Способ оценки экологического состояния окружающей среды

Изобретение предназначено для использования в экологии, геоэкологии, природопользовании, спектрометрии, научно-образовательной сфере, ресурсоведении (для оценки качества растительного сырья), в частности для определения загрязнения урбанизированных территорий железом (Fe), медью (Сu), цинком (Zn). Способ включает регистрацию спектра отражения электромагнитного излучения листьев одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale L.) в видимом диапазоне, измерение коэффициента спектральной яркости, определение спектральных параметров и корреляционный анализ с эталоном. Степень загрязнения окружающей среды определяют по величине отклонения спектральных параметров от эталона. Изобретение позволяет сократить время оценки экологического состояния окружающей среды. 2 ил.

 

Изобретение предназначено для использования в экологии, геоэкологии, природопользовании, спектрометрии, научно-образовательной сфере, ресурсоведении (для оценки качества растительного сырья). В частности, для определения загрязнения урбанизированных территорий железом (Fe), медью (Сu), цинком (Zn). Может применяться на всей территории распространения одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale L.) - умеренных широтах Европы и Азии.

Для определения состояния окружающей среды известен способ [Обухов А.И., Плеханова И.О. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях. М., МГУ, 1991.], в котором для проведения атомно-абсорбционного анализа сбор проб растений производится на выбранной территории с разных тестовых участков в нескольких экземплярах, причем вручную. Собранные образцы растений помещают в специальную упаковку, на которой подписывается номер тестового участка, и перевозят в лабораторию. В лабораторных условиях производится высушивание пробы растений либо в естественных условиях в течение 24-48 часов, либо в термостате при 60°C в течение 5-10 часов. Материал измельчается, берется средняя проба порядка 20-50 г. В кварцевые чашки берется навеска растительного материала 3-5 г воздушно-сухой массы и озоляется в муфельной печи при температуре 450°C. Затем проводится растворение золы в 2н. HCl (двунормальная соляная кислота) на плитке при t=90-100°C, раствор фильтруется и доводится до фиксированного объема. Анализ полученного раствора на содержание металлов (например, Fe, Cu, Zn - железо, медь, цинк) проводится на атомно-абсорбционном спектрофотометре путем сравнения с эталонами (стандартными растворами металлов). Количественное содержание металла рассчитывается в мг/кг воздушно-сухой массы исследуемого образца. Достоинствами является: возможность определения нескольких металлов в одной пробе и точность.

К недостаткам можно отнести длительность пробоподготовки и обязательность лабораторных условий.

Наиболее близким к заявляемому является выбранный в качестве прототипа способ [Выгодская Н.Н., Горшкова И.И. Теория и эксперимент в дистанционных исследованиях растительности. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.], в котором выбирается математическая модель радиационного режима растительного покрова, которая используется для расчета поглощенной растительностью электромагнитного излучения для спектральных диапазонов: видимого и ближнего ИК. Эти модели получили развитие при решении задач сельского хозяйства и ориентированы на решение задач дистанционного зондирования. Модели были разработаны для расчета спектральных отражательных характеристик растительного покрова как функции оптико-биологических параметров растительного покрова. В качестве спектральной характеристики они используют коэффициент отражения (на длинах волн 550 и 670, так как эти длины волн оказались чувствительными к изменению уровня содержания пигментов растения. Для своих исследований они использовали матовый зеленый лист для минимизации оптических искажений. Анализировались 3 соотношения ρ(670)/ρ(550) ρ(800)/ρ(670) и (ρ(800)/ρ(670))*ρ(550). Первая комбинация характеризовала выраженность минимума отражения в красной области по отношению к относительному максимуму в зеленой области. Вторая - крутизну спектральной кривой при переходе в БИК диапазон и третья - совокупное изменение по трем характерным точкам спектральной кривой отражения зеленого листа. Обработка результатов проводилась с привлечением элементов информационного анализа. Причем установили, что комбинации, в которых использованы ρ(800) не несут дополнительной информации о хлорофилле в силу низкой чувствительности ρ(800) к хлорофиллу. По результатам изучения воздействия комплекса основных азотно-фосфорно-калийных удобрений на ρ растительного покрова: наибольшая Δρ растительного покрова возможна при средних дозах удобрений. В известном способе установлено, что в зеленой и красной областях спектра Δρ может достигать 70% в зависимости от вида и доз удобрений. С увеличением содержания хлорофилла относительные изменения ρ снижаются. Недостаток удобрений вызывает возрастание ρ в видимом диапазоне. В известном способе установлен диапазон возможных относительных изменений ρ: при внесении комплекса NPK-удобрений изменения составляет 5-50%, в зависимости от дозы и времени внесения, при внесении только N (до 224 кг/га) - 10-25%. Исследовали зеленые листья райграса итальянского. Данный метод разрабатывался безотносительно к задачам дистанционного зондирования, многие свойства растительного покрова не учитывались с целью увеличения оперативности наземных наблюдений. С помощью корреляционного анализа экспериментальные данные сравнивались с эталоном (математической моделью) и делались выводы о соответствии. Использовалось для решения сельскохозяйственных задач, таких как регулировка внесения удобрений и оценка проективного покрытия растительного покрова. Достоинствами метода является возможность решения целевых сельскохозяйственных задач.

Основным недостатком метода является очень низкая оперативность получения информации. Недостатками также являются: значительная погрешность при получении ρ из-за влияния внешних условий и сложность в получении и анализе результатов исследований. То, что математические модели создавались без учета задач дистанционного зондирования, не позволяет получать точный результат. Большая ошибка накапливается вследствие многочисленных математических вычислений и допущений.

Изобретение основывается на том, что техногенное загрязнение окружающей среды воздействует на пигментный состав одуванчика (фиг.1), что вызывает изменение оптических характеристик в видимом диапазоне спектра. Известно, что отражательные свойства природных и искусственных объектов могут характеризоваться коэффициентом спектральной яркости (R_λ).

Авторами установлено, что на величину R_λ оказывают влияние изменения физиолого-биохимических процессов в растении под воздействием загрязнения. А именно - перераспределение пигментного состава. Это приводит к изменению экстремумов и точек пересечения спектров поглощения основных пигментов растения (фиг.1). Авторами также установлено, что для разнообразных видов растений все эти изменения могут быть учтены с помощью следующих спектральных параметров: R₄₃₅/R₅₀₀/ R₆₇₀/R₆₂₀, R₆₇₀/R₅₀₀, R₄₃₅/R₆₂₀, R₄₃₅/R₆₇₀, R₅₀₀/R₆₂₀, R₄₃₅/R₅₈₅, R₄₃₅/R₆₃₅, R₅₀₀/R₄₅₀, R₅₀₀/R₄₆₅, R₅₅₀/R₄₈₅, R₅₅₀/R₆₂₀, R₄₃₅/R₇₃₅, R₄₅₀/R₇₃₅, R₄₆₅/R₇₃₅, R₄₈₅/R₇₃₅, R₄₃₅/R₆₈₅, R₄₅₀/R₆₈₅, R₄₆₅/R₆₈₅, R₄₈₅/R₆₈₅.

Каждой из выбранных длин волн соответствует: 435 нм - максимум спектра поглощения хлорофилла а (ХЛа); 450 нм - пересечение максимумов спектра поглощения ХЛa и ХЛb (β-каротина); 465 нм - максимум спектра поглощения ХЛb; 485 нм - минимум спектра поглощения ХЛb (β-каротина); 500 нм - пересечение минимумов спектра поглощения ХЛa и ХЛb (β-каротина); 550 нм - минимумы спектра поглощения ХЛa и ХЛb (β-каротина); 585 нм - минимум спектров поглощения ХЛa и ХЛb (β-каротина); 620 нм - пересечение минимумов спектра поглощения ХЛa и ХЛb (β-каротина); 635 нм - максимум спектра поглощения ХЛb; 670 нм - пересечение максимумов спектра поглощения ХЛa и ХЛb (β-каротина); 685 нм - максимум спектра поглощения ХЛa; 735 нм - минимумы спектра поглощения ХЛa и ХЛb (β-каротина).

Разные виды растительности, как и все живые организмы, по-разному реагируют на уровень загрязнения окружающей среды. Растения борются за свое существование и пытаются приспособиться к техногенным поллютантам (самыми распространенными из которых являются тяжелые металлы), чтобы выжить в современных экологических условиях. Вследствие этого сложно установить устойчивую взаимозависимость реакции (в данном случае спектральной) отдельного вида растения на воздействие определенного поллютанта (тяжелого металла, в данном случае). Поэтому, даже из набора вышеперечисленных спектральных параметров, для разного вида растений, информативными становятся не все.

Авторами установлено, что для одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale L.), в отличие от других видов растений, существует зависимость изменения спектральных характеристик R₅₀₀/R₆₂₀, R₅₅₀/R₄₈₅, R₅₅₀/R₆₂₀, R₄₃₅/R₅₀₀, R₄₃₅/R₆₂₀, R₄₅₀/R₇₃₅ из описанного выше набора от уровня загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами: Fe, Cu и Zn. Таким образом, одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale L.) является индикаторным растением к загрязнению окружающей среды Fe, Cu и Zn.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка экспресс-способа определения состояния окружающей среды.

Поставленная задача решается за счет того, что, как и в известном способе, регистрируют спектр отражения электромагнитного излучения растения в видимом диапазоне и определяют состояние растения по величине отклонения характеристик спектра от эталона. Но, в отличие от известного способа, в предлагаемом в качестве индикаторного растения используют одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale L.), регистрируют спектр отражения его листьев, измеряют коэффициенты спектральной яркости R_λ (где λ - длина волны), определяют спектральные параметры, представляющие собой отношения двух коэффициентов спектральной яркости на разных длинах волн: R₅₀₀/R₆₂₀, R₅₅₀/R₄₈₅, R₅₅₀/R₆₂₀, R₄₃₅/R₅₀₀, R₄₃₅/R₆₂₀, R₄₅₀/R₇₃₅, и проводят корреляционный анализ спектральных параметров с эталоном.

Достигаемый технический результат - сокращение времени оценки экологического состояния. Технический результат достигается за счет того, что для оценки состояния окружающей среды достаточно результатов, полученных единовременно в полевых условиях, не требуя дальнейшей аналитической и химической обработки. Использование листьев одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale L.) в данном способе позволяет определять загрязнение Fe, Cu, Zn. Неизвестны другие растения, которые бы позволяли определять эти металлы данным способом.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлены зависимости степени поглощения электромагнитного излучения основными пигментами растения от длины волны [Полевой В.В. Физиология растений: Учеб. для биол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1989. - 464 с.]. На фиг.2 представлены зависимости спектральных параметров (в виде отношений коэффициентов спектральной яркости на определенных длинах волн) одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale L.) от уровня загрязнения окружающей среды Fe, Cu и Zn. Трем градациям уровня загрязнения «чисто», «среднее загрязнение», «сильное загрязнение» соответствует диапазон концентраций C в миллиграммах соответствующего металла на килограмм сухой массы растения (в данном случае - одуванчика).

Приводим описание примеров реализации предлагаемого способа. Для оценки экологического состояния окружающей среды и загрязнения ее железом (Fe), медью (Cu) и цинком (Zn) выбирается тестовый участок территории, где растет одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale L.). Измерения коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) могут проводиться как в полевых, так и в лабораторных условиях. В случае полевых измерений выбирается сплошная поверхность из листьев одуванчика. В случае лабораторных измерений листья одуванчика собираются с тестового участка и перевозятся в лабораторию, где раскладываются для измерений сплошным покровом. Для измерения КСЯ спектрометром, работающим в видимом диапазоне (400-750 нм), одновременно регистрируются спектры падающего и отраженного листьями одуванчика излучения и заносятся в память спектрометра. Регистрация отраженного излучения проводится в надир (вертикально вниз). Регистрация падающего излучения проводится в зенит (вертикально вверх) через молочное стекло, помещаемое перед объективом спектрометра для интеграции излучения верхней полусферы. Регистрируются и заносятся в память показания спектрометра при закрытом объективе - темновой ток. КСЯ вычисляются по формуле:

где R_λ - КСЯ на длине волны λ; I_восх - показания спектрометра при регистрации восходящего (отраженного) излучения; I_нисх - показания спектрометра при регистрации нисходящего излучения; I_темн - темновой ток спектрометра, и выводятся на компьютер. По измеренным КСЯ вычисляются спектральные параметры, представленные на фиг.2: R₅₀₀/R₆₂₀, R₅₅₀/R₄₈₅, R₅₅₀/R₆₂₀, R₄₃₅/R₅₀₀, R₄₃₅/R₆₂₀, R₄₅₀/R₇₃₅. Эти спектральные параметры в соответствии с фиг.1 чувствительны к перераспределению содержания пигментов при загрязнении тяжелыми металлами. Значения параметров сравниваются с эталоном - фиг.2. Для определения уровня загрязнения территории железом (Fe) сравниваются с соответствующими строками фиг.2 значения трех спектральных параметров: R₅₀₀/R₆₂₀, R₅₅₀/R₄₈₅, R₅₅₀/R₆₂₀ и делается вывод об уровне загрязнения территории железом. Если, например, в результате измерений оказалось R₅₀₀/R₆₂₀=0.9, то загрязнения железом на данной территории нет («чисто»). Если R₅₀₀/R₆₂₀=0.5, то на данной территории «среднее загрязнение» железом, соответствующее диапазону 80-250 мг железа на кг сухой массы растения (в данном случае - одуванчика). И если R₅₀₀/R₆₂₀=0.2, то на данной территории «сильное загрязнение», что соответствует содержанию железа >250 мг на кг сухой массы растения. Аналогично проводится сравнение спектральных параметров R₄₃₅/R₅₀₀ и R₄₃₅/R₆₂₀ с фиг.2 для определения уровня загрязнения территории медью (Cu) и параметра R₄₅₀/R₇₃₅ с фиг.2 для определения уровня загрязнения территории цинком (Zn). Делается вывод об уровне загрязнения территории соответствующим металлом. Предлагаемый способ устраняет все недостатки ранее используемых методов: не требуется длительная пробоподготовка, используется как в лабораторных, так и в полевых условиях и обладает высокой оперативностью получения информации.

Способ оценки экологического состояния окружающей среды, включающий регистрацию спектра отражения электромагнитного излучения растением в видимом диапазоне и определение состояния растения по величине отклонения характеристик спектра от эталона, отличающийся тем, что в качестве индикаторного растения используют одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale L.), регистрируют спектр отражения его листьев, измеряют коэффициенты спектральной яркости R_λ на разных длинах волн λ, рассчитывают спектральные параметры, представляющие собой отношения двух коэффициентов спектральной яркости на разных длинах волн: R₅₀₀/R₆₂₀, R₅₅₀/R₄₈₅, R₅₅₀/R₆₂₀, R₄₃₅/R₅₀₀, R₄₃₅/R₆₂₀, R₄₅₀/R₇₃₅, и производят корреляционный анализ спектральных параметров с эталоном.