Биоиндикационное картографирование

Биоиндикационное картографирование, как распространенный метод мониторинга состояния атмосферы и гидросферы, относительно хорошо обеспечено методической литературой. Для урбанизированных территорий основной биоиндикатор — состояние здоровья населения, в первую очередь детского. В сельской местности и относительно слабо измененных ландшафтах изучаются растения с определенными пределами газоустойчивости; для водоемов — наиболее устойчивые или, наоборот, чувствительные к загрязнению организмы.

Основные элементы биоиндикационного картографирования:

─ выбор территориальных единиц;

─ выбор биоиндикаторов;

─ наблюдение за состоянием биоиндикаторов;

─ обработка и картографическое представление результатов наблюдений.

Выбор территориальных единиц. Он определяется характе­ром используемых в данном исследовании биоиндикаторов. В случаях когда биоиндикаторы выбираются и изучаются непосредственно в ходе картографирования, имеется возможность формирования оптимальной сети районирования. Общее требование к территориальным единицам — объективность их обособления в силу барьерной роли разделяющих их границ. Ведущий (по отношению к другим геокомпонентам) фактор перераспределения величин антропо­генных воздействий — рельеф. Разработанная методика создания морфологической основы ландшафтно-геоэкологических исследований подразумевает подразделение территории на однородные грани, сочленяющиеся по ребрам рельефа (геотопологическое районирование). Эти грани образуют территориаль­ные ячейки, в пределах которых может производиться выбор биоиндикационных объектов. Биота, обладая динамикой саморазвития, способна формировать собственную сеть территориальных ячеек. Их образуют растительные ассоциации, находящиеся на разных стадиях сукцессии. Сочетание территориальных ячеек, выделенных по геоморфологическим признакам и по длительновременным состояниям геокомплексов, — наиболее эффективное решение про­блемы районирования, но в силу трудоемкости осуществимо лишь при очень детальных полевых исследованиях.

В случаях когда для картографических целей используется индикационный потенциал объектов, изучаемых с некартографической направленностью (медицинская статистика, материалы лесотаксации и др.), выбор территориальных единиц вынужденно определяется организацией соответствующей ведомственной статистики (административные районы, территории обслуживания поликлиник, врачебные участки; лесничества, лесхозы, лесные кварталы). Сетки районирования, как чужеродные по отношению к техногенным потокам и ореолам загрязнения, способны искажать территориальную структуру последнего, вызывая появление на карте искусственных границ.

При биоиндикационном картографировании (особенно в случаях, когда в его выполнении не принимают участия географы) вопрос выбора территориальных единиц может оставаться вообще нерешенным либо решаться формально, с использованием геометрически правильных сеток (растровое картографирование). В первом случае результаты исследований на отдельных участках произвольно экстраполируются на неопределенные площади; во втором случае на карте появляются искусственные прямолинейные границы. Избежать того и другого можно при показе на карте местоположений биоиндикационных объектов (обследованных деревьев и их групп и т.п.), с отнесением характеристик непосредственно к ним и возможностью проводить различия между интерпретацией (изолинии, в том числе на участках отсутствия биоиндикаторов) и фактическими данными.

В большинстве случаев выбор биоин­дикаторов также определяется состоянием медико-статистического учета, естественным распространением или культивированием био­индикационных объектов. В принципе всякая реакция организма на загрязнение является биоиндикационной; но задача исследования заключается в выявлении специфических реакций, позволяющих установить характер и масштабы воздействия [20]. Как показано выше, биоиндикационные закономерности имеют региональный характер. Поэтому выбор биоиндикационных видов и реакций применитель­но к условиям конкретной территории должен опираться на резуль­таты биоэкологических и геогигиенических исследований.

Проблема выбора конкретных биоиндикаторов определенных фитотоксикантов широко освещена в научной литературе. К рас­тениям, используемым в качестве биоиндикаторов, предъявляют следующие общие требования:

─ воздействия загрязнений должны приводить к хорошо заметным реакциям;

─ эффекты воздействия должны быть хорошо воспроизводимы при использовании растений генетически подобных популяций;

─ эффекты воздействия должны характеризоваться специфическими симптомами, свойственными воздействию определенных веществ;

─ растения должны быть чувствительны даже к низким концентрациям поллютантов;

─ растения должны быть устойчивыми к заболачиванию, болезням и иным неблагоприятным влияниям, не связанным с загрязнениями.

10 Медико-географическое картографирование. Медико-географическое картографирование нацелено на отображение факторов среды, как позитивно, так и негативно влияющих на здоровье человека. В зависимости от показа факторов среды или результатов их воздействия (патологии), карты могут быть отнесены к разным группам медико-географической классификации:

─ медико-географические карты и близкие к ним по содержанию оценочные карты окружающей среды, отображающие природные и социальные предпосылки болезней;

─ нозогеографические карты, характеризующие фактическое распространение болезней.

─ Среди факторов болезней, составляющих предмет медико-географического картографирования, различают:

─ географические предпосылки, обусловленные социальными, историческими и физико-географическими причинами (потенциальные ареалы заболеваний);

─ области источников заболеваний, связанные с видовым и количественным составом переносчиков, интенсивностью циркуляции возбудителя в природном очаге (фактические нозоареалы).

Реализация природных предпосылок для заболеваний зависит от населенности территорий, образа жизни населения, организации здравоохранения. Поэтому фактическое распространение болезней (предмет нозогеографического картографирования) может отличаться от распространения соответствующих природных факторов.

Медико-географическое картографирование абиотических факторов среды. Оно осуществляется главным образом на основе метеорологических данных. При создании таких карт про­водится интерпретация климатических параметров (годовые, сезонные, месячные и др. средние, максимальные и минимальные температуры, суммы осадков, скорости ветров, параметры радиа­ционного режима) и других характеристик (таких, как обеспечен­ность микроэлементами, повторяемость опасных геодинамических процессов и т.п.), с точки зрения экологии человека.

В целях такой интерпретации в рамках медико-биологических исследований определяются оптимальные для человека интервалы характеристик, а фактические их величины в тех или иных пунктах рассматриваются как отклонения от оптимума. При этом составля­ются многочисленные (преимущественно изолинейные) аналитические карты отдельных параметров (продолжительность и степень выраженности комфортных и дискомфортных периодов, отдельные факторы комфорта и дискомфорта). На синтетических картах способом качественного (количественного) фона показываются обобщающие качественные или полуколичественные (балльные) оценки благоприятности климата и ландшафтов в целом.

Следует отметить, что использование административных районов в качестве единиц районирования крайне неудачно в силу их внутренней неоднородности. Более оправдано использование в качестве территориальных единиц элементов специального медико-географического районирования, выполняемого на основе гигиенической оценки физико-географических (климатических, геохимических, гидро­геохимических) факторов либо детального физико-географического районирования.

В то же время необходимо отметить, что картографирование распространения вредных видов только по данным обращаемости пострадавших недостаточно для получения объективных результатов, так как вне учета остаются меж- и внутрирегиональные различия в посещаемости людьми различных ландшафтов, а также в степени доступности медицинских учреждений. Экспериментально не доказана и обязательность совпадения различий в численности и активности отдельных видов (в том числе переносчиков возбудителей болезней) с природно-территориальным районированием, что априорно используется при территориальной интерпретации полевых материалов.

Нозогеографическое картографирование. Это картографирование фактического распространения болезней и групп болезней ведется на основе данных медицинской статистики. Исходные данные — отчеты лечебно-профилактических учреждений по фор­ме № 1, отчеты-вкладыши по обслуживанию отдельных групп населения и групп больных по формам № 1,2, 3, 6, 039У, 071/У, а также сводки по территориям обслуживания поликлиник, админи­стративным районам, городам и т.д. На основе статистических дан­ных, с использованием несложных программных средств (Maplnfo) либо ручной технологии, достаточно легко составляются картограммы и картодиаграммы заболеваемости. Территориальные ячейки выбираются соответственно иерархическим уровням организации здравоохранения.

В силу сложности интерпретации медико-статистических дан­ных информативность таких карт в отношении экологической обстановки обычно остается невысокой. Поэтому по мере компьютеризации учреждений здравоохранения разрабатываются более совершенные методы обработки медико-статистических данных, в частности путем использования индивидуального адресного учета, с возможностью гибкого выбора территориальных единиц, по которым производится осреднение.

В этом случае становится возможным получение характеристик по отдельным домам, группам домов, микрорайонам, исторически сложившимся частям городов и т.д. и формирование самоорганизующихся территориальных ячеек, например по градациям уровней заболеваемости. Это позволяет избежать использования неестественных территориальных ячеек и иллюзий контрастов на их границах. Однако сохраняются проблемы содержательного характера, связанные со сложностью взаимоотношений человека с окружающей его природной и социальной средой.

Комплексное экологическое картографирование

Комплексность экологического картографирования предполагает одновременное отображение:

─ географической среды (ландшафтов), в которой происходит взаимодействие и развиваются экологические отношения между природными и социально-экономическими системами;

─ техногенных и антропогенных воздействий и реакции среды на них;

─ оценок результатов взаимодействия, т.е. экологического состояния элементов природной среды.

При этом объектом картографирования может быть как совре­менное, так и прошлое (в определенный момент времени) или будущее (в рамках принимаемых сценариев развития) состояние среды. Исключительная сложность комплексного экологического картографирования обусловлена, прежде всего, множественностью характеристик, которые требуется принимать во внимание. В этом отношении комплексное экологическое картографирование сравнимо не с какой-либо другой тематической областью (геологическим, почвенным, социально-экономическим и т.п. картографированием), а с тематической картографией в целом.

Практически задача комплексного экологического картографи­рования решается путем создания атласов и серий взаимосвязан­ных карт экологического содержания либо составлением отдельных комплексных карт, содержание которых включает в минималь­но допустимом объеме все перечисленные элементы. В атласах и сериях карт преобладающая часть объема приходился на карты, характеризующие состояние отдельных компонентов среды.

В настоящее время выделяется [75J три разновидности комп­лексных экологических карт:

─ инвентаризационные,

─ инвентаризационно-оценочные,

─ комплексные оценочные.

На инвентаризационных картах показываются эле­менты природной среды (природные зоны, ландшафтные районы, ландшафты) и характер их использования (сельское и лесное хозяйство и др.), а также источники техногенного воздействия на них — города, предприятия, транспортные магистрали, иногда с характе­ристикой объемов и структуры отходящих от них выбросов и сбросов.

На инвентаризационно-оценочных картах добавляется (нередко за счет сокращения других элементов содержания) харак­теристика реакции среды на техногенные воздействия на нее. Оценки носят приближенный, качественный характер и основываются глав­ным образом на биоиндикационных данных (состояние лесов, лугов и т.п.) или, реже, на материалах опробования геокомпонентов.

На комплексных оценочных картах основным элементом содер­жания становятся оценки экологических ситуаций, которые могут характеризовать состояние как отдельных геокомпонентов, так и среды в целом. При этом под экологической ситуацией понимает­ся [80] сочетание различных, в том числе позитивных и негатив­ных с точки зрения проживания и состояния здоровья человека, условий и факторов, создающих определенную экологическую обстановку на территории, разной степени благополучия или не­благополучия.

Принцип комплексности оценки состояния среды предпола­гает пространственно дифференцированный учет всей системы взаимосвязей между организмами и средой, что кратко, в симво­лическом виде представлено в приведенной схеме формирования экологической ситуации. Практически решение этой задачи мо­жет быть достигнуто либо на основе количественных исследова­ний состояния всех геокомпонентов, либо на уровне качествен­ных (экспертных) оценок. При этом необходимо отметить, что, как следует из приведенной схемы, важнейшим фактором фор­мирования экологических ситуаций является устойчивость ланд­шафта.

11 Подходы к картографированию устойчивости ландшафтов. Понятие устойчивости ландшафтов, широко вошедшее в на­учный оборот, по своему содержанию неоднозначно. Существует три основных подхода к содержанию этого понятия:

─ инертность, т.е. способность сохранять при внешних воздействиях исходное состояние в течение некоторого времени;

─ пластичность, т.е. способность переходить из одного состояния в другое, сохраняя при этом внутренние связи;

─ восстанавливаемость, т.е. способность возвращаться в исходное состояние после прекращения воздействия.

Анализ и оценка устойчивости ландшафтов приобрели боль­шое практическое значение в связи с распространением процедуры оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС). Устойчивость ландшафтов может быть определена по отношению к конк­ретным видам воздействий, как их способность принять и рассеять (обезвредить, очистить, захоронить) определенное количество веществ и энергии, без утраты способности к самовоспроизводству. При этом проблема усложняется тем, что устойчивость одних и тех же природных систем к разным воздействиям может быть весьма различной.

М. А. Глазовской проведено районирование территории бывшего СССР по вероятной интенсивности разложения продуктов техногенеза в атмосфере и почвах, рассеяния с водными и воз­душными потоками, самоочищения от твердых, жидких и газооб­разных загрязнений, на основе комплекса физико-географических параметров. Выделенные районы, различающиеся по интенсивности процессов самоочищения, характеризуются закономерным сочетанием зональности, секторности и высотной поясности.

В дальнейшем подобный подход, включающий качественные оценки на основе комплекса физико-географических характеристик, был реализован при создании ряда специальных карт: условий самоочищения поверхностных вод, чувствительности поверхностных вод к загрязнению нефтью, условий разложения и миграции нефтепродуктов в почвах, устойчивости расти­тельности к пожарам, интенсивности биодеградации пестици­дов в почве, оцениваемой по комплексу почвенно-ландшафтных показателей либо по величине подстилочно-опадного коэффи­циента. Оценки устойчивости при этом имеют качественный и в значительной степени условный характер. В умеренном поясе, в условиях континентального климата, фактический размах колеба­ний интенсивности самоочищения по сезонам превышает простран­ственную изменчивость тех же параметров на одну и ту же дату. Од­нако приводимые в упомянутых работах количественные параметры факторов самоочищения (интенсивность солнечной радиации, по­казатели увлажнения и др.) позволяют выполнять расчеты приме­нительно к конкретным ситуациям.

При отсутствии количественных характеристик интенсивности процессов выноса поллютантов и самоочищения от них на основе ландшафтного районирования могут быть выполнены приближенные оценки, с выделением ландшафтов, обладающих повышенной, средней и пониженной устойчивостью к загрязнению атмосферы и гидросферы. При этом в качестве ведущих и наиболее доступных для изучения по картам факторов устойчивости принимают во внимание глубину и густоту расчленения рельефа, а также залесенность.

Наряду с устойчивостью ландшафтов к конкретным видам воздействий может быть охарактеризована и собственная устойчивость ландшафтов, биоцентрическая по своему содержанию. Ее основной фактор — состояние биоты: условия существования и динамика составляющих ее популяций, т.е. устойчивость экосис­темы. Для оценки состояния экосистемы требуется учет значительного количества факторов, состав которых определяется характером биогеоценозов: содержание питательных веществ, тепло- и влагообеспеченность, трофическая структура биоты и т.д. — всего 29 параметров (по В. В. Снакину и П. П. Кречетову). Показате­ли состояния и устойчивости экосистем несопоставимы по еди­ницам измерения; некоторые из них носят качественный харак­тер либо требуют дополнительной интерпретации. Поэтому их учет осуществляется в форме балльных оценок, а интеграция — путем суммирования баллов.

Проблемы картографирования устойчивости экосистем — следствие пространственной неоднозначности этого понятия. Практи­чески это означает, что картографированию должно предшествовать ландшафтное районирование, с последующей характеристикой каж­дого ландшафтного выдела, ранг которого определяется масштабом. Полное определение всего набора показателей, таких как запас жи­вой биомассы в г/м² или т/га; скорость оборота органического вещества; скорость деструкции органического вещества (опадо-подсти-лочный коэффициент); поверхностный сток с выявлением внутри-годовой структуры жидкой и твердой составляющих; морфологическая структура ландшафтов (соотношение основных типов урочищ); характеристики почвенного покрова, био- и зооценоза и др., реально выполнимо лишь в результате многолетних наблюдений на специально оборудованных полевых стационарах.

Такие характеристики (с незначительными поправками, наце­ленными на учет местных географических особенностей и качественных оценок степени антропогенной нарушенности) распространяют на типы ландшафтов, выделяемые по материалам дешифрирования космо- и аэрофотоснимков, а также по геоботаническим и ландшафтным картам. Получаемые в результате оценки устойчивости касаются ландшафтов в целом и их компонентов: литогенной основы, почв, биоты, атмосферного воздуха и вод. Все оценки имеют характер балльных.

Качественные оценки экологических ситуаций выполняются экспертным путем, на основе ряда критериев. Наиболее употребляемыми являются пяти-шестичленные классификации экологических ситуаций, различающихся по степени остроты. В рамках этих классификаций ситуации подразделяются на удовлетворительные (относительно удовлетворительные), напряженные, критические (предкризисные), кризисные, катастрофические либо на условно благоприятные, удовлетворительные, напряженные, критические, ка­тастрофические (имеются и другие варианты названий). Оценки могут даваться для единиц административно-территориального деления или, что более методически правильно, ландшафтного (физико-географического) районирования.

Согласно сформулированным критериям, при удовлетворительной ситуации из-за отсутствия прямого или косвенного антропогенного воздействия все показатели свойств ландшафтов не изменяются.

Конфликтная ситуация заключается в незначительных в пространстве и во времени изменениях в ландшафтах, в том числе в средо- и ресурсовоспроизводящих свойствах. Это ведет к сравнительно небольшой перестройке структуры ландшафтов и восста­новлению в результате процессов саморегуляции природного ком­плекса или проведения несложных природоохранных мер.

При напряженной ситуации отмечаются негативные изменения в отдельных компонентах ландшафтов, что ведет к нарушению или деградации отдельных природных ресурсов и в ряде случаев к ухудшению условий проживания населения. При соблюдении природоохранных мер напряженность экологической ситуации, как правило, спадает.

При критической ситуации возникают значительные и слабо-компенсируемые изменения ландшафтов, происходит быстрое нарастание угрозы истощения или утраты природных ресурсов (в том числе генофонда), уникальных природных объектов, наблюдается устойчивый рост числа заболеваний из-за резкого ухудшения условий проживания. Антропогенные нагрузки, как правило, превышают установленные нормативные величины и экологические требования. При уменьшении или прекращении антропогенных воздействий и проведении природоохранных мероприятий возможна нормализация экологической обстановки, улучшение ус­ловий проживания населения, повышение качества отдельных природных ресурсов и частичное восстановление ландшафтов.

Кризисная ситуация приближается к катастрофической. В ландшафтах возникают очень значительные и слабо компенсируемые изменения, в результате которых происходит полное истощение природных ресурсов. Антропогенные нагрузки, как правило, устойчиво и многократно превышают установленные нормативные величины и экологические требования, вследствие чего резко ухудшается здоровье населения. Если не принять срочных кардиналь­ных мер, то переход к катастрофической ситуации может произойти в течение небольшого промежутка времени (три - пять лет).

Катастрофическая ситуация характеризуется глубокими и часто необратимыми изменениями природы, утратой природных ресурсов и резким ухудшением условий проживания населения, вызванными в основном многократным превышением антропогенных нагрузок на ландшафты региона. Важный признак ката­строфической ситуации — угроза жизни людей и их наследственности, а также утрата генофонда и уникальных природных объек­тов. Она может наступить внезапно, например при аварии на АЭС, или сформироваться постепенно при нарастающем изменении природы.

Количественные оценки состояния среды не могут быть сведе­ны к совокупности покомпонентных и поингредиентных характе­ристик. Наряду с самими количественными покомпонентными исследованиями, выполнение комплексных оценок включает процедуру свертывания данных, т.е. переход от множества частных показателей к одному обобщающему, без произвольного усечения информации. Реализуемый на практике вариант этой процедуры сводится к определению суммарных показателей загрязненности воздуха, воды, почв и их обобщению на основе характеристик значимости каждого из геокомпонентов в суммарные показатели состояния среды в целом. Известные и апробированные методики позволяют количественно оценить значимость состояния геоком­понентов лишь на основе гигиенических критериев, т.е. с позиций оценки влияния на здоровье населения.

Такой подход применим в пределах урбанизированных территорий, в то время как для природных и квазиприродных ландшафтов выполнение количественных интегральных оценок сдерживается отсутствием подходящих экологических критериев (ПДК, определенные с точки зрения воздействия загрязнений на экосистемы, что на практике не достигнуто). Для территорий (прежде всего, урбанизированных), достаточно охарактеризованных количественными данными о загрязнении геокомпонентов и о состоянии здоровья населения, может быть проведена интеграция покомпонентных показателей в суммарный показатель антропогенной нагрузки.

Суммарный показатель антропогенной нагрузки (СПАН). Согласно принципам квалиметрии, он может быть определен на основе обобщающих показателей предшествующего иерархического уровня, при условии определения их весомости с точки зрения конечного результата. В роли показателей предшествующего иерархического уровня могут находиться обобщающие показатели загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА), воды (ИЗВ), почв (Z_c) и др., в качестве обобщающего параметра для урбанизированных территорий принимаются характеристики состояния здоровья населения. Определение показателей весомости (характери­зующих вклад уровней загрязненности геокомпонентов в состояние здоровья) может быть выполнено с помощью известных из квалиметрии методов — экспертного и вероятностного.

Определение суммарного показателя антропогенной нагрузки на основе вероятностного метода оценки значимости геокомпонентов (СПАН_в) по содержанию представляет собой модификацию метода взвешенных баллов, предложенного А. М. Трофимовым, Н. П. Торсуевым и др. Его сущность заключается в установле­нии и использовании корреляционных связей между частными показателями на отдельных картах (плотности популяций, нарушенности растительного и почвенного покрова, эродированности и др.) и картах, характеризующих ландшафты в целом. На урбанизированных территориях вместо баллов, представляющих значения признаков, могут использоваться покомпонентные по­казатели загрязненности (ИЗА, ИЗВ, Z.), а в качестве весовых характеристик — коэффициенты корреляции между данным видом загрязнения и заболеваемостью.

Для определения показателей весомости перечисленных индексов загрязненности использовались значения коэффициентов корреляции между общей заболеваемостью детей по участкам об­служивания детских поликлиник и соответствующими показателями экологической обстановки на территориях тех же участков. Как показало исследование, проведенное в г. Ижевске, коэффициенты корреляции составили:

— 0,21 для индекса загрязнения атмосферы в среднегодовом исчислении (ИЗА_сг);

— 0,54 для индекса загрязнения атмосферы при неблагоприятных метеоусловиях (ИЗА_нму);

— 0,07 для индекса загрязнения питьевой воды (ИЗВ);

— 0,12 для суммарного показателя загрязнения почв (Z).

12 Легенды комплексных экологических карт отличаются большой сложностью и включают значительную часть арсенала изобразительных средств тематической картографии.

Значками (в том числе структурными) изображаются источники, а также иногда объемы и структура техногенных и антропогенных воздействий (города, предприятия), а также не выражающие­ся в масштабе карты уникальные природные объекты.

Линейными знаками показываются элементы географической основы, имеющие значение для характеристики экологической обстановки: гидросеть (в том числе с характеристикой качества воды), коммуникации (в том числе с характеристикой напряжен­ности использования и/или воздействия на среду).

Качественным фоном может передаваться как характеристика ландшафтов и природопользования, так и оценки экологической обстановки. При этом на комплексных экологических картах часто используют одновременно две системы качественного фона: окраску и штриховые обозначения. Дополнительно, для характеристики состава экологических проблем, используютслцртносящиеся к ландшафтным и/или административно-территориальным выде-лам сложные буквенные индексы.

Изолинии применяются для количественной характеристики состояния среды (уровни загрязнения атмосферного воздуха, зна­чения СПАН и др.).

Ареалами традиционно обозначают территории распростране­ния охраняемых видов, особо охраняемые природные территории, а также поддающиеся оконтуриванию области распространения отдельных видов загрязнения (запыленность снежного покрова, выпадение кислотных осадков и т.п.). Техногенная нагрузка на ланд­шафты или территории административно-территориальных обра­зований количественно характеризуется с помощью картограмм и картодиаграмм.

Картограммами обычно передаются объемы выбросов, сбро­сов, твердых отходов, пестицидов и т.д. на единицу площади (либо в расчете на численность населения, величину стока).

Картодиаграммами — абсолютные характеристики воздействий в пределах территориальных единиц.