STUDY OF GEO-ECOLOGICAL CONDITION OF THE CASPIAN SEA COASTAL ZONE WITHIN THE TERRITORY OF AKTAU CITY

Толық мәтін

Введение

Почвы прибрежной зоны Каспийского моря являются основной средой, подвергаемой влиянию техногенного загрязнения, поступающего в ходе антропогенной деятельности. Среди поллютантов в почвенном слое побережья Каспийского моря стоит отметить преобладание тяжелых металлов [1], которые поступают в нее из атмосферы и водной среды, а после аккумулируются растениями, либо вымываются в ходе эрозии [2]. Поступление тяжелых металлов в прибрежные почвы, помимо влияния наземных источников, может быть обусловлено разливами [3] и сжиганием нефти, поскольку такие виды металлов как свинец, медь, цинк, никель и хром образуют оксиды, которые имеют высокую скорость высвобождения при сжигании нефтяного шлама [4].

Накопление основной массы загрязняющих веществ происходит в гумусовом горизонте почвы, поскольку именно здесь они химически связаны с другими компонентами, включая алюмосиликаты, несиликатные минералы и органическое вещество [5]. Некоторые тяжелые металлы способны замещать ионы натрия и калия в кристаллической структуре почвы [6], таким образом мигрируя и закрепляясь в плодородном слое почвы. Однако переносимые соединения металлов связаны с вредными экологическими последствиями загрязнения почвы [7].

Миграция и накопление тяжелых металлов в почве приводит к их переносу по трофической цепи, в которой последующим аккумулятором являются растения и животные. Для предотвращения экологического риска возможного по причине недолжного наблюдения необходим экологический контроль.

С целью экологического контроля за состоянием объектов окружающей среды проведение мониторинга является основным инструментом геоэкологических исследований.

Дистанционный мониторинг почвы и наблюдение за загрязнением проводятся на различных уровнях, включающих наземный мониторинг, аэрокосмическую съемку и компьютерные методы обработки спутниковых данных [8]. В данной работе были использованы все уровни мониторинга для получения более полного объема данных об экологическом состоянии почв прибрежной зоны Каспийского моря у с. Шапагатова (Мангистауская область).

Учитывая негативное воздействие тяжелых металлов на растительность [9] а также на агрохимический состав почвы [10], уровень деградации биомассы является одним из показателей экологического состояния объектов окружающей среды.

Таким образом, цель работы заключается в комплексном геоэкологическом исследовании, что включает оценку временной динамики индекса NDVI на территории с. Шапагатова для определения его потенциала как индикатора накопления тяжелых металлов в почвах и направлена на анализ влияния антропогенной деятельности на морскую часть и прибрежную зону Каспийского моря.

Материалы и методы

Объектом исследования являются почвенные образцы на 4 исследовательских площадках (ИП-1, ИП-2, ИП-3 и ИП-4), и анализ спутниковых снимков территории, на которой расположены точки отбора проб.

Исследования проводились по маршрутной методике, в рамках которой были определены четыре исследовательские площадки: ИП-1, ИП-2, ИП-3 и контрольная площадка ИП-4. Отбор проб осуществлялся в 2019, 2021 и 2023 годах.

Почвенный анализ

Почвенные пробы были отобраны в соответствии с общепринятой методикой, описанной в стандарте ГОСТ 17.4.4.02.84. Пробы были взяты на глубине от 5 до 20 см, единовременно в течение дня. После этого образцы почвы были высушены до состояния воздушной сухости при комнатной температуре и просеяны через сито с диаметром отверстий 1 мм.

Для определения содержания тяжелых металлов в почве использовался метод атомно-абсорбционной спектрометрии на установке МГА-915М в аккредитованной лаборатории ТОО «Accu Test». Измерены подвижные формы таких металлов, как Pb, Ni, Cr, Hg, V, Cu, Fe, Zn.

Для изучения агрохимических свойств почв были определены содержание гумуса, цвет, гранулометрический состав, валовый азот, подвижные соединения калия и фосфора, а также подвижные соединения для карбонатных почв и другие характеристики.

Точка мониторинга ИП-1 находится вблизи поселка Акшукур на расстоянии 303,65 м от береговой линии моря. ИП-2 расположена у автомагистрали Актау-Форт-Шевченко, на расстоянии 1635,1 м от ИП-1, рядом с открытым складом удобрений и материалов для дорожного строительства. ИП-3 находится в районе частных построек в пригороде с. Шапагатова на расстоянии 2135 м от ИП-2. Контрольная точка ИП-4 находится на расстоянии 9578 м от ИП-3 и была выбрана для мониторинга воздействия окружающей среды. На рисунке 1 изображена карта точек отбора проб почвы в прибрежной зоне, составленная в программе QGis.

Рисунок 1. Карта точек отбора проб почвы

Методы геоинформационных технологий

Для загрузки космоснимков и выбора наилучших вариантов использовалась платформа Sentinel Hub через сервер EO Browser, отобранные с облачностью до 30%, обеспечивали хорошую видимость. Использовались снимки от космического спутника Sentinel-2 с разрешением до 10 метров [11]. В ПК QGIS 3.32 обрабатывались спутниковые снимки и проводился расчет индекса NDVI и создание карт сбора образцов почв.

При анализе космических снимков использовался расчет нормализованного вегетационного индекса (NDVI).

NDVI является показателем, отражающим уровень здоровья и количества растительности на участке земной поверхности. Для вычисления NDVI применяется формула, основанная на значениях инфракрасного и красного каналов снимков.

Индекс NDVI рассчитывается по формуле:

                        (1)

где: NIR — значения пикселов из ближнего инфракрасного канала;
RED — значения пикселов из красного канала [12].

Результаты вычисления индекса вегетационного покрытия NDVI представлены численным значением, которое изменяется в пределах от -1 до 1 (рис. 2). Эти значения отражают степень зеленого покрытия на анализируемой территории. Высокие значения индекса NDVI (приближенные к 1) свидетельствуют о наличии обширного и здорового растительного слоя. Низкие значения индекса NDVI (приближенные к -1) указывают на ограниченное или отсутствующее густое покрытие растительностью. Значения индекса NDVI около нуля говорят о преобладании негустой растительности или обнаженных грунтовых поверхностей. На основе значений отраженного света, где NIR 8-й band, а RED 4-й band. Путем применения данного расчета создается карта NDVI, которая визуализирует пространственные данные зеленых областей на
исследуемой территории [13].

Рисунок 2. Дискретная шкала NDVI

Для оценки здоровья и плотности растительного покрова был выбран участок у береговых линий города Актау, что охватывает район отбора проб почв.

Результаты и обсуждение исследований

На изучаемых участках в северо-восточном направлении преобладают бурые пустынные почвы, а на глубине, где расположен верхний засоленный горизонт, преимущественно встречаются солончаковые или солончаковатые почвы. Содержание гумуса в верхнем слое варьирует от 1,18 до 2,63%, но снижается до 0,42–0,97% в глубоких слоях. Биогенные элементы в этих почвах представлены на невысоком уровне. Обычно, чем более тяжелый гранулометрический состав, тем выше обменная емкость, которая варьируется от 9,62 до 32,15 мг-экв/100 г. В почвенно-поглощающем комплексе преобладает обменный магний (40–80% от общей емкости обмена). Реакция водных суспензий в этих почвах слабощелочная или близка к нейтральной (рН 6,85–7,41).

Характеристика агрохимических показателей почв (таблица 1) на данной территории указывает на низкое содержание органического вещества, щелочную реакцию почвенных растворов, их подверженность засолению и слабую устойчивость к воздействию человеческой деятельности.

Таблица 1. Физико-химические свойства почвы исследовательских площадок в 2019 и 2021 годах

Физико-химические характеристики почвы	Исследовательские площадки (мониторинг состояния почвы)
	ИП-1		ИП-2		ИП-3		ИП-4 (фон)
	2019	2021	2019	2021	2019	2021	2019	2021
Гумус, %	1,18	1,19	1,39	1,41	1,47	1,48	2,62	2,63
Азот общий, %	0,26	0,24	0,34	0,36	0,39	0,41	0,27	0,28
Фосфор (валовый), мг/кг	1660,3	1662	472,5	473,4	515,17	516,15	2004	2003,8
Карбонаты, %	3,11	3,13	1,77	1,78	1,82	1,84	2,75	2,77
Емкость обмена, мг-экв/100 гр	9,62	9,65	22,85	22,89	24,15	24,89	32,15	32,19
Обменный кальций, мг-экв/100 гр	1,5	1,7	4	4,2	5	5,2	1,3	1,4
Обменный магний, мг-экв/100 гр	7,11	7,12	17	17,2	18,45	18,5	11,7	11,8
Обменный натрий, мг-экв/100 гр	0,61	0,63	0,93	0,95	0,97	0,98	16,13	16,29
Сумма солей	0,57	0,59	1,06	1,07	1,3	1,33	0,2	0,24
рН	7,39	7,42	7,1	7,52	7,41	7,63	6,85	6,87

 

рН почвы является основным показателем, влияющим на растворимость и мобильность тяжелых металлов в почве, учитывая то, что влияние на удерживаемость тяжелых металлов иных агрохимических показателей может различаться в зависимости от вида растительности характерного для исследуемых почв [14]. Исходя из результатов данного исследования можно отметить небольшое повышение рН (таблица 1) при тенденции снижения индекса NDVI (рис. 2). Вероятно, это связано с влиянием Каспийского моря, в котором также отмечено постепенное повышение рН с 8,47 до 8,54 в период с 1996 по 2022 года [15]. Растения произрастающие в области исследования аккумулировали тяжелые металлы (рис. 3) и погибали, по причине чего происходила эрозия, и почвенные слои, больше не удерживаемые корнями растений, имели более высокую подверженность приливам воды с характерными ей 8,5 рН, что привело к повышению рН на точках ИП-2 и ИП-3.

Изучение наличия содержания тяжелых металлов в почве имеет важное практическое значение. Учитывая потенциально негативный эффект тяжелых металлов, важно следить за их содержанием с целью недопущения превышений нормативов предельно допустимых концентраций [16].

Полученные результаты анализа почв на содержание тяжелых металлов свидетельствуют о резком снижении концентраций всех тяжелых металлов в течение 5 лет исследования. Данная динамика представлена на рисунке 3 на примере меди. Было отмечено превышение ПДК меди в 2019 году в 1,6 раз, однако значения данного показателя снизились в 22 раза в 2023 году. Подобное явление может быть связано с несколькими факторами, включающими естественную ремедиацию почв, эрозионные процессы и выщелачивание.

 

 

Рисунок 3. Динамика концентрации обнаруженной в почвенных образцах меди в 2019, 2021 и 2023 годах

Учитывая то, что основными источниками загрязнения вблизи территории исследования являются автотранспорт, хвостохранилище «Кошкар-Ата» и промышленные объекты в промышленной зоне, нельзя не отметить начатые в 2021 году рекультивационные работы по засыпке местного грунта на хвостохранилище и создание защитной зеленой полосы [17].

Стоит также отметить высокие фоновые концентрации хрома, цинка, никеля и мышьяка характерные для местных почв (таблица 2).

Мышьяк превышает ПДК на всех исследованных участках, причем наибольшее превышение отмечается именно на фоновой ИП-4. Это объясняется природными процессами, характерными для Мангистауской области, связанными с естественными процессами накопления и миграции мышьяка [18].

Таблица 2. Концентрации тяжелых металлов в кларках земной коры и их фоновое содержание в почве

Элемент	КларкиЗ.К	Фон
	мг/кг
Cu	47	6,4
Ni	58	17,2
As	1,7 (5,0)	7,7
Cd	0,13	0,9
Cr	83 (70)	21,2
Pb	16	10,1
Zn	83	16

 

Согласно корреляции тяжелых металлов (рисунки 4–6) наиболее распространенным в 2019 году являлось загрязнение цинком, которое показало резкое снижение в 2021 году и оставалось стабильным по данным 2023 года. При этом содержание меди ощутимо снизилось в 2023 году, в сравнении с изменениями между 2019 и 2021 годами. Похожую динамику показало содержание никеля и хрома в почвенных образцах, сначала снижение в 3,1 раз и 2,7 раз в 2021 году, далее снижение в 21 раз и в 79 раз в 2023 году, соответственно.

 

Рисунок 4. Корреляция обнаруженных в почвенных образцах тяжелых металлов по концентрациям в 2019 году

Мышьяк как указывалось ранее имеет характерно высокие фоновые концентрации, однако его количество также снизилось за период исследования, что говорит об эрозионных процессах в области исследования. Это подтверждает ранее указанную гипотезу о произошедшей водной эрозии по причине снижения качественного и количественного состава растительной биомассы в прибрежной зоне.

Рисунок 5. Корреляция обнаруженных в почвенных образцах тяжелых металлов по концентрациям в 2021 году

Особое внимание стоит обратить на снижение концентраций свинца и кадмия которые, относительно мышьяка, никеля и хрома не должны иметь высоких фоновых значений, и, хотя превышение ПДК для этих показателей не было отмечено, снижение их концентраций говорит о наличии техногенного воздействия, которое снизилось в период 2021–2023 годов, что соответствует времени начала ремедиационных работ на хвостохранилище «Кошкар-ата».

Это приводит нас к выводу, что влияние разливов и сжигания нефти на почвы прибрежной зоны в области исследования было минимальным.

 

Рисунок 6. Корреляция обнаруженных в почвенных образцах тяжелых металлов по концентрациям в 2023 году

Таким образом, наибольшее снижение было характерно для точек ИП-2 и ИП-3, что очень четко коррелирует с результатами анализа NDVI (рис. 7).

 

a) 26.04.2019	b) 15.04.2021	с) 10.04.2023

              Рисунок 7. Космоснимки с индексом NDVI

На исследуемом участке первоначальные значения NDVI были высокими, что указывало на здоровую и густую растительность. Например, значения NDVI в районе ИП-1, ИП-2 и ИП-3 находились в диапазоне от 0,5 до 0,7, что свидетельствовало о высокой плотности и активности фотосинтетической деятельности растений (рис. 7а). Однако, в ходе последующих наблюдений было зафиксировано значительное снижение значений NDVI. В 2021 году значения NDVI на всех исследовательских площадках упали до 0 или ниже, что указывает на серьезные проблемы с растительностью (рис. 7b). Значения NDVI, близкие к 0, свидетельствуют о слабой или мертвой растительности, либо об отсутствии растительного покрова. Такое резкое снижение NDVI может быть вызвано несколькими факторами, включая загрязнение тяжелыми металлами, засуху, истощение почвенного покрова, заболевания растений или антропогенное воздействие. Таким образом, снижение значений NDVI до 0 является тревожным сигналом, указывающим на ухудшение здоровья растительности и возможное разрушение экосистемы на исследуемом участке.

Согласно анализу спектрального снимка 2023 года минимальное значение NDVI составляет -1 (рис. 7с), что может указывать на отсутствие растительности или ее существенные проблемы. Максимальное значение 0.667642 находится в среднем диапазоне, что может свидетельствовать о некотором восстановлении растительности, но всё еще может указывать на присутствие проблем.

Данное явление указывает на восстановление растительного покрова после гибели растений под комплексным воздействием антропогенных и естественных факторов.

Заключение

В области исследования обнаружено влияние техногенных факторов на почву и растительность. Загрязнение преимущественно исходило от наземных источников, поскольку с учетом естественной фиторемедиации, и отсутствия постоянного повышения концентрации тяжелых металлов, понижение показателей тяжелых металлов в период исследования было резким, но стабильным. Это соответствует периоду начала рекультивации земель хвостохранилища «Кошкар-ата». Несмотря на то, что частым источником загрязнения тяжелыми металлами почв прибрежных зон является сжигание или разлив нефти, непосредственно в данном случае подобные источники оказали минимальное влияние.

Анализ индекса NDVI за 2023 год показал, что растительный слой, подверженный в ранние годы исследования вредному воздействию, начал восстанавливаться, что четко коррелирует с очень низкими концентрациями тяжелых металлов в почве в 2023 году.

Авторлар туралы

Madina Aldakova

Филиал ТОО "КМГ Инжиниринг" КазНИПИмунайгаз

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: M.Aldakova@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0009-5737-7216

ведущий инженер Службы экологии, магистр естественных наук

Қазақстан, 130000, Казахстан, г.Актау, микрорайон 35, здание 6/1

Nurgul Dzhanalieva

НАО «Каспийский университет технологии и инжиниринга имени Ш.Есенова»

Email: nurgul.janaliyeva@yu.edu.kz

PhD, старший преподаватель кафедры «Экология и геология»

Қазақстан, 130000, Казахстан, г. Актау, микрорайон 24, корпус 2

Akmaral Serikbaeva

НАО «Каспийский университет технологии и инжиниринга имени Ш.Есенова»

Email: serikbayeva.akmaral@yu.edu.kz
130000, Казахстан, г. Актау, микрорайон 24, корпус 2

Damira Seitkozhina

Email: damiraseit@gmail.com

Samal Syrlybekkyzy

Email: syrlybekkyzy.samal@yu.edu.kz

Zhansaule Altybaeva

Email: zhansaule.altybayeva@yu.edu.kz

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар