CC BY
16
ОЦЕНКА РИСКА ДЕГРАДАЦИИ ЛЕСНЫХ ГЕОСИСТЕМ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ СЪЕМКИ СЕНСОРА TROPOMI СПУТНИКА SENTINEL-5P (НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БЕЛОРУССКОГО ПОЛЕСЬЯ)
УДК 911.2+504.54
А.П. Гусев
Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, [email protected]
ОЦЕНКА РИСКА ДЕГРАДАЦИИ ЛЕСНЫХ ГЕОСИСТЕМ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ СЪЕМКИ СЕНСОРА TROPOMI СПУТНИКА SENTINEL-5P (НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БЕЛОРУССКОГО ПОЛЕСЬЯ)
Цель работы - оценка риска деградации лесных геосистем под воздействием загрязнения атмосферы (по данным съемки TROPOMI Sentinel-5P). Как индикаторы риска использованы содержания SO2 и N02, измеряемые TROPOMI. Район исследований - восточная часть Белорусского Полесья. Определены фоновые значения содержаний S02 и N02 в летний период. Изучены особенности загрязнения атмосферы S02 и N02 в сельскохозяйственных, сельскохозяйственно-лесных и лесных ландшафтах. Установлено, что динамика S02 преимущественно определяется трансграничным переносом. Аномалии повышенного содержания N02 приурочены к крупным техногенным геосистемам. Риск деградации лесных ландшафтов под воздействием загрязнения атмосферы оценивается как очень низкий (80.3% территории) и низкий (19.7% территории).
Ключевые слова: геосистема; загрязнение атмосферы; индикатор риска; TR0P0MI; Senti-пе1-5Р; Белорусское Полесье.
D0I: https://doi.Org/10.24852/2411-7374.2023.1.10.15
Введение
Загрязнение атмосферы - один из ведущих факторов деградация лесных ландшафтов как на локальном, так и региональном уровнях (Гусев, 2005). Известно, что среди разнообразных техногенных загрязнителей наиболее существенное воздействие на лесную растительность оказывают выбросы диоксида серы (802) и диоксида азота (N02), играющие ведущую роль в формировании кислых осадков (Илькун, 1978; Кислотные дожди..., 1989). Опасность данных поллю-тантов обусловлена их массовостью, токсичностью и «продолжительность жизни» в атмосфере. Источниками выбросов N02 являются энергетика на углеводородном топливе, автотранспорт, химическая и нефтехимическая промышленность, металлургия, пожары. Источники выбросов 802 - тепловые электростанции на угле и мазуте, нефтеперерабатывающие и металлургические заводы, а также извержения вулканов. Дальность переноса 802 составляет 300-400 км. В атмосфере 802 и N02 вступают в химические реакции с парами воды и превращаются, соответственно, в серную и азотную кислоты, что приводит к закис-лению осадков. Фитотоксичность 802 обусловлена воздействием на скорость транспирации, дыхания и фотосинтеза растений. Повышенные концентации 802 в атмосфере вызывают у них нарушения физиологических процессов, оказывают
мутагенное воздействие. Последствиями закисле-ния являются поражения растительности за счет изменения метаболических процессов в почвах и соответствующей трансформации питания растений, активизации миграции токсичных химических элементов (например, алюминия). Установлено, что в условиях загрязнения 802 исчезают чувствительные к его воздействию лишайники, мхи, хвойные породы деревьев, наблюдается усыхание и гибель лесообразующих пород, понижается устойчивость лесной экосистемы к погодным аномалиям, вредителям и болезням (Кислотные дожди., 1989).
С развитием дистанционного зондирования Земли появились и постоянно совершенствуются методы оценки загрязнения атмосферы с помощью многозональной космической съемки. При этом спутниковый мониторинг загрязнения атмосферы имеет как недостатки, так и преимущества по сравнению с наземными инструментальными наблюдениями. Преимущества: пространственная оценка загрязнения на региональном уровне; выявление реальных (в том числе несанкционированных) источников выбросов; возможность получения усредненных за любой временной период данных; возможность ежесуточной оценки загрязнения на региональном уровне; выяснение направлений трансграничного движения масс загрязненного воздуха и их временной измен-
чивости. Недостатки: низкое пространственное разрешение, не позволяющее оценивать выбросы от локальных источников; зависимость качества данных от облачности; полученные концентрации поллютантов в столбе стратосферы не могут оцениваться с помощью имеющейся системы ПДК. Однако дистанционно измеряемые концентрации поллютантов коррелируют с их концентрациями, определяемыми наземными методами. Например, в работе (Ialongo et а1., 2019) для К02 установлена связь величин, полученных дистанционными и наземными измерениям, с коэффициентом корреляции 0.66; в работе (Cersosimo et а1., 2020) коэффициент корреляции составил 0.5-0.9.
Содержания поллютантов, измеренные спутниковой съемкой в столбе тропосферы, а также производные от них показатели могут использоваться как индикаторы загрязнения атмосферы на региональном уровне. В свою очередь, дистанционно измеренные содержания таких веществ как S02 и К02 рассматриваются нами как индикаторы риска деградации лесных геосистем под воздействием загрязнения атмосферы.
Цель работы - оценка риска деградации лесных геосистем под воздействием загрязнения атмосферы (по данным съемки TR0P0MI Sen-йпе1-5Р). Решаемые задачи: обработка данных TR0P0MI Sentinel-5P; оценка фоновых для региона концентраций S02 и К02 в тропосфере; анализ пространственной структуры загрязнения S02 и N02; оценка риска деградации лесных геосистем под воздействием загрязнения S02 и N02.
Материалы и методы исследования
Район исследования находится на юго-востоке Беларуси, являясь восточной частью Белорусского Полесья (рис. 1). По природно-ландшафтному районированию данную территорию относят к восточноевропейским широколиственно-лесным ландшафтам, рода которых выделяют по особенностям морфолитогенной основы (выделены холмисто-моренно-эрозионный, вторично-моренный, водно-ледниковый, аллювиальный террасированный, озерно-аллювиальный, озерно-болот-ный рода ландшафтов). В зависимости от степени антропогенной трансформации (определяется по соотношению площадей пахотных, луговых, лесных, болотных геосистем) выделяют природ-но-антропогенные ландшафты (ПАЛ), которые представлены 3 классами: сельскохозяйственным, сельскохозяйственно-лесным и лесным. Операционной территориальной единицей в наших исследованиях служит ландшафтный выдел, соответствующий границам родов природных ландшафтов с учетом их антропогенной транс-
формации.
В работе использованы данные съемки спутника Sentinel-5P с сенсором TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument), который измеряет атмосферные концентрации (общее содержание в вертикальном столбе тропосферы) озона, метана, формальдегида, угарного газа, диоксида серы, диоксида азота. Содержание диоксида серы, угарного газа, диоксида азота измеряются и предоставляются в моль/м2. Sentinel-5P проводит съемку ежедневно с октября 2017 г Пространственное разрешение съемки Sentinel-5P составляет 5.5x3.5 км (7x5.5 км - с августа 2019 г.). Данные преобразованы с помощью модуля Sentinel-5P data explorer для QGIS.
Концентрации газов, определяемые по данным дистанционной съемки TROPOMI, не могут оцениваться с помощью санитарно-гигиенических нормативов (ПДК), поэтому предлагаются различные относительные индексы.
Наибольшую опасность для лесных геосистем представляют NO2 и SO2, для оценки которых нами предложен относительный показатель С, определяемый по формуле С=С./Со, где С. - среднее содержание загрязнителя в пределах i-ой геосистемы; Со - фоновое содержание загрязнителя в регионе. По мере роста концентрации поллютан-та возрастает риск его негативного воздействия на лесную геосистему. Предлагаются следующие градации риска по величине показателя С (с учетом среднеквадратичного отклонения летних значений в регионе): очень низкий риск - С<1.1; низкий риск - С=1.1-1.5; средний риск - С=1.5-2.5; высокий риск - С>2.5.
Рис. 1. Район исследований Fig. 1. Research area
1/2023
11
ОЦЕНКА РИСКА ДЕГРАДАЦИИ ЛЕСНЫХ ГЕОСИСТЕМ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ СЪЕМКИ СЕНСОРА TROPOMI СПУТНИКА SENTINEL-5P (НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БЕЛОРУССКОГО ПОЛЕСЬЯ)
Таблица 1. Содержание NO2 и SO2 в тропосфере
над полесскими природно-антропогенными ландшафтами (среднее значение и его ошибка) Table 1. The content of NO2 and SO2 in the troposphere above the Polesie natural-anthropogenic landscapes (average value and its error)
Класс природно-антропогенного ландшафта Natural-anthropogenic landscape class Загрязняющие вещества Pollutants
no2, x10-3 моль/м2 X10-3 моль/м2
Сельскохозяйственные Agricultural 0.0209±0.0007 0.303±0.025
Сельскохозяйственно-лесные Agricultural forestry 0.0172±0.0008 0.299±0.060
Лесные Forest 0.0164±0.0011 0.291±0.040
Региональный фон Regional background 0.0176±0.0009 0.296±0.024
Результаты и их обсуждение
По данным съемки сенсора TR0P0MI спутника 8еп1ше1-5Р в период июнь-август 2022 г. были получены усредненные значения показателей содержания N0,, и Б02 над ландшафтами района исследований (табл. 1). Летом 2022 г. их фоновые для региона значения были относительно низки.
Установлено, что в зависимости от ландшафтного выдела усредненные за летний период содержание Б02 варьировало от 0.208 до 0.377 10-3 моль/м2. Карта-схема средних содержаний Б02 по выделам ландшафтов приведена на рисунке 2. Медианные значения составляли от 0.102 до 0.300 10-3 моль/м2 Вариабельность содержаний Б02 высокая. В отдельных замерах отмечается увеличение содержания диоксида серы в 1.7-8.8 раза по сравнению с фоном. Так, максимальные значения Б02 в зависимости от ландшафтного выдела изменяются в пределах 0.5-2.610-3 моль/м2 (превышение фона в 1.7-8.8 раза). Причем, в границах выдела, в котором наблюдалась максимальное содержание Б02 (2.610-3 моль/м2), отсутствуют какие-либо энергетические или промышленные объекты.
Однако разница в усредненных концентрациях Б02 над различными объектами статистически недостоверна. Пространственная связь между ареалами с повышенным содержанием Б02 и потенциальными объектами, которые могут (теоретически) являться источником выбросов (города, крупные промышленные предприятия), не установлена. Хотя и прослеживаются закономерные
1 - <0.300; 2 - 0.300-0.350; 3 - >0.350
Рис. 2. Содержание SO2 (*10-3 моль/м2) в тропосфере восточной части Белорусского Полесья (по данным съемки TROPOMI Sentinel-5P, лето 2022 г.)
Fig. 2. The content of SO2 (*10-3 mol/m2) in the troposphere of the eastern part of the Belarusian Polesie (according to the shooting of TROPOMI Sentinel-5P, summer 2022)
изменения содержания SO2 в ряду ПАЛ: от сельскохозяйственных ландшафтов (средняя концентрация - 0.303 10-3 моль/м2) к лесным ландшафтам (0.29110-3 моль/м2), однако указанные различия статически не достоверны (p>0.05). Можно предположить, что как региональный фон, так и пространственно-временные колебания содержания SO2 в пределах территории Беларуси определяются преимущественно трансграничным переносом от окружающих государств. Так, например, в летний сезон 2022 г. по данным съемки TROPOMI среднее содержания SO2 на территории Польши составило 0.435, Литвы - 0.484, Украины - 0.378, прилегающих к Беларуси областей России (Брянская, Смоленская, Псковская) -0.39110-3 моль/м2.
Содержание NO2 в зависимости от ландшафтного выдела в изучаемом регионе колебалось от 0.0137 до 0.0240 10-3 моль/м2 (среднее значение - 0.0173, медианное значение - 0.0168). В единичных замерах в зависимости от выдела содержания NO2 увеличивалось до 0.0288-0.0602 10-3 моль/м2, что превышает фоновые значения в 1.6-3.4 раза. Вариабельность содержаний диоксида азота характеризуется величинами среднеквадратичного отклонения в зависимости от выдела 0.0063-0.0115 10-3 моль/м2. Карта-схема средних содержаний NO2 по выделам ландшафтов приведена на рисунке 3.
В отдельных ландшафтах усредненные содержания диоксида азота превышают региональный фон в 1.1-1.4 раза. Ареал с повышенным содер-
1 - <0.018; 2 - 0.018-0.021; 3 - >0.021
Рис. 3. Содержание NO2 (*10-3 молъ/м2) в тропосфере восточной части Белорусского Полесья (по данным съемки TROPOMI Sentinel-5P, лето 2022 г.) Fig. 3. The content of NO2 (*10-3 mol/m2) in the troposphere of the eastern part of the Belarusian Polesie (according to the shooting of TROPOMI Sentinel-5P, summer 2022)
1 - очень низкий риск; 2 - низкий риск 1 - very low risk; 3 - low risk
Рис. 4. Карта-схема оценки риска воздействия
SO2 и NO2 на лесные геосистемы Fig. 4. The map of the risk assessment of the effects of SO2 and NO2 on forest geosystems
жанием NO2 приурочен к крайнему юго-востоку Белорусского Полесья, где находится наиболее крупный промышленный центр региона - город Гомель (предприятия химической промышленности и машиностроения, международный транспортный узел). В этом районе имели место замеры максимальных для региона концентраций диоксида азота (0.05-0.06 10-3 моль/м2).
В ряду ПАЛ среднее содержание NO2 изменяется от 0.0209 до 0.0164 10-3 моль/м2. Различия между классами ПАЛ статистически значимы
(р<0.05). Анализ локальных аномалий повышенного содержания N0,, показал, что они, как правило, приурочены к техногенным геосистемам. Над лесным и болотными ландшафтами концентрации N02 не превышают регионального фона.
Был выполнен корреляционный анализ (по коэффициенту ранговой корреляции Спирмена) между усредненными содержаниями загрязняющих веществ и удельными площадями природных и антропогенных геосистем (пахотных, луговых, болотных, лесных, техногенных). Установлено, что содержание диоксида серы не имеет статистически достоверной корреляции с удельными площадями различных типов геосистем. Содержание диоксида азота имеет достоверную положительную корреляцию с удельной площадью техногенных геосистем (коэффициент корреляции составил 0.43, р<0.05) и отрицательную с удельной площадью лесных геосистем (-0.26, р<0.05).
На основе установленных фоновых значений концентраций N0.. и Б02 были рассчитаны значения показателя С для каждого ландшафтного выдела (рис. 4), которые изменялись от 0.76 до 1.19. Таким образом, на территории изучаемого региона ландшафты со средним и высоким риском деградации лесных геосистем под влиянием атмосферных выбросов отсутствуют. В ландшафтах, окружающих г. Гомель, величина показателя С составляет 1.11-1.19. Западнее р. Днепр значение С>1 зафиксировано только в одном ландшафтном выделе, в котором расположен г. Светлогорск (центр химической промышленности). В целом низкий риск отмечается на 19.7% территории, очень низкий риск - на 80.3% территории.
В зоне низкого риска деградация лесных геосистем возможна только на локальных участках, в непосредственной близости к источникам выбросов, и в значительной степени зависит от устойчивости преобладающих древесных пород к рассматриваемым загрязняющим веществам (Гусев, 2005; Гусев, Шпилевская, 2020). На локальных участках риск деградации лесов может возрастать при комплексном влиянии загрязнения атмосферы и других факторов (пожары, повреждения древостоя вредителями и болезнями).
Заключение
Таким образом, в ходе выполненных исследований установлено:
1) пространственно-временная динамика содержаний Б02 в ландшафтах восточной части Белорусского Полесья преимущественно определяется трансграничным переносом (статистически значимые отличия между различными по степени
1/2023
13
ОЦЕНКА РИСКА ДЕГРАДАЦИИ ЛЕСНЫХ ГЕОСИСТЕМ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ СЪЕМКИ СЕНСОРА TROPOMI СПУТНИКА SENTINEL-5P
(НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БЕЛОРУССКОГО ПОЛЕСЬЯ)
антропогенной преобразованности ландшафтами отсутствуют);
2) аномалии повышенного содержания NO2 приурочены к зонам высокой концентрации техногенных геосистем, в которых имеются многочисленные локальные источники выбросов;
3) вероятность деградации лесных ландшафтов региона под воздействием атмосферного загрязнения оценивается как незначительная (площадь ландшафтов с очень низким риском деградации по критерию С составляет 80.3%, с низким риском - 19.7% площади региона).
Исследования выполнены при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Х23КИ-022).
Список литературы
1. Гусев А.П. Индикаторы деградации лесных ландшафтов Белорусского Полесья в зоне влияния химического производства // География и природные ресурсы. 2005. №4. С. 145-147.
2. Гусев А.П., Шпилевская Н.С. Фитоиндикаторы техногенного химического воздействия на лесной ландшафт // Геополитика и экогеодинамика регионов. 2020. Т. 6, вып. 1. С. 192-198.
3. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев: Наукова думка, 1978. 247 с.
4. Кислотные дожди. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 269 с.
5. Кулагин З.Ю. Древесные растения и промышленная среда. М.: Наука, 1974. 125 с.
6. Cersosimo A., Serio C., Masiello G. TROPOMI NO2 Tro-pospheric Column Data: Regridding to 1 km Grid-Resolution and Assessment of their Consistency with In Situ Surface Observation // Remote sensing. 2020. Vol. 12 (14). P. 2212-2235. https://doi.org/10.3390/rs12142212.
7. Ialongo I., Virta H., Eskes H., Hovila J., Douros J. Comparison of TROPOMI/Sentinel-5 Precursor NO2 observation with ground-based measurements in Helsinki // Atmospheric measurement techniques. 2019. Vol. 13. P. 205-218. https://doi. org/10.5194/amt-13-205-2020.
References
1. Gusev A.P. Indikatory degradatsii lesnykh landshaftov Belorusskogo Poles'ya v zone vliyaniya khimicheskogo proiz-vodstva [Indicators of degradation of forest landscapes of Belar-usian Polesie in the zone of influence of chemical production] // Geografiya i prirodnyye resursy [Geography and natural resources]. 2005. No 4. P. 145-147.
2. Gusev A.P., Shpilevskaya N.S. Fitoindikatory tekhnogen-nogo khimicheskogo vozdeystviya na lesnoy landshaft [Phythy-indicators of technogenic chemical exposure to the forest land-
scape] // Geopolitika i ekogeodinamika regionov [Geopolitics and ecogeodynamics of regions]. 2020. Vol. 6., No 1. P. 192-198.
3. Ilkun G.M. Zagryazniteli atmosfery i rasteniya [Atmospheric pollutants and plants]. Kyiv: Naukova dumka, 1978. 247 p.
4. Kislotnyye dozhdi [Acid rains]. Leningrad: Hydromete-oizdat, 1989. 269 p.
5. Kulagin Z.Yu. Drevesnyye rasteniya i promyshlennaya sreda [Wood plants and industrial environment]. Moscow: Nau-ka, 1974. 125 p.
6. Cersosimo A., Serio C., Masiello G. TROPOMI NO2 Tro-pospheric Column Data: Regridding to 1 km Grid-Resolution and Assessment of their Consistency with In Situ Surface Observation // Remote sensing. 2020. Vol. 12 (14). P. 2212-2235. https://doi.org/10.3390/rs12142212.
7. Ialongo I., Virta H., Eskes H., Hovila J., Douros J. Comparison of TROPOMI/Sentinel-5 Precursor NO2 observation with ground-based measurements in Helsinki // Atmospheric measurement techniques. 2019. Vol. 13. P. 205-218. https://doi. org/10.5194/amt-13-205-2020.
Gusev A.P. Evaluation of the risk of degradation of forest geosystems under the influence of atmospheric pollution based on the shooting of the sensor of the TROPOMI Sentinel-5P (on the example of the eastern part of the Belarusian Polesie).
The purpose of the work is to evaluate the risk of degradation of forest geosystems under the influence of atmospheric pollution (according to TROPOMI Sentinel-5P shooting). As risk indicators, the content of SO2 and NO2 are used, measured by TROPOMI. The research area is the eastern part of the Belarusian Polesie. The background values of the content of SO2 and NO2 are determined in the summer. The features of the atmosphere of SO2 and NO2 in agricultural, agricultural and forest landscapes have been studied. It has been established that the dynamics of SO2 is mainly determined by cross-border transfer. Anomalies of increased NO2 content are confined to large technogenic geosystems. The risk of degradation of forest landscapes under the influence of atmospheric pollution is estimated as very low (80.3% of the territory) and low (19.7% of the territory).
Keywords: geosystem; air pollution; risk indicator; TROPOMI; Sentinel-5P; Belarusian Polesie.
Раскрытие информации о конфликте интересов: Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов / Disclosure of conflict of interest information: The author claims no conflict of interest
Информация о статье / Information about the article
Поступила в редакцию / Entered the editorial office: 28.02.2023 Одобрено рецензентами / Approved by reviewers: 09.03.2023 Принята к публикации / Accepted for publication: 10.03.2023
Информация об авторах
Гусев Андрей Петрович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент, декан геолого-географического факультета, Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, Республика Беларусь, 246019, г Гомель, ул. Советская, 104, E-mail: [email protected].
Information about the authors
Andrei P. Gusev, Ph.D. in Geology, Associate Professor, Dean, F. Skorina Gomel State University, 104, Sovetskaya str., Gomel, 246019, Belarus, E-mail: [email protected]
[CC
0©
tv t+c
