Отправить статью по E-mail ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ КАСПИЙСКОГО МОРЯ В ПРЕДЕЛАХ ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА АКТАУ
- Авторы: Алдакова М.Д.1, Джаналиева Н.Ш.2, Серикбаева А.К.2, Сейткожина Д.2, Сырлыбеккызы С.2, Алтыбаева Ж.2
-
Учреждения:
- Филиал ТОО "КМГ Инжиниринг" КазНИПИмунайгаз
- НАО «Каспийский университет технологии и инжиниринга имени Ш.Есенова»
- Раздел: Оригинальные исследования
- URL: https://vestnik-ngo.kz/2707-4226/article/view/108865
- DOI: https://doi.org/10.54859/kjogi108865
- ID: 108865
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование. Поступление поллютантов, преимущественно тяжелых металлов, в окружающую среду прибрежных зон Каспийского моря, приводит к их накоплению и ухудшению экологического состояния локальных и региональных территорий. Это в свою очередь отражается на живых организмах, и характеризует перенос вредных веществ по трофическим цепям. Тяжелые металлы воздействуют на зеленую биомассу на молекулярном уровне, блокируя работу клеток растений. Анализ индекса NDVI, который рассчитывается исходя из активности реакции фотосинтеза по спектрам космических снимков, позволяет изучить динамику жизнеспособности растений в течение определенного периода времени. Определение тяжелых металлов в почве наряду с использованием NDVI дает возможность проведения мониторинга на наземном и аэрокосмическом уровнях.
Цель. Исследование направлено на комплексный геоэкологический мониторинг состояния почв и растительного покрова прибрежной зоны Каспийского моря у с. Шапагатова.
Материалы и методы. В данной работе использованы методы химического анализа атомно-абсорбционной спектрометрии для определения тяжелых металлов в почвенных образцах, физико-химические методы для определения агрохимических показателей почвы и расчетная методика NDVI.
Результаты. Отмечено значительное снижение показателей содержания тяжелых металлов в почве и потеря массива растительного слоя на территории изучения в течение 5 лет исследования, в период с 2019 по 2023 года.
Заключение. Согласно полученным результатам, резкое снижение концентрации всех изучаемых тяжелых металлов связано с изменением индекса NDVI. Поскольку в период 2019–2021 годов, когда показатели тяжелых металлов были выше ПДК, отмечена низкая фотосинтетическая реакция растений, которая особенно снизилась в 2021. Это указывает на пагубное влияние, оказанное на растения, но при этом также в 2021 году отмечено резкое снижение концентраций тяжелых металлов, что объясняется аккумуляцией их растениями. Далее в 2023 году, с учетом снизившихся в 20 и более раз показателей тяжелых металлов, заметно повышение NDVI. Данное явление является показателем восстановления растительной биомассы в области изучения.
Ключевые слова: мониторинг, тяжелые металлы, дистанционное зондирование Земли, вегетационный индекс NDVI, Мангистауская область.
Полный текст
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.
Об авторах
Мадина Джиенбековна Алдакова
Филиал ТОО "КМГ Инжиниринг" КазНИПИмунайгаз
Автор, ответственный за переписку.
Email: M.Aldakova@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0009-5737-7216
ведущий инженер Службы экологии, магистр естественных наук
Казахстан, 130000, Казахстан, г.Актау, микрорайон 35, здание 6/1Нургуль Шарипкалиевна Джаналиева
НАО «Каспийский университет технологии и инжиниринга имени Ш.Есенова»
Email: nurgul.janaliyeva@yu.edu.kz
PhD, старший преподаватель кафедры «Экология и геология»
Казахстан, 130000, Казахстан, г. Актау, микрорайон 24, корпус 2Акмарал Кабылбековна Серикбаева
НАО «Каспийский университет технологии и инжиниринга имени Ш.Есенова»
Email: serikbayeva.akmaral@yu.edu.kz
130000, Казахстан, г. Актау, микрорайон 24, корпус 2
Дамира Сейткожина
Email: damiraseit@gmail.com
Самал Сырлыбеккызы
Email: syrlybekkyzy.samal@yu.edu.kz
Жансауле Алтыбаева
Список литературы
- 1. Ramazanova E., Bissenova S., Orazbayeva A., и др. Spatiotemporal evaluation of water quality and risk assessment of heavy metals in the northern Caspian Sea bounded by Kazakhstan // Marine Pollution Bulletin. – 2022. – Т. 181. – С. 113879.
- 2. El-Sharkawy M., Alotaibi M.O., Li J., Du D., Mahmoud E. Heavy Metal Pollution in Coastal Environments: Ecological Implications and Management Strategies: A Review // Sustainability. – 2025. – Т. 17, № 2. – С. 701. – doi: 10.3390/su17020701.
- 3. Udofia U.U., Joseph A.P. Impact of oil spillage on the levels of heavy metals and petroleum hydrocarbons in millipede and soil from Ikot Ada Udo, Akwa Ibom State, South-South Nigeria // International Journal of Environment and Waste Management. – 2022. – Т. 30, № 4. – С. 425–439.
- 4. Gong Z., Wang Z., Wang Z. Study on migration characteristics of heavy metals during oil sludge incineration // Petroleum Science and Technology. – 2018. – Т. 36, № 6. – С. 469–474.
- 5. Yang J., Zhao Y., Ruan X., Zhang G. Anthropogenic Contribution and Migration of Soil Heavy Metals in the Vicinity of Typical Highways // Agronomy. – 2023. – Т. 13, № 2. – С. 303. – doi: 10.3390/agronomy13020303.
- 6. Скрипко Т.В., Мальгина И.Л. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 6. – С. 105–110. – URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37147 (дата обращения: 17.04.2025).
- 7. Сулейманов Р.Т. Использование индекса NDVI для оценки состояния прибрежных экосистем Каспийского моря // Географические исследования. – 2018. – Т. 14, № 1. – С. 33–47.
- 8. Dehkordi M.M., Jamshidi Z., Babaei A., и др. Soil, air, and water pollution from mining and industrial activities: sources of pollution, environmental impacts, and prevention and control methods // Results in Engineering. – 2024. – № 102729.
- 9. Sperdouli I. Heavy Metal Toxicity Effects on Plants // Toxics. – 2022. – Т. 10, № 12. – С. 715. – doi: 10.3390/toxics10120715.
- 10. Зыбалов В.С., Попкова М.А. Влияние тяжелых металлов на агрохимические показатели почв Южного Урала // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия. – 2018. – Т. 10, № 2. – С. 33–40.
- 11. Huang S., Tang L., Hupy J.P., Wang Y., Shao G. A commentary review on the use of normalized difference vegetation index (NDVI) in the era of popular remote sensing // Journal of Forestry Research. – 2021. – Т. 32, № 1. – С. 1–6. – doi: 10.1007/s11676-020-01155-1.
- 12. Черепанов А.С. Вегетационные индексы // Геоматика. – 2011. – № 2. – С. 98–102.
- 13. Huang S., Tang L., Hupy J.P., Wang Y., Shao G. A commentary review on the use of normalized difference vegetation index (NDVI) in the era of popular remote sensing // Journal of Forestry Research. – 2021. – Т. 32, № 1. – С. 1–6.
- 14. Xu D., Chen Y., Liu D., и др. Effects of soil properties on heavy metal bioavailability and accumulation in crop grains under different farmland use patterns // Scientific Reports. – 2022. – Т. 12, № 1. – С. 9211.
- 15. NCOC. Ретроспективный аналитический отчет по результатам морских экологических исследований за период с 2017 по 2022 годы.
- 16. Liu Y., Liu M., Wang Y., и др. Identifying sources and hazardous risks of heavy metals in topsoils of rapidly urbanizing East China // Journal of Geographical Sciences. – 2016. – Т. 26. – С. 735–749. – doi: 10.1007/s11442-016-1305-1.
- 17. Акимат Мангистауской области. Новости. – URL: https://www.gov.kz/memleket/entities/mangystau/press/news/details/450034?lang=ru (дата обращения: 17.04.2025).
- 18. Кенжетаев Г.Ж., Сырлыбеккызы С., Жидебаева А.Е. Содержание тяжелых металлов и мышьяка в почвах района цементного завода // Spirit Time. – 2020. – № 4-1(28). – С. 12–16. – EDN: OMJJGM
Дополнительные файлы
