ЭКОЛОГИЯ, 2012, № 2, с. 83-91
УДК 504.5:661+574.4+574.001.8
ВОЗДЕЙСТВИЕ ТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭМИССИИ ПОЛЛЮТАНТОВ НА НАЗЕМНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ: МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СХЕМЫ, РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ОШИБКИ
© 2012 г. Е. Л. Воробейчик*, М. В. Козлов**
*Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 E-mail: ev@ipae.uran.ru **Лаборатория экологии Университета г. Турку 20014 Турку, Финляндия E-mail: mikoz@utu.fi Поступила в редакцию 15.07.2011 г.
Охарактеризовано современное состояние экологии импактных регионов. Показано, что комплекс экосистем, расположенных вокруг точечного источника эмиссии поллютантов (импактный регион), — удобный модельный объект для решения многих фундаментальных и прикладных проблем экологии, связанных с изучением сильных внешних воздействий на биоту. Рассмотрены типичные методологические ошибки, вызванные недостаточным учетом специфики пассивных экспериментов, и предложены пути их преодоления. Обсуждаются принципы размещения исследуемых участков в пределах импактного региона, а также выбора экспериментальных и измеряемых единиц.
Ключевые слова: промышленное загрязнение, точечный источник эмиссии поллютантов, импакт-ный регион, наземные экосистемы, пассивные эксперименты, градиент загрязнения, экспериментальная единица, измеряемая единица, методология анализа, методологические ошибки.
Изучение изменений структуры и функционирования экосистем под влиянием внешних факторов представляет собой одну из центральных задач современной экологии (МогеШ й а1., 2006), поэтому вполне понятен интерес экологов к анализу последствий промышленного загрязнения. Особенно популярны исследования, выполненные вблизи точечных источников выбросов (т.е. таких, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с зоной их воздействия), в первую очередь заводов по выплавке и переработке железа и цветных (никеля, меди, свинца, цинка, алюминия) металлов, производству минеральных удобрений и цемента, синтезу и переработке органических соединений, а также электростанций, работающих на угле или мазуте. Результаты подобных работ рассматриваются во многих разделах экологии — эко-токсикологии, биоиндикации, экологическом мониторинге, прогнозировании, нормировании, а также в смежных дисциплинах — теории эволюции, биогеохимии и мн. др. В то же время ни один из этих разделов не охватывает все аспекты действия точечных источников эмиссии поллютантов на живую природу и не учитывает в полной мере их специфику.
Целостная картина трансформации экосистем под влиянием промышленного загрязнения может
быть создана только в рамках единого научного направления, которое мы предложили называть "экология импактных регионов" (Воробейчик, 2004). Под импактным регионом мы понимаем комплекс экосистем различного пространственно-временного масштаба, расположенных вокруг точечного источника выбросов и подверженных воздействию загрязнения (прежде всего атмосферного) от этого источника.
Основная специфика импактных регионов заключается в градиентной природе формирующего их фактора: с удалением от источника выбросов экосистемы получают все меньшие дозы токсической нагрузки. В итоге территория вблизи источника представляет собой специфическую пространственную структуру, состоящую из участков с разным уровнем загрязнения и соответственно разной степенью трансформации экосистем. Точно провести внешнюю границу импактного региона так же сложно, как и границу фитоценоза или популяции. В общем случае можно считать, что она пролегает там, где уже не удается отличить влияние рассматриваемого локального источника загрязнения ("сигнал") от прочих изменений ("шум"), к числу которых относятся, в частности, эффекты фоновых (региональных и глобальных) выпадений поллютантов. Эта граница отделяет
импактный регион от фоновой территории, которая, строго говоря, в него не входит.
Как правило, интерес экологов к изучению им-пактных регионов выходит далеко за рамки решения прикладных проблем, связанных с угрозой здоровью населения и охраной окружающей среды вблизи конкретного источника выбросов. Импактный регион можно рассматривать как результат длительного масштабного натурного эксперимента с экосистемами, начатого в момент пуска предприятия. Соответственно его можно использовать в качестве удобного модельного объекта для решения различных теоретических и прикладных вопросов экологии, прежде всего связанных с раскрытием механизмов устойчивости экосистем к стрессирующим факторам, проверкой теоретических построений, верификацией моделей реакции на внешние воздействия.
Импактная экология — относительно новое научное направление, развитие которого невозможно без широкого и разностороннего обсуждения ее понятийного аппарата и методологии исследований. Цель данной работы — критический анализ современного состояния импактной экологии и рассмотрение ряда методологических аспектов, включая разработку рекомендаций по организации сбора данных в импактных регионах.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИМПАКТНОЙ ЭКОЛОГИИ
Первые исследования изменений биоты вблизи точечных источников выбросов были выполнены в конце XIX в. (Holland, 1888; Haselhoff, Lindau, 1903; Stoklasa, 1923). Описания мертвых лесов и "лунных ландшафтов" вошли во многие учебники экологии (Freedman, 1989; Орлов и др., 2002) как наиболее яркие примеры негативных последствий человеческой деятельности. Интенсивное накопление информации позволило уже к концу 1970-х годов нарисовать "крупными мазками" картину трансформации экосистем под влиянием загрязнения (Woodwell, 1970; Smith, 1981; Odum, 1985; Rapport, Whitford, 1999).
По нашей приблизительной оценке количество публикаций, описывающих изменения наземных экосистем вблизи точечных источников эмиссии поллютантов, превышает 10 тыс. Даже простое нахождение и объединение этих публикаций в одном месте представляют собой непростую задачу. К ее решению сотрудники Университета г. Турку (Финляндия) приступили в 2001 г., используя следующие критерии отбора (Kozlov, Zvereva, 2011): 1) исследование выполнено в зоне влияния точечного источника выбросов; 2) источник действовал на окружающую среду преимущественно за счет атмосферных выбросов; 3) исследование проведено в естественных экосистемах, не измененных экспериментальными воздействиями; 4) изучались
местные популяции организмов; 5) приведена сопоставимая информация как для загрязненных, так и фоновых участков. Поиск публикаций проводился всеми возможными способами; в базу данных включали публикации независимо от языка, вида организмов и типа предприятия. В настоящее время база данных содержит 3200 публикаций и непрерывно пополняется, в том числе и за счет работ, изданных десятилетия назад. Наличие этой базы позволяет количественно оценивать изученность того или иного вопроса. Некоторые из этих оценок приведены в настоящей работе.
Различные импактные регионы изучены очень неравномерно. Если рассматривать только относительно крупные точечные источники эмиссии поллютантов (с годовым атмосферным выбросом не менее 1000 т, исключая С02), то по очень приблизительной оценке их в мире насчитывается свыше 30 тыс. Какая-то (пусть самая фрагментарная) информация о влиянии на природу существует лишь для нескольких сотен предприятий (табл. 1). При этом относительно подробно изменения биоты описаны всего лишь в 20—30 импактных регионах (Воробейчик, 2004; Ко21оу й а1., 2009), причем исследователи отдают явное предпочтение изучению сильных эффектов, наблюдающихся вблизи предприятий цветной металлургии (см. табл. 1). Интересно, что количественное описание биотических эффектов выполнено лишь для пяти (Ко21оу, Zvereva, 2011) из 100 крупнейших европейских источников выбросов 802 (ЕМ^оп, А§геп, 2000). Насколько нам известно, не существует специальных исследований нарушений экосистем, вызванных выбросами ни одной из 10 европейских электростанций, возглавляющих список (А§геп, 2009) крупнейших источников выбросов 802.
Распределение изученных импактных регионов по странам и континентам очень неравномерное (табл. 2): более половины из них расположено в Европе, в то время как Южное полушарие остается практически неизученным (3 из 206 источников). Большинство источников выбросов расположено в зоне хвойных (33%) или широколиственных (55%) лесов, а информация о влиянии загрязнения на тундры, степи, пустыни, полупустыни, тропические и субтропические леса почти отсутствует.
Пик количества публикаций в области импакт-ной экологии пришелся на 1980—1990-е годы. С начала 2000-х годов наблюдается заметное снижение интереса к этой проблематике и переориентация исследователей на изучение региональных эффектов, в первую очередь связанных с загрязнением озоном и соединениями азота (Рао1еШ е! а1., 2010). На наш взгляд, наметившаяся тенденция свидетельствует о том, что явно назрела необходимость обобщения накопленной информации.
Разрозненные эмпирические сведения, на качественном уровне описывающие феноменологию трансформации экосистем, обладают ограни-
Таблица 1. Распределение по типам предприятий исследованных точечных источников эмиссии поллютантов
Тип предприятия Количество предприятий Доля исследованных предприятий от всех, %
всего в мире исследованных
Заводы цветной металлургии 330 46 13.9
Алюминиевые и криолитовые заводы 250 20 8.5
Цементные заводы 10000 20 0.2
Заводы минеральных удобрений 2000 14 0.7
Прочие химические предприятия 2500 33 1.3
Прочие источники выбросов $02 Более 15000 73 Менее 0.5
Примечание. Здесь и в табл. 2 информация об исследованных источниках выбросов базируется на базе данных для мета-анализа результатов изучения воздействия загрязнения на обилие, разнообразие и параметры организменного уровня сосудистых растений, мохообразных, почвенных микромицетов и наземных членистоногих (Ко21оу, Zvereva, 2011). Данные о примерном количестве существующих предприятий в мире (атмосферные выбросы которых составляют свыше 1000 т/год) получены на основе анализа размещенных в интернете данных по глобальному выпуску продукции, а также списков предприятий по странам и регионам.
Таблица 2. Распределение п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.