Глава 1. Экологический мониторинг и биоиндикация: Концепции нормативов и критических нагрузок

Дальше

Назад

Начало

Конец

Список

1.4. Концепции нормативов и критических нагрузок

Анализ значимости экологических воздействий проводится с целью совокупной оценки "качества среды", предметом которой являются:

в экологическом смысле – вся экосистема региона, состоящая из иерархии соподчиненных биологических компонентов (сообществ), способных сохранять устойчивость путем адаптации к внешним факторам и обеспечивать утилизацию веществ, поступающих извне;

в прикладном смысле – характеристики ресурсов, обеспечивающие их использование в тех или иных практических целях.

Определенная таким образом цель подразумевает наложение граничных условий (нормативов) как на само воздействие, так и на факторы среды, отражающие и воздействие, и отклики экосистем.

Принцип антропоцентризма верен и в отношении истории развития нормирования: значительно ранее прочих были установлены нормативы приемлемых для человека условий среды (прежде всего, производственной). Тем самым было положено начало работам в области санитарно-гигиенического нормирования. Однако человек – не самый чувствительный из биологических видов и принцип "Защищен человек – защищены и экосистемы", вообще говоря, неверен.

Экологическое нормирование является ключевой проблемой в формировании экологической безопасности. Более чем два десятилетия назад в России был поставлен вопрос о необходимости определения допустимых экологических нагрузок и адекватных ограничений (нормирования) существующих антропогенных воздействий с учетом всей совокупности возможного вредного воздействия многих факторов и природной специфики объектов [Израэль, 1984]. В Законе "Об охране окружающей среды", в числе прочих, предписывается обоснование и использование в практике двух типов нормативов [Федеральный закон.., 2002, ст. 21, 22, 27]:

нормативов качества окружающей среды – “устанавливаются для оценки состояния окружающей среды в целях сохранения естественных экологических систем, генетического фонда растений, животных и других организмов”;

нормативов допустимого воздействия на окружающую среду (в т.ч. нормативов допустимой антропогенной нагрузки) – “устанавливаются для субъектов хозяйственной и иной деятельности в целях оценки и регулирования воздействия всех стационарных, передвижных и иных источников воздействия на окружающую среду, расположенных в пределах конкретных территорий и (или) акваторий”.

Экологическое нормирование предполагает учет так называемой предельно допустимой нагрузки на экосистему. Допустимой считается такая нагрузка, “под воздействием которой отклонение от нормального состояния системы не превышает естественных изменений и, следовательно, не вызывает нежелательных последствий у живых организмов и не ведет к ухудшению качества среды” [Израэль, 1984]. Практически идентичное определение дается А.П. Левичем [1994] для обозначения экологически допустимых уровней воздействия (ЭДУ), которые “в отличие от ПДК являются не потенциальными причинами экологического неблагополучия, а непосредственными его симптомами” [Булгаков с соавт., 1995]. Допустимой считается любая нагрузка, не превышающая предельной (т.е. нормативной), которая, в свою очередь, равна критической нагрузке, умноженной на коэффициент запаса (в зависимости от степени "доверия" и потенциальной возможности кумулятивного действия этот коэффициент обычно варьируется от 0.2 до 0.5).

К сожалению, как слишком часто случается в нашей жизни, написать закон или дать основополагающее определение оказывается значительно проще, чем разработать методику измерения частных показателей, закрепленных в законе. Например, кто может решиться хотя бы на, казалось бы, несложное определение, что такое “нормальное состояние экосистемы” и каков у нее “диапазон естественных изменений”? Поэтому, к настоящему времени известны лишь некоторые попытки обоснования "экологических ПДК" [Лукьяненко, 1992, 1996] для растений суши и для сообществ водоемов рыбохозяйственного назначения.

Экологическое нормирование не является подменой санитарно-гигиеническому нормированию, а, в определенном смысле, дополняет его, ужесточая применяемые стандарты. Например, экологическая индикация может дать сведения о степени и характере загрязнения, распределении загрязнения в водоеме, возможном состоянии водной экосистемы в сезонном масштабе. Из этого следует, что вода, качество которой согласно экологическому контролю признано неудовлетворительным, вряд ли может использоваться для питьевых или хозяйственных целей, но экологически доброкачественная вода не всегда может быть признана пригодной с точки зрения здравоохранения [Беляев, 1993]. В последнем случае необходимы специфические микробиологические, токсикологические и химические тесты.

В мировой практике концепция критических нагрузок получила широкое развитие как необходимое руководство по рациональному ограничению антропогенных воздействий [Моисеенко, 1995, 1998]. На рабочем совещании ООН понятие “критическая нагрузка” было определено как “количественная оценка воздействия одного или нескольких загрязняющих веществ, ниже которой не происходит существенного вредного воздействия на специфические чувствительные элементы окружающей среды в соответствии с современными знаниями” [Critical loads.., 1988]. С учетом известных проблем кумуляции небольших воздействий и развитию хронических (отложенных) последствий величина критической нагрузки по В.Н. Башкину [1999] может быть охарактеризована как “максимальное поступление загрязняющих веществ, которое не вызывает необратимых вредных изменений в структуре и функциях экосистем в течение длительного (50-100 лет) периода”.

Мем № 6: “Но мир! Но жизнь! Ведь человек дорос
Чтоб знать ответ на все свои загадки.
Что значит знать? Вот, друг мой, в чем вопрос,
На этот счет у нас не все в порядке.”

И.В. Гете, "Фауст"

Несмотря на глобальную аттрактивность концепции критических нагрузок, количественная оценка их величин до сих пор связана с целым рядом неопределенностей. Прежде всего это относится к самим основополагающим понятиям: например, до сих пор не вполне ясно, где обнаружить "специфические чувствительные элементы", что считать за "необратимые вредные изменения" (за 50-100 лет таковые могут произойти не только с природными компонентами, но и с самим человечеством) и, наконец, что есть “экологическая норма” [Тихонов, Шитиков, 1984а].

Наш вариант трактовки - размах стохастических колебаний показателей жизнедеятельности компонентов экосистем, которые не выходят за пределы приспособительных реакций по поддержанию гомеостаза. В частности, неверно подчеркивать "максимальность" критической нагрузки, поскольку многие категории действующих факторов (например, тепловое воздействие) имеют и минимальный порог критичности. Еще бульшие методологические сложности вызывает количественное выражение этих понятий в конкретных условиях моделирования или оценки критических уровней при экологическом нормировании.

Рекомендуемый порядок действий и инструментарий, используемый при оценке порога критического действия, например, практически одновременно документировали в своих работах процитированные выше В.Н. Башкин и Т.И. Моисеенко (см. табл. 1.3). Работы других авторов по этой проблеме практически не отличаются от приводимых тезисов ни сущностью, ни глубиной, ни лексиконом.

Таблица 1.3

Методологический подход к определению экологически критических нагрузок

По В.Н. Башкину [1999]

По Т.И. Моисеенко [1998]

Идентификация вредного воздействия (выбор стрессоров и рецепторов, определение существующей нагрузки и критериев состояния экосистемы)

Учет параметров вредного действия (необходимые параметры и стороны вредного воздействия, выявление временной динамики процессов и их направленности)

Экологическая оценка путей воздействия

Характеристика риска (оценка вероятности, частоты и серьезности воздействий в пространственном и временном аспекте, их сравнение с существующими нагрузками )

Управление риском (разработка эколого-экономических оптимизационных моделей при локальном и трансграничном загрязнении)

Выявление всех неблагоприятных процессов в водной среде (как прямых, так и вторичных) и обоснование химических критериев качества вод (комплексная факторизация воздействий с учетом суммарного, синергетического, или антагонистического взаимодействия всех компонентов)

Диагностика состояния экосистемы и обоснование наиболее информативных биологических критериев, объективно отражающих состояние экосистемы (численных значений, разграничивающих “норму и патологию” и определяющих порог необратимых изменений)

Определение критических уровней многофакторного загрязнения вод на основе доза-эффектных зависимостей между качеством водной среды (по химическим критериям) и состоянием организмов, популяций и сообществ (по биологическим критериям)

Как следует из этапов табл. 1.3, оценка критичности воздействий предполагает комплексное исследование изучаемого объекта и выявление двух основных интегральных составляющих в поведении экосистемы: фактора антропогенной нагрузки на окружающую среду и отклика, определяющего функциональную устойчивость, продуктивность и разнообразие биотических элементов.

Антропогенная нагрузка Aна экосистемы складывается из большого числа факторов различной природы и происхождения, основными из которых являются:

выброс в окружающую среду загрязняющих веществ промышленного или хозяйственно-бытового происхождения;

энергетическое и радиологическое загрязнение;

техногенная и сельскохозяйственная детериорация ландшафтов;

рекреационная нагрузка;

изъятие из природной среды необходимых ресурсных компонентов и т.д.

Проблема оценки совокупной антропогенной нагрузки заключается, с одной стороны, в том, как измерить интенсивность составляющих факторов, поскольку средства экологического мониторинга в нашей стране весьма ограничены, а статистическая отчетность страдает неполнотой и недостоверностью. С другой стороны, даже если предположить, что вся эта исходная информация имеется, практически нереально построение строго формализованных обобщенных критериев комплексной антропогенной нагрузки А, адекватно соизмеряющих степень влияния отдельных факторов с учетом их синергизма, поскольку неизвестны математические выражения переходных функций в последовательности:

Функциональная оценка отклика S экосистемы на антропогенное воздействие связана, как правило, с понятиями гомеостаза и стабильности, отражающими свойство природных комплексов сохранять относительное постоянство своих характеристик при возмущающих воздействиях. Это относится, в основном, к метаболически активным элементам ландшафтов – биологическим компонентам биогеоценозов. Существует множество определений и теорий устойчивости популяций, оперирующие с различными функциональными (скорость метаболизма, продуктивность, скорость обновления состава) и структурными (видовой состав, численность, биомасса, трофическая организация) параметрами. В зависимости от интенсивности антропогенной нагрузки Aв пределах возможностей адаптации и свойств внутренней кинетики экосистемы все ее гомеостатические параметры могут более или менее согласованно изменяться, образуя экологическую амплитуду адаптационных колебаний биоценоза.

Свидетельством критичности нагрузки является возникновение “длительного тренда за пределами естественного колебательного режима” [Логофет, Свирежев, 1983]. К сожалению, разнообразие терминологии и математических моделей гораздо богаче возможностей их практического применения для оценки пороговых реакций реальных экосистем по отношению к антропогенным воздействиям. Причины этому – те же, что и при конструировании критерия A:

невозможность проведения массового, длительного и крупномасштабного мониторинга биоиндикационных компонентов окружающей среды;

методологические трудности в конструировании обобщенного интегрального критерия отклика экосистемы S, который адекватно оценивал бы вероятность "отказа чувствительных элементов окружающей среды" и отвечал очевидным требованиям результативности, массовости, детерминированности и непротиворечивости.

Предположим, наконец, что найден способ измерения антропогенной нагрузки A и отклика экосистемы S. Однако последующий ответ на вопрос о том, экосистему с каким значением S следует считать вышедшей за границы биологической нормы и, соответственно, какое значение Aпринять за "критическое", отнюдь не кажется тривиальным. В этом плане интересны работы С.А. Патина [1979], Г.Д. Замолодчикова [1993] и Г.Т. Фрумина [2000], в различных модификациях использующих математико-статистический подход для определения порогов экологической толерантности. Этот метод состоит в определении пороговых значений на основе естественных колебаний воздействующих факторов среды или параметров, присущих экологическому объекту, с помощью анализа распределений вероятностей.

Одна из таких методик определения критических точек основана на предположении, что критерий нормального состояния экосистемы – нормальный закон распределения ее переменных [Федоров, 1977б; Гродзинский, 1988]. В этом случае максимальные и минимальные критические значения (х_кр^maxи х_кр^min) находятся из соотношения:

, (1.1)

где Ф – функция нормированного нормального распределения, s _x – среднеквадратическое отклонение, p(a ) – вероятность соответствия нормальному закону (обычно p предлагается принять равным 0.8, 0.9, 0.95 или 0.99 в зависимости от цели исследования и того ущерба, который может быть причинен системе в случае совершения "ошибки I рода").

Для малого числа наблюдений критические значения могут быть определены следующим образом:

х_кр^max= X + k s _x , х_кр^min = X - k s _x , (1.2)

где k – толерантный множитель, используемый в математической теории надежности, Х – среднее значение параметра [Воробейник с соавт., 1994].

Каждый из компонентов среды x, по мнению Г.Т. Фрумина [2000], должен иметь свой биологически допустимый (толерантный) для гидробионтов диапазон концентраций в воде, в пределах которого организмы, их сообщества и популяции располагают возможностями оптимальной реализации своих физиологических, экологических и других функций.

Мем № 7: “Смысл статистической нормы состоит в том, что исследователи условились применять некоторый, вполне конкретный период существования системы за эталон ее нормального функционирования. Обоснованность статистической нормы полностью упирается в обоснованность выбора этого периода”
В.Д. Федоров с соавт. [1982].

Проблемы использования математико-статистических методов нормирования сводятся к следующему:

отсутствие каких-либо априорных свидетельств о законе распределения показателя (в частности, о близости к нормальному гауссовскому закону распределения);

необходимость формирования достаточно репрезентативной выборки наблюдений (для получения экологически допустимых уровней при двух классах – благополучный и неблагополучный – требуется по оценкам экспертов не менее 20 измерений);

неопределенность понятия “эталон нормального функционирования экосистемы” (см. мем № 7).

Существует два других распространенных подхода для предварительной оценки порогового значения фактора при известном отклике:

выполняется серия измерений (A , S) на условно "чистом" объекте и параллельная серия наблюдений на тестируемом объекте; если при этом зафиксированы статистически значимые отличия S в "опыте" и "контроле", то тестируемый объект считается вышедшим за пределы нормативной стабильности, а нагрузка A – превысившей критическую;

на одной и той же тестируемой системе (например, на русле реки с разным характером нагрузки, или при наличии долговременных наблюдений) выполняется серия измерений (A , S) и строится традиционная функция Y "воздействие - эффект":

S= Y (A);

если система отвечает модели кинетики 1-го порядка, то эта кривая имеет S-образную форму и ярко выраженную точку перегиба, которой соответствует критическая нагрузка A_крит.

Например, с использованием последнего подхода в рамках Федеральной целевой программы России "Возрождение Волги" коллективом Института экологии Волжского бассейна РАН была выполнена оценка критической антропогенной нагрузки на малые реки бассейна Средней Волги. Интенсивность антропогенной нагрузки на различных участках рек рассчитывалась по " Методике оценки антропогенной нагрузки на малые реки Московской области" [Методика оценки.., 1997], которая учитывала как точечное поступление техногенных веществ со сточными водами, так и загрязнение рек от рассредоточенных источников (смыв с селитебных площадей, сельскохозяйственных полей, животноводческих ферм и пастбищ, рекреационное использование и др.). В качестве исходных данных служили материалы статистической отчетности 2ТП-водхоз (объем сточных вод, количество загрязняющих веществ в них) и сводки "Средволгогипроводхоз" (количество вносимых на поля удобрений, средняя урожайность сельскохозяйственных культур, посевные площади, поголовье домашнего скота). Обобщенная антропогенная нагрузка А рассчитывалась с использованием системы балльных оценок, являющихся составной частью методики.

Для практического решения вопросов, связанных с оценкой экокризисности водных объектов, нами использовался интегральный индекс экологического состояния ИИЭС [Зинченко с соавт., 2000], подробно описанный далее в главе 4 (S = 1/ИИЭС). Его расчет выполнялся на основе данных гидрохимического мониторинга и показателей видового обилия донных организмов, полученных в результате экспедиционных наблюдений. Пары значений {A, S} были вычислены для опорных створов вдоль течения водотоков и критические значения антропогенной нагрузки находились из характера этого распределения. На рис. 1.7 показана зависимость между антропогенной нагрузкой A и обобщенным критерием отклика экосистемы S для створов р. Чапаевка. Полученная кривая по форме и по своему смыслу является типичной функцией "воздействие - эффект" с характерной точкой перегиба. Критичным уровнем антропогенных нагрузок можно считать нагрузки, приходящиеся на участок в районе г. Чапаевска (4) и равные 18 баллов по шкале [Методические указания.., 1997].

Рис 1.7. Зависимость между антропогенной нагрузкой A и интегральным индексом

экологического состояния S = 1/ИИЭС (на примере р. Чапаевка)

Нетрудно прийти к выводу, что в реальных практических исследованиях нельзя ожидать ни длительного мониторинга экосистемы, ни возможностей активного эксперимента с нею, ни предпосылок применения строгого математического аппарата к обработке динамики многомерных наблюдений. Поэтому наиболее реалистичным вариантом оценки критичности воздействий является метод экспресс-оценок, когда некоторый эксперт (либо коллектив экспертов) на основе ограниченного набора данных и некоторых выбранных им натуральных или расчетных показателей определяет зоны благополучия, кризиса или бедствия. При известном опыте и информированности экспертов такой подход может дать определенные результаты и необходимую в рамках поставленной задачи достоверность экологической оценки.

Дальше

Назад

Начало

Конец

Список