Во многих странах проводится экологический мониторинг - слежение за состоянием природных систем и их изменением под воздействием антропогенных нагрузок, Важной составной частью этого мониторинга является геохимический мониторинг, т е. наблюдение за геохимическими параметрами природных и техногенных ландшафтов, ФОНОВЫЙ геохимический мониторинг заключается в наблюдении за распределением и поведением химических элементов и соединений в ландшафтах вне сферы влияния локальных источников загрязнения. Он занимает важное место в международных программах по окружающей среде ЮНЕСКО и ОНЕП и проводится главным образом на фоновых станциях и биосферных заповедниках.
Фоновый мониторинг дает информацию не только о локальных параметрах конкретных ландшафтов станций и заповедников, Проводимый на единой методической основе во многих странах, он позволяет оценивать глобальные изменения природной среды. Поэтому фоновый мониторинг иногда называют глобальным.
Без определения содержания элементов в окружающей среде, которое было до глобально-регионального (фонового) загрязнения, невозможно оценить уровень техногенного загрязнения. Кроме традиционных геохимических методов учения ландшафтов и их компонентов при этом используются специфические приемы и объекты. Так, АЛ. Добродеев предложил сравнивать содержание элементов в глубоких горизонтах верховых торфяников, возраст которых можно датировать ("фон"), с их содержанием в самом верхнем горизонте, т.е. в условиях техногенного загрязнения. А.М. Никаноров, А.В. Жулидов, АД. Покаржевский предложили определять содержание тяжелых металлов в растениях из гербариев. Подобный исторический биомониторинг возможен и при изучении животных. С этой же целью проводят анализ льдов, погребенных почв, волос и костей человека, старых вин и т.д.
Импактный геохимический мониторинг - это слежение за региональным локальным антропогенным воздействием в местах кризисных экологических ситуаций - городах, промышленных центрах, зонах радиоактивного загрязнения и т.д.
По иерархии ландшафтов или экосистем мониторинг делится на комплексный (экосистемный, геосистемный) и компонентный (атмосферный. Водный, биологический, почвенный). Ландшафтно-геохимический мониторинг характеризует поведение элементов не только в отдельных компонентах, но и в ландшафте в целом. Поэтому методология геохимии ландшафта, базирующаяся на сопряженном анализе отдельных блоков ландшафта. Особенно адекватна целям комплексного экологического мониторинга.
Существует несколько методов ландшафтно-геохимического мониторинга.
Метод кларков. Так называются исследования распространенности химических элементов в различных природных средах - от глобальных геосфер локального уровня (ландшафтов. экосистем). Для целей мониторинга необходимо учитывать глобальные и региональные кларки элементов, а также локальные уровни их содержания в воздухе, породах, почвах, водах и растениях в районе станций фонового мониторинга. Кларки являются геохимической константой, отражающей фоновое распределение элементов и соединений, без знания которого невозможна оценка импактного воздействия.
Кларки литосферы, гидросферы, живого вещества и особенно региональные уровни содержания элементов постоянно уточняются, детализируются для отдельных районов, типов горных пород и почв, классов вод, систематических групп растений. Публикуются сводки геохимических данных по этим средам. Получены новые материалы о распределении в природных компонентах не только отдельных химических элементов, но и их соединений, в том числе искусственного и техногенного происхождения - пестицидов, полихлорбифенилов, полициклических ароматических углеводородов и др.
Наряду с достоинствами (массовость, сопоставляемость) метод кларков имеет и недостатки. Прежде всего, это излишняя обобщенность данных, полученных в результате статистической обработки, малая степень сепарации геохимических материалов. Самое главное, он не дает целостного представления о геохимических и биогеохимических процессах в таких сложных системах, как природные и тем более техногенные ландшафты.
Анализ геохимической структуры ландшафта (R,L-анализ). Фоновый и импактный мониторинг должен базироваться на изучении миграции химических элементов в ландшафтах, учитывать роль и место геохимических барьеров и зон выщелачивания в распределении элементов, на представлениях об элементарных и каскадных ландшафтно-геохимических системах. Сложная радиальная и латеральная геохимическая структура ландшафта требует использовать при мониторинге не только метод кларков, результатом которого является определение геохимического фона отдельных компонентов ландшафта, но и характера взаимоотношений элементов между компонентами и подсистемами ландшафта. В связи с этим для оценки геохимического состояния и ответных реакций природных ландшафтов на внешнее воздействие используются представления о фоновой геохимической структуре ландшафта, отражающие характер связей между различными компонентами. Выделяются радиальная (R) и латеральная (L) структуры, описываемые с помощью разнообразных ландшафтно-геохимических коэффициентов, В природно-техногенных и тeхногенных ландшафтах фоновая геохимическая структура трансформирована в техногенную структуру, для которой характерно нарушение не только фонового содержания элементов но и типов их перераспределения, а также компонентных, внутрикомпонентных и межландшафтных связей между ними.
Фоновые и техногенные геохимические структуры должны устанавливаться для отдельных регионов с учетом зонально-провинциальной и локальной ландшафно-геохимической типичности (центральные, типичные части регионов) и уникальности (пограничные районы, экотоны, дельты рек и др. территории), лито-. палео- и биогеохимической дифференциации ландшафтов, степени их геохимической автономности, подчиненности и латеральной контрастности, близости к техногенным источникам и т.д. Описанные методы мониторинга, как правило, применяются в статике и направлены на геохимическую оценку более стабильных компонентов - порол, почв. донных отложений, частично растений.
Характеристика атмо-, гидро- и биогеохимических циклов элементов. Различные ландшафты имеют не только определенную радиальную и латеральную геохимическую структуру, но и свойственные только им типы атмо-, гидро- и биогеохимического круговорота и баланса веществ. Нарушение того или иного типа круговорота и баланса веществ, появление дисбаланса часто являются индикатором антропогенного воздействия. Модели круговорота веществ лучше разработаны для локального уровня (элементарные ландшафты, биогеоценозы, катены) на основе информации, получаемой при стационарных исследованиях. Модели глобальных циклов элементов носят ориентировочный характер, и в том, и в другом случае значительно более полная информация имеется о циклах кислорода, азота, углерода, фосфора, серы и других макроэлементов, циклы микроэлементов, пестицидов, ПАУ, полихлорбифенилов и других органических веществ изучены еще слабо. Часто данных недостаточно для описания полного миграционного цикла элементов и соединений в природной системе. Тогда важное значение приобретают многолетние или сезонные наблюдения за параметрами, особенно имевшими высокую динамичность и вариабельность (воздух, вода). Изучение динамики фоновых ландшафтов является первым необходимым шагом решения одной из самых актуальных проблем наук об окружающей среде - разработки теории и прикладных аспектов устойчивости и ответных реакций природных систем на антропогенное воздействие.
Существуют два направления исследования состояний ландшафтов для целей мониторинга. Первое из них пользуется как бы методом кларков, но с учетом временных изменений параметров. Это направление в целом преобладает сейчас в программе фонового геохимического мониторинга в биосферных заповедниках и на фоновых станциях. Выполнен большой объем измерений различных показателей, в ряде случаев показаны их колебания в зависимости от природных техногенных факторов. Одним из наиболее детальных таких исследований является фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) – группы приоритетных загрязнителей. Осуществленный Лабораторией природный среды и климата (в настоящее время Институт глобальной экологии и климата) совместно с кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ в некоторых биосферных заповедниках и фоновых станциях Центральной и Восточной Европы, Средней Азии и Сибири. Этот мониторинг выявил пространственно-временную изменчивость содержания ПАУ, связанную с удаленностью фоновых станций от источников загрязнения, сезонными циклами поставки ПАУ в окружающую среду и интенсивностью их разложения. Установлен ясно выраженный тренд концентраций ПАУ в воздухе и почвах от Центральной Европы (Восточная Германия, Венгрия) к наименее загрязненным в Евразии районам Северо-Востока Сибири. Временная изменчивость содержания ПАУ связана с увеличением их поступления в атмосферу в зимний период, когда возрастает поставка ПАУ тепловыми станциями, а также с более интенсивным разложением ПАУ летом. В этих исследованиях пока слабо учитывается локальная пространственная дифференциация параметров, механизмы миграционных и транслокационных процессов и потоки веществ между блоками и компонентами ландшафта.
Второе направление исследований - анализ фонового функционирования ландшафта на основе изучения потоков и балансов вещества и энергии, 6иогеохимических круговоротов элементов. Данное направление не является специфическим для геохимии ландшафта и наибольшее развитие получило в экологии, биогеоценологии и почвоведении, где установлены фундаментальные закономерности энергетических и биогеохимических циклов на локальном и глобальном уровнях. В России таковы исследования основателей биогеоценологии - В.Н. Сукачева и радиоэкологии - Н.В. Тимофеева-Ресовского, а также Н.И. Базилевич, А.А. Титляновой, Т.Г. Гильманова и др., в которых большое значение уделяется ландшафтно-экологическому подходу. Среди зарубежных исследований отметим классические работы Р. Уиттекера (Whitleker), Ю. и Г. Одумов (Е. Odum, Н. Odum).
Методика изучения биогеохимических циклов элементов должна учитывать ландшафтно-геохимическую структуру территории. В.П. Учватовым Показано, что в Приокско-Терассном заповеднике фоновая поставка свинца с атмосферной пылью существенно (в 3 - 5 раз) отличается на полянах, под отдельными видами деревьев и в агроландшафтах. В промышленных районах коэффициенты аэрозольной концентрации к- большинства микроэлементов в 1,5 - 2 раза выше, чем в фоновых районах (М.А. Глазовская, В.П. Учватов).
Оптимизация техногенеза
Для реализации экономики, исключающей загрязнение окружающей среды, расхищение и разрушение производительных сил, необходима разработка теории оптимизации ноосферы, Т.е. создания оптимальных техногенных ландшафтов для различных природных районов.
Для техногенных ландшафтов исключительно характерны положительные обратные связи, действие которых определяет быструю эволюцию ландшафтов. Однако в отдельных случаях, к сожалению нередких, именно положительные связи приводят к загрязнению среды, эрозии почв, образованию оврагов и другим нежелательным последствиям. Преобладание положительных обратных связей над отрицательными часто делает техногенные ландшафты неустойчивыми, ослабляет самоорганизацию и саморегуляцию. Отрицательные обратные связи, напротив, стабилизируют ландшафт, делают его саморегулируемым. И отрицательные обратные связи могут быть нежелательными, например, когда они препятствуют развитию, достижению поставленных целей. Таким образом, оптимизация требует такого сочетания положительных и отрицательных обратных связей, которое обеспечивает и развитие, и устойчивость (стационарность) ландшафта.
По своей сущности техногенные ландшафты еще более чем биогенные относятся к управляемым системам. Для их функционирования необходим единый центр, из которого осуществляется управление. Однако нередко они не имеют такого центра и заводы, поля, транспортные артерии и другие части управляются из самостоятельных центров. Это и приводит к ослаблению отрицательных обратных связей, самоорганизации, саморегулирования, загрязнению среды. Поэтому с системных позиций централизация техногенных ландшафтов – одна из самых важных практических задач организации территории: в каждом ландшафте должен быть центр управления, регулирующий взаимоотношения между его частями, решающий задачу оптимизации. Такие задачи давно уже разрабатываются в экономической географии, начиная с классических работ Н.Н. Баранского и Н.Н. Колосовского. Их методологию и опыт важно учитывать и в геохимии ландшафта.