Исследование и нормирование экологического состояния почв в зоне деятельности металлургического комбината

Исследовали макрокинетические характеристики отклика растительного покрова опорных точек в окрестностях г. Норильска в 2004 году на загрязнение почвы тяжелыми металлами для обоснования подхода к ранжированию почвенного покрова территорий, находящихся под воздействием выбросов металлургического комбината, по степени напряженности их экологического состояния. Целью исследования было обоснование возможности объективной количественной оценки экологического состояния почв, загрязненных тяжелыми металлами, на основе материалов дистанционного зондирования Земли с использованием теоретической модели отклика живого на воздействие стрессоров в виде тяжелых металлов. В основе исследования – получение экспериментальных данных вида «доза - ответ» и их анализ с использованием выведенной ранее теоретической модели отклика живого на воздействие стрессора, особые точки которой устанавливают пороговые концентрации стрессора, служащие основой ранжирования почв по степени напряженности их экологического состояния.
Район исследования расположен на севере Красноярского края в южной части полуострова Таймыр. Климат характеризуется продолжительной суровой зимой и относительно теплым летом со средней температурой лета 10 - 13 ºС. По данным ресурса World-weather (https://world-weather.ru/archive/russia/norilsk/) в Норильске преобладают ветры юго-восточного и северо-западного румбов.
Согласно классификации ИКИ РАН (http://sci-vega.ru/maps/) на территории района исследований распространена болотная растительность. В почвенном покрове преобладают тундровые глеевые торфянисто-перегнойные, а также таежные глеевые торфянисто-перегнойные почвы (Почвенная карта Российской Федерации, 2019). Антропогенное воздействие на почвы и растительный покров в зоне влияния металлургического комбината осуществляется преимущественно в форме воздействия газово-пылевых выбросов, в которых приоритетными загрязняющими веществами являются медь, никель, кобальт, железо и марганец, а также соединения серы (Яковлев и др., 2008). Необходимые для целей данной работы концентрации тяжелых металлов в поверхностном (0 – 5 см) слое почв, подверженных воздействию разной интенсивности, в зависимости от расстояния до источника в г. Норильск, взяты из работы Яковлева и др. (2008) для пунктов (3, 14, 15, 22, 25 км), соответствующих требованию сходства всех, помимо степени загрязнения тяжелыми металлами, факторов.
Анализ особенностей рельефа по материалам GMTED2010 радарной съемки, проведенный с использованием свободно распространяемой ГИС SAGA, позволил установить, что все пробные площадки располагаются на склоновых землях или на плоских равнинных территориях разной экспозиции с крутизной склонов менее 5 градусов в транзитных (по линиям поверхностного стока) местоположениях, что позволяет в первом приближении пренебречь этими различиями и объединить их в одну категорию по инсоляции и гидрологии. Различия между пробными площадками в их высотных отметках также оказались пренебрежимо малыми по их вкладу в различие температур за счет различий в высоте над уровнем моря, что обеспечивает пренебрежимо малую (менее 1,5 градусов) максимальную разницу в температурах за счет перепада высот.
Опираясь на сведения о генетической принадлежности и химических свойствах почв пробных площадок и закономерностях их расположения в рельефе, в качестве первого приближения приняли, что почвенные и температурно-влажностные условия пробных площадок, за исключением содержания в них тяжелых металлов, можно считать одинаковыми по их способности поддерживать растительные сообщества, а причину различий между ними в закономерностях сезонной динамики NDVI можно отнести на счет различий в степени загрязнения почвы пробных площадок тяжелыми металлами.
Для обеспечения возможности выявления пространственных, обусловленных разной степенью загрязнения почвы тяжелыми металлами, закономерностей распределения фотосинтетически активной биомассы по территории в зоне воздействия металлургического комбината и последующего нормирования, необходимо было определить коэффициенты дозовой зависимости в форме решения, полученного ранее (Гендугов, Глазунов, 2014).
В качестве меры концентрации фотосинтетически активной биомассы на пробных площадках, каждой из которых был поставлен в соответствие один пиксель, использовали максим альные за вегетационный сезон 2004 года значения индекса NDVI, полученные по материалам MODIS (7-дневный, интерполяция) из источника http://sci-vega.ru. Анализ материалов космической съемки и подготовку картографических материалов проводили в QGIS 3.12.
Получение коэффициентов модели открыло возможность нахождения анализом производных первого, второго и третьего порядков от вегетационного индекса по результирующей концентрации тяжелых металлов в почве с использованием свободно распространяемого пакета программ компьютерной алгебры Maxima (https://sourceforge.net/projects/maxima/) шести особых точек модели, разделяющих кривую отклика на семь фаз отклика, характеризуемых сходством макроскопической кинетики.
Для обеспечения возможности экстраполяции пороговых значений результирующей концентрации, соответствующих особым точкам модели, на оси, направленные вдоль основных румбов от источника загрязнения тяжелыми металлами, сначала исследовали эмпирическую связь между концентрацией тяжелых металлов в почве и удаленностью от источника загрязнения на северо-восток.
Оказалось, что удаленность от источника загрязнения в направлении на северо-восток от источника связана с концентрацией в почве тяжелых металлов эмпирической зависимостью. С использованием этой зависимости вычислили удаленность в направлении на северо-восток от источника точек, в которых результирующая концентрация тяжелых металлов соответствует особым точкам. Опираясь на представление о единстве законов переноса загрязняющих веществ ветром, экстраполировали найденную эмпирическую зависимость концентрации тяжелых металлов в почве от расстояния до источника с опорного направления на остальные румбы, полагая, что коэффициент пересчета равен корню четвертой степени из отношения доли ветров нужного румба к доле ветров опорного румба.
По этим результатам территория негативного воздействия комбината в виде восьмиугольного полигона выделена путем соединения прямыми линиями расстояний, соответствующих местоположениям концентраций в четвертой особой точке, взятых на восьми румбах. В пределах этой области отклик NDVI на загрязнение тяжелыми металлами описывается правой нисходящей ветвью теоретической кривой отклика на воздействие тяжелыми металлами, что позволяет произвести нормирование воздействия тяжелых металлов, опираясь на значения NDVI. За пределами данной границы располагается область стимулирующего воздействия тяжелых металлов на растительность, описываемая левой, восходящей ветвью кривой отклика, которую ассоциировали с фоновой территорией.
Соединение точек, маркирующих на каждом из восьми румбов концентрацию, соответствующую пятой особой точке, позволяет оконтурить внешнюю границу территории, ассоциируемой с буферной зоной, а соединение точек, маркирующих концентрацию, соответствующую шестой особой точке, позволяет оконтурить внешнюю границу территории, ассоциируемой с зоной экологического бедствия.
Результирующая концентраций трех приоритетных тяжелых металлов, соответствующая точке максимума на кривой отклика растительного покрова в форме NDVI на концентрацию тяжелых металлов в почве, принята за пороговую, так как и увеличение и уменьшение концентрации тяжелых металлов в окрестностях этой точки сопровождаются снижением и расчетных и наблюденных значений NDVI.
Оптимальная результирующая концентрация трех приоритетных тяжелых металлов, соответствующая максимуму отклика растительного покрова в форме NDVI на их воздействие, в окрестностях Норильска равна 57,86 мг/кг. Убывание результирующей концентрации тяжелых металлов в области ее значений менее оптимальной согласно модели должно сопровождаться уменьшением отклика растительности в форме NDVI. Это и было подтверждено результатами наблюдений. Возрастание результирующей концентрации тяжелых металлов в области ее значений более оптимальной согласно модели также должно сопровождаться уменьшением отклика растительности в форме NDVI. Это также было подтверждено результатами наблюдений. Кроме того, перекрытие значениями переменных в опытных точках диапазонов, включающих значения переменных в особых точках модели, служат обоснованием возможности ранжирования откликов на воздействие тяжелых металлов и нормирование их содержания в почве на основе особых точек в максимуме и справа от максимума модели, то есть, в области диапазона концентраций тяжелых металлов, опасных для растительности. В то же время экспериментальных данных явно недостаточно для обоснования нормирования в области малых концентраций, не превышающих пороговую.
Анализ макроскопической кинетики (Гендугов, Глазунов, 2014) отклика NDVI на концентрации тяжелых металлов по материалам для опорных точек, расположенных вдоль опорного направления от г. Норильск на северо-восток, показал, что техногенное воздействие в этом направлении проявляется на протяжении 90 км. В соответствии с критериями оценки экологической обстановки (Критерии оценки…, 1992) состояние почвенного и растительного покровов территории, расположенной между границами, ассоциированными с пятой особой точкой, удаленной на северо-восток от г. Норильска на 23 км, и четвертой особой точкой, удаленной на 90 км, соответствует «удовлетворительной экологической ситуации». Данная градация включает в себя первые три уровня шкалы ранжирования состояния окружающей среды по (Яковлев и др., 2008, Временная методика …, 1999). Полученные результаты согласуются с данными Корец и др. (Корец, Рыжкова, Барталев, 2006). Состояние территории, расположенной между границами импактной зоны, ассоциированной с особой шестой особой точкой, удаленной на 5 км на северо-восток, и буферной зоной, ассоциированной с особой пятой особой точкой, удаленной на 9 км, по критериям (Критерии оценки…, 1992) соответствует «чрезвычайной экологической ситуации» и четвертому уровню шкалы ранжирования состояния окружающей среды (Временная методика …, 1999). В пределах границы, ассоциированной с шестой особой точкой, удаленной на северо-восток на 5 км, почвенный и растительный покровы характеризуются крайней степенью деградации и по критериям (Критерии оценки…, 1992) подпадают под определение категории «экологическое бедствие». В соответствии с «Временной методикой …» (1999) экологическое состояние окружающей среды характеризуется 5 уровнем опасности – природные среды необратимо нарушены.
Площадь полигона экологического бедствия, прилегающего непосредственно к территории промзоны комбината, составила 827 км2, площадь полигона чрезвычайной экологической ситуации – 1407 км2. Полигон с удовлетворительной экологической обстановкой занимает площадь 678 км2.
По результатам теоретического исследования в приближениях сплошной среды при оговоренных ограничениях установлено, что экспериментальный отклик растительного покрова (в форме NDVI) на воздействие стрессора (в виде тяжелых металлов в почве) соответствует законам сохранения механики и химической и биохимической макроскопической кинетики живых реагирующих систем, откуда следует, что экологическую оценку состояния почв в окрестностях источника выброса в атмосферу тяжелых металлов можно проводить на основе анализа данных дистанционного зондирования Земли в форме вегетационного индекса NDVI, предварительно установив на основе подспутниковых измерений в опорных точках территории параметры теоретической зависимости вида «доза - ответ» для одинаковых почв при прочих равных условиях с использованием разработанной теоретической модели.

Благодарность: работа осуществлена в рамках государственного задания МГУ (номер гос.регистрации: 115122210057-9)