Лекция №5 МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ К ТЕХНОГЕННЫМ НАГРУЗКАМ.

 

Лекция №5

 

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ К ТЕХНОГЕННЫМ НАГРУЗКАМ.

 

1. Устойчивость природных систем и ее оценка.

 

Экосистемные принципы нормирования вредных воздей­ствий на элементы природной среды - важнейшая часть тео­ретической базы управления состоянием природных ресур­сов. Механизмы нормирования - лимитирование на основе принципов пороговости действия и приемлемого риска, лицензирование, сертификация, паспортизация и другие административно-управленческие подходы.

Методологические подходы к нормированию вредных воздействий должны быть основаны на таком общесистем­ном свойстве, как устойчивость, под которой понимают способность систем возвращаться в состояние равновесия после их выведения из этого состояния под влиянием внеш­них (или в системах с активными элементами - внутрен­них) возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам с постоянным значением выход­ных результатов (параметров), когда их отклонения не пре­вышают некоторых пределов, или запаса устойчивости.

Рассмотрим это понятие на примере. Тепло и влага в гео­системах распределяются относительно их оптимального соотношения в двух формах:

- избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности и

- недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности.

Если испаряемость меньше, чем коли­чество влаги, поступающей на деятельную поверхность, создаются естественные условия накопления воды в почвах и породах, а также на поверхности водосборов. Если же испа­ряемость преобладает над количеством атмосферных осад­ков, в элементах водосборов формируется дефицит влаги. В первом случае избытку влаги обязательно сопутствует недостаток тепла, во втором - недостатку влаги - избыток тепла. На границе этих двух противоположностей существуют условия равновесия между избыточным и недостаточным увлажнением, а также избыточной и недостаточной тепло обеспеченностью. 

Понятие устойчивости определяется как условиями ста­тики (равновесия), так и динамикой направленных изменений тепла и влаги на пространственно-временной последователь­ности переменных состояний водной геосистемы. Именно изу­чение динамики этих соотношений наиболее информативно с точки зрения определения траектории поведения систем.

Кроме устойчивости отдельных компонентов природных и природно-техногенных систем принято различать есте­ственную устойчивость и устойчивость, сформированную в условиях воздействия техногенеза.

Поиск пределов запаса устойчивости систем в условиях техногенеза методически развивается в двух направлениях.

К первому относится направление, основанное на мето­дах нормирования отдельных показателей природных (при­родно-техногенных) систем с их последующим суммирова­нием по балльной системе относительно некоторых эталонов (например, оценка защищенности или уязвимости подзем­ных вод).

Второе направление базируется на построении математи­ческих моделей, отражающих сами механизмы существова­ния устойчивости. На основе этих моделей могут быть полу­чены критические значения параметров устойчивости систем в эмпирическом выражении, при достижении которых она теряет это важнейшее свойство. По отношению к этим крити­ческим значениям определяется вариант развития системы.

Таким образом, оценка устойчивости природных систем не сводится к учету только одного какого-либо свойства, она получается как результат учета (перебора) многих свойств системы, характеризующихся большим набором параметров на определенном интервале времени. Поэтому при проведе­нии оценок устойчивости необходимо проводить обоснова­ние выбираемых критериев оценки (параметров).

В системном анализе принято выделять три вида устой­чивости:

1)    инертную (резистентную) - способность системы сохранять свое состояние при внешнем воздействии в тече­ние некоторого периода времени;

2)    пластичную - способность переходить из одного состояния равновесия в другое, сохраняя свои внутренние связи;

3)    восстанавливаемую (упругую) - способность возвра­щаться в исходное состояние после внешнего воздействия.

Оценка устойчивости геосистемы может быть дана с точ­ки зрения ее энергетики. Геосистема считается устойчивой, если она обладает своего рода внутренней энергией, способ­ной производить работу, направленную против изменения состояния природной среды (действия внешних факторов).

Сложности учета разнообразных видов устойчивости реальной экосистемы связаны с тем, что различные ее эле­менты (подсистемы) используют различные механизмы для обеспечения устойчивости:

—                  устойчивость геосистем обеспечивается разбавлением, обменной и необменной сорбцией, миграцией веществ, что в целом характеризует механизм регенерационной устойчи­вости;

—                  биота сохраняет устойчивость путем адаптации орга­низмов к антропогенным воздействиям вследствие внутрен­ней резистентности биохимической организации, разложе­ния новообразований в результате обмена веществ и т.п., это сущность механизма адаптационной устойчивости.

В практике экологического нормирования чаще исполь­зуется адаптационная составляющая устойчивости для получения количественных оценок уровня устойчивости конкретных природных систем. При этом в основу разра­ботки нормативов положена математическая теория устой­чивости.

А. Согласно теории устойчивости по А. М. Ляпунову, устойчивой считается экосистема, которая может довольно длительное, время существовать и развиваться при разру­шающих внешних воздействиях без ущерба для основных ее элементов (например, без вымирания и деградации био­логических видов).

Б. Устойчивость по Ж. Лагранжу предполагает, что при внешних воздействиях экосистема способна развиваться в границах, определяющих зону «нормальных» значений ее состояний.

Количественную оценку устойчивости экосистемы мож­но получить определением индекса устойчивости.

Анализ устойчивости конкретных экосистем на практике применяется для нормирования нагрузок на них с тем, чтобы система была способна оставаться в пределах «нормы». При этом используют следующие подходы:

Анализ зависимости «доза-эффект», связывающей антропогенную нагрузку как входной параметр экосистемы с ее состоянием - выходным параметром. В частности, используется подход, основанный на понятии критической точки этой зависимости. При выходе нагрузки на критиче­скую точку экосистема переходит в область новых качествен­ных состояний. С математической точки зрения за пределами этой точки негативные изменения состояния экосистемы будут происходить значительно быстрее, чем до нее.

Модификация представленного подхода - способ опре­деления предельной нагрузки как максимально недейству­ющей: определяется такая величина нагрузки, при которой функция состояния системы не проявит заметной реакции на воздействие (эффект нового). Предполагается, что функ­ция «эффекта» имеет пороговый характер по отношению к воздействию («дозе»).

В другой группе методов полагается, что нормативы состояния системы определяются границами есте­ственной флуктуации ее параметров, предельно допусти­мая нагрузка не должна выводить экосистему за их уровни. Так, допустимый уровень воздействия не должен вызывать роста доли естественно гибнущих видов живых организмов.

Модификация этого направления - подход, предпола­гающий возможность изменения параметров экосистемы на допустимую величину. Предельно допустимая нагрузка определяется исходя из ограничения: возможное сниже­ние продуктивности экосистемы не должно превышать 20%. Этот норматив положен в основу зонирования терри­торий с точки зрения их экологического неблагополучия, хотя общеизвестное правило 10% гласит, что необра­тимые изменения в экосистеме наступают уже при 10%-ном отклонении от траектории ее развития. Однако из практики известны примеры, когда экосистемы способны дегради­ровать при отклонении от траектории даже на 1%. В то же время запас устойчивости для других экосистем (и по отно­шению к другим факторам) может составлять и 60%.

В большинстве исследований предлагается весь спектр возможных состояний экосистемы (от идеального до полно­стью разрушенного) разделить на четыре зоны - нормы (Н), риска (Р), кризиса (К) и бедствия (Б):

—                  зона экологической нормы: территории, способные выдержать существующую (и, может быть, дополнитель­ную) экологическую нагрузку без снижения уровня эко­логического качества, деятельность объектов на которых осуществляется без существенного увеличения рисков эко­номических потерь;

—                  зона экологического риска: территории с нарушением экологического качества, при котором возврат в устойчивое состояние возможен, но при условии либо снижения уровня антропогенного воздействия, либо проведения комплекса восстановительных мероприятий. Риск получения ущер­бов при деятельности на таких территориях существенно увеличивается, если не предпринимаются меры по защите от неблагоприятных воздействий, обусловленных сниже­нием качества окружающей среды;

—                  зона экологического кризиса: территории, разрушения в которых могут быть устранены только при полном прекра­щении антропогенной нагрузки и проведении необходимого комплекса восстановительных работ. Иными словами, пред­принимаемые меры по снижению риска оказываются недо­статочными для избежания рисков экономических потерь;

—                  зона экологического бедствия: территории с практиче­ски необратимыми нарушениями экосистем. Экономические ущербы при деятельности на таких территориях неизбежны при любых защитных мероприятиях.

Границы этих зон устанавливаются с учетом выбран­ной системы показателей уровня качества экологического состояния территории. Так, при использовании показателя доли деградированной площади зону Н определяют терри­тории с долей деградированных площадей менее 5%, зону Р - в пределах 5-20%, зону К – 20-50% и зону Б - свыше 50%.

Подчеркнем, что установленные градации во многом условны, и для реальных экосистем такое грубое деление не всегда оправдано. В настоящее время разработаны более обоснованные методы, позволяющие давать интегральную характеристику состояния территорий. В частности, это подход, предполагающий выделение поясов экологической безопасности для хозяйственных объектов на основе данных экологического мониторинга с обоснованием оптимальных методов управления природопользованием для выделенных зон.

 

2. Критерии деградации наземных экосистем.

 

Степень деградации экосистемы оценивается по крите­риям, которые определяют негативные изменения в струк­туре и функционировании экосистем и учитывают их про­странственную дифференциацию по степени нарушенности, а также динамику процессов деградации.

Системные критерии состояния природной среды подраз­деляют:

—                  на ландшафтные: вытекают из методологии ландшафт­ного планирования, основаны на представлениях о естествен­ной емкости ландшафта по отношению к нагрузкам, структур­ной сложности и нормах нарушенности (соотношения между измененными и ненарушенными урочищами и другими эле­ментами ландшафта). При оценках состояния степень пре­образования ландшафта, деградации ландшафтных единиц, ресурсно-сырьевая нагрузка и распределение загрязнений приводятся в процентах от площади или по структурным ком­понентам, предпочтительно в виде картосхем;

—                  экосистемные: показатели нарушенности сукцессионного процесса, которые отражают нарушения в закономер­ных изменениях видового разнообразия, спектра жизненных форм, биомассы, продуктивности, накопления отмершей орга­ники, деструкционной активности, биогенного круговорота. При наступлении кризисной ситуации возможны снятие климаксной фазы, девиация (отклонение) вплоть до переключе­ния на иную последовательность или ретроградное развитие.

Видовое разнообразие наиболее эффективно оценивается с помощью индексов, которые характеризуют выравненность встречаемости вида.

При оценках и прогнозировании состояния экосистем с точки зрения их устойчивости весьма важным является представление о лимитирующих факторах. Они ограничи­вают возможности существования экосистемы, несмотря на то что другие характеристики других факторов могут оставаться весьма благополучными.

В роли лимитирующих могут выступать факторы, присут­ствующие не только в минимальных, но и в максимальных количествах (закон толерантности В. Шелфорда). Диапа­зон между минимумом и максимумом определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фак­тору. В роли лимитирующих факторов для экоси­стем наиболее часто выступают температура, свет, наличие биогенных веществ, течения и давление в среде, пожары.

Оценка экологического состояния территории должна проводиться с учетом:

—                  площади проявления негативных изменений, посколь­ку при равной степени деградации участка территории воз­можность восстановления обратно пропорциональна его пло­щади;

—                  пространственной неоднородности распределения участков разной степени деградации на исследуемой терри­тории;

—                  изменения показателей в разных природно-климатиче­ских зонах.

Скорость деградации экосистем рекомендуется рассчи­тывать по 5-10-летним рядам наблюдений. Для про­гноза ухудшения экологической обстановки и проведения мероприятий по ее стабилизации и улучшению необходимо оценивать направленность и скорость деградации экосистем при напряженной экологической ситуации.

Таким образом, оценка устойчивости экосистем прово­дится на основе пространственных и временных (динамиче­ских) признаков с выделением ряда дополнительных показа­телей, которые иногда имеют больший отклик на изменения экосистем в зависимости от видов воздействий. На основа­нии обобщения результатов полевых исследований выяв­лено, что надежными индикаторами устойчивости или дег­радации земель являются:

·        основные характеристики растительности (общей, подземной, мертвой и живой надземной биомассы, проек­тивного покрытия);

·        морфологические характеристики (мощность органо­генного слоя);

·        агрохимические характеристики (содержание гумуса, фосфора, калия);

·        водно-физические характеристики (полная, капилляр­ная и молекулярная емкость запасов доступной влаги);

·        теплофизические характеристики;

·        устойчивость и деградированность почвенно-расти­тельного покрова;

·        динамика основных характеристик биопродуктивно­сти почвенно-растительного покрова в процессе его самовос­становления;

·        противоэрозионная устойчивость.