Индикация как направление научных исследований развивается не только в географии, но также в гидрогеологии и ботанике, медицине радиотехнике и сельском хозяйстве.
В физической географии индикационный подход применяется сравнительно недавно. Обычно основоположником индикационного подхода называют американского ботаника Ф. Клементса, который в 1920 г. в работе "Растительные сукцессии и индикаторы" отмечал, что каждое растение или растительное сообщество представляет лучшую меру условий, в которых произрастает. Однако еще в конце прошлого века В.В. Докучаев считал, что все элементы природы взаимосвязаны между собой и что по одному из них можно судить обо всех остальных. После работ Ф. Клементса в физической географии и геоботанике развивалось преимущественно фитоиндикационное направление, т.е. использование свойств растений и их сообществ для характеристики других компонентов природы: рельефа, климата, почв, грунтовых и подземных вод и др. При отсутствии дистанционных методов исследования развитие индикации в таком направлении вполне закономерно, поскольку растительность наиболее доступна для наблюдений при полевых исследованиях, динамична и чутко реагирует на изменения окружающей среды. [16,47,55,52]
Свойство растительности реагировать не только на естественные, но и на антропогенные изменения окружающей среды легло в основу другого "направления индикационных исследований - биотестирования. Применяется оно при решении практических задач, связанных с определением уровней антропогенного воздействия на среду по состоянию биологических систем. В связи с актуальностью проблем загрязнения среды в последние годы биотестирование развивается преимущественно при изучении уровней загрязнения вод и воздуха. Наиболее убедительные результаты получены при использовании в качестве биотестов низшей растительности, и особенно эпифитной лишайниковой.
Ландшафтная концепция объединяет биологические, бкокосные и косные системы в более сложные природные и антропогенные территориальные системы. В этой связи биологические индикаторы выступают в качестве компонентов и элементов геосистем. В этом заключается сущность ландшафтной индикации, рассматривающей индикаторы природных и автропогенных процессов и явлений в качестве подсистем более сложных территориальных систем.
В настоящее время выделяется несколько направлений ландшафтно-индикационных исследований. Первое из них можно назвать классической ландшафтной индикацией, а с учетом ведущего метода исследований - аэроландшафтной индикацией. По сравнению с аэроландшафтной индикацией ландшафтная индикация нарушения природной среды исследует природно-антропогенные и природно-техногенные системы. В этом случае любой индикатор может быть элементом сразу двух систем: природной геосистемы и природно-технической. Поэтому один и тот же индикатор, с одной стороны может характеризовать интенсивность и величину техногенного воздействия, а с другой - степень нарушенности природных геосистем. В настоящее время загрязнение - один из ведущих факторов трансформации среды, и потому ландшафтная индикация загрязнения природной среды выступает в качестве одного из пертективных направлений индикации. Рассмотрим его основные принципы.
Ведущий принцип ландшафтной индикации загрязнения среды - взаимодополняющее диалектическое исследование ее воздействия и нарушения. В результате реализации этого методологического принципа все индикаторы разделены на две большие группы: воздействия и нарушения.
В зависимости от цели исследования в качестве индикаторов воздействия и нарушения широко используются сами природные комплексы, их компоненты и элементы, на которых непосредственно отражается загрязнение. Для индикации используются также свойства компонентов и элементов, как структура, размеры, химический состав и др. Иногда присутствие или отсутствие индикатора служит информацией об изучаемом процессе. Особый интерес представляют индикаторы, содержащие многолетнюю информацию, в том числе такие природные комплексы, как торфяные болота, ледники, деревья с большим абсолютным возрастом.
Для индикации воздействия и нарушения могут использоваться одни и те же индикаторы. Например, зольность торфа применяется для оценки уровня техногенного воздействия, а значения рН торфа характеризуют ответную реакцию болотных систем.
Другой принцип ландшафтной индикации - анализ территориальных структур - используется на двух уровнях исследования. На первом основное внимание уделяется границам территориальных систем, которые рассматриваются как качественные и количественные границы действия био- и геоиндикаторов [17,50].
Ландшафтная, карта рассматривается в качестве основы при проведении индикационных исследований.
Анализируются собственно территориальные структуры, которые выступают в качестве территориальных индикаторов техногенного воздействия и нарушения среды.
2.1.1 Методики исследования: индикаторы техногенного воздействия на геосистемы
Индикаторы техногенного воздействия на геосистемы. К индикаторам, носителям информации о техногенном воздействии относятся такие природные комплексы и их компоненты и элементы, как почва, лед, снег, торф, поверхностные (озерные, речные, дождевые) воды, приземный слой воздуха и т.д. Основное требование, предъявляемое к природным индикаторам воздействия, - способность отражать (фиксировать) воздействие и сохранять его в "памяти" с минимальной трансформацией до времени опробования.
Индикаторы нарушения геосистем. Они характеризуют ответную реакцию на техногенные воздействия через атмосферу, к ним относятся почва, почвенные и грунтовые воды, растительность и животный мир. Для индикаторов нарушения (биокосной и биотической подсистем), так же как и для всей геосистемы, присущ механизм саморегуляции: чтобы воздействие запечатлелось в их "памяти", оно должно превысить некий пороговый уровень, различный как для каждой геосистемы, так и для каждого индикатора.
К перспективным, а главное, широко распространенным индикаторам ранних стадий нарушения геосистем относится напочвенная и почвенная мезо- и микрофауна. Опыт ее изучения на ландшафтной основе в сфере воздействия цветной и черной металлургии дал контрастные в пределах ландшафта результаты [41,11,56].
К обязательным индикаторам при изучении ответной реакции геосистем на техногенное воздействие вследствие ее повсеместного распространения можно отнести почву. Она относится к таким блокам ландшафтно-геохимических систем, в которых накапливается наибольшая информация о техногенных аномалиях [41,57]. Особый интерес для ландшафтоведа представляет изучение изменений под воздействием техногенного фактора физических, физико-химических и химических свойств верхнего горизонта ("пленки") почвы. В физическом смысле это поверхность земли, фокус взаимодействия внутренних и внешних для данной геосистемы процессов. К тому же свойства поверхностных горизонтов почвы в большей степени зависят от совокупности ландшафтных факторов. Поверхностные горизонты почвы быстро отражают изменения окружающей среды по сравнению с более устойчивыми консервативными свойствами нижних горизонтов.
Степень загрязнения атмосферного воздуха устанавливали по кратности превышения ПДК с учетом класса опасности, суммации биологического действия загрязнений воздуха и частоты превышений ПДК.
Для повышения надежности оценки результатов измерений и исключения случайных величин используют статистическую обработку материала.
Для оценки степени загрязнения используют среднесуточные пробы, полученные путем непрерывной аспирации в течении 24 часов или прерывистой аспирации как минимум 4 раза в сутки через равные интервалы времени. Все концентрации из отобранных среднесуточных проб подвергают анализу. Для каждой среднесуточной концентрации рассчитывают кратность превышения показателя К. Определенный по этому показателю ряд за анализируемый период (год) оценивают в соответствии с принятыми критериями.
Среднегодовые – концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе рассчитывали по ГОСТ 17.2.3.01-86 или использовали данные «Ежегодников о состоянии загрязнения воздуха городов и промышленных центров» за несколько лет, но не менее двух.
Степень загрязнения воздуха рассчитывается с учетом кратности превышения среднегодового ПДК веществ, их класса опасности, допустимой повторяемости концентраций заданного уровня, количества веществ, одновременно присутствующих в воздухе, и коэффициента их комбинированного действия. Степень загрязнения воздуха веществами разных классов опасности определяется «приведением» их концентраций, нормированных по ПДК, к концентрациям веществ 3 класса опасности по формуле.
Где: n-коэффициент неэффективности;j-класс опасности.
2.2 Химические методы анализа
2.2.1 Основное оборудование и приборы, используемые для химанализа загрязнений окружающей среды
Современные методы контроля химических веществ, загрязняющих окружающую среду, - это по сути физико-химические методы.
Для количественного анализа смесей используют несколько разновидностей хроматографического анализа: газовая хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), тонкослойная хроматография (ТСХ), ионная хроматография, хроматомасс-спектрометрия (ХМС), полярография.
Общую загрязненность почвы характеризует валовое количество тяжелых металлов. Доступность же элементов для растений определяется их подвижными формами. Поэтому содержание в почве подвижных форм тяжелых металлов – важнейший показатель, характеризующий санитарно-гигиеническую обстановку.
Эмиссионный спектральный анализ является одним из самых распространенных экспресс-методов определения элементного состава веществ.[58,59,60]