Экологический мониторинг

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.

2.1 Абиотический мониторинг.

Программа фоновых наблюдений включает:

— перечень химических веществ, подлежащих измерению в атмосферном  воздухе, воде, почве и биоте;

— перечень подлежащих измерению  гидрометеорологических и геофизических  параметров;

— периодичность проведения наблюдений и измерений.

При выборе химических веществ, подлежащих определению в природных  средах на фоновых станциях, необходимо учитывать количества наступающих  в окружающую среду веществ в  результате антропогенной деятельности, их распространенность, персистентность, возможность передачи по пищевым цепям, накопления в организме человека и воздействия на экологические системы, трансформации в более опасные соединения, а также возможность проводить измерения их содержания в природных средах. Большое значение для проведения биологической программы мониторинга имеют наблюдения за биогенными элементами: азотом и фосфором.

В соответствии с приведенными критериями и целесообразно включить в программу наблюдений на фоновых  станциях следующие вещества:

атмосферный воздух – сернистый газ, озон, двуокись углерода, аэрозоли (весовая концентрация), свинец, кадмий, мышьяк (в частицах), пары ртути, ДДТ и 3,4-бензпирен;

атмосферные осадки и выпадения – ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, ДДТ, 3,4-бензпирен, азот (общее содержание), фосфор (общее содержание), а также анионы и катионы, рекомендуемые для определения на наблюдаемых станциях ВМО (сульфаты, нитраты, хлориды, ионы аммония, магния, калия, натрия и кальция);

поверхностные воды – ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, ДДТ, 3,4-бензпирен, азот (общее содержание), фосфор (общее содержание);

 почва, донные отложения, взвешенные наносы — ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, ДДТ, З,4-бензпирен, азот (общее содержание), фосфор (общее содержание);

биота — ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, ДДТ, 3,4-бенэпирен, азот (общее содержание), фосфор (общее содержание).

В состав гидрометеорологических и геофизических параметров, подлежащих измерению на станции фонового мониторинга, должны входить величины, необходимые  для осуществления мониторинга, а также для интерпретации  данных о концентрации загрязняющих веществ в отдельных средах и  для исследования биогеохимических циклов и кругооборота химических веществ.

К таким параметрам относятся:

— скорость и направление  ветра, атмосферное давление и температура  воздуха, влажность и количество атмосферных осадков;

— интенсивность солнечной  радиации (прямой, рассеянной, суммарной), включая УФ область;

— составляющие теплового  баланса и характеристики турбулентности;

— уровень и расход воды, температура воды, расход взвешенных наносов, мутность, химический состав наносов и донных отложений;

— влажность и тепловой баланс почвы.

В связи с тем, что в  настоящее время отсутствует  достаточная информация о временной  вариабельности фоновых концентраций загрязняющих веществ в природных  средах (в первую очередь в атмосферном  воздухе), данная программа предусматривает  некоторую избыточную частоту наблюдений и отбора проб. В дальнейшем она  может быть сокращена с учетом результатов наблюдений на станциях фонового мониторинга.

            2.2 Биотический мониторинг.

В качестве контролируемого  показателя для оценки состояния  биологического вида при заданных условиях среды выбран коэффициент размножения вида, не зависимый от плотности. Изменение этого показателя под воздействием изменений уровней загрязнения природных сред является удобной интегральной характеристикой ответной реакции биоты на загрязнение. Кроме того, указанный показатель можно непосредственно использовать в прогнозе экзогенной сукцессии, возникающей как ответная реакция природных экосистем на изменение уровней загрязнения природных сред.

В соответствии с программой экологического мониторинга в программу  биотического мониторинга входят:

А) подпрограмма оценки текущего состояния биоты, обеспечивающая повторяющиеся с некоторой периодичностью измерения коэффициентов размножения видов из предлагаемого ниже приоритетного перечня;

Б) подпрограмма прогноза ответных реакций биоты, обеспечивающая установление с известной точностью поля чувствительности биоты к антропогенным загрязняющим веществам;

В) подпрограмма контроля состояния  биоты полевыми методами.

Следует отметить, что выполнение этих подпрограмм взаимосвязано  и взаимообусловлено. Подпрограммы А, Б и В могут считаться  независимыми лишь на первом этапе  реализации, когда осуществляется первое приближение к оптимальным совокупностям  биологических видов –  объектов исследований в рамках этих подпрограмм.

На втором этапе реализации подпрограммы наблюдений и исследований будут скорректированы с учетом информации, полученной в основном в подпрограмме Б.

Таким образом, реализация предлагаемой программы в перспективе должна развертываться как оптимальный  последовательный план.

Следует также отметить целесообразность инструментального и методического  единства предлагаемых подпрограмм  А и Б: использование тех или  иных вариантов экостатов.

Подпрограмма А, менее  трудоемкая и сложная, чем Б, должна выполняться силами специального штата  станции фонового мониторинга под  научно-методическим руководством организации  –  научного куратора биосферного  заповедника.

Подпрограмму  Б целесообразно осуществлять в едином национальном научном центре.

Подпрограмма В осуществляется штатом заповедника и специализированными биологическими научными экспедициями.

А. Подпрограмма оценки текущего состояния биоты сводится к непрерывной регистрации изменений не зависимого от плотности коэффициента размножения популяций тестовых видов.

На первом этапе реализации настоящей программы рекомендуется  ограничиваться видами из следующих  групп, выбранных по соображениям представительности, распространенности и чувствительности к воздействию загрязняющих веществ:

Protozoa (подцарство) Простейшие

Bacteriophyta (подцарство) Бактерии

Cyanophyta (отд.) Сине-зеленые водоросли

Rhodophyta (отд.) Красные водоросли

Chlorophyta (отд.) Зеленые водоросли

Chrysophyta (отд.) Золотистые водоросли

Bacillariophyta (отд.) Диатомовые водоросли

Phaeophyta (отд.) Бурые водоросли

Lichenophyta (отд.) Лишайники

Вгуоphyta (отд.) Мхи

Gymnospermae (отд.) Голосеменные

Angiospermae (отд.) Покрытосеменные

Контролируемым показателем, как уже говорилось, является коэффициент  размножения, не зависимый от плотности. Для простейших, бактерий и водорослей конкретным показателем будет служить  относительный прирост численности  разреженной культуры, приведенный  к стандартным временным единицам; для мхов, лишайников и высших растений — относительный прирост биомассы, приведенный к стандартным временным  единицам.