А.П.Левич, А.Т.Терехин,Н.Г.Булгаков, В.А.Абакумов,В.Н.Максимов, Д.А.Елисеев,Л.К.Качан
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ
КОНТРОЛЬ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВНИЖНЕГО ДОНА ПО БИОТИЧЕСКИМ
ИДЕНТИФИКАТОРАМПЛАНКТОНА, ПЕРИФИТОНА И ЗООБЕНТОСА
Биотическая
концепция контроля природной средыГосударственная система
контроля водных объектов включает всебя ряд
основополагающих элементов: сбор и хранение экологических данных;
диагностику экологического состояния исследуемых объектов; анализ причин
экологического неблагополучия; нормированиевоздействий,
нарушающих экологическое благополучие; экологическийпрогноз.
Экологическое
состояние водных биоценозов неразрывно связанос условиями
неживой природы, в которой обитают гидробионты. Вкомплекс этих
условий входят многие гидрохимические, гидрологические, климатические
факторы, а также довольно обширнаяноменклатура загрязняющих
веществ, попадающих в водоем в результате деятельности человека.
Выделить существенные для экологическогонеблагополучия факторы в
течение долгого времени на территориибывшего СССР помогает
концепция предельно допустимых концентраций(ПДК) веществ-загрязнителей. Концепцией
ПДК руководствуются такжепри
определении допустимых уровней водородного показателя (pH) исодержания
растворенного кислорода. Нормативы ПДК
определяются влабораторных экспериментах
на изолированных популяциях несколькихвидов-индикаторов по
заранее заданному кругу физиологических иповеденческих реакций.
Исходя из указанной специфики, концепцияПДК обладает рядом особенностей,
снижающих ее экологическую эффективность: некорректность
экстраполяции лабораторныхэкспериментов
на природные объекты; наличие ПДК
только для изолированныхфакторов,
а не для
реально воздействующих на биоту их сложныхкомплексов; охват
концепцией ПДК только химических
факторов безучета
температуры, водности и т.п.; экстраполяция ПДК на все географические области без
учета специфики регионов.
Избавиться от
приведенных недостатков помогает биотическаяконцепция
контроля природной среды (Левич, 1994). Согласно биотической
концепции, оценки экологического состояния на шкале
"норма-патология"
должны проводиться по комплексу биотических показателей, но не по уровням абиотических факторов.
Последние должнырассматриваться как агенты воздействия на
популяции организмов ина экологические связи между ними. В этом
случае абиотическиефакторы
выступают потенциальными причинами экологическогонеблагополучия,
а не непосредственными его симптомами.
Решение задачи
выявления факторов среды, сопряженных с неблагополучием экологического
состояния фито-, зоопланктона, перифитона и зообентоса состоит
из двух основных этапов.
На первом этапе
проводится диагностика экологического состояния гидробионтов в
условных баллах с последующим проведением нашкале баллов
границы между нормой и патологией состояния. На втором этапе
происходит обработка данных о полученных оценках экологического состояния, а
также о химических и физических параметрахс целью поиска детерминационных
связей между
живой и неживойчастью экосистемы. Этот процесс сопровождается
вычислением экологически
допустимых уровней (ЭДУ) абиотических факторов
- пограничных
значений факторов, выход за пределы которых означает переход биоты
из благополучного
в неблагополучное экологическое состояние (Левич,
Терехин, 1994). В одной из предшествующих работ(Булгаков и др.,
1994) методика выявления уровней нарушающих воздействий была описана на
примере оценок состояния по данным обуловах и
урожайности промысловых рыб нижнего течения Дона. Использованные
ихтиологические данные ввиду недостаточнойразработанности системы
оценок состояния ихтиофауны служили лишь иллюстрацией к описываемой
методике. В настоящей работе для планктонныхи бентических
идентификаторов описанные выше этапы поиска ЭДУ реализованы на конкретных
данных по бассейну Нижнего Дона. В данномслучае полученные результаты
имеют самостоятельное значение и могут обсуждаться как нормативы для
проведения водоохранныхмероприятий.
Оценка
экологического состояния
Методы оценки
состояния оказываются специфическими для разного типа водных экосистем.
Для пресных вод использовали методэкологических
модификаций (Абакумов, 1991; EcologicalModificati-on...,
1991), основанный на анализе данных по численности, биомассе,
процентном соотношении отдельных групп организмов внутрифито-,
зоопланктона, перифитона и зообентоса. Метод предусматривает также учет
численности и сапробности
наиболее массовых организмов.
На основе первичных данных устанавливали индекс сапробности для фито-,
зоопланктона и перифитона, а также биотический иолигохетный
индексы для зообентоса. Полученные индексы, в своюочередь,
служили основой для присвоения каждой из четырех указанных экологических групп
гидробионтов оценки экологическогосостояния
по 5-балльной шкале, где 1 балл соответствует самому благополучному
(фоновому) состоянию, а 5 баллов - самому неблагополучному (состоянию
метаболического регресса). Из трех оценок, полученных для фито-,
зоопланктона и перифитона, выбирали самую жесткую, которая
характеризовала экологическое состояние организмовводной толщи.
Оценка для зообентоса соответственно описывала состояние организмов,
обитающих на дне водоема. Таким образом былиполучены
оценки экологического состояния для 31 створа наблюденияЦимлянского,
Веселовского водохранилищ, рек Дон (от водохранилищдо г.
Ростов-на-Дону) и Северский Донец. Граница нормы и патологии
на шкале оценок для организмов водной толщи равна 2.75, длябентоса
- 3.75.
Поиск и
нормирование факторов, нарушающихэкологическое благополучие
Для поиска
достоверных связей между гидробиологическимиоценками
состояния экосистем и абиотическими
факторамииспользовали
метод экологически допустимых
уровней, который позволяет длякаждого
участвующего в анализе фактора среды определить ЭДУ, выход за пределы которого
влечет за собой экологическое неблагополучие (оценки 3, 4 и 5 для планктона и
перифитона; 4 и 5 для зообентоса). Значимость
того или иного фактора устанавливается припомощи
конструкций точности иполноты, введенных С.В.Чесноковым(1982)
для многомерного детерминационного
анализа данных. Подполнотой понимается отношение количества
наблюдений с неблагополучным
экологическим состоянием, совпавших со случаями выхода запределы
ЭДУ данного фактора, к общему
количеству наблюдений снеблагополучным
состоянием. Под точностью - отношение количестванаблюдений с
неблагополучным состоянием, совпавших со случаямивыхода за
пределы ЭДУ, к общему
количеству несоблюденийЭДУ. Значимыми факторами
признаются те, которые отвечают некоторым заданным критериям точности и
полноты. Сопряженность между биотическими и абиотическими
показателями можно описать следующим утверждением: "если ЭДУ данного фактора превышено, то
экологическое состояние
будет неблагополучным с определенной степенью достоверности, выраженной в
терминах точности и полноты".
Абиотические переменные
и способы их представления
Для указанных
выше створов наблюдения за те же годы, что иоценки состояния,
были учтены значения следующих
гидрохимических,гидрологических и климатических характеристик:
концентрация аммонийного
азота, нитритного
азота, нитратного азота, нефтепродуктов, фенолов, синтетических
поверхностно-активных веществ (СПАВ),меди, цинка, взвешенных
веществ, кальция, магния, хлоридов, минерального фосфора, общего
железа, марганца, сульфатов, гексахлорана (?-ГХЦГ
и ?-ГХЦГ),
ДДЭ, ДДТ, ДДД, растворенного кислорода, атакже БПК5,
ХПК, водородный показатель (pH), минерализация, расход воды, температура воды (Ежегодники
качества поверхностныхвод..., 1984-1991; Ежегодные
данные..., 1990; Ежеквартальные бюллетени..., 1975-1983).
Для всех
гидрохимических характеристик, кроме pH, анализировали влияние
на биоту
как среднегодовых,
так и экстремальных значений (минимальных для
растворенного кислорода и максимальных длявсех
остальных переменных). Для pH, расходов воды и температурыводы
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). Представление именно этих
характеристик в виде относительных величинобъясняется их явной
"створоспецифичностью".
Остальные переменныеучаствовали в анализе в виде своих
абсолютных значений.
Для
концентрации основных биогенных элементов (нитратного иаммонийного
азота, фосфора, сульфатов, магния, железа, кальция,марганца),
водности, температуры, pH допустимые границы искаликак в
области высоких,
так и низких (лимитирование
развития) значений.
Для остальных переменных, кроме содержания кислорода, допустимыми считали любые
малые значения, а границу недопустимостиустанавливали для
высоких значений. Для кислорода, наоборот, недопустимыми считали только
низкие значения его содержания.
Текущее
состояние гидробионтов, безусловно, может зависетьне только от
текущего, но и от ретроспективного состояния среды.
Поэтому
анализировали влияние на организмы значений абиотическихфакторов
за три года (текущий
и 2 предшествующих). Таким образом,на оценку экологического состояния
гидробионтов влияют верхние и
нижние уровни
среднегодовых и среднемесячных значений абиотических
переменных среды, экстремальные значения этих переменных идля
всех указанных переменных - их значения по всем временнымсдвигам.
Всего для планктона и перифитона поиск вели для 402переменных,
для зообентоса - также для 402 переменных.
Значимые
для экологического состояния планктона,перифитона и
зообентоса факторы
Для каждой из
двух гидробиологических оценок и для каждогоиз абиотических факторов
отыскивали ЭДУ и рассчитывали
точность иполноту - критерии значимости этих уровней. Все абиотическиепоказатели
разделились на две категории: предзначимые - те, для которыхЭДУнайдены в пределах
наибольшего и наименьшего значенийданной переменной за весь
период наблюдений, и незначимые - те,для которых все полученные
значения за исследуемый период соответствовали только
ситуациям с экологическим благополучием.
Из всего
списка предзначимых
абиотических
переменных былиотобраны те, которые дают наибольший вклад в
возникновение экологического
неблагополучия. Эти переменные, названные значимыми,выбраны
по следующим критериям:
- точность
детерминации между уровнем абиотического фактораи
ихтиологической оценкой, не меньшая 80%;
- максимальная
полнота детерминации;
- высокая
существенность фактора (см. следующий раздел) прине слишком
высокой индивидуальной полноте;
- достаточное
(более 8) количество наблюдений с благополучным и
неблагополучным состоянием;
- некоторые
экспертные соображения о способности или неспособности данного
фактора среды влиять на экологическое состояниепланктона,
перифитона или бентоса.
В табл.1 для обеих гидробиологических оценок сведеныЭДУвсех значимых факторов с
указанием их индивидуальной точности иполноты. Здесь же приведены
суммарные точность и полнота, то естьте критерии, которые
обеспечивают достоверность детерминации, если ЭДУпревышен хотя бы по одной
из значимых переменных. Еслиодин и тот же фактор оказывался
значимым для разных
временныхсдвигов, то выбирали сдвиг с наиболее жестким ЭДУ.
Существенность
значимых факторов
Метод ЭДУ позволяет определить
значимость не только индивидуальных
факторов, но и целых наборов взаимодействующих между собой абиотических переменных.
Критерии значимости для таких наборов также могут быть
заданы в терминах точности и полноты. Суммарная точность для набора
переменных А
есть доля неблагополучныхнаблюдений среди всех наблюдений, где ЭДУпревышен хотя бы по одной
переменной, а суммарная полнота набораА - доля наблюдений,где
ЭДУ превышен как минимум для одной
переменной, среди всехнеблагополучных наблюдений.
При добавлении
к набору Аеще
одной переменной увеличениеили неувеличение суммарной
полноты для дополненного набора не зависит жестко от
индивидуальной полноты добавляемой переменной, азависит от того,
насколько переменные из всего набора А и новаяпеременная независимы
друг от друга. Суммарная полнота возрастает, когда превышающие ЭДУ значения новой переменной
сопутствуютзначениям прежних переменных ниже их ЭДУ. Если превышения ЭДУ новой переменной совпадают с
превышениями ЭДУ старыми
переменными,то суммарная полнота никак на меняется. Назовем
существенностьюпеременной X по отношению к набору А
увеличение суммарной полнотынабораА при добавлении к нему
переменной X.
Из
списка значимых переменных (для каждой гидробиологическойоценки)
составляли различные наборы и для вновь добавляемых переменных
вычисляли существенность (табл. 2-3). 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 добавлениик
набору первых переменных из обеих предыдущих строк и т.д. Приопределении
очередности водоохранных
мероприятий существенностьабиотических
показателей, основанная
на шаговом анализе, выступает одним из главных критериев наряду со
степенью значимости, доступностью
показателя для нормирования и др.
Заключение
Списки
факторов, ответственных за экологическоенеблагополучие организмов
водной толщи и дна, существенно разнятся. В своюочередь, эти два
списка сильно отличаются от списка факторов,значимых для
снижения уловов и урожайности рыб в исследованномрегионе
(Булгаков и др., 1995). Наиболее значимы для планктона иперифитона
такие факторы, как майская и сентябрьская температура,майская и
июньская водность, уровень pH летом, минимальное за годсодержаниек
ислорода. Из веществ-загрязнителей присутствует всписке только
гексахлоран. Перечень значимых факторов для зообентоса значительно шире
и включает в себя январскую, апрельскую,майскую, июньскую,
сентябрьскую и октябрьскую температуру, майскую, августовскую
и среднесезонную
водность, pH за январь и июль,минимальный за
годкислород,гексахлоранкак средний, так и минимальный,ДДЭ среднее, цинк
средний и нитратный азот средний. Каквидно, донные организмы
более чувствительны к наличию химическихагентов,
в частности, пестицидов.
Вычисленные
нормативы ЭДУ оказываются для
отдельных факторовкак выше, так и ниже нормативов ПДК. Более жесткими являются ЭДУдля нитратного азота,?-ГХЦГ.
Для кислорода и цинка ЭДУ и ПДКблизки. Для ?-ГХЦГ
нормативы ЭДУ мягче.
Отметим, что
имевшиеся в нашем распоряжении данные об абиотических
переменных не охватывают всего возможного комплексанарушающих внешних
воздействий. Поэтому могло оказаться, что средиучаствовавших
в анализе переменных содержались не все факторы,связанные
с экологическим неблагополучием гидробионтов. В этомслучае
при нормировании необходимо ориентироваться на ПДК этихфакторов. ПДК могут быть применены и для незначимых
факторов.
Некоторые из
анализировавшихся переменных не должны рассматриваться как причины
экологического неблагополучия, поскольку сами могут быть следствиями
неудовлетворительного состояния биоты.
К таким
переменным в определенной степени относятся биохимическоеи
химическое потребление кислорода, водородный показатель и концентрация
растворенного в воде кислорода.
Еще одной
особенностью ЭДУ является их региональнаяспецифичность,
о чем говорят наши исследования, проведенные методомЭДУ для других
речных бассейнов России.
Авторы
признательны за помощь в подготовке данных В.А.Никулину, Л.В.Джабруевой
и А.А.Боголюбовой.
ЛИТЕРАТУРА
Абакумов В.А.
1991. Экологические модификации и развитие биоценозов // Экологические
модификации и критерии экологическогонормирования.
Л.: Гидрометеоиздат.
С. 18-40.
Булгаков Н.Г.,
Дубинина В.Г., Левич
А.П., Терехин А.Т. 1995. Метод поиска сопряженностей между гидробиологическими
показателями и абиотическими факторами
среды (на примере уловов иурожайности промысловых
рыб) // Известия РАН. Сер.биол. N2.
113-120.
Ежегодники
качества поверхностных вод и эффективности проведенныхводоохранных
мероприятий. 1984-1991. Северо-Кавказское тер-риториальноеуправление по
гидрометеорологии.
Ежегодные
данные о качестве поверхностных вод суши. 1990. Северо-Кавказское
территориальное управление по гидрометеорологии.
Ежеквартальные
бюллетени качества поверхностных вод суши.1975-1983.
Северо-Кавказское территориальное управление погидрометеорологии.
Левич А.П. 1994. Биотическая концепция
контроля природной среды// Доклады РАН. 337. N 2.
280-282.
Чесноков С.В.
1982. Детерминационный
анализ социально-экономических
данных. М.:Наука. 168 с.
Ecological Modification and Criteria for
Ecological Standartization.
1982. Proceedings of the International Simposium. Ed.D-rV.A.Abakumov.
S.-P.: Gidrometeoizdat.232 p.
(70).фито - бент о - зоо