Использование методов дистанционного зондирования Земли при мониторинге состояния и оценке качества компонентов окружающей среды в окрестностях горно-обогатительного комбината

Среди глобальных проблем, встающих перед человечеством в XXI веке, как минимум две, продовольственная и экологической безопасности, напрямую связаны с устойчивостью функционирования почв и других компонентов окружающей среды. Для оценки состояния и нормирования качества компонентов окружающей среды созданы национальные системы мониторинга и национальные нормативы качества компонентов окружающей среды, находящиеся в процессе непрерывного совершенствования, обусловленного увеличением числа источников загрязнения и появлением новых загрязняющих веществ. Наиболее информативными среди перспективных систем непрерывного мониторинга окружающей среды являются глобальные спутниковые системы, непрерывно поставляющие в системе открытого доступа многочисленные параметры дистанционного зондирования Земли, полезные в деле оценки состояния и нормирования качества почв и растительности. Высокая степень коррелированности значений вегетационных индексов и текущей зеленой массы на земной поверхности, установленная многими исследователями, дает возможность использовать индексы в системах мониторинга растительности. Одним из очевидных направлений повышения информативности методов дистанционного зондирования Земли, основанных на вегетационных индексах, является их использование в качестве основы для вычисления параметров, характеризующих закономерности сезонной динамики растительного покрова. В качестве информативных показателей, извлекаемых анализом сезонных рядов вегетационных индексов, используют: дату начала вегетационного периода, дату окончания вегетационного периода, продолжительность вегетационного периода, время наступления максимума роста и сам максимум, площадь под сезонной кривой динамики и другие показатели. В теоретическом плане преимуществом этих показателей является то, что они основаны на результатах измерений и получены формальными методами с использованием математических приемов, часто весьма сложных. Практическим преимуществом многих из этих показателей является то, что для них имеются алгоритмы и методы их автоматической генерации на основе первичных данных дистанционного зондирования Земли. Недостатком всех известных нам показателей, сужающим возможности их применения, является то, что они выведены опытным путем на основе произвольных критериев. Устранение этого недостатка, направленное на получение теоретически содержательных показателей сезонной динамики вегетационного индекса, используемых в качестве индикаторов состояния растительного покрова, является одной из задач данной работы.
Другая частная научная проблема, связанная с первой, и требующая решения, – количественный анализ дозовой зависимости с целью извлечения из нее пороговых значений концентрации в почве загрязняющих веществ (стрессоров для растительности). Решив задачу получения из данных дистанционного зондирования содержательного показателя, характеризующего биомассу растительности, можно перейти к использованию такого показателя в качестве зависимой переменной при анализе экспериментальных зависимостей типа доза–эффект, в которых независимой переменной является концентрация загрязняющих веществ в почве. В настоящее время в экотоксикологии анализ дозовых зависимостей ведут либо экспериментальными методами на основе произвольных критериев, либо с использованием теоретически содержательного уравнения Хилла, не учитывающего, однако, эффект гормезиса (стимулирующее растительность действие стрессора в области малых его концентраций в почве). В качестве критерия пороговой концентрации используют либо точку наибольшей выпуклости экспериментальной дозовой зависимости, либо точку, соответствующую наперед заданному эффекту, например, увеличению угнетенности тестируемых организмов на 5% по сравнению с контролем. Существуют также подходы на основе эмпирических уравнений, учитывающих гормезис, а также подходы с использованием раздельного анализа правых и левых ветвей экспериментальной дозовой зависимости, в том числе с использованием уравнения Митчерлиха. Решение проблемы объективного определения пороговой концентрации в почве стрессора на основе анализа эмпирической зависимости доза–эффект находится в сфере теоретических решений, одно из которых и обсуждается в данной работе.
Третья частная проблема, требующая решения, это проблема количественного учета комплексности загрязнения (обычно загрязняющие вещества в почве присутствуют в комплексе). Как правило, с использованием дозовых зависимостей анализируют однокомпонентные смеси в поисках пороговой концентрации одного загрязняющего вещества. Полученное нами ранее аналитическое решение теоретической модели роста позволяет находить по результатам опыта пороговое значение результирующей концентрации компонентов смеси в форме среднего геометрического из концентраций компонентов. В данной работе этому теоретическому решению дано экспериментальное обоснование по результатам анализа а) зависимостей субстрат-индуцированного дыхания в образцах почв из окрестностей горно-обогатительного комбината, загрязненных выпадениями, поступившими с комбината в виде пыли, от различных вариантов комплексирования концентраций наличных компонентов в результирующей концентрации загрязнителей в почве, и б) зависимостей вегетационного индекса, соответствующего точке максимума, от концентрации загрязнителей в тех же почвах и в тех же вариантах.
При наличии норматива качества оценка земель по степени загрязненности почвы сводится к чисто технической задаче систематического применения норматива в качестве критерия. В таком случае все земли оцениваемой территории могут быть отнесены к одной из двух категорий, почв загрязненных (концентрация загрязнителя в почве больше норматива) или почв не загрязненных (концентрация загрязнителя в почве меньше норматива). При наличии помимо норматива качества еще и критериальных таблиц, возможно более детальное ранжирование территории по критерию качества почв. В отсутствие нормативов, что характерно в отношении множества загрязняющих веществ и, в особенности, в отношении комплексного загрязнения, ранжированию предшествует построение и анализ экспериментальных дозовых зависимостей с целью получения пороговых значений, пригодных и для нормирования и для оценки качества почв. Проблемы, требующие решения при выполнении этой задачи, и предложения по их решению являются предметом данной статьи. Кроме того, предметом статьи является обоснование возможности использования данных дистанционного зондирования в качестве источника сведений для получения пороговых значений концентраций загрязняющих веществ методом анализа дозовой зависимости. В случае необходимости дробного ранжирования территории по содержанию загрязняющих веществ критериальная таблица может быть получена из той же экспериментальной дозовой зависимости путем анализа производных второго и третьего порядков.
Четвертая проблема, требующая решения, связана с необходимостью обоснования правомерности распространения результатов количественной интерпретации дозовых зависимостей, полученных в лабораторных условиях методом биотестирования, на натурные условия. Как правило, такие результаты в форме пороговых значений концентрации стрессора в почве, получаемые сертифицированными методами в рамках узаконенной процедуры в виде ПДК (предельно допустимая концентрация), распространяют на натурные условия непосредственно, без обоснования. В данной работе решение этой проблемы найдено на путях теоретического обобщения уравнения толерантности с использованием обезразмеривания исходных переменных путем нормирования своими значениями в точке максимума. Критерием обоснованности распространения результатов лабораторных опытов на натурные условия служит возможность (или невозможность) обобщения дозовых зависимостей (в нормированных переменных), полученных параллельными опытами в лаборатории и в натурных условиях. Решение задачи обоснования правомерности распространения результатов анализа лабораторных опытов по биотестированию на натурные условия решает тем самым задачу обоснования правомерности нормирования почв по результатам биотестирования.
Макрокинетические исследования роста на многокомпонентных субстратах широко используются в количественной биологии. Обычно в них сочетаются измерение динамики роста в функции начальных концентраций компонентов субстрата и анализ с использованием систем дифференциальных уравнений, моделирующих рост. Нелинейность этих систем является причиной преобладания численных методов их решения. В рамках представлений сплошной среды на основе законов сохранения механики и макроскопической химической кинетики реагирующих биологических систем с применением теории подобия и анализа размерности выведена (Гендугов, Глазунов, 2014) модель роста клеточных популяций на субстрате с многими компонентами. Модель характеризуется наличием шести особых точек, разграничивающих семь фаз роста, характеризующихся собственным набором значений кинетических характеристик (скоростей роста, ускорений роста). При стремлении времени к нулю правая часть уравнения роста также стремится к нулю. При стремлении времени к бесконечности правая часть также стремится к нулю, что также не противоречит общебиологическим представлениям. Модель позволяет обоснованно (объективно) и точно (решением уравнений второй и третьей производных) определить границы фаз роста по экспериментальной динамике роста. Эта модель и была использована в настоящей работе при анализе сезонной динамики вегетационного индекса на загрязненных территориях.
В случае постоянства времени оно включается в константы модели. В таком случае график решения модели, имеющий вид деформированного колокола, характеризуется наличием шести особых точек, разграничивающих семь интервалов в фазовом пространстве зависимости роста от концентрации стрессора, характеризующихся собственным набором значений "кинетических" характеристик. Модель, по существу представляющая собой математическое выражение закона толерантности, полезна при анализе дозовых зависимостей и экологическом нормировании. Эта модель и была использована при анализе экспериментальных дозовых зависимостей: а) субстрат индуцированного микробного дыхания в образцах черноземных почв из окрестностей горно-обогатительного комбината (Бакунович и др., 2016) от валового содержания (мкг/г) в этих почвах химических элементов (Li, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Mo, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, Pb) и б) максимального за сезон значения вегетационного индекса от содержания этих же элементов в почвах соответствующих мониторинговых площадок. Вегетационный индекс был рассчитан по данным Landsat 8, полученным из открытого источника: https://earthexplorer.usgs.gov. Обработка космических снимков и подготовка картографического материала проведена в открытой ГИС SAGA. Коэффициенты уравнений решения моделей роста и толерантности получены подгонкой модели к экспериментальным данным по способу наименьших квадратов с использованием пакетов программ для ПЭВМ MS Excel и Sigma Plot, а особые точки – с использованием пакета Maxima.
В ходе решения указанных выше проблем обоснование подхода к мониторингу состояния и нормированию качества компонентов окружающей среды в данной работе произведено путем: а) моделирования сезонной динамики вегетационного индекса для всех пунктов отбора проб в рамках представлений сплошной среды на основе законов сохранения механики и макроскопической химической кинетики реагирующих биологических систем с применением теории подобия и анализа размерности, б) анализа и исследования решений модели, получаемых в двух приближениях, (1) постоянства начальной концентрации компонентов субстрата, (2) постоянства времени, в) подгонки модели роста, получаемой в результате решения уравнений модели в приближении (1) к сезонным значениям вегетационного индекса NDVI для точек на поверхности Земли, обеспеченных наземными экспериментальными данными, г) подгонки модели толерантности, получаемой в результате решения уравнений модели в приближении (2) к одновременным (время достижения максимума роста) значениям вегетационного индекса NDVI для точек на поверхности Земли, обеспеченных наземными экспериментальными данными, д) интерпретации дозовой зависимости для NDVI в окрестностях горно-обогатительного комбината в рамках модели с получением пороговых значений концентрации загрязняющих веществ и особых точек дозовой зависимости, е) обобщения уравнения толерантности и обоснования правомерности распространения результатов биотестирования в лаборатории на натурные условия и ж) обоснования критериальной таблицы для ранжирования территории в окрестностях горно-обогатительного комбината по степени загрязнения почв на основе данных дистанционного зондирования.
Полученные результаты:
1. Использованная модель, выведенная ранее, адекватна с разной степенью тесноты связи экспериментальным данным по сезонной динамике вегетационного индекса.
2. Модель адекватна экспериментальным данным по зависимости вегетационного индекса (максимального за сезон) от концентрации химических элементов в почве, взятых по-отдельности или в смеси.
3. Модель адекватна экспериментальным данным по зависимости субстрат-индуцированного дыхания в почве от результирующей концентрации всех изученных элементов и их сочетаний.
4. Нормированные значения субстрат индуцированного дыхания и вегетационного индекса для одинаковых почвенных образцов из окрестностей горно-обогатительного комбината обобщаются в рамках теоретической модели.
5. Модель пригодна для выявления макрокинетических показателей сезонной динамики вегетационного индекса и для анализа дозовых зависимостей с целью нахождения пороговых концентраций индивидуальных загрязняющих веществ и их комплексов.
6. Модель пригодна для создания критериальных таблиц на основе особых точек модели для целей экологического нормирования.
7. Показана информативность подхода, основанного на результатах анализа материалов биотестирования и дистанционного зондирования Земли с использованием теоретической модели, для целей мониторинга экологического состояния территорий и нормирования их качества в окрестностях горно-обогатительного комбината в Белгородской области.
Выводы:
1. Сезонная динамика вегетационного индекса во всех пунктах отбора проб в изученных окрестностях горно-обогатительного комбината подчиняется законам сохранения механики и макроскопической кинетики биологических реагирующих систем, что позволяет находить особые точки, разделяющие фазы роста, и подтверждает обоснованность применения модели к анализу дозовых зависимостей для исследованных почв.
2. Значение вегетационного индекса закономерно (с разной теснотой связи) изменяется в зависимости от результирующей концентрации в почве загрязняющих веществ, взятых по-отдельности или в комплексе, в разных сочетаниях, что позволяет определить пороговую величину концентрации и ранжировать почвы по содержанию загрязняющих веществ на основе особых точек модели.
3. Субстрат-индуцированное дыхание в образцах почвы, взятых в окрестностях горно-обогатительного комбината, закономерно изменяется в зависимости от результирующей концентрации в почве загрязняющих веществ, взятых по-отдельности или в комплексе, в разных сочетаниях, что позволяет определить пороговую величину концентрации и ранжировать почвы по содержанию загрязняющих веществ на основе особых точек модели.
4. Результирующая концентрация загрязняющих веществ в почве для целей биотестирования с целью получения и анализа дозовой зависимости представляет собой среднее геометрическое из концентраций индивидуальных веществ в почве, найденных по результатам химического анализа.
5. Критерием правомерности распространения результатов лабораторного биотестирования на натурные условия является успешное обобщение экспериментальных дозовых зависимостей, полученных в параллельных образцах при биотестировании и при натурном обследовании.
6. Успешное обобщение экспериментальных дозовых зависимостей вегетационного индекса и субстрат-индуцированного дыхания для одинаковых почвенных образцов обеспечило возможность нормирования экологического состояния земель в окрестностях горно-обогатительного комбината.