 3.....4 .........5 — - 6
Рис. 1. Суммарное содержание 12 ПАУ в верхних (0—5 см) горизонтах почв хвойных рядов Норского заповедника. Почвы: 1 — бурые таежные каменистые под сосновыми лесами (Нор-32, 13, 12, 11), 2 — бурые таежные под сосновыми лесами (Нор-8, 9), 3 — бурые таежные под сосновыми лесами (Нор-67, 66), 4 — пойменно-болотные под елово-пихтовыми лесами (Нор-30, 38), 5 — бурые таежные глеевые под пихтовыми лесами (Нор-4, 11, 12, 13), 6 — бурые таежные оподзоленные под лиственничными лесами (Нор-44, 45, 46). Здесь и на рис. 2—4 — I, II, III — степени повреждения древостоя.
В качестве объекта с ограниченными условиями рассеяния продуктов горения был выбран участок с дровяным отоплением (Биостанция МГУ, Московская обл.). На разном удалении от отапливаемых домов были опробованы дерново-подзолистые, дерновые и аллювиальные почвы. Образцы отобраны по глубинам: 0—5, 5—10, 10—20, 20-30 см.
Условия слабого рассеяния выявляются при горении отвалов углесодержащих пород. В качестве объекта был выбран отвал Байдаевского месторождения Кузнецкого угольного бассейна (Кемеровская обл.). В пределах отвала изучались петроземы гумусовые на участках возгорания, а также почвы на разном удалении от очага. Кроме того, исследованы фоновые черноземы выщелоченные. Образцы отбирались по глубинам через 10 см.
Для определения содержания ПАУ в образцах почв применялся спектрофлуор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.