Экологический мониторинг на суше на базе биосферных заповедников. Этапы организации. Геофизические, биогеохимические и биологические наблюдения

Целесообразно различать несколько этапов организации мониторинга.

Первый этап должен включать в себя: инвентаризацию материалов в биосферных заповедниках-станциях, охранных их территориях и примыкающих территориях, находящихся в хозяйственном использовании. Инвентаризация позволяет вскрыть историю изменения состояния экосистем, отдельных их компонентов и элементов, а также окружающей среды.

Сюда относятся: анализ существующих фондовых картографических материалов по отдельным компонентам экосистем, карт лесотаксации, землеустройства, аэрофотоснимков и т.п. в целях выявления динамики пространственной структуры систем и экосистем, их компонентов и элементов; анализ изменения землепользования, структуры посевных площадей, урожайности, применения удобрений, гербицидов, пестицидов и т.п. в охранной и хозяйственной зонах; анализ лесопользования, сельхозиспользования и история формирования современного растительного покро­ва. При отсутствии тех или иных карт необходимо проведение специального картографирования. Также необходим анализ рядов метеоэлементов по материалам ближайших ГМС, анализ гидрологических рядов по ближайшим водомерным постам и створам. Весьма важен анализ материалов "Летописи природы" заповедников - флоры и фауны, с особым выделением редких и подлежащих особой охране, а также интродуцированных видов; инвентаризация животного населения и результатов его жизнедеятельности в зависимости от факторов среды.

Анализ существующих многолетних рядов наблюдений за отдельными характеристиками компонентов и элементов экосистем позволит получить информацию о временной изменчивости режимов экосистем.

Картографическая интерпретация современного состояния характеристик растительности, животных, почвы, почвообразующих пород, рельефа, геологического строения, уровня грунтовых вод и их геохимических характеристик должна базироваться на статистических методах оценки как экосистем, так и отдельных их компонентов, статистической координации структуры и состояния характеристик компонентов и элементов экосистем по факторам гидротермического режима. При этом необходимо выявление основных связей и зависимостей. Желательно построение предварительных эмпирических и концептуальных моделей отдельных экосистем, их компонентов или совокупностей последних.

Обязательна консервация эталонных образцов воздуха, почв, воды, растений (в том числе семян) и т.п. в объеме, достаточном для проведения периодических повторных химических, биохимических и других анализов. Желательно сохранение памятников природы в пределах территории, не входящих собственно в биосферный заповедник, и сохранение в зоне хозяйственного природопользования архаичных форм хозяйства.

Необходимо выявление на основании картографических и других материалов в районах действия каждого биосферного заповедника источников воздействия на окружающую среду различных форм хозяйственной деятельности человека (города, промышленные предприятия, строительные объекты, мелиоративные сооружения, сельскохозяйственные угодья, лесные посадки, очистные сооружения, газопроводы, железные дороги и т.п.); количественная оценка этих объектов и степени их воздействий с учетом дальнейшего их роста или преобразования.

Результатом первого этапа является представление о современном состоянии экосистем, их компонентов и элементов; тенденциях их изменений; также определение ареалов, для которых наблюдения на биосферных заповедниках будут репрезентативны.

Второй этап включает в себя выбор объектов наблюдения. Этот этап реализуется на основе первого этапа - инвентаризации.

Объект наблюдения мониторинга понимается весьма широко: это может быть речной бассейн, отдельные экосистемы, компоненты и элементы экосистем, процессы и их отдельные характеристики. Совокупность объектов подчиняется определенной иерархии как в структурно-функциональном плане, так и в плане их значимости в системе наблюдений.

Опираясь на идеологию системного подхода, целесообразно в качестве основного макрообъекта принять бассейн первого порядка с набором основных экосистем. Такой подход позволяет получать общие оценки реакции пространственно связанной совокупности экосистем и их компонентов и элементов на внешние возмущения, а также последовательно углублять и расширять наблюдения. Этот же подход соответствует требованиям как эмпирических, так и концептуальных моделей.

Выбор основного бассейна опирается на статистический анализ пространственной структуры компонентов экосистем и должен отвечать требованию зонально-провинциальной типичности (модальный вариант). В пределах бассейна основные наблюдения организуются в типичных пространственно сопряженных сериях гидро-литоморфно-геохимического ряда экосистем (катены), включая аквальные экосистемы.

В охранной зоне и зоне хозяйственного использования подбираются бассейны-аналоги и экосистемы-аналоги на основании критериев положения их в системе геохимического сопряжения, геологического и геоморфологического строения, почвенного покрова и т.п. При сложной структуре природопользования в хозяйственной зоне желателен подбор бассейнов с учетом основных форм хозяйственной деятельности.

Выбор в качестве основного пространственного объекта наблюдений мониторинга бассейнов первого порядка не исключает необходимости слежения за не входящими в них наиболее нестабильными (обычно относительно уникальными) экосистемами и их компонентами и элементами.

Выбор уникальных экосистем, как потенциально наиболее чувствительных к изменению состояния внешней среды, осуществляется на основе ординации по крайним точкам гидротермического пространства (ксе-роморфные-гидроморфные, в горных районах дополнительно теплые-холодные, в районах соленакопления с незасоленными и с сильнозасоленными почвами и т.п.). Целесообразна организация наблюдений в условиях резких геохимических аномалий, в экзотических литологических условиях, в замкнутых бассейнах небольших озер и бессточных котловин. При этом в последнем случае особое внимание уделяется наблюдению за водными экосистемами. Целесообразно наблюдение за популяциями и интродуцированными видами, а также экосистемами, в которые они входят.

При выборе функциональных блоков и связывающих их потоков ве­щества и энергии в качестве объектов наблюдения целесообразно в первом минимальном варианте на выходе из основных функциональных блоков (компонентов экосистем) избрать результирующие потоки (например, атмосферные осадки - осадки под пологом растительного покрова - внутрипочвенный сток — сток в створе и т.п.), в первую очередь легко наблюдаемые их характеристики и свойства.

При выборе объектов наблюдений элементов экосистем (видов расте­ний, животных и их совокупностей) для повышения чувствительности и удешевления наблюдений целесообразно в первую очередь обратить вни­мание на индикационные — наиболее чувствительные виды, структурные их характеристики и морфологические признаки, а в целях хозяйственной ориентации региональной службы мониторинга — на наиболее хозяйственно важные виды.

При выборе объектов наблюдения биогеохимической части мониторинга целесообразно в первую очередь обратить внимание на элементы и соединения-трассеры, отображающие общие масштабы загрязнения и обладающие свойством концентрации на экосистемных барьерах (например, свинец, накапливающийся в растениях, гумусовом горизонте почвы и т.п.).

Третий этап - организация наблюдений осуществляется во времени параллельно со вторым и включает в себя непосредственную организацию наблюдений за избранными объектами мониторинга.

Объектом непосредственных наблюдений являются в конечном итоге отдельные характеристики элементов и процессов. В идеале совокупность наблюдений за этими характеристиками должна создать целостное впечатление о реакции экосистемы на изменение состояния окружающей среды. Однако в настоящее время эта задача едва ли реализуема. В связи с этим основное внимание в организации наблюдений службы мониторинга уделяется базовым или индикационным характеристикам, на основе которых возможно, с одной стороны, получать практически важную информацию о реакции экосистемы на изменение окружающей среды, а с другой последовательно расширять объем наблюдений и углублять их содержание.

При организации наблюдений особое внимание следует обратить на обоснование точности и частоты наблюдений. Точность определяется с учетом разрешающих способностей методов и известных варьирований характеристик наблюдаемых объектов.

Выбор периодичности наблюдений целесообразно связывать с частотными характеристиками непосредственно самого объекта или индицирующих его свойств. При этом можно положить в основу частотные характеристики основных метеоэлементов, с которыми тесно связаны и процессы переноса в атмосфере, и многие особенности функционирования практически всех компонентов и элементов экосистем. Наряду с регулярными наблюдениями, осуществляемыми в постоянные сроки, для выявления нерегулярных составляющих необходимо предусмотреть проведение целевых непериодических наблюдений.

В трех выделяемых зонах биосферных заповедников - ядре, охранной зоне и зоне хозяйственного использования - целесообразно применять систему различных, но взаимосопряженных методов: в собственно биосферном заповеднике (ядро) допустимо применение только невозмущающих методов, в охранной и хозяйственной зонах, в зависимости от конкретного объекта, допустимо применение всего спектра возможных методов.

Для уточнения пространственной интерпретации результатов наблюдений целесообразно предусмотреть периодическую оценку состояния компонентов и элементов экосистем на всех контролируемых территориях.

В целях повышения эффективности и чувствительности наблюдений необходимо использование активного экологического эксперимента, направленного на анализ поведения элементов экосистем (видов животных и растений и их совокупностей) при дозированных вариантах антропогенных воздействий в контролируемых условиях.

В соответствии с принятым подразделением мониторинга на геофизический, биогеохимический и биологический (выделяемыми по комплексу методов, объектов и составу наблюдений) целесообразно рассмотреть комплекс наблюдений отдельно для каждого типа.

Основные направления геофизических наблюдений складываются из следующих составляющих: 1. Организация метеостанций первого класса, отвечающих требованию "открытое место". 2. Организация теплобалансовых наблюдений в основных экосистемах. 3. Организация элементов воднобалансовых наблюдений: режим влажности почвы, водный потенциал, режим поверхностного, внутрипочвенного и грунтового стока. 4. Организация измерений жидкого и твердого стока в гидрологическом створе. 5. Водный режим водоемов.

При организации биогеохимических наблюдений основное внимание уделяется измерению следующих показателей. Содержание в объектах и в потоках перемещения веществ: 1) макроэлементов и их соединений, прежде всего N, Р, К, Са, S, как определяющих направление основных биогенных процессов; Si, Fe, Al, Mg, Mn, Na, Cl, как индицирующих некоторые элементарные почвенные процессы и особенности избирательного поглощения элементов живыми организмами; 2) важнейших микроэлементов — Zn, Си, Со, Мо и др.; 3) легкорастворимых солей (в районах современного соленакопления и в аридных областях); 4) рН, Eh, щелочности, кислотности и ВПК, как характеристик интегрального состояния; 5) соединений углерода, прежде всего С0₂, СЩ (болота), валового углерода, бихроматной или пермангонатной окисляемости; 6) сернистого газа, СО, свинца, мышьяка, кадмия, ртути, ДДТ и его производных, 3, 4-бензопирена, озона, нефтепродуктов и др., как продуктов техногенеза и других антропогенных воздействий; 7) весовых концентраций аэрозолей, пыли в качестве интегральных характеристик атмосферы и атмосферных осадков.

При установке приемников и отборе проб для химического анализа рекомендуется производить сборы: а) атмосферных осадков на "открытом месте"; б) атмосферных осадков под растительным покровом; в) вод внутрипочвенного горизонтального и вертикального стока; г) вод поверхностного склонового и руслового жидкого и твердого стока; д) грунтовых вод и вод акваторий.

При установке приемников и отбора проб для анализа газового состава

и аэрозолей рекомендуется производить определения: а) в свободной атмосфере; б) в атмосфере над растительным покровом; в) в атмосфере в растительном покрове; г) в атмосфере на поверхности почвы; д) в почвенном воздухе.

При отборе и химическом (а также желательно биохимическом) анализе образцов растений, животных и почв рекомендуется производить анализы: а) фракционных частей живых растений; б) фракционных частей мертвых растительных остатков; в) почвы по генетическим горизонтам; г) избранных животных (их органов, тканей) - представителей всех трофических уровней и особенно высших, как потенциальных концентраторов поллютантов, а также экскрементов и экзувиев животных.

Поскольку важным показателем функционирования экосистем в конечном итоге является биологическая продуктивность, комплекс наблюдений биологического мониторинга должен включать в себя оценку и измерение запасов фитомассы, ее динамики и годичной продукции на основе прямых и косвенных наблюдений. При организации наблюдений за запасами фитомассы, ее динамикой и определением годичной продукции особое внимание обращается на сочетание возмущающих и невозмущающих методов. При этом важнейшим приемом является проведение параллельных сопряженных измерений в ядре заповедников и в охранной их зоне одновременно прямыми и невозмущающими методами. Напомним, что измерения собственно в биосферном заповеднике (ядро) производятся только невозмущающими методами. Естественно, следует стремиться организовывать также параллельные наблюдения в экосистемах бассейнов-аналогов.

Прямые методы измерения фитомассы, ее динамики и годичной продукции достаточно разработаны в ходе выполнения программы МБП и могут быть рекомендованы к применению в охранной зоне биосферных заповедников и в зоне хозяйственного использования (Методы изучения биологического круговорота..., 1978). Косвенные и невозмущающие методы получили особенно широкое развитие в последнее время в связи с практикой лесотаксации и применением дистанционных наземных и космических методов наблюдения.

Предлагаются некоторые поисковые направления, основанные на общей идеологии дистанционных методов. 1. Оценка запасов живой фитомассы и годичной продукции на основе коррелятивных связей между весовыми и линейными характеристиками растений, с учетом их фракционной структуры. 2. Использование измерений пропускания прямой и интегральной солнечной радиации (лучше спектральной) пологом растительного покрова для оценки сезонной динамики вегетации и оптической плотности полога, расчета годичной продукции зеленой массы и массы спада, 3. Применение фотометрических методов измерения структуры растительного покрова в совокупности с коррелятивными отношениями между весовыми и линейными характеристиками: а) фотосъемка полога растительного покрова в закрепленных точках широкоугольным объективом или фототеодолитом; б) фотосъемка проективного покрытия травяного яруса (сверху); в) фотосъемка вертикального разреза растительного покрова.

Необходимо проведение фенологических наблюдений. Последние включают в себя описание сроков развития растений и прохождения ими последовательных стадий онтогенеза с учетом морфологических признаков, индицирующих их состояние и реакции на внешнюю среду. Особое внимание уделяется оценке состояния текущего прироста, механическим зоогенным, патогенным и химическим повреждениям.

Наблюдения за состоянием животного населения весьма сложны, что неизбежно определяет избирательный подход в организации этих наблюдений. В первую очередь следует обратить внимание на животных, играющих большую средообразующую роль - массовые виды фитофагов, сапрофагов, хищников, индикационные виды, относительно редкие виды, хозяйственно важные виды. Необходима: 1) оценка динамики численности и био­массы, плодовитости; 2) оценка динамики популяционной структуры (возрастной, половой и т.д.) избранных объектов; 3) оценка физиологичес­кого состояния по морфо-физиологическим признакам избранных объектов; 4) фенологические и этологические характеристики избранных объектов; 5) слежение за миграцией избранных видов: 6) изучение трофических и консортивных связей животных и растений; 7) выявление индикаторных видов; 8) изучение биоэнергетической роли животных.

Наряду с наблюдением за животным населением наземных экосистем необходима организация комплексных наблюдений за растениями и животными водоемов (изучение фито- и зоопланктона, скорости его восстановления и структуры). Наблюдения за микроорганизмами (микробами, бактериями, грибами, водорослями и простейшими) — чрезвычайно трудная и сложная задача. Однако, как минимум, необходимы наблюдения над суммарной активностью микроорганизмов - дыханием почвы, ферментативной активностью. Необходимы определения массы микроорганизмов на основе использования новейших методов прямого счета клеток, а также индицирования основных их групп. Желательно проведение исследований и наблюдений интенсивности азотофиксации, денитрификации; определение патогенных микроорганизмов, а также микроорганизмов-индикаторов на различные загрязнения среды. Рекомендуется выявление природно-очаговых болезней животных и растений.

Наблюдения за состоянием почв складываются из анализа их морфологии (дифференциация на генетические горизонты; структура), физических свойств (механический состав, объемная масса, водопроницаемость, влажность завядания, наименьшая влагоемкость); химических свойств (рН, гумус, N, СО₂, гипс, легкорастворимые соли и т.п.); физико-химических свойств (емкость обмена, состав обменных оснований, содержание обменных Na, H, A1) и динамических процессов — режимов (водный, тепловой, солевой, окислительно-восстановительный, режим элементов питания и др.).

Повышение народнохозяйственной эффективности службы мониторинга возможно только на основе постоянно ведущихся фундаментальных эколо-го-географических исследований, направленных на совершенствование организации методов наблюдения, оперативного анализа результатов и совершенствование моделирования.

Третий этап геосистемного мониторинга - сбор основной информации и одновременное проведение научных исследований - является узловой проблемой.

Четвертый этап связан с реализацией централизованных методов хранения, систематизации, оперативной выдачи и обработки информации. Основными задачами этого этапа является организация службы оперативного предупреждения органов контроля и управления о нежелательных изменениях состояния окружающей среды. В настоящее время методологические аспекты этого этапа находятся лишь в. начальных стадиях разработки.

Систематизация и обработка результатов первых трех этапов мониторинга должна быть положена в основу пространственно-временного прогноза изменения компонентов экосистем и окружающей среды.

В плане полевых наблюдений результаты реализации четвертого этапа должны уточнить программу наблюдений, частоту, масштабы и содержание повторного картографирования, выработать систему предупреждения нежелательных последствий и дать основу оценки экономической эффективности службы мониторинга.

В связи с тем, что реализация всех этапов организации службы мониторинга связана со строгим отбором унифицированных методов, удовлетворяющих собственно задачам мониторинга и соответствующих современному уровню развития теории экологии и географии, необходима организация комиссии — методического совета ученых-специалистов, способного взять на себя функции последовательной разработки необходимых методических указаний по каждому этапу мониторинга. В функции этого совета должна входить разработка методических указаний по проведению инвентаризации, предложений по критериям отбора на основе инвентаризации конкретных объектов мониторинга в биосферных заповедниках; перечня рекомендуемых методов конкретных наблюдений; рекомендаций по техническому оснащению службы мониторинга; унификации методов накопления и обработки информации.

Реализация задач мониторинга возможна лишь на основе эффективной координации работ биосферных заповедников, подразделений Госкомитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды и научно-исследовательских учреждений АН СССР и других ведомств. При этом необходима организация системно-ориентированного банка данных мониторинга и банка программ их анализа и моделирования. Очень важно определить, какие именно учреждения должны быть ответственны за выполнение отдельных разделов общего плана.

Первый этап работы, т.е. инвентаризацию сведений о современном состоянии природы заповедника и его истории, должны выполнять совместно коллективы заповедников и ряда научно-исследовательских институтов или других научных учреждений.

Второй этап — выбор ключевых объектов (полигонов) наблюдений и разработка конкретных программ для каждого заповедника — должна выполнять специальная комиссия - Методический совет, состоящий из представителей заповедников и научно-исследовательских учреждений.

Третий этап (основной) — регулярные режимные наблюдения по программе мониторинга - выполняется в основном коллективами заповедников и фоновых станций Госкомитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды. Ряд разделов выполняется научно-исследовательскими учреждениями.

Четвертый этап — хранение, систематизация и анализ получаемой информации — осуществляется как непосредственно заповедниками и курирующими научно-исследовательскими учреждениями, так и специально организованным банком данных, а также вычислительным центром при Госкомитете СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды.

Для выполнения работ первого и четвертого этапов мониторинга целесообразно практиковать систему договоров о творческом содружестве с целью привлечения к работе широкого круга специалистов, а также хоздоговоров для решения отдельных целевых задач (например, составление специальных карт).

Реализация предлагаемых рекомендаций при организации экологического мониторинга должна обеспечить выявление характера ответных реакций на изменяющиеся условия внешней среды или воздействия хозяйственной деятельности не только компонентов экосистем, но и экосистем как единого целого, а также пространственно геохимически связанных серий экосистем в ландшафте. Это позволит выявить тенденции изменений, т.е. прогнозировать трансформирование отдельных экосистем и слагаемых ими ландшафтов; количественно оценить скорости этих процессов и связи их с глобальными циклами химических веществ в биосфере.