Введение к работе
Актуальность исследований. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) за последние столетия стало серьезной проблемой, сопоставимой с глобальными природными явлениями по последствиям. Постоянно возрастающее воздействие человека на окружающую среду не соизмеряется с ее устойчивостью, возникают нарушения в ходе естественных природных процессов. Методологической основой оценки устойчивости почв, то есть их способности нейтрализовать отрицательные эффекты воздействия различных техногенных веществ, является анализ свойств и режимов почв, контролирующих процессы трансформации, накопления и выноса веществ в почвенном профиле, степень подвижности токсичных ТМ (Глазовская, 1997).
Анализ устойчивости почв ведется по двум направлениям. К первому направлению относится разработка принципов оценки устойчивости, основанное на выборе комплекса наиболее важных параметров, оценке каждого из них по бальной системе и использование суммы баллов в качестве количественного показателя почв. Второе направление связано с построением и исследованием математических моделей, описывающих протекающие в почве процессы и отображающие механизмы ее устойчивости. В этом случае становится возможным использование математических методов анализа устойчивости. Работа выполнена в рамках второго направления, с учетом того, что почва относится к иерархическим системам и возникновение процессов каждого иерархического уровня ведет к созданию системы почвенных соединений химических элементов соответствующей категории. В качестве наименьшей структурной единицы, характеризующей свойства почвы как природного объекта, может быть выделена элементарная система соединений химических элементов.
Структура и функционирование элементарной системы химических элементов почвы обеспечивает ее экологическую устойчивость, т.е способность почв ограничивать отрицательное воздействие поллютантов на окружающую среду которая проявляется как стабильность существования равновесия между прочно связанными соединениями и непрочно связанными соединениями химического элемента (Мотузова, 2001). Взаимосвязь между данными соединениями обеспечивается реакциями, которые создают перераспределяющие потоки веществ и энергии. Постоянство потоков обеспечивает гетерогенность составляющих почвенной элементарной системы соединений, нелинейность отклика системы на внешнее воздействие, наличие отрицательных и положительных обратных связей.
Загрязнение почв ТМ влияет на устойчивость системы почва-растения, структуру микробного ценоза. Содержание ТМ в растениях, численность микроорганизмов являются предметом саморегуляции, которую необходимо учитывать при оценке экологической устойчивости почвы к внешним воздействиям.
Целью данной работы является разработка приемов оценки экологической устойчивости почв к загрязнению ТМ на основе использования методов теории нелинейных динамических систем.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
-
Разработать математические модели формирования экологической устойчивости почв к воздействию ТМ на основании процессов поглощения и трансформации ТМ почвами, отражающих нелинейные обратные связи в элементарной системе соединений металлов, а также учитывающие влияние ТМ на микроорганизмы и растительность.
-
Определить экологическую устойчивость почв Нижнего Дона (агроценозов и почв окрестностей Новочеркасской ГРЭС) к загрязнению Cu, Pb, Zn на основе предложенных математических моделей.
-
Дать оценку экосистемных функций почвы на основе предложенных математических моделей.
-
Изучить влияние методов ремедиации загрязненных почв на экологическую устойчивость почв к загрязнению, качество и продуктивность растений.
Научная новизна работы. Впервые представлен анализ устойчивости черноземов Нижнего Дона, проведенный путем построения серии постепенно усложняющихся математических моделей поглощения и трансформации ТМ. На основе представленных моделей проведен качественный анализ влияния показателей сродства ТМ и непрочно связанных соединений ТМ в почве на устойчивость системы почва-растения к загрязнению, влияние ТМ на микроорганизмы. Введены индексы экологической устойчивости к поглощению почвой ТМ, характеризующие изменения в количестве непрочно связанных соединений ТМ, составе микроорганизмов и растительности. Показана информативность разработанных моделей оценки экологической устойчивости почв в условиях естественного и искусственного загрязнения почв. Предложена шкала экологического нормирования загрязнения черноземов обыкновенных ТМ по степени изменения индекса экологической устойчивости почв.
Практическая значимость. Модели, разработанные для почв Нижнего Дона, могут быть использованы для широкого спектра почв при разных уровнях техногенной нагрузки. Данные модели позволяют проводить расчет устойчивости почв к загрязнению ТМ, действия ТМ на свойства почв и качество растений.
Данные показатели могут быть использованы научными, производственными и природоохранными организациями при мониторинге почв, оценке воздействия ТМ на состояние почв и растений, экологическом нормировании загрязнения почв и определении предельно допустимой техногенной нагрузки, разработке и оценке способов восстановления загрязненных почв.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
С целью экологического мониторинга почв, анализа степени загрязненности почв ТМ и оценки экологической устойчивости почв Нижнего Дона к загрязнению построены математические модели, основанные на нелинейных дифференциальных уравнениях. В качестве основных параметров математических моделей состояния почв приняты величина максимальной адсорбции металлов почвами, показатель сродства ТМ с поверхностью почвенных частиц, содержания непрочно связанных соединений ТМ в почвах, показатель выноса ТМ растениями.
-
Черноземы Нижнего Дона обладают достаточным запасом прочности, количественная характеристика которого описывается индексом экологической устойчивости почв по отношению к ТМ, уменьшаясь в ряду: чернозем южный тяжелосуглинистый > чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый > чернозем южный среднесуглинистый > чернозем южный супесчаный. По влиянию на устойчивость почв к загрязнению тяжелые металлы располагаются в ряд: Pb > Cu > Zn.
-
Индекс устойчивости почв уменьшается с ростом техногенной нагрузки, что приводит к изменению биологической активности почв и увеличению накопления металлов растениями. Предложена оценка экологической устойчивости почв с учетом интегрального показателя биологического состояния почв.
-
Внесение различных сорбентов в загрязненную металлами почву увеличивает устойчивость почв. В большей степени этому способствует совместное внесение карбонатов и навоза.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научно-практических конференциях «Состояние и перспективы развития агрономической науки» (Персиановский, 2007), V Всероссийском Съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); научно-практической конференции «Проблемы мониторинга и сохранения плодородия почв мелиорированных земель» (Новочеркасск, 2009), VI Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) для изучения окружающей среды, включая секции молодых ученых Научно-образовательных центров России и Международную школу молодых ученых ЮНЦ РАН (Азов, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 4 статьи в изданиях, из перечня рекомендованных ВАК. Доля участия 75% 3,87 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 162 страницах печатного текста. Состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы. Содержит 18 таблиц и 36 рисунков. Список литературы включает 200 источников, из них 40 на иностранных языках.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ РН 5.5349.2011, ГК № 16.740.11.0054, ГК № 16.740.11.0528, ГК № 16.740.11.0232
