Environmental assessment of soil state in the impact zone of the Sredneuralsky copper smelter

Abstract

As part of the study of the ecological state of soils and vegetation in the zone of impact of the Sredneuralsky Copper Smelter (SUMZ), the following tasks were solved: the content of heavy metals in the soils of the test sites laid within the zone of impact of the SUMZ was determined; macrokinetic patterns of seasonal dynamics of the normalized relative vegetation index (NDVI) at the test sites in the zone of impact of the SUMZ were revealed; macrokinetic patterns of vegetation response in the form of NDVI, calculated according to MODIS and Landsat 8 data, to soil pollution by a complex of heavy metals in the zone of impact of the SUMZ were revealed; soil quality was ranked according to the patterns of vegetation response in the form of NDVI to soil pollution by a complex of heavy metals within the boundaries of the natural protection zone (NZZ) of the SUMZ according to 2023.

The intra-seasonal dynamics of photosynthetically active biomass in the form of NDVI was modeled using a theoretical growth equation based on MODIS satellite data. The seasonal maximum of the vegetation index at the trial sites in 2012 fell on the 25‒28 week. In 2023, it occurred on the 27‒33 week, depending on the location of the sampling point. The rate of maximum achievement is characterized by weak intra-seasonal and interannual variation.

The patterns of changes in the concentration of photosynthetically active biomass in the form of maximum NDVI for the 2023 season in response to the gross content of a complex of heavy metals (Cu, Pb, Cd and Zn) in the soil of the test sites were modeled using the theoretical equation of dose dependence. The maximum permissible level of the heavy metal complex in the soil in the form of a geometric mean, which does not cause a decrease in the values of the vegetation index calculated according to the data of the MODIS and Landsat 8 satellites, was 101 and 106 mg×kg^-1, respectively.

The analysis of histograms of the distribution of NDVI values within the NZZ was carried out, which showed how the true frequencies of occurrence of the values of the vegetation index correspond to the empirical boundary of the NZZ associated with the maximum dose dependence point identified by the study of the 2012. The nature of the distribution of true NDVI values for the NZZ exclusively fully supports the used zoning theory based on the analysis of dose dependence. The modern boundaries of the SUMZ natural protection zone are 4‒7 km away from the center of the sanitary protection zone.

References

1. Барталев С.А., Егоров В.А., Жарко В.О. и др. Спутниковое картографирование растительного покрова России. М., 2016. 2. Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами. М., 2012. 3. Воробейчик Е.Л., Ермаков А.И., Гребенников М.Е. Начальные этапы восстановления сообществ почвенной мезофауны после сокращения выбросов медеплавильного завода // Экология. 2019. № 2. https://doi.org 10.1134/S0367059719020112 4. Воробейчик Е.Л., Кайгородова С.Ю. Многолетняя динамика содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв в районе воздействия медеплавильного завода в период снижения его выбросов // Почвоведение. 2017. № 8. https://doi.org 10.1134/S1064229317080130 5. Воробейчик Е.Л., Трубина М.Р., Бергман Е.В. и др. Многолетняя динамика лесной растительности в период сокращения выбросов медеплавильного завода // Экология. 2014. № 6. https://doi.org 10.1134/S1067413614060150 6. Гендугов В.М., Глазунов Г.П. Макрокинетическая модель микробного роста на многокомпонентном субстрате // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2014. № 3. 7. Глазунов Г.П., Гендугов В.М., Евдокимова М.В. и др. Макроскопическая кинетика временной и пространственной изменчивости вегетационного индекса NDVI на территории заповедника «Ямская степь» в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 2. 8. ГОСТ Р 58595-2019 «Национальный стандарт Российской Федерации «Почвы. Отбор проб»». 9. Евдокимова М.В., Глазунов Г.П., Яковлев А.С. и др. Оценка экологического состояния земель, загрязненных комплексом тяжелых металлов, в окрестностях города Норильска за период с 2004 по 2019 г. по материалам NDVI MODIS с сервера Вега-science // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18, № 4. 10. Евдокимова М.В., Яковлев А.С. Экологическая оценка состояния почв и растительного покрова в окрестностях горно-обогатительного комбината по данным дистанционного зондирования Земли // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2023. № 1. 11. Единый государственный реестр почвенных ресурсов России [Электронный ресурс]. 2014. URL: http://egrpr.soil.msu.ru/download.php#soilmap (дата обращения: 13.12.2023). 12. Железова С.В. Научно-методическое обоснование технологий точного и ресурсосберегающего земледелия для зерновых культур в Нечерноземной зоне РФ: Дисс. … д-ра с.-х. наук. СПб., 2020. 13. Князев М.С., Третьякова А.С., Подгаевская Е.Н. и др. Конспект флоры Свердловской области. Часть III: Двудольные растения // Phytodiversity of Eastern Europe. 2018. XII (2). 14. Копцик Г.Н., Смирнова И.Е., Копцик С.В. Анализ эколого-генетических особенностей почв для мониторинга лесных экосистем в зоне хвойно-широколиственных лесов // Почвоведение. 2023. № 10. 15. Лесная энциклопедия: В 2-х т. / Гл. ред. Г.И. Воробьев; ред. колл.: Н.А. Анучин, В.Г. Атрохин., В.Н. Виноградов и др. М., 1985. 16. Литтл Т.М., Хиллз Ф.Дж. Сельскохозяйственное опытное дело. Планирование и анализ. М., 1981. 17. Лупян Е.А., Прошин А.А., Бурцев М.А. и др. Опыт эксплуатации и развития центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 3. https://doi.org 10.21046/2070-7401-2019-16-3-151-170 18. Постановление Правительства Российской Федерации от 03.03.2018 № 222 «Об утверждении Правил установления санитарно-защитных зон и использования земельных участков, расположенных в границах санитарно-защитных зон». 19. Публичная кадастровая карта [Электронный ресурс]: 2010. URL: https://pkk.rosreestr.ru (дата обращения 13.12.2023). 20. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» (с изменениями на 30 декабря 2022 года). 21. Уральское УГМС [Электронный ресурс]. 2014. URL: http://svgimet.ru (дата обращения: 13.12.2023). 22. Федеральный закон «О проведении эксперимента по квотированию выбросов загрязняющих веществ и внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в части снижения загрязнения атмосферного воздуха» от 26.07.2019 № 195-ФЗ. 23. Федеральный проект «Чистый воздух» [Электронный ресурс]. 2022. URL: https://www.mnr.gov.ru/activity/directions/natsionalnyy_proekt_ekologiya/federalnyy_proekt_chistyy_vozdukh/ (дата обращения: 12.12.2023). 24. ЦВ 5.18.19.01-2005 «Методика выполнения измерений содержания элементов в твердых объектах методами спектрометрии с индуктивно связанной плазмой». 25. Яковлев А.С., Евдокимова М.В. Подход к установлению зон экологической ответственности предприятий и уровней природно-антропогенного фона почв // Почвоведение. 2022. № 9. 26. Conrad O., Bechtel B., Bock M. et al. System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) Vol. 2.1.4 // Geosci. Model Dev. 2015. Vol. 8, № 7. 27. Conversion to TOA Reflectance. [Электронный ресурс]. 2023. URL: https://www.usgs.gov/landsat-missions/using-usgs-landsat-level-1-data-product (дата обращения: 13.12.2023). 28. Jordan C. Derivation of leaf area index from quality of light on the forest floor // Ecology. 1969. Vol. 50, № 4. 29. Knyazikhin Y., Glassy J., Privette J.L. et al. MODIS Leaf Area Index and Fraction of Photosynthetically Active Radiation Absorbed by Vegetation (FPAR) Product (MOD15) Algorithm Theoretical Basis Document. [Электронный ресурс]. 1999. URL: https://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod15.pdf (дата обращения: 02.02.2024). 30. Manual on Methods and Criteria for Harmonized Sampling, Assessment, Monitoring and Analysis of the Effects of Air Pollution on Forests. Part IIIa. Sampling and Analysis of Soil. UN-ECE. CLRTAP. 2006. 31. Prudnikova E.V., Neaman A., Terekhova V.A. et al. Root elongation method for the quality assessment of metal-polluted soils: Whole soil or soil-water extract? // J. Plant Nutr Soil Sc. 2020. Vol. 20. https://doi.org/10.1007/s42729-020-00295-x 32. Tucker C.J. Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation // Remote Sens Environ. 1979. Vol. 8, № 2.