9.9. Мониторинг окружающей среды

Старайся наблюдать различные приметы:

Пастух и земледел в младенческие леты,

Взглянув на небеса, на западную тень,

Умеют уж предречь и ветр, и ясный день,

И майские дожди, младых полей отраду,

И мразов ранний хлад, опасный винограду.

А.С.Пушкин

Изменения в окружающей среде всегда привлекали к себе внимание человека, прежде всего с точки зрения его хозяйственных интересов.

Собиратели и охотники первобытных человеческих сообществ учились, по-видимому, наблюдать и предсказывать появление ближайших событий в окружающей их природе: от изменений численности тех или иных видов животных и растений до солнечных затмений. И хотя едва ли в те далекие времена человек пытался оценивать результаты своего вмешательства в окружающую среду, очевидно, что уже тогда основой его успешного хозяйственного опыта служили наблюдения. Особенно это было важно для сельского хозяйства, где результаты работы больше всего зависят от погоды. Так, древнейшие цивилизации в Месопотамии и Египте в своем хозяйственном развитии не могли обходиться без регулярных наблюдений за ирригационными системами, за важнейшими изменениями окружающей среды. Со времен античности эти наблюдения все больше приобретают рациональную научную основу.

Люди пытались предсказывать погоду всегда. В древние времена это, правда, больше походило на гадание. Слово "метеорология" упоминается еще у Платона. Тогда оно означало свободную дискуссию на тему небесных явлений. Две с половиной тысячи лет назад в греческих городах-государствах на всеобщее обозрение выставлялись парапегмы - таблицы, в которых описывались климатические условия прежних лет, сообщалось об их особенностях - бурях, туманах, грозах, ливнях. Считалось, что это может помочь в предсказании погоды на ближайшее будущее. В средние века погоду предсказывали по движению звезд, поведению диких животных, облику растений.

В России развитие наблюдений за природными изменениями получило обоснование в трудах М.В. Ломоносова, А.И. Воейкова.

В 1650 г. царь Алексей Михайлович послал своему стольнику А.И.Матюшину грамоту, положившую начало регулярным визуальным наблюдениям за погодой в России. "Как к тебе сия наша грамота придет, и ты бы записывал, в который день и которого числа дождь будет, да отписать бы теперь о птицах, как их носит и как они летят, и что на Москве у нас делается".

Хозяйство человека сегодня - понятие глобальное. И для эффективной его организации, для оптимизации взаимоотношений человеческого общества с природой необходима объективная информация не только об изменениях природной среды в районах интенсивного развития промышленности и сельского хозяйства, но и о состоянии биосферы в целом.

Прежде всего нужны сведения об общем состоянии биосферы и о возможных отклонениях, например, в глобальной биопродуктивности, или о происходящих или возможных климатических изменениях. Мы все уже давно наблюдаем изменения состояния биосферы под влиянием деятельности человека. Теперь эти изменения происходят достаточно быстро и в широких масштабах. В связи с этим возникла необходимость организации регулярных наблюдений за состоянием биосферы и ее реакцией на антропогенное воздействие на разных уровнях экосистем (локальном, региональном, глобальном), экологических регионов, целых континентов. Такая система наблюдений и называется мониторингом (от лат. monitor - напоминающий, надзирающий, проверяющий) В общем смысле мониторинг - это наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью человека. В научном языке этот термин обычно понимается как "проверка, слежение, контроль".

Основной принцип мониторинга - непрерывность слежения. Эффективность мониторинга определяется рациональным выбором и достаточной плотностью контрольных пунктов наблюдения, а также эффективной организацией автоматического получения, обработки первичных данных и выдачи информации. Задачи, которые призван решать мониторинг, могут быть различной степени сложности и широты охвата. Соответственно этому обычно выделяют три уровня, или три ступени, мониторинга.

Первая ступень - местный, или локальный, биоэкологический мониторинг, в котором состояние окружающей среды оценивается с позиций ее влияния на человека. Поэтому мониторинг проводят, учитывая показатели, отражающие реакцию человека на изменения среды: заболеваемость, смертность, рождаемость, продолжительность жизни и т.д. В систему наблюдений входят те параметры, которые вызывают оцениваемые эффекты. В основном это различные опасные загрязнители среды техногенного происхождения. Естественно, что основная сеть пунктов наблюдения этой ступени мониторинга должна находиться в местах концентрации населения - районах наиболее интенсивной его деятельности. Большую помощь биоэкологическому мониторингу могут оказывать санитарно-эпидемиологические станции (СЭС), ветеринарные пункты, службы защиты растений.

Вторая ступень - региональный природно-хозяйственный мониторинг, включающий наблюдения за изменениями природных и антропогенных ландшафтов. В мониторинге этой ступени используют такие показатели, как количество биомассы, показатели энергообмена, величины предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в природных и промышленных комплексах, способность комплексов к самоочищению. Наблюдения ведут на географических стационарах и специальных полигонах (тестовых участках). Географические стационары создают на территориях, типичных для ландшафтов данного региона. Стационарные исследования ведут на одном месте на протяжении длительного времени. Это дает возможность проведения анализа функционирования и динамики ландшафтов, выявления в них необратимых изменений и т.д. Тестовые участки предназначены для контрольных измерений и наблюдений по строго заданной ограниченной программе. На них разрабатывают тесты системы определений ПДК, биологической продуктивности, естественной способности к самоочищению, а также выбирают наиболее показательные параметры (индикаторы) для каждой системы определений. Измерения и описания, полученные на тестовых участках, рассматривают как характерные для ландшафта в целом. На этой ступени мониторинга используют также сеть метеорологических и гидрологических станций и постов, существующие опытные сельскохозяйственные станции, опытные лесничества.

Третья ступень - глобальный биосферный мониторинг. Его задача - обеспечить наблюдение (контроль) и анализ состояния, а также прогноз возможных изменений всей географической оболочки в результате деятельности человечества. На этой ступени контролируют и анализируют изменения глобальных параметров: прозрачность атмосферы и ее антропогенную трансформацию (превращения, вызванные человеческой деятельностью: задымленность, озоновый слой и др.); мировой водный баланс, загрязнение Мирового океана; энергообмен биосферы с космосом, антропогенные преобразования глобальных круговоротов химических веществ и т.д. Биосферный мониторинг ведется как дистанционными методами (например, с искусственных спутников Земли), так и контактными - с помощью наземной сети биосферных станций. Эти станции располагаются в различных природных зонах, которые отличаются степенью устойчивости ландшафтов к антропогенным воздействиям и характером хозяйственного использования, что позволяет сравнить скорость накопления и длительность сохранения загрязнителей в неоднородных природных условиях. Например, станции слежения за водной средой располагают на крупных реках, берегах морей, озер. Довольно часто пункты глобального мониторинга располагают на территориях биосферных заповедников.

Основная цель мониторинга - максимально раннее предупреждение нежелательных последствий антропогенного воздействия. Задачи мониторинга довольно широки. Необходимо не просто и не только наблюдать за изменениями в биосфере, но научиться предсказывать, прогнозировать нежелательные последствия вмешательства человека в установившееся природное равновесие. Помимо наблюдения задачами мониторинга являются также оценка состояния среды и прогнозирование ее изменений.

В зависимости от масштаба и объектов наблюдения различают разные типы мониторинга: - биосферный (глобальный) - слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере Земли, включая все экологические компоненты;

- базовый (фоновый) - слежение за общебиосферными, в основном природными явлениями без наложения на них региональных антропогенных изменений;

- экологический - наблюдение за изменениями в составе и функциях экосистем различного ранга, за динамикой природных ресурсов и средообразующих компонентов;

- биологический - слежение за биологическими объектами;

- комплексный - непрерывная программа долгосрочного сбора информации о специфических экологических системах;

- санитарно-токсилогический - мониторинг гигиенического состояния окружающей человека среды;

- международный - международная система слежения за общепланетарными процессами и явлениями, включая процессы и последствия их антропогенных изменений;

- региональный - слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то региона, где они могут отличаться от природных и анропогенных характеристик базового фона;

- национальный - национальные (государственные) системы слежения за состоянием и изменениями окружающей среды в пределах определенной территории национального государства;

- локальный (местный) - мониторинг загрязнения окружающей среды не распространяющегося на значительные территории;

- импактный - слежение за природными процессами и явлениями, а также за антропогенными воздействиями в особо опасных зонах и местах.

Методы и средства реализации конкретных видов мониторинга могут быть разными. Различают:

■ авиационный - мониторинг, осуществляемый с помощью самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов;

■ космический - слежение за состоянием биосферы Земли с помощью космических средств наблюдения;

■ дистанционный - совокупность авиационного и космического мониторинга.

Наиболее важен для оценки состояния окружающей среды биологический мониторинг. Основной принцип его заключается в детальном учете исходного состояния биоты на определенный момент (точка отсчета) и в последующих наблюдениях за отклонениями от этого состояния. Биологический мониторинг - это слежение за развитием живых организмов и динамикой природных экосистем при естественных экологических процессах и при их нарушениях, чаще всего антропогенного происхождения. Такая информация может быть получена только на долговременных стационарных объектах. Чтобы следить за изменениями, необходимо иметь первоначальную характеристику объекта (точку отсчета). Лучшим объектом мониторинга является биогеоценоз с его составными компонентами - фитоценозом, зооценозом, микробоценозом и экотопом. При этом наиболее чувствительной структурой, своеобразным маркером биогеоценоза, отзывчивым на любые воздействия, является растительное сообщество, или фитоценоз.

Весьма интересные результаты можно получить с помощью методов космического мониторинга. Например, космические снимки и визуальные наблюдения, сделанные с борта американского космического корабля «Аполлон» позволили обнаружить, что значительную часть необработанных земель можно использовать. Если осушить 30% затопляемых земель и распахать их, то это намного превысит площадь земель, используемых сейчас под сельскохозяйственные культуры. Напомним, что в настоящее время человечеством используется 30% суши под сельхозугодья (20% - пастбища и 10% - пашня). Фотографии позволили, кроме того, обнаружить нашествие вредителей на поля и леса, в то время как по наземным наблюдениям не удавалось его прогнозировать. Следовательно, используя наблюдения со спутников, можно бороться против вредителей, наносящих огромный урон сельскому хозяйству, более эффективно.

Космический мониторинг в настоящее время используется для получения информации со спутников Земли, которая сообщает о приближении ураганов и торнадо.

Оценка изменения природно-общественных ситуаций осуществляется с помощью комплексного мониторинга - систем наблюдения и отслеживания состояния атмосферы, гидросферы, почвы, растительности, животного мира и ландшафта в целом. Комплексный мониторинг проводится в целях объединения ряда программ различных видов мониторинга для всесторонней оценки загрязнения окружающей среды на разных уровнях экосистем.

Комплексный мониторинг - это непрерывная программа долгосрочного сбора информации о специфических экологических системах. Число таких систем должно быть установлено в соответствии с фактическим биологическим разнообразием данного региона, а также с современным уровнем знаний по идентификации типов экосистем. Сбор информации должен по возможности вестись с помощью сравнительно простой технологии, чтобы нивелировать различные технические возможности сторон - участников мониторинга.

Оценка состояния и уровня деградации экосистем проводится в сравнении с участками характерной для данного природного района естественной или почти естественной (квазинатуральной) растительности, мало затронутой человеком.

При мониторинге окружающей среды выделяется несколько этапов его организации. Первый этап - инвентаризация природных объектов, второй - выбор объектов мониторинга, третий - организация регулярных наблюдений и четвертый - систематизация и анализ полученной информации.

Объекты мониторинга должны представлять различные природные комплексы, биогеоценозы и их составляющие. Они включает следующие компоненты.

1. Территориальные комплексы. Их выделение основано на том, что элементарные территориальные единицы растительного покрова, животного населения, почв, микрорельефа образуют различные устойчивые сочетания, связанные между собой функционально. Информация о территориальном комплексе содержит материалы по геоморфологии, гидрологическому режиму, сочетаниям почвенных разновидностей, типологической структуре и сукцессиям растительности, плотности животного населения.

2. Экологические профили - предназначены для мониторинга взаимосвязанных территориальных структур.

3. Биогеоценотические стационары - предназначены для выполнения детальных комплексных исследований экологических режимов и биологических процессов.

4. Постоянные пробные площади - основные объекты фитоценотического и зоологического мониторинга на экологических профилях, биогеоценотических стационарах, а также на всех других объектах, требующих изучения динамики экосистем.

5. Фиксированные точки (площадки) - предназначены для детального учета растительности (флористический состав, горизонтальная структура), животного населения, почвенного покрова, гидрологических условий и т.п.

Невозможно принимать меры по охране природных объектов, не имея информации об их состоянии, о тенденциях изменения этого состояния, наконец, о факторах, которые влияют на эти тенденции. Мониторинг дает наиболее достоверную, научно обоснованную информацию для принятия решений по защите окружающей среды. При организации экологического мониторинга наблюдения не могут ограничиться одним уровнем, скажем, уровнем биологических видов. Предположим, исчез какой-то вид. Это могло произойти либо в результате естественных причин, либо под влиянием антропогенного фактора, и нужно четко определять степень этого влияния в сопоставлении с возможностями природной среды. Если антропогенное воздействие не выходит за рамки этих возможностей, можно считать, что природопользование носит рациональный характер, а если нет, значит нужно принимать экстренные меры по защите природы.

Вот пример из практики. На территории Приокско-Террасного биосферного заповедника исчезает подрост сосны - нет естественного возобновления, потому что лоси выедают молодые сосенки. И хотя рост численности лосей - явление не антропогенное, его следует считать таковым: лосей разводит охотхозяйство. Дело в том, что условия заповедника привлекают лосей, которые и стригут подрост сосны. Но это факт наблюдения. Для того чтобы знать, что наблюдать, как наблюдать и даже когда наблюдать, выявить критерии оценки состояния, нужно изучать именно природные процессы, получить полное знание о них и выбирать такие методы, которые позволяют зафиксировать самые важные изменения в окружающей среде.

Природные процессы при мониторинге изучаются на разных уровнях: экологического региона, типичных экосистем и на уровне компонентов биоты (растения, животные, микроорганизмы). Например, один из показателей состояния природной среды - это соотношение земельных угодий региона. Вопрос с точки зрения рационального природопользования стоит так: какое соотношение пахотных и лесных земель допустимо на территории данного конкретного региона? Ведь ту или иную территорию, допустим, в черноземной зоне, в принципе можно распахать полностью. Но если учесть неизбежную эрозию, появление оврагов и другие возможные последствия в развитии данной зоны, приходится решать - какую часть лесов вокруг тех же оврагов оставить, а какую часть и какого качество сохранить.

После предварительного описания экосистем необходимо перейти к постоянному контролю выбранных биоиндикаторов, дающих информацию о потоке основных загрязнителей и их накоплении.

Биоиндикация - метод определения степени загрязненности геофизических сред с помощью живых организмов. В качестве биоиндикаторов используются различные группы организмов: бактерии, грибы, водоросли, лишайники, мхи, некоторые высшие растения (особенно хвойные породы деревьев) и животные (чаще беспозвоночные).

К числу преимуществ биоиндикации перед инструментальными методами следует отнести ее относительно высокую скорость, низкую стоимость и возможность характеризовать состояние среды за длительный промежуток времени. Использование биоиндикации в качестве сигнальной информации имеет все преимущества: высокую чувствительности биоты к изменениям состояния атмосферного воздуха и почв, интегральный характер данных и возможность анализировать образцы в одной (центральной) лаборатории.

Одним из методов биоиндикации является лихеноиндикация - определение степени загрязнения природной среды с помощью лишайников (от лат. lichen - лишайник). Установлено, что лишайники особенно чутко реагируют на загрязнение атмосферы токсическими веществами. Своими слоевищами они активно поглощают атмосферные осадки, а следовательно, и растворенные в них вредные вещества, в частности тяжелые металлы. Поэтому по количеству вредных веществ, содержащихся в лишайниках, можно судить о степени загрязненности территории.

В качестве биоиндикаторов можно также использовать широко распространенные в наших лесах виды зеленых мхов (бриоиндикация, от греч. bryon - мох): Pleurozium schreberi, Dicranum undulatum и Hylocomium splendens. Данные виды используются в настоящее время в странах Западной и Северной Европы для мониторинга содержания тяжелых металлов в бриофитах (мохообразные) и гумусовом слое экосистем сосновых лесов.

Объектами мониторинга могут быть насекомые, поскольку они легко реагируют на антропические воздействия, обитают повсеместно и доступны для количественного учета. Например, чехословацкие ученые установили, что в районе золоторудных месторождений увеличивается содержание золота в майских жуках. Известны случаи, когда под влиянием загрязнения среды меняется цвет насекомых, например, божьих коровок. Высказана гипотеза, что потемнение божьих коровок в регионе некоторых промышленных центров - реакция на ухудшение освещения в результате загрязнения атмосферы.

В качестве биологического теста на чистоту воды могут использоваться "золотые рыбки", которые так любят выращивать в аквариумах любители эти экзотичных животных. Рыбок помещают в специальный аквариум с речной водой. Учуяв грязь, золотые рыбки начинают метаться, бьются о решетки.

Состояние довольно большой территории можно охарактеризовать с помощью анализа меда пчел. Американские исследователи показали, что в пробах меда можно обнаружить до 47 различных металлов и химикатов. На территории США насчитывается 4-5 млн пчелиных семей, каждая из которых собирает пыльцу и нектар с площади свыше 4 тыс. га. Такие пчелиные семьи выносливы к воздействию многих химических препаратов. В связи с этим медоносные пчелы могут быть эффективно использованы в качестве показателей загрязнения окружающей среды.

Первые опыты по использованию медоносных пчел для биологического мониторинга проведены в 1974 г. в штате Монтана, где изучали степень ущерба, нанесенного выбросами ТЭС, работающей на каменном угле. Интенсивное изучение возможности использования медоносных пчел для биологического мониторинга было начато в 1981 г. Радиус сбора нектара пчелами, как правило, составляет 1,5 км (иногда до 6 км) от улья, поэтому пчелиный мед является достоверным индикатором состояния окружающей среды в данной местности. Содержание загрязнителей в меде хорошо коррелирует с их содержанием в окружающей среде.

Хорошими биоиндикаторами на содержание некоторых тяжелых металлов могут служить дождевые черви. Польские исследователи изучали содержание цинка, меди, свинца и кадмия в почвах и тканях дождевых червей, взятых с газонов вдоль дорог с интенсивным движением в Варшаве и с газонов парков, расположенных на расстоянии 200 м от дорог. Результаты проведенных исследований показали значительную способность дождевых червей аккумулировать в своих тканях цинк, медь, свинец и особенной кадмий. Содержание последнего в тканях червей во много раз выше, чем в почвах. Установлено, что содержание тяжелых металлов в тканях дождевых червей может служить хорошим показателем загрязнения почвы.

Большое значение для контроля состояния водоемов имеет наблюдение за поведением рыб и содержанием отдельных компонентов в их организме. Установлено, что по мере загрязнения в европейских водоемах вначале исчезает лосось, затем форель, окунь и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С природой одною он жизнью дышал:

Ручья разумел лепетанье

И говор древесных листов понимал,

И чувствовал трав прозябанье;

Была ему звездная книга ясна,

И с ним говорила морская волна.