Химическая сущность” экологического мониторинга

Глобальная сеть биосферных заповедников, т.е. природных территорий, представляющих характерные образцы биомов Земли, создавалась с целью сохранения всего присущего этим биомам разнообразия экосистем, видов, генетических ресурсов наряду с осуществлением системы многолетних наблюдений за основными характеристиками окружающей среды, состоянием природных компонентов. При этом основное внимание обращалось именно на ненарушенные климаксные зональные формации для того, чтобы характеризовать состояние отобранного участка биосферы на естественном или фоновом уровне, выявить глобальные изменения этих формаций.

Такой экологический мониторинг имеет самостоятельное значение для оценки состояния естественных ресурсов региона, вместе с тем он необходим в качестве своеобразной нулевой точки от счета при определении характера и степени изменений экосистем под влиянием антропогенных факторов, под которыми подразумевается хозяйственная деятельность человека, связанная как с загрязнением или разрушением экосистем, так и с их восстановлением, рекультивацией повышением продуктивности.

Следовательно, специфика биосферного заповедника определяется наличием достаточно обширной природной зоны с сохранившимися естественными системами, обладающей экологической автономностью, т. е. способной к саморегулированию естественного состояния природных комплексов, присущих этой зоне. Прочие территориальные элементы биосферного заповедника в первую очередь выполняют функции защиты природной зоны от антропогенных изменений, содействия восстановлению нарушенного состояния экосистем. Если природной зоны в биосферном заповеднике нет и невозможно восстановить ее естественное состояние, одна из основных задач – получение информации о фоновом уровне состояния биосферы решается недостаточно полноценно.

Таким образом, в биосферном заповеднике необходимы три основные зоны (точнее, территориально-структурные элементы): центральная, буферная и зона восстановления. Научные исследования и особенно экологический мониторинг осуществляются во всех зонах биосферного заповедника.

Центральная зона — основная зона заповедника, поэтому запрет сбора научной информации в природной зоне противоречил бы основной цели организации сети биосферных заповедников. Однако методы научных наблюдений и экспериментальные исследования, проводимые в ней, не должны нарушать естественный ход природных процессов. В противном случае следует отказаться от экспериментальных исследований даже в ущерб полноценности мониторинга.

Буферная зона, окружая природную зону, должна поглощать антропогенное влияние и тем самым защищать от него эту основную часть заповедника. Размеры и режим буферной зоны зависят от размеров и состояния природной зоны, а также от интенсивности антропогенного окружения. Мониторинг в буферной зоне дает информацию о состоянии природных экосистем, находящихся под постепенно слабеющим антропогенным воздействием.

Зону (или участок) восстановления естественного состояния экосистем образуют экосистемы, естественное состояние которых нарушено человеком, но не разрушено и которые при содействии человека могут восстановить свое первоначальное состояние. Удельный вес таких участков в биосферных заповедниках различен, в некоторых случаях их почти нет, а в других они составляют значительную часть всей территории. Сюда можно отнести леса, тронутые в прошлом рубками, популяции животных с аномальными численностью, структурой, поведением и другие изменения состояния природы заповедника. Мониторинг в этой зоне позволяет характеризовать процессы восстановления естественного состояния природы и оценить происходящие изменения в экосистемах.

Для обоснованного сопоставления фоновых показателей природных и полуприродных экосистем с показателями состояния экосистем культурного происхождения, существующих в техногенном ландшафте и активно преобразуемых в результате интенсификации производства, желательно иметь промежуточные характеристики, которые могут быть получены на экосистемах, сравнимых с первыми, но находящихся в условиях стабильного традиционного использования. К ним можно отнести участки, занятые под сельскохозяйственные культуры, лесные, охотничьи, рыбные и другие угодья, эксплуатируемые на стабильном уровне, уже превзойденном при современной интенсификации и уровне технизации аналогичных видов производства. Понятно, что такие участки нерентабельны в современных условиях и могут быть использованы только как научные полигоны биосферного заповедника.

Мониторинг экосистем этой зоны характеризует переходное, исторически уже пройденное состояние, но получаемые данные важны для построения законченного ряда переходов от природных систем к современным техногенным, культурным системам, созданным человеком.

При программировании мониторинга во всех зонах биосферного заповедника устанавливается единый перечень фиксируемых показателей, а в качестве объектов наблюдений в первую очередь выбираются биоконцентрирующие и сенситивные виды, которые могут быть индикаторами состояния экосистем. Одной из наиболее сложных сторон организации мониторинга биологических, а значит весьма динамичных и неустойчивых объектов, находящихся в различных сообществах и в разных условиях существования, является задача получения показателей достаточной достоверности или, по крайней мере, с количественно определенной погрешностью наблюдений.

С этим связан принцип размещения полигонов (стационаров) наблюдений, проведение повторных параллельных наблюдений, выбор участков, обладающих нужной репрезентативностью по отношению к изучаемой территории биосферного заповедника, а затем и ко всему региону. Практика работы заповедников показывает, что экстраполяция усредненных данных, полученных без надлежащей повторности, с небольших отобранных участков на обширную территорию встречает серьезные, иногда непреодолимые затруднения при оценке их достоверности. В этом отношении особенно важно соблюдать единую методику сбора количественных характеристик, с тем, чтобы получать достоверные, хотя бы относительные, но точные показатели изменчивости во времени. Вероятно, предпочтительнее ограничить число фиксируемых показателей, но увеличить количество полигонов и повторность наблюдений.

В этих условиях экологический мониторинг может быть полноценно организован только при едином управлении всеми зонами биосферного заповедника, объединенными в общую территорию. Различные типы биосферных заповедников («объединенных», «концентрированных», «неполных» и т. п.), создаваемых ныне, трудно представить в единой глобальной системе, и данные мониторинга такого разнохарактерного конгломерата, находящегося в разной ведомственной подчиненности, будет очень сложно сопоставить.

Несомненно, что биосферные заповедники, образованные в регионах, где практически отсутствуют природные системы, не измененные человеком, и поэтому представляющие биомы культурных техногенных ландшафтов, нужны и для сохранения генофонда, и для мониторинга, но их, вероятно, лучше объединить в отдельной системе. Нельзя забывать, что культурные экосистемы могут существовать в режиме, созданном человеком в интересах их максимального использования. Обычно это связано со сменой посевных культур, вырубкой и посадкой леса, применением удобрений, пестицидов и других технологических приемов. В таких заповедниках значение зон и методы управления ими, направление мониторинга имеют свою специфику, которую нужно точно определить, не отождествляя их режим с режимом и мониторингом в зонах биосферного заповедника, включающего природные экосистемы.

Поэтому наряду с биосферными заповедниками правомерно образование категории «биосферная научная станция». Такая станция координирует мониторинг заповедной территории с мониторингом территорий, находящихся под интенсивным, а значит, нестабильным режимом использования, который определен научно-техническим уровнем соответствующего хозяйства.

Образующаяся сейчас система таких биосферных станций включает самостоятельно действующие биосферные заповедники со своими специфическими задачами, территориальной структурой, объединенным управлением и научные стационары, организованные на землях интенсивного использования.

В целях представления биосферными заповедниками основных биомов нашей страны предполагается дальнейшее развитие сети биосферных заповедников и биосферных научных станций на базе существующих заповедников: Астраханского, Бургузинского, Воронежского, Дарвинского, Окского, Черноморского, «Шлитере», «Аксу-Джабаглы», Карпатского, Алтайского, Бадхызского, Центрально-лесного, Закатальского, Боржомского и др.
2. Программа экологического мониторинга в биосферных заповедниках.

Современное развитие общества и связанное с этим интенсивное антропогенное воздействие на природную среду имеет свои положительные и отрицательные стороны. Преобразование природы в конечном счете приводит к росту материальных благ и культурных ценностей, увеличению продолжительности жизни людей и т. д. Сопутствующие отрицательные последствия заключаются в тенденции к истощению невозобновляемых природных ресурсов, в загрязнении окружающей природной среды, в уменьшении природных возможностей к воспроизводству возобновляемых ресурсов.

Техническая вооруженность человека в настоящее время такова, что некогда локальные эффекты воздействия на природную среду сейчас достигают континентального и даже глобального масштаба. Отсюда следует необходимость скорейшего устранения отрицательных последствий (возможных и уже существующих) антропогенных воздействий. Среди приоритетных мер в данной области на одном из первых мест стоит создание системы мониторинга, позволяющей на основе некоторых наблюдений и исследований давать адекватную оценку и прогноз последствий антропогенной деятельности. По своему масштабу такая система мониторинга должна быть глобальной и многолетней, а по своему содержанию – экологической, т. е. отражать все основные аспекты антропогенного влияния на экологические системы.

Содержащиеся в настоящей работе предложения основаны на результатах теоретических и экспериментальных исследований, проведенных нами за последние 2—3 года и направленных на создание программы комплексного мониторинга загрязнения природной среды и его экологических последствий в биосферных заповедниках.

Содержание разработанной нами программы, ее специфические особенности объясняются теми задачами, которые мы изначально поставили перед системой мониторинга, и характером той информации, обеспечение которой является целью мониторинга, иначе говоря, информационной системы, не входящей в систему управления, но являющейся необходимым условием разработки эффективных программ регулирования качества окружающей среды.

Прежде всего, предлагаемая нами программа ориентирована на прогноз, а не простую констатацию наблюдаемых факторов. Очевидно, что прогнозировать изменения состояния экосистем и их элементов под влиянием антропогенной деятельности в глобальном масштабе невозможно ни с помощью полевых наблюдёний, ни с помощью экспериментов, поэтому видное место в программе занимает работа по построению соответствующих прогностических математических моделей.

Далее, выявление эффектов воздействия фоновых загрязнений на фоне естественных колебаний экологических систем и их элементов полевыми методами не представляется возможным в разумные сроки из-за высокого уровня шума. Отсюда вторая важная особенность предлагаемой программы экспериментальные исследования эффекта загрязнений фоновой интенсивности на биоту в контролируемых условиях абиотической среды.

Программа экологического мониторинга в биосферных заповедниках разработана таким образом, чтобы выявить глобальные и региональные последствия антропогенной деятельности. Эта программа предусматривает широкий комплекс биологических, геофизических и геохимических исследований. Учет реальных материальных, методических и инструментальных возможностей обусловил необходимость тщательного и жесткого отбора при составлении перечня рекомендуемых наблюдений.

Программа экологического мониторинга подразделяется на две части: абиотический мониторинг и биотический мониторинг.

Абиотический мониторинг предполагает систематические многолетние наблюдения за уровнем загрязнения всех сред (воздух и атмосферные осадки, природные воды, почвы, биота), а также сопутствующие геофизические наблюдения. Перечень приоритетных загрязняющих веществ для мониторинга в биосферных заповедниках можно считать разработанным, и эти наблюдения уже проводятся в течение нескольких последних лет.

Биотический мониторинг включает в себя натурные, теоретические и экспериментальные исследования. Экспериментальная программа имеет целью определить чувствительность особей видов данной экосистемы к воздействию низких, близких к фоновым концентраций загрязняющих веществ. Это можно сделать лишь в ходе экспериментов с особями отдельных видов в специальных установках для поддержания постоянных условий среды — экостатах — и с использованием высокоточного оборудования, способного зафиксировать весьма небольшие изменения характеристик состояния объекта исследования.

Целью этих экспериментов является построение кривых «доза—эффект», отражающих изменение коэффициента размножения при воздействии низких уровней загрязняющих веществ, измеряемых нами по программе геофизического мониторинга. Коэффициент размножения выбран нами в качестве интегрального показателя состояния биоты по той причине, что его изменения хорошо отражают все существенные изменения важных с эволюционной точки зрения характеристик состояния особи или вида.

Поскольку для адекватной оценки и прогноза состояния экосистем необходимо знать чувствительность к загрязнению всех видов экосистемы, а получить эту информацию, проводя эксперименты с особями всех видов экосистем, не представляется возможным, то для экспериментальных исследований необходимо выбрать некие представительные виды, а затем интерполировать результаты исследований на другие виды экосистемы. Выбор объектов экспериментов и интерполяцию результатов на другие виды целесообразно производить в координатах филогенетического древа и таким образом, чтобы минимизировать среднюю ошибку интерполяции. При выборе вида для вовлечения его в экспериментальные исследования при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать видам, играющим в сообществе важную экологическую роль.

Для осуществления эффективного прогноза состояния экосистем необходима также информация, не относящаяся к влиянию загрязнения на биоту. Это количественная информация об экологических взаимодействиях между видами (отношениях хищничества, паразитизма и пр.), представленная в демографических терминах.

Количественная характеристика такого рода взаимодействий — сложная научно-исследовательская задача одновременной фиксации плотностей взаимодействующих видов и структуры смертности. В настоящее время еще нет возможности унифицировать методы получения такого рода данных и рекомендовать соответствующую систему режимных наблюдений и экспериментов. Это дело ближайших лет. Однако уже сейчас следует организовать представление в унифицированном виде как уже имеющихся данных, так и тех данных о демографических параметрах биоты, которые предполагается получить в ходе реализации настоящей программы.

Для осуществления адекватной оценки и прогноза антропогенных изменений экологических систем на основе описанной выше информации необходимо создание комплекса математических моделей, описывающих биологические и геофизические процессы, протекающие в природной среде. Разработанная в настоящее время методология построения моделей ответной реакции биоты на воздействие загрязняющих веществ сводится к моделированию экзогенной сукцессии. Эти модели, будучи состыкованными с моделями циркуляции загрязняющих веществ в геофизических при родных средах, позволят прогнозировать количественные и качественные перестройки природных экосистем, возникающие в ответ на воздействие антропогенных загрязнений.

Таким образом, входными параметрами модели будут:

1) данные о прогнозируемых уровнях загрязнений среды;

2) экспериментальные данные о чувствительности биоты к воздействию этих уровней загрязнений;

З) данные об экологических воздействиях между видами изучаемой экосистемы.

В результате мы сможем определить, какие виды экосистемы исчезнут или резко снизят свою численность в первую очередь.

Предлагаемая программа позволит оценить фоновое состояние загрязнения природных сред и вызываемые им биологические эффекты, выявить наиболее чувствительные к загрязнениям виды для каждого типа экосистем, а также осуществлять ориентировочный прогноз изменения состояния биоценозов, возникающего в ответ на изменения уровней антропогенного воздействия.