Лекция № 11

Тема: Геоэкосистемный мониторинг

1. Общие представления о геоэкосистемном мониторинге, его виды

2. Геосистемы и экосистемы как объекты мониторинга

3. Критерии оценки состояния и изменения природных систем

4. Наземные наблюдения

5. Дистанционные наблюдения

6. Мониторинг мелиоративных природно-технических систем.

7. Радиационный геоэкосистемный мониторинг.

1. Общие представления о геоэкосистемном мониторинге, его виды. Как показано выше, достаточно полное представление о состоянии природной среды невозможно без исследований целостных природных образований - геосистем и экосистем. Регулярное слежение за сос­тоянием этих объектов с целью оценки и прогноза их изменений под влиянием антропогенных и естественных факторов можно назвать геоэкосистемным (ландшафтно-экологическим) мониторингом. Основная задача 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 геосистем. 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. В связи с этим целесообразно разли­чать следующие виды ландшафтно-экологического мониторинга (Шищенко, 1988):

а) мониторинг природно-заповедных ландшафтов - состоит в слеже­нии за развитием эталонных комплексов с целью охраны и обеспечения их устойчивости на основе сбережения присущей им естественной функциональной структуры и нормального хода природных процессов;

б) мониторинг лесохозяйственных ландшафтов - заключается в контроле за эксплуатацией, естественным восстановлением и состоя­нием лесонасаждений, формированием лесных комплексов с максимальной полнотой и высоким бонитетом древостоев;

в) мониторинг агроландшафтов - включает контроль за состоянием плодородия почв, водно-тепловым режимом и биологической продук­тивностью агроэкосистем, их состоянием в течение вегетационного периода;

г) мониторинг экваториальных природных комплексов - осуществляет контроль за функционированием технических систем и развитием характерных природно-антропогенных процессов (заилением, эвтрофикацией, подтоплением и др.);

д) мониторинг селитебных и рекреационных ландшафтов - включает контроль за их состоянием и соответствием их среды санитарно-ги­гиеническим нормам, устойчивостью против промышленных, градострои­тельных, рекреационных и сопряженных с ними нагрузок.

2. Геосистемы и экосистемы как объекты мониторинга. Геосистемы (природные комплексы, ландшафты) - это сочетания взаимосвязанных природных компонентов и соподчиненных комплексов, относительно ограниченные в пространстве и функционирующие как од­но целое. Экосистемами называют совокупности живых организмов и среды их обитания, которые взаимодействуя между собой, образуют единые сочетания. Несмотря на определенные различия (в направлен­ности изучаемых связей, характере пространственных границ и др.), геосистемы и экосистемы во многом сходны между собой. Это сложные целостные образования, обладающие общим набором компонентов при­роды, полиструктурностыо, многообразованием внешних и внутренних связей, динамичностью состояний, способностью к саморегулированию, иерархичностью. Соотношение основных иерархических уровней рас­сматриваемых объектов можно представить в следующем виде (Принци­пы и методы..,, 1989): природным зонам соответствуют зоноэкосистемы, ландшафтным областям - мегаэкосистемы, ландшафтам (как еди­ницам физико-географического районирования) - макроэкосистемы, урочищам - мезоэкосистемы, фациям (элементарным геосистемам) - элементарные экосистемы (биогеоценозы).

В настоящее время под влиянием антропогенных факторов почти все современные геосистемы и экосистемы претерпели те или иные изменения. Поэтому в качестве основных объектов природопользова­ния выступают природно-антропогенные комплексы. Особенность этих комплексов состоит в том, что, во-первых, в их состав входят как природные (неизмененные и измененные), так и антропогенные элементы и компоненты; во-вторых, их отличает, сложное сочетание процессов естественного саморегулирования и элементов управления со стороны человека; в-третьих, они выполняют определенные социально-эконо­мические функции. В связи с этим при организации службы монито­ринга геосистем необходимо обратить особое внимание на взаимосвя­зи их природных и социально-экономических составляющих.

В качестве локальных природно-антропогенных геосистем рассмат­риваются такие объекты, как сельскохозяйственные поля, мелиоратив­ные системы, рекреационные угодья, небольшие населенные пункты и т.п. Подобные объекты тесно взаимодействуют друг с другом, обра­зуя территориальные сочетания как локального, так и регионального уровней. Эти сочетания обладают определенным единством (целостнос­тью) в отношении выполняемых ими функций и занимаемого ими прост­ранства. В качестве таких сочетаний выступают крупные города, аг­ломерации, сельскохозяйственные и рекреационные районы, промышленные узлы и районы и т.п. В их состав входят элементарные геосистемы и экосистемы, выполняющие различные социально-экономичес­кие функции.

В последние годы обсуждается вопрос о том, геосистемы какого ранга следует рассматривать в качестве основного объекта монито­ринга. Высказано мнение, что каждая региональная станция должна контролировать состояние среды в экологическом регионе, соответствующем отрезку природной зоны в пределах физико-географической страны (Ковда, Керженцев, 1983). Обосновано предложение об исполь­зовании ландшафтно-бассейновых систем в качестве территориальных единиц мониторинга. С.И.Зотов (1993) отмечает, что бассейновый подход позволяет рационально разместить наблюдательную сеть и осу­ществить комплексность наблюдений. За исходное звено низшего регионального уровня предлагается принять геосистему речного бассейна площадью около 5-8 тыс. км²

Поскольку основными объектами геоэкосистемного мониторинга вы­ступают природно-антропогенные системы, чисто природоведческие подходы для обоснования сети наблюдений представляются не всегда достаточно обоснованными. Желательно, чтобы наблюдения привязывались к таким регионам, границы которых максимально соответствовали бы и природным и административно-хозяйственным рубежам. Мониторинг должен стать одним из важных рычагов управления природополь­зованием в этих регионах. Поэтому в качестве операционных единиц регионального геоэкосистемного мониторинга могут выступать терри­тории ранга административной области или автономной республики (Принципы и методы.., 1989).

3. Критерии оценки состояния и изменения природных систем. Состояние и изменение геосистем и экосистем могут быть описаны большим числом показателей. Исходя из важнейшего свойства этих объектов - целостности, предпочтение следует отдавать комплексным признакам, интегрирующим максимальное число частных параметров. Одним из важнейших комплексных показателей состояния и изменения природных систем выступает интенсивность и сбалансированность в них обмена веществ и энергии (геометаболизм). Об интенсивности или скорости оборота веществ можно судить по отношению всей массы ежегодной биологический продукции гео- и экосистем к их общей био­массе (Герасимов и др., 1976). Очевидно, чем больше величина этого отношения, тем интенсивнее оборот веществ. И, наоборот, умень­шение данного показателя свидетельствует о замедлении скорости биологического круговорота.

В качестве комплексных критериев оценки состояния природных систем могут быть использованы показатель их естественной способности к самоочищению (отношение количества вынесенных загрязните­лей к количеству внесенных в ландшафт за тот же период), норматив оптимального соотношения площадей естественных ландшафтов и земель с разными типами использования (Чупахин, 1990), 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. Качество среды в рекреационных ландшафтах может определяться по конечной "продукции" - повышению уровня здоровья, отдыхающих за счет рекреации.

И.П.Герасимов (1975, 1985) предложил комплексный показатель - предельно допустимую нагрузку (ПДН) на ландшафты, интегрирующий различные свойства природных систем (в том числе их устойчивость и способность к самоочищению). Его определение требует учета ант­ропогенных и естественных факторов изменения среды, изучения трофических связей и интенсивности биологического круговорота веществ.

Однако, как отмечалось выше, существующие комплексные критерии не могут в полной мере отразить состояние таких сложных образова­ний, какими являются геосистемы и экосистемы. Кроме того, методы расчета ряда показателей (норматива оптимального соотношения пло­щадей ландшафтов и земель, ПДН и др.) пока еще не разработаны. Поэтому 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, учитывает 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. Так, при снижении или увеличении доли одной из трофических групп на 20-50% происходят серьезные нарушения взаимосвязей внутри экосис­тем (хотя процессы деградации еще не принимают необратимого харак­тера). При уменьшении или увеличении доли одного из трофических звеньев более чем на 50% нарушения принимают уже необратимый ха­рактер и экосистемы теряют свои средо- и ресурсовоспроизводящие функции. От площади проявления негативных изменений в значитель­ной мере зависит, способность возвращения экосистемы в исходное или близкое к нему состояние (известно, что при одной и той же степени деградации возможность восстановления участка территории обрат­но пропорциональна площади его простирания). 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.

Ряд критериев, характеризующих состояние и изменения природных систем применительно к выделению зон экологического риска (ЭР), кризиса (ЭК) и бедствия (ЭБ), представлен в табл. 10 (Критерии оценки..., 1992; Виноградов и др., 1993).

Наличие большого числа оценочных параметров, выраженных в количественной форме, позволяет получить комплексные показатели, при­годные для сравнения состояния измененных природных систем с их исходным состоянием или "эталоном" в целом. Один из способов получения таких показателей, названный системой оценки состояния среды, изложен в книге И.Б.Тимашева (1988). Этот способ предусмат­ривает учет различных параметров, отражающих воздействие человека на природу. Каждому из них придается весовой коэффициент, т.е. показатель его значимости относительно других параметров. Затем параметры переводятся в показатели качества (ПКС) – величины, взятые относительно каких-либо нормативов (например, ПДК) или фо­новых уровней, что дает возможность сравнивать исходное и изме­ненное состояние природной среда. Умножая исходный и измененный ПКС на значение весового коэффициента и суммируя вычисленные параметры, получают обобщенную оценку трансформации природных систем (V), выраженную в безразмерных единицах. Расчет производится по следующей формуле:

где (Vi)1 - ПКС для параметра i, измененного в процессе антро­погенного воздействия; (Vi)₂ - исходный ("эталонный") ПКС для параметра i; Ki - значение весового коэффициента параметра i; п - общее число параметров.

Описанный способ, несмотря на определенные недостатки (субъективность при установлении весовых коэффициентов, некоторую упрощенность и условность конечной оценки и др.), позволяет сопоста­вить измененные и исходные параметры природных систем и в результате получить обобщенное представление об антропогенной трансфор­мации природной среды.

Таблица 1 - Критерии экологической оценки состояния и изменения
природных систем

Показатели	Норма	ЭР	ЭК	ЭБ
Площади деградированных экосистем, % общей площади территории	<5	5-50	50-75	>75
Скорость деградаций 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, % в год	<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	3,5-7,6	>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

4. Наземные стационарные наблюдения. Осуществление геоэкосистемного мониторинга связано с проведе­нием наземных стационарных наблюдений и использованием дистанцион­ных методов исследования. Наземные наблюдения ведутся на специаль­но организованных стационарах (геоэкосистемных полигонах). Послед­ние 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. 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 (плакорных) 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 (Прин­ципы и методы..., 1989): ретроспективные (выявление прежних состояний геосистем с целью прогнозирования их будущих состоянии), реинвентаризационные (периодическое комплексное обследование и картографирование территории) и 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 систем. Наблюдения ведутся на постоянных участках и профилях, с применением различных измерительных приборов по специальной программе методике, включающей исследование теплового и водного баланса систем, их гидротермического режима, миграции химических элементов, динамики почвенных и биотических процессов, биологичес­кой продуктивности. Большое внимание уделяется слежению за состоя­нием основных компонентов геосистем и экосистем. С этой целью 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 фитоценозов (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.

Примером мониторинговых наблюдений могут служить исследования природных режимов геосистем, ведущиеся на стационарах Института географии Сибирского отделения Российской Академии наук (РАН). Они включают синхронные комплексные наблюдения, которые регулярно выполняются на полигонах-трансектах, за основными компонентами элементарных геосистем в их тесной взаимосвязи. В работе принима­ют участие специалисты различного профиля - климатологи, гидроло­ги, геоморфологи, почвоведы, биологи, ландшафтоведы и другие. 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.

Автоматизация пока не может охватить все виды мониторинговых наблюдений. Наиболее полно она осуществляется для гидрометеорологического блока. Для биологического, почвенного и других блоков может быть автоматизировано измерение только отдельных параметров (например, концентрации СО2, температуры почвы и др.). Геоморфологические, геохимические и гидрохимические наблюдения по-прежнему проводятся традиционными для физической географии методами.

В Институте географии РАН (Москва) разработан опытный образец информационно-телеметрической системы, предназначенной для прове­дения наблюдений за изменением геосистем в естественных условия. Ее конструкция позволяет выполнять автоматизированные измерения температуры и относительной влажности воздуха, количества твердых и жидких осадков, составляющих радиационного баланса, температуры и влажности почв и других гидрометеорологических показателей. Осо­бенность системы состоит в том, что информация, получаемая от дат­чиков в виде первичного материала (кодированные данные различных параметров объекта), регистрируется печатающим устройством и одно­временно подается на ЭВМ для обработки по заданной программе. Это дает возможность получить банк первичных данных и исключает потерю информации при выходе из строя вычислительного комплекса систе­мы (Принципы и методы..., 1989),

В настоящее время важнейшей практической задачей геоэкосистемного мониторинга является организация разветвленной сети стацио­наров и станций, предназначенных для проведения комплексных наблю­дений за состоянием природной среды. Существующая сеть ни по коли­честву наблюдательных пунктов, ни по назначению (за исключением ряда стационаров в системе РАН) не соответствует требованиям дан­ного вида мониторинга. Согласно этим требованиям, число пунктов и места их размещения должны быть увязаны со схемой ландшафтного районирования территории. 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. Для оценки "уровня насыщенности" региона, пунктами наблюдений можно использо­вать следующее соотношение, позволяющее определить плотность стан­ций на каждые 1000 км² территорий (Шищенко, 1988):

Р = К / Si • 1000,

где Р - плотность станций; К - общее количество станций; Si - площадь ландшафтной области (провинции).

5. Дистанционный геоэкосистемный мониторинг. 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. В настоящее время этот поиск идет в направлении установления связей между перестройкой структуры и функционирования природных систем и изменением их спектральных отражательных и излучательных характеристик (Виноградов, 1976, 1984; Кондратьев и др., 1986 и.др.). Наличие подобной связи дает возможность использовать спектральные характеристики для ана­лиза пространственно-временных изменений ландшафтов и экосистем. К ним можно отнести: спектральный коэффициент яркости (отношение яркости исследуемого объекта к яркости эталона, находящегося в та­ких же условиях освещения), спектральный коэффициент отражения (альбедо), радиационную температуру (температуру, определяемую по зарегистрированному тепловому потоку, идущему от объекта наблюдения) и другие показатели.

По Б.В.Виноградову (1984), оптический эффект антропогенного из­менения природных систем (∆Р) можно представить как разность спектральных коэффициентов яркости неизмененной (эталонной) системы (Рz) и антропогенной производной на ее месте (Pi):

∆Р= Рz – Pi,

Отрицательный оптический эффект антропогенного воздействия на панхроматическом снимке выражается в более светлом тоне изображе­ния по сравнению с исходным комплексом, что связано с увеличением отражательной способности измененной системы. Положительное влия­ние, наоборот, проявляется в более темном тоне и уменьшении от­ражательной способности.

Аналогично вычисляется радиационный эффект антропогенного из­менения (∆Tr) природных комплексов:

∆Tr = Trz – Tri,

где Trz и Tri - радиационные температуры соответственно естественного и измененного комплексов.

Разность характеризует относительную величину оптической и радиационной неоднородности геосистем и экосистем разной формы и степени преобразования, а также дает сравнительную оценку их распознаваемости.

Наблюдения показывают, что наиболее существенные изменения спектральных характеристик геосистем и экосистем связаны с нарушением растительности (особенно в результате вырубки леса и деградации пастбищ), распашкой территории, изменением содержания гумуса и влаги в почвах, механическим загрязнением приземного слоя воздуха и снегового покрова, осушением и орошением, разрушением почв и другими воздействиями со стороны человека.

Так, на лессовидных почвообразующих породах (коэффициент яркос­ти 0,30) при резком нарушении травянистой растительности (умень­шении проективного покрытия с 80-100% до 10%) Рi в оранжево-крас­ной части спектра возрастает в 2-2,5 раза (с 0,10-0,12 до 0,22-0,25), а при почти полном исчезновении травяного покрова коэффи­циент яркости достигает предельной величины, т.е. 0,30. В ближней инфракрасной зоне спектра подобное уменьшение проективного покрытия (а соответственно и фитомассы) дает обратный оптический эффект - величина Рi снижается в 2-3 раза (Виноградов, 1984).

Уменьшение содержания гумуса и влаги в почвах ведет к увеличе­нию коэффициента яркости измененных комплексов как в видимой, так и в ближней инфракрасной зонах спектра. Оптический эффект имеет тот же знак, что и уменьшение покрытия и фитомассы растительности. Подобный результат наблюдается на гарях, пашнях, в эрозионных эко­системах (величина ∆Р антропогенного воздействия составляет минус 0,15-0,17).

Механическое антропогенное загрязнение воздуха и снега наиболее интенсивно проявляется в зоне влияния крупных предприятий и на территориях промышленных городов. Оптические и радиационные эффек­ты загрязнения снега особенно существенны весной, когда коэффици­ент яркости снегового покрова снижается с 0,5-0,7 до 0,2-0,3 (т.е. величина ∆Р достигает 0,3-0,4). Зависимость коэффициента яркости от концентрации механических частиц в снеге нелинейна и описыва­ется экспонентой (Виноградов, 1984).

Как видим, 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.

6. Мониторинг мелиоративных природно-технических систем. Выше уже отмечалось, что мониторинг особенно актуален для природно-антропогенных систем - комплексов, которые используются в хо­зяйственной деятельности человека и подвергаются его воздействию. К числу таких объектов относятся мелиоративные природно-технические системы - совокупности ландшафтно-экологических, мелиоративно-агротехнических и социально-экономических компонентов, которые, взаимодействуя между собой в границах одной территории, функциониру­ют как единое целое.

Мелиоративные природно-технические системы получили широкое распространение. К 1992 г. в Российской Федерации площадь орошае­мых земель достигла 6,3 млн. га, осушенных земель - 5,3 млн. га (Го­сударственный доклад..., 1992). Орошение и осушение ведут к нару­шению многих естественных процессов, что неизбежно отражается на состоянии и функционировании всего природного комплекса. В резуль­тате мелиоративного воздействия изменяются водно-воздушный режим почвогрунтов, направление и скорость протекания основных почвооб­разовательных процессов, строение и свойства почв, состав и продуктивность фитоценозов, возрастает вынос минеральных и органичес­ких веществ с дренажным стоком, изменяется микроклимат территория и т.д. Природно-экологические последствия мелиорации могут иметь как позитивный, так и негативный характер. Во многих случаях пре­образовательный эффект мелиорации снижается из-за проявления в ландшафте процессов и явлений, ухудшающих не только условия про­израстания сельскохозяйственных культур, но и условия труда и от­дыха населения (из-за подъема или снижения уровня почвенно-грунтовых вод выше или ниже критического, подтопления и иссушения, вто­ричного засоления почв и др.). Эффективность ряда мелиоративных систем оказывается недостаточной из-за просчетов в планировании и проектировании мелиорации или снижается со временем. В связи с этим возникает необходимость организации мониторинговых наблюде­ний, как в пределах самих систем, так и на прилегающих к ним тер­риториях.

Главная задача мониторинга заключается в слежении и контроле за состоянием природных комплексов и компонентов, а также их изменением под влиянием мелиоративных мероприятий. Целью наблюдений является своевременное и оперативное предупреждение нежелательных последствий, эффективное использование позитивных изменений гео­систем и экосистем в хозяйственных целях (Аношко, 1987). Учитывая, что мелиорация влияет прежде всего на режим поверхностных и почвенно-грунтовых вод, структуру почвенного покрова и свойства почв, видовой состав и состояние растительности, первостепенное внимание следует уделить фиксации изменений этих компонентов. Наблюдения должны проводиться сопряженно и носить комплексный характер, что позволяет не только выявить изменения, происходящие в природе, но и определить степень их воздействия на формирование всего природно-мелиоративного комплекса.

Основной путь получения мониторинговой информации - проведение наблюдений на сети природно-мелиоративных стационаров и станций; часть информации может быть получена путем использования дистан­ционных методов исследований. Стационарные наблюдения целесообраз­но организовать в каждой природно-мелиоративной провинции в типич­ных для нее ландшафтно-экологических и социально-экономических условиях. Участок исследований должен представлять хорошо выраженную полузамкнутую территорию, позволяющую фиксировать приход и расход вещества и энергии. Этому условию отвечают бассейны малых и сред­них рек, а также природно-мелиоративные системы, включающие сеть гидротехнических сооружений и зону их влияния на окружающую при­родную среду.

Непосредственными объектами мониторинговых исследований явля­ются природные комплексы в ранге урочищ и подурочищ (мелиорируе­мые, измененные и фоновые). Через комплексы развой степени транс­формации прокладываются ландшафтные профили или трансекты, на которых выбираются точки для проведения наблюдений. Состав и перио­дичность наблюдений должны быть рассчитаны на выявление динамичес­ких показателей изменения природных систем, происходящего под воз­действием как техногенных, так и естественных факторов.

Программа исследований на точках (площадках) включает: теплобалансовые и воднобалансовые наблюдения (3-6 суточные серии 3-5 раз в течение вегетационного периода), наблюдения за уровнем почвенно-грунтовых вод, влажностью и аэрацией почв (раз в 7-10 дней), снегомернуо съемку (1-2 раза в год), полный агрохимический анализ почв (1-3 раза за вегетационный период), гидрохимический анализ поверхностных, почвенно-грунтовых и дренажных вод (1-2 раза в ме­сяц). Ежегодно необходимо проводить геоботаническое описание пло­щадок, определение продуктивности, фитоценозов, балансовые наблюдения органического вещества и гумуса в почвах. Особое внимание следует уделить изучению поступления минеральных и органических веществ извне (с удобрениями, пестицидами, паводковыми водами и др.), выносу и отчуждению их через сток, с урожаем сельскохозяйственных культур, при вырубке лесов и т.п.

Данные, полученные на основе 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 связи с этим следует рассмотреть вопрос об унификации и совершенствова­нии программы и методов наблюдений, проводимых на мелиоративных системах различными организациями. Представляется, что 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.

7. Радиационный геоэкосистемный мониторинг. Функционирование предприятий атомной промышленности и энерге­тики связано с выделением радиоактивных отходов производства, что может привести к загрязнению природной среды и негативно повлиять на состояние живых организмов. Особую опасность представляют ава­рийные выбросы радионуклидов. В результате аварии на Чернобыльской АЭС в 14 областях России образовались зоны загрязнения местности цезием-137 с уровнем накопления выше I КИ/км² на площади около 55,1 тыс.км² (Государственный доклад..., 1992).

В этой ситуации важное значение приобретает радиационный мони­торинг окружающей природной среды. Рассмотрим этот вопрос на при­мере организации службы наблюдений в районе функционирования АЭС.

В целях обеспечения радиационной безопасности на АЭС организо­ван регулярный контроль за источниками выделения радионуклидов и их содержанием, в отдельных природных средах. В пределах санитарно-защитной зоны радиусом 3 км периодически отбираются пробы воз­духа, воды, снега, почв, растительности, донных отложений в водое­мах-охладителях. Результаты анализа проб сравниваются с данными анализа подобных образцов, взятых за пределами зоны возможного влияния АЭС на окружающую природную среду.

Такая система контроля удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям защиты человека от радиоактивного воздействия, однако она не гарантирует безопасности окружающих биогеоценозов, как бы "изолирует" человека от природной среды (Бадаев и др., 1990). Кро­ме того, отбор проб, осуществляемый по основным румбам на разных расстояниях от АЭС, производится без учета естественной дифференциации природных комплексов, влияния рельефа, ландшафтно-геохимических условий территорий, определяющих пространственную миграцию загрязняющих веществ. Поэтому возникает необходимость в организа­ции службы радиационного геоэкосистемного мониторинга - регулярного слежения за состоянием радиоактивного загрязнения геосистем и экосистем с целью оценки и прогноза экологических последствий влияния АЭС на окружающую природную среду.

Радиационный геоэкосистемный мониторинг является составной час­тью системы слежения за состоянием природных комплексов, включающей также наблюдения за геохимическим, гидрохимическим, тепловым и другими видами воздействия АЭС на природу. Его сущность состоит в сборе, регистрации и обработке информации о радиационной обста­новке в зоне влияния станции, выявлении доли радионуклидов "стан­ционного" происхождения, изучении закономерностей миграции, накоп­ления и распространения радионуклидов в конкретных геосистемах. При аварийной ситуации служба мониторинга должна выдавать экспресс­ные данные для принятия оперативных мер, в том числе и в целях ра­диационной защиты населения.

Радиационный мониторинг в зоне влияния АЭС включает три основ­ных блока: наблюдения за источниками загрязнения, слежение за внешними факторами и наблюдения за состоянием окружающей природной среды (Егоров, 1987). В первом блоке объектами слежения выступают газообразные и жидкие отходы, выделяемые в процессе эксплуатации АЭС; во-втором - внешние факторы распределения и накопления загряз­нителей (метеорологические условия и радионуклиды глобального происхождения); в третьем блоке - состояние природных и природно-ант­ропогенных комплексов, в которых происходит миграция, накопление и перераспределение радионуклидов (рис. 1). Само название монито­ринга - геоэкосистемный - предполагает, что он должен проводиться по элементарным ландшафтам на базе ландшафтно-геохимического райо­нирования зоны влияния АЭС.

Основной принцип ландшафтно-геохимического районирования - вы­деление природных комплексов по условиям миграции и накопления химических элементов. В соответствии с этим принципом на первой ступени районирования в зоне влияния АЭС (в радиусе 30-50 км) ре­комендуется выделить водосборные бассейны, которые характеризуются определенностью границ и однонаправленностью миграционных про­цессов (Арлинская и др., 1991). Затем в пределах водосборов оконтуриваются элементарные ландшафты с разделением их на элювиальные, трансэлювиальные и аккумулятивные. В результате строится крупномасштабная (1:25000-1:100000) ландшафтно-геохимическая карта зоны влияния АЭС, позволяющая выявить наименее устойчивые к загряз­нению ("критические") комплексы, установить геохимические барьеры, способствующие накоплению радионуклидов и других загрязнителей. Карта (с учетом розы ветров и господствующих уклонов местности) дает возможность выбрать опорные ландшафтно-экологические профили и выделить в их пределах наиболее типичные сопряженные по стоку фа­ции или биогеоценозы. Опорные профили должны проходить через санитарно-защитную зону АЭС, пересекать 30-километровую зону и за­канчиваться за ее границами.

Рисунок 1 - Структурная схема радиационного геоэкосистемного

мониторинга в зоне влияния АЭС

Выделенные на профилях типичные биогеоценозы (как природные, так и природно-антропогенные) выступают в качестве непосредственных объектов наблюдений за переносом и накоплением загрязнителей в их компонентах, а также изменением функционирования комплексов в целом. В границах комплексов периодически осуществляется дозиметрический контроль, отбираются пробы для определения долгоживущих ра­дионуклидов (стронция-90, цезия-137 и др.), тяжелых металлов и других токсикантов, проводится ежегодное диагностирование контрольных биогеоценозов (агрохимический анализ почв, описание видового состава и обилия растительности, определение продуктивности фитоценозов и т.п.). Для выявления содержания радионуклидов и тяжелых металлов отбираются пробы снегового покрова, верхнего горизонта почв, торфа, донных отложений водоема-охладителя, лесной подстилки, хвои и лис­тьев деревьев, мхов, лишайников и других элементов природных комплексов. Результаты исследований сравниваются с данными анализов, измерений и описаний, полученными на аналогичных биогеоценозах за пределами зоны влияния АЭС.

Оценка степени радиационного воздействия АЭС на прилегающие геосистемы и экосистемы затруднена в связи с отсутствием достоверных и систематизированных данных об эффектах накопления радионуклидов в отдельных компонентах природы (прежде всего биоте). Поэто­му в качестве основного критерия степени радиационного загрязнения территории используется среднегодовое значение эффективной (экви­валентной) дозы облучения человека, единицей измерения которой является зиверт (Зв). В качестве предельной дозы излучения прини­мается показатель, равный I мЗв/год (0,1 бэр/год). Исходя из этого, территории со среднегодовым значением дополнительной (сверх естественного фона) эффективной дозы, не превышающей I мЗв/год, рассматриваются как относительно благополучные; участки местности со значениями дополнительной дозы в диапазоне 5-10 мЗв/год и более 10 мЗв/год относят соответственно к зонам экологического кризиса и экологического бедствия (Критерии оценки..., 1992).

Материалы, полученные в результате наблюдений и оценки, могут быть использованы для построения прогнозных моделей функционирования биогеоценозов, а также при принятии решений в процессе управления радиационным состоянием природных объектов в системе "АЭС - окружающая среда".

Дата добавления: 2014-01-05