Исследование и нормирование экологического состояния почв в зоне деятельности медеплавильного завода (на примере Среднеуральского медеплавильного завода»)

Качество почв категорий земель сельскохозяйственного назначения и населенных пунктов оценивается исключительно по санитарно-гигиеническим критериям (СанПиН 1.2.3685-21). Однако при оценке состояния почв и растительного покрова в зоне воздействия промышленных предприятий согласно современным представлениям (Глазунов и др., 2019) следует учитывать полиэлементный характер загрязнения, период воздействия источника загрязнения, а также явления сезонной динамики экосистем.
В основу разработки экологических нормативов качества окружающей среды положен анализ экспериментальных дозовых зависимостей с целью получения пороговых концентраций загрязняющих веществ в почвах с учетом видов хозяйственного использования земель и природных условий территории (Глазунов и др., 2019).
Данная работа посвящена апробации подхода, предложенного Гендуговым и Глазуновым (2014), для целей выявления пороговых уровней воздействия Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ). Она продолжает многолетние исследования экологического состояния почв и растительного покрова в окрестностях СУМЗ на основе данных ДЗЗ и подспутниковых измерений содержания в почве комплекса тяжелых металлов.
Цель работы: выявить и обосновать допустимый уровень антропогенного воздействия на наземные экосистемы в окрестностях медеплавильного завода по данным аппаратов Modis и Sentinel-2.
Задачи работы:
1. Выявить макрокинетические закономерности внутрисезонной динамики NDVI в окрестностях СУМЗ по данным аппаратов Modis и Sentinel-2;
2. Выявить макрокинетические закономерности отклика растительности (NDVI) на загрязнение почв комплексом тяжелых металлов в окрестностях СУМЗ по материалам Modis и Sentinel-2;
3. Обосновать ранжирование качества почв по закономерностям отклика растительности на загрязнение почв комплексом тяжелых металлов в окрестностях СУМЗ по двум сенсорам (Modis и Sentinel-2);
4. Составить картосхему устойчивости почв и растительного покрова к загрязнению комплексом тяжелых металлов в зоне воздействия СУМЗ по двум сенсорам (Modis и Sentinel-2).
Рабочая гипотеза исследования: поступающие по воздуху с территории СУМЗ выбросы, содержащие тяжелые металлы, оказывают на растительность, в зависимости от их количества, весь спектр воздействия, от стимулирующего до угнетающего, а функция отклика реципиента (растительного покрова в форме NDVI) на воздействие стрессора, тяжелых металлов в почве, в результате атмосферных выпадений, имеет максимум. При этом совокупная концентрация тяжелых металлов в почве (среднее геометрическое из фактических концентраций) является оптимальной для изучаемого реципиента (растительного покрова).
Объектом исследования была территория, прилегающая к Среднеуральскому медеплавильному заводу (СУМЗ), компонентами выбросов которого являются: соединения серы, фтора, азота; пылевые частицы с сорбированными тяжелыми металлами и металлоидами (Воробейчик, Кайгородова, 2017). Мерой воздействия использован показатель дозы в форме среднего геометрического из валовых концентраций в почве четырех тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb и Cd). В качестве показателя отклика растительного покрова выбрали вегетационный индекс NDVI. Значения NDVI находили по материалам Modis для 2012 года и Sentinel – 2 для 2020 года.
Макрокинетические характеристики в пространственном распределении значений NDVI в зоне воздействия СУМЗ для опорных точек, обеспеченных многолетними наземными измерениями (Воробейчик, Кайгородова, 2017, Prudnikova et al, 2010), определяли в рамках модели (Гендугов, Глазунов, 2014). Пороговая концентрация в почве комплекса тяжелых металлов составила 57,2 и 58,3 мг/кг для измерений 2012 и 2020 года соответственно. Значения концентрации, соответствующее природному фону, достигали 21,3 мг/кг в 2012 году и 12,6 мг/кг в 2020 году.
Удаленность R от источника загрязнения связана с концентрацией в почве комплекса тяжелых металлов эмпирической зависимостью: R=(3E-06)*x^(-1,5). Пересчет границ воздействия в других направлениях провели по опорному азимуту – западному по формуле (Гендугов, Глазунов, 2007): l=m(a/b)^(1/4), где l - протяженность зоны воздействия в направлении выбранного румба; m – коэффициент пересчета, равный протяженности зоны воздействия по западному румбу; a – доля ветра, создавшего границу воздействия по данному румбу; b - доля ветра восточного направления. Концентрация тяжелых металлов в почвах в окрестностях источника их поступления по воздуху в составе пыли убывает с удалением от источника тем больше, чем больше доля ветров в направлении переноса. Конфигурация границ по трем категориям качества земель во всех направлениях зависит от доли ветров в направлении переноса. Ареалы одинаковой устойчивости почв и растительного покрова к действию тяжелых металлов в зоне воздействия СУМЗ нанесены на топографическую основу. В западном, опорном, и юго-восточном направлениях зона воздействия простирается на 22 км от СУМЗ, в северо-западном – на 16 км, в северном – на 20 км, в северо-восточном – на 18 км. В восточном направлении зона воздействия наиболее продолжительна – ее граница создана преимущественными западными ветрами и удалена на 26 км от завода. В границах зоны воздействия на основании особых точек модели выделены буферная и импактная зоны.
Использованная модель (Гендугов, Глазунов, 2014) адекватна с разной степенью тесноты связи экспериментальным данным зависимости вегетационного индекса от концентрации стрессоров в почве, что обеспечивает ее пригодность для анализа дозовых зависимостей с целью нахождения пороговых концентраций загрязняющих веществ и может быть использована при создании критериальных таблиц для целей экологического нормирования.

Благодарность: исследование выполнено частично при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды», а также в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации «Почвенные информационные системы и оптимизация использования почвенных ресурсов» (Номер ЦИТИС: 121040800147-0).