Критерии оценки современного состояния экосистем

Биотические тематические критерии

Эти критерии включают в себя специфические индикационные показатели (индикаторы), характеризующие свойства и состояние экосистем: ботанические, биохимические, зоологические и микробиологические.
Ботанические критерии имеют наибольшее значение, поскольку они не только чувствительны к нарушениям окружающей среды, но и наиболее физиономичны и наилучшим образом прослеживают зоны экологического состояния по размерам в пространстве и по стадиям нарушения во времени. Ботанические показатели весьма специфичны, так как разные виды растений и разные растительные ассоциации в разных географических условиях имеют неодинаковую чувствительность и устойчивость к нарушающим воздействиям, и, следовательно, одни и те же показатели для квалификации зон экологического состояния могут существенно варьировать. При этом учитываются признаки негативных изменений на разных уровнях: организменном (фитопатологические изменения), популяционном (ухудшение видового состава и фитоценометрических признаков) и экосистемном (соотношение площади в ландшафте). В табл. 8 даются усредненные основные показатели, районированные для определенных зональных условий.

Биохимические критерии экологического нарушения основаны на измерениях содержания химических веществ в растениях. Для квалификации критического экологического нарушения территории используются показатели изменения соотношения содержания токсичных и биологически активных микроэлементов в укосах растений с пробных площадок и в растительных кормах. В лесах распространенным токсикантом, воздействие которого на растения приводит к необратимым физиологическим и метаболистическим нарушениям, является диоксид серы. Негативное действие тяжелых металлов на растения в основном связано с их проникновением в клеточные структуры с почвенным раствором. В целом же аэротехногенный путь поступления полютантов в растения через их ассимиляционные органы является определяющим деградацию лесных биогеоценозов в условиях воздействия выбросов горно-металлургических предприятий. Накопление металлов в ассимилирующих органах растений увеличивается с увеличением уровней загрязнения среды их произрастания. Такая закономерность характерна только для тех металлов, которые являются приоритетными для состава выбросов металлургических предприятий. Другие металлы (не промышленного происхождения) распределяются по территории равномерно, и зависимостей их аккумуляции от зоны поражения растительности не найдено. Наиболее информативные биохимические показатели поражения лесных экосистем приведены в табл. 9.

Зоологические критерии и показатели нарушения животного мира могут рассматриваться как на ценотических уровнях (видовое разнообразие, пространственная и трофическая структуры, биомасса и продуктивность, энергетика), так и на популяционных (пространственная структура, численность и плотность, поведение, демографическая и генетическая структуры).
По зоологическим критериям может быть выделен ряд стадий нарушения экосистем. Зона риска выделяется, главным образом, по начальной стадии нарушения синатропизации, потере стадного поведения, изменении путей миграции, реакции толерантности. Последующие стадии нарушения выделяются также и по пространственным, демографическим и генетическим критериям. Зона кризиса харастеризуется нарушением структуры популяции, групп и стаи, сужением ареала распространения и обитания, нарушением продуктивного цикла. Зона бедствия отличается исчезновением части ареала или местообитания, массовой гибелью
возрастных групп, резким ростом численности синантропных и нехарактерных видов, интенсивным ростом антропозоонозных и зоонозных заболеваний. Ввиду сильной разногодичной изменчивости зоологических показателей (не менее 25%), некоторые из приведенных критериев приводятся на период (табл.10)

Оценивая рассмотренные тематические критерии с позиций экологической геологии, необходимо четко представлять, что фиксируемая ими измененность экосистем в ряде случаев может быть связана не с прямым загрязнением литосферы, а обусловлена аэротехногенным путем поступления полютантов в растительность, а через нее в живые организмы. Следовательно необходим дополнительный анализ всех сред геомы для оценки степени их загрязнения полютантами и влияния на биоту.

Почвенные критерии. Здесь они рассматриваются в статусе оценочных критериев экосистемы, так как ухудшение свойств почв является одним из наиболее сильных факторов формирования зон экологического риска, кризиса или бедствия (хотя этот критерий по своей природе относится к группе геологических критериев). Прежде всего, это снижение плодородия почв на большой площади и с высокой скоростью. Почвенно-эрозионные критерии связаны с геологическими процессами, ускоренными неблагоприятной хозяйственной деятельностью человека. Эти процессы распространены и в естественных условиях, но нарушение человеком устойчивости растительного и почвенного покровов (вырубкой лесов, распашкой почв, перевыпасом пастбищ и т.п.) вызывает значительное ускорение и расширение площади этих процессов, что и приводит к формированию зон экологического риска, кризиса и бедствия. Одним из интегральных показателей загрязнения почвы является ее фитотоксичность (свойство почвы подавлять рост и развитие высших растений) и генотоксичность (способность влиять на структурнофункциональное состояния почвенной биоты).

Основные почвенные критерии выделения зон экологического состояния приводятся в табл. 11.

Биолого-медицинские тематические критерии

Критерии этого типа охватывают большую группу показателей, для которых пока нет устоявшейся систематики. В медицинской литературе эти показатели фигурируют под названиями медико-демографические, медико-экологические, медико-геохимические, медико-биохимические и др.

В настоящее время с определенной долей условности в составе биолого-ме-дицинских критериев оценки здоровья населения можно выделить две группы. Первая из них — собственно медицинские, или, как их называют сами медики, ме-дико-статистические и медико-демографические. Они дают представление о пространственной приуроченности, частоте и характере заболевания населения. Вторая группа критериев — биосубстратные (медико-экологические, медико-геохимические, медико-биохимические). Они характеризуют содержание ксенобиотиков в субстратах человеческого организма и продуктах его физиологической деятельности.

При использовании медицинских критериев следует учитывать, что заболеваемость населения — явление многофакторное и зависящее не только от качества среды обитания, но и от социально-экономических причин. По данным Всемирной организации здравоохранения, выделяются четыре группы факторов, влияющих на состояние здоровья населения с процентной оценкой их вклада:

• образ жизни (экология социальной среды) — 50%, включает социальные и бытовые условия, качество и режим питания, гигиеническую культуру, микроклимат в семье, физическое воспитание и др.;
• химическая экопатология -20%, включает заболевания, связанные с загрязнением компонентов окружающей среды;
• медицинское обслуживание (уровень обслуживания) —
• наследственность — до 20%.

Из этого следует, что при анализе статистических данных по заболеваемости населения необходим критический подход к их оценке с акцентом на динамику и структуру общей заболеваемости.
Для практического использования этой информации геологами лучше всего опираться на статистические данные и материалы диспансеризации по моно- и полимикроэлементозным заболеваниям (болезням, возникающим от избытка или не-достатка одного или нескольких химических элементов), для которых установлены четкие связи между их содержанием в природных средах и заболеваниями растений, животных и человека. Эти заболевания получили название маркерных, так как отражают природный либо техногенно обусловленный дисбаланс элементов в различных компонентах природной среды, включая литосферу. Кроме того, к экологически обусловленным заболеваниям большинство медиков относят онкологические, ноозоологические (эпидемиологические) и потерю иммунной сопротивляемости организма.

Общепризнанным положением при выборе медико-демографических критериев оценки является приоритет в анализе детской заболеваемости, что определяется большей территориальной стабильностью проживания детей по сравнению с взрослым работающим населением и повышенной детской химической гиперчувствительностью. Именно поэтому сотрудники Московского научно-исследовательского института педиатрии и детской хирургии Ю.Е.Вельтищев и В.В.Фокеева считают состояние здоровья детей одним из наиболее чувствительных показателей, отражающих изменение качества окружающей среды.

В.Ф.Протасов (1999) к основным медико-демографическим показателям оценки здоровья населения относит: заболеваемость, детскую смертность, специфические (маркерные) и онкологические заболевания, которые сравниваются с аналогичными показателями на фоновых территориях в тех же ландшафтно-климатических зонах. Данные показатели определяются раздельно для городского и сельского населения применительно к двум-трем конкретным фоновым (контрольным) территориям. Сравнение со средними величинами по республике, краю, области недопустимо. Предпочтение отдается показателям, рассчитанным за 10 лет, или их динамике за этот период. Для маркерных заболеваний может быть сделано исключение.
Ю.Е.Вельтищев, В.В.Фокеева (1996) с экопатогенными воздействиями связывают ноозоологические заболевания (новые, неизвестные ранее, для этой местности заболевания), к которым относятся: химические астмы, синдром общей утомляемости или напряженной адаптации. Для их оценки при заболевании детей рекомендуются следующие показатели: рождаемость, частота бесплодных браков, число мертворождений, младенческая смертность, общая смертность населения, средняя продолжительность жизни. Как уже отмечалось, эти показатели зависят от множества факторов. Более тесно коррелируются с загрязнением окружающей среды и ее компонентов следующие медико-демографические показатели: соотношение пола новорожденных; частота недоношенности, врожденных пороков развития детей, хромосомных болезней у них; распространенность аномалий скелета, анемий, вторичных иммунодефицитов, патологии ЛОР-органов; частота инфекционных болезней; частота и характер аллергической патологии; распространенность мочекислого диатеза, умственного развития; появление новых необычных болезней и синдромов; частота и виды онкологических заболеваний; число детей-инвалидов и инвалидов детства и ряд других специфических медицинских показателей. Эти данные контролируются во времени и должны сопоставляться с динамикой изменений загрязненности абиотической среды.

В настоящее время можно считать доказанным, что экопатология детства это прежде всего врожденные пороки, аллергические, хронические нервно-психические и соматические болезни и онкологические заболевания. Она определяется не столько распространенностью болезней, сколько их частотой и тяжестью протекания. Репрезентативность предложенных медико-демографических критериев и признаков оценки наглядно иллюстрируется данными табл. 12, составленной Ю.Е.Вельтищевым и В.В.Фокеевой по материалам ряда медицинских публикаций.

Как следует из приведенной информации, использование медико-демографических признаков оценки заболеваемости требует координации таких исследований с медиками и, в первую очередь, со специалистами нового раздела медицины Environmental epidemiology (экологическая эпидемиология), изучающими экологически неблагоприятные воздействия окружающей среды на здоровье популяции человека.
Подавляющее большинство предложенных критериев оценки не обеспечено количественными показателями и дается на качественном уровне (за исключением зоны экологического бедствия и чрезвычайной ситуации). Проблема требует дальнейшей разработки, так как пока обоснована только принципиальная возможность использования медико-демографических критериев оценки.

Биосубстратные критерии основаны на количественной оценке содержания ксенобиотиков (конкретных химических элементов преимущественно высоких классов токсичности) и величин поглощенной дозы ионизирующей радиации в биосубстратах популяции человека и, особенно, детей. Последние включают в себя биологические жидкости — кровь, мочу, слюну и биологические субстраты — волосы, выпавшие зубы, удаленные полипы и миндалины, экскременты, мозг, костную ткань. По мнению директора Московского научно-исследовательского института педиатрии и детской хирургии Ю.Е.Вельтищева (1996), применение этих критериев оценки при весьма распространенных синдромах экологической патологии детей чаще всего носит чисто академический интерес, так как реакция детского организма на ксенобиотики зависит от возраста, индивидуальной чувствительности и даже от их этнической принадлежности. Однако при наличии более или менее специфических признаков химической интоксикации (синдромов специфической химической гиперчувствительности) возможно объективное подтверждение существования причинно-следственных связей между присутствием в компонентах окружающей среды ксенобиотиков и патологическими реакциями организма. Использование биосубстратных критериев оценки при эколого-геологических исследованиях требует профессиональной медицинской подготовки, а в идеале — совместной работы геолога и медика.

Пространственные критерии

Кроме силы воздействия (нагрузки) на среду, для оценки нарушения экосистем большое значение имеет площадь таких нарушений. Если она невелика, то при равной глубине воздействия малая по площади нарушенная система быстрее восстановится, чем обширная. Если площадь нарушения более предельно допустимых размеров, то разрушение среды практически необратимо и относится
к уровню катастрофы. Например, выгорание лесов на площади в десятки и сотни гектар практически обратимо, и леса восстанавливаются — это не катастрофа. Однако если площадь выгорания лесов или какой-либо формы техногенного разрушения растительного покрова достигает площади десятков и сотен тысяч гектар, за короткий период эти изменения практически необратимы, и происшествие квалифицируется как катастрофа. Таким образом, размер катастрофического экологического нарушения достаточно велик и превышает, исходя из нашего опыта, площадь 000 га в зависимости от типа растительности и геолого-географических условий. Чем серьезнее нарушение, тем больше репрезентативная площадь его выявления. По размерности (в км2) зоны экологического нарушения ранжируются на ряд пространственных иерархических уровней:

• региональные -10 000;
• областные — 1000;
• районные — 100;
• локальные — 10;
• эндемические — 1.

На экосистемном уровне ботанические показатели зон экологического нарушения описываются пространственными характеристиками (относительной и абсолютной площадью показателя и соотношениями их площадей). В результате пространственным критерием зон экологического нарушения служит неоднородность дестабилизации, например, относительная площадь земель (в %), выведенных из землепользования в пределах исследуемой экосистемы: (в нормальных условиях — менее 5, в зонах экологического риска — 5-20, кризиса — 20-50, бедствия -более 50). Таким образом, даже в нормальных условиях, т.е. в стабильном растительном покрове относительная площадь нарушенных земель может достигать 5%, а в зонах экологического бедствия превышает 50%. При одной и той же стадии нарушения, выявленной по тематическим критериям, увеличение относительной площади нарушения квалифицирует более высокий уровень опасности. Это может быть выражено в виде матрицы для административного района площадью 100200 тыс. га. Так, выделение зон экологического нарушения (Н — норма, Р — риск, К -кризис, Б — бедствие) территории в зависимости от глубины экологического нарушения и занимаемой относительной площади (в %) имеет следующий вид (табл. 13).

Из этого следует, что даже сильное нарушение, занимающее площадь менее 5% территории, квалифицирует состояние экосистемы в пределах нормы. Но умеренное нарушение на площади более 50% территории служит основанием для объявления ее зоной экологического риска.

Для квалификации зон экологического риска, кризиса и бедствия необходимо учитывать пространственную неоднородность нарушенных зон и наличие в них комбинаций площадей (в %) разной степени нарушенности (табл. 14).

Динамические критерии

Перечисленные выше статические критерии выявления зон экологического нарушения при всей их очевидности недостаточны для объективной оценки, поскольку они не отражают истинной картины бедствия. Так, известные биогеохимические провинции (например, на Южном Урале или на Алтае) могут быть отнесены по статическим биогеохимическим показателям к зонам кризиса. Вместе с тем, по динамическим критериям они таковыми не являются, так как повышенные концентрации металлов в почвах и растениях были там и до ан-
тропогена. Точно так же не являются зонами экологического бедствия изначально незакрепленные пески (например, Арчадинские, которые таковыми являлись с плейстоцена) и другие устойчивые природные эоловые комплексы. Поэтому необходимы и критерии выявления зон экологического нарушения по скорости нарастания неблагоприятных изменений природной среды (скорости накопления тяжелых металлов, скорости прироста площади подвижных песков и т.п.).

По этому показателю можно выделить четыре класса динамизма растительного покрова:

• стабильные территории со скоростью изменений менее 0,5% площади в год, подверженные лишь разногодичной и циклической флуктуации;
• умеренно динамичные территории со скоростью изменения до 1 -2% площади в год, полная смена растительного покрова которых происходит за лет и которые формируют слабо выраженные тренды; соответствуют зонам экологического риска;
• среднединамичные территории со скоростью изменений до 2-3% площади в год, полная смена растительного покрова которых происходит в течение 30-50 лет с выраженной формой тренда; соответствуют зонам экологического кризиса;
• сильнодинамичные территории со скоростью изменений свыше 4% площади в год, полная смена растительного покрова которых происходит менее чем за 25 лет; соответствуют зонам экологического бедствия.

Для выявления скорости смен растительного покрова и исключения разногодичных колебаний при выделении зон экологического бедствия необходима представительная продолжительность наблюдений. Считается, что минимальный срок для определения линейной скорости изменений составляет 8-10 лет, а для выявления нелинейной скорости — 20-30 лет. Примеры динамических показателей зон экологического риска, кризиса и бедствия представлены в табл. 15.