Научно-теоретические основы экологического нормирования, оценки качества компонентов окружающей среды и управления в области землепользования и охраны почвНИР

Scientific and theoretical foundations of environmental regulation, environmental components quality assessment and ecological management

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка и апробация комплексной методики оценки территории объектов прошлого экологического ущерба, основанной на методологии оценки рисков
Результаты этапа: Краткие выводы по результатам выполнения в 2016 году первого этапа "Разработка и апробация комплексной методики оценки территории объектов прошлого экологического ущерба, основанной на методологии оценки рисков" в рамках НИР "Научно-теоретические основы экологического нормирования, оценки качества компонентов окружающей среды и управления в области землепользования и охраны почв". На первом этапе НИР разработаны научно-методические подходы к выявлению и оценке объектов ПЭУ, определению необходимого уровня очистки объектов (территорий) ПЭУ с целью последующего функционального (целевого) использования территорий с учетом географических, природно-климатических условий, а также с учетом целевого назначения участков земель и вида целевого использования. Разработаны требования к типизации территорий с прошлым экологическим ущербом по следующим критериальным параметрам: - по виду и характеру негативного антропогенного воздействия, обуславливающего возникновение прошлого экологического ущерба; - по приуроченности территорий с прошлым экологическим ущербом к природно-климатическим зонам; - по устойчивости компонентов окружающей среды территорий с прошлым экологическим ущербом к фактору негативного антропогенного воздействия; - по категории земель и видам хозяйственного использования территорий с прошлым экологическим ущербом. Урегулирован алгоритм выбора перечня компонентов окружающей среды, для которых должны быть установлены нормативы экологического качества, при достижении которого они могут быть использование по целевому назначению. В Рекомендациях приведен перечень показателей экологического состояния компонентов окружающей среды, по которым определяется их качество, а также критерии экологической оценки и нормирования допустимого безопасного остаточного содержания загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды с учетом буферной способности почв, сорбционных свойств почв, способности почв к самовосстановлению и самоочищению, миграции загрязняющих веществ из почвы в сопредельные среды, способности почв к выполнению экологических функций. В методических рекомендациях определения необходимой степени очистки территорий и объектов для их последующего целевого использования включены рекомендации по содержанию экспериментальных работ для установления нормативов допустимого безопасного остаточного содержания загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды и алгоритм их проведения. Предлагается к утверждению стандартизированная процедура отбора проб компонентов окружающей среды на территориях с прошлым экологическим ущербом с учетом площади, характера ландшафта, местоположения в рельефе и вида загрязнителя. Разработанным методическим документом предлагается урегулировать порядок действий по обоснованию необходимой степени очистки на основе принципов устойчивого развития территорий (почв и земель), а также установить требования к алгоритму выбора основных показателей качества окружающей среды, характеризующих влияния объектов ПЭУ с позиции совместного рассмотрения принципов экологической и медицинской оценки и нормирования; основных показателей качества окружающей среды для определения необходимой степени очистки территорий и объектов для их последующего функционального (целевого) использования с учетом географических, природно-климатических условий, а также с учетом целевого назначения земельных участков и вида их целевого использования, критерии оценки необходимой степени очистки территории. В работе предложены основные понятия, такие, как почвы и земли как самостоятельные компоненты окружающей среды; деградация почв и земель в целом, и по отдельным направлениям деградации; рекультивация земель; консервация земель; использование земель разного уровня деградации; критерии и методы экологической и эколого-экономической оценки и нормирования почв и земель на основе представлений об их экологических функциях.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Исследование многолетней динамики некоторых тяжелых металлов в почвах лизиметров на территории МГУ имени М.В.Ломоносова под разными типами насаждений. Прогноз загрязнения почв лизиметров на основе уравнения зависимости концентрации в почве металлов, поступающих в нее в виде атмосферных выпадений, от глубины при фиксированном времени наблюдения.
Результаты этапа: Аннотация Впервые выведено теоретическое уравнение зависимости концентрации микроэлементов в почве, 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. Ключевые слова: микроэлементный состав, тяжелые металлы, атмосферное загрязнение, прогноз загрязнения Важной составляющей системы экологического нормирования качества компонентов окружающей среды является мониторинг и прогнозирование загрязнения почв [1]. Разработке теоретических основ мониторинга посвящены многочисленные работы [2-15], 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. Целью настоящей работы было выявить закономерности миграции микроэлементов по профилю модельных однородных почв лизиметров почвенного стационара МГУ имени М.В. Ломоносова для обеспечения возможности прогнозирования их экологического состояния. Прогноз загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) произведен на основе уравнения зависимости концентрации тяжелых металлов в почве, поступающих в нее в виде атмосферных выпадений в функции глубины при фиксированном времени наблюдения. Исследования проводились на модельных почвах лизиметров, которые были заложены учеными факультета почвоведения МГУ в 1965г. с целью изучения особенностей почвообразовательного процесса на покровных суглинках под растительностью, характерной для юга таежной зоны. Каждый из 20 открытых лизиметров представляет собой бункер глубиной 1,5 м, площадью поверхности 9 м2, объемом 13,5 м3, заполненный бескарбонатным покровным суглинком из Люберецкого карьера. В лизиметрах были созданы фрагменты растительных сообществ, типичных для южной тайги (чисто еловые насаждения, смешанные насаждения из ели, дуба и клена, чисто широколиственные насаждения из дуба и клена), посеяны многолетние травы (ежа сборная, райграс, тимофеевка, люцерна, клевер) и культуры, входящие в полевой севооборот, а два лизиметра оставлены без растительности в состоянии чистого пара [16, 17]. Нам была предоставлена возможность изучения почв трех лизиметров – под многолетними травами, под насаждениями широколиственных и хвойных культур. Входными параметрами для построения модели послужили не только актуальные данные, но литературные и архивные материалы [18]. С помощью бура диаметром 5 см в лизиметрах почвенного стационара МГУ были отобраны 24 почвенных образца (послойно, до глубины 80см). В образцах почв были определены некоторые химические показатели (Табл. 1): общее содержание органического углерода (по Тюрину в модификации Никитина), рН водной вытяжки (потенциометрически) и содержание обменных оснований – с помощью экстрагирования их раствором ацетата аммония с рН = 7 (по Каппену-Гильковицу) [19], а также кислоторастворимые соединения Zn, Cu, Ni и Mn в 1 н HNO3 вытяжке, подвижные соединения Cu, Zn и Ni – в ацетатно-аммонийной вытяжке с рН = 4,8. Определение элементов проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на спектрофотометре AAS-3 в пламени ацетилен-воздух [20]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В результате развития почвообразовательных процессов на бескарбонатном покровном суглинке под различными видами насаждений в лизиметрах почвенного стационара МГУ имени М.В. Ломоносова произошла дифференциация почвенного профиля по кислотности, содержанию органического вещества и тяжелых металлов. Городские почвы функционируют в условиях, присущих урбанизированным экосистемам, а именно при повышенном поступлении пыли, состав которой определяется интенсивностью потоков автотранспорта и промышленных выбросов [21], в результате чего в поверхностных слоях почв лизиметров за 41 год с момента закладки опыта под всеми видами насаждений зафиксировано увеличение содержания меди в 3,3 – 27,5 раза, никеля в 3,7 – 5,5 раза и марганца в 3,4 – 4,5 раза, а с 1995 по настоящее время – в 1,6 – 4,9, 1,1 – 1,2 и 1,4 – 1,7 раза соответственно. Прогноз загрязнения почв лизиметров тяжелыми металлами Проблема прогнозирования загрязнения почв тяжелыми металлами является достаточно сложной. Существует три основных метода прогнозирования: экспертная оценка, статистические методы, основанные на регрессионных моделях, и аналитические методы. В условиях недостатка фактической информации наиболее распространенными являются методы экспертной оценки. Более объективными являются статистические методы, но они требуют обширного фактического материала, который чаще всего отсутствует. В этих условиях более перспективными являются аналитические методы, основанные на законах природы и требующие сравнительно мало фактического материала. Метод экспертной оценки предполагает использование всего доступного материала. Так как этот материал чаще всего ограничен сведениями об интенсивности выпадений из воздуха, то, опираясь на законы сохранения и сведения о закономерностях поведения тяжелых металлов в почве, для которых характерно накопление в почвенном профиле, преимущественно в поверхностных горизонтах, темп накопления металла в почве приравнивают темпу его поступления из воздуха. Технически эти прогнозы строятся на расчете баланса привноса - выноса элементов за зимний период времени, так как снежный покров является хорошим экраном для газо-пылевых выпадений и удобным объектом для исследования. Прогнозирование проводится с допущением того, что потоки загрязняющих веществ являются равномерными в течение года. Рассмотрим возможность прогнозирования на основе аналитической модели. Прогнозирование возможно на основе применения уравнения (19). Параметры этого уравнения (Табл. 2) получены с использованием экспериментальных данных 1995 года [18]. Имея эти данные, можно прогнозировать профильное содержание тяжелых металлов для любого . Имея экспериментальные данные через 41 год после закладки опыта, полезно сравнить их с расчетными, полученными по уравнению (19), с учетом того, что в t=41 год (Рис. 2). Количественным показателем сходимости результатов прогноза и экспериментального определения служит относительная ошибка расчета по слоям, которая представляет собой отношение разности между измеренной и расчетной величинами к измеренной (Табл. 5), стандартная ошибка оценки (σ) и коэффициент корреляции (R) (Рис. 2). Коэффициент линейной корреляции (R) подтверждает хорошую предсказательную способность модели (Рис. 1). Полученные уравнения характеризуются коэффициентами корреляции близкими к единице, и малыми значениями стандартной ошибки коэффициентов (Рис. 2). ЗАКЛЮЧЕНИЕ На примере данных по содержанию меди, никеля и марганца в почвах лизиметров МГУ получено и апробировано физически обоснованное уравнение пространственно-временной динамики концентрации поллютантов в почве при поверхностном загрязнении. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования аналитических моделей для целей прогнозирования. Преимуществами полученной аналитической модели являются: а) возможность прогнозирования послойного содержания тяжелых металлов по годам, б) возможность прогнозирования запасов металлов по требуемому слою по годам (при наличии данных по плотности почв), в) возможность послойного прогнозирования превышения предельно (ориентировочно) допустимых концентраций тяжелых металлов в почве. Ограничениями применимости модели служат условия, сформулированные при ее выводе. Среди них важнейшим является предположение об однородности почвенного профиля, справедливое в случае почв лизиметров, но не всегда справедливое в отношении природных почв. Учет закономерностей профильного изменения свойств почв – главное направление совершенствования аналитической модели. Другим направлением ее совершенствования является уточнение значений параметров уравнения путем исключения ошибок экспериментального определения содержания тяжелых металлов по слоям почв в лизиметрах. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв. М.: Академ. Проспект, Гаудеамус, 2007. 237 с. 2. Умарова А.Б. Почвенно-экологический мониторинг процессов переноса воды и вещества в модельных дерново-подзолистых почвах в условиях многолетнего лизиметрического опыта: дис. канд. биол. наук / Моск.гос.ун-т им. М.В. Ломоносова. М., 1995. 143 с. 3. Jarvis N.J., Bergstrom L. and Brown C.D. Pesticide leaching models and their use for management purposes, in Environmental behavior of agrochemicals / Еds. T.R. Roberts and P.C. Kearney. New York: Wiley, 1995. Р. 185–220. 4. Селиванова Н.В., Ширкин Л.А., Трифонова Т.А. Миграция токсичных элементов промышленных отходов в почвах. В кн. Геохимические барьеры в зоне гипергенеза / под ред. чл-корр РАН Н.С. Касимова и проф. А.Е. Воробьева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. С. 305-313. 5. Кошелева Н.Е. Математическое моделирование миграционных процессов в ландшафтно-геохимических системах: автореф. дис. докт. геогр. н. / Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова. М., 2003. 40 с. 6. Dijkstra J.J., Meeussen J.C.L., Comans R.N.J. Leaching of Heavy Metals from Contaminated Soils: An Experimental and Modeling Study // Environ. Sci. Technol., 2004, 38 (16), P. 4390–4395. 7. Мамихин С.В., Никулина М.В. Имитационная модель поведения 90Sr в почве и древесном ярусе соснового леса // Радиационная биология. Радиоэкология. Т. 45. №4. 2005. С. 218 – 226. 8. Лубкова Т.Н. Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов: автореф. дис. канд. геол.-минерал. наук. М., 2007. 28 с. 9. Шеин Е.В., Кокорева А.А., Горбатов В.С., Умарова А.Б., Колупаева В.Н., Перевертин К.А. Оценка чувствительности, настройка и сравнение математических моделей миграции пестицидов в почве по данным лизиметрического эксперимента // Почвоведение. 2009. № 7. С. 824–823. 10. Тиньгаев А.В. Влияние органических отходов на содержание тяжелых металлов в почве // Агро XXI. 2009. №10-12. 11. Барсова Н.Ю. Поглощение и миграция цинка в подзолистой и дерновой почвах Тверской области: автореф. дис. канд. биол. наук / Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова. М., 2009. 27 с. 12. Толпешта И.И., Соколова Т.А. Соединения алюминия в почвенных растворах и его миграция в подзолистых почвах на двучленных отложениях // Почвоведение. 2009. № 1. С. 29–41. 13. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Г. Состав соединений тяжелых металлов в почвах. Ростов-на-Дону: Изд-во «Эверест», 2009. 208 с. 14. Голованов А.И., Сотнева Н.И. Математическое моделирование влаго- и солепереноса в геосистемах солонцовых комплексов Северного Прикаспия // Почвоведение. 2009. № 3. С. 273–289. 15. Фрид А.С. Экологическое нормирование свойств почв при антропогенных воздействиях // Матер. Междунар. научной конференции «Ресурсный потенциал почв – основа продовольственной и экологической безопасности России». СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2011. С. 498-499. 16. Винник М.А., Болышев Н.Н. Первые итоги наблюдений в открытом лизиметре // Почвоведение. 1972. №4. C. 114-121. 17. Герасимова Л.В., Первова Н.Е., Рыжова И.М. Миграция элементов в модельных биогеоценозах с различной растительностью на ранних стадиях почвообразования // Вестн. Моск. Ун-та. Сер.17. Почвоведение. 1987. №1. C. 24-28. 18. Плеханова И.О., Манагадзе Н.Г., Васильевская В.Д. Формирование микроэлементного состава почв в лизиметрах стационара факультета почвоведения Московского Университета // Почвоведение. 2003. №4. С. 409-417. 19. Теория и практика химического анализа почв / Воробьева Л.А., Лопухина О.В., Салпагарова И.А. др. ГЕОС Москва, 2006. С. 400. 20. Обухов А.И., Плеханова И.О. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях. М.: Изд-во МГУ, 1991. 184с. 21. Плеханова И.О., Абросимова Г.В. Особенности формирования микроэлементного состава и свойств почв модельных фитоценозов почвенных лизиметров // Почвоведение. 2016. №4. С. 420-433. 22. Эммануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высш. шк. 1984. 463 с. 23. Фролов Н.А. Основы математического анализа. М.: Учпедгиз, 1955. 168 с.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Эколого-экономическая оценка и контроль деградации почв и земель на основе характеристики их экосистемных услуг и оптимизация системы управления землепользованием путем достижения устойчивого развития при соблюдении экологических требований для земель разного хозяйственного назначения.
Результаты этапа: Предложены методические подходы к оценке устойчивого развития сельскохозяйственных регионов России на основе характеристики двух блоков - «эколого-ресурсного фундамента» и социально-экономической «надстройки» территории. Оценка эколого-ресурсного фундамента основана на выявлении степени деградации почв по некоторым диагностическим показателям (кислотность почв, содержание в почве гумуса, подвижного фосфора и обменного калия) в рамках пятиуровневой шкалы, градации значений которой по каждому диагностическому показателю представляют собой потерю качества почв относительно средневзвешенного значения по области. Оценка социально-экономического блока также проводилась в рамках пятиуровневой шкалы. Критерием оценки являлась обеспеченность территорий объектами базовой социальной инфраструктуры. Методика апробирована на примере двух областей Центрально-Черноземного экономического района. Наиболее близка к нормам устойчивого развития оказалась Белгородская область. Особенно это выражено в социально-экономическом аспекте развития территории. Что касается природно-ресурсной составляющей оценки устойчивого развития сравниваемых регионов, существенного различия по ключевым показателям плодородия почв и земель не отмечалось.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Экологические требования к экологическому нормированию с учетом природных условий и видов хозяйственного использования.
Результаты этапа: Изложено обоснование способа введения показателя состояния и оценки качества компонента окружающей среды, испытывающего воздействие. Приведен вывод уравнения функции состояния в общем виде; рассмотрен способ нахождения параметров этого уравнения на основе интерпретации экспериментальных зависимостей «воздействие-эффект». Изложен способ введения шкалы экологической оценки качества почвы. Рассмотрены методики: экологической оценки состояния и нормирования качества эродируемых и эродированных почв, а также вод и воздуха над неорганизованным источником пыли по результатам биотестирования; комплексной оценки состояния почвы под множественной нагрузкой, эколого-экономической оценки качества земель и объектов размещения отходов. Приведен вывод моделей биологического роста клеточных популяций в рамках представлений сплошной среды, законов сохранения механики и химической макрокинетики с использованием теории подобия и анализа размерности. Рассмотрены возможности применения этих моделей при интерпретации отклика биологических систем на воздействия для целей нормирования. Показаны возможности и способы обобщения показателя состояния на другие, помимо почвы, природные среды, граничащие с ней и обменивающиеся с ней массой.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Выбор полигонов и апробация нормативов качества почв и земель для разных природных зон и видов хозяйственного назначения.
Результаты этапа: Исследовали макрокинетические характеристики отклика растительного покрова опорных точек в окрестностях г. Норильска в 2004 году на загрязнение почвы тяжёлыми металлами для обоснования подхода к ранжированию почвенного покрова территорий, находящихся под воздействием выбросов металлургического комбината, по степени напряжённости их экологического состояния. Целью исследования было обоснование возможности объективной количественной оценки экологического состояния почв, загрязненных тяжёлыми металлами, на основе материалов дистанционного зондирования Земли с использованием теоретической модели отклика живого на воздействие стрессоров в виде тяжёлых 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 напряжённости их экологического состояния.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен