Разработка количественных методов экологического мониторинга и оценки состояния почв и растительного покрова в окрестностях крупного горно-обогатительного комбината по данным дистанционного зондирования Земли

Как известно, критериями для оценки степени загрязнения почв химическими веществами на землях сельскохозяйственного назначения и населенных пунктов являются санитарно-гигиенические показатели - их предельно и ориентировочно допустимые концентрации (ПДК и ОДК) в почвах. Однако, в большинстве случаев за пределами территорий санитарно-защитных зон крупных промышленных предприятий реципиентами химического загрязнения являются экосистемы, расположенные на землях лесного фонда, на которые санитарно-гигиенические критерии не распространяются. На практике в таких случаях для оценки воздействия промышленных предприятий на компоненты окружающей среды прибегают к экспертной оценке. Готовых алгоритмов решения задач по оценке воздействия и интерпретации результатов мониторинга состояния окружающей среды нет. Уровень загрязнения почв химическими веществами сравнивают с их фоновыми концентрациями или с концентрациями на эталонных участках. При этом не учитывается полиэлементный характер загрязнения почв и период воздействия источника загрязнения. Ситуация также осложняется явлениями сезонной динамики, присущими лесным экосистемам.
При отсутствии нормативов качества окружающей среды экологической оценке предшествует построение и анализ экспериментальных дозовых зависимостей с целью получения пороговых значений, пригодных для нормирования и оценки качества компонентов среды. Проблемы, требующие решения при выполнении этой задачи, и предложения по их решению являются предметом данной работы и обуславливают ее актуальность.
Целью работы было выявить и обосновать допустимый уровень антропогенного воздействия на наземные экосистемы в окрестностях горно-обогатительного комбината по материалам дистанционного зондирования Земли.
Задачи:
1. Выбрать модель динамического отклика живого на воздействие комплекса поллютантов;
2. Выявить макрокинетические закономерности сезонной динамики вегетационного индекса в окрестностях горно-обогатительного комбината;
3. Выявить макрокинетические закономерности отклика растительности (вегетационного индекса) на загрязнение почв комплексом поллютантов в окрестностях горно-обогатительного комбината;
4. Обосновать ранжирование качества почв по закономерностям отклика растительности (вегетационного индекса) на загрязнение почв комплексом поллютантов в окрестностях горно-обогатительного комбината.

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.
Обоснование подхода к экологической оценке состояния почв 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) 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 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.
4. Модель пригодна для создания критериальных таблиц на основе особых точек модели для целей экологического нормирования.
5. Показана информативность подхода, основанного на результатах анализа материалов 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.

Благодарность.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №18-34-00037 мол_а.