Ландшафтно-экологические основы рационального природопользования и охраны природы

        Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Башкирский государственный университет

 

 

 

 

 

Географический факультет

Кафедра физической географии,

краеведения и туризма

 

 

 

 

 

 

(Зарипова Л.Ф., III курс ОЗО)

«Ландшафтно-экологические основы рационального природопользования и охраны природы»

(Курсовая работа)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

Хамидуллин Р.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа 2012

 

 

Содержание

 

Введение ………………………………………………………………………………3

Глава 1. Основные принципы, критерии и параметры экологической оценки

                ландшафтов………………………………………………………………….4

1. Субъекты экологической оценки………………………………………………4
2. Критерии экологической оценки……………………………………………….10
3. Выбор параметров экологической оценки……………………………………10
4. Основные этапы ландшафтно-экологических исследований …………………..11

Глава 2. Экологические факторы и оценка их воздействия………………………....16

1. Эффекты совместного воздействия экологических факторов……………….…16
2. Изменчивость экологических факторов и адаптация биосистем........……….…18
3. Частные оценки воздействия экологических факторов и последовательность их

       получения……………………………………………………………………..……26

4. Основные типы ответных реакций биосистем и их индикационная роль при экологической оценке ландшафта………………………………………..………..29

Глава 3. Экологические особенности и параметры природных ландшафтов……....35

1. Структурно-функциональные показатели зональных ландшафтов……..………35
2. Поиск эталонов для экологической оценки………………………………...…..…40

Глава 4. Антропогенные изменения в ландшафтах и их экологическая оценка……46

1. Изменение биосистем под воздействием антропогенных факторов………….....46
2. Комплексная оценка антропогенных изменений в ландшафтах……………..….51
3. Этапы ландшафтно-экологического картографирования………………….…… 53

Глава 5. Антропоэкологическая оценка ландшафтов………………………………...59

1. Природные факторы и адаптация человека……………………………………59
2. Природные предпосылки болезней и их учет при экологической оценке

ландшафта………………………………………………………………………….62

3. Антропоэкологическая оценка ландшафтов урбанизированных

территорий…………………………………………………………………………67

Литература……………………………………………………………………….……70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Все составные части природной среды: литосфера, атмосфера и распространенная в них биосфера взаимосвязаны и представляют собой единую функциональную макросистему. Одним из элементов строения природной среды, через который осуществляются функциональные связи, является ландшафт. Ландшафт представляет собой природное образование, которому уделялось достаточно большое внимание в географической науке, но в последнее время экология рассматривает его как весьма важный компонент в организации и структуре биогеоценозов. В целом ландшафт рассматривают как природное географическое образование:

• совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных предметов и явлений природы, исторически развивающихся во времени и образующих физико-географический комплекс;

• природный комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему;

• конкретная территория, однородная по своему генезису и истории развития, которая не может быть разделена по каким-либо признакам на более дробные части (зоны), обладающая единообразным геологическим строением, однотипной формой рельефа, общностью климата, единообразным сочетанием водных и температурных параметров, почв, биоценозов и, следовательно, однохарактерным набором фаций, урочищ и т. п.

В настоящее время выделяют как природные, так и антропогенные ландшафты, а среди последних агрокультурные и вторичные, где преобразования, произведенные человеком, настолько велики, что изменена связь природных компонентов. Следует сказать, что большинство современных ландшафтов Земли относятся именно к последним, причем некоторые из них являются полностью деградированными, т. е. потерявшими способность выполнять функции воспроизводства здоровой среды. В связи с активным использованием и преобразованием естественных ландшафтов, преобладанием антропогенных ландшафтов, тема нашего исследования является достаточно актуальной. Особенную значимость представляет вопрос экологической оценки состояния ландшафта, на основании которой строится система мероприятий по восстановлению природных геосистем и поддержанию их естественного баланса.

 Ландшафтная экология - научное направление, изучающее  ландшафты путем анализа экологических  отношений между растительностью  и средой, структуру и функционирование  природных комплексов на топологическом  уровне, взаимодействие составных частей природного комплекса и воздействие общества на природную составляющую ландшафтов путем анализа балансов вещества и энергии. Термин введен К.Троллем, чтобы отразить целесообразность объединения двух подходов – «горизонтального», состоящего в изучении пространственного взаимодействия природных явлений, и «вертикального», изучающего взаимоотношения между явлениями в рамках экосистемы.

Глава 1. Основные принципы, критерии и параметры экологической оценки ландшафтов

Экологическая оценка ландшафта - особое направление современной комплексной физической географии, основной целью которого является изучение природных и природно-антропогенных ландшафтов как среды жизни и оценка степени их благоприятности или неблагоприятное под своеобразным "экологическим” углом зрения. При таком подходе главной задачей становится исследование связей в геосистемах, модели которых можно отнести к группе субъект-объектных. Такие системы включают два взаимодействующих блока, один из которых выделяется в качестве "субъекта" экологической оценки (в общей формулировке — живое), другой — рассматривается как "объект", в качестве которого выступают экологические факторы, природные комплексы или их компоненты, оказывающие влияние на живое. Оценить объект, как отмечает Л.И.Мухина, можно только по обусловленному им состоянию субъекта. Этот принцип определяет логику проведения экологической оценки, которая учитывает отношение между блоками и учитывает связи, возникающие в процессе их взаимодействия. Важным этапом исследований является выбор субъектов и объектов, а также разработка критериев и параметров экологической оценки ландшафтов и методов ее проведения.

Ниже приведены основополагающие положения, знание которых необходимо для понимания специфики субъектов оценки. Основные свойства ее объектов раскрываются при характеристике экологических факторов и особенностей их воздействия.

1. Субъекты экологической оценки

Одним из основных методологических вопросов является определение сущности субъектов, которые могут быть использованы при экологической оценке. Исходя из концепции уровней организации жизни, в качестве субъектов могут выступать биосистемы разных уровней спектра, каждый из которых отражает ее фундаментальные свойства. В поле зрения физико-географов попадают преимущественно биосистемы над организменного уровня — отдельные виды живых организмов и их популяции, биоценозы или их составные части (фито-, зоо- и микро-боценозы), а также экосистемы, функционирующие в ландшафтах. Часто в качестве субъекта выступает человек или человеческое общество. Такой широкий перечень потенциально возможных субъектов экологической оценки природных комплексов обусловлен не только ее многоцелевым характером, но и необходимостью учета как общих, так и эмерджентных свойств биосистем, что позволяет получить более полную картину экологических связей, возникающих между субъектами и объектом. Это хорошо согласуется с известным положением, что оптимальный результат при исследовании живых систем определенного уровня достигается при изучении трехчленной иерархии, охватывающей соседние нижний и верхний уровни биологической организации и др. В то же время, специфичность различных биосистем требует уже на начальной стадии оценочных работ четкой констатации субъекта, ранг которого выбирается в соответствии с поставленными целями и задачами исследований. Четкая конкретизация субъекта — обязательное условие, определяющее направленность и ориентацию экологической оценки.

Учитывая, что оценка всегда основывается на изменчивости субъекта при его взаимодействии с объектом, необходим поиск параметров, характеризующих его состояние. При их отборе вполне целесообразным представляется моноатрибутивный подход, позволяющий подвести единую основу для экологической оценки вне зависимости от ранга субъектов. Для этого можно использовать их главные, принципиальные свойства, связанные с сущностью жизни, общая теория которой разрабатывается в теоретической биологии и философии. Исходя из ее фундаментальных свойств, установлены основные категории показателей, которые применяются при изучении экологических особенностей ландшафтов и их оценке (табл.1). Все эти группы показателей учитывает эффект взаимодействия биоты и среды ее обитания.

Итак, сущность субъектов выявляется при рассмотрении общих, основополагающих свойств жизни, каждому из которых соответствует своя группа оценочных показателей. Правда, здесь важно подчеркнуть, что внутри этих групп набор параметров для конкретных субъектов должен быть обязательно откорректирован с учетом их эмерджентности. Кроме того при возрастании иерархического ранга субъекта появляются новые существенные свойства жизни, что увеличивает набор оценочных параметров.

Самостоятельность жизни. Это положение является следствием активности и относительной автономизации живого от внешних факторов, в соответствии с чем характер взаимодействий между субъектом и объектом зависит прежде всего от внутренней природы биосистем. По мнению В. Г. Афанасьева и Г.А.Югая, влияние внешних факторов преломляется через внутреннюю структуру живого, которое обладает способностью не только избирательно реагировать на воздействие среды, но и оказывать на нее ответное действие. Именно этот механизм обусловливает специфичность отношений в субъект-объектных моделях и важность изучения обратных связей.

Своеобразие ответных реакций живых организмов определяется биогенезом. Однако это не исключает их изменчивости в процессе онтогенеза под влиянием внешних экологических факторов. Такие биологические реакции (особенно их отклонения от нормы) являются индикаторами, по которым можно оценить связи и состояние живых систем. Сравнение ответных реакций у сопоставимых субъектов определенного ранга — методическая основа и один из аспектов экологической оценки ландшафтов. Это послужило основанием для выделения особой категории оценочных показателей, характеризующих как филогенетическую, так и онтогенетическую специализацию биосистем. Активность взаимодействия особенно наглядно проявляется, когда в роли субъекта выступает человеческое общество, деятельность которого представляет собой целенаправленный процесс. Итогом этого, как отмечал  В.С.Преображенский, является многообразие возможных состояний субъекта и его связей с постоянно меняющимся объектом. Такая вариабельность - важное основание при разработке параметров и критериев экологической оценки природно-антропогенных ландшафтов.

Таблица 1

Выбор показателей при экологической оценке ландшафт

Субъект-                 «                Объект -

биосистема                                 ландшафт

                                                 ¯                                                   ¯

Фундаментальные свойства жизни

Основные категории показателей, определяющих состояние биосистем

Самостоятельность       Организация     Энергетическая функция       Метаболизм     Информация     Устойчивость     Наследственность и адаптация

Показатели внутренних процессов биосистем и специфика их ответных реакций   Показатели пространственно-временной структуры и функционирования   Показатели процессов энергетического обмена, геофизические параметры ландшафта   Показатели процессов обмена веществ, геохимические параметры ландшафта   Информационные показатели разнообразия и тесноты связей   Показатели функциональной и структурной сложности   Показатели формы и степени адаптированности биосистем

 

Организация живой системы, специфика которой выступает как главенствующий атрибут живого, объединяет структуру и функцию, причем последняя представляет собой деятельный момент и курирует взаимодействие биосистемы с окружающей средой и между ее частями. При эволюции биосистем происходит совершенствование организации в пространстве (структурные изменения) и во времени (функциональные изменения), направленное на сохранение их жизнеспособности. Изучение структурно-функциональных особенностей позволило сформулировать основные законы и принципы, определяющие организацию живых систем. К их числу относится закон усложнения организации организмов К.Ф.Рулье, согласно которому в процессе развития усложнение происходит за счет дифференциации их функций и органов. Это справедливо и для биосистем более высокого ранга, в частности экосистем. В то же время большое значение имеет и противоположная тенденция, включающая интеграцию компонентов биосистем, которая характеризует степень их организованности. Для сохранения целостности биосистем определяющее значение имеет закон внутреннего динамического равновесия, в соответствии с которым ориентированы ее структурно-функциональные особенности и ответные реакции на внешнее воздействие возмущающих экологических факторов.

Дискуссионные моменты при определении сущности организации сообществ и экосистем связаны с развитием двух концепций, одна из которых (организменная) предполагает их пространственно-временную дискретность и возможность использования принципа эргодичности, другая (индивидуалистическая) исходит из континуальности их преобразований в пространстве и времени. В связи с этими положениями для экологической оценки ландшафта особенно важен вопрос о возможности определения состояния одних компонентов биосистем по состоянию других. Эти вопросы разработаны Ю.Г.Пузаченко в 1984 г. при выделении основных направлений географической экологии; по его мнению, реальные системы обладают как организменными, так и индивидуалистическими свойствами, а их изучение требует использования методов сравнительного географического анализа и ординации в географическом многофакторном пространстве.

При экологической оценке ландшафтов необходим учет варьирования пространственно-временной организации биосистем разного иерархического уровня и выделение особой категории структурно-функциональных параметров: определяющие функциональные характеристики, показатели структуры и пространственно-временного разнообразия биосистем и др. Поскольку оценка основывается на изучении взаимодействий субъекта и объекта, эта группа показателей должна включать и параметры, фиксирующие специфику организации ландшафтов, которые обеспечивают существование биосистем и их состояние. Среди них важны показатели экологической частотности ландшафта, с помощью которых выявляется разнообразие экологических условий и их смен в ландшафтных катенах. Адаптивная норма различных видов обычно шире той, которую они могут реализовать в конкретном биогеоценозе, что определяет их относительную мобильность и возможность перекомбинации в катенах; это было отмечено В.Г.Мордковичем и А.А.Титляновой в 1984 г. Поэтому именно катена в целом как выражение латеральной организации ландшафта наиболее полно выявляет условия жизнеобеспечения экосистем.

Другим аспектом изучения организации биосистем является установление степени соответствия их структуры и функционирования. Для отдельных видов живых организмов установлено, что в какой-то степени самостоятельностью по отношению к экологическим факторам отличается не только организм в Целом, но и его отдельные компоненты, причем функции более чувствительны к изменениям среды. В силу этого они более подвижны по сравнению с морфологическими структурами, которые преображаются вслед за функциональными изменениями. Разновременность функциональной и структурной перестройки биосистем, очевидно, может иметь значение и для других уровней организации жизни. Для субъектов ранга экосистем возможные соотношения их структуры и функционирования рассмотрены В.О.Таргульяном; они складываются с учетом "правила запаздывания" и выражаются в полиморфизме и изоморфизме структур по отношению к функционированию. Оценка степени соответствия структуры и функционирования приобретает принципиальное значение при изучении экологических особенностей антропогенно-измененных ландшафтов, находящихся в стадии техногенной перестройки.

При выделении фундаментальных свойств жизни используются основные принципы теории открытых систем, которые введены в биологию Людвигом фон Берталанфи в 1932 г. Процессы обмена с окружающей средой веществом, энергией и информацией и их интенсивность во многом определяют степень организации биосистем. Возможность количественной характеристики этих процессов играет важную роль при разработке оценочных показателей.

Энергетическая функция жизни заключается в преобразовании космической энергии в планетарную; ей подчиняются структурно-функциональные особенности биосистем. Их энергетика тесно связана как с законами термодинамики, так и со способностью живых организмов к преодолению энтропии и поддержанию своей внутренней структуры. Основные закономерности функционирования и Эволюции живого вещества закреплены биогеохимическими принципами В.И. Вернадского, в соответствии с которыми свободная биогенная энергия стремится к максимальному проявлению. Большое значение имеют также принципы, изложенные Э.Бауэром в 1935 г. при рассмотрении проблем теоретической биологии и показывающие увеличение в ходе эволюции эффекта внешнего воздействия биосистем на среду в ответ на ассимилированную из нее энергию.

Эти концептуальные положения предопределяют особенности взаимодействий и потоки энергии в субъект-объектных моделях. Для экологической оценки ландшафтов вводится специальная группа показателей, характеризующих процессы энергетического обмена биосистем и их нарушения в поле действия геофизических факторов. Второй аспект связан с динамикой негэнтропийных процессов на Земле в различные фазы планетогенеза, согласно которой, по мнению В.П.Казначеева можно предположить, что формирование элементов ноосферы вызывает разрушения биологических структур. Эго увеличивает актуальность работ по оценке современной экологической ситуации в ландшафтах.

Метаболизм. Другой основополагающей функцией живого является обмен веществ, который биосистемы осуществляют внутри себя и с окружающей средой. С его прекращением, как специально подчеркивал Ф.Энгельс, прекращается жизнь. Биогеохимическая специализация организмов формируется в процессе филогенеза. Однако пространственная неоднородность геохимических условий и, как следствие, возможность трансформации биокосных связей становятся реальной предпосылкой к изменению обмена веществ, что вызывает специфические биологические реакции организмов. Это используется при диагностике экологического состояния ландшафтов по биоиндикаторам и геохимическим параметрам. Существенное место среди них занимают показатели биологического круговорота, высокая информативность которых обусловлена общим положением о круговоротах, как механизме развития материальных систем.

Информация выступает как сущность и мера организации живого, осуществляя его целесообразное функционирование. Ее оптимизация в процессе развития органического мира идет по пути минимизации нагрузки на отдельные структурные компоненты биосистем, что достигается за счет их усложнения и разделения функции. С учетом передачи информации это позволяет ввести для оценки состояния субъекта особую категорию информационных показателей, характеризующих разнообразие биосистем, а также степень связи и особенности их взаимодействия с экологическими факторами. Несмотря на эмерджентные свойства субъектов разного уровня организации, у них выявляется единая основа управления, включающая гомеостатические механизмы, действующие по принципу обратных связей и обеспечивающие их устойчивость.

Устойчивость биосистем — сложное и во многом дискуссионное понятие. Не останавливаясь подробно на обсуждении различных подходов, можно выделить две группы вопросов, важных при экологической оценке. Первая из них связана с представлением о разных типах устойчивости. По отношению к экосистемам они определены Ю.Одумом как способность системы противостоять нарушениям, поддерживая неизменной свою структуру и функцию (резистентная устойчивость), и как способность системы к восстановлению при их нарушении (упругая устойчивость). По его мнению, между этими типами существует обратная зависимость: при стабильно благоприятных условиях среды у биосистем вырабатывается резистентная, а при изменчивых — упругая устойчивость. Такие различия лишний раз показывают необходимость конкретизации субъекта, относительно которого проводится экологическая оценка, так как буферные свойства и ответные реакции разных биосистем на сходные воздействия неоднозначны.

Другой круг проблем связан с изучением механизмов, определяющих устойчивость, что широко обсуждается в литературе. В качестве меры устойчивости экосистем часто используют разнообразие, количественная оценка которого дается по специально разработанным индексам. Есть много высказываний, что степень устойчивости определяется уровнем интеграции компонентов, причем функциональная основа устойчивости биосистем является ведущей по отношению к структурной. Правда, между функциональной сложностью и разнообразием биосистем зафиксирована определенная связь. Эти показатели устойчивости обладают высокой информативностью при оценке экологических последствий упрощения биоценозов, что часто проявляется в антропогенно-измененных ландшафтах и, как подчеркивал в 1978 г. И.В.Круть, свидетельствует о противоречии между стратегией природы и человека.

Наследственность и адаптация — уникальные свойства живого, во взаимодействии которых раскрывается основное биологическое противоречие, являющееся внутренним источником эволюции. Именно адаптации подчинены все рассмотренные выше свойства живого. При оценке связей в субъект-объектных моделях вопросы, касающиеся способности организмов меняться адекватно изменениям среды, приобретают первостепенное значение. Особенно для территорий, природное равновесие которых нарушено и возникают предпосылки для усиления дисгармонии между биосистемами и быстрой сменой состояний в ландшафтах при их техногенной трансформации.

 

2. . Критерии экологической оценки

 

Методика экологической оценки ландшафтов включает вопросы, вязанные с разработкой научно обоснованных параметров и критериев, используемых в процессе ее проведения. Поскольку главным принципом оценивания является состояние биосистем в зависимости от воздействия экологических факторов, выбор критериев базируется на учете структурно-функциональных особенностей биоосистем обеспечивающих их устойчивость, адаптацию и оптимальное развитие. Их изменение индицирует сдвиг экологического равновесия в неблагоприятную сторону, что было использовано при выделении критериев экологического нормирования.

Основных критериев, позволяющих оценить благоприятность экологической ситуации и допустимый уровень нагрузки на биосистемы, три: 1) отсутствие снижения биопродуктивности; 2) отсутствие накопления токсичных химических элементов и соединений в биоте и ненарушенность жизненных функций субъекта; 3) сохранение полезного генофонда, контролирующего необходимое разнообразие биоценозов. Два первых критерия являются универсальными и применяются для характеристики состояния субъектов всех рангов — от отдельных видов организмов до целых экосистем. Высокая информативность показателей вещественно-энергетического обмена обусловлена их интегральным характером, что дает возможность учесть эффект воздействия всего комплекса экологических факторов. Третий критерий чаще применяется в случаях, когда субъектами выступают биосистемы высших уровней организации, хотя тенденции изменения видового разнообразия экосистем можно использовать и при изучении состояния их отдельных биотических компонентов. В целом при экологической оценке ландшафтов целесообразно совместное использование всех вышеуказанных критериев. Это полнее отражает различные аспекты взаимодействий в субъект-объектных моделях.

Конечно, указанный перечень не исчерпывает всего многообразия критериев, выбор которых может быть существенно расширен в ходе конкретных оценочных исследований. В общем виде надо констатировать, что при их разработке учитывается степень отклонения различных параметров биосисгем по сравнению с эталонными, которые характеризуют оптимальное, устойчиво сбалансированное состояние субъекта.

 

3. Выбор параметров экологической оценки

 

Разнообразие связей в субъект-объектных моделях определяет широкий перечень показателей, характеризующих экологические особенности ландшафтов. При оценке встает задача по отбору необходимого комплекса репрезентативных параметров, позволяющих провести их квалифицированное сравнение. Ее решение строится на нескольких правилах.

Во-первых, целенаправленный выбор показателей проводится с учетом специфики оценочных исследований, в соответствии с которой задаются ранги субъектов и объектов оценки. Каждый из них обладает своим набором свойств, необходимость привлечения которых зависит от целей и масштаба исследований.

Вторым условием выбора является ограничение количества оценочных параметров. Л.И.Мухина отмечает целесообразность использования минимального, но достаточного количества показателей, в первую очередь, наиболее существенных, причем с высоким уровнем варьирования. Это определяет повышенный интерес к поиску показателей с высокой степенью информативности, в качестве которых могут выступать, например, интегральные характеристики функционирования геосистем (показатели вещественно-энергетического обмена и т.п. Значимость разных компонентов ландшафтов (или их отдельных свойств) определяется их пространственно-временной изменчивостью и силой воздействия на живые организмы. Очевидно, при выборе оценочных параметров весьма перспективно использование концепции лимитирующих факторов и учет различной толерантности биосистем, что позволяет выявить критические ситуации в ландшафтах. Сокращение перечня показателей может быть достигнуто за счет исключения из сравнения однотипных взаимодействий, экологическая оценка которых в различных природно-территориальных комплексах сходна.

Еще один важный аспект — ориентация показателей в соответствии с критериями экологического нормирования, что позволяет правильно расставить приоритеты при их отборе. Разработка этих вопросов предполагает широкое использование биоиндикаторов, фиксирующих современное экологическое состояние ландшафтов.

С учетом вышеназванных правил формируется окончательный список параметров, необходимых для проведения экологической оценки. Он включает разные категории показателей, среди которых есть как универсальные, так и специальные, набор которых определяется тематикой конкретных оценочных работ.

 

4. Основные этапы ландшафтно-экологических исследований

 

Ландшафтно-экологические исследования включают несколько взаимосвязанных этапов, различающихся по целевой направленности. Они объединяются в четыре основных блока (базис-оценка - управление - прогноз), которые имеют свои комплексы задач. Их решение предполагает использование специальных научных программ, последовательность включения которых определяется логикой проводимых исследований (Рис.1.).

Базисный (информационный) блок. Его основная цель - познание экологических особенностей ландшафтов и их современного состояния. Задачи этого этапа ориентированы на изучение экологических взаимодействий в геосистемах, в том числе всего комплекса биотических и биокосных связей, складывающихся под влиянием прямого и косвенного воздействия экологических факторов. Анализ причинно-следственных связей целесообразно проводить по единой схеме: фактор - процесс - результат (состояние биосистемы', что позволяет в дальнейшем более четко провести систематизацию экологических параметров ландшафтов по сопоставимым категориям. Детальность исследований согласуется с их масштабом, в соответствии с которым выбирается иерархический ранг изучаемых природных или природно-антропогенных ландшафтов. Так, при проведении мелко- и среднемасштабных работ объектом исследования являются экологические особенности зональных типов ландшафтов и их региональная специфика, в то время как при крупномасштабных - геосистемы локального уровня, при изучении которых могут быть использованы модели репрезентативных ландшафтных катен.