МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ МІГРАЦІЇ Cd ЗА ГРУНТОВИМ ПРОФІЛЕМ ПРИ ЕКОТОКСИКОЛОГІЧНІЙ ОЦІНЦІ ІМПАКТНОГО ЗАБРУДНЕННЯ ЕКОСИСТЕМИ

Інститут екогігієни і токсикології МОЗ України, м. Київ
Національний аграрний університет, м. Київ

Дослідження процесів міграції важких металів (ВМ) у грунті за імпактного типу забруднень є вкрай необхідним, оскільки швидкість руху полютантів у грунтовому профілі визначає ступінь та час порушення функціонування біогеохімічних циклів, призводячи до кількісних та якісних змін агросистеми і, тим самим, до зменшення врожайності та погіршення якості сільськогосподарської продукції [1]. Виявлення закономірностей поведінки цієї міграції надає можливість установити не тільки час умовного очищення грунту і ефективного його використання, а й термін появи патологічних змін унаслідок забруднення на міжекосистемному рівні. Хоча частка імпактних забруднень складає 20—50% від загальної кількості, проблема прогнозу їхніх наслідків залишається невисвітленою. Під імпактним (англ. impact — удар, вплив) розуміють одноразове (або несистематичне) забруднення грунту полютантами, внаслідок якого порушується функціонування біотичного компоненту екосистеми. Розв'язання питання прогнозування можливе лише за допомогою математичного моделювання при дослідженні особливостей динаміки та кінетики поведінки полютантів у грунті, що, в свою чергу, дозволить ефективно вирішувати проблеми систематичного контролю якості сільськогосподарської продукції.

В даній роботі розглядається низхідна вертикальна міграція Cd у ґрунті, який належить до найпоширенішої групи полютантів у територіальному і номенклатурному аспектах.

Матеріали і методи дослідження

Схема польового досліду передбачала внесення Cd у грунт дозами 0,5; 1,0; 5,0 ГДК (валового вмісту у ґрунті), що в перерахунку на елемент складало 1,5; 3,0, 15,0 мг Cd на 1 кг ґрунту.

Грунт дерново-середньопідзолистий супіщаний (рН сол. — 5,5, гідролітична кислотність 2,7 мг-екв./100 г, вміст гумусу за Тюріним 0,87%, ступінь насиченості основами 58%) під посівом ячменю ярого. Закладку та проведення польового досліду здійснювали відповідно до загально прийнятих методик. Повторність чотириразова. Сіль CdSO₄ вносили у грунт різними кількостями згідно зі схемою досліду. Екстракцію рухомих та потенційно рухомих форм Cd проводили 1 н. НСl з подальшим визначенням хроматографічним методом в тонкому шарі адсорбенту ("Методичні вказівки по визначенню Hg, Zn, Ni, Co, Cd, Cu в ґрунті, рослинах, воді методом тонкошарової хроматографії" №50-97 від 19.06.1997).

За експоненціальною моделлю встановлено константи швидкості виведення рухомих форм кадмію з 0—20 сантиметрового шару. Завдяки регресійному аналізу описано закономірності міграції Cd у профілі ґрунту (20—100 см) за моделлю Коллера [2]. Аналіз одержаних результатів супроводжувався кореляційним та дисперсійним статистичними методами обробки результатів. Довірча ймовірність становила 0,95.

Результати та їх обговорення

За імпактної дії токсиканту в залежності від генетично-морфологічного типу грунту алгоритм його поведінки визначається співвідношенням сорбційної ємності генетичного горизонту і відповідною концентрацією токсиканта та терміном його дії [3]. Динаміка вмісту рухомих та потенційно рухомих форм кадмію у дерново-середньопідзолистому ґрунті представлена у таблиці. Згідно з принципом переломлення діючого фактора всередині системи, зовнішня дія може бути послаблена її буферними властивостями [1]. Дослідження показали, що більша частина внесеної кількості кадмію знаходиться у верхніх горизонтах грунту. Так, вміст металу у фазу стиглості ячменю ярого в 0—20 см шарі у 1999 році складав 51,8%, у 2000 — 30,4%, у 2001 — 22,8% від внесеної кількості.

Однак з часом спостерігалось поступове збільшення вмісту Cd у нижніх шарах ґрунту: частка металу в 40—60 см шарі грунту змінилась майже вдвічі від 3,5% у 1999 р. у фазу стиглості до 7,8% у 2001 році (фаза стиглості ячменя ярого).

Аналіз результатів досліджень міграції Cd в 0—20 см шарі заслуговує на особливу увагу. З агроекологічної точки зору постає питання не тільки якості сільськогосподарської продукції, вирощеної на забруднених територіях, але й період умовного очищення грунту та час його можливого використання. Цю проблему можна вирішити за допомогою встановлення константи швидкості виведення рухомих форм Cd із 0—20 см шару грунту [4, 5].

У разі імпактного забруднення грунту Cd кількість його рухомих форм у 0—20 см шарі змінюється в результаті процесів фітофільтрації, винесення в нижні шари грунту, діяльності ґрунтової та рослинної мікробіоти. Швидкість цього процесу залежить від природи полютанту, рН грунтового розчину, механічного складу та вмісту органічної речовини грунту, рослинного покриву тощо.

Виведення рухомих форм Cd в 0—20 см шарі грунту описується за допомогою експоненціальної залежності:

С(t) = Co•e^-kt, (1)

де: С(t) — кількість металу, що залишилась до часу t; Co — початкова концентрація металу; k — константа швидкості виведення металу з 0—20 см шару грунту; t — час [3, 4]. Константа швидкості виведення рухомих форм металу не залежить від вихідних концентрацій і часу спостережень над процесом та несе інформацію, котра охоплює весь процес виведення рухомих форм кадмію в грунті [4, 5]. Формалізація динаміки вмісту Cd в 0—20 см шарі грунту мала вигляд моделі:

С(t) = 91,0•e^-0,70t, (2)

часовий крок у якій дорівнює одному року (рис. 1).

Константа швидкості міграції рухомих форм Cd з 0—20 см шару грунту дорівнює 0,70 рік^-1 (r²=0,98). Значення цієї константи в межах певного грунту дозволяє спрогнозувати кількість Cd, яка буде знаходитись в ньому через заданий проміжок часу. Так, через 3 роки після надходження у 0—20 см шарі грунту буде знаходитись 11,2% кадмію від його внесеної кількості.

За допомогою рівняння (2) та константи швидкості виведення металу було розраховано період напіввиведення (Т_1/2) рухомих форм свинцю з 0—20 см шару грунту:

Т_1/2=0,693/к (3)

Період напіввиведення рухомих форм кадмію у 0—20 см шарі дерново-середньопідзолистого грунту становив 1 рік.

Динаміку міграції рухомих форм Cd у діапазоні 20—100 см через кожні 20 см пошарово було формалізовано за допомогою функції Коллера (рис. 2), яку умовно можна розділити на дві складові — степеневу і експоненціальну [2].

Загальна форма рівняння Коллера має вигляд:

y=a₀•x^a1•e^a2x,

де: а₀, а₁, а₂ є параметрами регресії (постійні величини в умовах певного горизонту грунту для конкретного металу). Після степеневого підняття крива характеризується наявністю піка — максимальною концентрацією металу в певному горизонті, який є початком експоненціального спаду — асимптотичного наближення кривої до осі абсцис (рис. 2).

З точки зору системи екологічних законів, повного виведення полютанта з певного шару грунту не відбувається: під час порушення рівноваги система не повертається до попереднього стану [1]. При проходженні металу з кожного горизонту в наступний нижній зі збільшенням глибини спостерігали тенденцію зменшення значення піка — максимальної концентрації в кожному нижчому шарі порівняно до кожного вищого, що пов'язано зі збільшенням щільності грунту з глибиною (рис. 2).

Наведені криві дозволяють з певною ймовірністю прогнозувати час, через який у певному шарі ґрунту буде знаходитись конкретна кількість металу (r²=0,87—0,99). Так, у 20—40 см шарі грунту зменшення рухомих форм кадмію до 1% від внесеної кількості відбудеться через 14 років після внесення металу. Можливість даного прогнозу є вкрай необхідною для вирощування сільськогосподарських культур на забруднених територіях.

Таким чином, за експоненціальною моделлю отримано константу швидкості виведення рухомих форм кадмію, яка дає можливість прогнозувати кількість полютанту в грунті через певний проміжок часу та період напіввиведення металу з 0—20 сантиметрового шару грунту. Встановлено загальну закономірність міграції Cd у профілі (20—100 см) дерново-середньопідзолистого грунту, яка описується моделлю Коллера і дозволяє прогнозувати концентрацію металу з часом.

Література
1. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы) —М.: "Россия молодая", 1994. —367 с.
2. Швиденко А.З., Юдицкий Я.А. Информационное письмо. —К.: Изд-во УСХА, 1984. —24 с.
3. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ. —М.: Изд-во Наука, 1978. —С. 300—301.
4. Справочник по контролю за применением средств химизации в сельском хозяйстве / В.П. Васильева, В.Н. Кавецкого, Л.И. Бублик, Є.И. Спыну и др.; Под ред. В.П. Васильева. —К.: Урожай, 1989. —160 с.
5. Марри Дж. Нелинейные дифференциальные уравнения в биологии. Лекции о моделях: Пер. с англ. —М.: Мир, 1983. —С. 11—12.

| Зміст |