CC BY
48
УДК 631.41:631.453
ИНДЕКС ШЕННОНА-УИВЕРА
КАК ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ МЕТАЛЛОВ В ОБРАЗЦАХ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ
Ю.Н. Водяницкий
Один из важных геохимических показателей — степень контрастности (дифференциации) распределения металлов в фоновой или загрязненной почве. Удобным критерием данного показателя в образцах почв и растений может служить индекс Шенно-на—Уивера (Н), методика расчета которого дана в статье. Предложена градация индекса на шесть групп: от отсутствия (Нотн = 1,0—0,9) до очень сильной (Нотн = 0,3—0,1) дифференциации. Для фоновых почв регионов России характерны низкая или даже отсутствие дифференциации металлов. В результате аэрального загрязнения почв тяжелыми металлами степень дифференциации заметно возрастает, особенно вблизи источника загрязнения. При удалении от него этот показатель снижается, вероятно, за счет механического разбавления пыли в большом объеме почвы.
Ключевые слова: геохимия почв, индекс Саета, индекс Шеннона—Уивера, охрана почв.
Введение
Прогресс любой науки зависит от усовершенствования применяемых методов [6]. Для развития геохимии ландшафтов и геохимии почв требуется как внедрение новых химических, физических, минералогических и биологических методов анализа, так и усовершенствование методов расчета уже освоенных показателей. Среди таковых, используемых традиционно, доминируют химические, например, валовое содержание элементов и состав их соединений.
Для геохимической интерпретации валового содержания элементов в геохимии ландшафтов и геохимии почв используют довольно много показателей, но у большинства из них очень простая структура — они представляют собой дробь [7]. Например, такая структура у кларка концентрации — Кк (его подсчитывают при Кк > 1) и кларка рассеяния — Кр (его подсчитывают при Кр > 1):
Кк = С, (почва)/С, (кларк), Кр = С, (кларк)/С/ (почва),
где С, (почва) и С, (кларк) — содержание /-го элемента в почве и его кларк соответственно.
Аналогичную структуру имеют многие геохимические показатели: коэффициент концентрирования (Кс) элементов в снеговой пыли, растениях; коэффициент биологического поглощения (Кб); коэффициент радиальной дифференциации (Я) и многие другие. Эти простейшие показатели используют для характеристики относительного содержания отдельных химических элементов.
Но в ряде случаев важно численно оценить совокупность элементов, например, суммарную трансформацию их состава в растениях на загряз-
ненной почве, степень загрязнения почв набором тяжелых металлов и степень их контрастности/дифференциации в образцах. Другими словами, нужна свертка информации о многих элементах в пределах данной выборки. Такие интегральные показатели в геохимии используют гораздо меньше.
Широкое распространение получил индекс Саета (.20, который применяют для численной оценки степени суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами [7]: = 2Кк— (п — 1), где п — число изученных химических элементов в образце.
Индекс Саета можно использовать только для геохимических объектов со значениями Кк > 1 и, значит, он не пригоден для интегральной характеристики геохимических барьеров или состава растений, где обогащение относительно фона одними элементами сопровождается обеднением другими. Индекс суммарного загрязнения Саета не предназначен и для того, чтобы различать моноэлементное и полиэлементное загрязнение почв. Между тем это различие существенно для характеристики загрязнения почв тяжелыми металлами. Почва может быть примерно одинаково загрязнена всеми химическими элементами или, наоборот, — единственным элементом. Очевидно, что возможен и ряд промежуточных форм загрязнения. Для различения моноэлементного и полиэлементного загрязнения почв нужен свой показатель: критерий дифференциации поллютантов.
Степень дифференциации металлов важно знать также для оценки сбалансированности элементов в составе растений и для интегральной оценки контрастности геохимических барьеров.
Но сходную задачу давно решают биологи и ботаники, численно оценивая информационное разнообразие видов растений и организмов на дан-
ном участке. Для этого пользуются информационным индексом Шеннона—Уивера (Я) [10]. (Индекс Шеннона рассматривают также как энтропию.) Ранее этот показатель использовали для характеристики дифференциации химических элементов в почвах [1].
Цель работы — апробировать индекс Шен-нона—Уивера как интегральный показатель дифференциации металлов в фоновых и загрязненных почвах и растениях.
Методика расчета индекса Шеннона—Уивера. Содержание металлов в почве очень сильно зависит от их кларков. Например, содержание железа в литосфере на три порядка выше, чем меди; в группе лантанидов количество церия в 82 раза выше, чем лютеция. Чтобы при изучении соотношения между металлами в почве исключить влияние естественного (или техногенного) различия, исследователи нормируют содержание металлов на какой-либо эталон. В качестве эталона выбирают кларк (всемирный или региональный) или содержание металлов в хондрите (для лантонидов), или фоновое содержание и ПДК (для загрязненных почв) и т.п. [2]. Процедура нормирования необходима и для подготовки данных к подсчету индекса Шеннона—Уивера. Без такого нормирования значение этого показателя будет определяться содержанием самого распространенного металла, что исказит смысл индекса как показателя дифференциации всех элементов системы. В дальнейшем все расчеты ведутся с коэффициентами обогащения металлами почвы (Кк) относительно эталона. Коэффициент Кк может быть как выше, так и ниже единицы.
Формула Шеннона—Уивера предполагает операцию с коэффициентом Кк для каждого /-го элемента в выборке, выраженным в долях единицы р(. Для этого исходные величины Кк. нормируют по их сумме: р. = Кщ /ЪКЩ.
Следует различать абсолютное значение индекса Шеннона—Уивера (Дабс) и его относительную величину (Дзтн). Сначала определяем абсолютное значение индекса [10]: Набс = — Ър. 1о£2р/. Величина индекса Шеннона—Уивера зависит от числа анализируемых элементов в выборке. Для корректного сравнения объектов с разным числом элементов (п), значение Набс следует нормировать на максимально возможное (Дмакс) при данном числе химических элементов п в объекте: Дмакс = 1о£2 п. После нормирования можно подсчитать относительное (иногда его называют «удельным») значение индекса Дотн: Нотя = Дабс/Дмакс. Величина Дзтн варьирует от 0 до 1, что удобно для градации его значений (табл. 1).
В незагрязненных почвах индекс Дотн характеризует степень дифференциации элементов за счет природных процессов. Значение его достигает максимума при одинаковых значениях кларка концент-
Таблица 1
Градация дифференциации металлов по индексу Шеннона—Уивера (Нотн)
Степень дифференциации Нотн
Отсутствует 1,0—0,9
Слабая 0,9—0,7
Средняя 0,7—0,5
Сильная 0,5—0,3
Очень сильная 0,3—0,1
рации всех химических элементов. В загрязненных почвах индекс Нотн характеризует степень дифференциации элементов за счет поступления поллю-тантов. Здесь его максимум отражает полиэлементное загрязнение тяжелыми металлами. И наоборот, значение Нотн снижается до минимума при единственно высоком значении кларка концентрации при моноэлементном загрязнении почвы. Итак, индекс Нотн можно считать показателем контрастности загрязнения почв тяжелыми металлами: чем дифференцированнее загрязнение, тем ниже значение индекса.
Влияние почвообразования на интегральную дифференциацию металлов в незагрязненных почвах. Остров Сахалин. Рассмотрим данные о содержании металлов в почвах острова, полученные ранее при участии автора [3]. В буроземах (типичный, глеевый и оподзоленный) изучали содержание двенадцати металлов: Cr, Mn, Ni, Pb, Cu, Zn, Y, La, Ce, Pr, Sm, Th.
В гумусовом горизонте типичного бурозема индекс Шеннона—Уивера равен 0,88, тогда как в гор. ВС (глубина 63—90 см) он возрастает до 0,92. Дифференциация металлов в гумусовом горизонте может быть выше за счет влияния лесной подстилки, так как на поверхности она действительно повышена: индекс Нотн снижается до 0,73. В авто-морфных условиях металлы-биофилы из подстилки способны перемещаться в гумусовый горизонт, тем самым повышая в нем степень дифференциации металлов.
В глееватом буроземе ситуация с дифференциацией металлов иная: она очень низкая как в гумусовом горизонте (Нотн = 0,98), так и в гор. С£ на глубине 85—105 см (Нотн = 0,98). В лесной подстилке этот процесс интенсифицируется, индекс Нотн снижается до 0,74. Но на дифференциацию металлов в гумусовом горизонте глеевого бурозема подстилка не влияет: вероятно, при промывном режиме металлы-биофилы (например, марганец и цинк) мигрируют вглубь, закрепляясь равномерно в профиле.
Оподзоленный бурозем отличается низкой дифференциацией металлов в подзолистом гор. Aye, где индекс Нотн достигает 0,93, т.е. значения бо-
лее высокого, чем в породе (Нотн = 0,82), причем в лесной подстилке она (Нотн = 0,76) не влияет на такой же процесс в подзолистом горизонте так же, как подстилка не влияет на распределение металлов в гумусовом горизонте глееватого бурозема. Вероятно, при промывном режиме металлы-биофилы мигрируют вглубь и постепенно закрепляются в профиле. В результате рассредоточения металлов-биофилов из состава подстилки их содержание не сказывается на дифференциации металлов в верхнем минеральном горизонте.
Таким образом, буроземообразование сопровождается ростом дифференциации металлов в гумусовом горизонте типичного бурозема, но не приводит к их дифференциации в верхних минеральных горизонтах глееватого и оподзоленного буроземов.
Ханкайско-Уссурийская равнина на Дальнем Востоке. Проанализируем данные Я.О.Тимофеевой [9] о количестве металлов (Со, Сг, Си, Сё, Мп, N1, РЬ, 8г, 2п) в лугово-бурых почвах другого региона. Содержание металлов нормировали по региональным почвенным кларкам. В гор.А1 (0—19 см) фоновой почвы Нотн = 0,87, т.е. дифференциация металлов слабая. Хотя Fe—Mn-конк-реции обогащены металлами, их дифференциация не отличается от таковой в мелкоземе: Нотн = 0,87.
Таким образом, степень дифференциации металлов в фоновых почвах разного генезиса варьирует мало и остается низкой.
Дифференциация распределения металлов в растениях на фоновой почве. Рассмотрим данные И.О.Плехановой и Г.В.Абросимовой [8] о распределении восьми металлов (Мп, Fe, Сг, N1, Си, 2п, Сё, РЬ) в хвое ели и листьях клена. Растительность изучали в смешанном насаждении лизиметра МГУ. Авторы подсчитывали коэффициент биологического поглощения Кб), нормируя содержание металлов в сырой массе растительности на их содержание в корнеобитаемом слое почвы. Эти величины Кб мы и использовали для подсчета доли каждого /-го элемента в долях единицы р{ и для последующего расчета индекса Шеннона—Уивера в растениях.
Степень дифференциации металлов в растительности оказалась очень сильной в хвое ели (Нотн = 0,17) и сильной в листьях клена (Нотн = = 0,37). Таким образом, деревья, особенно хвойные, дифференцируют химические элементы не только за счет активного потребления элементов-биофилов, но и производят селекцию в пределах группы металлов.
Дифференциация распределения тяжелых металлов в аэрально загрязненной почве. Средне-Уральский металлургический завод (СУМЗ) расположен в районе Первоуральско-Ревдинского промышленного узла (Свердловская обл.). Он начал работу в 1940 г. Атмосферные выбросы завода содержат двуокись серы, фтористый водород, а аэро-
золи включают ряд тяжелых металлов: Си, 2п, Аз, Сё и др. [5]. Почвы стационара «Хомутовка», где проводили исследования, — серые лесные глинистые и тяжелосуглинистые [4]. Градация территории по реакции на техногенную нагрузку выполнена по данным экологов, оценивавших состояние растительности. В зоне техногенной пустыни древостой полностью погиб, травяной ярус либо отсутствовал, либо состоял из хвоща и злаков, сильно развит моховой покров. Имеются эродированные участки с почти полностью смытой подстилкой и гумусовым горизонтом. В импактной зоне у деревьев обожжены листья, а вершины засыхают. По состоянию растительности буферная зона разделена на две: ближнюю к заводу и дальнюю. В ближней растительность слабо и средне угнетена, отмечается суховершинность хвойных деревьев; в дальней зоне растительность не повреждена [5].
В согласии с экологической градацией территории, проанализированы почвы четырех разрезов. Образцы отобрали в 2000 г. Разрез 1 вскрыт в техногенной пустыне в 0,5 км к востоку от завода по господствующей розе ветров; разр.2 — в им-пактной зоне, в 1 км к западу от завода; разр. 3 — в ближней буферной зоне, в 7 км к западу от завода; разр. 4 — в дальней буферной зоне, в 30 км к западу от завода [4]. Результаты подсчета двух интегральных показателей загрязнения (индекс Саета и индекс Шеннона—Уивера) представлены в табл. 2.
Таблица 2
Показатели загрязнения почв тяжелыми металлами в зоне действия СУМЗ
Горизонт Глубина, см Нотн
Техногенная пустыня
А0А1 0—2 159,3 0,653
АВ1 2—13 37,4 0,502
В 13—140 19,3 0,828
Импактная зона
А1Е 2—10 136,5 0,405
22—44 23,8 0,578
В2 44—63 13,0 0,650
Буферная зона
А 6—11 17,9 0,853
А1 11—18 4,8 0,969
А2В 18—32 5,8 0,984
Суммарное загрязнение, выраженное через индекс Саета, снижается по мере удаления от завода: в верхнем горизонте значение индекса Z0 закономерно падает с 159,3 в техногенной пустыне до 17,9 в ближней буферной зоне. Систематически снижается с глубиной и степень загрязнения тяжелыми
металлами почв в границах каждой зоны. Это и понятно, так как загрязнение, будучи аэральным, охватывает поверхность почвы.
Индекс Шеннона—Уивера позволяет получить новую информацию о развитии процесса дифференциации поллютантов (тяжелые металлы) в почвенном профиле. В техногенной пустыне степень дифференциации металлов сильно меняется с глубиной. В тонком верхнем слое Дотн = 0,65, ниже, в гор.АВ1, металлы максимально дифференцированы: Дотн = 0,50, а еще ниже, в гор. В, дифференциация металлов снижается — Дотн = 0,83.
В импактной и буферной зонах с глубиной дифференциация металлов снижается, причем в первой они более дифференцированы, чем во второй.
Бурые лесные почвы в зоне действия полиметаллического комбината в Сихоте-Алине. Почву изучали в двух километрах к северо-западу от комбината [9]. Анализировали содержание девяти металлов: Со, Сг, Си, Сё, Мп, N1, РЬ, 8г, 2п; его нормировали по региональным почвенным кларкам.
В гор. А1 (0—9 см) загрязнение самое сильное: = 294, но дифференциация минимальная — Дота = 0,76. Ниже, в гор.А1В (9—20 см), загрязнение почвы несколько слабее: = 250, хотя этот процесс достигает максимума — Душ = 0,68. Такое сочетание показателей очень напоминает дифференциацию металлов в техногенной пустыне СУМЗ, что можно объяснить скоплением рядом с полиметаллическим комбинатом минеральных поллю-тантов, поступивших на поверхность в разные годы. Но глубже ситуация вблизи комбината отличается от таковой в техногенной пустыне СУМЗ. В самом деле, в гор. Вт (20—46 см) загрязнение почвы снижается: Zc = 121, при этом дифференциация металлов уменьшается незначительно — до индекса Дота = 0,73, не превышая индекс Шеннона—Уиве-ра в гор. А1, где он достигает 0,76. Причина отличия от загрязнения около СУМЗ — более высокая степень загрязнения почвы вблизи полиметаллического комбината = 121—294) по сравнению с техногенной пустыней СУМЗ (1С = 19—159). Даже на глубине 20—46 см почвы вблизи комбината остаются загрязненными, и поэтому здесь сохраняется высокая дифференциация металлов.
Механическое разбавление техногенной пыли в большом объеме почвы. На примере двух объектов (СУМЗ и дальневосточного полиметаллического комбината) установлена основная зависимость: рост с глубиной степени полиэлементности загрязнения почвы. В чем причина того, что с глубиной содержание поллютантов в почве сближается, становится менее контрастным? Возможно, в механическом разбавлении техногенной пыли в большом объеме почвы.
Рассмотрим действие эффекта разбавления на снижение дифференциации на примере простой
гипотетической системы из двух элементов — меди и цинка. Примем, что содержание этих элементов — по 20 мг/кг почвы. Очевидно, что для такой почвы значение Душ равно 1,0, что означает полное отсутствие дифференциации элементов и близкое к полученным ранее значениям Дотн для фоновых почв. Допустим далее, что на определенной площади выпал 1 кг техногенной пыли, обогащенной этими элементами, но в разной степени загрязненной: Си = 160 и 2п = 40 мг/кг. Для такой пыли величина Дотн = 0,61, что характеризует дифференциацию химических элементов, как среднюю.
Теперь представим, что со временем часть пыли (0,5 кг) переместилась вглубь и равномерно перемешалась с 10 кг почвы. Тогда содержание меди в смеси (загрязненная почва) составляет (10 ■ 20 + 0,5 ■ 170) : 10,5 = 27,1 мг, а цинка — (10 ■ 20 + 0,5 ■ 30): 10,5 = 20,5 мг. Индекс Дотн этой смеси равен 0,99. Таким образом, механическое разбавление пыли почвой сильно компенсировало дифференциацию элементов в ней, в смеси индекс Шеннона—Уивера снизился всего на 0,01 по сравнению с исходной почвой. Этот расчет показывает, что эффект разбавления может быть главным механизмом снижения дифференциации элементов в загрязненной почве по сравнению с их высокой дифференциацией в техногенной пыли.
Остается открытым вопрос об особенностях загрязнения техногенной пустыни вблизи СУМЗ по причине минимального значения Дотн там не на поверхности, а на глубине 2—13 см. Почему в самом верхнем слое пыли (0—2 см) дифференциация элементов ниже (минимальное значение Дотн), чем в нижележащем, на глубине 2—13 см? Чтобы ответить на этот вопрос, надо обратиться к истории завода. Загрязнение территории началось еще в 1940 г., с момента пуска СУМЗ [4, 5]. При этом в первые годы эксплуатации выбросы пыли были гораздо интенсивнее по массе и более крупные. Позднее завод оснастили фильтрами, которые удерживали в первую очередь самые крупные частицы. Таким образом, первоначальные выпадения пыли, которые лежат глубже современных, отличаются более грубым гранулометрическим составом. Обычно различие в крупности пыли сопровождается различием и в ее химизме. За счет этого нижний слой поллютантов отличается от верхнего составом и, следовательно, степенью дифференциации тяжелых металлов. Конкретно, как видно из подсчетов, в горизонте старого загрязнения дифференциация тяжелых металлов выражена сильнее, чем в горизонте недавнего поверхностного загрязнения.
Выводы
• Один из важных геохимических показателей — степень контрастности (дифференциации) распределения металлов в фоновой или загрязнен-
ной почве. Удобным критерием этого показателя в почвах и растениях может служить индекс Шен-нона—Уивера (Д). Дана методика расчета индекса. Предложена его градация на шесть групп: от отсутствия дифференциации (Душ = 1,0—0,9) до очень сильной (Душ = 0,3—0,1).
• Фоновые почвы разных регионов России отличаются низкой дифференциацией металлов или даже ее отсутствием. В отличие от почв, в растениях, особенно хвойных, дифференциация металлов очень высокая.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Водяницкий Ю.Н. Энтропия как обобщающая характеристика валового состава почв // Почвоведение. 1986. № 11.
2. Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами. М., 2012.
3. Водяницкий Ю.Н., Манахов Д.В., Савичев А.Т. Макро- и микроэлементы, включая редкие земли, в некоторых почвах острова Сахалин // Почвоведение. 2015. № 10.
4. Водяницкий Ю.Н., Плеханова И.О., Прокопо-вич Е.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв выбросами предприятий цветной металлургии // Почвоведение. 2011. № 2.
5. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. Екатеринбург, 1994.
• В результате аэрального загрязнения почв тяжелыми металлами степень их дифференциации заметно возрастает, особенно вблизи источника загрязнения. При удалении от него дифференциация металлов снижается, вероятно, за счет механического разбавления пыли в большом объеме почвы. В связи с установкой фильтров состав старых выбросов пыли (расположенных глубже) отличается от состава новых ее выбросов (расположенных выше). В старых отложениях пыли тяжелые металлы более дифференцированы, чем в новых.
6. Налимов В.В. Облик науки. Центр гуманитарных инициатив. М., 2010.
7. Перельман А.И., Касимов Д.С. Геохимия ландшафта. М., 2000.
8. Плеханова И.О., Абросимова Г.В. Влияние атмосферных выпадений на микроэлементный состав почв и растений модельных экосистем лизиметров // Экол. и промышл. России. 2016. № 8.
9. Тимофеева Я.О. Накопление микроэлементов в железомарганцевых конкрециях почв юга Дальнего Востока: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Улан-Удэ, 2008.
10. Шмидт В.М. Математические методы в ботанике. Л., 1984.
Поступила в редакцию 05.03.2017
SHANNON-WEAVER INDEX AS AN INTEGRAL INDICATOR
OF METALS DIFFERENTIATION IN SOIL AND PLANT SAMPLES
Yu.N. Vodyanitskii
One of the most important geochemical indicators is a degree of contrast (differentiation) distribution of metals in the background or contaminated soils. The important criterion of differentiation of distribution of metals in soil and plant samples is the Shannon—Weaver index (H). It is proposed the Shannon—Weaver index calculation methodology for a measure of differentiation of metals in soils and plants. Proposed gradation index into six groups: from lack of differentiation Hrelatjon = 1,0—0,9 to very strong differentiation Hrelatjon = = 0,3—0,1. The background soils of different regions of Russia are low or even missing differentiation of metals. As a result of soil aero-pollution by heavy metals the degree of differentiation of metals is increases markedly, particularly near the source of pollution. Far away from factory the differentiation of metals is declining, probably due to mechanical thinning of a dust in the large volume of the soil.
Key words: soil geochemistry, Saet index, Shannon—Weaver index, soil protection.
Сведения об авторах
Водяницкий Юрий Никифорович, докт. с.-х. наук, профессор каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. Е-та П: [email protected].
