Экологическое состояние геоэкосистем и его оценка

 

1.3.1. Понятие об экологическом состоянии геоэкосистем. В географии и экологии широко используется понятие ״состояние гео-и экосистем״. Это понятие характеризует прежде всего временной аспект функционирования и развития природных объектов. Состояние гео- и экосистем - это характеристика их важнейших свойств за оп­ределённый более или менее длительный промежуток времени. Оно формируется под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов.

Понятие "экологическое состояние" характеризует условия жизнеобитания людей в пределах конкретной территории. С позиций гео­экологии главным фактором, формирующим свойства природно-антропогенных и особенно антропогенных геоэкосистем, выступает хо­зяйственная деятельность человека. Естественно, что её последствия определяют в первую очередь условия жизнеобеспечения населения. В связи с этим экологическое состояние геоэкосистем можно рассмат­ривать как совокупность показателей, характеризующих последствия их антропогенных изменений за определённый более или менее дли­тельный промежуток времени (Емельянов, Тихомиров, 2000). Имеются в виду прежде всего показатели загрязнения окружающей среды, ис­тощения природных ресурсов, деградации ландшафтов, ухудшения здоровья человека, потери генофонда растений и животных. Следует отметить, что все эти последствия проявляются на фоне конкретных физико-географических условий, поэтому при изучении и оценке эко­логического состояния геоэкосистем нельзя абстрагироваться от их ес­тественного экологического потенциала.

Состояние природных гео- и экосистем и их компонентов - это динамическая категория (Александрова, 1990; Исаченко А.Г., Исаченко Г.А., 1995 и др.). Всякое состояние преходяще и имеет определённую длительность. Наиболее подвижными являются такие компоненты среды, как воздух, воды, биота. Их состояние может меняться в тече­ние короткого времени - от нескольких часов до нескольких месяцев. Состояние почв, верхнего слоя горных пород, форм микро- и мезорельефа остаётся относительно стабильным за период от нескольких месяцев до нескольких лет (и даже нескольких десятков лет). Продолжительность антропогенных изменений в природных комплексах, как показывают наблюдения, составляет в большинстве случаев не менее 3-5 лет. Поэтому практически наиболее приемлемым (особенно для геоэкосистем регионального уровня) является изучение состояний длительностью в несколько лет. Они могут быть описаны либо усреднёнными за этот период показателями, либо показателями, полученными на момент проведения исследований (например, раз в 5 лет). Целесообразно различать экологические (геоэкологические), сани­тарно-гигиенические и медико-демографические показатели состояния геоэкосистем. К первой группе можно отнести такие показатели, как площади деградированных земель, стадии дигрессии пастбищ и рек­реационных угодий, площади вырубленных и сгоревших лесов, потеря почвенного плодородия, уменьшение биологической продуктивности биоценозов, степень антропогенного евтрофирования водоёмов и др. Во вторую группу входят величины кратности предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в воздухе, водах, почвах, продуктах питания. Третью группу составляют показатели здоровья населения, детской смертности, генетических нарушений, продолжительности жизни населения.

Выбор показателей экологического состояния в значительной степени определяется уровнем и соответствующим ему рангом геоэкосистем. На региональном уровне широко используются показатели, относящиеся к первой и третьей группам. В качестве операционных территориальных единиц здесь чаще всего выступают административ­ные районы и области, по которым регулярно собирается и уже накоплена значительная по объёму экологическая информация. На локальном и элементарном иерархических уровнях наиболее важное значение имеют показатели второй группы, однако для их получения необходимо проведение специальных мониторинговых наблюдений.

1.3.2. Оценка экологического состояния геоэкосистем. Одной из основных задач геоэкологии является оценка экологического состояния геоэкосистем, т.е., по существу, определение качества окружающей человека среды. Оценка рассматривается как выявление степени благоприятности или неблагоприятности последствий трансфор­мации геоэкосистем с точки зрения условий жизни и деятельности населения. Её цель - определение возможного ущерба от негативных последствий вмешательства человека в природные процессы с тем, чтобы выработать наилучший вариант хозяйственного использования территории и акватории.

Оценка заключается в сравнении показателей фактического состояния окружающей среды с заранее определёнными критериями, т.е. признаками, на основе которых производится сравнение. В качестве критериев могут выступать показатели исходного состояния наблюдаемых объектов, их естественные (фоновые) характеристики, а также различные нормативные показатели, характеризующие допустимую ме­ру воздействия человека на природные системы.

Критерии оценки экологического состояния можно разделить на покомпонентные (частные) и комплексные (суммарные, интегральные).

Они должны выражать наиболее существенные признаки состояния компонентов природной среды и их закономерных сочетаний в виде территориальных и аквальных геоэкосистем (некоторые из таких признаков перечислены в разделе 1.3.1). Необходимость использования покомпонентных критериев связана с тем, что во многих случаях оценить природный комплекс в целом очень трудно, не оценив его

отдельных сторон. Потребность же в комплексных показателях возникает тогда, когда необходимо дать оценку состояния геоэкосистем не по одному свойству, а по сочетанию одновременно нескольких свойств. Оптимальным следует считать совместное использование компонентных и комплексных критериев.

В настоящее время в практике оценочных исследований в каче­стве признаков для сравнения чаще всего применяются нормативные показатели - санитарно-гигиенические и экологические критерии.

Санитарно-гигиенические критерии устанавливаются исходя из требований экологической безопасности населения (т.е. применительно к здоровью человека). К ним в первую очередь относятся нормы пре­дельно-допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в воз­духе, водах, почвах и продуктах питания, а также нормы предельно-допустимых выбросов (ПДВ) в воздух и предельно-допустимых сбросов (ПДС) в водоёмы. ПДК - это максимальная концентрация ве­ществ, не влияющая негативно на здоровье людей настоящего и по­следующих поколений при воздействии на организм человека в тече­ние всей его жизни. ПДВ и ПДС называют максимальные объёмы поступления веществ в единицу времени (соответственно в воздух и водоёмы), которые не ведут к превышению их ПДК в сфере влияния источника загрязнения. В каждом конкретном случае эти объёмы рас­считываются исходя из производственных мощностей изучаемого объ­екта и данных о вредных последствиях выделяемых ингредиентов.

В настоящее время разработано большое число нормативов допустимого содержания веществ и энергии различного происхождения (химических, физических, биологических). Только ПДК химических веществ установлено в воде водоёмов около 1500, в атмосферно воздухе - более 450, в почве - более 100. При наличии столь внушительного числа показателей ПДК возникает необходимость определения перечня наиболее представительных ингредиентов, подлежащих контролю в процессе мониторинга. Предложены следующие критерии их выбора (Израэль и др., 1978,' Афанасьев, Фомин, 1998 и др.).

Во-первых, наблюдению должны подлежать ингредиенты, выброс и распространение которых (а следовательно, и загрязнение ими имеет глобальный и межрегиональный характер. К ним относятся например, двуокись серы, пыль, окись углерода, углекислый газ для атмосферного воздуха; нефтепродукты, фенолы, соединения тяжёлых металлов для поверхностных вод; пестициды для почв.

Во-вторых, наблюдения должны охватывать наиболее токсичные соединения, т.е. вещества, имеющие абсолютно низкие значения ПДК. В атмосферном воздухе ПДК таких соединений не превышает 5 мкг/м³ (пятиокись ванадия, сернистый свинец, диоксины и др.), воде водоёмов - 2 мкг/л (соединения ртути и свинца, фенол, бенз-а-пирен др.). Многие из токсичных веществ, которые накапливаются воздухе, водах и почвах, обладают канцерогенным и мутагенным действием.

В-третьих, необходимо контролировать поступление веществ, приводящих к загрязнению геоэкосистем в региональном и локальном масштабах. Наблюдения могут проводиться за содержанием различных веществ(не обязательно относящихся к рассмотренным выше), если они оказывают существенное влияние на состояние окружающей среды в условиях хотя и небольших, но достаточно плотно заселённых территорий.

Степень загрязнения окружающей среды принято оценивать по кратности превышения ПДК, ПДВ и ПДС, классу опасности (токсичности) веществ, допустимой повторяемости концентраций заданного уровня, количеству загрязняющих веществ. В случае одновременного присутствия нескольких загрязняющих веществ (что является весьма распространённой ситуацией) используются так называемые суммарные показатели. Так, при наличии веществ с одинаковой степенью токсичности суммарный показатель загрязнения С_s может быть определён

по следующей формуле:

 

С_s=∑ C_i / ПДК_i,

 

где C_s - фактическая концентрация i - того загрязнителя. Правда, такой подход не всегда соответствует результатам токсикологических опытов, согласно которым связи "доза-эффект" во многих случаях носят нелинейный характер (Израэль и др., 1978).

Несмотря на широкое использование в практике исследований, санитарно-гигиенические критерии лишь частично отвечают требованиям оценки экологического состояния среды. Значения ПДК территориально не дифференцированы, они не учитывают влияния реальной физико-географической ситуации (климата, геохимических условий, состава природных вод и др.). При их разработке часто не принимаются во внимание процессы превращения загрязняющих веществ при

переходе из одной среды в другую (например, из твёрдой в жидкую), миграционные свойства, способность накапливаться в отдельных компонентах природных систем и вызывать вторичное загрязнение.

Санитарно-гигиенические нормы, установленные исходя из требований здоровья человека, не учитывают свойств других организмов (растений и животных). Наконец, последствия антропогенных изменений природы связаны не только с загрязнением среды, но и другими формами трансформации (например, механическим нарушением структуры гео- и экосистем). Поэтому для оценки состояния окружающей среды наряду с ПДК, ПДВ и ПДС необходимо использовать и экологические критерии.

Экологические критерии - это структурно-функциональные по­казатели гео- и экосистем, характеризующие их естественное или из­менённое состояние. Для части из них установлены экологические нормативы - максимальные величины нагрузок на гео- и экосистемы, при которых их основные структурно-функциональные характеристики (продуктивность, интенсивность биологического круговорота, видовое разнообразие, устойчивость и др.) не выходят за пределы естествен­ных изменений (Современные проблемы..., 1992). Они призваны опре­делить область и границы допустимого состояния природных систем и дозволенного воздействия на них со стороны человека. Установлены нормативы сельскохозяйственного, лесохозяйственного, рекреационного воздействия на гео- и экосистемы, но они имеют преимущественно производственную, а не экологическую направленность (нормы выпаса скота, внесения удобрений и пестицидов, величины рекреационных нагрузок на ландшафты и др.). Слабо разработаны нормативы допус­тимых преобразовательных воздействий (распашки, мелиорации, за­стройки земель), почти отсутствуют нормативные показатели, характе­ризующие функционирование гео- и экосистем в условиях различных антропогенных нагрузок.

Покомпонентные экологические критерии используются для оценки состояния отдельных компонентов гео- и экосистем (воздуха, почв, вод, биоты). К ним относятся такие показатели, как содержание углекислого газа в атмосферном воздухе и биогенных веществ в во­дах водоёмов, % деградированных земель, содержание гумуса в поч­вах, лесистость территорий, видовое разнообразие растений и живот­ных и многие другие. По их колебанию можно с большой достовер­ностью установить изменения природных систем под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов.

К комплексным экологическим критериям относятся показатели, характеризующие гео- и экосистемы в целом. Они могут быть полу­чены на основе суммирования покомпонентных критериев или путём нахождения общесистемных индикаторов. Один из способов получения суммарного показателя (x_s) представляет собой расчёт по формуле

 

 

 

где n - число покомпонентных критериев; х, - показатель состояния компонента (в относительных величинах); А, - весовой коэффициент

показателя.

Поиск общесистемных индикаторов состояния и антропогенного изменения природной среды - сложная и ещё не решенная задача. Предложен ряд показателей, количественно характеризующих структуру и функционирование гео- и экосистем. Среди них можно выделить интенсивность биологического круговорота, определяемую как отношение массы ежегодной биологической продукции к общей биомассе; естественную способность гео- и экосистем к самоочищению, обусловленную особенностями взаимосвязей и скоростью биологического круговорота; энергетико-вещественный баланс природных систем и др. в условиях городских геоэкосистем показателем состояния окружающей среды может служить здоровье населения (изменение младенческой смертности, врождённые аномалии развития новорожденных, заболеваемость детей и взрослых и др.).

Для оценки состояния окружающей среды с помощью рассмотренных критериев необходимо провести ранжирование их величин по нескольким градациям относительно неизменённых или, наоборот, полностью нарушенных объектов исследования. Затем каждой града­ции присваивается определённая степень благоприятности или неблагоприятности последствий изменения природных систем исходя из конкретных условий изучаемой территории.

1.3.3. Экологические (геоэкологические) ситуации и их оценка. Эк ологическое состояние геоэкосистем, как правило, отражает экологическую ситуацию, которая сложилась на той или иной территории. Понятие "экологическая (геоэкологическая) ситуация";широко ис­пользуется в эколого-географической литературе, однако оно пока не имеет общепринятой интерпретации. Обобщая имеющиеся представле­ния (Кочуров и др., 1992; Оценка качества..., 1995 и др.), определим экологическую (геоэкологическую) ситуацию как пространственно-переменное сочетание средообразующих природно-антропогенных условий и экологических проблем, оказывающих существенное влияние на жизнь и деятельность населения. Нередко используется понятие "острая экологическая ситуация", которое обычно ассоциируется с экологическим неблагополучием или угрозой здоровью и самой жизни человека.

Формирование экологических ситуаций обусловлено действием нескольких групп факторов - природных, экономических, социальных, демографических, политических (Оценка качества..., 1995). Однако главной причиной их возникновения является антропогенный фактор существенное превышение природно-ресурсного и экологического потенциалов ландшафтов (вырубка леса, превосходящая ежегодный прирост древесины; смыв почвы, превышающий 5т/га в год; поступление загрязняющих веществ в концентрациях больших, чем ПДК и т.д.). Более конкретно, возникновение острых экологических ситуаций связано чаще всего с загрязнением природной среды, угрожающим здоровые населения, деградацией ландшафтов (интенсивная эрозия, опустынивание земель и т.д.) и истощением естественных ресурсов.

Экологические (геоэкологические) ситуации всегда имеют пространственно-временной характер. По пространственным масштабам проявления их можно разделить на локальные, региональные и глобальные. Отсюда следует, что анализ экологических ситуаций необходимо проводить в рамках определённых территориальных структур геоэкосистем разных иерархических уровней. Ареалы их проявления имеют сложные границы, образованные сочетанием границ природных и антропогенных ландшафтов, бассейнов рек, административных районов, типов землепользования. По временному признаку можно выделить кратко-, средне- и долговременные экологические ситуации.

Поскольку возникновение экологических ситуаций чаще всего ухудшает условия жизни и деятельности человека, возникает необходимость оценки степени их опасности. Наибольший практический интерес вызывает оценка остроты (критичности, напряжённости) ситуаций, т.е., по существу, выявление степени опасности последствий хозяйственной деятельности человека с позиций самого человека.

Сотрудники Института географии Российской академии наук предложили определять степень остроты экологических ситуаций, исходя из показателей, характеризующих: а) качество условий жизни населения; б) степень сохранности природно-ресурсного потенциал ландшафтов; в) интенсивность нарушения структуры и свойств ландшафтов (Кочуров и др., 1992).

Учитывая эти признаки, разные авторы выделяют от трёх до одиннадцати степеней остроты (напряжённости) экологической ситуации. В настоящее время более или менее чётко можно характеризовать следующие ситуации: удовлетворительную, напряжённую (конфликтную), критическую, кризисную и катастрофическую.

Удовлетворительная ситуация характеризует районы, относительно слабо затронутые хозяйственной деятельностью человека (природоохранные территории, районы с сохранившимся традиционно укладом хозяйства). Антропогенные изменения захватывают отдельные компоненты природы. Они легко обратимы при снижении или прекращении нагрузок. Загрязнение среды чаще всего не превышает и практически не отражается на здоровье населения.

Напряжённая (конфликтная) ситуация проявляется в освоенных районах со стабильно функционирующими социально-экономическими структурами. Наблюдаются негативные изменения отдельных компонентов геоэкосистем, что ведёт к некоторому ухудшению условий жизни и деятельности населения. Улучшение обстановки достигается с помощью стабилизации хозяйственной деятельности и совершенствования технологии производства.

При критической ситуации антропогенные нагрузки, как правило, превышают установленные нормативные величины и экологические требования. В результате возникают значительные изменения геоэкосистем, нарастает угроза истощения естественных ресурсов, ухудшаются условия проживания населения. Уменьшение и прекращение антропогенных нагрузок может привести к нормализации экологической обстановки и частичному восстановлению ландшафтов.

Кризисные ситуации наблюдаются в районах, где хозяйственная деятельность человека ведёт к нарушению структуры гео- и экосистем, истощению естественных ресурсов, существенному загрязнению компонентов биосферы. В связи с этим негативные изменения в окружающей среде принимают устойчивый характер, что угрожает здоровью населения, состоянию естественных экосистем, генетическому фонду растений и животных.

При катастрофических ситуациях антропогенные нагрузки (в том числе загрязнение среды) многократно превышают допустимые границы. Происходит разрушение структуры природных комплексов и соответственно сложившейся системы природопользования. В результате наблюдаются глубокие, чаще всего необратимые изменения природной среды, которые влекут за собой существенное ухудшение здоровья населения, нарушение экологического равновесия, деградацию флоры и фауны.

Ориентировочные характеристики степени остроты (напряжённости) выделенных экологических ситуаций представлены в табл.1.

Уровень экологической критичности (напряжённости) региона может быть оценен в баллах, исходя из пространственного соотноше­ния внутри региона площадей с различной остротой экологических ситуаций. Сначала производится балльная оценка экологической на­пряжённости для территории с однородной экологической ситуацией.

Предложена следующая шкала оценки (Кочуров и др., 1994):

 

 

Степень остроты экологической ситуации	Экологическая напря­жённость (баллы)
Очень острая (катастрофическая) ситуация   Острая (кризисная) ситуация     Умеренно острая (критическая и напряжённая) ситуация     Удовлетворительная ситуация

 

Таблица 1. Ориентировочные характеристики остроты экологических ситуаций

 

Категории экологических ситуаций	Суммарный показатель загрязнения почв	Снижение продуктивности экосистем, % в год	Нарушенные земли, % от площади	Степень нарушенности ландшафтов	Состояние здоровья населения
Удовлетворительная	Существенно меньше 16	<1.0	<2	Норма	Норма
Напряжённая	Около 16	1.0-1.5	2-5	Изменение свойств компонентов	Отдельные признаки ухудшения здоровья
Критическая	16-32	1,5-3,5	5-20	Нарушение структуры ״вторичных״ компонентов	Ухудшение здоровья отдельных групп населения
Кризисная	32-128	3,5-7,5	20-50	Деградация ландшафтов	Повсеместное ухудшение здоровья населения
Катастрофическая	>128	>7.5	>50	Нарушение структуры и функций ландшафтов	Рост смертности и сокращение продолжительности жизни

 

 

¹ При составлении таблицы использованы материалы работ: "Критерии...",1992, Виноградов и др.,1993; Кочуров, 1999.

 

Для оценки экономической напряжённости региона (Н_i) используется формула

 

 

 

где S₁ S₂ S₃ S₄ - соответственно доли площади очень острой, острой, умеренно острой и удовлетворительной экологических ситуаций в % от общей площади исследуемого региона.

В соответствии с этой формулой значения экологической напряжённости региона (Н_i) могут изменяться в пределах от 1,0 до 10,0 баллов экологической напряжённости. Например, при однородном по экологической обстановке характере структуры региона 10,0 баллов будет иметь территория со 100% -и площадью очень острой экологической ситуации, а 1,0 балл - территория со 100%-й площадью удовлетворительной экологической ситуации.

 

Теоретические вопросы геоэкологического