Экологический мониторинг

1. Научные основы экологического мониторинга

Экологический мониторинг – информационная система сбора, анализа и обобщения информации об антропогенном влиянии на состояние окружающей природной среды для предотвращения отрицательных природно-антропогенных эффектов.

В зависимости от пространственных масштабов экологический мониторинг делится на глобальный, региональный и локальный. Каждому уровню присущи свои особенности в организации работ.

В основу создания систем мониторинга антропогенных изменений природной среды положены экосистемные представления.

Экомониторинг существует для предотвращения кризисов и катастроф  во взаимоотношениях между человеком и природой, что достигается проведением экологических наблюдений, выполнением оценок и прогнозов антропогенного воздействия на окружающую среду.

1975 г. вышла основополагающая статья академика И.П. Герасимова о научных основах современного мониторинга окружающей среды, в которой он предлагает признавать три ступени мониторинга.

На первой, исходной ступени мониторинга главное внимание уделяется наблюдению за состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на здоровье населения. На этой ступени должны использоваться показатели, отражающие реакцию человека: заболеваемость, смертность, рождаемость, продолжительность жизни и т.д. На этой ступени мониторинг опирается на работу системы наблюдательных постов и санитарно-гигиенических служб.

На второй ступени основным объектом наблюдения и контроля выступают территориальные природные, природно-технические и демографические геосистемы. Для этой ступени мониторинга существенны показатели массоэнергообмена, биопродуктивности, величины предельно допустимых концентраций загрязнения, способности геосистем к самоочищению. Наблюдения должны проводиться в географических стационарах, специальных зональных или региональных полигонах и тестовых (ключевых) участках.

Основная задача, решаемая на третьей ступени, – наблюдения за глобальными параметрами окружающей среды, а именно: за запылением атмосферы, мировым балансом влаги, загрязнением мирового океана, изменением биопродуктивности суши и океана и т.д. Цель их – оценка последствий этих изменений для здоровья и деятельности людей. Основу сети глобального мониторинга должна составлять система биосферных полигонов, включающая как заповедники, так и зоны развитой деятельности человека.

Антропогенную трансформацию природной среды наиболее целесообразно рассматривать как изменение экосистем. В существующем в современных автотрофных экосистемах типе биогеохимического обмена участвуют автотрофы-продуценты, гетеротрофы-консументы, гетеротро-фы-редуценты (сапротрофы) и биотоп.

По результатам современных исследований становится возможным достаточно достоверно определить основные направления, фазы трансформации экосистем. Под фазой трансформации понимается одно из качественно различных состояний изменяющейся экосистемы, отличающееся особой характеристикой биотопа, функциональных групп биоты. Каждая фаза трансформации создает комплекс условий для реализации следующей за ней фазы. Это должно приводить к функциональной разнокачественности состояний и необходимости последовательного их прохождения в определенном обратимом порядке.

Несмотря на применение несколько отличающихся друг от друга поллютантов, различных видов субстрата, наблюдаются однообразные ответные реакции биоты и изменения биотопов.

Выделение уровней воздействия при загрязнении позволяет типизировать представления о трансформации экосистемы. На рис.1 показана принципиальная схема такой трансформации. При внешнем воздействии в зависимости от количества поллютанта фоновая зональная экосистема (Э0) может деградировать до оптимальной автотрофной экосистемы (Э1), угнетенной автотрофной (Э2), неравновесной сапротрофной (Э3), равновесной оптимальной сапротрофной (Э4), неравновесной сапротрофной (Э5), угнетенной сапротрофной (Э6).

Например, водно-физические свойства биотопа при поступлении в него нефти изменяются от нормальных до экстремальных, что выражается в капиллярном, поверхностном переувлажнениях, а при больших величинах пропитывания грунта загрязнителем это приводит к засушливым условиям. Поэтому восстановление экосистемы может происходить по зональному ряду (Э6 – Э0) и азональному (до Эа1- Эа2), при этом вероятность перехода в азональный ряд восстановления возрастает с увеличением концентрации нефтепродуктов и их аккумуляцией в субстрате по мере перехода в переувлажненный режим (Э2 и далее).

Сложение экосистемы – динамический процесс. Его формируют виды, дополняющие друг друга и соответствующие условиям среды. На жизнепригодном субстрате биотические сообщества последовательно формируют закономерный ряд состояний.

Развитие компонента экосистемы – предпосылка успешного развития и саморегуляции других элементов. Биота в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. Трансформацию по направлению изменений прежде всего необходимо разделить на деградационную и восстановительную.

По изменению компонентов биоты могут выделяться основные состояния – автотрофная, гетеротрофная, сапротрофная и абиогенная фазы трансформации, которые определяются в зависимости от мощности, специфики источника техногенного воздействия и устойчивости автотрофных, гетеротрофных и сапротрофных элементов.

При незначительном воздействии, не нарушающем устойчивость растений, сохраняется автотрофная экосистема, но несколько  активизируется деятельность микроорганизмов (возможно и гетеротрофов-консументов).

Если антропогенное воздействие превышает устойчивость фотосинтезирующих организмов, возникает сапротрофная экосистема. Сапротрофы существуют за счет техногенного потока вещества. Абиогенная стадия характеризуется тем, что жизнедеятельность растений, сапротрофов-редуцентов в результате поступления техногенного или изъятия природного вещества невозможна. Биотическое сообщество экосистемы полностью разрушено. Идут процессы восстановления среды обитания за счет влияния внешних соседних и занимающих более высокие иерархические уровни экосистем.

По временным характеристикам в трансформации экосистем выделим относительно обратимые зонального ряда изменения, изменения, сопоставимые со временем эксплуатации месторождений, изменения необратимые азонального ряда. Исходный загрязнитель при восстановлении разрушается, мигрирует и депонируется, но аккумуляция продуктов его бигеохимического изменения, в том числе токсичных, весьма вероятна.

Экосистема при снятии антропогенной нагрузки стремится к достижению экологического равновесия или автотрофной фазы. Качество среды территории можно определить по степени завершенности трансформаций восстановительного направления. Чем более развиты гетеротрофные, сапротрофные и абиогенные изменения, тем существенней нарушенность экосистем пространства.

Можно определить основные состояния биотического компонента при антропогенном воздействии (рис.2).

Фактор внешнего воздействия может быть связан с изъятием и внесением какого-либо вещества, доступностью или недоступностью энергии, но он может изменяться от нуля (фоновое состояние) до максимального значения. В отсутствии воздействия биота находится в фоновом состоянии. Техногенный фактор в зависимости от величины может быть оптимальным и пессимальным, в целом он увеличивает эстремальность условий существования (биотопа) биоты. Оптимальные значения могут быть как минимальными, так и максимальными. Пессимальные же наблюдаются только при максимальной величине техногенного фактора. Кроме того, существует состояние равновесного оптимума, т.е. состояние, при котором изменение воздействия фактора несущественно влияет на биоту.

Полученные результаты позволяют распространить закон толерантности Шелфорда на уровни биотических компонентов и экосистемы в целом. В прикладном плане реакция биоты на техногенный фактор дает объективное обоснование для разработки и введения экологических нормативов.

2.Цель экологического мониторинга  – информационное обеспечение предотвращения отрицательных последствий изменения окружающей природной среды в результате антропогенного воздействия, использования благоприятных изменений  окружающей природной среды для ведения хозяйственной деятельности.

Основные задачи:

• экологические наблюдения;
• экологическая оценка;
• экологический прогноз;
• оценка прогнозных данных.

В соответствии с целью и задачами Ю.А.Израэль определяет структуру и функции экомониторинга (рис.3), наличие прямых и обратных связей между его собственными элементами, взаимосвязь мониторинга с управлением окружающей средой.

Экологические наблюдения, несомненно, являются основой, фундаментом всей системы мониторинга. Многими исследователями и весь мониторинг сводится исключительно к слежению за природно-антропогенными процессами, что, конечно, не верно. Объективные сведения о воздействии человека на природную среду в пространстве и во времени, ее ответные реакции позволяют дать оценку фактическому (современному) состоянию окружающей среды и его прогноз. Соответственно и прогнозируемое состояние оценивается с точки зрения позитивных или негативных изменений. Между основными структурными частями кроме прямых связей существуют и обратные. В случае, например, некачественного выполнения из-за отсутствия репрезентативных сведений функции прогноза, что происходит довольно часто, или оценки, что бывает, но реже, требуется усовершенствование сети наблюдений.

Экологический мониторинг с 70-х годов прошлого века до сегодняшнего дня прошел путь определенного развития. Он начинался как способ решения глобальных проблем взаимодействия человека и природы. Затем методы экомониторинга были распространены на государственный и местный уровни. Сейчас активно развивается экосистемный подход и внедряются методики биоиндикации.

Как область практической деятельности экологический мониторинг считается специальным образом организованной системой получения и обработки информации об объектах окружающей природной среды и источников антропогенного воздействия на нее, позволяющей обеспечивать постоянную оценку экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т.д.) и принятие управленческих решений для определения корректирующих действий в случае нарушения целевых показателей качества окружающей природной среды.

Основные классификации видов экологического мониторинга

Принципы классификации экологического мониторинга: пространственный, временной, по объекту слежения, по компонентам природы, по иерархии экосистем, по техническому обеспечению, по способам организации.

Выделяются следующие разновидности мониторинга по пространственному принципу: локальный, региональный, национальный, глобальный. Последний предполагает экологические исследования взаимодействия человека и природы в масштабах всей биосферы. Национальный, как правило, подразумевает организацию мониторинга в пределах одного государства. Довольно сложно однозначно определить масштабы регионального мониторинга. В нашей стране в нормативных документах экомониторинга как регион рассматривается субъект Российской Федерации. Существуют и более крупные по площади мониторинги акваторий и территорий межгосударственного уровня (Балтийское море, Северное море, Альпы и т.п.) и внутригосударственного (Байкал, Урал и т.п.). Локальный мониторинг включает изучение пространства одного источника при воздействии совокупности предприятий промышленной зоны, муниципального образования (города, района).

По объекту слежения мониторинги обычно классифицируют на фоновый (базовый), импактный, тематический, территориальный, акваториальный. В рамках фонового мониторинга ведутся исследования, направленные на выявление природных закономерностей изменения природных компонентов и комплексов. Под импактным мониторингом понимается наблюдение, оценка и прогноз состояния природной среды в районах расположения опасных и потенциально опасных  (АЭС) источников антропогенного воздействия. Тематический мониторинг – мониторинг природных компонентов, объектов, например, лесных или особо охраняемых природных территорий. В значительной мере по явлениям и способам изучения отличается сеть наблюдений на суше и в водной среде.

Классификация по иерархии экосистем хорошо отражает малую проработанность вопросов пространственной организации экосистем в современной экологии. Выделяются микроэкосистемы (обычно объекты масштаба отдельного дерева или его пня и т.п.), мезоэкосистемы (обычно объекты более крупные, чем предыдущие и вплоть до биомов) и, наконец,  макроэкосистемы, под которыми понимают материки и океаны, мировые сушу и океан, биосферу.

По природным компонентам выделяют мониторинг: геологический, атмосферный, гидрологический, геофизический, почвенный, лесной, биологический, геоботанический, зоологический. Мониторинг атмосферного воздуха – система наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, его загрязнением и за происходящими в нем природными явлениями, а также оценка и прогноз состояния атмосферного воздуха, его загрязнения. Аналогично можно определить и другие компонентные мониторинги.