Features of point and area loads on soils under different land use conditions

Abstract

The article presents a comparative analysis of the spatial structure of technogenic impacts on soil cover under conditions of localized (point-source) and diffuse (area-wide) pollution. The study focuses on the territories of Sverdlovsk and Tula regions, which are contrasting in terms of land use and the nature of anthropogenic transformation. The former is characterized by an industrial landscape dominated by stationary emission sources, while the latter represents an agro-industrial region with a developed background level of pollution formed by the combined effects of agricultural activity, dispersed emissions, and long-term radiological impacts. Based on data on heavy metal (Cu, Pb, Cd, Zn) concentrations in soils and the application of remote sensing (NDVI) and geoinformation analysis methods, a functional zoning approach is proposed. This approach allows for the differentiation of land areas by the intensity of technogenic pressure and the degree of ecological transformation. The methodological framework includes key concepts such as the environmentally permissible background (EPB), the anthropogenically modified background (AMB), and the point of no return (PNR), the latter being interpreted as a critical threshold beyond which ecosystem degradation becomes irreversible and bioproductivity steadily declines. The zoning model comprises sanitary protection zones (SPZ), ecological responsibility zones (ERZ), and post-contamination zones (PCZ), each of which possesses specific functional and regulatory attributes. The paper substantiates the need to move away from universal maximum permissible concentrations (MPCs) toward regionally adapted background-based benchmarks derived from empirical observations. The proposed methodology was tested across representative sites with varying degrees and types of anthropogenic influence and demonstrated high sensitivity to the interplay between physicochemical and landscape factors. The findings offer a more substantiated basis for the design of sanitary and environmental protection measures, refinement of soil quality standards, and formulation of sustainable land-use strategies. The developed approach can be applied in the practice of environmental and cadastral services, regional spatial planning, industrial environmental assessment, and soil and environmental monitoring systems at both regional and municipal levels.

References

1. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. Учение об экологических функциях почв. М., 2012. 412 с. (Переизд. учебника 2006 г.). 2. Васин Д.В. Современные подходы к нормированию содержания тяжелых металлов в почве // Архивариус. 2021. № 3(57). С. 8–10. 3. ГОСТ Р 70229–2022. Почвы. Показатели качества почв. М., 2022. 12 с. 4. 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. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-2-111-127 5. Горелова С.В., Горбунов А.В., Ляпунов С.М. и др. Оценка воздействия крупной промышленной агломерации на загрязнение воздушной среды и почвы токсичными элементами (на примере г. Тулы) // Экология урбанизированных территорий. 2020. № 2. С. 6–20. 6. Евдокимова М.В., Глазунов Г.П., Яковлев А.С. и др. Оценка экологического состояния земель, загрязнённых комплексом тяжёлых 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. С. 149–165. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-4-149-165. 7. Евсюков В.В., Трегубова А.И., Фролова А.А. Экологическая ситуация в Тульской области: проблемы и пути решения // Вестн. Тульского филиала Финуниверситета. 2022. № 1. С. 375–377. 8. Иванов Д.В. Фоновое содержание загрязняющих веществ как мера нормирования качества природных сред (обзор) // Российский журнал прикладной экологии. 2021. № 4(28). https://doi.org/10.24852/2411-7374.2021.4.55.66 9. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М., 1984. 560 с. 10. Коновалов А.Г., Рисник Д.В., Левич А.П. и др. Обзор подходов к оценке экологического состояния и нормированию качества почв // Биосфера. 2017. № 3. С. 214–229. 11. Макарова Н.М., Рогачев А.Ф. Предупреждение поступления поверхностных вод с территории площадных и точечных источников загрязнения // Природообустройство. 2021. № 5. С. 37–43. 12. Методические указания 2.1.7.730-99. Гигиеническая оценка качества почвы населённых мест: методические указания / Утв. Глав. гос. санитар. врачом РФ 7 февр. 1999 г. Введ. 5 апр. 1999 г. М., 1999. 76 с. 13. Огородников С.С. Определение эталонных участков на землях сельскохозяйственного назначения // Агрохимический вестник. 2021. № 6. С. 90–92. 14. Плеханова И.О., Золотарева О.А. Экологическое нормирование состояния почв, загрязнённых тяжёлыми металлами // Агрохимия. 2020. № 10. С. 79–88. 15. Плеханова И.О., Золотарева О.А. Оценка и нормирование экологического состояния почв, загрязнённых тяжёлыми металлами // Агрохимия. 2021. № 7. С. 83–94. 16. Постановление Правительства РФ от 03.03.2018 № 222 «Об утверждении правил установления санитарно-защитных зон и использования земельных участков, расположенных в границах санитарно-защитных зон». М., 2018. 17. Постановление Правительства РФ от 13.02.2019 № 149 «Об утверждении правил разработки и пересмотра нормативов качества окружающей среды, нормативов допустимого воздействия на окружающую среду и иных нормативов в области охраны окружающей среды». М., 2019. 18. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. М., 1990. 335 с. 19. Экологическое нормирование и управление качеством почв и земель / Под ред. С.А. Шобы, А.С. Яковлева, Н.Г. Рыбальского. М., 2013. 310 с. 20. Яковлев А.С., Евдокимова М.В. Подход к установлению зон экологической ответственности предприятий и уровней природно-антропогенного фона почв // Почвоведение. 2022. № 9. С. 1167–1178. 21. Ahirvar B.P., Das P., Srivastava V. et al. Perspectives of heavy metal pollution indices for soil, sediment, and water pollution evaluation: an insight // Total Environment Research Themes. 2023. Vol. 6. Art. 100039. https://doi.org/10.1016/j.totert.2023.100039 22. Alengebawy A., Abdelkhalek S.T., Qureshi S.R. et al. Heavy metals and pesticides toxicity in agricultural soil and plants: Ecological risks and human health implications // Toxics. 2021. Т. 9, № 3. С. 42. https://doi.org/10.3390/toxics9030042 23. He Z., Shentu J., Yang X. et al. Heavy metal contamination of soils: sources, indicators and assessment // Journal of Environmental Indicators. 2015. Vol. 9. P. 17–18. 24. ISO 19258:2018. Soil quality — Guidance on the determination of background values. Geneva: International Organization for Standardization, 2018. 12 p. 25. Lekemo D., Lebeau T., Amani I. et al. Geostatistical and Food Risk Assessment of Soils Contaminated by Trace Elements in the City of Dschang (Cameroon) // Urban Science. 2025. Vol. 9, № 11. Art. 467. https://doi.org/10.3390/urbansci9110467 26. Li J., Li X., Wang C. et al. Pollution characteristics and probabilistic risk assessment of heavy metal(loid)s in agricultural soils across the Yellow River Basin, China // Ecological Indicators. 2024. Vol. 167. Art. 112676. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112676 27. Peng Y., Grigorieva I.Yu. Assessment of heavy metal pollution on agricultural land in Chengdu city under different anthropogenic pressures based on APCS-MLR modelling // Ecological Indicators. 2024. Vol. 165. Art. 112183. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112183 28. Shu Y., Li D., Xie T. et al. Antibiotics-heavy metals combined pollution in agricultural soils: sources, fate, risks, and countermeasures // Green Energy & Environment. 2025. Vol. 10, № 5. P. 869–897. https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.07.007 29. Wen T., Cheng Y., Yuan Y. et al. Quantitative analysis and risk assessment of heavy metal pollution in an intensive industrial and agricultural region // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2025. Vol. 289. Art. 117634. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2024.117634 30. Wu J., Huang C. Machine learning-supported determination for site-specific natural background values of soil heavy metals // Journal of Hazardous Materials. 2025. Vol. 487. Art. 137276. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137276 31. Interstate Technology & Regulatory Council (ITRC). Soil background definition (Электронный ресурс). https://sbr-1.itrcweb.org/soil-background-definition/ (дата обращения: 05.04.2025). 32. Точно. Экология (Электронный ресурс). https://tochno.st/materials/ekologiya (дата обращения: 05.04.2025).