Биоценотический подход (концепция Е. Л. Воробейчика)

Предлагаемый подход к экосистемному нормированию рассматривается для случая аэротехногенного загрязнения наземных экосистем от промышленных источников выбросов. В основе концепции лежит ряд положений:

- промышленные выбросы многокомпонентны, что не позволяет оперировать нормативами для отдельных веществ и их смесей;

- формы токсикантов в реальной ситуации могут отличаться от форм, которые используются в экспериментах при установлении нормативов;

- в лабораторных экспериментах (обычно краткосрочных) не учитываются адаптационные процессы, а также популяционные и биоценотические эффекты, которые могут иметь основное значение в устойчивости экосистемы;

- критические нагрузки для отдельных видов, пусть даже «ключевых» или наиболее чувствительных, не определяют нормативы для всей экосистемы.

Экосистемный (экологический по определению Е.Л. Воробейчика) подход к нормированию заключается в следующем:

- нормативы предельных нагрузок должны отличаться для экосистем разного назначения и зависеть от физико-географических условий и типа экосистем;

- нормировать необходимо интегральную нагрузку, которая может быть выражена в относительных единицах, а не концентрации отдельных поллютантов;

- среди показателей состояния биоты для нормирования выбираются основные, отражающие важнейшие закономерности ее функционирования; предпочтение следует отдавать интегральным параметрам;

- нахождение нормативов может быть реализовано только для реальных экосистем на основе анализа зависимости доза – эффект на уровне экосистем.

Таким образом, объектом экосистемного нормирования в авторской концепции Е.Л. Воробейчика служит экологическая система определенного пространственно–временного масштаба. При этом экологическое нормирование имеет смысл тогда, когда существует причинно-следственная связь между экологической нагрузкой и состоянием (качеством) объекта нормирования, т. е. нормировать можно только те воздействия, которые приводят или потенциально могут приводить к ухудшению качества объекта. Речь идет об изменениях внешней среды, которые прямо или косвенно индуцируют субъект управления.

В процедуре определения экологических нормативов центральный этап – это анализ зависимостей «нагрузка – состояние экосистемы – качество экосистемы». В общем виде решение задачи нахождения экологических нормативов автор концепции представляет как систему двух уравнений:

где Z – качество экосистемы; Y – набор параметров, описывающих состояние экосистемы; X – набор параметров, описывающих нагрузки на экосистему; f₁ – функция, связывающая нагрузки и состояние экосистемы; f₂ – функция, описывающая связь качества экосистемы от ее состояния.

Установить величину ПДАН – значит найти такой набор нагрузок, при котором сохраняется определенное фиксированное значение оценки качества экосистемы Z. Принципиально важно следующее обстоятельство. Решение системы уравнений возможно тогда, когда функции f₁или f₂ имеют качественные переходы (точки перегиба). Иными словами, или одна, или другая функция должна быть нелинейной, чтобы можно было определить область качественного перехода. Если обе функции линейны, решение задачи нормирования данным способом теряет смысл. Если функция f₁ линейна, тогда нелинейность вводится в функцию f₂ искусственно (с помощью нелинейных функций желательности). В основе нормирования лежат пассивные натурные эксперименты, т. е. анализ изменения экосистем в уже существующем градиенте нагрузки, например, регистрация параметров биоты на разном расстоянии от точечного источника эмиссии поллютантов. Используя данный подход, работа по установлению нормативов выполнена для импактных районов трех медеплавильных заводов: Среднеуральского (СУМЗ), Красноуральского (КМК) и Кировградского (КМЗ), расположенных в подзонах южной и средней тайги на Среднем Урале в Свердловской области.

Под импактным районом понимается ПТК, расположенный возле точечного источника эмиссии и подверженный действию локальной токсической нагрузки от этого источника. Ключевое отличие данного объекта от других заключается в градиентной природе загрязнения. С удалением от источника выбросов происходит постепенное уменьшение поступления поллютантов, и соответственно экосистемы получают все меньшие дозы токсических нагрузок. Из-за этого импактный регион представляет собой пространственную структуру из концентрически расположенных зон с разной степенью загрязнения и, соответственно, различным уровнем трансформации экосистем. Обычно выделяют 3–4 зоны трансформации: техногенную пустыню, импактную, буферную и фоновую. Последняя не входит в импактный регион. Пространственная граница, где с помощью современных методов уже не удается отделить локальное действие токсической нагрузки от естественно–обусловленных изменений, а также фоновых выпадений поллютантов, отделяет импактный регион от фоновой территории.

Специфика влияния выбросов медеплавильных комбинатов на наземные экосистемы заключается в сочетании токсического действия тяжелых металлов, сорбированных на аэрозолях, и подкисления среды за счет сернистого ангидрида. В рассматриваемом случае техногенное подкисление накладывается на лесные почвы с естественно обусловленной слабо кислой реакцией, что еще больше усиливает негативное действие загрязнения. Реакция биоты на такого рода источники проявляется очень контрастно. Так, максимальное содержание подвижных форм тяжелых металлов (составляющих 70–90% от валового содержания) в лесной подстилке в районе СУМЗа достигает следующих значений: Cu 12120 мг/кг, Pb – 2350, Cd – 80, Zn – 4190 мг/кг, что от 25 (для Zn) до 360 (для Cu) раз выше фоновых значений. Такие величины сопоставимы с содержанием тяжелых металлов в бедных рудах. Кислотно-щелочной показатель подстилки опускается до 2,9 (фоновые значения – 5,2–6,5).

Трансформация экосистем возле точечных источников обычно заключается в последовательной смене стадий, представляющих собой развитие во времени индуцированных загрязнением отдельных процессов, объединенных причинно-следственными связями. Один из ярких примеров пространственного сопряжения таких процессов представляет собой совпадение зон «люмбрицидной пустыни», увеличенной мощности лесной подстилки (дождевые черви в таежной зоне – основные первичные деструкторы растительного опада) и «кротовой пустыни» (дождевые черви – основа питания кротов). Определение критических нагрузок на экосистемы базируется на рассмотрении такого рода сопряженных процессов.

Оценка интегральной нагрузки на основе содержания поллютантов в депонирующих средах осуществляется несколькими путями. Мерой могут служить расстояние до источника эмиссии, концентрация какого-либо одного вещества, сумма концентраций нескольких веществ, индекс нагрузки, реакция биотестов и др. В данном варианте использована одна из возможных форм индекса: среднее по всем элементам превышение фоновых концентраций:

где x_j – концентрация j-го вещества в определенной точке пространства; c_j – фоновая концентрация вещества. В окончательных расчетах индекс был нормирован к единице.

При построении дозовых зависимостей для реакции наземных экосистем на токсическую нагрузку использовались индексы, рассчитанные на основе данных по разным депонирующим средам и формам элементов. Было установлено, что относительные оценки токсической нагрузки в масштабе всего градиента загрязнения мало зависят от выбора депонирующей среды и экстрагента для извлечения подвижных форм металлов. В концепции принята идея о необходимости построения зависимостей доза–эффект для экосистемы в целом. В них дозой выступает количество поллютантов, поступающих в экосистему, или накапливающихся в ней, а эффект рассматривается как параметры экосистемного или популяционного уровней. Для аппроксимации дозовых зависимостей во всех случаях использовалась логистическая функция. При исследовании были выполнены два необходимых условия: исследовано достаточно большое количество пробных площадей, отражающих весь градиент нагрузки, и получена информация о величине токсической нагрузки в каждой учетной точке.

В качестве критериев использовались интегральные параметры состояния отдельных компонентов:

- для древостоя – запас и густота, сомкнутость полога, доля сухостоя по запасу, плотность всходов и подроста;

- для травяно-кустарничкового яруса и луговой растительности – общая фитомасса, видовое богатство, видовая насыщенность, сходство с фоновым сообществом по видовой структуре, доля в фитомассе индикаторных групп (злаки, хвощи, разнотравье);

- для мохового яруса – проективное покрытие, видовое богатство (эпигейные, эпифитные и эпиксильные виды), сходство с фоновым сообществом по видовому списку, обилие доминирующих видов и родов;

- для почвы – параметры почвенного поглощающего комплекса (содержание обменного кальция и магния, степень насыщенности основаниями), сходство с фоновым профилем по оструктуренности горизонтов и выраженности техногенно обусловленных почвообразовательных процессов;

- для лесной подстилки – мощность;

- для эпифитных лишайников – видовое богатство, видовая насыщенность, проективное покрытие на основании ствола и на высоте 1,3 м, сходство с фоновым сообществом по видовому списку, высота поднятия по стволу доминирующего вида;

- для почвенного микробиоценоза – актуальная и потенциальная скорости деструкции целлюлозы, целлюлазная активность, интенсивность накопления аминокислот;

- для почвенной мезофауны – общая плотность населения, доля индикаторных групп (сапрофаги, дождевые черви, энхитреиды, элатериды), сходство таксономической и трофической структуры с фоновым сообществом.

В большинстве случаев дозовые зависимости реакции компонентов наземных экосистем имели «классическую» форму S–образной кривой (рис. 19), что позволило удовлетворительно аппроксимировать зависимости логистическими уравнениями. Это один из важнейших результатов анализа дозовых зависимостей. Ярко выраженная ступенчатость показывает, что для большинства экосистемных параметров реакция на нагрузку нелинейна. Существует два относительно стабильных уровня, соответствующих фоновому и импактному состояниям, с очень резким переходом между ними. Характер перехода оценивается по параметру, характеризующему резкость ступени, – доли градиента (от его общей величины), которая приходится на область перехода. Для большинства рассмотренных показателей этот параметр не превышает 5–10%, что позволяет охарактеризовать переходы как очень быстрые, происходящие по типу триггера. Лишь небольшая часть параметров изменяется плавно. Другими словами, экосистема реагирует на увеличение загрязнения не постепенными изменениями, а скачкообразно. Существование области нагрузок, при которых не обнаруживается существенных изменений в экосистеме, есть проявление устойчивости, наличия эффективных механизмов регуляции.

Рис. 19. Примеры зависимостей доза – эффект для параметров состояния наземных экосистем в районе Среднеуральского и Кировградского медеплавильных заводов.

Именно нелинейность реакции придает объективный статус определяемым критическим нагрузкам и вводимым экологическим нормативам, соответствующим началу выхода из стабильного состояния. Если бы зависимость доза–эффект имела вид прямой линии или плавной кривой, потребовало бы поиска других подходов к нормированию.

Одновременно было установлено, что при сравнении биотопов, различающихся положением в рельефе, прослеживается четкая закономерность: величина критической нагрузки увеличивается в ряду аккумулятивные – транзитные – элювиальные ландшафты. В методическом плане полученные результаты свидетельствуют о необходимости дифференциации экологических нормативов в зависимости от биогеоцинотических условий.

При разработке рассматриваемого подхода к экосистемному нормированию были сделаны следующие упрощения и допущения:

1) все построения основаны на предположении, что экосистемы как в фоновом, так и в трансформированном состоянии находятся в стационарных режимах функционирования, что позволяет зависимость доза – время – эффект редуцировать до зависимостей доза – эффект;

2) нормативы разрабатываются для определенной структуры выбросов;

3) схема исследований может быть корректно реализована лишь в том регионе, фоновая обстановка которого мало отличается от доиндустриального состояния.

В концепции имеются слабые места:

1) разбиение параметров биоты на группы по значимости осуществляется экспертным путем;

2) в получаемом нормативе не учитываются отдаленные последствия загрязнения;

3) нормативы не имеют запаса прочности (введение коэффициентов запаса привело бы к значительному субъективизму);

4) вторичные (технологические) нормативы базируются на материалах официальной статистической отчетности о выбросах, которые могут быть неполными.

Установление экосистемных нормативов базируется на следующих основных положениях концепции. Предельные нагрузки находят путем определения критических точек в дозовых зависимостях. Под критической точкой понимается начало наиболее стремительного изменения параметра. Для построения дозовой зависимости необходимо проведение натурных исследований экосистем, испытывающих воздействие от реального источника выбросов. Предельно допустимая нагрузка – это минимальная из предельных нагрузок по набору параметров. Норматив имеет смысл кратности снижения выбросов до такого уровня, при котором параметры экосистем не будут отличаться от фоновых значений на всем пространстве возле источника. При этом достижение норматива может быть осуществлено тогда, когда выбросы снижены по всем ингредиентам. Полученный норматив означает лишь то, что при найденном уровне нагрузки важные для человека параметры конкретного типа экосистем в данном регионе при воздействии данного источника выбросов не выйдут за критический уровень.

Таким образом, экологические нормативы могут быть установлены в ходе выполнения четырех основных этапов. Выбирается полигон, служащий аналогом для существующих и проектируемых производств. При этом источник эмиссии поллютантов должен действовать достаточно долго, и трансформация экосистем должна выйти на стационарный уровень. Необходимо, чтобы пробные площади представляли собой генетически однотипные биогеоценозы. Полигон не может пересекаться с зонами действия других источников выбросов, а структура выбросов и их объем не должна заметно меняться в течение времени действия источника.

Следующий этап – это измерение величины нагрузки на каждой пробной площади полигона. Для этого отбираются пробы из депонирующих сред (снег, почва, подстилка), в которых определяется содержание поллютантов. На основе этих данных рассчитывается индекс нагрузки.

Третий этап состоит из регистрации на каждой пробной площади основных и коррелятивных параметров экосистем. Проводится построение зависимостей доза–эффект для всех регистрируемых параметров, которые закономерно изменяются по мере увеличения нагрузки. Подбираются аппроксимирующие уравнения логистической кривой, определяются координаты критических точек логистических кривых для всех параметров и выбираются наименьшие абсциссы этих точек для основных и коррелятивных параметров. Наименьшие критические нагрузки служат первичными экологическими нормативами.

Последний этап – анализ технологического цикла производства и определение абсолютных и удельных показателей выбросов. Рассчитываются вторичные экологические нормативы в виде абсолютных и удельных показателей производства, при которых нормальное состояние экосистем наблюдается непосредственно у предприятия. Вторичные нормативы получаются на основе следующего соображения. Существующие величины выбросов соответствуют найденной максимальной мере нагрузки. Необходимо найти такую величину выбросов, которая будет соответствовать полученной предельно допустимой нагрузке. При этом не учитывается дополнительное снижение нагрузки, которое потребуется для возврата уже деградировавших экосистем в исходное состояние. Объемы выбросов должны быть снижены по каждому ингредиенту в отдельности, а не в среднем по всем.

Если говорить о конкретной ситуации, то на основе анализа материалов по дозовым зависимостям были определены минимальные значения критических нагрузок. Для района СУМЗа текущий норматив получился равным 5–9% от максимального уровня нагрузки (необходимая кратность снижения существующего объема выбросов – 11–20 раз). Для района КМЗ текущий норматив составил 17–27% от максимального уровня (необходимая кратность снижения – 4–6 раз). Справедливости ради нужно сказать, что в настоящее время на СУМЗе с применением наилучших доступных технологий полностью модернизировано производство. Это привело к резкому снижению выбросов загрязняющих веществ. Затраты на модернизацию производства составили 12 млрд руб.

В целом предлагаемый биоценотический подход представляется весьма интересным и перспективным при соблюдении вышеуказанных условий. Одно из важнейших требований – формирование импактного региона вокруг конкретного производства без пересечения с другими источниками эмиссии. Поэтому применение представленного здесь алгоритма затруднено в крупных городах, имеющих развитую промышленную и транспортную инфраструктуры.