Лаборатория геоэкологии
Лаборатория геоэкологии работает в рамках основного научного направления деятельности института - «Проблемы природопользования: взаимодействие природных и социально-экономических систем». Лаборатория создана в 1991 г. при организации Байкальского института природопользования СО РАН на базе тематической группы дистанционных методов исследования и картографирования Байкальского отдела природопользования БНЦ СО РАН.
Заведующий лабораторией геоэкологии БИП СО РАН чл.-корр. РАН, д.г.н Гармаев Ендон Жамьянович – специалист в области гидрологии и геоэкологии. Им опубликовано более 280 научных трудов (в том числе в соавторстве): 20 монографий, 3 карты, 4 учебно-методических пособия, 6 свидетельств Роспатента.
ИСТОРИЯ ЛАБОРАТОРИИ ГЕОЭКОЛОГИИ
Прежде чем говорить об истории нашей лаборатории, надо отметить, что с самого начала организации академической науки в Бурятии география как наука развивалась в рамках одного отдела, возглавляемого к.г.н. Б.Р. Буянтуевым с 1953 по 1979 гг. при отделах социально-экономических исследований. Предшественницей лаборатории геоэкологии явилась группа аэрокосмических исследований, созданная в 1985 г. молодым кандидатом географических наук А.К. Тулохоновым при Геологическим институте и Президиуме БФ СО АН СССР, в состав которой, помимо научного руководителя, вошли 6 молодых, не имевших в то время учёных степеней, сотрудников: Э.Ц. Дамбиев, А.В. Мельник, Н.М. Васильев, Л.Г. Намжилова, А.Л. Волошин, Б.Б. Шайбонов. В 1989 г., после защиты в 1988 г. А.К. Тулохоновым докторской диссертации, экономико-географы и физико-географы консолидировались в созданный им при содействии д.г.н. В.Е. Викулова Байкальский отдел проблем природопользования при Президиуме БНЦ СО АН СССР, который в 1991 г. был преобразован в Байкальский институт рационального природопользования СО АН СССР (БИРП СО АН СССР).
Учитывая какой интерес для науки представляло и представляет озеро Байкал, идеология рационального природопользования должна была быть реализована именно на территории его бассейна. По мере социально-экономического развития территории и возрастания экологических требований и ограничений к хозяйственной деятельности, практика вызывала необходимость комплексного исследования территории и его должного научного обоснования. Такой подход стал основой создания Байкальского института рационального природопользования, реализованного Постановлением Президиума Сибирского отделения АН СССР № 95 от 27.03.1991 г.
В отличие от большинства академических организаций, ориентированных на решение либо естественных, либо гуманитарных отраслевых проблем, для института была поставлена задача исследования закономерностей развития единой социо-природной системы бассейна озера Байкал и определения граничных параметров природопользования, не нарушающих сохранность природной среды. Постановлением было определено его одно из основных направлений – разработка научных основ мониторинга и прогнозирования естественных и антропогенных преобразований природной среды в бассейне озера Байкал.
В составе БИРП (переименован в 1998 г. в БИП) в 1991 г. на основе группы аэрокосмических исследований с привлечением приглашённых сотрудников был создан отдел мониторинга антропогенных и природных процессов, возглавляемый директором Института д.г.н. Арнольдом Кирилловичем Тулохоновым. С 2010 г. по настоящее время руководителем лаборатории геоэкологии является д.г.н. Ендон Жамьяновичем Гармаев. За время существования института два сотрудника стали членами РАН: академиком РАН – Арнольд Кириллович Тулохонов (2016 г.) и член-корреспондентом РАН, профессором РАН – Ендон Жамьянович Гармаев (2019 г.).
На протяжении 30-ти лет заместителями заведующего отдела, а потом лаборатории геоэкологии исполняли обязанности, следующие научные сотрудники:
- 1991-1992 гг. – к.г.н. А.Б Иметхенов;
- 1993 г. – д.б.н. Б-Ц Б. Намзалов;
- 1993-1996 гг. – к.б.н. Т.И. Абидуева;
- 1996-1997 гг. – к.г.-м.н. А.С. Ендрихинский;
- 1998 г. – д.г.н Т.Т. Тайсаев;
- 1999 г. – к.г.н. В.В. Татарников;
- 2000-2003 гг. – вновь к.б.н. Т.И. Абидуева;
- 2003-2006 гг. – к.г.н. Л.Г. Намжилова;
- 2007-2019 гг. – к.г.н. С.Г. Андреев;
- 2020 г. – по настоящее время – к.т.н. А.А. Аюржанаев.
Девяностые. Начало
Первая бюджетная тема Российской академии наук на 1991-1995 гг. для отдела мониторинга была обозначена так: «Научно-методические основы комплексного мониторинга антропогенной деятельности в Байкальском регионе и оптимизация процессов природопользования с использованием аэрокосмической информации». Научным заделом данной тематики явились научно-методические разработки группы аэрокосмических (дистанционных) исследований (рук. А.К. Тулохонов), связанные с исследованием влияния сельскохозяйственной деятельности территории на состояние природных ландшафтов. Изначально методологической основой исследования группы по данной 5-летней плановой теме, связанной с изменением природной среды в результате антропогенного пресса, явился историко-географический подход, который был реализован с помощью ретроспективного анализа и дистанционных методов исследования, предполагавших использование разновременных карт, начиная с к. XIX – нач. XX вв. и космоснимков. Был получен важный научно обоснованный вывод о долговременном процессе преобразования и нарушения существовавшей в прошлом адаптивной системы ведения сельского хозяйства, который осложнил экологическую ситуацию в землепользовании региона и целесообразности использования позитивного исторического опыта.
Знание современных природных процессов должно быть неразрывно связано с исследованием эволюции палеоландшафтов. В процессе палеогеографического анализа опорных разрезов четвертичных отложений Байкальской впадины и межгорных впадин Селенгинского среднегорья проведено восстановление природных условий недавнего прошлого, смещение границы леса и тайги в широтной зоне около 50°с.ш. По палинологической характеристике, (максимальному содержанию пыльцы ели), с помощью радиометрических датировок установлено несколько фаз значительного увлажнения ландшафтов: 9,8±0,2, 8,0±0,2, 6,2±0,2, 4,4±0,2 тыс. лет назад. Первое голоценовое увлажнение 9,8±0,2 тыс. лет назад, в частности, связано с появлением оз. Котокель. Для второго 8,0±0,2 тыс. лет назад характерны высокие уровни Байкала – 2 м выше современного зеркала. Для третьей характерно развитие китойской культуры и зарождение земледелия в Восточном Забайкалье и Монголии. И, наоборот, для термического максимума 10,9±0,2 тыс. лет назад выделены аридные палеоландшафты гобийского типа, существовавшие в южном Забайкалье.
Профессор Т.Т. Тайсаев и доцент А.С. Ендрихинский состудентами2-го курса естественно-географического факультета БГПИ (ныне БГУ) на практике.
Местность Удунга, около впадения в р. Темник, 1993 г.
Мониторинговые исследования береговых процессов оз. Байкал, начала 90-ых гг. фиксируют очередной малый увлажненный период. Как отмечено в отчете тех лет, неблагоприятная ситуация, сложившаяся в последнем десятилетии, связана не только с частыми паводковыми явлениями, но и с деятельностью Иркутской ГЭС, которая периодически форсирует уровень в 12-43 см, что свидетельствует как о цикличности природных процессов, так и о повторяющемся и ныне антропогенном факторе.
Для изучения современных природных процессов была отработана методика дистанционного мониторинга с помощью фотоотпечатков аэро- и космоснимков, что позволило произвести реконструкцию последствий экзодинамических процессов – селей, оползней, абразии берегов, заболачивания и др. По результатам сравнительного анализа площадь уничтоженных естественных пляжей по всему побережью Байкала за последние 25 лет (по отношению к 1995 г.) составила около 400 га. Скорость размыва архипелага Ярки составляла 0,8-1,0 м в год.
По результатам дешифрования спектрозональных и черно-белых космоснимков масштаба 1:200000 и увеличенных масштаба 1:50000 составлена «Карта территориальных структур природно-хозяйственных комплексов долины р. Баргузин». В результате анализа снимков установлены направления распространения движущихся песков по территории Селенгинского среднегорья, составлены схемы распространения дефляции почв и эоловых форм рельефа на Верхнем и Нижнем Куйтунах Баргузинской впадины. На крупномасштабных снимках были отдешифрированы разнообразные формы водной эрозии (овраги, балки, промоины, ложбины, участки плоскостного смыва и мелкоструйчатых размывов) в районе междуречья рр. Тугнуй и Сухара.
Экспедиционный отряд отдела мониторинга, начальник отряда А.С. Ендрихинский, 1995 г.
За 5-летний период был создан начальный банк картографических и аэрокосмических данных, фиксирующих ландшафтные изменения среды во времени и пространстве. Банк позволяет получить информацию о территории юга Бурятии и строить карты-реконструкции.
Банк ретроспективных картографических данных
Происходившие перемены в социально-экономическом развитии Байкальского региона, природопользовании, тенденции в развитии географической науки требовали применения новых направлений и методик исследования географической среды. Поэтому происходила корректировка названия нашей лаборатории: в 1998 г. – лаборатория мониторинга и экологического картографирования, в 1999 г. – лаборатория геоэкологии, в 2000 г. – лаборатория геоэкологии и экологического картографирования.
В 1998 г. по плановой теме РАН сотрудниками лаборатории была разработана концептуальная модель геоинформационной системы оптимизации природопользования «ГИС-Аура», которая является универсальным, открытым и управляемым интерактивным средством, позволяющим оперативно производить компьютерную оценку пространственных, качественных и количественных характеристик любых географических объектов. Разработана методика использования разновременных карт при геоинформационной оценке динамики географических объектов. Использование геоинформационной технологии при изучении динамики природной среды способствовало повышению точности и надежности моделирования развития отдельных географических объектов и геосистем.
В качестве пилотного участка для разработки модели устойчивого развития была выбрана территория Тугнуй-Сухаринской межгорной котловины. Для создания ГИС пилотного участка в соответствии со спецификой территории были определены информационные показатели по природным и антропогенным системам: современные экзогенные рельефообразующие процессы, почвенный покров, динамика ландшафтов, лесные и рекреационные ресурсы, структура землепользования, основные показатели сельскохозяйственного производства. На основе информационных показателей создана серия электронных карт для модельной территории: топографическая, ведущих экзогенных рельефообразующих процессов, землепользования, лесных и рекреационных ресурсов, ряд сельскохозяйственных карт.
Двухтысячные
В связи с появлением новых географических направлений и научных тематических исследований для решения разнообразных геоэкологических задач был произведен ребрендинг, и в 2000 г. отдел мониторинга антропогенных и природных процессов был переименован в лабораторию геоэкологии. Это название лаборатории наиболее полно соответствовало сложившимся направлениям всех проводимых исследований природной составляющей, в том числе и в контексте новой парадигмы Устойчивого развития общества.
Лаборатория геоэкологии, ноябрь 2000 г.
Встреча с профессором географического факультета МГУ, к.г.н. Н.Н. Дроздовым сотрудников лаборатории.
Экспедиция на оз. Хубсугул, Монголия (база Института геохимии СО РАН, 2003 г.)
С 1998 по 2000 гг. в рамках реализации Декларации ООН по борьбе с опустыниванием при поддержке программы ООН по окружающей среде UNEP разработана Субрегиональная национальная программа действий по борьбе с опустыниванием для различных регионов Забайкалья (Республика Бурятия, Читинская область, Агинский Бурятский национальный округ). Впервые были исследованы масштабы и приоритетные факторы аридизации сельскохозяйственных земель, выделены количественные и качественные параметры, характеризующие темпы и процессы опустынивания Южной Сибири. Разработаны мероприятия по мелиорации засушливых территорий. Впервые для территории Забайкалья, в соответствии с установленными параметрами Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием, были выявлены чёткие на настоящее геологическое время границы засушливых климатических зон: семиаридной, сухой субгумидной, полузасушливой субгумидной, служащих ареной для развития процессов опустынивания.
Зоны аридности климата Забайкалья
Основной характеристикой расчета и определения границ засушливых и полузасушливых территорий послужил индекс аридности, представляющий отношение количества осадков к потенциальной эвапотранспирации (суммарному испарению с поверхности Земли) Этот научный результат вошёл в «Основные достижения Сибирского отделения РАН за 2000 г.».
В 2000 г. при институте на берегу оз. Байкал (сор Черкалов) был создан Международный эколого-образовательный центр «Истомино». Сотрудниками лаборатории по интеграционному проекту СО РАН совместно с другими лабораториями и институтами проведена оценка состояния и динамики развития уникальной экосистемы дельты реки Селенги с целью выявления ее свойств как естественного биофильтра и индикатора современного состояния в условиях интенсификации антропогенного загрязнения в озере Байкал.
Установлено, что при прохождении водных масс по дельте происходит аккумуляция механических частиц, биогенных элементов, тяжелых металлов и хлорорганических соединений. Выявлено, что в последние годы происходит активное перераспределение стока по протокам дельты, уменьшается пропускная способность основного русла протоки Харауз, обнаружена тенденция к увеличению стока в северо-западном секторе дельты. В условиях низкой водности, повышенной температуры воды и высокого содержания биогенных элементов наблюдается интенсивное развитие фито- и бактериопланктона и эффект эвтрофирования в протоках дельты р. Селенги.
3D-модель дельты со снимка Landsat
Совместное с ИГХ и ЛИН СО РАН бурение в заливе Провал оз. Байкал, 2003 г.
Дендрохронологическая экспедиция в Монголию, 2003 г.
На основе многолетних наблюдений и созданной сети дендроклиматических станций (1997-2000 гг.) получены репрезентативные модели реконструкции показателей водного режима за последние 300-350 лет (выпадение осадков, речного стока рек бассейна р. Селенга, а также уровня оз. Байкал). С помощью анализа косвенных, инструментально измеренных и реконструированных данных по годичным кольцам реконструирована временная палеоклиматическая шкала Забайкалья, включая ХVI-XVII века.
Выделена и обоснована региональная циклическая структура вековых и внутривековых колебаний режима увлажнения (длительностью в среднем 25-37, 10,7 и 6 лет). Статистически выявлена тесная связь дендрохронологических рядов с природными процессами (засухами и лесными пожарами). Установлено, что наблюдаемый с первой половины XX в. рост зимних температур в Северном полушарии пока не привел к трендовому изменению в водном балансе региона. Полученные результаты соответствуют данным исторических хроник. Этот научный результат также вошёл в «Основные достижения Сибирского отделения РАН за 2001 г.».
Отбор древесного керна академиком Е.А. Вагановым и аспирантом С.Г. Андреевым
Разработаны принципы и методологические подходы к созданию особо охраняемых природных территорий в условиях жестких экологических ограничений. Выполнен анализ недостатков, допущенных при начальных стадиях образования национальных парков (на примере Тункинского национального парка). Составлена серия оценочных карт, позволяющая определить те или иные параметры экологических зон, в т.ч. для ограниченной хозяйственной деятельности. Разработан кадастр ООПТ РБ.
Рассмотрен рекреационный потенциал РВ и возможности его использования. В связи с принятием ФЗ «Об охране оз. Байкал» (1999) и рядом подзаконных актов по его реализации проводилось ландшафтное планирование модельного участка «Низовья р. Верхняя Ангара» (2001) в рамках экологического зонирования Байкальской природной территории. Составлено 14 карт масштаба 1:100000. На основе выполненного комплексного покомпонентного анализа природной среды, социально-экономических условий, структуры и особенностей землепользования, экологических проблем дана оценка потенциала территории планирования в категориях значения и чувствительности и характера современного использования земель, что позволило разработать отраслевые целевые концепции использования природных ресурсов для отдельных природных компонентов и интегрированной целевой концепции использования территории низовий р. Верхняя Ангара. Разработанные цели территориального развития реализованы посредством определенных действий и конкретных мероприятий (рис. ).
Карта интегрированной целевой концепции использования территории низовий р. Верхняя Ангара; карта действий и конкретных мероприятий
Разработаны методики краткосрочных прогнозов расходов и уровней воды для трансграничного бассейна оз. Байкал на 15 участках разных рек, в том числе 6 схем на российской территории, на монгольской – 9. Для определения времени добегания стока рек бассейна оз. Байкал в разные фазы водного режима использован метод соответственных уровней. Эффективность прогнозов колеблется в пределах от 0,4 до 0,8. В итоге синтез методик краткосрочного прогноза на разных участках бассейна оз. Байкал позволил получить приближенную картину движения воды во всем бассейне. Эта картина может быть описана схемой нарастания времени добегания речного стока от различных участков речных бассейнов до его впадения в озеро Байкал(рис.)
Схема нарастания времени добегания до оз. Байкал (в сутках): красным цветом показан паводочный сток, синим цветом – меженный сток
Отбор геологического образца с помощью манипулятора подводного аппарата Мир-2, 2008 г. Фотография опубликована в журнал "National Geographic" за октябрь месяц 2008 г.
Впервые проведена оценка рисков от наводнений на главных реках бассейна р. Селенга на основе многолетних рядов наблюдений (с 1931 г.) по имеющимся водомерным уровенным постам. Методические приемы оценки базируются на показателях опасности через параметр уязвимости, определение которого позволяет определить физические показатели рисков и их удельные значения. Выявленные особенности наводнений по генезису их формирования, специфики прохождения, определение и расчеты классификационных показателей опасности, проведенный ландшафтно-гидрологический анализ позволили разработать имитационные модели (прогнозные сценарии) развития наводнений для каждой реки и выполнить расчеты показателей физического, экономического и социального рисков. По удельным показателям разработан ряд частных карт пораженности земель и населения наводнениями и создана итоговая карта интегрального риска от наводнений на реках бассейна р. Селенга. Окончательный результат вошел в «Основные достижения Сибирского отделения РАН за 2014 г.» (рис. ).
Интегральный риск от наводнений в бассейне р. Селенга
2010-е года
В начале 2010-х годов разрабатываются новые методические подходы с применением современных методов дистанционного зондирования, комплекса программ по моделированию. В этот период лаборатория геоэкологии в своей деятельности начинает активно использовать спутниковые данные. Этому способствовало появление в свободном доступе Internet снимков спутников серии Landsat, которые фотографируют поверхность Земли с 1972 г., что является самым длительным проектом по дистанционному зондированию земного шара.
Географы Бурятии на совещании РГО, председатель БРО РГО академик РАН А.К. Тулохонов, г. Улан-Удэ, 2010 г.
С использованием данных дистанционного зондирования получен ряд важных результатов, среди которых можно отметить: создание уточненной среднемасштабной карты растительного покрова бассейна р. Селенга; разработка серии крупномасштабных карт степной растительности на мониторинговых участках по Байкало-Гобийскому трансекту, анализ которых выявил ведущие факторы трансформации экосистем Центральной Азии; оценка динамики береговой линии дельты Селенги и архипелага Ярки, которые испытывают негативное воздействие экстремально высоких и низких уровней оз. Байкал.
Карта растительности бассейна р. Селенга
Гидрологические работы по международному гранту РФФИ на р. Хараа (Монголия) в 2013 г. На снимке: Е.Ж. Гармаев, С.Г. Андреев, Б.О. Гуржапов и И.А. Павлов
Экспедиционный отряд в Монголии, нач. отряда – А.А. Аюржанаев, 2019 г.
Накопленный архив климатических и спутниковых данных позволил проводить анализ их длительных изменений, для чего сотрудниками лаборатории разработаны методики оценки трансформации ландшафтов на основе временных рядов данных. На их основе выявлена степень деградации растительного покрова на обширной территории Центральной Азии в засушливый и влажный период – показано, что доля угнетенной растительности в Байкальском регионе многократно возросла с 2000 г. Этому способствовали крупные лесные пожары, сельскохозяйственная и гидрологическая засухи на фоне дефицита осадков.
Геоботанические работы (укос травы), аспирант М.А. Жарникова, 2019 г.
Тренды NDVI для влажного периода 1982-1999 гг. (а) и засушливого периода 2000-2015 гг. (б)
Бурное развитие рынка гражданских беспилотных летательных аппаратов позволило проводить исследования на новом качественном уровне, и теперь они прочно вошли в научную практику: БПЛА нашли применение во многих направлениях лаборатории, с их помощью проведены оценки движения барханов, выявлены темпы роста оврагов в Селенгинском среднегорье, разработаны методики определения надземной фитомассы степной растительности, а также урожайности сельскохозяйственных культур. Большим подспорьем в оценке изменения природных сред стало использование наземной лазерной станции, которая генерирует цифровой рельеф местности. Данный прибор дал возможность с высокой точностью изучать развитие эрозии берегов, наледей, камнепадов и др.
Отбор древесных образцов на оз. Киран к.г.н. Батоцыреновым на останках солеваренного завода XIХ в., 2017 г.
Совместная с лабораторией химии природных систем экспедиция на оз. Гусиное, отбор донных осадков, 2017 г.
Отбор гидрохимических проб на оз. Гусиное, 2019 г.
Изменение климата – тема, будоражащая умы как политиков и ученых, так и обычных людей, которые замечают, что зимы стали мягче, дождей меньше, а лесных пожаров больше.
Климатические сдвиги последних десятилетий являются одним из основных факторов трансформации природной среды. Они особенно ярко проявляются в Байкальском регионе. Так, выявлено, что темпы роста температуры превышают глобальные в 1,5-2 раза, осадки имеют выраженную цикличность, при этом последние 20 лет наблюдалась одна из самых суровых засух.
Изучение эрозионных процессов в пади Нижняя Буланка.
Работают к.т.н. Б.З. Цыдыпов, аспирант М.А. Жарникова и вед. инженер Б.О. Гуржапов, 2016 г.
Съемка 3D наземной лазерной сканирующей станцией LeicaScanStationC10 оврага.
Работают м.н.с Б.В. Содномов, аспирант А.Г. Супруненко 2020 г.
Также выявлено, что к 2040 г. прогнозируется повсеместный рост температуры воздуха на 1,1-1,8° град. С в большей степени за счет увеличения зимних температур. Количество осадков увеличится, однако тенденция к увеличению засушливости климата сохранится за счет роста температуры. Ожидается декадное увеличение вегетационного периода вследствие раннего наступления весны. Выявленные изменения климата приведут к увеличению частоты засух и лесных пожаров, интенсификации овражно-балочной эрозии, таянию многолетней мерзлоты и т.д.
Разработанная и адаптированная в Институте методика комплексного использования данных ближнего и дальнего дистанционного зондирования Земли является основой геоинформационного обеспечения рационального природопользования в условиях трансформации природных ландшафтов и природно-антропогенных рисков. Созданная информационная система позволяет хранить и накапливать большие объемы пространственных данных, анализировать их и получать новую информацию об объектах природопользования, отвечать на запросы пользователя и оперативно выдавать информацию в требуемой форме, являясь востребованной практической задачей.
Часть методических разработок лаборатории геоэкологии реализована в программных продуктах, зарегистрированных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности. В результате проводимых исследований формируется большое количество данных, которые затем систематизируются в базах данных и также регистрируются как авторские произведения.
