1. Введение
Вследствие усиливающегося техногенного давления, связанного с развитием горнопромышленного комплекса Мурманской области, наблюдается прогрессирующая дигрессия почвенного покрова и древесной растительности, в окружающей среде обнаруживаются повышенные концентрации тяжелых металлов, диоксида серы и других поллютантов [3], [5], [9]. В связи с этим в Мончегорском районе Мурманской области с 1970-х гг. проводятся биоиндикационные исследования состояния хвойных растений, произрастающих в зоне воздействия Кольской горно-металлургической компании (КГМК) [6], [8], [10]. Как показывают исследования, данные по разным биоиндикационным признакам сильно варьируют на разных участках и определяются многими факторами: различиями в орографических и эдафических параметрах (рельеф, тип почв, рН и др.), частой сменой направлений аэротехногенного переноса загрязняющих веществ и др. [2], [4]. Возникает необходимость комплексной функциональной оценки экологического состояния территории на основании интеграции разных биоиндикационных показателей.
Цель исследования: сравнить экологическое состояние и функциональность территории в зоне воздействия Кольской горно-металлургической компании в 2023 и 2025 гг. (Мончегорский район, Мурманская область) с использованием авторского подхода, основанного на интеграции разных биоиндикационных показателей для ели сибирской.
Новизна исследования: впервые для оценки экологического состояния территории в зоне воздействия Кольской горно-металлургической компании предложен и применён интегральный индекс, объединяющий несколько (в том числе независимых) показателей состояния хвойных растений. Предлагаемый подход позволяет дать более объективную и комплексную характеристику среды по сравнению с традиционными методами, основанными на 1–2 показателях состояния биоиндикаторных видов растений.
Теоретическая значимость: исследование расширяет теоретические основы биоиндикации, демонстрирует преимущество использования интегральных индексов для анализа экологического состояния территорий с позиций их функциональности. Результаты исследования могут быть использованы для дальнейшего развития методик комплексной оценки антропогенного воздействия на природные экосистемы, а также для совершенствования подходов к мониторингу и диагностике состояния окружающей среды.
Практическая значимость: предлагаемый авторами интегральный подход оценки может быть внедрён в систему экологического мониторинга промышленных регионов, что позволит повысить точность и оперативность выявления зон с неблагоприятной экологической обстановкой. Это будет способствовать принятию обоснованных управленческих решений по снижению негативного воздействия на природную среду в промышленно-развитых районах.
2. Методы и принципы исследования
Проанализированы биоиндикационные показатели для хвои ели сибирской за 2023 и 2025 гг. Для расчета биоиндикационных показателей отбиралась хвоя ели на 5 экспериментальных участках в северо-восточном направлении (ЭУ-1: 67.972651 с.ш., 32.880231 в.д., 7 км от КГМК; ЭУ-2: 67.992235 с.ш., 32.908234 в.д., 9 км от КГМК; ЭУ-3: 68.010916 с.ш., 32.935182 в.д., 11 км от КГМК; ЭУ-4: 68.025921 с.ш., 32.976436 в.д., 13 км от КГМК; ЭУ-5: 68.0555 с.ш., 33.058845 в.д., 18 км от КГМК) (рис. 1). Для эталона сравнения (ЭС) был выделен контрольный участок в районе Пушное-Лопарская (68.5546 с.ш., 33.0434 в.д.). На каждом участке выбрано по 4 дерева, отобрано 200 хвоинок с центральной части побегов 5-6 летнего возраста (по 50 хвоинок с каждого дерева). Всего обследовано 24 дерева. Отбор проб проводился на высоте 1,3-1,5 м с одновозрастных деревьев [7]. Для исследования выбраны 6 первичных биоиндикационных показателей, оценка которых проводилась по общепринятым методикам биологического мониторинга [1]:
(1) КС — класс состояния среды (от 1 до 3, где класс 1 — наилучшее состояние);
(2) ПП — процент повреждения хвои (от 0 до 100%, где 0% — наилучшее состояние);
(3) КП — класс повреждения (от 1 до 3, где класс 1 — наименьшее повреждение);
(4) КУ — класс усыхания (от 1 до 4, где класс 1 — наименьшее усыхание);
(5) ЖС — жизненное состояние деревьев (от 1 до 6, где балл 1 — наилучшее состояние).
(6) В качестве шестого показателя введен КФ — коэффициент снижения фотосинтеза (от 0 до 1, где 1 — наилучшее значение), соотношение общей поверхности хвои (в мм2) на каждом экспериментальном участке (ЭУ) к значению общей поверхности хвои (в мм2) на эталонном участке — эталоне сравнения (ЭС).
Для каждого экспериментального участка и эталона сравнения рассчитаны значения первичных биоиндикационных показателей (для 1200 хвоинок). Оценка их достоверности проведена с использованием однофакторного дисперсионного анализа (p ≤ 0,01).
Точки отбора проб
Для сравнительной функциональной оценки экологического состояния территории использовалась авторская методика, предусматривающая расчет интегрального индекса функциональности территории, который представляет собой мультипликативную свертку, в которой множителями выступают нормированные значения КС, ПП, КП, КУ, ЖС, КФ, а степенными показателями — их нормированные веса. Так как биоиндикационные показатели имеют разную размерность (классы, баллы, проценты) и диапазон значений, они были нормализованы (приведены к единой шкале) по принципу линейного масштабирования. С учетом изменений в первичных показателях для участков ЭУ1 и ЭУ5, рассчитаны нормированные веса для шести биоиндикационных показателей. Затем рассчитан интегральный индекс функциональности территории. Значения нормализованных показателей перемножались с учетом их нормализованного веса и количества показателей. Это связано с тем, что биоиндикационные показатели, как и все природные процессы, в значительной степени нелинейны. Перемножение составляющих при расчете индекса позволило проследить их взаимосвязь и взаимозависимость.
Для интерпретации интегрального индекса использована авторская шкала из 5 уровней экологического состояния и функциональности территории: уровень 1 — критическое состояние (ИИ = 0–0,29), уровень 2 — сильное угнетение, деградация среды (ИИ = 0,3–0,49), уровень 3 — умеренное напряженное состояние (ИИ = 0,5–0,69), уровень 4 — хорошее стабильное состояние (ИИ = 0,7–0,89), уровень 5 — оптимальное эталонное состояние (ИИ = 0,9–1). Количественное числовое значение интегрального индекса, полученное при расчете, определяет отнесение к той или иной зоне, т.е. если значение попадает в границы интервалов, соотнесенных с уровнями экологического состояния и функциональности территории, то это является основанием для отнесения к данной зоне.
Градация зон с разным шагом обусловлена нелинейной зависимостью, т.к. равномерное деление диапазона не отражает реальную картину, а шаги разной величины позволяют более точно учитывать области, в которых изменения индекса имеет критическое значение или где чувствительность экосистемы к изменениям резко возрастает. Для интерпретации результатов исследования предлагается разделение шкалы на 5 зон, т.к. меньшее количество зон, например, 2 или 3 зоны, приводит к потере информативности, утрате важной информации о характере явления. При этом даже небольшие изменения индекса могут иметь существенные последствия, деление на меньшее количество зон не позволяет отразить эту чувствительность.
3. Основные результаты
В таблице 1 представлены первичные показатели, полученные по результатам полевых исследований, камеральной и математической обработки собранных материалов. Для них была проведена нормализация и рассчитан интегральный индекс (см. табл. 2), позволяющий провести функциональную оценку исследуемой территории.
Средние значения первичных показателей по хвое ели для функциональной оценки состояния территории в 2023 и 2025 гг.
| Показатель | ЭУ1 | ЭУ2 | ЭУ3 | ЭУ4 | ЭУ5 | ЭС | |
| (1) КС | 2023 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 1 |
| 2025 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 1 | |
| (2) ПП | 2023 | 30,213 | 36,740 | 14,601 | 10,288 | 10,981 | 0 |
| 2025 | 37,742 | 24,213 | 19,207 | 18,064 | 11,143 | 0 | |
| (3) КП | 2023 | 1,921 | 2,381 | 2,033 | 1,712 | 1,760 | 1,0 |
| 2025 | 2,132 | 1,743 | 1,836 | 1,682 | 1,604 | 1,0 | |
| (4) КУ | 2023 | 1,282 | 2,031 | 1,337 | 1,181 | 1,187 | 1,0 |
| 2025 | 1,914 | 1,634 | 1,572 | 1,427 | 1,191 | 1,0 | |
| (5) ЖС | 2023 | 3,281 | 2,954 | 2,843 | 2,709 | 2,040 | 1,032 |
| 2025 | 3,124 | 2,991 | 2,874 | 2,759 | 2,172 | 1,111 | |
| (6) КФ | 2023 | 0,749 | 0,737 | 0,807 | 1,030 | 0,860 | 1,000 |
| 2025 | 0,608 | 0,649 | 0,667 | 0,809 | 0,951 | 1,000 |
Нормализованные значения (н) и веса (НВ) биоиндикационных показателей и расчет интегрального индекса (ИИ)
| Показатель | ЭУ1 | ЭУ2 | ЭУ3 | ЭУ4 | ЭУ5 | ЭС | НВ | |
| (1) КС(н) | 2023 | 0 | 0 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 1 | 0,046 |
| 2025 | 0 | 0 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 1 | 0,033 | |
| (2) ПП(н) | 2023 | 0,698 | 0,633 | 0,854 | 0,897 | 0,890 | 1 | 0,881 |
| 2025 | 0,623 | 0,758 | 0,808 | 0,819 | 0,889 | 1 | 0,882 | |
| (3) КП(н) | 2023 | 0,540 | 0,310 | 0,484 | 0,644 | 0,620 | 1 | 0,007 |
| 2025 | 0,434 | 0,629 | 0,582 | 0,659 | 0,698 | 1 | 0,018 | |
| (4) КУ(н) | 2023 | 0,906 | 0,656 | 0,888 | 0,940 | 0,938 | 1 | 0,004 |
| 2025 | 0,695 | 0,789 | 0,809 | 0,858 | 0,936 | 1 | 0,024 | |
| (5) ЖС(н) | 2023 | 0,544 | 0,609 | 0,631 | 0,658 | 0,792 | 0,994 | 0,057 |
| 2025 | 0,575 | 0,602 | 0,625 | 0,648 | 0,766 | 0,978 | 0,032 | |
| (6) КФ(н) | 2023 | 0,749 | 0,737 | 0,807 | 1,03 | 0,86 | 1 | 0,005 |
| 2025 | 0,608 | 0,649 | 0,667 | 0,809 | 0,951 | 1 | 0,011 | |
| ИИ | 2023 | 0 | 0 | 0,816 | 0,857 | 0,859 | 0,999(7) | - |
| 2025 | 0 | 0 | 0,783 | 0,798 | 0,866 | 0,999 | - |
Проведенная нормализация и анализ весов биоиндикационных показателей показали, что максимальный вес (0,882) у показателя (2) ПП (процент повреждения хвои), что закономерно, так как данный показатель наиболее чувствителен к загрязнению. Он значительно изменяется между экспериментальными участками на 42,7% (от 0,623 до 0,889), что отражает сильное влияние источника загрязнения. Заметный вес также имеет показатель (1) КС, который по методике расчета связан с показателем (2) и напрямую зависит от него. Минимальный вес (0,005) имеет показатель (6) КФ (коэффициент фотосинтеза). Остальные показатели занимают промежуточные позиции, отражая умеренную чувствительность к загрязнению.
Полученные значения интегрального индекса для каждого экспериментального участка относительно эталонного участка позволяют провести зонирование, выделить зоны с разным уровнем функциональности.
4. Обсуждение
По результатам интерпретации интегрального индекса выделены уровни экологического состояния и функциональности территории для исследуемого района:
ЭУ1 (7 км от источника), ИИ = 0, уровень 1.
ЭУ2 (9 км от источника), ИИ = 0, уровень 1.
ЭУ3 (11 км от источника), ИИ2023 = 0,816, ИИ2025 = 0,783, уровень 2.
ЭУ4 (13 км от источника), ИИ2023 = 0,857, ИИ2025 = 0,798, уровень 2.
ЭУ5 (18 км от источника, ИИ2023 = 0,859, ИИ2025 = 0,866, уровень 2.
Уровень 1 «Критическое состояние» (ИИ от 0 до 0,29): необратимые нарушения экосистемных функций, потеря биоразнообразия и продуктивности, разрушение связности экологического каркаса, отсутствие способности к самовосстановлению. Рекомендованы экстренные меры по локализации загрязнения, снижение техногенной нагрузки, программа рекультивации территории, ежемесячный мониторинг критических показателей.
Уровень 2 «Стабильное (хорошее) состояние» (ИИ от 0,7 до 0,89): стабильная работа экологического каркаса, высокая биопродуктивность и биоразнообразие, хорошая связность элементов, устойчивость к умеренным внешним воздействиям, незначительные локальные нарушения. Рекомендовано поддержание текущего состояния, сохранение ключевых биотопов и коридоров миграции, ограничение новых техногенных нагрузок, мониторинг с акцентом на показатели (5) ЖСТ и (6) КФ.
По результатам исследования сформулированы следующие выводы:
1. Не выявлено значительных различий по основным биоиндикационным показателям для ели сибирской в 2023 и 2025 гг. Тенденция наибольшего угнетения хвойных растений сохраняется на прилегающих к КГМК участках (ЭУ1, ЭУ2). По мере удаления от источника воздействия состояние растений улучшается.
2. На основе расчета интегрального индекса определены уровни экологического состояния территории для исследуемого района: расстояние 7–9 км от КГМК — уровень 1 (критическое состояние), 11–18 км — уровень 2 (стабильное (хорошее) состояние). Значительных различий в индексе по годам не выявлено.
3. Для каждого уровня экологического состояния предложена характеристика функциональности территории и рекомендации по ее поддержанию. Наблюдается улучшение экологического состояния и функциональности территории Мончегорского района Мурманской области по мере удаления от Кольской горно-металлургической компании, начиная с 11 км от источника воздействия лесная растительность становится более здоровой.
Значительных различий в индексе по годам не выявлено, ежегодные тенденции для экспериментальных участков сохраняются. Как показало исследование, наблюдается улучшение экологического состояния и функциональности территории Мончегорского района Мурманской области по мере удаления от Кольской горно-металлургической компании, начиная с 11 км от источника воздействия лесная растительность становится более здоровой.
5. Заключение
Примененный механизм интеграции разных биоиндикационных показателей в единый индекс показал эффективность для комплексной функциональной оценки экологического состояния территории. Данный подход будет удобен при проведении многолетних сравнительных биологических исследований, позволит учитывать влияние разнообразных факторов (биоиндикационных признаков) на результирующие показатели оценки. Видится возможным дополнение предлагаемого индекса другими показателями, связанными с природными факторами среды (рельеф, степень увлажнения, тип почв и др.), оказывающими значительное воздействие на жизнедеятельность биологических объектов.