Методика и техника эксперимента при определении предельно допустимых атмосферных выбросов предприятий цветной металлургии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МЕЖДУНАРОДНАЯ НЕПРАВИТЕЛЬСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ "4СОРУ1Г АГЕНТСТВО БИОШНОРМАТНКИ И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА

РГ6 од

г ^ ноя

На правах рукописи УДК 614.71+614.777/083

СТЕПАНОВ Александр Михайлович

ЖТОЯИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИЛИ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦВЕТНОЙ ЖТАЛЛУРГШ

Специальность 01.04.01. - прибора и техника эксперимента 03.00.16. - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора фиаико-ыатемагических наук

Москва *1903>*

Работа выполнена в Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А. М.Тарко, доктор физико-математических наук Е А. Светлосанов, доктор экономических наук 0. П. Кравчино.

Ведущая организация - Московский институт стали и сплавов

Защита диссертации состоится "^УкСьЬрЯ 1993г в 13 часов на заседании Специализированного Совета Д 170. 01.01. при Агентстве биоинформатики и экологии человека Международной неправительственной организации "ФЭРУМ" по адресу: 117607, Москва, ГСП-7, пр. 60-летия Октября, 7/1, конференц-вал. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агентства биоинформатики и экологии человека.

Автореферат разослан " 5." НОЯ^Р^ 1983 г.

Ученый секретарь Специализированного Срвета, доктор биологических наук:

/

К М. Львов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблеьы. Действующее в настоящее время санитарно-гигиенические нормативы в виде системы предельно допустимых концентраций токсических веществ (ЦДК) призваны защитить человека от воздействия загряанений окружающей среды. Однако одной этой системы для защиты человека недостаточно, так как окружающая среда воздействует на человека не только непосредственно, но и опосредованно.

Непосредственно - череа потребляемые им компоненты окружающей среды: воздух, воду, пищу, рекреационные ценности и т. д. Опосредованно - через доброкачественное, продуктивное состояние самой среды, то есть природных систем океана и суши, ее слагающих, во всем их комплексе, на всех широтах Земли, вне зависимости от того, живут'там люди или нет. Даже там,, где люди не живут и не ведется никакой хозяйственной деятельности, в отдаленных районах, биосфера выполняет важные для человека Функции: продуцирует кислород, очищает воду и воздух, производит биомассу растений и животных, поддерживает циклы э»ерго- и массообмена, хранит генофонд дикой природы. Все эти компоненты окружающей среды, как и многие другие, здесь не названные, не менее важна для человека, чем непосредственно им потребляемые, и также должны быть охвачены исследованиями, мониторингом, нормированием. В загрязненных зонах городов и промышленных агломераций люди могут существовать и работать только при благополучном и продуктивном состоянии биофона планеты.

Поэтому параллельно с системой санитарно-гигиенических ЦЦК должна быть разработана система экологических предельно допустимых концентрации (ЗЩК), призванная защитить от антропогенных воздействий природные сообщества, а на ' ее основе должны быть рассчитаны экологические предельно допустимые выбросы промышленных предприятий (ЗПДВ).

В этом направлении работают ряд ученых и научных коллективов Москвы, Санкт-Петербурга и др. городов; Уральского и Кольского центров РАН: Д. А. Криволуцкий, Ю. Г. Пузсченко, ¡0. И. Чернов, А. М. Тар-ко, 0. А.Шстолова, В. С. Беаель, HTM. Люоашзвский, В. В. Крючков, Г. А. Евдокимова, Т. Д. Макарова, В. В. Никонов, В. Т. Ярмишко, В. А. Алексеев, Р. Т. Карабань, Е. Г. Мозолевская, В. С. Николаевский, В. Ф. Цветков и др. За рубежом подобные работы также ведутся достаточно широко.

■i -13h5*

Особенно много исследований осуществлено при изучении воздействия на лесные сообщества дымо-гааовых выбросов двух металлургических комбинатов: Гузумского (Швеция) и комбината в Садбери (Канада).

Изучение этих работ показало, что полученные й них результаты содержат ценную информацию по отклику различных структурно-функциональных блоков лесных экосистем на антропогенную, в том числе на токсическую, нагрузку. Однако, наряду с развитием этих работ возникает необходимость их объединения, генерализации с те^Л чтобы выйти на уровень реакции экосистем как целого на антропогенные воздействия.

Однако обобщить и генерализовать реаультаты этих работ не представляется возможным,- так как они получены на разных объектах, в разных экологических условиях, с использованием различных методов. Таким образом, нормативы ЭПДК-ЭПДВ в настоящее время находятся в стадии становления, в связи с чем актуальным остается разработка критериев допустимого. антропогенного воздействия на природные комплексы. Иными словами, необходимо понять: что, где, когда и как надо изучить в природных экосистемах, чтобы обосновать нормы воздействия на них со стороны промышленных предприятий, а затем пересчитать эти нормативы на выбросы из труб.

Необходима организация комплексных работ, когда все нужные данные получаются на одних и тех же пробных площадях, по единой методологии, в сжатые фенологические сроки.

Цель работы. Разработать методологию определения экологических предельно допустимых атмосферных выбросов промышленных предприятий и применить ее к конкретным комбинатам цветной металлургии.

Задачи исследований:

- критически осмыслить действующую систему санитарно-гигиенического нормирования и по аналогии с ней разработать принципы и методику экологического нормирования;

- разработать методику и технику экспериментальны* полевых исследований при изучении воздействия дымо-газовых смесей предприятий цветной металлургии на лесные экосистемы;

- разработать и обосновать принципиально ноеьн критерии допустимой токсической нагрузки из лесные сообщества;

- разработать методику расчета предельно допустимых атмосферных выбросов предприятий цветной металлургии;

- Б -

- разработать методику дешифрирования аэро- и космоснимков по оптической плотности отображений для целей оценки состояния и биологического ущерба, наносимого природным сообществам со стороны промыиленньас предприятий.

Материалы, положенные в основу работы. При решении поставленных -задач были обобщены многолетние (1967-1992) оригинальные исследования автора по изучению воздействия атмосферных выбросов четырех комбинатов цветной металлургии на окрестные лесные сообщества: в Уральском регионе - Карабашского и Красноуральского медеплавильных комбинатов; в регионе Кольского полуострова - комбинатов "Североникель" и "Печенганикель".

В ходе этих работ были всесторонне изучены отклики лесных экосистем на токсическое воздействие дымо-газовых выбросов комбинатов, разработана методика генерализации этих данных, что позволило выйти на экосистемяый уровень исследований.

Комплексный характер работ позволил привлечь к исследованиям специалистов разного профиля. разработка методологии, определение задач, разработка программы исследований, организация работ и оперативное руководство ими, а, "?акже обобщение полученных результатов, их теоретическое обоснование выполнены автором лично при непосредственном личном участии в работах на всех этапах исследований.

Фитоценотические работы проводились Т, В. Черненьковой и Е. а Усолкиной; меэофауна почв изучалась А. Д. Тихомировой, Т. Е Верещагиной, Р. Г. Куперманом, Е. Л Воробейчиком, Л. С. Некрасовой и Г. Г. Коневой; микроартроподы почв - ■ Г. М. Ханисламовой; почвенные водоросли - Р. Р. Кабировым; мелкие млекопитающие - О. Ф. Садиковым и Г. Д. Катаевым; подготовка образцов природных вод и снега к химическому анализу осуществлялась по методике, разработанной сов, местно с ЕЕ Сычевым и М. В. Вирцавсом; обработка космических изображений выполнена О. В. Бутусовым по разработанным им алгоритмам; существенную помощь в дешифрировании космоснимков оказал В. В. Виноградов. Наиболее трудоемкие и массовые работы по отбору образцов, ручной разборке,-укосов и почвенных проб выполнялись 6 привлечением студентов Башкирского государственного педагогического института, Уральского и Московского университетов. • г'

Результаты комплексных исследований опубликованы в совместных работах. Всем коллегам по совместной работе автор выражает глубокую признательность и благодарность.

Научная новизна.

1. В отличие от предшествующих методик, оценка токсического воздействия атмосферных выбросов на лесные сообщества основана на анализе с помощью разработанной концептуальной -квазистационарной модели взаимодействия дымо-газовых смесей предприятий цветной металлургии и лесных экосистем.

2. Подвергнуты ревизии и усовершенствованы методология и техника экспериментальных полевых исследований при изучении реакции лесных сообществ на токсическое воздействие.

3. В качестве критерия допустимой нагрузки используется обнаруженный впервые порог токсического воздействия атмосферных выбросов металлургических производств на лесные экосистемы.

4. При оценке комплексного токсического воздействия на лес используется приближение трассеров, причем учитываются эффекты си-нэргизма и антагонизма отдельных компонентов техногенного загрязнения.

5. Оценка состояния лесных экосистем и расчеты биологического ущерба основаны на предложенном интегральном коэффициенте сохранности (ИКС), отличающимся от предшествующих индексов состояния Солее полным учетом параметров структурных блоков лесных экосистем и использованием приема нормирования на максимальное значение в выборке, что обеспечило корректную генерализацию больших массивов экспериментальных данных.

6. Нормирование воздействия на лес осуществляется не подбором приемлемых значений концентраций токсикантов, а основано на изучении критериев устойчивости, внутренне присущих лесным экосистемам, что дает возможность численного сравнения статической устойчивости лесов разных широтных зон.

7. Для упрощения расчетов предельно допустимых, выбросов металлургических комбинатов при эняется новый подход, использующий простые эвристические модели атмосферного переноса загрязнений.

8.' Разработано приближение ловушки света в предложенной методике использования аэро- и космических снимков для целей оценки состояния и биологического ущерба, наносимого природным экосисте-

ш со стороны промышленных предприятий.

Практическая и теоретическая значимость работы. Результаты, »лученные в диссертации, могут быть использованы для построения | региональному принципу системы экологических предельно допусках нормативов (ЗЩЩ-ЭПДВ), которая должна действовать парал-'льно с системой санитарно-гигиенических ПДК и защищать природ-т сообщества от антропогенного воздействия.

Нормативы ЭЦДК-ЭЦЦВ могут быть использованы для разработки 13личных аспектов природоохранного законодательства, для обосно-шия требований к снижению атмосферных выбросов, предъявляемых к икдому конкретному предприятию, для проведения экологических сспертиз действующих, строющихся и проектируемых промышленных >едприятий, могут бить использованы для обоснования выбора места ;роительетва промышленного предприятия из ряда альтернативных цриантов.

Предложенная методика вычисления сравнительной статической зтойчивости лесных биогеоценозов при дальнейшем накоплении дана может служить основой для построения карт статической устой-1воети лесов.

Разработанная в диссертации методика дешифрирования космсс-дмков по оптической плотности изображений с использованием поде-' /тниковых экспериментов и вычисления на их основе интегрального эзффициента сохранности природных комплексов - ИКС может быть эпольэована при обработке больших массивов мелкомасштабных кос-эснимков, накопленных за последние 20-30 лет, что позволит вылить тренды в изменении состояния природных систем, их деградацию эд действием антропогенных нагрузок с оценкой биологического церба.

Предложенные в диссертации эвристические модели существенно прощают модельные расчеты локального атмосферного переноса про-ышленных токсикантов при сохранении достаточной точности таких асчетов.

В целом полученные результаты составляют единую методологию ормирования атмосферных выбросов промышленных предприятий, в ко-орой использование разработанных методик приводит к получению овых результатов и существенному сокращению трудоемких полевых сследований, сокращению объема расчетов на математических моде-их и упрощению процедур дешифрирования космоснимков.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 7 международных (Ленинград, 1967; Ташкент, 1985; Москва, 1985; Ленинград, 1988; Будеевицы, 1989; Сванвик, 1992; С-Петербург, 1992) и 24 всесоюзных конференциях, а также доложены и обсуждень на научных семинарах в Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, ИЭМЗЖ РАН, ИЭРиЖ РАН, ИГ АН, ИЛУ. ИЗШРАН, ШТ АН. МГУ, ЛГУ, Ужгородском ГУ, Московском институте стали и сплавов, Башпединституте, Московском филиале географического общества, МОЛЛ, Госстрое СССР, Ин-те физики и Ин-те неорганической химии Латвии, Мурманском областном комитете охраны природы и ряде другю организаций и вошли в курс лекций, читаемых автором по программ« переподготовки работников природоохранных организаций при Экологическом фонде России.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 77 работ, в том числе 2 монографии, 1 авторское свидетельство и 1 методическое пособие.

- 9 ~ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первом разделе, который является вводным, дается общая постановка задачи, формулируется цель работы и обосновывается актуальность исследуемой темы и ее прикладное значение.

В ходе работы необходимо установить однозначное соответствие между пятью блоками данных с помощью пяти процедур (рис.1).

Рис.1. Схема процедуры экологического нормирования

В основу технико-экономических расчетов заложено уравнение материального баланса технологического процесса предприятия. С помощью этого соотношения устанавливается связь продукции промышленного предприятия с максимально возможным сбросом в окружающую зреду вредных токсических отходов, а также взаимозависимость экономических показателей производства о условием выполнения природоохранных нормативов.

Уравнение- материального, баланса зжбого' технологического процесса (Кравчино, 1989):

Mi + m = мз + M4 , где Ml - основные материалы (сырье), М2 - вспомогательные матер1 аяы (сырье), }£3 - продукция предприятия, М4 = М4'+ М4" - общ-отходы производства.

Часть отходов М4* улавливается и перерабатывается. Другг часть М4" сбрасывается в окружающую среду. Величина М4" характе ризует технологический процесс производства и степень утилизащ-отходов и представляет собой максимально возможный (с точки зре ния технологии) выброс в окружающую среду.

В задачу предприятий входит удовлетворение потребностей продукции и снижение загрязнения окружающей среды до природоо> ранных нормативов. Первая задача решается предприятием путем прс изводства продукции исходя из экономической целесообразности, вторая за счет природоохранной деятельности. При этом выбросы окружающую среду должны поэтапно (по мере роста экономичесга возможностей предприятий) снижаться до экологически предельно дс пустимых выбросов (ЭЦДВ).

Конечный итог эффективной деятельности предприятия, в соо^ ветствие с которым оно оценивается, предусматривает в числе ochoi ных составляющих и экологический фактор - природоохранные затрат и ущерб от загрязнения окружающей среды. В этом случае выбор на! более эффективного развития предприятия целесообразно осущес: влять исходя из минимума приведенных производственных (в том чи< ле и природоохранных) затрат и экономического ущерба от загрязн* ния окружающей среды, при условии нормальной рентабельной рабо' предприятий (с учетом платежей за загрязнение и природопользов. кие) и поэтапного достижения экологически допустимых уровней за: рязнения окружающей среды.

п

S = min 3ni + Soxpi + yi, i=l

где Зп - годовые производственные затраты на предприятии, тыс. ру Зохр - годовые природоохранные затраты, тыс. руб;-У - годовой экономический ущерб от загрязнения окружай®

среды, тыс. руб; п - количество производств на предприятии.

Таким образом, главный природоохранный результат достигается при условии М4" ^ ЭПДВ, определение которого и является целью настоящей работы.

иатс1/11«| О аслнчипа о ирлис^ппал (.иутишспплл тиа у 1

быть заданы человеком, проектирующим предприятие. Все, кроме ЭПДВ, которые определяются уже не технологией или экономическими показателями производственного процесса, а исключительно свойствами самой окружающей среды, природных систем, ее составляющих, и могут быть определены только при всестороннем изучении реакции природных комплексов на токсическое воздействие.

Известно, что воздействие токсических веществ на организмы характеризуется свойством пороговости. Классическая токсикология, имеющая уже более чем столетнюю историю развития, оперирует'соотношениями, типа кривой, показанной на рис. 2. Здесь наблюдаются три области действия токсиканта. При малых концентрациях происходит стимулирование Жизнедеятельности организма ("все лекарства -яды"); при высоких концентрациях - подавление этой деятельности, а в средней части кривых наблюдается диапазон токсических доа, в котором живые системы обладают способностью поддерживать норму

плт! «т^ пттп'^пгоплог, тпгл^ииппи^л пп^о пппттлйп—

иоЬС! и Ьиишлплл и^ш 1 ильнчсипин Диос пиоДсль

твия. Это осуществляется в частности за счет деятельности плазматических и ядер5|«х мембран, роль которых в процессах обмена веществ изучена достаточно хорошо и является общеизвестной, а также рядом других процессов в клетках.

эффект

Рис. 2.

Типичный характер токсикологических зависимостей.

На базе исследования таких закономерностей развита система санитарно-гигиенического нормирования в виде набора значений ПДК, которая непрерывно пополняется и совершенствуется, имеет свою историю, свои недостатки и свои перспективы развития и призвана непосредственно запищать человека. Задача этой работы - обосновать, по аналогии с санитарно-гигиеническим, экологическое нормирование токсического воздействия со стороны промышленных предприятий на природные сообщества. При изучении токсического воздействия на реальную окружающую среду мы всегда имеем дело с тремя'множествами: множеством воздействующих факторов, множеством объектов исследований и множеством реакций на токсическое воздействие, что , условно может быть обозначено, как (щ - т - т). Классическая токсикология имеет дело с одним фактором, одним объектом и.множеством реакций (1 - 1 - т). Между этими крайними случаями помещается экотоксикология, которая имеет своим содержанием исследование последствий дозированного воздействия известного токсиканта (или известного ^сочетания токсикантов),'вносимых в реальные природные сообщества в опыте (1 - т - т) . или исследование процессов и последствий воздействия множества факторов реальной окружающей среды на тест-объект (m - 1 - ш).

При поисках порога токсического воздействия на окружающую среду необходимо построить зависимость "доза-эффект" на уровне экосистемы. Задача эта принципиально Qojiee сложная, чем аналогичная в классической токсикологии. В реальной'окружающей среде мы не имеем возможности ни разделять компоненты, ни доэироЕать воздействие, ни экспериментировать в заданных си?уациях. Объективно мы поставлены в условия, когда должны изучать большую, систему, не расчленяя ее, так сказать, in vivo. Именно в таком подходе и состоит главный принцип системных, исследований. Однако исследовать все компоненты трех множеств заведомо, невозможно, следовательно необходимо создать модель, адекватную поставленной задаче и более простую, неизбежно более грубую, но не настолько, чтобы пропал сам эффект (порог токсического воздействия), который мы ищем."

То, что природные сообщества относятся к классу больших систем к,должны исследоваться методами системного анализа, ни у кого возражений, по-видимому, - нё вызывает. Некоторая методическая трудность состоит в отсутствии общепринятого понятия большой сис-

темы, при том, что в течение ряда лет разными исследователями предложено несколько десятков определений. Поэтому мы считаем себя вправе предложить еще одно.

Множество взаимосвязанных элементов можно считать системой в том случае, когда взаимосвязи между элементами более существенны, чем свойства и проявления самих Элементов в отдельности.

В этом определении присутствует субъективный момент. "Более существенны" для кого? Или при какой постановке проблемы, в каком аспекте рассмотрения? Несомненно, что одно и то же лесное сообщество в одном случае может рассматриваться как большая система, например, для 'напей цели выявления порога токсического воздействия, в другом случае - как множество деревьев, являющееся лишь источником древесины; в таком аспекте рассмотрения взаимосвязи деревьев с остальными элементами сообщества неизбежно менее существенны, что, собственно, и приводит (К пренебрежению ими со стороны лесозаготовителей.

• Рассмотри« основные допущения модели.

Каждый природный комплекс подвергается всей'сумме антропогенных воздействий: химическому и радиоактивному загрязнению, воздействию электромагнитных полей, шума и:вибраций, рекреационной нагрузке, выпасу и вытаптыванию при пастьбе скота, рубкам, пожарам, осушению и переувлажнению.в результате мелиоративных работ, истощению гумусового горизонта в результате вспашки, всем видам антропогенного выветривания почв, искажениям климата в результате антропогенных воздействий глобального масштаба, воздействию повышенной УФ-радиации вследствие уменьшения толщины озонового экрана и т. д. и т. п., вплоть до- изменения характеристик околоземного космического пространства, так или иначе воздействующего на каадук} природную систему. Поэтому ь качестве объекта исследования необходимо выбрать такой, в окрестностях которого заведомо преобладает какой-то один'вид антропогенного воздействия. Так, например, в зоне влияния металлургических комбинатов преобладают выбросы в атмосферу тяжелых металлов и сернистых соединений; ос. тальные факторы антропогенного воздействия, несомненно, присутствуют также, но менее существенна.- ЭтУ первое упрощение задачи.

Второе. Примем модель "черного ящика", то есть будем.': рассматривать только параметры на входе я выходе системы. На входе -токсические выпадения из атмосферы, на выходе - изменение основ-

ных параметров: биомассы, численности, видового разнообразия структурных блоков экосистемы, учитываемых с возможной полнотой. Б данном подходе нет необходимости распутывать сложные пути миграции токсикантов внутри зкосиствтЫ, то есть внутри £ь' пространственной структуры (допустим, распределение по ярус-ам) или функционально - по трофическим уровням. Именно по этой причине в данном подходе нет необходимости измерять содержания токсикантов в растениях, почвах, поверхностных водах, животных. Это не значит, что такие измерения совсем не нужны, они не нужны только в данной проблеме. Нас ¿десь интересует не само содержание токсикантов, а биологические последствия этого для всего природного комплекса, а они могут быть существенно равными от того, в какой части П-об-разных кривых (типа рис. Е) окажутся измеренные содержания токсикантов: в зоне стимулирования жизнедеятельности, в зоне подавления или в зоне регулирования.

В качестве дозы в общем плане необходимо рассматривать всю сумму антропогенных токсикантов, то есть воздейств'ие тяжелых металлов, радионуклидов, макроэлементов и хлорорганических соединений на воздух, воды, Цочву, биологические объекты, что может быть

пгчлттптпг. плип т1г*тт£ч и^шп ттттт I '1 й пт^.г.1/1 гт-\1 /••"! ^ "1 т1т и*"> о р

а^сДи 1 сшлспи о гтдс шаг^пца по ±О лч^сл, иипаоаппии па о. О

данном случае мы ограничиваемся одной ячейкой и е качестве Бездействующа й дозы измеряем содержание тяжелых металлов, накопленных в течении зимнего периода в снеге (третье допущение) и экстраполируем такой уровень атмосферных выпадений на весь год (четвертое допущение).

Известно, что содержания токсикантов в атмосферных выпадениях сильно варьируют, завися от комплекса климатических факторов: температуры, Елажнссти, сорбционной способности аэрозолей, туманов, пыли и т. д., следствием чего является их большая вариабельность в зависимости от времени суток, сезона года, других более долгопериодических процессов. В снеге содержания токсикантов не только консервируются до начала снеготаяния, они автоматически осредняюгся за весь зимний период (при условии, что на анализ берется полная колонка снега) - именно поэтому исследование содержаний токсикантов е снеге и более информативно, и .методически про ,

Почему именно тяжелые металлы взяты в данном случае в качестве трассеров всей суммы воздействующих токсикештов? Не только

потому, что исследуются атмосферные выбросы металлургических производств. Несомненно, что в зоне влияния любого промышленного предприятия всегда присутствуют и сернистые соединения, и окислы азота, и кислотные выпадения и др. Для выявления наиболее значимого фактора в зоне влияния комбината "СеЕероникель" нами вычислялись коэффициенты корреляции между фитомассой травяно-кустар-ничкового яруса и названными видами загрязнений. Эти коэффициенты составили: по отношению к сумме тяжелых металлов в снеге -(-0,92); по отношению к содержанию сульфат-иона - (-0,86); по отношению к рН - (+0,83); остальные факторы оказались менее значимыми. Есть еще несколько соображений, позволяющих в данном конкретном примере ограничиться рассмотрением в качестве дозы только суммы тяжелых металлов.

Экспериментальные данные, собранные нами вокруг четырех комбинатов цветной металлургии, фиксирую?, как типичную, следующую ситуацию. На протяжении траксекг 20-30 км параметры лесных экосистем меняются почти на два. порядка (с 801 до 1-2%); аналогично этому, т.е. в десятки раз, изменяются концентрации тяжелых металлов в снеге; однако, концентрация сернистых соединений на этом же расстоянии от центра выбросов падает всего в 1,5-1,6 раза. Например, на расстоянии« 1 км от комбинта "Североникель" содержание сульфат-иона. в. снеге по нашим измерениям составляет 4 х 10 г/г,а на расстоянии 20 км - 2,5x10 г/г.

« Проблема "кислых дождей", рассматриваемая в странах Западной Европы и США, как главная , в России не . имеет такой остроты вследствие того,, что там эффективно очищают отходящие газы от аэрозолей, а у нас этого не делается.' Результатом этого является эффективное сорбирование кислот аэрозолями с образованием плохо-растворимых солей, выпадение их из атмосферы и захоронение их в почвах, откуда они растениями усваиваются плохо, либо совсем не усваиваются. На этом явлении основан метод борьбы с кислотными выбросами ТЭЦ и ТЭС с помощью добавления в камеру сгорания мелкодисперсной доломитовой пыли, что применяется в нашей стране на ряде электростанций. •._..'

При выборе параметров, . которые необходимо фиксировать в качестве "эффекта" от воздействия промышленных токсикантов, .' могут рассматриваться несколько приближении.

Биогеохимический круговорот веществ осуществляется в биогео-

ценозе всей совокупностью живых организмов. Этих последних делят на три главные функциональные группы: продуценты, редуценты, кон-сументы. В условиях наземных систем продуценты состоят в основном из фотссиктезирувщих растений.

В первом приближении достаточно ограничиться контролем продукционного процесса, как основного в биогеоценозе, по состоянию которого можно судить о жизнеспособности и степени нарушенности всей системы, т.е. ограничиться регистрацией параметров живой растительности. Деятельность редуцентов в значительной степени связана с разложением подстилки. Ее параметры: запас, скорость разложения являются важными показателями состояния сообщества в целом. Исследование фитоценоза, включая подстилку, - второе,- более точное приближение к решению задачи. Третьим, и наиболее точным, будет комплексный учет Есех. трех функциональных групп биогеоценоза, при этом среди животных важнейшим является блок почвенных беспозвоночных.

В итоге, в применении к лесным системам практически необходимым является измерение следующих параметров (пятое допущение, рис.3). ' В древесном ярусе: запас древесины (м3/га), масса листвы или хвои (ц/га), жзяеккое состояние древостоя (баллы); в трявако -кустарничковом ярусе: фитомасса (ц/га), общее проективное покрытие (%>, число видов. В северных регионах необходимо оценивать параметры мохово-лишайникового яруса, фиксируя фитомассу, общее проективное покрытие и число видов; в подстилке- масса (ц/га), мощность (см), условное время разложения (годы) или степень разложения х/б ткани (%); в блоке почвенной меаофауны: число экземпляров, биомаЬеа (мг/>.,г) и количество видое.

Могут использоваться данные о мелких млекопитающих, почЕен-ных микроорганизмах и т.д. Важно, чтобы каедый структурно-функциональный блок экосистемы был представлен равным количеством измеренных параметров.

Шестое допущение. Модель предполагает квазистациокарност! объекта, т.е. изменения дозы должны быть настолько медленны, чтобы система успела к ним приспособиться (например, прирастить ил! снизить биомассу). Иными словами, залповые сбросы или редкие изменения дозы типа аварии адекватно не отражаются текущим состоя нием экосистемы. Здесь начинают проявлятся динамические характеристики системы: инерционность в изменении параметров, скорост

Д О 3 А

ЭФФЕКТ на уровне экосистема

Тяжелые металла

Радионуклиды

Макро -элементы

Хлорор -ганичес-кие соединения

<а а

Л п

^о о м « « ю

V-

ГЕНЕРАЛИЗАЦИЯ

4'

(1

0

1

Запав древесины м?га

Масса листвы ч/га

Жизненное состояние баллы

Фитомасоа ч/га

Проективное покрытие %

Количество ввдов шт

«

Масса ч/га

Мощность си

I Условное время годы разложения

и а р 0 мЗ Численность Биомасса экз/м^ г/^

СР м>9< О со о аяи Количество вигсов шт

онт ваш е ф о Численность Биомасса экз/ЮО л-суг кг/га

я 3 и Число видов шт

и т.д.

И К С %

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ НОРМ ИР ОДА Н.И Е ■

Рис. 3. Структурная схема процедуры экологического нормирования

собственных колебаний,' времена релаксации, периоды полувыведения и т.п., тут будет необходима уже другая модель и будет решаться другая проблема - проблема динамической устойчивости. Именно ограничение квазистационарными состояниями системы позволяет регистрировать биомассы растительности ярусов лесных систем, а не продукцио, что существенно проще.

Седьмое допущение вытекает из требования проведения работ в сжатые фенологические сроки, практически в течении двух недель, когда параметры фитоценоза меняются не существенно. • Необходима повторность в проведении экспериментов для получения статистически достоверного результата, а также для того, чтобы отстроиться от годовых колебаний измеряемых парметров. В пределе (в идеале) такая повторность долхна составлять' 11 лет (главный солнечный, а, следовательно, и климатический цикл), на практике приходится ограничиваться исследованилыи в течении 2-5 сезонов в одни и те же фенологические фазы состояния фитоценозов.

Таковы основные свойства (допущения) принятой модели.

По второй разделе на примере Карабахского медеплавильного комбината подробно описана методика и техника проведения исследований при изучении воздействия атмосферных Еыбросов комбината на лесные сообщества в рамках принятой модели.

На первом этапе исследований определяется тип биогеоценоза, господствующего в современную эпоху на территориях в окрестностях комбината с тем, чтобы была обеспечена возможность заложения достаточного количества пробных площадей (обычно 15-20) для получения достоверного результата. В данном регионе работы проводились в березняках разнотравных на бурых, горно-лесных почвах. Требование однотипности исследуемых лесных биогеоценозов является весьма строгим. Одинаковое положение в рельефе, уклон и экспозиция склона, микрорельеф, степень увл&таения и одинаковые в своей основе почвы входят в число признаков, по которым выбираются пробные площади. Но главное внимание уделяется наличию схожего флористического состава, подробному геоботаническому описанию фитоценозов. Только при соблюдении этих условий различия в измеренных на пробных площадях параметрах могут быть отнесены за счет воздействия атмосферных выбросов комбината. Пробные площади обычно располагаются на трансектах, проходящих через центр выбросов, вдоль и поперек господствующего направления ветров, что позволяет

более контрастно Еыделить воздействие антропогенного фактора. Длина трансект определяется еыходом на региональный фон, когда регистрируемые параметры стабилизируются вокруг некоторого'значе-НИЯ, ХйраКТ9рпСГ0 ■ ДЛЯ фОКСЕОГО оаГрЯЗН^пПл данного региона. Из практики работы сложилось, как типичное, следующее пространственное распределение пробных площадей: 1, 3, 7, 11, 21, 42 км от центра выбросов, с корректировкой по состоянию биогеоценозов, приводящей к отклонению от этого распределения. Контрольные площади выбираются заведомо вне зоны влияния промышленных выбросов комбината, но в пределах того же ботанико-географического района. Для Карабашского медеплавильного комбината контрольные площади с тем же типом биогеоценозов были выбраны в массиве г. Иремель, в 130 км к югу от комбината.

На втором этапе работы исследуется загрязненность снежного покрова тяжелыми металлами. Отбор проб сне^а производится в период перед снеготаянием на выбранных пробных площадях. Смешанные образцы снега обрабатываются- по специально разработанной методике, включающей фильтрование снегоЕой воды под давлением непосредственно после стаивания для ";ого, чтобы избежать погрешности от ухода металлов на стенки сосудов вследствие процессов адсорбции. После отделения извещенной формы металлов воды обрабатываются тиооксинатом натрия, который связывает, ионную.форму металлов во внутрикомплексные соединения и второе фильтрование позволяет Еыделить их из растворов с полнотой 93-96%. ^ .

В таблице 1 представлены данные по содержанию тяжелых металлов в снеге в окрестностях Карабашского медеплавильного комбината в 1983-1984 гг. Даже ограничившись приоритетными тяжелыми металлами, мы имеем 1С воздействующих фактороз и рассматривать действие каждого в отдельности было бы некорректно. Необходимо учитывать, что искомая зависимость "доза-эффект" на зкосистемном уровне относится к.классу реальных соотношений, (множество- причин, множество объектов, множество следствий). Мы допустили бы ошибку, если бы придавали этой зависимости токсикологический смысл, поскольку все металлы действуют совместно в реальной обстановке, поэтому генерализация дозы необходима не только для сокращения (сжатия) информации, ко к по сути дела.

Если бы ' мы просто вычисляли среднее арифметическое содержаний всех элементов в снеге, ' то получили бы в основном железо,

цинк и медь, концентрации которых в данном случае на 1-2 порядка больше. Осреднение необходимо проводить в процентах, когда максимальное значение содержания'каждого металла в исследуемой выборке

-1 ППУ

h^'fliirilytdc j. un ocx iuu.'j.

Поступая таким образом, мы не игнорируем специфичность действия отдельных элементов на растительность. Считается, что совместное действие ряда токсических агентов может вызвать синэрге-тические эффекты, или, наоборот, может быть антагонистическим, ослабляющим; все это и реализуется б реальном лесном сообществе, которое мы исследуем, и находит свое отражение в регистрируемых биологических параметрах. Но это также означает, что токсичность того или иного вещества оказывается зависящей от состава смеси токсикантов; именно поэтому их осреднение производится со статве-сами, равными единице. Суммировать их с коэффициентами, соответствующими индивидуальной токсичности, определенной в лабораторных условиях., методами классической токсикологии (один токсикант, один обьект, ыно.ч?ство следствий), было бы неверно.

В итоге мы получаем одно число, обозначенное, в табл. 2 как Е /10 (среднеарифметическое ив 10 значений), которое характери-

оует до^у . На ¡--не. 4: oKcV-iGnHn £ /10 объединены по sсм направлениям и апроксимированы кривой распределения по методу скользящего среднего, что б -данном случае правомочно сделать, так как роза ветров в исследуемом районе не сильно отличается от круговой.

На третьем этапе исследований, в качестве "эффекта" от воздействия "дозы" используются численные параметры древесного и траьяно-кустарничкового ярусов, подстилки, данные по почвенной мезофауне, микроартропод&м и альгофлоре. измеренные в течении четырех полевых сезонов 1981-84 гг. в одни и те же фенсфазы развития лесных сообществ (е середине июля). Они сведены в таблицу 3, где соблюдено статистическое равенство, когда каждый структурно-функциональный блок лесной системы представлен равным числом показателей (по три). При этом в блоке древесного яруса оценивается масса листвы, для- чего использованы литературные данные по модельным деревьям данного региона (Смирнов, 1961).

В блоке подстилки введен ноеый параметр - условное время раздс5кгкия В:годах. Он получается от деления массы подстилки ка годовой опад, который в березняках разнотравных весьма точно соответствует суше массы листвы и фитомассн травяно-кустарничково-

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в снеге в окрестное|ЯХ Карабахского медеплавильного комбината в 1983 и 1984 гг. Объединенные данные (х 10-9 г/г)

Пробные площади

ЮВ

1,2

3.5 В-6.5 3-7,5 3-8.5 В—1 о 3-12,0

СЗ-З.О СЗ-5,0 СЗ-5,5 СЗ-6,7 СЭ-7,3 СЗ-8.2 СЗ-10,0

СВ-3,8 СВ-5,5 СВ-6,0 СВ-9,0

свг 15,о

Ю-2,7 Ю-3±2

ю-15о

Мп

•72,4 28,7 28,7 33,2 1,6

6.3 4,5

32.7 28,2 14,0 0,7 2,7 0,9 13,2

35,9 40,2 17,9 9.5 5,5

17,0

2.4 9,4

1п

1693,0 486.8 270,3

409.2

150.3 299,0

143.7

484.0

558.8 686,8

214.1

114.3

188.4 167,0

' 859,3 1258,2 629.7 З'ЗЗ, о 252,4

162.9 229.7

33.0

Си

3073,0 571.7

658.3

727.4

170.7

303.0 578.2

1160.4

692.1

244.8

234.1

107.2

167.7 75,0

1497.5 1935,9

734.8 537,7 347,6

793.6

244.7 26,0

Ре

642.6 1491.7

603.0

656.4

620.7

534.6

486.5

1909,0 919.Г» 362,4

273.1 290,4 446,9 672,0

675.8 С'94.2

566.3 535,0

450.7

565,0

265.4 204,0

Сс1

0,69 1..94

4.47 2.20 0,85 2,23 3,30

3.48 3,91 3,60 2,36

3.49 1,90 0.62

о; ¿7. 0,68 0,51 1,56 2,99

5,79 1,18 1,62

Со

2,12 1,28 1,38 1,42 2,35 0,65 0,58

1,90 1.10 0,70 1,01 0,55 1,87 0,24

2,13 1,58 1.07 0,93 1,03

1,27 0.64 0,19

РЬ

1993.7

460.5 184,4

303.3

129.4

164.6 101,1

451.8

310.2

122.3

114.4 99,1

215.5

125.0

545.6

504.9 374,5 266,2

116.1

272,4 237,2 25,0

N1

28.4

14.6 9,6

16.2

19.4 16,2

21.5

15.0 10,8

6.5

14.5

10.7

19.6 4.4

21.2

24.1 23,9 23,3

16.7

21,9 11.1 1.9

5Ь

15.9 ?,?

3.5 9.7 1,1 1,9

6.6

16,4 1,5

2.5

3.2 1.5

1.3

7.2 17.7 10.3 4.0

3,8

8,7 7.4

Сг

6.9 2,8 2,9 2.4 2,7 2,9 6.2

4.8 4,5 2,5 4,2 3,1

5,0 5.4 3,0 2,6 4,0

6,3 3,7

П.О.

0,3

0.4

0,3

2,5 0,003 0,03

0,2 1,0 0.2 0.1

Таблица 2

Объединение и нормированные данные по содержанию тякелих металлов в снеге (Карабаш, 1983-1984 гг.), /У./

Направление и расстояние от центра,км

Нп

1п Си

Те

са Со РЬ Ш

5Ь Сг г/10

ЮВ-1,2

ЮВ-3,5

ВВ-6,5

ЮВ-7,5

ЮВ-8,5

ЮВ-10

ЮБ-12

СЗ-З.О СЗ-5,0 СЗ-5,5 СЗ-6,7 СЗ-7,3 СЗ-8,2 СЗ-10,0

СВ-3,8 СВ-5.5 СВ-6.0 СВ-9.0 СВ-12,0

Ю-2,7 ¡0-3,2 Ю-130

100 100 100 33.7 11,9 90,2 100 100

39.6 39,6

45.8 2,2

22.5 6,4

45.2

38.9

19.3 1,0 3.7 1,2

18.2

43.6 55,5

24.7 13,1

7,6

23,5 3,3 13,0

28,8 16,0

24.2 8.9

17.7

8.5

28.6

33.0 40,6 12,6

6.8

11.1 9,9

50.8

74.3 37,2

17.9 19,9

9.6 13,6

1,3

18.6 21,4

23.7 5,6 9,9

18.8

78,1 31,6

34.4

32.5 28.0 25,5

8.0 7.6 3.5 5,5 2,4

48.7 63,0 23.9 17,5 11,3

33,5 77,2 38,0

37,8 100 22,5 48,2

19,0

14.3 15.2

23.4 35,2

35.4 46,8 29,7 28,0 23,6

М.5 58,7 60.4

14,7 100 38,5 27.7 57,0 24,7

60,1

67.5 62,2 40,8 60,3

32.8 14,2

4.7 11,7

8.8

26.9

51.6

25.8 34,8 100 8,0 13,9 20,4 0,8 10,7 28,0

80,8 46.8 29.8 43,0

23.4 79,6 10,2

90,6 67,2

45.5

39.6 43,8

54,0 27,2 8,1

23.1

9.2

15.2 6,5

8.3 5.1

23.2

15.6 6,1

5.7 5,0

10.8 6.3

27.4

25.3 18,8

13.4

5.8

13.7 11.9

1,3

51.4

33.8 57,0 68,3 57,0 75,7

52.9 38.0 22,9 51,0 37,7 69,0

15.5

89,8 100

43.5 19.8 54.8 6.2 10,7 37,3

92,7 8,5 14.1 18,1

8,5 7.3

74,6 40,7 84.9 100

84,2 82,0 58.8

58,2 22.6 21,5

77,1 49,2 39.1 41,8 6.7

40.6

42.0

34.8

39.1 42,0

89.9

40,6 69,6

65.2 36,2 60,9 44,9

72,5 78,3

43.5 37,7 58.0

91.3

53.6

82.6 41.2 34,9

38.8

28.4 26.2

34.9

56.2 38,9 23,0 23,0

22.5

28.6 14,0

49,5 60,7 37.5 29,9 29,7

47,9

23.3

го яруса (вечнозеленых мало). Все остальные параметры измерены по общепринятым методикам (Сукачев, 1954; Гиляров, 1961 и др.).

Ни один из измеренных параметров не характеризует лесное сообщество в целом. Каждый -из них, являясь частью одной генеральной совокупности, отражает процесс постепенной деградации лесной системы под воздействием выбросов комбината, но каждый в своей специфической форме; кривые их изменения в зависимости от расстояния до центра выбросов в разной степени корредирухя друг с другом,

О 1 2 3 ц- S в 7 8 S Ю 11 12 13 14- 13 20 2.5 30 км

Fhc. 4. Распределение суммы Тяжелых металлов вокруг ■. Карабашского медеплавильного' комбината 1 - статистический вес 2; Я - статистический вес 1

имеет различные абсолютные числовые аначения и разные, единицы измерения. Для генерализации этих данных, каждый из них должен быть переведен в безразмерную величину. Это достигается делением каждого показателя на его максимальное значение в дангой выборке, нормированное на единицу или на 1СШ, после чего производится осреднение. Таким образом достигается генерализация "эффекта" и он может быть представлен одной величиной, которая была названа интегральным коэффициентом сохранности - ИКС .

п

ИКС =1/п Ai j/Aif х 100%,

i=l

где Aij - значение i-т ого показателя; Air- максимальное значение того же параметра в выборке, j - номера пробных плошздей.

Потребность в обобщенном показателе состояния экосистем была ' всегда, и в разное время в качестве-такового использовались различные комбинации измеряемых величин. Смысл введенного коэффициента (ИКС) близок к разработанным ранее индексам (Кайяма, 1951; Пандейя, 1961; Кэртис, 1972; Срэй, 1978), однако отличается использованием большего набора безразмерных параметров, полученных применением приема нормирования на максимальное значение. Нормированные и пространственно сопряженные данные приведены в табл. 3 имеете с интегральными коэффициентами сохранности, которые подс-чигывачись в разном составе: по трем, шести, девяти, двенадцати, пятнадцати и восемнадцати параметрам, причем при подсчете жизненного состояния древостоя и всех трех параметров подстилки брались обратные величины, поскольку для этих показателей меньшее число соответствует лучшему состоянию. При этом ИКСЗ* подсчитан по параметрам травяно-кустарничкового яруса. Данные табл. 3 объеденены по всем направлениям и апроксимированы кривыми на рис. 5, рассмотрение которых позволяет сделать следующие заключения.

1. Чем более полно мы учитываем компоненты экосистемы, тем-меньше радиус и плошдо зоны поражения. Это говорит о том, что для природы воздействие выбросой комбината не столь существенны, как для человека Это согласуется с предложенным нами определением большой системы, содержащим субъективный момент (см. выше, стр.13). Для нас потеря высших растений является очевидной эколо-

гической катастрофой в данном районе, но это не означает полную гибель биогеоценоза. Если бы мы учли микроорганизмы, микромицеты и почвенных амеб, результат был бы еще более убедительным.

2. Еидно, что зона максимального поражения смещена от центра выбросов, поскольку падение факела происходит на некотором расстоянии от труб,что обусловлено влиянием рельефа, котловинным эффектом и процессами опускания факела.

Непосредственно под трубами комбинта ИКС & и ИКС« составляют 12,2 и 12,7% соответственно, а на расстоянии 1 -1,5 км --4,7%.

3. Относительное увеличение содержания токбикантов в снеге на расстоянии 5-6 км от центра, четко видимое на графике рис. 4, нашло свое отражение на кривых рис.5. Наибольшую чувствительность к токсическому воздействию проявляет травяно-кустарничковый яруо, находящийся в противофазе с древесным ярусом (конкуренция за свет), ¡поэтому ИКС« , являющиеся их суммой, весьма монотонен. При учете подстилки зависимость ИКС в £ще более сглаживается,но переход к параметрам почвенной биогы .снова показывает это воздействие в виде провалов на кр;*вых ИКС« , ИКС«- и ИКС»-/ в районе 6 км.

Четвертый этап. Построение зависимости "доза-эффект".

Объединение генерализованных данных .по загрязнению снега (доза) и параметров экосистем (аффект) выполнено на рис.6, где по оси абсцисс отложена сумма тяжелых металлов (в £1, а по оси ординат - интегральные коэффициенты сохранности также в %. Полученные кривые обнаруживают четко выраженный порог воздействия суммы токсикантов на состояние лесных экосистем.

Очевидно, что значение суммы токсикантов, равное в данно*. олучае 25%, соответствующее порогу токсического воздействия, должно быть принято В качестве предельно допустимого экологического норматива в данном регионе и для данного типа биогеоценоза. Конкретные содержания различных токсикантов, соответствующее этой экологической ПДК, могут быть найдены из табл.1. Еще раз подчерк-• нем, что полученный результат не означает,что измеренные токсиканты является единственной прЛчинои наблюдаемой деградации лесных сообществ, они является лиыъ частью токсического комплекса, трассерами всей суммы антропогенных воздействий, а обнаружение порога токсического воздействия свидетельствует, что эти трассеры

Таблица 3

Параметры лесных экосистем в окрестностях Карабашского медеплавильного комбината 1981-1984 гг. (в знаменателе даны нормированные и сопряаенные параметры в У.)

Параметры Контроль 6-130 СЗ направление, км 30 11 7 6 3 Центр 0 ЮВ 1.2 направление, км 3.5 5,5 6,5 10 СВ направление,км 4 6 9 к

1 2 3 4 5 6 7

Древесный ярус

Запас древесины мЗ/га ' 205 126 70,9 43,6 247 85,5 153 52,9 170 58,8 55 19,0 0 0 70 24,2 119 41,2 99 34.3 189 65.4 62 21,5 121 41,9 289 100 0,86

Масса листвы (сух.вес), ц/га 18,3 И 91,5 5,0 20 100 11.4 57,0 13,8 6.5 69.0 32,5 0 0 3,2 16.0 4,6 23.0 6,6 33.0 12.4 62,0 3,3 16,5 13,2 66,0 19,4 97,0 0,90

8изненное состояние, баллы 1.5 1,5 100 100 1,5 100 2.5 60.0 3.0 3.5 50.0 42,9 0 0 3,0 50,0 3,0 50,0 2.5 60,0 2.5 60,0 3.5 42,0 2.5 60,0 2.5 60,0 0,89

ЖЗ 87,3 66,2 95,2 56,6 58,6 31,5 0 30.1 38,1 42.4 62,5 27.0 56,0 85.?

Травяно-кустарют жовый ярус

Фитомасса, ц/га 7.9 8,5 92,9 100 77,9 91.8 64.0 68,2 36,6 23,5 4,8 1.2 0 0 1,0 11,8 1.0 11,8 3.3 38.8 5.4 63,5 1.0 11.8 3.2 37,6 5.9 69,4 0.96

Общее проективное покрытие. 7. 85 100 80 94.1 85 100 63 74,1 40 47,1 2,6 3,1 0 0 2.3 2.7 18 21,2 33 38.8 75 88,2 3.4 4.0 30 35,3 62 72.9 0,97

Число видов 29 69 42.0 100 29 42.0 34 49,7 27 39,1 7 10,1 0 . 0 5 7.2 13 18,8 33 47.8 50 72,5 6 8.7 25 36,2 25 36.2 0,79

ИКСЗх ИКС 6 78.8 98,0 82.9 82.1 77.9 86.6 64.0 60,3 36,4 47,6 4.8 18,5 0 0 7.2 18.7 17,3 27.7 41.8 42.1 74.7 68.6 8.2 17.6 36,4 46,2 59.5 72.6

Подстилка Масса, ц/га

Мощность, сн

Условное время разложения, годы

ИКС9

Поденная мезофауна Биомасса, г/м2

Численность, экз/м2

Групповое разнообразие

ККС12

77 133 149 283

100 57.9 51.7 27.2

2.0 1,7 2,0 3,6

75,0 88,2 75.0 41.7

4.0 7.7 9.4 43

100 51,9 42,6 9,3

82,9 85.3 85.6 62.2 50,5 21,0

0.91 0,24

38.2 10.1

20.9 13.1

40.3 25,3

9,75 7 86,7 62,2

82.9 '85.3 86.6 62,2 51.6 23.9

5 сп 7

0 0 276 27.9 228 163 33,8 97,2 190 153 40,5 50,3 210 36,7 153 50.3

0 0 3.4 44,1 2.0 1.5 75.0 100 3.2 48.0 1.8 83.3 2.8 53,6 1.9 78,9

0 65,7 6.1 40,7 16,5 9.8 24,2 10,7 37,4 35,6 H.2 12,8 31.2 6.0 66.7

О 21.1 31,6 47,1 59,6 27,8 44,3 70.2

0,05 0,69 2,38

2.1 29,0 100

4.75 7.75 11.25

2.2 68,9 100

47 26,2 31,6 47,1 69,7 27.8 44,3 70.2

Пичвеьяая микрофауна

Численность коллембол тыс. зкз/м2

Численность клещей, тыс.экэ/И2

Число видов коллембол

ИКС15 82,9

Почвенная альгофпора Число видов

Обилие

Число зкобиоморф ИКС18

63,7 100 1.1 1.7 1.6 2.5 0,65' 0,9 1.0 1.4. 14,9 23,4 35 5 55,^

63.7 67.2 1.4 1.4 з.о 3.0 2.9 2,9 18.8 18,8 30,5 30.5 100,1 100

29 ¡00 12 41.4 9 31,0 3 10.3 9 31.0 20 69.0 29 100

85.3 66.6 62.2 59,1 22,1 12.2 4.7 21.9 26.0 45,6 72.8 27,8 44,3 70.2

26 35,6 13 17.8 65 89,0 22 30,1 3 4.1 18 24,7 44 60,3 64 87.7 73 100

133 31,9 41 417 ' 9.8 100 118 28,3 34 . 8.2 127 30,5 194 46.5 363 87,1 379 90,9

В ' 72,7 4 .36,4 9 .81.8 4 36,4 3 27,3 3 27.3 11 100 9 81.8 9 81.В

73.? 64,8 69.2 59,1 23.7' 12.7 4.7 22,8 36,2 53.6 75,8 27.8 44.3 70.2

Примечание: Н -коэффициент корреляции параметра с ИКСб. ИКСЗх - подсчитан по трем параметрам травяно-куСтарничкового яруса.

Рис. О.

Интегральный коэффициент сохранности лесных экосистем в окрестностях Карабахского медеплавильного комбината в зависимости от расстояния до центра выбросов.

О 113 4-56789101/

ИКС% 80

Рис. 6.

Зависимости "доза-эффект" при воздействии выбросов Карабашс-кого медеплавильного комбина -та на лесные экосистемы.

О Ю 20 30 40 50 60 т во 1/10 %

в данном случае и в рамках принятой модели выбраны правильно.

Найденный пороговый критерий предельно допустимой токсической нагрузки на лесное сообщество весьма точно соответствует по своему численному значению двум другим критериям, выдвинутым нами ранее. Первый из щх исходит из того, что лесной фитоценоз в хо- ' рошем состоянии характеризуется полночленной вертикальной (ярусной) и горизонтальной (парцеллярной) структурой. Пока эта структура сохраняется, хотя отдельные параметры экосистемы (например, фитомасса тр-вяно-кустарничкового яруса, общее проективное покры-, тие и др.) могут быть снижены, нагрузка на экосистему допустима. Второй критерий определяет допустимую антропогенную нагрузку по факту незавершенности ' биогеохимического круговорота элементов, маркером которого является аномальное накопление подстилки, фиксируемое в окрестностях Карабахского медеплавильного комбината на расстоянии 6 км от центра выбросов и ближе.

Полученные зависимости "доза-эффект" на экосистемном уровне весьма точно соответствуют по своему характеру токсикологическим кривым для отдельных организмов, показанным на рис.2. Левые, ниспадающие ветви'кривых на.рис.6 проведены теоретически (пунктиром) на бсно.вании очевидного соображения, что в среде, не содержащей никаких химических соединений и элементов, 'лег расти не будет. Очевидно также и то, что в реальной окружающей среде мы никогда не сможем получить экспериментальные.дзяные в этой области. « Ейли горизонтальный участок токсикологических зависимостей для организмов (рис. 2) объясняется в основном действием клеточных плазматических и ядерных мембран, то в случае лесного сообщества на рис. 6 горизонтальные участки кривых могут быть'объяснены взаи-мозамезрнием более чувствительных видов более толерантными при. движении по направлению к центру выбросов (Шварц, 1969). Этот ме-- ханизм явления иллюстрируется рис. 7, на котором приведено изменение цено'тической значимости видов травяно-кустарничкового яруса в подзоне северной тайги при увеличении токсической нагрузки на лесное сообщество. Здесь обращает на себя внимание зеркальная (в .общих > чертах) симметрия кривых фитомассы брусники и Ьороники, а также подобный характер хода кривых по парам: вороника-черника и ' брусника-багульник. Парное подобие укааывает. на схожесть экологических-ниш данных видов, -а зеркальная симметрия - на разную (но го парах! также схожую) толерантность по отношению к сумме воз-

действующи токсикантов. В итоге, в некотором интервале токсических нагрузок происходит эффективное замещение более чувствитель-. ных видов более толерантными и фитомасса травяно-кустарничкового яруса поддерживается на постоянном уровне, несмотря на увеличение токсической нагрузки. Но так продолжается только до определенного предела, когда исчерпываются резервы видового разнообразия данного биогеоценоза и начинается снижение фитсмассы и других параметров, фиксируемое как порог токсического воздействия.

Необходимо подчеркнуть, что, несмотря на внешне схожий результат, стратегии его достижения у отдельных организмов и экосистем различные, можно даже сказать противоположные. Организм, стремясь в стрессовой ситуации сохранить свою структуру (форму, морфологию), изменяет сбои функции, а экосистема, стремясь сохранить свои функции, изменяет свою структуру.

Но это также означает, что найденный пороговый критерии ток-ск-.еской нагрузки на экосистему не является универсальным, он га-

700

Рис. 7.

Ценотпческая ■значимость видов травяно-кустарничкового и мохобо-лишайникового ярусов в зависимости от загрязнения тяжелыми металлами

1 - Кладония;

2 - Брусника;

3 - Вороника;

4 - Плевроцеум;

5 - Дпкранум;

6 - Черника;

? - Багульник;

О

20' ¥0 ВО го

Тяжелые металлы д снеге, агпн. ед.

рантирует только продуцирование биомассы (и, в стехиометрическом соответствии, кислорода), а также поддержание на постоянном уровне суммы других измеряемых в данном случае параметров экосистем, но не видового разнообразия. Для промышленности это самый легкий критерий. Для сохранения генетического разнообразия природы он недостаточен. Очевидно, что в качестве универсальных должны быть найдены другие, более строгие критерии предельно допустимой нагрузки, ориентированные на сохранение генофонда дикой природы.

Наиболее четко порог токсического воздействия Еыражен на .кривой ИКС£ , являющейся суммой параметров древесного и траая-но-кустарничкового ярусов. Можно воспользоваться этими шестью параметрами, чтобы ответить на вопрос: возможно ли минимизировать процедуру экологического нормирования, ограничившись в качестве отклика экосистемы на токсическую нагрузку каким-либо одним показателем? С этой целью вычислены коэффициенты г. .рной корреляции г между каждым из шести названных параметров и ИКС*, ; они приведены в крайней правой колонке табл.3. Наибольшая корреляция обнаружена у общего проективного покрытия (ОШ) травяно-кустарничкового яруса (г - 0,97), поэтому кривые 0ПП введены на рис.5 и 0. Это означает', что для определения порога токсического воздействия на исследованные лесные экосистемы в данном регионе необходимо и достаточно из биологических парметров измерить только 0ПП травяно-кустарничкового яруса, что сильно упрощает есю процедуру 'экологического нормирования. Такое измерение, как показывает опыт, возможно провести с высокой точностью,' если использовать группу наблюдате-' леЗэкспертов, прошедших предварительную треш овку, и при условии отсутствия взаимовлияния (анонимный опрос).

Используя данные табл.1, можно пересчитать найденный пороговый критерий в соответствующие ему концентрации каждого из измененных токсикантов в снеге, сначала в %, для-чего можно воспользоваться' любой строкой табл.1, например данными для пробной пло--щади ЮВ-10, для которой /10=26,2£. Если пересчитать данные для пробной плошади ЮВ-10 в отношении 26.2/25=1,048, можно получить численные значения Э1ЩК для каждого из измеренных токсикантов в X.. Они преведены в первой строке табл.4. Отметил, что определение слагаемых по сумме неоднозначно; иными словами, мы приходил к пониманию того, что ьариант I для нашего норматива не является единственным, возможно неограниченное количество иных вари-

актов, для которых 2. /10-25%. Но тогда возникает вопрос, насколько Еелики могут Сыть отклонения в значениях каждого токсиканта от взрианта I, который проверен нами экспериментально и для которого есть уверенность, что норматив сработает, то есть при его выполнении произовдет реальное восстановление деградировавших лесных экосистем. Ведь существенные отклонения от варианта I этого нам уже не гарантируют. Если мы допустим резкое .преобладание одного или двух токсикантов над остальными, то даже в том сл--чае, когда X /10 будет раЕно 25%, могут возникнуть новые токсические эффекты, нами' на практике не проверенные. Иными словами, речь идет о границах применимости модели "черный ящик", в рамках которой мы обязаны оставаться в нашем подходе.

Примем, чтобы отклонения в значении каждого токсиканта не превышали ± 507. от имеющихся в варианте I, т.е. для марганца допустимы отклонения от 10,7 до 32,2 7.-, для цинкз от 25,4 до 18,4%; дл меди от 4,7 до 14,1% и т.д. С использованием этого допущения расчитаны варианты II и III в первой части табл.4. Для перехода к абсолютным значениям концентраций токсикантов в снеговой воде необходимо воспользоваться значениями 100% для каждого из них по данным табл.1; так расчитана вторая часть табл.4. Существенный интерес представляет пересчет концентраций токсикантов.в снеговой зоде в удельные выпадения из атмосферы -ЗЦЦВп в мг /ма год. Для этого примем продолжительность снегового покрова в данном районе в 5 месяцев, среднюю высоту снежного покрова 50 см и среднюю плотность снега, равную 230 г/л. Все эти данные следуют из практики многолетних наблюдений и при необходимости могут быть уточнены. Тогда:

ЭГЩЕп = 0,276 X ЗПДК

По этой формуле расчитаны варианты третьей части табл.4.

Ка пятом этапе работ осуществляется пересчет найденного критерия на выбросы из труб комбината.

Однозначнее соответствие между Еыпадениями из атмосферы в мг/мггод с Екбросами из труб предприятия в тыс.т. в год определяется расчетами по математическим моделям локального атмосферного переноса, сложность которых определяется необходимостью учета большого количества факторов, характеризующих как сами выбросы,

ЭПДК и ЗПДВп в Карабаше

Таблица 4

Вариант Нп 1п Си Ре са Со. РЬ N1 ЭЬ Сг £/10

ЗПДК в X -

Вариант Вариант Вариант I II III 21,5 10,7 32,2 16.9 25,4. 18.4- 9.4 4.7 14,1 26,7 35,1 18,3 36.7 18.8 55,0 26.4 34,6 18,2 7.9 3,9 11,8 54,4 61.6 37.2 10,2 5.1 15,0 40.1 30.0 25 25 25

и т.д. ЗПДК в мкг/л / х 10 -9 г/г /

Вариант Вариант Вариант I II III 15,6 7.8 23,3 286,1 430,0 311,5 288,9 144,4 433.3 509.7 670,1 349,3 2,1 1.1 3,2 0.0 0.8 0,4 157,5 77,8 235,2 15.4 17.5 10.6 1.8 0.9 2.7 2.8 3,5 2,1

и т.д. ЗПДВП в мг/м2 X год

Вариант Вариант Вариант и т.д. I II III . 4.3 2,2 6.4 79,0 118,7 «6.0 79,7 39,9 119,6 140,7 184,9 96,4 0.6 0.3 0,9 \2 и.2 0.1 43,5 21.5 64,9 4.2 4.8 2.9 0.5 0,2 0.7 0.8 о;8

так и климат, рельеф ...естности, шероховатость поверхности, зависящей также от большого количества факторов и т.д. Во всех случа-. ях это отдельная, самостоятельная научная проблема, требующая разработки громоздких алгоритмов и мною часов машинного времени.

Для наших целей приблизительных оценок достаточно воспользоваться простыми модельными соображениями. Рассмотрим три предельных приближения локального атмосферного переноса токсикантов.

В приближении диффузии, молекулярной или турбулентной, выб- . росы осуществляются в объем шара, обратно пропорционально И3; при строго круговой розе ветров выбросы оседают в площадь круга и распределяются обратно пропорционально И2; в пределе, если предположить, что ветер круглый год дует в одном направлении и выпадения происходят в корвдоре элементарной ширины, распределение выпадений будет подчиняться соотношению обратной пропорциональности. В рЙьной обстановке Еыпадения из атмосферы осуществляются по сценарию, промежуточному между вторым и третьим приближениями и проблема сводится к определению показателя степени в интервале от 1 до 2, в которую надо'возвести выпадения,' чтобы получить суммарные выбросы из труб. Если изменения этого показателя в интервале от 1 до'2 принять линейным,- то он может быть определен по соотношению

• У(Х) = 1 + 1,И(Х - 0,1),

где X - отношение малой и большой осей эллипса, которым апрокси-мируется роза ветров в исследуемом районе. Это справедливо, если принять допущение, что элементы рельефа и атмосферная устойчивость мало влияют на форму полей загрязнения. Тогда:

-У(х)

Вп шах

ЭПДВб = Ц х (-) ,

ЗПДВп

где ЭПДВб - экологические предельно допустимые выбросы предприятия, тыс.т. в год.

О - текущие выбросы предприятия в тыс.т./год;

Вп гг.эх - максимальное значение выпадений токсикантов в окрестностях предприятия в % , определяемое экспери-

- 38 -

ментально, по кривой рис.4. ЭЦДВп-определено намл по порогу токсического воздействия и равно в данном случае 257. Роза ветров для района КараСаша приведена на рис.4. Значение X приблизительно составляет 0,5. Тогда Y ■ 1,44 И!

- 1,44 84 .-1,44

ЭПДВб = Q х (-) = Q X 3,30 « 0/5,7

25

• Иными словами, для того, .чтобы удовлетворить обнаруженному критерию допустимой нагрузки, выбросы комбината должны быть снижены в' 6,7' раза. Погрешность этой оценки ог^еделяется погрешностью атомно-абсорбционного определениия концентрации тяжелых металлов в снеговой воде, которая в среднем составляет ¿207. для каждого из 10 измеренных металлов. Следовательно:

аВп тахз6ПДВп-207.+207. /10=47. и

13п тау ЪГВВЦ

Л^=У(Х) (дВп тах+ АЭПДВп)=1.44(4^4У.)=12Г. к. та? 2г7я/3(Г

и мы принимаем ее ±15Х, то есть искомый результат более строго' может быть записан в виде: 5,7±0,8.

Если такое снижение выбросов комбината реально осуществить, то кривые рис.5 сместятся к центру выбросов приблизительно на В км, что будет означать, что пораженная зона,являющаяся в настоящее время антропогенной пустыней, лишенной высшей растительности, зарастет березовым лесом, удовлетворяющим . критерию допустимой нагрузки-. Продолжительность такого сукцессионного процесса, по-видимому, будет не менее 25-30 лет и только при дополнительных рекультивационных работах возможно сокращение"этого срока.

Полученные экологические нормативы применимы в-регионе, ограниченном критерием инвариантности макроклиматической обстановки (Пузаченко, 1981). Практически это означает, что на равнине они могут бь ь использованы в круге радиусом 200-250 км или в квадрате со стороной 400-500 км в пределах одного ботанико-географичес-

кого района.

Таким образом, становится ясно,что система ЭПДК-ЭЦЦВ должна быть дифференцирована по регионам странч, количество которых может достигать по приблизительным оценкам 45-50.

С другой стороны, очевидно, что система ЭПДК-ЭПДВ должна быть дифференцирована и по группам отраслей промышленности, каждая из которых характеризуется своими специфическими наборами токсикантов, выбрасываемых в атмосферу. Можно надеяться, что чио- -ло таких групп при дальнейшем развитии исследований не превысит десяти. В целом, при полном^развитии, система экологического нормирования для России будет, по-видимому, представлять собой набор из соответствующих ЭПДК~ЭПДВ, общее, количество которых должно состовлять как минимум 450 -500 наборов трассеров; в дальнейшем это число может возрасти.

В третьем разделе диссертации приведены результаты исследований в зоне влияния Красноуралъского медеплавильного комбината в Екатеринбургской области. _ Они проводились по аналогичной методике, последовательно, в пять этапов, подробно описанных выше для Карабашского, медеплавильного комбината. Изучались вторичные березняки разнотравные на бурых горно-лесных почвах. Обнаружено, что атмосферные выбросы Красноуралъского медеплавильного комбината превышают допустимые в 3,5±0,5 раза.

В четвертом разделе диссертации изложены результаты работ по экологическому нормированию атмосферных выбросов комбината "Севе-роникель" (г.Мончегорск, Мурманская обл.). Существенное отличие от. описанных Еыие работ около двух металлургических комбинатов в Уральском регионе состоит в. том, что роза ветров в районе Мончегорска резко ассиыетрична, поэтому суммировать данные по всем трансектзм нельзя- это приводит к существенным искажениям пространственного распределения как токсикантов в снеге, так и биологических показателей. Поэтому исследования в окрестностях комбината "Североникель" 'проводились на южной трансекте, в ельниках-кустарничкоЕО-зеленомошных на шишовиально-гумусных подзолах. Найдено, что современные атмосферные выбросы комбината "Североникель" превышает допустимые в 3,7 +0,В раза.

В пятом разделе диссертации изложены результаты работ по экологическому нормированию атмосферных выбросов комбината "Пе-

ченганикель" (пгт.Никель, Мурманской обл.), Исследования проводились в сосняках кустарничково-зеленомошных на иллювизльно-слабо-гумусовых, подзолистых почвах. В ходе проведения исследований выяснено, что древесный ярус! в данном регионе оказался не представительным. Его эддфическая роль сведена к минимуму, поскольку сомкнутость крон составляет 0,1-0,3, а суровые климатические условия на северной границе существования приводят к тому, что экологические факторы в гораздо большей степени являются для древоо-тоев критическими по сравнению с действием выбросов комбината. Еще большую неопределенность в соотношение древостоев с другими структурными блоками экосистемы вносят неконтролируемые антропогенные воздействия '(рубки, подэры), а восстановление деревьев в данном районе происходит очень медленно. .Все названные факторы приводят к тому, что состояние древостоя в очень малой степени определяется непосредственным воздействием выбросов комбината. В итоге работы в зоне влияния комбината "Печенганикель" найдено, что его современные атмосферные выбросы превышают допустимые в 6,3 ±6,9 раза.

В шестом разделе изложена методика численной оценки относительной, статической устойчивости исследованных лесных экосистем. Понятие устойчивости лесных экосистем к антропс-энным воздействием в настоящее время трактуется большинством исследователей в двух смыслах: статически и динамически. Под статической устойчивостью '(прочностью) понимают способность экосистем сохранять свои параметры при возрастании негативного воздействия до определенно-' го предела. Под динамической устойчивостью (1..бкостью) обычно понимается способность экосистемы возвращаться в прежнее состояние после снятия нагрузки. Не вдаваясь в обсуждение смысла этих' понятий и принимая их как данные, мы можем заключить, что обнаружен-дые нами пороги токсического воздействия на лесные 'экосистемы могут трактоваться как пределы их статической устойчивости.. Располагая абсолютными численными значениями статической устойчивости, выраженныыми в мг/мг год для ряда выпадений тяжелых метал-, лов в исследованные лесные экосистемы,, мы имеем возможность вычислить значения их относительной статической устойчивости, для ■ чего можно использовать предложенную в • данной работе процедуру генерализации данных. Вычисления выполнены в'таблице 5, используя данные которой,можно сравнить статическую устойчивость лесных би-

- зэ -

огеоценозов разных широтных зон.

Так, березняки Ю.Урала оказались устойчивее аналогичных лесных сообществ Ср.Урала в 61,5/48,9 = 1,26 раза, на Кольском полуострове сосняки устойчивее ельников в 34,6/30,3 = 1,14 раза, а в целом, березняки Ю. и Ср. Урала'по отношению к ельникам и соснякам Кольского полуострова можно считать более устойчивыми ко всей сумме антропогенных воздействий в 61,5 + 48,9/2 : 30,3 + 34,6/2 = 55,2/32,45 - 1,7 раза. Эти оценки не являются окончательными, а здесь приводятся лишь для иллюстрации метода. Они также выполнены с погрешностью ±15%.

В седьмом разделе диссертации изложена методика дешифрирования аэро- и космоснимков пс оптической плотности изображения, используются принцип ловушки света. В предшествующих исследованиях нами был разработан метод измерения концентраций нейтральных атомов в молекулярных пучка:-;, использующий ловушки типа "черное тело". В молекулярных пучках атомы ке испытывают столкновений друг с другом и их траектории подчиняются законам отражения фотонов, на чем и основана аналогия. Территория, покрытая десной растительностью, уподобляется в этом подходе ловушке света, при этом очевидно, что лесной биогеоценоз в ненарушенном состоянии задерживает значительную часть падающего на него света, что соответствует местам наибольшего почернения на негативных космических изображениях и наоборот, поврежденные и деградировавшие лесные сообщества отражают больше света, что соответствует светлым зонам космоснимков. Это справедливо для всех диапазонов длин волн.

Предлагаемая методика позволяет дешифрировать большой банк космоснимков, полученных с ресурсных и метеорологических спутников общего назначения ("Метеор", "!.зпс!за1"). Эти снимки охватывают большие площади поверхности Земли и характеризуются невысоким пространственным разрешением. Заключенная в них информация содержит данные о многолетних трендах в состоянии окружающей среды, о степени деградации природных сообществ, но ока остается практически недоступной, поскольку до сего времени обработано не более 1% снимков, что связано, в первую очередь, с отсутствием таких надежных дешифровочных признаков, которые адекватно бы отражали текущее состояние природных систем. Принципиальное отличие предложенной в диссертации методики состоит л том, что р качестве де-шифровочного признака используется ин"еграль;шй коэффициент сох-

Таблица 5

Сравнительная статическая устойчивость некоторых лес.м биогеоценозов (в числителе в мг/ы'год, в знаменателе в ¡О

*

Биогеоценоз Регион и комбинат Ип гп Си Сй Со РЬ N1 Статическая устойчивость

Березняки разнотрав-. ные В.Урал Карабахский медеплавиль ННЙ 4,3 79,0 79.7 0.6 0.2 43.5 4.2 69,0 100 100 100 11,1 36,5 14,1 61.5

Ср.Эрал Красноураль ский меде-. плавильный 6,2 19.6 51.6 0,16 0,41 119,2 0,97 100 24.8 64.7 26,7 22.8 100 3.3 48.9 ,

Ельники кус тарн.-зеле-нохоЕНые- Кольский п-г-,"Севе- роникель" 2.1 3,8 18,1 0,05 1,8 1.7 12,2 3?.7 4,8 22,7 Р.З 100 1,4 40.9 30,3

Сосняки кус тарн.-зеле-номоинне Кольский п-ов,"Печен ганикелъ" . 0.8 5.1 25.4 0.06 1.43 1,43 29.8 12,7 6,4 31,9 10,5 79,4 1.2 100 34,6

- 41 - '

ранности ИКС X, который однозначно связан со степенью деградации или сохранности природных сообществ под действием антропогенных' факторов.

В качестве примерз дешифрированы космоснимки зоны влияния Ка-рабашского медеплавильного комбината. Космическое изображение изученной территории, полученное аппаратурой "фрагмент" с искусственного спутника Земли "Метеор", показано на рис.8а; С целью оп-ределния местонахождения пробных площадей, на которых изм рены . значения ИКС , было, проведена микрофотометрирование снимка по линии расположения пробных площадей на трансекте о СЗ на ЮВ; соот-ветсвуюшдя микрофотограмма показана на рис.86. Однако, очевидно, что ни по космическому снимку, имеющему столь малое разрешение, ни с помощью микрофотограммы, ■ идентифицировать пробные площади, тлеющие размеры 25 х 25 м? не представляется возможным. Поэтому исходное космическое изображение было подвергнуто квантованию на 8 ' уровней по плотности по разработанной методике. В результате было получено преобразованное ЗЕМ изображение, приведенное на рис.9 вместе с соответствующей микрофотограммой. Теперь не составляет труда сопоставить с уровнями плотности квантованного кос-моснимка значения ИКС, измеренные на пробных площадях.

Однако мы допустили бы ошибку, .ислольговзв для дешифрирования ИКС, подсчитанные'по всей сумме измеренных параметров; для данной задачи должны быть использованы только "физиономичные" показатели. Использование каких-либо других признаков сверх "физио-номичных" не только бесполезно, но может,служить источником существенной погрешности дешифрирования;

., Для того, чтобы из имеющейся суммы измеренных показателей выбрать наиболее значимые в формировании космического изображения, были вычислены коэффиценты корреляции между каждым параметром таблицы и оптической плотностью негативного космического изображения,, оцениваемой визуально по 12-ти бальной шкале по линии расположения пробных площадей на исходном снимке рис.8а.. Эти коэффициенты оказались равны: по отношению к фитомассе травя-" но-кустраничкового яруса г 0,981; по отношению к запасу древесины - 0,930; по отношению к общему проективному покрытию травяно-кус-■тарничкоЕого яруса - 0,929; остальные факторы оказались менее знзчимьщ. Подсчет ИКС ' по выбранным параметрам осуществлен в табл.6.

-чг-

Рис.&. Исходное космическое изображение (а) и его микрофотограмма (б) по линии расположения пробных площадей.

II

1

6

Рис.9. Космоснимок (а), квантованный на 8 уровней с дешифро-вочными значениями ИКС % и его микрофотограмма (б).

о

Таблица 6

Изменение физиономичных паметров фитоценоза по градиенту загрязнения, X

1 — — 1 1 ■ с | Расстояние в СЗ •| ., и, , Расстояние в ЮВ |

I Параметры 1 I направлении, км | | 1 направлении, кы |

1 • 1 1 1 11 7 б 1 3 1 1 1,2 3,5 5,5 6,5 10 |

1 IЗапас ыЗ/га |247 153 170 1 55 | 0 70 119 99 189 |

I древесины X 1 | 85,5 52,9 58,8 19,0| 0 24,2 41,2 34,3 65,

1 |Фитомасса ц/га | 7,8 5,8 2,0 0,11 0 1,0 1,0 3,3 5,4|

| тр.-куст. 7. |91,8 68,2 23,5 1,2| '0 11,8 11,8 38,8 63.51

I яруса 1

1 7. | 85 63 40 2,6| 0 2,3 18 33 75 |

ЮПП • % 1 1100 74,1 47,1 3,11 1 0 2,7 21,2 38,8 88,2|

1 |икс г I 92,4 65,1 43,1 7,8| . 1 0 12,9 24,7 37,3 72,4| ... ,. 1

Кодибровка изображения рис.9 выполнена по параметрам пробных площадей СЗ-В и Ш-5,5, для которых.ИКС в среднем близок к 35 X, «то соответствует шестому по плотности фону этого космоснимка.

В восьмом разделе даны общие выводы.■

общие выводы

к

1. Разработана методология экологического нормирования атмос-' _ферных выбросов промышленных предприятий, основанная на критериях допустимой нагрузки, внутренне присущих природным экосистемам.

2. В качестве критерия предельно допустимой нагрузки используется обнаруженный экспериментально порог токсического воздействия на лесные сообщества. Кроме того предложено два других критерия предельно допустимой токсической нагрузки на лесные- экосистемы. Найдено, что числ'енные значения всех трех критериев близки друг к другу. .. • . '

3. Экспериментально определены предельно допустимые выпадения

в мг/мггод ряда тяжелых металлов для следующих трех типов лесных экосистем в двух регионах страны:

- березняки разнотравные на бурых горно-лесных почвах Ю.Урала;

- березняки разнотравные на бурых горно- лесных почвах Ср. Урала;

- ельники кустарничково-зеленомошные на иллювиально-гумусовых подзолах Кольского полуострова;

- сосняки кустарничково-зеленомошные на иллювиально-слабогумусовых почвах Кольского полуострова.

4. Найдено,что статическая устойчивость названных биогеоценозов по отношению к сумме веек антропогенных воздействий, выраженная в относительных единицах, составляет соответственно: 61,5; 48,9; 30,3; 34,6. Иными словами: березняки Ю.Урала устойчивее бе-резяков Ср.Урата в 1,3 ±0,2 раза: сосняки Кольского полуострова устойчивее ельников Кольского полуострова в 1,2 +0,2 раза, а в целом березняки Ю. и Ср.Урала по отношению к. ельникам и соснякам Кольского полуострова устойчивее в 1,7 +.0,3 раза.

5. Разработан метод оценки состояния лесных биогеоценозов и нанесенного им биологического ущерба с использованием предложенного интегрального коэффициента сохранности.

6. На основе простых эвристических моделей локального атмосферного переноса предложена формула расчета кратности превышения атмосферных выбросов промышленных предприятий по отношению к предельно допустимым. Найдено, что для Карабашского медеплавильного комбината в регионе Ю.Урала эта кратность составляет 5,7±0,8; для Красноуральского медеплавильного комбината в районе Ср.Урала--3,5+0,5; для комбината "Североникель", г.Мончегорск, Мурманской области-3,7±0,6; для комбината "Печенганикель", пгт.Никель, Мурманской области -6,3+0,9.

7. Разработан метод дешифрирования аэро- и космоснимков по опттеской плотности изображений, основанный на использовании принципа ловушки света. На его основе проведено дешифрирование космоснимков зоны влияния Карабашского медеплавильного комбината в Челябинской'области.

- 46 -

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Монографии

1. А.М.Степанов, Р.Р.Кабиров, Т.В.Черненькова, О.Ф.Садыков и др.

Комплексная экологическая оценка техногенного воздействия на экосистемы южной тайги. М. ЦЭШ1, 1992 , 246 с.

2. М.В.Вирцаво, А.М.Степанов, В.В.Сычев. Методическое пособие по

приготовлению сухих концентратов загрязненных природных вод для химического анализа на содержание микроэлементов. М., ЦЭШГ, 1992. 33 с.

3. А.М.Степанов, О.Б.Бутусов, Т.В.Черненькова. О.Ф.Садыков и др.

Воздействие металлургических производств на лесные экосистемы Кольского полуострова. М.: Наука. 1993. 25 п.л. (в печати).

Научные сяанмх

4. Л.А.Вайнштейн, В.И.Очкур, В.И.Раховскш, A.M.Степанов. Абсолютные значения сечения ионизации мзгния, кальция, стронция и бария электронным ударом. Журн.эксп. и теор. физики. 1971. Т. 61, N 8, с.511-519.

5. В.И.Раховский, A.M.Степанов. Устройство для измерения давления пара химических элементов. Авторское свидетельство N 337670. 1971.

6. А.М.Степанов. Об измерении коэффициентов конденсации с помощью ловушки атомов "черное тело". Теплофизика высоких температур. 1973, N6, с.1330-1331.

7. А.М.Степанов. К вопросу об эффекте высоких труб. В об: География и практика, Иркутск, 1978, с.108-111.

8. Ф.Я.Шипунов, А.М.Степанов. Изменение химической структуры биосферы в результате сжигания ископаемых топлив. Изв. ВГО, 1979. т.Ш, вып.6, с.476-498.

9. Ф.Я.Шипунов, А.М.Степанов, В.А.Фролов. Загрязнение биосферы в Северном полушарии на фоновом уровне. В кн: Антропогенные нарушения и природные изменения наземных экосистем. ИЭМЭЖ, 1981, С.7-28.

Ю.Ф.Я.Шипунов, А.М.Степанов, Н.П.Морозов.В.Н.Злобин, Ю.А.Мали-нин. Загрязнение биосферы в Северном полушарии на региональном и импактном уровнях . Там же, С.29-55.

И.В.Н.Злобин, А.М.Степанов, В.А.Фролов, Ф.Я.Шипунов. Методика биоиндикационных измерений содержания тяжелых металлов в ком- • понентах природных экосистем. В кн: Биоиндикация состояния окружающей среды Москвы и Подмосковья. М.: Наука, 1982, С ЛОЗ-105.

12.А.М.Степанов. <?оновый подход к проблеме загрязнения. Основные идеи и следствия. В кн: Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. Звенигород. 1984, С.183-184.

13.О.Б.Бутусов, А.М.Степанов, Т.В.Черненькова. Оценка химического загрязнения буферных территорий с помощью моделирования и подспутниковых экспериментов. В кн: Космический мониторинг биосферы. Вып. 1 М: Наука,1984,с 93-109.

14.А.М.Степанов. Дубравы Централь но-Черноземного заповедника как объект Фоноеого мониторинга. В кн: Современное состояние и перспективы развития заповедного дела. Курск, 1985, С.58-59.

15:А.М.Степанов. Материалы к сценке содержания аэрозолей в снеге Центрально-Черноземного, заповедника. Там же, С.59-60.

16.А.М.Степанов. Узловато-ячеистая структура экосистем суши и ее значение в глобальном мониторинге. В кн: Комплексный глобальный мониторинг состояния биосферы. М: Гидрометеоиэдат,1985, С.133-134.

17.А.М.Степанов'. Обоснование системы критериев для оценки химического загрязнения биосферы. В кн: Проблемы антропогенного воздействия на окружающую среду. М.: Нзука, 1985, С.5-12.

18.А.М.Степанов, В.В.Бугровский, О.Б.Бутусов, Д.С.Орлов, Н.И.Суханова, Т.В.Черненькова. Космический мониторинг антропогенных зон металлургических производств с существенным химическим загрязнением. Там же, С.113-123.

19.А.М.Степанов. К методике расчета индекса деградации биогеоценоза под воздействием выбросов промышленных предприятии. В сб: Мониторинг лесных экосистем. Каунас, 1986, с.201-202.

20.А.М.Степанов, В.В.Бугровский, С.П.Голенецкий, Н.И.Суханова. Оценка химического состава растительности, почв и природных • вод средней и южной тайги. В сб: Кологривский лес. М.: Наука, 1986, с. 64-72.

21.Т.Н.Верещагина, Р.Г.Куперман, А.М.Степанов. Почвенные жесткокрылые (мегофауна) как возможные индикаторы промышленного загрязнения окружающей среды. В сб: Пограничные аспекты эко-

- 48 -

логии. Свердловск, 1986, с.128-140.

• 22.A.M.Степанов. Проблематика фоновых исследований. В кн: Влия-

ние промышленных предприятий на окружающую среду. М.: Наука,

1987, с.27-47.

23.А.М.Степанов, И.Ю.Попов, Т.С.Зацепин. Млекопитающие - индикаторы промышленного загрязнения. Там же, с.204-209.

24.Д.М.Степанов. Экологическое нормирование на основе расчетов интегрального критерия сохранности экосистем. В сО: Экологические и социально-экономические критерии в системе управления охраной природной среды. Ч.1.Самарканд, 1987, с.158-160.

25.A.M.Степанов. Микроэлементный состав жужелиц сосняков Подмосковья, В сб: Динамика естественных и искусственных биогеоце-

• нозов Подмосковья, М.: Наука, 1987, с.131-136 £6. о. в. But изо v, A.M.Stepanov, T.V.Chemen'kova. Analysis of the chemical- pollution of buffer 2ones Ъу modeling and sub-satellite experiments. Mapping Sciences and Remote Sensing, 1987, v.24, N Z, p.172-177. 27.А.М.Степанов, Т.В.Чернекькова. Индикационные свойствз комплекса почвенных беспозвоночных в связи о подстилкой и расти- . тедьностыо низших ярусов, В сб: Биомониторинг лесных систем. . Вильнюс, 1987, с. 153-157. ,

• 28.А.М.Степанов, Т.В.Черненькова, Е.Д.Коробов, В.Л.Усачев.Жужели-

цы как биоиндикаторы; В кн: Почвенная фауна и почвенное плодородие. М.: Наука, 1987, с. 493-494.

29.A.M.Степанов. Концепция экотоксикологии. В сб: Экотоксиколо-гия и охрана природы. Рига, 1988, 0.169-1"!.

30.А.М.Степанов. Методология биоиндикации и фонового мониторинга экосистем суши. В кн: Экотоксикология и охрана природы. М. : Наука, 1988, о.28-108.\

_ 3l.A.M.Stepanov._ Point-and-cell structure of terrestrial ecosystems and its signification for ecological monitoring. Bioindicatores deteriorations" regions. Ceske Budejovice.

1988, p.133. ' .

32.A.M.Stepanov, O.B.Butusov. Assessment of the state of forests ecosystems using satellite images. Там же, p.134. .

33.И.М.Бокштейн.-В.В.Бугровский, О.Б.Бутусов, А.М.Степанов и др. Разделение антропогенных,буферных-и фоновых территорий в окрестностях источников существенного химического загрязнения.

' В кн: Информационнее проблемы изучения биосферы. М.: Наука, 1988, с. 12-33.

34.Д.А.Криволуцкий, А.М.Степанов, Ф.А.Тихомиров, А.Е.Федоров. Экологическое нормирование на'примере радиоактивного и химического загрязнения экосистем. В кн: Методы биоиндикации окружающей среды в районах АЭС. М.: Наука, 1988, с. 4-16.

35.A.M.Степанов, Р.Р.Кабиров, Т. В.Черненькова. Изменение биологической активности почв северотаежных лесов при антропогенном воздействии. В кн: Биология почв Севера. М.: Наука, 1988, с.205-214.

36.A.M.Степанов. Индикационное значение определения содержаний тяжелых металлов в снеге антропогенных территорий. В об: Тяжелые металлы в ркружающей среде и охрана природы. М.: МГУ, 1988, С. 308-311.

37.А.М.Степанов, Т.В.Черненькова. Исследование лесных бпогеоцено-. зов в окрестностях медеплавильного комбината. Изв. АН СССР,

сер. биол, 1989, N 3, с.356 - 363.

38.А.М.Степанов. Генерализация данных глобального мониторинга на основе узловато-ячеистого членения экосистем суши. В сб: Наука и практика. Slursk, Poland, 1989, p.57-69.

39.А.М.Степанов, Т.В.Черненькова, М.М.Гордеева. Изменение организации лесных фитоценозов в условиях техногенеза. КОБ,1989,т.L, N 3, 0.288-395.

40.А.М.Степанов. Концепция ПДК: за и против. Докл. высш.школы, Биол.науки. 1Э89, N 9, с.61-73.

41.A.M.Stepanov. Generalization of global monitoring data . according to the knotty-cell division of the terrestrial

ecosystems..Proc. Vth. Int. Conf. Bioindicatores Deteriorisationes Regiones. Ceske Budejovice. 1989, p.24-27.

42.А.М.Степанов. О критериях допустимой антропогенной нагрузки на природные сообщества. В сб: Методология экологического нормирования. Харьков, 1990, ч.2, с.64.

43.А.М.Степанов. Экспериментальное определение допустимой антро- • погенной нагрузки на лесные экосистемы. В об: Проблемы устойчивости биологических систем. Харьков, 1990, с.352-353.

44.А.М.Степанов. Биоиндикацил на уровне экосистем. В сб: Биоиндикаторы п биомониторинг, М.: Наука, 1931, с.58-64.

- 50 - .

45.A.M.Stepanov. Three aproaches to determination of emission limits. Int.Symp. on Bioindicators and Biomonltorlnj. Zagorsk, 1991, p.140-141.

46.А.М.Степанов, Т.В.Черненькова, Т.Н.Верещагина, Ю.А.Безукладо-ва. Оценка влияния техногенных выбросов на почвенных беспозвоночных и растительный • покров. ЖОБ, 1991, т.52, N 5,

. с.699-707.

47.Р.Р.Кабиров, А.М.Степанов, Т.В.Черненькова. Устойчивость популяций почвенных водорослей к радиоактивному и химическому загрязнению. Альгология. Т.1, 1991. N 4, с.51-57. .

48.А.М.Степанов. Простыв модели атмосферного переноса токсикантов. В сб:ЭкологичеЬкое нормирование. Проблемы и методы. М.

' ■ 1992, с.140-141.

49.A.M.Stepanov. Ecological standarts for atmospheric . emission from Pecheneanickel plant. Effect of A: - Pollution. SFT. N.92, Svanvik, Norway, 1992, p.28-34.

50.А.М.Степанов. Квазистационарная модель взаимодействия лесной экосистемы с атмосферными выбросами промышленных предприятий. Лесное хозяйство. N 10. 1992, с.20-21. .