Биоиндикация в этом плане является оптимальным и активно развивающимся методом ее оценки. Он подразумевает слежение за природными и антропогенными процессами в биологических средах, включающее всю совокупность взаимодействия живого с агентами внешней среды, в том числе выяснение ответных реакций биосред на природные и антропогенные воздействия.
Объектами исследования в данном случае выступают биоиндикаторы – организмы, присутствие или интенсивность развития которых служит показателем изменений каких-либо естественных процессов или условий в окружающей среде.
Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого (биологические молекулы, клетки, ткани, органы, организмы и популяции).
В зависимости от времени развития биоиндикационных реакций выделяются различные типы чувствительности организмов:
I тип – биоиндикатор проявляет быструю реакцию, продолжающуюся некоторое время, после чего перестает реагировать на загрязнение;
II тип – биоиндикатор в течение длительного времени линейно реагирует на воздействие возрастающей концентрации загрязнения;
III тип – после быстрой сильной реакции наблюдается ее затухание: сначала резкое, затем постепенное;
IV тип – под влиянием загрязнения реакция биоиндикатора постепенно становится все более интенсивной, но при достижении максимума постепенно затухает;
V тип – реакция и типы неоднократно повторяются, возникает осцилляция биоиндикаторных параметров.
Для разных типов экосистем выявлены свои биоиндикаторы.
Исследование растительности, как индикатора состояния окружающей среды. Важный элемент биологического мониторинга – растения. Растения как биоиндикаторы проявляют дифференциальную чувствительность к различным видам антропогенных воздействий.
К числу наиболее распространенных методов оценки состояния ОС по различным параметрам индикаторных видов, а также по структуре и строению растительных сообществ относятся:
ü анализ химического состава растений как неотъемлемая часть биогеохимического метода для оценки взаимосвязи химического состава живой и неживой природы, трансформации химических элементов по звеньям пищевой цепи и др.;
ü морфологический метод – изучения внешнего облика растений и его изменение под действием внешних факторов;
ü флористический метод – исследование особенностей видового состава, индикаторных видов, характера распространения и динамики ареала, популяционный анализ и др.;
ü спектрофотометрический – состоящий из ряда методик изучения состава, вертикальной и горизонтальной структуры и строения растительных сообществ: анализ видового разнообразия, экобиоморфного состава, анализ продуктивности, анализ жизненного состояния ярусов и др.;
ü дендроидикация – изучение и анализ древесной растительности;
ü лихеноиндикация – изучение и анализ лишайникового покрова растительных сообществ;
ü бриоиндикация – изучение и анализ мохового покрова.
Одним из важнейших направлений экологического мониторинга выступает сегодня фитоиндикация – это один из способов биоиндикации, т.е. оценка состояния окружающей среды по реакции растений. Этот метод обеспечивает более раннее, по сравнению с инструментальным, распознаванием возможностей опасности, исходящей от вредных веществ. Спецификой этого метода является подбор растений – индикаторов, обладающих характерными чувствительными свойствами при контакте с вредными веществами.
Метод дендроиндикации заключаетсяв выявлении изменений природной среды с помощью изучения хода прироста деревьев (особенно хвойных). Это один из немногих методов, позволяющих получить непрерывную ретроспективную информацию о развитии процессов за многолетний период. Ее анализ дает возможность установить сроки возникновения изменений природы и скорости их формирования во времени и пространстве. По величине колебания прироста можно судить о глубине трансформации природных систем, определить границы распространения и тенденцию развития изучаемого процесса.
Биоиндикация растений в условиях техногенного загрязнения – актуальный и перспективный метод исследования состояния окружающей среды. Она позволяет существенно повысить точность прогнозов изменений в окружающей среде, вызванных деятельностью человека. В условиях города эффективным зарекомендовал себя метод биоиндикации газодымовых загрязнений по состоянию хвои сосны.
Сущность метода лихеноиндикации заключается ввыявлении изменений природной среды с помощью изучения эпифитных лишайников. Интенсивность загрязнения среды определяется с помощью шкалы, составленной по степени чувствительности лихенофлоры к загрязнению. Лишайники используются на основе их высокой чувствительности к загрязнителям. Лишайники очень чувствительны к загрязнению воздуха и погибают при высоком содержании в нем угарного газа, соединений серы, азота и фтора.
Таким образом, растения выступают важными объектами биоиндикации загрязнений экосистем, а исследования их морфологических признаков при распознавании экологической обстановки является особенно эффективным и доступным в черте города и его окрестностях.
Понятие о геоэкосистемном мониторинге, его задачи, содержание и виды.
Понятие о геосистемном мониторинге. Среди природных систем в окружающей человека среде особую роль играют географические системы или геосистемы.
Геосистема - это природно-географические единства всех возможных категорий, от планетарной геосистемы (географической оболочки или географической среды в целом) до элементарной геосистемы (физико-географической фации). Термин “геосистема” ввел А. Г. Исаченко.
Для экологического обоснования хозяйственной деятельности важен учет следующих свойств:
буферностъ - способность геосистем противостоять возмущающим воздействиям (в т. ч. и антропогенного характера), сохранять свою структуру, функциональные особенности и замкнутость круговорота веществ;
восстанавливаемость - способность геосисистем возвращаться в исходное состояние после внешнего воздействия; способность геосистем существовать без качественного преобразования внутренней структуры и основных специфических и полезных свойств, т. е. в рамках одного инварианта значительное время, несмотря на отклоняющие воздействия внеш. факторов;
саморегуляция - свойство геосистем сохранять на определенном уровне в процессе стабилизирующей динамики (спонтанной и вызванной влиянием человека) типичные для данных геосистем черты;
сенсибилизация - восприимчивость геосистемы к воздействию внешних факторов;
жизнеспособность - степень способности геосистемы сохраняться или адаптироваться к изменяющимся условиям среды без деградации образующих ее компонентов:
анаболизм - преобразование вещества из энергии внутри геостстем в процессе обмена со средой. Продуктом анаболизма геосистемы являются биомасса, гумус, некоторая часть влаги, углекислый газ;
метаболизм - круговорот вещества и энергии внутири геосистемы а так же в пределах ее среды.
Под геоэкосистемным (ландшафтно-экологическим) мониторингом понимается регулярное слежение за состоянием геосистем и экосистем (геоэкосистем) с целью оценки и прогноза их изменений под влиянием антропогенных и естественных факторов.
Основная задача геоэкосистемного мониторинга - выявление условий и закономерностей изменения природных систем и составляющих их компонентов под влиянием антропогенных факторов (в том числе в результате загрязнения).
Наблюдения за состоянием компонентов должны проводиться сопряженно с учетом взаимосвязей между ними и в границах природных и природно-антропогенных систем. Помимо покомпонентных параметров необходимо определять интегральные показатели, характеризующие природные системы в целом.
Главная практическая цель геоэкосистемного мониторинга - своевременное выявление негативных изменений геосистем и экосистем локального и регионального уровней.
Слежение должно проводиться за состоянием трех важнейших групп геосистем и экосистем: природных (с естественным режимом), природно-антропогенных (прежде всего сельскохозяйственных и лесохозяйственных) и антропогенных (например, городских территорий). Особенно важно проведение мониторинга на территориях, характеризующихся преобладанием преобразованных человеком ландшафтов.
Состояние и изменение геосистем и экосистем могут быть описаны большим числом показателей. Исходя из важнейшего свойства этих объектов - целостности, предпочтение следует отдавать комплексным признакам.
Природные и природно-антропогенные геоэкосистемы. Геосистемы могут быть природные, социально-экономические, природно-технические.
Различают геосистемы, состоящие только из природных элементов – природные геосистемы и из элементов природы, населения и хозяйства – интегральные.
Природная геосистема – это участок земной поверхности, где отдельные компоненты природы и комплексы меньших рангов находятся в тесной связи друг с другом и который как целое взаимодействует с соседними участками, космической сферой и человеческим обществом. Природные геосистемы могут иметь различные размеры, соответствующие порогам географической реальности.
Интегральная геосистема – это сложное пространственно-временное образование, состоящее из таких элементов или подсистем, как природа, население, хозяйство; последние два элемента обычно рассматриваются как представители подсистемы «общество» с его различными видами деятельности: производственной, культурной, бытовой, рекреационной.
Интегральные геосистемы имеют различные размеры и разные уровни сложности. Интегральной геосистемой глобального уровня можно считать всю суперсистему «природа–общество». К интегральным геосистемам регионального или локального уровня могут быть отнесены производственные, демоэкологические, рекреационные, природно-хозяйственные, природно-технические геосистемы.
В последние годы для описания сложных геосистем используются термины природно-антропогенная система, «антропогенно-техногенная геосистема, природно-хозяйственная система и другие, которые мы будем рассматривать как синонимы.
Природно-антропогенные геосистемы (ПАГС)– вариант (вид) интегральной геосистемы, в которой на первый план выходит взаимодействие природы и техники.
Природно-технические геосистемы, или геотехсистемы – комбинации орудий и средств труда, связанные единым технологическим циклом и выполняющие определенную социально-экономическую функцию.
Технология, техника в природно-технической геосистеме (геотехсистеме) выступают как своеобразный механизм, позволяющий обществу (человеку), с одной стороны, приспосабливаться к при родной среде, а с другой – приспособить природу к удовлетворению своих потребностей.
В результате тесного взаимодействия между природными и техническими элементами в природно-технической геосистеме связи столь велики, что ни одна из них в отдельности не может выполнять возложенные на всю систему социально-экономические функции.
Под природно-техническими геосистемами понимаются не только, такие геосистемы, в которых технические устройства выступают как непосредственный элемент системы, например, в промышленных системах, но и такие, деятельность которых в значительной степени определяется условиями, создаваемыми в результате использования тех или иных технических средств.
К промышленным геоэкосистемам относят различные технические объекты промышленного назначения в совокупности с окружающей их природной средой, на которую эти объекты оказывают существенное влияние. Ими могут быть отдельные предприятия (например, рудники, фабрики по первичной обработке сырья, машиностроительные и химические заводы и др.) или более сложные производственные комплексы (например, горнометаллургические и нефтехимические комбинаты и др.).
Результаты комплексных наблюдений, представляют большой интерес для оценки и прогнозирования изменений природных систем под влиянием мелиорации, служат ценным материалом для отработки способов регулирования природных процессов. В основу модернизации может быть положена концепция геоэкосистемного мониторинга, который направлен не только на определение отдельных параметров, но и на изучение состояния природных систем как интегрального выражения изменения их структуры и функционирования.
Критерии оценки состояния геоэкосистем. В качестве комплексных критериев оценки состояния геоэкосистем могут быть использованы:
Ø показатель их естественной способности к самоочищению (отношение количества вынесенных загрязнителей к количеству внесенных в ландшафт за тот же период);
Ø норматив оптимального соотношения площадей естественных ландшафтов и земель с разными типами использования, отношение запасов мертвого органического вещества в экосистемах к суммарному опаду и другие критерии.
Для геосистем городских и сельских поселений в оценку состояния необходимо включать показатели здоровья населения.
Ряд критериев, характеризующих состояние и изменения природных систем применительно к выделению зон экологического риска (ЭР), кризиса (ЭК) и бедствия (ЭБ), представлен в таблице 1 (Критерии оценки..., 1992; Виноградов и др., 1993).
Таблица 1- Критерии экологической оценки состояния и изменения природных систем
Показатели | Норма | ЭР | ЭК | ЭБ |
Площадь деградированных экосистем, % общей площади территории | <5 | 5-50 | 50-75 | >75 |
Скорость деградации наземных экосистем, % площади в год | 0,5 | 0,5-2 | 2-4 | >4 |
Площадь эродированных почв, % площади угодий | <10 | 10-25 | 25-50 | >50 |
Скорость увеличения площади деградированной пашни, %вгод | <0,1 | 0,1-0,3 | 0,3-1 | >1 |
Скорость уменьшения содержания гумуса в почвах, % в год | <0,5 | 0,5-3 | 3-7 | >7 |
Лесистость, % от зональной | >80 | 60-70 | 50-30 | <10 |
Скорость уменьшения продуктивности растительности, % в год | <1 | 1-3,5 | 3,5-7,5 | >7,5 |
Содержание тяжелых металлов в укосах растений, кратность превышения ПДК или фона | 1,1-1,5 | 1,5-5 | 5-10 | >10 |
Перегрузка пастбищ, % от несущей способности | <100 | 100-150 | 150-200 | >200 |
Качество среды в рекреационных ландшафтах может определяться по конечной "продукции" - повышению уровня здоровья отдыхающих за счет рекреации.
Для оценки состояния систем наряду с комплексными критериями широко используются и покомпонентные показатели. Они должны применяться с учетом естественной дифференциации природной среды, т.е. существования естественных границ природных комплексов.
Оценку степени трансформации природных систем целесообразно производить по критериям, которые определяют изменения в структуре и функционировании систем, учитывают их пространственную дифференциацию по степени нарушенности, а также динамику трансформирующих процессов во времени и пространстве.
К ним можно отнести такие показатели, как изменение в соотношении основных трофических групп в экосистемах, площади проявления негативных процессов, скорости деградации природных систем, уровни продуктивности фитоценозов и скорости их изменения, показатели потери почвенного плодородия, уровни загрязнения почв и биоты и другие признаки.
Выявление скорости и направленности деградации природных систем необходимо не только для оценки их состояния, но и для составления прогноза ухудшения экологической ситуации и разработки мероприятий по ее стабилизации и улучшению.
Стационары и комплекс наземных режимных наблюдений. Осуществление геоэкосистемного мониторинга связано с проведением наземных стационарных наблюдений и с использованием дистанционных методов исследований.
Наземные наблюдения представляют собой постоянные участки (площадки) и профили, заложенные в типичных физико-географических условиях с учетом характерных для данной территории направления и степени антропогенного изменения ландшафтов.
Наземные наблюдения ведутся на специально организованных стационарах (геоэкосистемных полигонах). Наблюдения должны проводиться как в условиях естественных (слабо измененных) комплексов, так и на территориях, подвергающихся типичному для данного региона хозяйственному воздействию.
При выборе места для размещения стационара следует исходить из предпочтительного проведения наблюдений на водораздельных (плакортных) участках, отвечающих элювиальному типу геохимических ландшафтов. Эти ландшафты непосредственно связаны с климатическими условиями и загрязнением атмосферы. Целесообразно также заложить комплекс площадок, включающий сопряженные геохимические ландшафты: элювиальный (водораздельный), трансэлювиальный (склоновый) и аккумулятивный (подножье склона, долина реки и т.п.).
Особого внимания заслуживают так называемые "критические" комплексы - биогеоценозы, которые занимают наиболее низкое положение в рельефе и поэтому подвергаются наибольшему загрязнению (в зоне влияния металлургических заводов, химических предприятий, АЭС и др.).
На стационарах должны проводиться наблюдения трех типов:
ü ретроспективные (выявление прежних состояний геосистем с целью прогнозирования их будущих состояний),
ü реинвентаризационные (периодическое комплексное обследование и картографирование территории),
ü режимные (непрерывные многолетние комплексные наблюдения).
Для мониторинга наиболее важное значение имеют режимные стационарные наблюдения. Их основная цель - длительное углубленное изучение изменения структуры, функционирования и динамики природных и природно-антропогенных систем. Наблюдения ведутся на постоянных участках и профилях с применением различных измерительных приборов по специальной программе и методике, включающей исследование теплового и водного баланса систем, их гидротермического режима, миграции химических элементов, динамики почвенных и биотических процессов, биологической продуктивности.
Для слежения за состоянием основных компонентов геосистем и экосистем в их границах проводятся регулярные наблюдения за ходом геоморфологических процессов, метеорологических показателей, элементов водного баланса (стока, испарения и др.), содержанием и распределением химических элементов (в снеге, почвах, растительном покрове), изменением свойств почв, динамикой фигоценозов (особенно за сукцессиями, интенсивностью продукционного процесса и др.), динамикой животного населения (прежде всего видов-индикаторов). Они должны выполняться сопряженно с помощью методов, принятых в соответствующих научных дисциплинах.
Синхронные комплексные наблюдения за основными компонентами элементарных геосистем в их тесной взаимосвязи регулярно выполняются на полигонах -трансектах. В работе принимают участие специалисты различного профиля - климатологи, гидрологи, геоморфологи, почвоведы, биологи, ландшафтоведы и др. Полученные данные анализируются и обобщаются с помощью методов математической статистики и моделирования, а затем могут быть экстраполированы на большие территории.
В последние годы много внимания уделяется автоматизации мониторинговых наблюдений и использованию ЭВМ для первичной обработки, систематизации и хранения полученной информации. В различных организациях ведутся разработки информационно-телеметрических систем, состоящих из комплекса датчиков, линий передачи информации, коммутирующих (распределительных) блоков и ЭВМ, управляющей процессом сбора и обработки информации.
В настоящее время одной из важных задач геоэкосистемного мониторинга является организация разветвленной сети стационаров и станций, предназначенных для проведения комплексных наблюдений за состоянием природной среды. В пределах каждой ландшафтной области (или провинции) целесообразно организовать комплексный стационар и ряд станций, оборудованных для слежения за состоянием природных систем, видами и степенью использования территории.
Использование дистанционных (особенно космических) методов наблюдений позволяет получить оперативную информацию о состоянии природных систем, выявить антропогенные изменения, установить закономерности их динамики во времени и пространстве. Для решения этих задач необходим поиск интегральных показателей, характеризующих состояние комплексов в целом. Этот поиск идет в направлении установления связей между перестройкой структуры и функционирования природных систем и изменением их спектральных отражательных и излучательных характеристик.
Дистанционное слежение за спектральными характеристиками природных объектов дает возможность получить ценную информацию о состоянии геосистем и экосистем и их изменении под влиянием антропогенных и естественных факторов. Оно может служить важным дополнением к данным наземных стационарных наблюдений, особенно для тех территорий, где такие наблюдения ограничены или совсем отсутствуют.