ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ
МЕТАЛЛОВ ПО ПОЧВЕННОМУ ПРОФИЛЮ
Пуйто Л.В.., Ефремов И.В., Горшенина Е.Л.
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Исследования физико-химических свойств почв, выполняемые в
последние годы, привели к накоплению значительного экспериментального
материала по содержанию в них тяжелых металлов, пестицидов, биогенных и
других соединений. Прогнозирование изменений качественного состава
почвы, содержания в ней токсичных элементов, представляет собой
актуальную и сложную задачу, для решения которой применяют методы
математического моделирования.
Наряду с математическими моделями, построенными на основе
экспериментальных данных (регрессионные модели), которые не позволяют
раскрыть механизмы, происходящие в системе, применяется имитационное
моделирование. В таких моделях обычно используется значительное
количество компонентов, учитывающих процессы трансформации химических
соединений, диффузии, сорбции и др. Имитационное моделирование позволяет
интегрировать значительный объём информации о физико-химических
процессах, происходящих в системе, что даёт возможность детального анализа
и прогноза динамических характеристик. Следует отметить, что для
комплексного описания системы достаточно ограничится одно, двух или
трёхкомпонентными моделями, которые значительно легче поддаются анализу
и позволяют оценить основные характеристики поведения системы [1].
Изучение подвижных форм тяжелых металлов обусловлена их высокой
миграционной активностью и способностью аккумулироваться в биообъектах.
Рассмотрим систему, состоящую из следующих компонентов: почва, корневая
система, надземная часть растения. Такую систему можно отнести к
саморегулирующимся системам с обратными связями, сформированным в
процессе эволюции как системы в целом, так и отдельных ее компонентов.
Компоненты системы являются взаимосвязанными, обладающими обратной
связью, которая является определяющим звеном в процессе самоорганизации
системы [2].
В процессе взаимодействия компонентов системы друг с другом
происходит перенос материи и энергии как в прямом, так и в обратном
направлении. Определим начальные условия следующим образом: 1) в
начальный момент времени в систему (например через атмосферу) введена С 0
концентрация загрязняющего вещества; 2) между компонентами системы
существует обмен веществом с различными интенсивностями:
 1 - интенсивность перехода вещества из почвы в корни;
 2 - интенсивность перехода вещества из корней в надземную часть
растения;
 3 - интенсивность перехода вещества из надземной части растения в
почву.
Между химическим составом растений и элементным составом среды
существует взаимосвязь. Рассчитанный коэффициент биологического
накопления (КБН) является характеристикой соотношения между
содержанием изучаемого химического элемента в почве и растений [3].
Анализ результатов расчета КБН показал, что наибольшей
интенсивностью биологического накопления по меди обладает шалфей (48,66);
цинка – подсолнечник (38,0), шалфей (28,0) и полынь обыкновенная (27,7);
кобальта – полынь обыкновенная (6,0), шалфей (5,8)4 марганца – костер (5,8),
полынь обыкновенная (5,7) и ковыль (5,4); никеля – полынь обыкновенная
(9,3); по свинцу – полынь обыкновенная (0,7) и шалфей (0,6); по кадмию –
полынь обыкновенная (3,7); по хрому - полынь обыкновенная (0,3). Результаты
расчета КБН для корневой системы растений показали, что поглощение
подвижных форм тяжелых металлов корневой частью растений также имеет
существенное различие. Наибольшей интенсивностью биологического
накопления для меди обладает шалфей (84,1); цинка – вейник наземный (66,3)
и ковыль (60,4); кобальта – овсюг (13,3) и рожь (13,8); марганца – овсюг (29,2)
и костер (29,0); никеля – овсюг (48,0); свинца – овсюг (4,0) и эспарцет (5,6);
кадмия – эспарцет (1,4), тысячелистник (1,25); хрома – ковыль (84,0) [4].
В результате моделирования процессов взаимодействия в системе почварастение на основе стационарных марковских цепей были предложены
системы уравнений для оценки риска загрязнения компонентов системы:
2  3
;
1  2  2  3  3  1
1  2
P 
;
1  2  2  3  3  1
1  3
P 
.
1  2  2  3  3  1
P 
где Рп, Рк, Рн - вероятность загрязнения почвы, надземной и корневой
части растений,
I  1  2  2  3  1  3 - интегральный показатель, характеризующий
почвенно-растительный комплекс.
Интенсивности переходов элементов i определялись как отношение
концентраций
элементов в соответствующих компонентах почвеннорастительных комплексов.
С целью определения классификационных особенностей, полученные
данные были обработаны с применением кластерного анализа, реализованного
в пакете прикладных программ Statastica 6.0. Были выделены две группы
почвенно-растительных комплексов, обладающие значительным различием
интегрального показателя и, следовательно различием в миграционной
способности тяжелых металлов: к первой группе отнесены чернозем
обыкновенный, южный и темно-каштановая почва; ко второй группе отнесены
чернозем типичный и неполноразвитый щебневатый.
На основании разработанной нами математической модели миграции
элементов в системе почва-растение и полученного показателя, можно
проводить классификацию почвенно-растительных комплексов с учетом
физико-химических свойств почв и особенностей миграции тяжелых металлов
в почвенно-растительных комплексах Южного Урала.
В настоящее время перспективным является направление по очистке
почв, загрязненных тяжелыми металлами с помощью растений
(фитомелиорация). Используются культуры, устойчивые к загрязнению и
способные выносить из почвы токсичные вещества. Очищение почвы
происходит путем сбора и утилизации биомассы фитомелиоранта. На
основании предложенного алгоритма можно проводить очистку почв,
загрязненных подвижными формами тяжелых металлов с помощью растений,
произрастающих на данном типе почв и имеющих максимальные значения
коэффициента биологического накопления [5].
Список литературы
1. Ефремов, И.В. Моделирование почвенно-растительных систем. ? - М.:
Издательство ЛКИ, 2008. – 152 с.
2. Ефремов, И.В. Оценка риска загрязнения почвенно-растительных систем /
И.В.Ефремов, О.Н.Кузьмин - Экология и промышленность России. - 2010. №1 - С. 36-39.
3. Ефремов И.В. Моделирование процессов взаимодействия компонентов
системы «почва-растение» / И.В.Ефремов, О.Н.Кузьмин, В.Е.Дудоров //
Экологические проблемы природных и антропогенных территорий. I
Международная научно-практическая конференция: сборник научных статей.
г. Чебоксары. - 2011. - С. 168-169.
4. Ефремов И.В. Моделирование антропогенной нагрузки на природнотехнические системы / И.В.Ефремов, О.Н.Кузьмин, Е.А.Колобова,
В.Е.Дудоров// Экологические проблемы природных и антропогенных
территорий. I Международная научно-практическая конференция: сборник
научных статей. г. Чебоксары. - 2011. - С. 167-168.
5. Ефремов И.В. Моделирование процессов миграции тяжелых металлов в
почвенно-растительных системах / И.В.Ефремов, О.Н.Кузьмин, Е.А.Колобова
// Аграрная Россия. – 2011. - №1- С. 13-21.