Для выявления абиотических факторов, связанных с колебаниями численности рыб, предложена методика экологически допустимых уровней (ЭДУ) этих факторов. На примере водных экосистем Нижнего Дона проведен поиск факторов, значимых для снижения уловов леща, чехони, судака и берша в Донских водохранилищах и для снижения урожайности леща и осетра в Дону. Определена существенность значимых факторов, выражающая первостепенность проведения водоохранных мероприятий. Приведены основные принципы концепции ЭДУ, отличающие ее от общепринятой концепции предельно допустимых концентраций (ПДК).

На протяжении уже многих лет диагностика состояния водных биоценозов по уровню загрязняющих веществ строится на концепции предельно допустимых концентраций (ПДК) этих веществ. При этом ПДК выступают лишь как потенциальные причины неблагополучия биоты. Более перспективным направлением в нормировании вредных воздействий на гидробионтов видится установление не ПДК, а экологически допустимых уровней (ЭДУ) абиотических факторов. В отличие от ПДК, ЭДУ являются не потенциальными причинами экологического неблагополучия, а непосредственными его симптомами. В данной работе анализ причин экологического неблагополучия методом ЭДУ приведен для ихтиологической составляющей водной экосистемы, хотя возможности его намного шире и в состоянии охватить как отдельные ценозы, так и весь гидробиоценоз в целом.

Воспроизводство и жизнестойкость рыб зависит от многих абиотических и биотических факторов, наиболее значимыми из которых являются характер обводнения нерестилищ, количество идущих на нерест производителей, температурный режим, материковый сток в море, определяющий соленость и ареалы молоди и взрослых рыб (Бронфман и др., 1979).

Вместе с тем несомненно, что на жизнедеятельность рыб влияет присутствие в воде различных химических соединений. Особенно сильно повысилась роль этого фактора в последние 15-20 лет, после расширения масштабов промышленного производства, орошения и сопутствующего увеличения бесконтрольных сбросов в воду загрязняющих веществ. В этой связи возникает два вопроса:

Какие из гидрохимических, гидрологических, климатических характеристик водоема действительно связаны с колебаниями численности рыб?
Каковы конкретные пороговые значения отобранных факторов, приводящие к снижению численности?

Для ответа на поставленные вопросы необходимо наличие базы данных, включающей материалы по уловам (или урожайности) рыб и значения потенциально опасных для рыб абиотических факторов за достаточно продолжительный промежуток времени, а также методики многомерного статистического анализа, который осуществляет поиск сопряженностей между биотической и абиотической составляющими экосистемы.

Подготовка ихтиологических данных к анализу

Предлагаемый метод поиска ЭДУ абиотических факторов предполагает представление всего ряда наблюдений за уловами (урожайностью) рыб не в виде абсолютной численности, а в виде классов значений на шкале "низкая высокая численность". Для этого все величины уловов классифицировали по 3-балльной шкале. Величины уловов, входящие в интервал от минимальной величины до средней между минимальной и среднемноголетней величинами, оценивали баллом 3; уловы из интервала от средней между максимальной и среднемноголетней величинами до максимальной величины баллом 1. Промежуточным значениям уловов была присвоена оценка 2. После этого была введена граница нормы и патологии на шкале оценок: величины уловов (урожайности), оцененные баллами 2 и 3, отнесены к низким; уловы с баллами 1 к высоким. Таким образом, мы использовали представление об относительной норме состояния уловов (урожайности) за некоторый эталонный период наблюдений.

Основные принципы обработки данных

Процедура обработки данных, основанная на предложенном нами методе экологически допустимых уровней, позволяет для каждого участвующего в анализе абиотического фактора определить ЭДУ, выход за пределы которого сопряжен с низкими уловами. Степень влияния отдельных факторов устанавливается при помощи конструкций точности и полноты (Чесноков, 1982). Под полнотой понимается отношение количества низких уловов, совпавших со случаями выхода за пределы ЭДУ данного фактора, к общему количеству низких уловов. Под точностью отношение количества низких уловов, совпавших со случаями выхода за пределы ЭДУ, к общему количеству несоблюдений ЭДУ. Значимыми факторами признаются те, которые отвечают некоторым заданным критериям точности и полноты. Подобный анализ представляет собой не что иное, как установление детерминационных связей между абиотическими и ихтиологическими характеристиками (Чесноков, 1982). Каждую такую детерминацию можно описать следующим утверждением: "если ЭДУ данного фактора превышено, то уловы рыбы будут низкими с определенной степенью достоверности, выраженной в терминах точности и полноты".

Более детальное описание метода ЭДУ целесообразно привести на примере конкретных данных, в качестве которых нами были использованы уловы основных промысловых рыб в Донских водохранилищах (Уловы рыбы в водохранилищах СССР, 1975-90), урожайность леща и осетра в Нижнем Дону (Воловик и др., 1991) и показатели гидрохимии, гидрологии, метеоусловий на соответствующих створах (Ежеквартальные бюллетени..., 1975-83; Ежегодники качества..., 1984-1991; Ежегодные данные..., 1990).

Оценки уловов и урожайности

Способом, приведенным выше, для периода с 1976 по 1990 гг. получены оценки уловов леща, чехони и судака совместно с бершом в четырех водохранилищах: Цимлянском, Веселовском, Пролетарском и Усть-Манычском (табл.1). Другие компоненты улова (густера, сельдь, сазан, плотва, тарань, карась) не анализировали ввиду недостаточного количества наблюдений. Оценка ихтиофауны Нижнего Дона дана на основе урожайности сеголеток полупроходного леща и годовиков проходного осетра с 1975 по 1990 гг. с последующим усреднением оценки по двум видам рыб (табл.1). Отсюда возникли промежуточные оценки 1-2 (выше относительной границы благополучия) и 2-3 (ниже границы). Таким образом, для дальнейшего анализа были отобраны четыре указанных ихтиологических показателя.

Абиотические переменные и типы их представления

Для 5 створов наблюдения Цимлянского водохранилища, 2 створов Веселовского водохранилища, 1 створа Пролетарского водохранилища, 1 створа Усть-Манычского водохранилища и 9 створов Нижнего Дона (от водохранилищ до Ростова-на-Дону) за ряд лет в период с 1975 по 1990 гг. получены значения следующих гидрохимических, гидрологических и климатических характеристик: концентрация азота аммонийного, азота нитритного, азота нитратного, нефтепродуктов, фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), меди, цинка, взвешенных веществ, кальция, магния, хлоридов, минерального фосфора, общего железа, марганца, сульфатов, гексахлорана (7a-ГХЦГ и 7g-ГХЦГ), ДДЭ, ДДТ, ДДД, растворенного кислорода, а также БПК 45, ХПК, водородный показатель (pH), минерализация, расход воды, температура воды.

Поскольку оценки уловов и урожайности выведены не постворно, а для всего подбассейна (отдельного водохранилища или Нижнего Дона), для комплементарности биотических и абиотических показателей полученные нами значения баллов экстраполировали на все створы данного подбассейна.

Для всех гидрохимических характеристик, кроме pH, анализировали влияние на биоту как среднегодовых, так и экстремальных значений (минимальных для растворенного кислорода и максимальных для всех остальных переменных). Для водородного показателя, расходов воды и температуры воды в расчетах участвовали среднемесячные значения.

Для расходов воды, температуры и взвешенных веществ использовали относительные величины в виде отношения абсолютного значения переменной к среднемноголетнему для данного створа значению (для расходов воды этот показатель называется водностью). Выбор именно этих относительных характеристик объясняется их явной "створоспецифичностью". Остальные переменные участвовали в анализе в виде своих абсолютных значений.

Для концентрации основных биогенных элементов (нитратов, аммония, фосфора, сульфатов, магния, железа, кальция, марганца), водности, температуры, pH допустимые границы принимали как в области высоких, так и низких (лимитирование развития) значений. Для остальных переменных, кроме содержания кислорода, допустимыми считали любые малые значения, а границу недопустимости устанавливали для высоких значений. Для кислорода, наоборот, недопустимыми считали только низкие значения его содержания.

Текущее состояние рыбы может зависеть не только от современного состояния среды, но и от предшествующих состояний. Для учета этой зависимости мы анализировали влияние на уловы данного года значений абиотических переменных в предыдущие годы. Для уловов судака с бершом, леща и чехони в расчет принимали данные за шесть лет, поскольку основную массу уловов составляли особи от сеголеток до шестилеток. Для урожайности леща и осетра учитывали влияние на молодь факторов первой половины текущего года (или среднесезонные и экстремальные характеристики факторов).

На оценку уловов или урожайности влияют верхние и нижние уровни среднегодовых и среднемесячных абиотических переменных среды, экстремальные значения этих переменных и для всех указанных переменных их значения по всем временным сдвигам. Всего для уловов леща, чехони и судака с бершом набралось по 804 воздействующие переменные, а для урожайности 134 переменные.

Экологически допустимые уровни и экологически безопасные границы абиотических факторов

Для каждого из четырех наборов ихтиологических оценок и для каждой из сопутствующих набору абиотических факторов отыскивали ЭДУ и рассчитывали точность и полноту критерии значимости этих уровней. Все абиотические показатели разделились на две категории: предзначимые те, для которых ЭДУ найдены в пределах наибольшего и наименьшего значений данной переменной за весь период наблюдений, и незначимые те, для которых все полученные значения за исследуемый период соответствовали только уловам (урожайности) с благополучной оценкой 1. Для незначимых факторов результат исследования максимальная и минимальная границы значений фактора за период наблюдений, названные экологически безопасными границами (ЭБГ). При нормировании ЭБГ могут служить ориентирами значений данной переменной, которые заведомо не приводят к падению уловов (урожайности) ниже границы условной нормы. Насколько далеки указанные ЭБГ от потенциально существующих вне их интервала величин ЭДУ, по имеющимся данным установить невозможно.

Значимые для снижения уловов и урожайности факторы

Из всего списка абиотических переменных для каждого ихтиологического показателя отобраны те, которые дают наибольший вклад в описание причин колебаний численности рыб. Эти переменные, названные значимыми, выбраны по следующим критериям:

точность детерминации между уровнем абиотического фактора и ихтиологической оценкой, не меньшая 80%
максимальная полнота детерминации
высокая существенность фактора (см. следующий раздел) при не слишком высокой индивидуальной полноте; достаточное (более 8) количество наблюдений с низкими и с высокими уловами (урожайностью)
некоторые экспертные соображения о способности или неспособности данного фактора среды влиять на ихтиологический показатель (так, мы сочли необходимым исключить из числа значимых для урожайности леща и осетра Нижнего Дона переменную "водность", поскольку с начала 50-х гг., после зарегулирования стока Дона, благоприятные значения водности в сравнении с предыдущими годами отмечены только в двух случаях (1979 и 1981 гг.), следовательно подавляющее число ихтиологических оценок должно быть неблагополучным, чего при выбранной нами условной норме (ряд 1975-1990 гг.) урожайности не было)

В таблице 2 для каждого ихтиологического показателя сведены все значимые факторы с указанием их индивидуальной точности и полноты. Здесь же приведены суммарные точность и полнота, то есть те критерии, которые обеспечивают достоверность детерминации, если ЭДУ превышен хотя бы по одной из значимых переменных. Если один и тот же фактор оказывался значимым для разных временных сдвигов, то выбирали сдвиг с наиболее жестким ЭДУ.

Для тех абиотических характеристик, которые принимали участие в анализе в виде среднемесячных значений (водность, относительная температура, pH) можно построить хронограммы соответствующих ЭДУ и ЭБГ по месяцам года. Пример такой хронограммы pH с нулевым сдвигом во времени для оценки урожайности леща и осетра представлен на рисунке.

Существенность значимых факторов

Для анализа экологической ситуации необходимы критерии значимости не только индивидуальных факторов, но и заданных ими наборов. Эти критерии также могут быть заданы в терминах точности и полноты. Напомним, что суммарная точность для набора переменных А есть доля неблагополучных наблюдений среди всех наблюдений, где ЭДУ превышен хотя бы по одной переменной, а суммарная полнота набора А доля наблюдений, где ЭДУ превышен минимум по одной переменной, среди всех неблагополучных наблюдений.

При добавлении к набору А еще одной переменной увеличение или неувеличение суммарной полноты для дополненного набора не зависит жестко от индивидуальной полноты добавляемой переменной, а зависит от того, насколько переменные из набора А и новая переменная независимы друг от друга. Суммарная полнота возрастает, когда превышающие ЭДУ значения новой переменной сопутствуют значениям прежних переменных ниже их ЭДУ. Если превышения ЭДУ новой переменной совпадают с превышениями ЭДУ старыми переменными, то суммарная полнота никак на меняется. Назовем существенностью переменной X по отношению к набору А увеличение суммарной полноты набора А при добавлении к нему переменной X.

Из списка значимых переменных для каждой оценки ихтиофауны составляли различные наборы и для вновь добавляемых переменных вычисляли существенность (табл. 3-6). В строке "Шаг 1" этих таблиц приведены переменные с высокой индивидуальной полнотой. В строке "Шаг 2" указаны переменные, которые наиболее существенны при добавлении к первой переменной из строки "Шаг 1". Переменные из строки "Шаг 3" наиболее существенны при добавлении к набору первых переменных из обеих предыдущих строк и т.д. При определении очередности мероприятий по нормированию абиотических показателей водоемов существенность, основанная на шаговом анализе, выступает одним из главных критериев наряду со степенью значимости, доступностью показателя для нормирования и др.

Заключение

Описанная методика, основанная на концепции экологически допустимых уровней вероятных факторов снижения численности рыб, обладает рядом преимуществ перед общепризнанной системой рыбохозяйственных ПДК. Основное отличие концепции ЭДУ от концепции ПДК это учет не изолированного действия химических веществ на организмы в идеализированных лабораторных условиях, а совместного действия всей совокупности абиотических факторов на целостное сообщество в реальной экосистеме, которая состоит не только из рыб, являющихся, как правило, в водоеме высшим трофическим уровнем, но и всех промежуточных звеньев пищевой цепи. Назовем и другие принципы концепции ЭДУ, отличающие ее от концепции ПДК:

Среди отрицательно воздействующих на рыб факторов, выявленных с помощью метода ЭДУ, могут быть такие, которые специалисты по мониторингу природной среды априори считают заведомо не влияющими на биоту, и учет которых в соответствующей программе мониторинга не предусмотрен
ЭДУ нормируют не только химические, но и любые гидрологические и климатические факторы
ЭДУ значимых факторов не универсальны, а строго региональны. Они учитывают фоновые особенности района исследований и адаптационные способности бионтов конкретных экосистем. Именно поэтому полученные нами результаты неприменимы к тем же видам рыб, но обитающим в других бассейнах
Метод ЭДУ позволяет учитывать многолетние запаздывания откликов рыб на опасные уровни воздействия факторов среды, в то время как опыты по определению ПДК не превышают 6-8 месяцев
В концепции ПДК нормируются мгновенные или кумулятивные значения концентраций веществ, а концепция ЭДУ определяет как усредненные, так и экстремальные за конкретный период времени значения факторов. Это позволяет нормировать и аварийные, и текущие сбросы веществ

Концепция ЭДУ позволила для бассейна Нижнего Дона выделить основные факторы, связанные с падением уловов и урожайности промысловых рыб. Заметим, что списки этих факторов для речного ихтиоценоза и для ихтиоценозов водохранилищ не совпадают. Более того, для разных видов рыб, обитающих в водохранилищах, эти списки также различны. наиболее значимыми оказались следующие факторы: для уловов судака и берша ХПК и концентрация цинка; для уловов леща концентрация нитритного азота, взвешенных веществ, хлоридов, а также среднесезонное значение pH; для уловов чехони концентрация азотсодержащих ионов, меди, цинка, майская температура, майская, октябрьская, ноябрьская и среднесезонная водность, апрельский уровень pH, БПК 45; для урожайности леща и осетра в Дону концентрация нитритного азота, гексахлорана, кислорода, фенолов, сульфатов, цинка, уровень pH в марте и мае. Напомним, что такой важный фактор, как водность, не учитывался нами при анализе. Поиск абиотических характеристик, связанных с неблагополучием в уловах или урожайности некоторых видов промысловых рыб нижнего течения Дона, является далеко не единственной возможностью проиллюстрировать метод ЭДУ. Привлечение широкой базы данных не только по уловам и урожайности, но и по промысловому возврату, упитанности, жирности как можно большего числа видов рыб и расширение списка абиотических факторов должно привести к увеличению достоверности получаемых результатов и весомости основанных на них экологических нормативов.

Кроме того, возможно нормирование факторов среды по состоянию других гидробионтов фитопланктона, зоопланктона, перифитона, зообентоса, что, вообще говоря, требует иной, более сложной, системы оценок состояния, но основывается на уже известных принципах метода ЭДУ.

Литература

Бронфман А.М., Дубинина В.Г., Макарова Г.Д. Гидрология и гидрохимические основы продуктивности Азовского моря. М.: Пищевая промышленность, 1979.
Воловик С.П., Козлитина С.В., Реков Ю.И. Математические подходы приведения в единую систему промыслово-биологических данных по азовским осетру и севрюге // Информационное и математическое обеспечение исследований сырьевой базы. М.: ВНИРО, 1991. С.114.
Ежегодники качества поверхностных вод и эффективности проведенных водоохранных мероприятий. Северо-Кавказское территориальное управление по гидрометеорологии, 1984-1991.
Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. Северо-Кавказское территориальное управление по гидрометеорологии, 1990.
Ежеквартальные бюллетени качества поверхностных вод суши. Северо-Кавказское территориальное управление по гидрометеорологии, 1975-1983.
Уловы рыб в водохранилищах СССР (статистические сборники). М.: ЦНИИТЭИРХ, ВНИЭРХ, 1975-1990.
Чесноков С.В. Детерминационный анализ социально-экономических данных. М.: Наука, 1982

Web-мастер Денисов Пётр, дизайн -=AGE=-