Спосіб оцінки забруднення та нестачі мікроелементів ґрунту за встановлення фонового вмісту різних їх форм

Спосіб визначення забруднення ґрунту мікроелементами, що включає пробовідбирання, визначення вмісту валових форм хімічного елемента на 3 нювачів неорганічної природи та відсутності процедури встановлення фонового вмісту рухомих і валових форм ME (природні еталони) задля порівняння й визначення ступеня рухомості мобільних форм ME у ґрунті, воді та інших суміжних середовищах. Найбільш близьким по технічній суті й результату, що досягається, є спосіб визначення забруднення ґрунту хімічним елементом [Патент №2084891 СІ 6G01N33/24 RU, 20.07.1997 «Способ определения загрязнения почвы химическим элементом»], що включає відбір ґрунтових зразків та визначення вмісту валових форм хімічних елементів на фонових та дослідних територіях. Фоновий рівень вмісту (ФРВ) хімічного елементу визначають за вмістом його в ґрунтотворній породі, значення якого множать на коефіцієнт акумуляції цього елемента. Однак, зазначений спосіб вирішує завдання в узькому діапазоні необхідних вимог. Технічне рішення не передбачає урахування того, що визначання ФРВ валових форм ME у ґрунтах є недостатнім для визначення ступеня їх забруднення хімічним елементом. Валовий склад хімічних елементів, як і вміст валових форм ME, у ґрунтах є показником, що характеризує базові властивості ґрунтів. Зміни їх спостерігаються лише при аварійних ситуаціях (гостре забруднення) або за поліелементного хронічного забруднення. Оскільки встановлення кількісних значень забруднення ґрунту без визначення ФРВ ME неможливо, а характер функціонування ґрунту, прояв його властивостей пов'язані із перерозподілом сполук хімічних елементів, для об'єктивної оцінки мікроелементного статусу ґрунтів (нестача ME, надлишок ВМ), як кінцевої мети фонового моніторингу, необхідними є дані як щодо валового ME складу ґрунтів так і вмісту рухомих форм ME певної території регіону за різних ґрунтовокліматичних умов. Однак валовий вміст елемента в ґрунті, не завжди відображає дійсну його міграційну здатність у системі ґрунт-рослина, тому що в ґрунті водночас присутні різні форми елементів, що відрізняються міцністю зв'язку й доступністю для поглинання рослинами. Отже, для більш точної оцінки зв'язку рухомості ME і його міграції слід використовувати показники вмісту рухомих форм ME в ґрунті. Виходячи з того, що у різних геохімічних умовах природна норма для певного типу ґрунту і підтипів автоморфних ґрунтів може помітно відрізнятися та враховуючи високу природну варіабельність вмісту сполук ME у ґрунтах, слід використовувати довірчі інтервали фонових концентрацій, тобто середнє значення вмісту речовини в ґрунті. Уявлення про ФРВ дає модальне значення (що зустрічається найчастіше), яке слід супроводжувати оцінкою варіації аналітичних даних (мінімальне й максимальне значення концентрацій сполук ME, середньоквадратичне відхилення ( ) і коефіцієнт варіації (V, %)). Таким чином, при оцінці забруднення та визначенні вмісту ME ґрунтів як фонові (еталонні) розглядають значення концентрацій хімічних сполук, які є характерними 50068 4 для незабруднених територій з певним ґрунтовим покривом. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу оцінки забруднення та нестачі ME ґрунту за рахунок визначення ФРВ валових і рухомих форм ME у ґрунтах, що забезпечує підвищення точності визначення, оцінки та прогнозування надлишку та нестачі ME. Поставлена мета досягається за рахунок того, що у відомому способі визначення забруднення ґрунту ME що включає пробовідбирання, визначення вмісту валових форм хімічного елемента на дослідженій ділянці, згідно з винахідницьким задумом за формулою визначають регіональний ФРВ ME в ґрунтах на незабруднених територіях певного регіону, використовуючи відібрані проби, дані обробляють з використанням методів геостатистики, на базі яких створюють електронні картосхеми ФРВ ME в ґрунтах та відповідною градацією їх вмісту, які порівнюють з даними про регіональний вміст ME і за умови відхилення показників в бік збільшення або зменшення судять про нестачу або надлишок ME в ґрунтах, а межею відліку визначають відсутність різниці не більше ніж у 30% випадках. Спосіб реалізується в декілька етапів при проведенні фонового моніторингу та визначенні ФРВ ME у ґрунтах різної буферної здатності (встановлення ФРВ валових і рухомих форм ME на локальному, регіональному рівнях, вміст яких у ґрунтах України підпорядкований природній зональності, обумовлений вмістом гумусу, типом і гранулометричним складом ґрунту при використанні екстрагентів ацетатно-амонійного буферного розчину з рН 4,8 та 1н НСl). Алгоритм включає порядок проведення ґрунтово-геохімічних досліджень, який передбачає відповідно польовий, аналітичний та камеральний етапи робіт згідно з діючими нормативами і методичною базою. До специфічних цілей слід віднести необхідність визначання природної концентрації, розподілу ME в ґрунтовій системі з урахуванням просторової мінливості змін цих кількісних параметрів мікроелементного статусу ґрунтів у просторі та динаміки їх змін у часі, що зумовлено міграцією елементів, кліматичними умовами, використанням ґрунту. Статистично розраховують й оцінюють дані за критерієм їх репрезентативності, що забезпечує достовірність зроблених висновків при проведенні оцінки вмісту ME, яка є не більшою ніж достовірність, що закладена в репрезентативності даних, виходячи з того, що # запланований рівень статистичних характеристик одержаних даних впливає на вибір процедур відбирання проб, часу відбору проб тощо. Камеральний етап робіт включає статистичну обробку даних щодо результатів хімічного аналізування ґрунтових проб при визначенні статистичних характеристик розподілу кількісних параметрів мікроелементного статусу ґрунтів, встановленні зональних, типових закономірностей вмісту і розподілу ME в ґрунтах при використанні методів геостатистики й виявленні факторів, що впливають на вміст та рухомість ME в ґрунтах, тобто на процеси розсіювання і концентрації ME. 5 Аналіз форми статистичного розподілу (вид функції розподілу, характер асиметрії, середнє арифметичне - X, середньоквадратичне відхилення - S, коефіцієнт варіації - V, моди - Мо, медіани Me, асиметрії - А та ексцесу - Е) дозволяє виявити закономірності змін та взаємозалежність показників за умов нестачі та надлишку їх вмісту (валові, рухомі форми) в ґрунтах, якісно оцінити співвідношення зазначених складових, зробити висновок про однорідність геохімічного фону елементів, відокремити значно відхилені від основної вибірки дані, обумовлені наявністю локальних осередків нестачі ME. У випадку близьких значень X, Mo, Me є підстава для ствердження про нормальний розподіл вмісту ME. При істотному відхиленні від нормального (Гаусового) розподілу за фоновий вміст слід прийняти не середнє арифметичне, а середнє геометричне. Коефіцієнт V вмісту ME та ВМ в ґрунтах дозволяє визначити необхідну кількість проб для досягнення необхідного рівня точності визначення з метою відокремлення аналітичної дисперсії у визначеннях та виявлення природної дисперсії показників, що досліджуються. Використання коефіцієнтів А та Е дозволяє провести оцінку варіаційного ряду та, при необхідності, провести його розшарування, знизити середньоквадратичне відхилення та коефіцієнт варіації, що сприяє оцінці мікро-та макрострокатості вмісту хімічних елементів в ґрунтах, розробці шкали градації вмісту елементів. За мінімальну ступень градації приймають достовірну різницю в концентрації ME згідно з коефіцієнтом варіації та Р = 0,99. Таким чином встановлюють, що за умов розсіювання ME їх вміст у ґрунті є результатом багатофакторних процесів, ME присутні у мікрокількостях, варіація вмісту та дисперсія досить невеликі для валових форм, для рухомих форм значно більші значення. Отже статистично встановлені закономірності , розподілу ME в ґрунтах є підставою для коректної оцінки використання аналітичних методів визначення ME. У випадку меншого значення помилки середнього аналітичного визначення у співставленні з природним середньоквадратичним відхиленням вмісту елементу в ґрунті робиться висновок про правомірність використання аналітичного методу визначення. Урахування просторової залежності ФРВ ME ґрунтів відбувається на підставі того, що певне значення властивості ґрунту в будь-якому місці є функцією його розташування у ґрунтовому покриві. Отже властивість . приймається як випадкова перемінна (районовані перемінні), розглядається її зміна в просторі статистично. Придатність геостатистичних методів спирається на конфігурацію точок відбору проб за площею або за об'ємом (якщо розглядається три виміри). Розрахунок ФРВ ME у типовому для даної обстежуваної території або ділянки ґрунту проводять встановленням середнього значення їх вмісту у досліджуваній вибірці даних з довірчим інтервалом в межах стандартної помилки для ґрунтів різних таксономічних рівнів, оцінки їх якості та результатів контролю якості отриманих даних. 50068 6 ФРВ ME ґрунту визначаються як модальні значення (такі, що зустрічаються найчастіше), що відповідають лівому максимуму функції розподілу масових долей ME в ґрунтах та є не зміщеною оцінкою середнього рівня вмісту ME в ґрунті, розподіл яких, як правило, відповідає логарифмічно нормальному закону. Отже, за природних біогеоценозів розрахункові показники ФРВ ME характеризують вміст хімічного елементу в ґрунтах ландшафтно-геохімічної системи, певної зони, території, району, як міру розповсюдженості ME в різних компонентах ландшафтів. Регіональний природний фон крупних ландшафтних одиниць визначають шляхом об'єднання вибірок, що відображує різноманітність типів ландшафту в межах досліджуваної території [Кузякова И.Ф., Романенков В.А., Кузяков Я.В. Применение метода геостатистики при обработке результатов почвенных и агрохимических исследований //Почвоведение. - 2001. - №11. С.1365-1376]. Розрахунок регіонального природного фону, у такому випадку, проводять за формулою: m i 1 ni c i / si 2 m i 1 ni , si 2 де: - середньозважене значення у об'єднаній вибірці (регіональний фон); m - кількість вибірок, які об'єднують; ni - кількість проб у виборці; ci - середній вміст елементу у г-тій виборці si2 - оцінка стандартного відхилення. Нами було встановлено, що для елементів, вміст яких менший за межу чутливості аналізу, за природний фон приймають медіанне значення вибірки даних, одержаних за регулярною сіткою, використовуючи метод геостатистики для формування вибірки даних. Порівняння вмісту хімічних елементів у ґрунтах дозволяє визначити єдиний місцевий (регіональний) ФРВ ME за умови відсутності різниці не більше ніж у 30% випадках. Якщо умова порушується -йдеться про техногенний вміст хімічних елементів, отже про надлишок ME в ґрунті. У випадку встановленої різниці у бік зменшення визначеного хімічними аналітичними методами вмісту ME в ґрунті з регіональним ФРВ рухомих форм ME робиться висновок про нестачу ME у ґрунтовій системі. Для ґрунтів з порушеним природним складенням будови профілю (урбоземи, техноземи та ін.) за відсутності природних аналогів як ФРВ ME використовують встановлені концентрації хімічних елементів у ґрунтотворній породі на підставі того, що склад останньої визначає геохімічний фон ME у ґрунтовому покриві певного регіону. Спосіб апробовано на ґрунтах різних типів та природно-кліматичних зон України. Результати реалізації алгоритму розрахунку ФРВ валових та рухомих форм ME у ґрунтах різної буферної здатності Харківської області, ДонецькоПридніпровського регіону України наведено у таблиці 1. Результати комплексного екологогеохімічного картографування, районування території Зміївського району Харківської області щодо 7 50068 просторового розподілу валових форм міді у ґрунтах представлено на електронній картосхемі (фіг. 1) Відмітними рисами запропонованого способу, в порівнянні з відомими способами та підходами, є наступні: - забезпечення збільшення економії ресурсів на еколого-агрогеохімічне обстеження земель до 30% та в 1,5 рази точності проведення визначення ФРВ ME в ґрунтовій системі (зокрема підвищенню точності діагностування ґрунтів на вміст рухомих форм ME на 5-10%); 8 - він дозволяє у 2-3 рази прискорити експресність одержання інформації про ступінь забезпеченості ґрунтів ME, прогнозувати склад ME рослинної продукції і кормів, знизити затрати робочого часу на аналізування на 15-20%; підвищити окупність внесення туків та мікродобрив на 20%; - придатність для всіх елементів ландшафту (кори вивітрювання, ґрунти різних типів з різними властивостями, рослини, біота та ін.), що сприяє коректності визначення забезпеченості ґрунтів ME та розрахунків техногенних або природних аномалій вмісту ME в довкіллі. Таблиця 1 Грунти Високобуферні ґрунти Малобуферні ґрунти Високобуферні ґрунти Малобуфер-ні ґрунти Високобуферні ґрунти Малобуферні ґрунти Високобуферні ґрунти Малобуферні ґрунти Високобуферні ґрунти Малобуферні ґрунти Високобуферні ґрунти Малобуферні ґрунти ME Ni Со Fe Харківсъка область Загальний вміст МЕ Zn Cd Mn Pb Cu Cr 53 1 25 16 18000 580 10 17 52 13 0,5-0,8 11 4 9000 200 5 7 21 ' 0,95* 8**