Введение к работе
Актуальность работы. Развитие системы экологического нормирования почв в значительной степени сдерживается по причине отсутствия общепринятой концепции нормирования в области охраны окружающей среды в целом. Существуют лишь отдельные научно-методические подходы к регулированию экологического качества почв (Виноградов и др., 1993; Воробейчик и др., 1994; Сизов, 2000; Трофимов и др., 2000; Матвеев и др., 2001; Пиковский и др., 2003; Смагин и др., 2006, 2007, 2008; Яковлев, Макаров, 2006; Фрид, 2008, 2011). Представленное в Федеральном законе «Об охране окружающей среды» в самом общем виде определение экологического нормирования не получило своего развития в соответствующих государственных нормативных документах. Таким образом, на официальном уровне не в полной мере определена связь между такими понятиями как «допустимое экологическое состояние почв» и «допустимое антропогенное воздействие на почву». Нормирование состояния экосистем, испытывающих антропогенное воздействие, осложняется еще и тем обстоятельством, что сама оценка состояния остается сложной научной проблемой. В настоящее время она основана на изучении и интерпретации количественного отклика элементов экосистем на воздействие. До сих пор, несмотря на достигнутые в этом направлении успехи (Воробейчик и др., 1994; Пых, Малкина-Пых, 1996; Ризниченко, Рубин, 1993, 2004; Левич, Булгаков, Максимов, 2004), обобщающей теории не создано. Аппроксимация экспериментальных данных функциями из класса логистических (Перт, 1978; Виноградов и др. 1993; Воробейчик и др., 1994; USEPA, 2000; Алхутова, 2010) носит компромиссный характер, так как при этом не учитывается стимулирующее действие малых доз микроэлементов. Основная трудность в обобщении результатов такого рода исследований состоит в том, что, биотический отклик на воздействие является строго индивидуальным. Это означает, что различаются и переменные, в которых исследуется отклик, и вид уравнений, его описывающих, что порождает главную проблему - проблему обобщения разных откликов. С учетом вышесказанного представляется актуальным в рамках макрокинетического подхода получить закон роста в функции концентрации ведущего компонента субстрата и на его основе разработать: а) показатель состояния почвы, загрязненной тяжелыми металлами и б) способ введения шкалы качества, обеспечивающий однозначность оценок.
Важной составляющей экологического нормирования качества почв, загрязняемых тяжелыми металлами, является мониторинг и прогнозирование загрязнения (Мотузова, Безуглова, 2007). Разработке теоретических основ мониторинга посвящены многочисленные работы (Умарова, 1995; Jarvis, Bergstrom, Brown, 1995; Селиванова, Ширкин, Трифонова, 2002; Кошелева, 2002; Dijkstra et al., 2004; Мами-хин, 2005; Лубкова, 2007; Шеин и др., 2009; Тиньгаев, 2009; Барсова, 2009; Тол-пешта, Соколова 2009; Минкина, Мотузова, Назаренко, 2009; Голованов, Сотнева, 2009; Фрид, 2011), из анализа которых следует необходимость опоры на теоретические модели с минимальным числом переменных. Этому требованию отвечает
теоретическая модель, позволяющая прогнозировать содержание тяжелых металлов по глубине во времени.
Цель работы: Выявить закономерности миграции тяжелых металлов по профилю почвы и отклика биоты на их воздействие для обеспечения возможности прогнозирования экологического состояния и нормирования качества почв.
Задачи:
Обосновать подход к количественной оценке экологического качества почвы на основе функции экологического благополучия, аргументом которой является показатель биотического отклика на интенсивность воздействия (концентрацию ведущего компонента - тяжелого металла).
Вывести, исследовать и апробировать уравнение роста и отмирания живых организмов с течением времени в зависимости от концентрации ведущего компонента субстрата (тяжелого металла).
Выявить закономерности изменения дыхания почвенного микробного сообщества в зависимости от концентрации тяжелых металлов в образцах целинного типичного чернозема и светло-каштановой почвы в контролируемых условиях и использовать в качестве основы экологического нормирования почв.
Исследовать многолетнюю динамику некоторых тяжелых металлов в почвах лизиметров на территории МГУ имени М.В.Ломоносова под разными типами насаждений.
Вывести и апробировать уравнение зависимости концентрации в почве металлов, поступающих в нее в виде атмосферных выпадений, от глубины при фиксированном времени наблюдения.
Научная новизна исследования. Нормирование экологического состояния почвы поставлено на количественную основу путем введения показателя состояния почвы в качестве ее свойства, подчиняющегося законам сохранения и являющегося функцией отклика на воздействие, производимое на почву. Впервые методами биологической макрокинетики в рамках нестационарного неравновесного приближения выведено уравнение зависимости микробной биомассы в ограниченном объеме почвы от времени и концентрации ведущего компонента субстрата. При фиксированной концентрации ведущего компонента оно сведено к уравнению закона роста, имеющему график в виде деформированного колокола, а при фиксированном времени оно сведено к уравнению отклика на воздействие, также имеющему график в виде деформированного колокола. Анализом особых точек уравнения закона роста выявлено закономерное чередование интервалов роста, характеризуемых собственным набором кинетических характеристик, открывающее возможности в исследовании фаз микробного роста. Анализом особых точек уравнения отклика на воздействие выявлено закономерное чередование диапазонов концентрации ведущего компонента субстрата, в пределах которых отклик на воздействие характеризуется собственным набором кинетических характеристик, не повторяющихся в других диапазонах, открывающее возможности в ранжировании и нормировании воздействий и откликов на них. Экспериментально и теоретически доказана возможность
применения метода мультиреспирометрического тестирования образцов почв, загрязненных тяжелыми металлами, для целей их экологической оценки и нормирования. Впервые выведено теоретическое уравнение зависимости концентрации в почве металлов, поступающих в нее в виде атмосферных выпадений, в функции глубины и времени и апробировано на примере данных по многолетней динамике некоторых (медь, никель, марганец) металлов в почвах лизиметров МГУ под разными типами насаждений.
Практическая значимость работы. Разработанную методику комплексной экологической оценки и нормирования качества почвы, которая опирается на определяемые в рамках биотического подхода границы между областями нормального и патологического функционирования почвы, целесообразно применять при экологической оценке антропогенно измененных почв земель разного хозяйственного назначения, при экологической оценке состояния и нормировании почв в зоне размещения полигонов отходов, а также при выявлении уровней допустимого антропогенного воздействия на почвы промышленных предприятий. Выведенный показатель состояния почвы позволяет унифицировать экологическую оценку качества почв, а также получить объективную оценку состояния почвы под множеством разнокачественных нагрузок, что особенно актуально в условиях полиэлементного загрязнения почв в зоне влияния промышленных объектов и автодорог. Данный показатель состояния можно обобщить и на другие, помимо почвы, природные среды, граничащие с ней и обменивающиеся с ней массой. Выведенное уравнение зависимости концентрации металлов в почве от глубины и времени позволит прогнозировать их содержание в целях управления качеством почв.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены: на международной Юбилейной Всероссийской научной конференции «X Докучаевские Молодежные чтения: «Почвы и техногенез»» - 2007, Санкт - Петербург; II Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» -2007, Москва; XV Международной конференции «Ломоносов-2008», Москва; I Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии и сельском хозяйстве на пути к инновациям» - 2008, Москва; У.М.Н.И.К. - 2008, Москва; V Всероссийском съезде общества почвоведов - 2008, Ростов-на-Дону; XVI Международной конференции «Ломоносов - 2009», Москва; на Международном конгрессе «Атмосфера-2010», Санкт - Петербург; на Международной научно-практической конференции «Экологическое нормирование, сертификация и паспортизация почв как научная основа рационального землепользования» - 2010, Москва; на Международной Научной конференции «Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности России» - 2011, Санкт - Петербург; на заседаниях и научных семинарах кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова.
Публикации. По теме диссертации работы опубликовано 17 работ, из них 6 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы, включающего 144 отечественных и 46 зарубежные работы, приложения. Содержательная часть диссертации изложена на 104 страницах, иллюстрирована 6 рисунками, 12 таблицами.
