Научное ландшафтное моделирование.

Ландшафтно-экологические исследования

Изучение ландшафтной структуры территории, функционирования и динамики ПТК является необходимой предпосылкой проведения ландшафтно-экологических исследований, предусматривающих выявление, анализ и оценку проблем в области окружающей человека среды. Такие исследования обычно включают три основных этапа работ: ландшафтно-экологический анализ, диагноз и прогноз, на каждом из которых решаются различные задачи. Первый этап – анализ, включает инвентаризацию ландшафтов, установление их пространственной дифференциации, антропогенных воздействий, определение экологических функций. Второй этап – экодиагностика, заключается в оценивании ландшафта для целей сельскохозяйственного, промышленного, рекреационного, транс-портного использования или с точки зрения качеств ландшафта как среды жизни людей. Решение этих задач сопровождается оценкой экологического и ресурсного потенциала, экологической емкости, состояния, устойчивости ландшафтов к антропогенным нагрузкам, а также оценкой экологических ситуаций территории исследования. Последний этап – прогнозирование состояния ландшафтов или прогноз изменения экологических ситуаций на 5 – 10 и более лет вперед.


Ландшафтно-экологический анализ 


Инвентаризация, картографирование и установление закономерностей пространственного распространения ландшафтов осуществляется в процессе ландшафтных исследований с использованием методик, разработанных и апробированных в географических и ландшафтных работах. Новым аспектом в проведении ландшафтно-экологического анализа является выявление экологических функций ландшафта.


Экологические функции ландшафта проявляются как совокупность функций его компонентов, однако экологическая значимость последних для человека далеко не одинакова. А.Г. Исаченко (2001) предлагает различать облигатные (незаменимые) факторы, без которых невозможна жизнь вообще (воздух, вода, сол-нечное тепло, биологическая продукция) и дополнительные, играющие вспомогательную, но часто лимитирующую роль (стихийные природные процессы). Среди облигатных факторов первостепенное значение имеет климат, который обладает, с одной стороны, большим рекреационным и лечебно-оздоровительным потенциалом, а с другой – способствует формированию ряда экстремальных условий (смерчи, бури, ураганы, гололед и др.). По расчетам А.Г. Исаченко, зона смешанных лесов обладает относительно высоким показателем биологической эффективности климата и является одной из наиболее благоприятных для жизнедеятельности человека.
Обводненность ландшафта также относится к незаменимым экологическим факторам. Водообеспеченность населения определяется сум-марным годовым объемом речного стока и запасами пресных подземных вод. Большое значение имеет минерализация и химический состав вод, так как с питьевой водой в организм человека поступают необходимые для его нормального функционирования макро- и микроэлементы. Как недостаток, так и избыток последних является причиной многих заболеваний – эндемичного зоба, мочекаменной болезни, кариеса зубов и др. Сильно минерализованные подземные воды и рассолы, хотя и непригодны для питья, но имеют важное бальнеологическое значение.
Почва, как среда, в которой протекают биогеохимические процессы, имеет косвенное экологическое значение для человека. Почва служит источником питания растений, а через них – поступления минеральных элементов в организм человека. Известно, что в почве содержится около 30 микроэлементов, необходимых человеку для нормального функционирования. Именно концентрация биологически необходимых человеку элементов в почве служит основным биогеохимическим критерием качества природной среды. Для каждого элемента определен экологически оптимальный уровень содержания в почве, приближающийся к среднему показателю элемента в земной коре, т. е. его кларку. Как недостаток, так и избыток биологически необходимых микроэлементов – йода, меди, цинка, кобальта, хрома и других может быть причиной патологических нарушений в функционировании организма человека.
Важным экологическим фактором является рельеф. Увеличение абсолютной высоты местности и связанные с этим явления – понижение атмосферного давления, недостаток кислорода, понижение температуры воздуха – сказываются негативно на здоровье человека. Вместе с тем горные ландшафты обладают высокой аттрактивностью и значительным рекреационным потенциалом. В условиях равнинных территорий расчлененный рельеф повышает эстетические и рекреационные свойства ландшафтов, хотя и снижает их сельско-хозяйственную ценность.


Наиболее важную экологическую роль в ландшафте играют компоненты биоты, в частности растительный покров, который является поставщиком кислорода в атмосферу, источником многих пищевых продуктов, витаминов, лекарственных средств, фитонцидов. Растительность обогащает среду обитания человека, оказывает большое влияние на рекреационные, эстетические, бальнеологические свойства ландшафта. Совместно с остальными экологически значимыми факторами растительный покров выполняет особо важные экологические функции – стабилизирующие, средоформирующие и средозащитные. В этом отношении наиболее велика роль лесных сообществ, препятствующих развитию негативных экзогенных процессов, обусловливающих устойчивость ландшафта, способных создавать местный климат, более благоприятный для человека, чем климат безлесных территорий. Основными критериями экологической эффективности растительности считается ее продуктивность и запасы фитомассы. В умеренном климатическом поясе наиболее высокой продуктивностью характеризуется лесостепная зона, однако по запасам фитомассы леса как широколиственные, так и хвойные во много раз превосходят все другие типы растительных сообществ.
Животный мир, несмотря на резкое сокращение численности, продолжает выполнять прежние экологические функции. Животные являются элементами биоты и наряду с растениями определяют биологическую продуктивность экосистемы, хотя объемы их биомассы далеко не одинаковы: на поверхности Земли объем фитомассы составляет 98 – 99 %, зоомассы – всего 1 – 2 %. Данных о массе микроорганизмов нет, но их функция общеизвестна – они разлагают органические остатки и превращают их в минеральные вещества, тем самым завершая биологический круговорот. По отношению к человеку животный мир утратил свою прежнюю роль поставщика продуктов питания и на первый план выступили негативные экологические функции животных. Факторами экологического дискомфорта во многих ландшафтах являются кровососущие насекомые, ядовитые виды, переносчики многочисленных природно-очаговых болезней – клещевого энцефалита, туляремии, бруцеллеза, бешенства, малярии и др.
Степень позитивного или негативного экологического влияния того или иного природного фактора на человека в значительной степени зависит от характера и уровня антропогенного воздействия. Поэтому ландшафтно-экологический анализ предусматривает необходимость всестороннего учета экологических последствий хозяйственной деятельности человека. Они выражаются в потере почвенного плодородия на пахотных землях, развитии водной и ветровой эрозии, вырубке лесов, частых лесных пожарах, ухудшении водообеспеченности и местного климата, что приводит к сокращению биологической продуктивности и снижению качества жизненной среды.
Крупные изменения в природной среде произошли в связи с индустриальными формами хозяйственной деятельности и урбанизацией, что выразилось в изъятии земель под застройку, горные разработки, отвалы, терриконы, свалки промышленных и коммунальных отходов. различные транспортные и инженерные сооружения. Но наиболее негативный экологический эффект современной хозяйственной деятельности - загрязнение природной среды промышленными и бытовыми отходами, среди которых нередки токсичные вещества и радионуклиды. Химические вещества, сбрасываемые в атмосферу, поверхностные и подземные воды, почвы, вовлекаются в геохимический круговорот, переносятся на большие расстояния, вступают в химические реакции и различными путями поступают в организм человека.
Из атмосферы в дыхательные пути поступают такие токсичные ве-щества, как диоксид серы (SO2), оксид углерода (CO), диоксид азота (NO2), сероводород (H2S), аммиак (NH3), которые вызывают поражение органов дыхания. В атмосферном воздухе содержится много углеводородов, среди которых около 30 особо вредных, являющихся канцерогенными, мутагенными, токсичными. В загрязненных поверхностных, а нередко и подземных водах содержатся нефтепродукты, фенолы, сульфаты, хлориды, нитраты, пестициды. Концентрация таких веществ в питьевой воде может служить причиной тяжелых заболеваний. Почва способна накапливать тяжелые металлы и служит источником их техногенной миграции, что особенно характерно для крупных промышленных городов. В Беларуси начало педогеохимическим исследованиям урболандшафтов положили работы В.К. Лукашева (1976), которые позднее были продолжены В.С. Хомичем, С.В. Какарека, Т.И. Кухарчик (2004). Объектами изучения стали города Минск, Гомель, Светлогорск, Бори-сов и другие более мелкие.
Карта суммарного загрязнения почв (рис.32.) позволяет сделать вывод, что территория города по этому показателю разделяется на 3 зоны: I – зона сильного загрязнения, где коэффициент суммарного загрязнения составляет 5 – 20, т. е. загрязнение превышает ПДК в 5 – 20 раз. Эта зона занимает около 10 % площади города и представлена

Рис. 32. Суммарное загрязнение почвенного покрова г. Могилева тяжелыми металлами, кратности ПДК: 1 – 0-1; 2 – 1-2; 3 – 2-5, 4 – 5-10; 5 – более 10.
участками, премыкающими к оживленным магистралям, или занятыми крупными промышленными предприятиями; II – зона среднего загрязнения с коэффициентом суммарного загрязнения 2 – 5, т. е. с превышением над ПДК в 2 – 5 раз. Такие показатели загрязнения преобладают в г. Могилеве, образуя крупные площади, удельный вес которых в площади города составляет около 50 %; III – зона минимального загрязнения с показателями коэффициента суммарного загрязнения ниже 1 (около 40 % площади города). Эта фактически чистая территория крупными участками представлена по левобережью Днепра, а в правобережной части тягтеет к северо-западной окраине города.
В целом анализ имеющихся данных по состоянию городов Беларуси убеждает, что основными загрязнителями почв урбанизированных территорий являются свинец, цинк и нефтепродукты. Среднее содержание последних в почвах областных центров в 1,1 – 1,7 раза выше допустимой нормы.
 Ландшафтно-экологический диагноз 
Одной из наиболее сложных и поэтому слабо разработанных видов экологической оценки является определение экологического потенциала ландшафта (ЭПЛ). По мнению ряда авторов (А.Г. Исаченко, 2001, А.Н. Витченко, 2002) понятие об ЭПЛ приближается к понятию о природно-ресурсном потенциале (ПРП), хотя между ними есть и некоторые различия. Так, в структуру ЭПЛ входят не только природные ресурсы, но и природные условия, поскольку они являются экологически значимыми факторами. А.Г. Исаченко считает, что оценка ЭПЛ должна базироваться на учете только возобновимых природных ресурсов (климатических, водных, земельных, биологических), потенциал которых измеряется не величиной их абсолютного запаса, а только ежегодно возобновляемой частью. Так, потенциал лучистой энергии Солнца измеряется величиной годовой суммарной радиации, водных ресурсов – годового объема речного стока, биологических ресурсов – ежегодной биологической про-дукцией, земельных ресурсов – среднегодовой урожайностью сельскохозяйственных культур. Интегральная оценка при этом рассчитывается, как правило, методом перевода абсолютных показателей в баллы и их последующего суммирования. Предпринимаются отдельные попытки произвести экономическую оценку ЭПЛ, что может иметь важное практическое значение, но эта проблема наталкивается на непреодолимые трудности.
Несколько иной метод расчета ЭПЛ предложен Г. Хаазе (1978), который считает, что этот показатель должен выражаться в единицах энергии и может быть представлен в виде формулы:
 P=R+G+B+K, 
где, P – полный природный потенциал, R – солнечная энергия, G – энергия гравитационная, B – энергия, поступившая в окружающую среду в результате проявления космических, геологических, биотических и почвенных процессов, K – энергия продукционных процессов.
Синтез частных потенциалов участка Зальцбургских Альп приведен на рис.33.

Рис. 33. Синтез частных потенциалов фрагмента Зальцбургских Альп (по А. Рихлингу, Е. Солону, 2002).
1 – 3d или 2d+1s; 2 – 2d+1u или 1d+2s; 3 – 1d+1s+1u или 1d+2u; 4 – 3s или 2s + 1u; 5 – 3u или 2n+1s.
d – хороший, очень хороший; s – средний; u – бедный, очень бедный.


 

Важным показателем качества ландшафта является оценка его экологического состояния (ЭСЛ), которое зависит от соотношения экологически значимых факторов, поддерживающих или снижающих ценность ПТК. Среди них – густота и глубина расчленения рельефа, величина суммарной солнечной радиации, глубина залегания грунтовых вод, распаханность, лесистость и некоторые другие. Проведенная таким образом оценка ЭСЛ Беларуси позволила произвести ранжирование ПТК в ранге рода по степени экологической благоприятности.


С развитием исследований в области оценки качества окружающей среды и рационализации природопользования для определения состояния систем жизнеобеспечения человека на конкретной территории связано все более частое употребление термина «экологическая ситуация». Это понятие широко используется в научной литературе, в средствах массовой информации, в документах государственных органов и общественных организаций. В этом отражается стремление интегрально представить или выразить состояние окружающей среды данной территории.
Б.И. Кочуров (2001) рассматривает экологическую ситуацию как пространственно-временное сочетание экологических проблем, определяющее состояние систем жизнеобеспечения человека и создающее определенную экологическую обстановку. Г.В. Сдасюк, А.С. Шестаков и др. (1995) предлагают другой, более широкий термин – «эколого-географическая» ситуация, полагая, что он наиболее полно отражает многофакторность и комплексность складывающихся на территории экологических проблем. Авторы считают, что эколого-географическая ситуация (ЭГС) - такое пространственно-временное сочетание взаимосвязанных природных, экономических, социальных и политических условий, которое характеризует изменения в географической среде, обусловливающие относительно устойчивую во времени обстановку систем жизнеобеспечения человека и влияющие на уровень развития и степень удовлетворения потребностей общества. Термин ЭГС авторы предлагают рассматривать как общий для обозначения целого класса экологических ситуаций, а внутри него выделять типы и виды ЭГС.
Завершающим этапом работ является оценка сложившейся на изу-ченной территории эколого-географической обстановки с точки зрения ее остроты или напряженности. Такая оценка ЭГС носит явно выраженный антропоцентрический характер, так как по сути дела оценивается степень опасности последствий социально-экономического развития территории для систем жизнеобеспечения человека с позиций самого человека. Используются следующие оценочные категории по нарастанию степени опасности: благоприятная, удовлетворительная, нейтральная, конфликтная, напряженная, проблемная, нежелательная, критическая, окризисная, бедственная, катастрофическая ЭГС. Однако наиболее часто пользуются пятичленной классификацией эколого-географических ситуаций, основанной на выявлении уровня их остроты или «критичности», которая предусматривает выделение следующих классов ЭГС.
Удовлетворительные ЭГС как правило характеризуют районы слабо затронутые непосредствен ной антропогенной деятельностью (охраняемые территории, труднодоступные районы, районы с сохранившимся традиционным укладом хозяйства). В некоторых случаях это могут быть территории, где оптимальные условия искусственно созданы и поддерживаются человеком.
Конфликтные ЭГС формируются в районах со стабильным функционированием и развитием экономических и социально-политических структур.
Кризисные ЭГС – пограничный класс, своеобразная критическая точка в их развитии. Отделяют благоприятные для общества ЭГС от подавляющих его жизнедеятельность. Выявление этих ЭГС наиболее важно, т. к. именно эти районы требуют неотложных мероприятий по стабилизации ситуаций, разрешению противоречий природопользования, принятия управленческих решений.
Бедственные ЭГС характерны для районов, где происходит разрушение природной основы, механизмов саморегулирования, сложившихся систем природопользования. В результате эффекта границы и саморасширения опасны для соседних территорий.
Катастрофические ЭГС характеризуются устранением субъекта противоречий природопользования (смерть людей, закрытие предприятий, гибель государства и т. д.), полным разрушением систем природопользования, непригодностью территории для поддержания прежнего уровня и типа жизнедеятельности без постоянных внешних стимуляторов.
Отдельно выделяются аварийные ЭГС, возникающие в результате крупных технологических аварий (например, авария на Чернобыльской АЭС) и природных катастроф (землетрясения, извержения вулканов). Такие события обычно происходят в короткий промежуток времени, но имеют долговременные последствия, непредсказуемы и приводят к формированию бедственных и катастрофических ЭГС. В целом определение эколого-географической ситуации территории позволяет определить ее положение относительно критического уровня, за которым наступают необратимые изменения окружающей среды, а также выработать систему мероприятий для предотвращения ухудшения экологической обстановки.
Самой крупной техногенной катастрофой конца XX в. является авария на Чернобыльской АЭС, произошедшая 26 апреля 1986 г. Она намного превосходила по мощности предшествовавшие ей аварии на атомных станциях в Англии (1957 г.) и в США (1979 г.). Взрыв четвертого реактора ЧАЭС привел к разогреву его активной зоны до 4000 0С. В результате над ним образовался факел, в котором нижние слои атмосферы насыщались компонентами топлива, а высокие – продуктами сублимации из разрушенных тепловыделяющих элементов. Соответственно радиоактивные извержения состояли из относительно твердых частиц (ядерного топлива) и аэрозолей.
В первые часы из реактора выносились продукты разрушения вместе с сухой пылью, которые не поднимались выше 1 – 1,5 км и осели в примыкающем к АЭС подфакельном пространстве, чем обусловлена высокая плотность загрязнения вокруг ЧАЭС. Аэрозоли поднялись на высоту 3,5 – 4,5 км и переносились воздушными потоками на большие расстояния.
В результате аварии возникла обширная нуклеарная геосистема радиоактивного загрязнения с ядром в зоне реактора. Эту систему можно расчленить на несколько зон:
1 – подфакельное пространство, включающее тридцатикилометровую зону. Эта площадь вытянута в западном направлении и имеет в поперечнике 70 км. Наибольшую роль здесь сыграло сухое загрязнение с выпадением церия, плутония.
2 – зона атмосферной разгрузки радионуклидов (цезий-137, стронций-90), происходившей с атмосферными осадками. Она охватывает обширные пространства, простирающиеся на сотни и тысячи километров от ЧАЭС (до Польши, Чехии, Германии, Финляндии, Швеции) и имеет пятнистый характер. При конденсации влаги и выпадении осадков из них формировались многочисленные поля и пятна радиоактивного загрязнения. Именно такой характер носит загрязнение радионуклидами на территории Беларуси, общая площадь которого составляет 100 тыс. км2. Здесь проживало 2,5 млн. человек, расположено 7820 населенных пунктов. Загрязнению подверглись 18 % пахотных угодий, 25 % лесов республики.
При ландшафтном анализе нуклеарной системы следует учитывать различные уровни горизонтального строения ПТК. В зоне атмосферной разгрузки проявляется влияние комплексов регионального уровня (ландшафтных районов, провинций). Известно, что с увеличением абсолютной высоты местности в результате неравномерного нагрева земной поверхности усиливается турбулентность воздуха, что приводит к повышению плотности радиационного загрязнения. Велика также роль орографических барьеров на выпадение конвективных осадков, при этом наибольшая их часть приходится на территории перед барьером и на нем. Показательны в этом отношении восточные склоны Новогрудской и южные склоны Ошмянской возвышенностей, загрязненные радионуклидами.
Комплексы локального уровня (урочища, фации) влияют на концентрацию радионуклидов в приземном слое тропосферы, где происходят процессы ветрового перераспределения осадков, дефляции почв, эоловой аккумуляции. Важную роль при этом играют ветровые барьеры, которые формируются местной ландшафтной структурой: неровностями и расчлененностью мезорельефа, участками леса, антропогенными сооружениями. Ландшафтно-радиационные исследования, предпринятые сразу после аварии на Чернобыльской ЭАС сотрудниками института географии Академии Наук Украины (В.С. Давыдчук, Р.Ф. Зарудная и др.) показали, что плотность радиационного загрязнения напрямую зависит от структуры урочищ. В Беларуси подобные работы стали проводиться с 1991 г. Пинским консультационно-диагностическим центром Государственного комитета по проблемам Чернобыльской аварии при участии профессора БГУ Г.И. Марцинкевич и кандидата географических наук И.И. Счастной. Для производства систематических наблюдений была заложена сеть, состоящая из 18 ландшафтно-геохимических полигонов, расположенных в различных ландшафтах Гомельской, Могилевской и Брестской областей. Позднее эти ЛГП были включены в систему национального радиоэкологического мониторинга почв.
Основными объектами изучения ЛГП явились урочища, картографирование которых осуществлялось в крупном масштабе (1: 
25 000). Отбор образцов почвы производился внутри урочищ с учетом характера рельефа и растительности. В образцах определялось содержание цезия-137, стронция-90, плутония-238. При сопоставлении ландшафтных карт с картами плотности загрязнения Cs-137 получены следующие результаты. Максимальные уровни загрязнения отмечены в урочищах с высокими абсолютными отметками, сложным строением рельефа и дисперсной структурой растительности. В Белорусском Полесье ПТК с такими особенностями встречаются в холмисто-моренно-эрозионных (мелкохолмистые урочища с западинами, паш-ней, садами, населенными пунктами), аллювиальных террасированных (волнистые с дюнами, котловинами, сосновыми лесами, участками болот) ландшафтах. Минимальные уровни загрязнения в пределах всех модельных участков свойственны мелиорированным урочищам болотных, озерно-аллювиальных и пойменных ландшафтов (рис.34).


Рис. 34. Карта загрязнения территории полигона Сs-137. ЛГП № 5 "Лубень". Наровлянский район. Гомельская область.
1 - 0,47-4,83 Ки/км2; 2 - 4,83-9,19 Ки/км2; 3 - 9,19-13,56 Ки/км2; 4 - 13,56-17,92 Ки/км2; 5 – 17,92-22,28 Ки/км2.
Поведение радионуклидов и их влияние на человека и окружающую среду стали изучаться с 60-х гг. XX в., когда в атмосфере проводились испытания ядерного оружия. Уже тогда выяснилось, что образующиеся при взрывах атомной бомбы радионуклиды быстро поднимаются в верхние слои тропосферы и стратосферу и на высоте около 23 км образуют крупный резервуар. Время жизни радионуклидов и нахождение в резервуаре зависит от географической широты: в полярных широтах - до 1 года, в экваториальных –4-5 лет. Из резервуара радионуклиды разносятся по всей планете, при этом скорость широтного распространения в 10 раз выше, чем меридионального. Значительная их часть осаждается на по-верхность земли атмосферными осадками. При этом наибольшая радиоактивность зарегистрирована при небольших осадках (4 – 5 мм /сут.). Однако в дождливые дни гамма-фон (радиоактивность воздуха) всегда ниже, чем в сухие.
После аварии на Чернобыльской АЭС в Беларуси были проведены крупномасштабные исследования по изучению поведения наиболее распространенных радионуклидов (Cs-137, Sr-90) в почвах, водных объектах, растениях. Cs-137 (период полураспада 30 лет) является очень подвижным элементом, быстро включается в биологический круговорот, достаточно активно поглощается растениями. Миграция Cs-137 из почвы в растения повышается: 1) с увеличением влажности почвы, достигая наибольшей активности в дерново-глеевых и торфяно-болотных почвах; 2) в почвах с малым содержанием обменного калия, в меньшей степени фосфора и кальция, в связи с чем внесение минеральных удобрений и известкование снижает активность цезия; 3) в зависимости от механического состава почв. Ряд ускорения миграции: суглинистые осушенные торфяно-болотные супесчаные песчаные дерново-подзолистые почвы. Доказано, что на минеральных почвах не более 10 % содержащегося в почве радиоактивного цезия усваивается растениями. Попавший в во-доем Cs-137 на 90 % осаждается в илах, 4 % поглощается водными организмами, 6 % содержится в воде.
В соответствии с данными радиоэкологического мониторинга земель в верхнем пятисантиметровом слое почвы замечено увеличение доли запаса:
для Cs-137 в ряду: дерново-глеевая, дерново-подзолистая глеевая, дерново-подзолистая избыточно увлажненная, торфяно-болотная, дерново-подзолистая почва; для Sr-90 в ряду: дерново-подзолисто-глеевая, дерново-подзолистая временно избыточно увлажненная, дерново-подзолистая, торфяно-болотная почва; для изотопов Pu и Am-241 в ряду: дерново-подзолистая избыточно увлажненная, торфяно-болотная, дерново-глеевая,дерново-подзолистая почва.