Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 1, стр. 47-51

ВВЕДЕНИЕ

Определение инженерно-экологических характеристик территорий на техногенном этапе истории планеты − актуально как с точки зрения экономики, так и с позиций градостроительного развития регионов страны. Как известно, рассмотрение инженерно-экологических характеристик проводится на макро-, мезо- и микротерриториальном уровнях. При этом узлы сосредоточения строительства и отдельные районы относят к природно-техногенным системам (ПТС) микротерриториального уровня. Наибольший интерес для характеристики состояния окружающей среды промышленных зон и отдельных предприятий представляют экологическая емкость и репродуктивная способность (например, по кислороду). В настоящей работе рассматриваются подходы к определению экологической емкости, под которой подразумевается максимально возможная в конкретных условиях биологическая продуктивность биогеоценозов с учетом состава представителей фауны [10].

Определение инженерно-экологических характеристик не единственный способ оценки состояния окружающей среды. Например, для мест добычи сырья при оценке строительных материалов важнейшим показателем является нарушенность природных ландшафтов, которую оценивают как соотношение площади нарушенности в зависимости от используемого масштаба и общей площади исследуемого ландшафта [3]. Не менее важно более подробно характеризовать состояние древесно-кустарниковой растительности рассматриваемой территории, для чего активно и эффективно используют методы биологической индикации [11, 4 ]. Показатель экологической емкости, который характеризует биомассу в целом, поэтому не вступает в противоречие с указанными методиками, а является в некотором смысле обобщающим.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обычно расчет экологической емкости в соответствии с ее определением основывается на суммировании возможных при конкретных факторах биомасс, расположенных на территории биогеоценозов, урбоценозов и агроценозов.

Часто при расчете приходится сталкиваться с проблемами, возникающими из-за методического разнообразия, субъективности и невысокой точности получаемых результатов [1]. Среди методик стоит выделить следующие подходы к определению экологической емкости [2]: 1) расчет с учетом показателей предельно допустимых выбросов и сбросов, который принимает во внимание допустимые и критические уровни выделения вредных веществ, он получил название “экологическая техноемкость” [2, 5]; 2) внимание к трем геосферным компонентам (атмосферный воздух, поверхностные воды, почвенная среда и верхний слой литосферы), которое выражается расчетом либо объемов их воспроизводства, либо содержанием критически важных веществ, либо вычислением скорости обновления биомассы и воды [6, 13]; 3) построение математических моделей, которые сводятся или к использованию системного анализа для открытых систем, или к анализу геометрической модели сферы из трех слоев с изменением кривизны [8, 9].

Для определения ослабленности биогеоценозов на анализируемой территории применяется индекс ее емкости, который представляет собой отношение значения экологической емкости к фактическому показателю генерируемой биомассы. Существенное ослабление экосистемы или точнее биогеоценоза фиксируют при индексах емкости ниже 0.5 [10]. Такие территории нуждаются в срочном проведении восстановительных мероприятий. Очень похожий метод предполагает балльную оценку экологической емкости. Способ прошел апробацию в Кузбассе и предлагает подразделение значений параметра на соответствующие кризисному (1 балл), допустимому (2 балла) и удовлетворительного уровню (3 балла) [1]. При этом оценка выполняется с точностью до десятых долей балла, что позволяет учитывать воздействие конкретных экологических факторов, особенности ландшафта и территориальных геоэкосистем в целом [1]. Группы значений экологической емкости упрощают оценку (до 2 баллов – неблагоприятная территория; от 2 до 2.5 баллов – территория со средней оценкой; от 2.5 до 3 – благоприятные условия). При оценке нельзя опираться на среднеарифметическое значение параметра для территории, так как имеется специфика распределения древесно-кустарниковой растительности, населения и промышленных объектов по рассматриваемому району. Недостатки описанной методики – качественный характер результатов и отсутствие точных количественных характеристик [2]. В настоящем исследовании для расчета экологической емкости суммировались параметры для агроценозов (при использовании растительного сырья или расположении геоэкосистем вблизи селькохозяйственных территорий), биоценозов и урбоценозов (при нахождении связанных с жизненным циклом геоэкосистем в черте или вблизи городов).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Учет видового состава растительности при расчете суммарной биологической продуктивности является важным моментом. В частности, в настоящей работе с целью обеспечения большей точности было предложено отдельно вычислять значения для территорий с преобладанием травянистой растительности (в том числе агроценозов). Для этого использовали метод расчета биомассы ФНЦ агроэкологии РАН [12]. Формулы расчета брали из упомянутого изобретения. В частности, коэффициенты для расчета биомассы а и b рассчитывались следующим способом

где N – количество проб; i – порядок проб; М_п – биомасса в пробе, г; t – период вегетации на момент отбора проб.

При расчетах биомассы древесно-кустарниковой растительности учитывались ее ярусность и специфика различных видов, для чего применялся метод закладки пробных площадей [7]. Проблема разной размерности в расчете биомассы травянистой (граммы) и древесно-кустарниковой растительности (м³/га) разрешалась в расчетах двумя подходами с дальнейшим определением адекватности результатов. Во-первых, использовались коэффициенты, зависящие от плотности биомассы (характерные для определенного вида). Во-вторых, в расчетах переходили от показателей абсолютной к относительной биомассе. Оба подхода к расчетам показали хорошую корреляцию результатов. В итоге для расчета экологической емкости рассматриваемой территории применялась формула:

где M – показатель биомассы растений, г; М_max1–3 – максимальная достижимая биомасса рассматриваемого вида (1–3), г (зависит от вида и гибридной спецификации растения); a, b, с, d, e и f – эмпирические коэффициенты для разных видов растительности, преобладающей в рассматриваемой геоэкосистеме; t – вегетативный период данного вида.

Характеристика территорий, где производилось определение экологической емкости, включает то, что на них расположены отдельные предприятия по производству теплоизоляционных материалов или несколько предприятий, в число которых входит подобное производство. По климатическим характеристикам, а также по составу древесно-кустарниковой растительности эти территории были в значительной степени схожи.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Специфика исследований заключается в том, что определение экологической емкости проводилось на разных территориях, связанных с жизненным циклом конкретной продукции (теплоизоляционных материалов). В частности, рассматривались природно-техногенные системы на этапах добычи (выращивания) сырья, производства продукции, применения (в строительстве) и последующего завершения жизненного цикла для плит из льняного волокна, из минеральной ваты и экструзионного пенополистирола. Производства и иные этапы, связанные с жизненным циклом продукции, располагались вне промышленных зон, чтобы максимально исключить влияние предприятий другого типа. Расчет экологической емкости в привязке к природно-техногенным системам жизненного цикла теплоизоляционных материалов имел отличительные особенности: 1) использование индекса экологической емкости, позволяющего приводить параметр к фактической величине биомассы; 2) приведение показателей территории в соответствие к масштабам производства; 3) определение удельного вклада рассматриваемого предприятия, расположенного в промышленных агломерациях. Пример схемы рассмотренных этапов жизненного цикла приведен на рис. 1.

Пунктирной линией на рисунке обозначена непрерывная совокупность природно-техногенных систем, которые описывают жизненный цикл продукции. Среди показателей, которые были рассчитаны для этих систем по этапам жизненного цикла минеральной ваты, были индекс экологической емкости территории и ее репродуктивная способность по кислороду. В результате расчета получены показатели экологической емкости и репродуктивной способности по кислороду (табл. 1).

Анализ показателей экологической емкости и репродуктивной способности территории позволил выявить основные закономерности, характерные для динамических изменений природно-техногенных систем по жизненному циклу однородной продукции с выявлением критических показателей на определенных этапах. Например, пенопласты представляют опасность для окружающей среды на стадиях производства и при депонировании в связи с тем, что на этих стадиях возможно выделение вредных веществ. Материалы на основе льняного волокна демонстрируют максимальное воздействие за счет необходимости удобрения почв в агроценозах. Добыча сырья для изделий из минеральной ваты связана с возможным разрушением ландшафтов, что может оцениваться с помощью соотношения измененных и неизмененных площадей [3]. Основой для выявления слабых мест природно-техногенных систем стало определение показателей диапазона действия обратной связи, в рамках которой осуществляется гомеостаз. В связи с этим индекс экологической емкости не только дает информацию о состоянии окружающей среды по жизненному циклу, но и позволяет характеризовать устойчивость природно-техногенных систем.

ВЫВОДЫ

Определение экологической емкости и других инженерно-экологических характеристик не просто в привязке к конкретной территории, но с учетом природно-техногенных систем по всему жизненному циклу продукции является перспективным направлением в геоэкологической оценке продукции. Эти показатели позволяют учитывать воздействия локального характера на конкретные ПТС. Сложностью при этом является возможность выделения вклада в негативное состояние окружающей среды конкретного производства или этапа рассматриваемой продукции, что в исследовании было преодолено тем, что рассматривались только варианты, связанные с одним конкретным типом продукции. Направления использования данных исследования связаны с тем, чтобы связать их с методиками и критериями, предлагаемыми другими разработчиками (например, “степень нарушенности природных ландшафтов при добыче сырья и материалов” [3]), причем приоритет в оценочных системах может иметь как экологическая емкость, так и иные критерии. Следует расширять возможности использования показателя экологической емкости не только для экологических исследований, но и в градостроительных целях, системах оценки строительных материалов и объектов в целом. Стоит развивать показатели за счет методов биоиндикации, которые позволят более точно характеризовать состояние биогеоценозов.