Проблема экологической устойчивости в экосистемном нормировании

Экосистемное нормирование, в частности разработка численных значений ПДАН, как следует из определения, базируется на определении устойчивости. Оценке устойчивости геосистем к антропогенным нагрузкам в последние годы уделяется большое внимание в связи с расширением геоэкологических исследований. Инте­рес обусловлен качественно новым подходом крешению проблем охраны окружаю­щей среды. Сбор и накопление информации об экологическом состоянии геоси­стем разного уровня (последние десятилетия XX в.) привели к необходимости выра­ботки новых приемов в систематизации полученного материала, а также создания научно обоснованного прогноза развития ПТК в условиях нарастающего антропо­генного воздействия. Для геопрогноза задачей первостепенной важности стала раз­работка системы критериальных оценок экологической устойчивости геосистем, что особенно актуально в связи с развитием экологического нормирования.

Устойчивость — фундаментальное понятие в теории геосистем широко исполь­зуется для оценки предельно допустимого уровня вмешательства человека в при­родную среду, в том числе при анализе экологического состояния ландшафтов, водных систем, почв, геологической среды, растительности. Под устойчивостью экосистемы понимается ее способность при воздействии внешнего фактора пре­бывать в одном из своих состояний и возвращаться в него в силу инертности и вос­станавливаемости, а также переходить из одного состояния в другое вследствие пластичности, не выходя при этом за рамки инварианта в течение заданного ин­тервала времени. Инертность (И) — способность геосистемы при внешнем воздей­ствии сохранять свое состояние в течение заданного интервала времени неизмен­ным; восстанавливаемость (В) — способность восстанавливать свое состояние после возмущения; пластичность (П) — наличие у геосистемы нескольких состо­яний и ее способность переходить в случае необходимости из одного состояния в другое, сохраняя за счет этого инвариантные черты структуры. Инвариант — свой­ство (или свойства как совокупный инвариант) системы, не изменяющееся при внешних воздействиях в пределах ее устойчивости. Таким образом, формула устой­чивости будет иметь следующий вид:

У = И + В + П.

При обосновании количественных оценок устойчивости необходимо разли­чать устойчивость природной среды и ее отдельных компонентов и устойчивость сформировавшейся природно-техногенной системы (ПТС), т. е. нового образова­ния, включающего биоценоз, экотоп и нооценоз. Их взаимодействие на опреде­ленном уровне антропогенного вмешательства создает ПТС, характеризующуюся эмерджентностью, т. е. новыми свойствами, не повторяющими свойства ее элемен­тов. Устойчивость ПТС обусловлена способностью при воздействии различных природных, техногенных и активизированных техногенезом природно-техноген­ных факторов сохранять (или восстанавливать) равновесие связей и параметров состава, структуры, состояния и свойств отдельных компонентов, обеспечивая единство структурных и функциональных отношений.

Устойчивость при действии внешних техногенных факторов следует оценивать только применительно к конкретному виду нарушений. Одна и та же система мо­жет быть устойчива к одним воздействиям и неустойчива к другим. Любая геосисте­ма обладает свойством селективной реакции на разные внешние воздействия. Ус­тойчивость системы — комплексный критерий, который можно использовать при нормировании нагрузок на природно-территориальные комплексы.

Используются два основных подхода к оценке устойчивости. Широкое распро­странение получили экспертные оценки на основе балльных шкал, базирующиеся на квалифицированном анализе результатов геоэкологических исследований. Они применимы к сложным системам, для которых затруднено получение конкретных значений — нет расчетных методик. Работа экспертов начинается с определения иерархической системы признаков, на основании которых оценивается устойчивость геосистемы. Собственно экспертный анализ заключается в установлении оценок важности и выраженности признаков. По специальной программе выполняется рас­чет относительных показателей. Одним из способов статистического анализа (на­пример, по критерию Шеффе) оценивается согласованность результатов работы экспертов. При удовлетворительном сходстве интегральных показателей выполня­ется дальнейший расчет экспертных оценок. Для оценки устойчивости структурных частей геосистемы необходим предварительный анализ существующего уровня тех­ногенной нагрузки. С этой целью проводятся полная инвентаризация источников и видов воздействия и расчет их «рейтинговых оценок» по специальной программе.

Для того чтобы установить предельно допустимые антропогенные нагрузки на экосистемы, нужны количественные методы оценки устойчивости, а их разработ­ка — методически не простая задача. Расчетные методы определения значений этого параметра в настоящее время ограничены. Они могут использоваться при детальных исследованиях отдельных компонентов системы применительно к кон­кретным видам воздействий. В процессе решения указанной задачи необходимо количественно охарактеризовать воздействия и обосновать пороговые значения для компонентов геосистемы или ПТС. При этом применяются показатели ассимиляционной емкости геосистемы (при химическом и физическом загрязнении) и геодинамического потенциала территории (при геомеханическом воздействии и активизации экзогенных геологических процессов).

На основании современных представлений выделяют несколько свойств эко­логической устойчивости. Во-первых, как упоминалось раньше, геосистема и ее компоненты обладают разной устойчивостью к различным воздействиям и нару­шениям. Иными словами, геосистема может быть устойчива к одним воздействи­ям и неустойчива к другим. Например, гумифицированные (с высоким содержа­нием органического вещества) донные осадки устойчивы к химическому загряз­нению и неустойчивы к механическому воздействию.

Во-вторых, устойчивость эмерджентна, т. е. признаки устойчивости системы отличаются от таковых элементов или подсистем. Отсюда устойчивость отдельных компонентов не обязательно обеспечивает устойчивость всей системы. Так, отно­сительная устойчивость абразионных берегов к химическому загрязнению стано­вится причиной уязвимости геосистемы прибрежной зоны в целом.

В-третьих, при оценке геосистем разных иерархического уровней (биосферно­го, регионального, локального) изменяется набор главных факторов устойчивости. На биосферном уровне факторами устойчивости могут выступать показатели потен­циальных техногенных нагрузок (через речной сток, атмосферный перенос, диффуз­ное поступление загрязняющих веществ) и глобальные характеристики ассимиля­ционной емкости оцениваемых регионов (климатические условия, открытость сис­темы и др.). Иными словами, оценка устойчивости геосистемы планетарного мас-штабаможет проводиться на основе феноменологическихмоделей. На региональном и локальном уровнях основное значение приобретают факторы устойчивости кон­кретных абиотических компонентов среды и биотической составляющей. Большое значение имеют показатели ассимиляционной емкости системы (геохимические барьеры, ассимиляционные показатели компонентов среды, геохимические усло­вия). На этих уровнях целесообразно использование прогностических моделей.

В практике исследований при сравнительной оценке устойчивости систем или подсистем вследствие их многофункциональности и вариантности возникает про­блема поиска критериев сравнения. Как один из подходов к выбору критериев срав­нения используется термодинамическая (энтропийная) концепция устойчивости. Структура, функции и эволюция геосистемы, во многом определяющие устойчи­вость, зависят от обмена веществом и энергией с окружающей средой, а также от увеличения или уменьшения энтропии системы.