Лекция 7. Оценка величины критических нагрузок на городские экосистемы

1. Понятие критической нагрузки. Общие положения концепции критических нагрузок.

2. Схема расчета критических нагрузок на городские экосистемы. Требования к исходной информации.

3. Модель расчета критических нагрузок кислотности на экосистему.

1. Для предотвращения загрязнения и/или деградации наземных и водных экосистем городских территорий необходимо, чтобы антро­погенные нагрузки загрязняющих веществ (поллютантов) укладыва­лись в рамки природных колебаний различных звеньев биогеохими­ческих пищевых цепей, что, как правило, должно сопровождаться су­щественным сокращением этих нагрузок. Для определения требуемого сокращения антропогенных нагрузок существуют различные приемы в токсикологии и химии окружающей среды, связанные с установле­нием различных стандартов типа предельно допустимых концентра­ций (ПДК) или ориентировочно допустимого содержания (ОДВ) пол­лютантов в различных средах. Эти приемы обычно основаны на моде­лировании с экспериментальными животными, и их результаты зачастую весьма далеки от реальных условий окружающей среды, что делает применение таких стандартов спорным как с экологической, так иэкономической точки зрения.

Биогеохимическая цикличность является универсальным свой­ством биосферы, определяющим устойчивость любых экосистем, вклю­чая городские экосистемы, к поступлению различных антропогенных поллютантов (кислотные соединения серы и азота, тяжелые металлы, стойкие органические соединения, агрохимикаты и др.). Соответствен­но, концепция критических нагрузок (КН) основана на биогеохимиче­ских принципах и предполагает определение того уровня выпадений пол­лютантов, когда начинает проявляться их вредное воздействие на эко­системы. Величины критических нагрузок могут быть охарактеризова­ны как «максимальное поступление поллютантов (сера, азот, тяже­лые металлы, стойкие органические соединения и др.), которое не сопровождается необратимыми изменениями в биогеохимической структуре, биоразнообразии и продуктивности экосистем в течение длительного времени, т. е. 50-100 лет» (Башкин и др., 2003).

Концепция критических нагрузок предусматривает достижение максимальной экологической выгоды при сокращении эмиссии поллю­тантов, поскольку показывает оценку дифференцированной чувстви­тельности различных экосистем к атмотехногенным поступлениям пол­лютантов. Расчеты и картографирование критических нагрузок позво­лят создавать оптимизационные эколого-экономические модели с соответствующей оценкой минимальных экономических вложений для достижения максимального экологического эффекта в масштабе как все­го города и его частей, так и в региональном масштабе для учета транс­регионального загрязнения. Расчет и картографирование критических нагрузок при мониторин­ге атмосферных выпадений серы и азота могут быть также использова­ны для идентификации регионов, где современные выпадения превы­шают величины критических нагрузок. Эта информация, а также исполь­зование моделей атмосферного переноса позволят определить регионы, где и в какой степени необходимо провести сокращение выбросов ЗВ, что бы обеспечить снижение региональных превышений критических нагрузок.

Критическая нагрузка представляет собой индикатор чувствитель­ности экосистем, определяющий максимально допустимое поступление поллютантов. при котором риск нанесения ущерба экосистеме будет рез­ко уменьшен. Измеряя определенные физические и химические свойства экосистем, можно рассчитать чувствительность экосистем к кислотным выпадениям и определить «критическую нагрузку кислотности». Кри­тическая нагрузка кислотности может быть определена как максималь­ное поступление подкисляющих соединений серы и азота, ниже которого не происходит вредного подкисляющего воздействия на экосистему в те­чение длительного, 50-100-летнего, периода времени. Оценивая же раз­дельное влияние серы и азота, необходимо принимать во внимание совме­стное подкисляющее воздействие обоих этих элементов и эвтрофирующее влияние одного азота. В таком случае критическая нагрузка серы представляет собой максимальное поступление этого элемента в экосис­тему, ниже которого не происходит вредного подкисляющего воздействия. А критическая нагрузка азота - максимальное поступление азота в эко­систему, ниже которого не

происходит как подкисляющего (совместно с серой), так и эвтрофирующего воздействия соединений азота на биогео­химическую структуру и функции экосистем.

Соотношение основных катионов (Са, Mg, К, Na) с алюминием, а также концентрация свободного иона Аl³⁺ используются как индикаторы равновесных геохимических и биогеохимических процессов. На основа­нии многочисленных экспериментальных данных принято, что крити­ческое соотношение основных катионов с алюминием должно быть выше 1:1, а концентрация иона А1³⁺ - меньше или равна 0,2 млэкв л (эквивалент (экв) - количество химического вещества, реагирующее с одним атомом водорода; используется при расчетах критических на­грузок для сравнения воздействия различных элементов (сера, азот, кальций, магний, калий, натрий, водород, алюминий и др.).

В зависимости от типа воздействия в качестве наиболее чувстви­тельных элементов в наземных и водных экосистемах могут быть самые разные организмы:

1. почвенные микроорганизмы и почвенная фауна, водные и донные организмы, ответственные за биогеохимические циклы в почве и других компонентах экосистем (например, снижение их биоразнообразия);

2. наземная фауна, такая как животные и птицы, водные растения (например, снижение воспроизводства, биоразнообразия, эвтрофирова-ние);

3. человек как замыкающее звено в биогеохимической пищевой цепи (например, возрастающая в кислых условиях миграция тяжелых метал­лов в почвах и водах приводит к их избыточному поступлению в орга­низм человека и др.)

Требования к исходной информации. Критическая нагрузка представляет индикатор устойчивости экосистемы, поскольку показывает величину максимально допустимого поступления загрязняющих веществ, выше которой существует риск повреждения биогеохимической структуры и функций рассматривае­мой городской экосистемы. Путем измерения или оценки определенных звеньев биогеохимических циклов серы, азота, основных катионов и не­которых других сопряженных элементов можно определить уровень устойчивости или чувствительности как биогеохимических циклов, так и общей структуры экосистемы к поступлению подкисляющих и эвтрофирующих соединений. Может быть рассчитан критический уровень поступления кислотности и/или критический уровень поступления питательных веществ, который определяет возможность изменения биоразнообразия в экосистеме.

Используя эти величины, можно рассчитать критическую нагруз­ку кислотности для каждой экосистемы на территории того или иного городского региона. Расчет критических нагрузок осуществляется для всех возможных комбинаций почв и растительных видов в случае на­земных экосистем или водной биоты (включая рыб) и природных типов вод для водных экосистем. Принимая во внимание широкое разнообра­зие городских экосистем, величины критических нагрузок кислотности, серы и азота сравнивают с поступлением этих соединении с атмосфер­ными осадками, удобрениями и бытовыми и промышленными отходами и выявляют экосистемы, для которых величины критических нагрузок превышены. Сопоставляя величины превышений для различных город­ских территорий, можно определить такой уровень необходимого сокра­щения эмиссии соединений серы и азота, чтобы величины критических нагрузок не были превышены. Это сокращение должно осуществляться как на локальном, так и региональном уровне, поскольку соединения серы и азота за время жизни в атмосфере могут быть перенесены на зна­чительные расстояния (до нескольких тысяч километров). В конечном итоге, величины критических нагрузок могут рассмат­риваться как биогеохимические стандарты для оценки допустимого ан­тропогенного воздействия на городские экосистемы различного уровня.

2. Схема расчета критических нагрузок. Оценку возможного воз­действия на наземные и водные экосистемы можно выполнить на осно­вании подхода, показанного на рисунке 1.

Выбор рецептора