Наземные стационарные наблюдения

 

Осуществление геоэкосистемного мониторинга связано с проведени­ем наземных стационарных наблюдений и с использованием дистанцион­ных методов исследований. 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 (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.).

Таблица 10. 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

 

На стационарах должны проводиться наблюдения трех типов (Прин­ципы и методы..., 1989): ретроспективные (выявление прежних состояний геосистем с целью прогнозирования их будущих состояний), 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 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. 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 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.

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 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.

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 СО;, температуры почвы и др.). Геоморфологические, геохимические и гидрохимические наблюдения по-прежнему проводятся традиционными для физической географии методами.

В Институте географии РАН (Москва) еще в 80-е гг. был разработан опытный образец информационно-телеметрической системы, предназна­ченной для проведения наблюдений за изменением геосистем в естест­венных условиях. 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 лает возможность получить банк первичных данных и исключает потерю информации при выходе из строя вычислительного комплекса системы (Принципы и методы..., 1989).

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. 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.

 

5.3. 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 лих 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 (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 (Д Р) можно представить как разность спек­тральных коэффициентов яркости неизмененной (эталонной) системы (Р,) и антропогенной производной на ее месте (Рi):

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 (∆Т_г) природных комплексов:

 

 

где Т_rг и Тг_i - 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%) Р_i; в оранжево-красной части спектра возрастает в 2-2,5 раза (с 0,10-0,12 до 0,22-0,25), а при почти пол ном 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 Р_i 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.