Ландшафтная индикация загрязнения природной среды и биотестирование

2.1 Ландшафтная индикация загрязнения природной среды и биотестирование

Ландшафтно-геохимические исследования загрязнения, опирающиеся на классические представления о геохимии ландшафтов (М.А. Глазовская, [41] А.И. Перельман, НЛ. Солнцева), геохимии поисков полезных ископаемых (Н.С. Касимов, Ю.Е. Сает), использующие геохимию техногенеза - представления о технобиогеомах, технофильности химических элементов, их деструкционной активности и т.д., получили широкое распространение в Московском университете и институтах АН СССР [31,44].

Интересны представления А.И. Перельмана о геохимических принципах систематики антропогенных ландшафтов, использующего положения о формах движения материи и выделяющего следующие этапы развития ландшафтов: абиогенный (только механическая и физико-химическая миграция), биогенный (добавляется биогенная миграция) и техногенный (добавляется техногенная миграция). На взгляд авторов [46], формирование техногенных комплексов в первую очередь обусловлено интенсивностью поступления техногенных веществ, т.е. объемом техногенной миграции, а особенности дальнейшей миграций техногенных выбросов в ландшафтах определяются зональными и региональными факторами, особенно соотношением интенсивности и емкости техногенной, механической и биогенной миграций. Интенсивность накопления выбросов обусловливается соотношением различных видов миграции веществ. При преобладании техногенных потоков веществ над природными, а также при наибольшем распространении техногенных векторов миграции резко усиливается аккумуляция техногенных выбросов в ландшафтах и формируются техногенные аномалии и комплексы.[42-47]

Картированию геохимических техногенных аномалий в почвах городов посвящены исследования института ИМГРЭ. Сотрудники почвенного института им. Докучаева, почвенного факультета МГУ, Института экспериментальной метеорологии, Института географии ДВНЦ выявляют и регистрируют техногенные аномалии в почвах вблизи промышленных центров [10,13,20,15]. Дистанционные методы регистрации загрязнений разрабатываются в ГГИ, ИКИ и госцентре "Природа" [5].

В рамках проектов МАБ ЮНЕСКО "Человек и биосфера" осуществляются мониторинги: фоновый, различные региональные, биосферный, геохимический, экологический, ландшафтный. Методические приемы организации мониторинга не разработаны, а комплекс наблюдений, как правило, методологически не обоснован, наблюдения проводятся в рамках произвольно установленных границ, нет ландшафтного и географического обоснования выбора мест наблюдений.

Каждый из мониторингов должен проводиться в рамках целостных природных образований - ландшафтов. Поэтому выбор мест наблюдений должен предваряться ландшафтной съемкой территории, а набор параметров наблюдений предопределяется целью мониторинга.

Основной подход к обоснованию мониторинга техногенных воздействий на ландшафт - это применение принципов ландшафтной индикации загрязнения. Ландшафтная структура территории сама по себе уже индикатор состояния природы, а нарушение ее плановой и вертикальной структуры индицирует уровень техногенного воздействия. Суть ландшафтной индикации загрязнения состоит в том, что по состоянию ландшафта н его морфологической структуры индицируется уровень загрязнения. Индикатор - физическое явление, химическое вещество или организм, наличие, количество или перемена состояния которых указывают на характер или изменение свойств окружающей среды. Наиболее ярко индицируют воздействия биотические компоненты ландшафта. Поэтому при организации техногенных стационаров следует дать ландшафтное и ландшафтно-геохимическое направление этим исследованиям, что необходимо для регламентирования техногенных нагрузок на ландшафт, регулирования потоков техногенных веществ в природе и экологического нормирования.

Изучая ответные реакции ландшафта как целостного природного образования на техногенные нагрузки, возникающие при воздействии определенного производства в разных природных зонах, можно судить о сравнительной их устойчивости к одному типу техногенного воздействия. Нарушенность ландшафта, испытывающего техногенное воздействие, определяется степенью измененности отдельных природных компонентов или его структуры в целом. При этом измененность ландшафта может проявляться либо в виде его техногенных модификаций, либо в виде коренной перестройки основных структур всего комплекса. Техногенно обусловленные отклонения ведущих компонентов на величину, большую естественной амплитуды колебаний, ведут к их нарушению, коренной перестройке структуры ландшафтов и превращению их в техногенные образования - техногеомы - составные части природно-техногенных систем (ПТС), т.е. их техногенной трансформации. При анализе этих изменений устанавливаются критические экологические нагрузки на ландшафт. Показатель техногенного воздействия - поступление техногенного вещества на единицу площади за единицу времени, показатель нарушения ландшафта — площади его структурной перестройки, а также территориальные ареалы изменения компонентов и элементов. Таким образом, по нарушенности ландшафта в целом, а также модификациям и трансформациям его компонентов и элементов выявляется или индифицируется уровень техногенного воздействия, что может служить отправными точками при экологическом нормировании.

Исследования техногенного воздействия на ландшафт получили мощный методологический импульс с возникновением концепции геотехнической системы. Воздействие техники как фактора интеграции природы и различных ее компонентов рассматривалось в работах А.Ю. Ретеюма, К.Н. Дьяконова, Л. Ф. Куницина, B.C. Преображенского, Л.И. Мухиной.[6,7,48] Ими определено понятие природно-техническая система (или геотехническая система) и предложена схематическая классификация техники по отношению к природе.

При изучении техногенного воздействия на ландшафт таких детериорантных отраслей промышленности, как черная и цветная металлургия, теплоэнергетика, настолько сильно изменяющие природу, что уже невозможно рассматривать ее в отрыве от их воздействия. Поэтому авторами [46] введено понятие природно-техногенная система, составные части которой - технические элементы и природа сферы их воздействия. Целостность функционирования этих систем обеспечивает техногенный поток вещества в технологической цепи, на выходе из нее в природу и распределение его в природе.

Вероятно, в будущем будет возможно дозирование поступающих в природу техногенных выбросов, будет осуществлен контроль за потоком загрязняющих веществ, т.е. процессом техногенного воздействия на ландшафт можно будет управлять.

При постановке физико-географических исследований в сферах воздействия цветной, черной металлургии и теплоэнергетики на ландшафты разных природных зон были разработаны принципиальные схемы-модели природно-техногенных систем [46,48,49], которые позволили рассмотреть взаимодействие природы и техники, выявить связи и дать их количественную характеристику.

Главная отличительная черта разработанной авторами [46] методики - высокая комплексность исследований при сочетании ландшафтного (морфогенетического) подхода с системным и ландшафтно-геохимическим.

Сущность системного подхода состоит в выявлении материальных и информационных связей между техникой и природой в ПТС, в количественной оценке потока техногенного вещества в ландшафт и ограничении территории, испытывающей воздействие, т.е. практически обнаружению воздействия и ограничению его ареала. Поэтому на начальных этапах исследований необходимо построение моделей и картосхем ПТС [21,50,51].

Основная задача геохимических исследований - изучение режимов воздействия производства на природный территориальный комплекс и ответной реакции ландшафта на него.

Важно установить тип техногенного воздействия на природную среду и основной спектр загрязняющих веществ. Авторами [49,50,51,52,53] изучены следующие типы воздействий: кислый (резкое подкисление среды) + тяжелые металлы, кислый + макроэлементы, щелочной + макроэлементы и т.д.

Устойчивость живого к воздействию промышленных выбросов должна изучаться на популяционно-ценотическом уровне, причем фитоценоз, биоценоз, микробиоценоз рассматриваются как составные части ландшафтов, тесно связанных между собой.

Исследование перераспределения вредных веществ биотой комплекса их миграции в трофической цепи необходимо для подведения оценок на "входе" и "выходе" для разноуровневых биологических систем, состояние которых может быть охарактеризовано структурой популяций растений н животных, их разнообразием, численностью, биомассой. Выявление сферы воздействия возможно по одному из элементов ландшафта, например по снежному покрову, содержанию выбросов в атмосфере, почвах и т.д. Канадскими учеными, например, для оконтуривания зоны воздействия использовался такой индикатор, как состояние эпифитной растительности [19,45]. Состояние высшей растительности, количество животных, резкое падение видового разнообразия их, тоже могут характеризовать степень воздействия загрязняющих веществ. Для осуществления аналитического контроля почвы, использовались следующие средства измерения:

·     эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой, предназначенной для качественного и количественного определения содержания металлов;

·     pH-150М для определения реакции среды;

·     фотоколориметр КФК-2 для определения фенолов, формальдегида;

·     анализатор ртути «Юлия-5К» для определения ртути;

·     жидкостной хроматограф «Цвет-3006» для определения водорастворимых фторидов;

·     газовый хроматограф «Цвет-100» для определения ароматических углеводородов.

На ранних стадиях воздействия на ландшафт или при низкой интенсивности техногенных нагрузок работают методы биотестирования и компонентной индикации, т.е. индикаторами выступают биотические компоненты, а при длительном интенсивном техногенном воздействии удается проследить нарушение на уровне организации его морфоструктуры. Ландшафтная индикация загрязнения природы по сравнению с биотестированием и компонентной индикацией более сложный вид исследований, так как требует не только установления компонентов-индикаторов, но и поисков показателей нарушенности вертикальных и горизонтальных связей в ландшафтах.[42-55]

Индикация как направление научных исследований развивается не только в географии, но также в гидрогеологии и ботанике, медицине радиотехнике и сельском хозяйстве.

В физической географии индикационный подход применяется сравнительно недавно. Обычно основоположником индикационного подхода называют американского ботаника Ф. Клементса, который в 1920 г. в работе "Растительные сукцессии и индикаторы" отмечал, что каждое растение или растительное сообщество представляет лучшую меру условий, в которых произрастает. Однако еще в конце прошлого века В.В. Докучаев считал, что все элементы природы взаимосвязаны между собой и что по одному из них можно судить обо всех остальных. После работ Ф. Клементса в физической географии и геоботанике развивалось преимущественно фитоиндикационное направление, т.е. использование свойств растений и их сообществ для характеристики других компонентов природы: рельефа, климата, почв, грунтовых и подземных вод и др. При отсутствии дистанционных методов исследования развитие индикации в таком направлении вполне закономерно, поскольку растительность наиболее доступна для наблюдений при полевых исследованиях, динамична и чутко реагирует на изменения окружающей среды. [16,47,55,52]

Свойство растительности реагировать не только на естественные, но и на антропогенные изменения окружающей среды легло в основу другого "направления индикационных исследований - биотестирования. Применяется оно при решении практических задач, связанных с определением уровней антропогенного воздействия на среду по состоянию биологических систем. В связи с актуальностью проблем загрязнения среды в последние годы биотестирование развивается преимущественно при изучении уровней загрязнения вод и воздуха. Наиболее убедительные результаты получены при использовании в качестве биотестов низшей растительности, и особенно эпифитной лишайниковой.

Ландшафтная концепция объединяет биологические, бкокосные и косные системы в более сложные природные и антропогенные территориальные системы. В этой связи биологические индикаторы выступают в качестве компонентов и элементов геосистем. В этом заключается сущность ландшафтной индикации, рассматривающей индикаторы природных и автропогенных процессов и явлений в качестве подсистем более сложных территориальных систем.

В настоящее время выделяется несколько направлений ландшафтно-индикационных исследований. Первое из них можно назвать классической ландшафтной индикацией, а с учетом ведущего метода исследований - аэроландшафтной индикацией. По сравнению с аэроландшафтной индикацией ландшафтная индикация нарушения природной среды исследует природно-антропогенные и природно-техногенные системы. В этом случае любой индикатор может быть элементом сразу двух систем: природной геосистемы и природно-технической. Поэтому один и тот же индикатор, с одной стороны может характеризовать интенсивность и величину техногенного воздействия, а с другой - степень нарушенности природных геосистем. В настоящее время загрязнение - один из ведущих факторов трансформации среды, и потому ландшафтная индикация загрязнения природной среды выступает в качестве одного из пертективных направлений индикации. Рассмотрим его основные принципы.

Ведущий принцип ландшафтной индикации загрязнения среды - взаимодополняющее диалектическое исследование ее воздействия и нарушения. В результате реализации этого методологического принципа все индикаторы разделены на две большие группы: воздействия и нарушения.

В зависимости от цели исследования в качестве индикаторов воздействия и нарушения широко используются сами природные комплексы, их компоненты и элементы, на которых непосредственно отражается загрязнение. Для индикации используются также свойства компонентов и элементов, как структура, размеры, химический состав и др. Иногда присутствие или отсутствие индикатора служит информацией об изучаемом процессе. Особый интерес представляют индикаторы, содержащие многолетнюю информацию, в том числе такие природные комплексы, как торфяные болота, ледники, деревья с большим абсолютным возрастом.

Для индикации воздействия и нарушения могут использоваться одни и те же индикаторы. Например, зольность торфа применяется для оценки уровня техногенного воздействия, а значения рН торфа характеризуют ответную реакцию болотных систем.

Другой принцип ландшафтной индикации - анализ территориальных структур - используется на двух уровнях исследования. На первом основное внимание уделяется границам территориальных систем, которые рассматриваются как качественные и количественные границы действия био- и геоиндикаторов [17,50].

Ландшафтная, карта рассматривается в качестве основы при проведении индикационных исследований.

Анализируются собственно территориальные структуры, которые выступают в качестве территориальных индикаторов техногенного воздействия и нарушения среды.