Статья: Методика интегральной оценки трансформаций водных экосистем

Методика интегральной оценки трансформаций водных экосистем

Е.В. Беспалова

Воронежский государственный университет, Россия

Аннотация

В статье приводятся результаты исследования неоплейстоценовых и современных водных экосистем центра Восточно-Европейской равнины, которые позволили выявить закономерности изменения таксономических пропорций в сообществах фитопланктона и микрофитобентоса при смене природных и природно-антропогенных условий и определить параметры экологической нормы их распределения. Выявленные связи между изменением эколого-биологических характеристик и природным и природно-антропогенным воздействием положены в основу методики интегральной оценки трансформаций водных экосистем. Количественно определены пороговые величины показателей водной экосистемы, отражающие ее переход из одного состояния в другое, а также изменение уровня нагрузки на нее. Проведена модернизация метода графического сопоставления таксономических пропорций в сообществах фитопланктона и микрофитобентоса, которая позволяет расширить область его применения.

Ключевые слова: интегральная оценка, водные экосистемы, трансформация, таксономическая структура, микроводоросли, цианобактерии, графический анализ.

Abstract

The results of a research of neopleistocene and modern water ecosystems of the center of the East European Plain are given. Regularities of change of taxonomical proportions in communities of phytoplankton and a microphytobenthos when changing natural and natural and anthropogenic conditions are revealed and parameters of environmental standard of their distribution are determined. The revealed communications between change of ecological and biological characteristics both natural and natural and anthropogenic influence are the basis for a technique of integrated assessment of transformations of water ecosystems. Threshold sizes of indicators of a water ecosystem are determined, they reflect its transition from one state to another and also change of level of load of it. Modernization of a method of graphic comparison of taxonomical proportions in communities of phytoplankton and a microphytobenthos is carried out that allows to expand the field of its application.

Key words: integrated assessment, water ecosystems, transformation, taxonomic structure, microalgae, cyanobacteria, graphical analysis.

Современные масштабы и мощность антропогенной деятельности, а также глобальные и региональные изменения климата приводят к нарушению устойчивости водных экосистем и ухудшению качества вод. В связи с этим все более актуальными становятся вопросы оценки качества и экологического состояния поверхностных вод, а также их трансформаций под воздействием комплекса природных и антропогенных факторов.

При проведении интегральной оценки трудно переоценить значение биоиндикационных методов, позволяющих по структурным и экологическим характеристикам сообществ организмов, по наличию определенных показательных видов-индикаторов и их численности оценивать степень нарушенности природной системы динамичных биологических связей в водоемах. Отклик сообществ фитопланктона и микрофитобентоса на совокупность сложившихся природных или природно-антропогенных условий (климат, рельеф, эколого-геохимические особенности водосборной поверхности, морфология и морфометрия водоема, гидрохимические показатели водной среды, степень развития высшей водной растительности и их смену) служит важным индикатором состояния водной экосистемы, степени ее кризисности [15, 16, 20]. Среди гидробионтов-биоиндикаторов широко используются представители фитопланктона и микрофитобентоса, а именно микроскопические водоросли (прежде всего диатомовые) и цианобактерии. Они присутствуют практически во всех водах в качестве доминантов и в системе трофических сетей входят в состав первичных продуцентов.

Рис. 1. Таксономическая структура диатомовых комплексов разреза Бибирево на II этапе развития (линейная система координат)

Рис. 2. Таксономическая структура диатомовых комплексов разреза Челсма-22 (линейная система координат)

Методы и материалы

В практике биоиндикационных исследований применяются различные подходы к оценке экологического состояния водоемов, основанные на анализе фитопланктона и микрофитобентоса: сапро- биологический анализ путем расчета значений индекса Пантле-Букка в модификации В. Сладе- чека и индекса Т Ватанабе, графо-аналитический метод Г. Кнеппе, графический анализ таксономических пропорций в диатомовых комплексах Л.В. Разумовского и другие [6, 15, 18, 19].

Анализ научной литературы [18, 19] и собственные исследования [8, 9, 10, 11, 12] показывают большие возможности графического анализа таксономической структуры диатомовых комплексов в оценке состояния водных экосистем. Однако при исследовании современных водоемов, подвергающихся значительной антропогенной нагрузке, нередко возникают ситуации, когда в сообществах микроводорослей не обнаруживаются диатомовые, что ограничивает применение указанного метода. Также необходимы четкие количественные критерии, позволяющие определять переход водной экосистемы из одного состояния в другое при графическом анализе таксономической структуры сообществ фитопланктона и микрофитобентоса. Это обуславливает актуальность научной задачи совершенствования методики интегральной оценки трансформаций водных экосистем, применимой для исследования как природных, так и природ- но-антропогенных водоемов, испытывающих различный уровень нагрузки.

Таблица 1

Показатели экологической нормы распределения таксономических пропорций в сообществах фитопланктона и микрофитобентоса

Фактическим материалом для исследований послужили: 1) архивные и опубликованные материалы по диатомовой флоре из разрезов древнеозерных отложений: Польное Лапино в бассейне Верхнего Дона, Бибирево и Челсма-22 в Ярославско-Костромском Поволжье, Балашиха в бассейне Верхней Оки [2, 3]; 2) собственные и архивные материалы изучения сообществ микроводорослей и цианобактерий Матырского (за период 20102016 годы) и Воронежского (1988-2016 годы) водохранилищ [3, 4]; 3) архивные и опубликованные материалы изучения сообществ микроводорослей и цианобактерий озер Рамза и Кипец (20072014 годы), расположенных в пределах государственного природного заповедника "Воронинский" [5].

Результаты исследований и их обсуждение

В основу методики интегральной оценки трансформаций водных экосистем положены выявленные связи между изменением эколого-биологических характеристик и воздействием комплекса природных и природно-антропогенных условий. Ранее проведенные исследования позволили раскрыть закономерности изменения таксономической структуры сообществ фитопланктона и микрофитобентоса неоплейстоценовых и современных водных экосистем в зависимости от смены природных и природно-антропогенных условий через таксономические пропорции при графическом анализе [8, 9].

На примере межледниковых озер показано, что при благоприятных климатических условиях (во время климатического предоптимума и оптимума межледниковья) наблюдаются сигмоидальная и вогнутая форма гистограмм распределения таксономических пропорций в диатомовых комплексах с пиками развития отельных таксонов микроводорослей до 40 % (рис. 1). Пики более 40 % развития отдельных таксонов, "ломаная линия" и вогнутая форма гистограмм, фиксируются при неблагоприятных природных условиях (позднеледниковье - начало следующего межледниковья или конец межледниковья - начало следующего оледенения) и характеризуют кризисные состояния водных экосистем. Это согласуется с представлениями о ярко выраженных кратковременных климатических флуктуациях, характерных для переходных этапов между ледниковыми и межледниковыми эпохами [17]. Для суровых перигляциальных условий криолитозоны, изученных на примере разреза Челсма-22, характерны пики развития отдельных таксонов микроводорослей свыше 5060% (рис. 2).

Исследования озер Рамза и Кипец, Матырского и Воронежского водохранилищ показали, что таксономическая структура сообществ микроводорослей и цианобактерий современных водных экосистем при усилении воздействия природно-антропогенных факторов изменяется сходным образом, как и структура диатомовых комплексов неоплейстоценовых озер при смене климато-ландшафтных обстановок [8, 9, 11]. А именно: логистический тип линии тренда сменяется экспоненциальным, форма гистограмм переходит от сигмоидальной к вогнутой, наблюдаются пики развития 1-2 таксонов. Выявленные закономерности изменения таксономической структуры фитопланктона и микрофитобентоса положены в основу определения экологической нормы распределения таксономических пропорций в сообществах микроводорослей и цианобактерий (таблица 1). При этом учтен дифференцированный подход, при котором "для водных объектов заповедных территорий не допустимы никакие экологические модификации; для природных экосистем с умеренной антропогенной нагрузкой и искусственных водоемов не допустимы экологические модификации, ведущие к экологическому регрессу" [1].

Под экологической нормой в работе понимается допустимый диапазон значений параметра, отражающий оптимальное состояние водной экосистемы. Уровни 20 и 40 % совпадают с балльной шкалой оценок обилия микроводорослей и цианобактерий. Численность 20-40% соответствует 7 баллам ("очень часто"), численность 40-100% - 9 баллам ("в массе") и характерна для доминирующих форм.

Для природных водоемов заповедных территорий экологической нормой распределения таксономических пропорций в сообществах микроводорослей и цианобактерий является сигмоидальная форма гистограмм (логистический тип линии тренда) с пиками развития отдельных таксонов до 20 %. Сходные очертания принимают гистограммы в диатомовых комплексах межледниковых озер при наиболее благоприятных природных условиях. Появление пиков свыше 20% и переход гистограмм к вогнутым формам (экспоненциальный тип линии тренда) позволили выявить произошедшие природные трансформации озер Рамза и Кипец вследствие аномально высоких летних температур воздуха 2010-2012 годов (рис. 3). При этом наиболее значительные изменения отмечались по озеру Кипец.

Анализ графиков в логарифмической системе координат также подтвердил, что в большей степени изменилась структура фитопланктона и микрофитобентоса в озере Кипец. Результирующая линия 2014 года вышла из единой генерации, что отражает переход водной экосистемы из одной области устойчивости в другую (рис. 3). В целом, перемещение линий в логарифмической системе координат (уменьшение значений показателя степени a) и по озеру Кипец, и по озеру Рамза свидетельствует об увеличении уровня нагрузки на водоемы заповедника.

Для водных экосистем, расположенных вне особо охраняемых природных территорий, экологической нормой распределения таксономических пропорций в сообществах фитопланктона и микрофитобентоса являются сигмоидальная и вогнутая (с пропорциональными очертаниями) форма гистограмм с пиками до 40 %. Пики выше 40 %, а также переход графиков к вогнутой форме (с непропорциональными очертаниями) и форме "ломаной линии", свидетельствуют о крайне сильном воздействии на водоемы, сравнимом с суровыми условиями ледниковой эпохи или переходом от межледниковья к оледенению. Такие признаки зафиксированы в различные годы в таксономической структуре фитопланктона и микрофитобентоса Матырского и Воронежского водохранилищ (рис. 4 и 5). Интенсивное "цветение" вод цианобактериями и их доминирование не только в летнем, но и в весеннем и осеннем циклах, сокращение видового разнообразия микроводорослей, а также выбивание линий тренда из общей области пересечения в логарифмической системе координат в отдельные годы [7, 9] свидетельствовали о кризисных состояниях изученных водоемов.

Рис. 3. Таксономическая структура сообществ микроводорослей и цианобактерий озера Кипец (без "хвостов"; 0,81 <R2<0,98)

Рис. 4. Таксономическая структура фитопланктона и микрофитобентоса Матырского водохранилища (линейная система координат, без "хвостов")

Рис. 5. Таксономическая структура сообществ микроводорослей и цианобактерий Масловского затона Воронежского водохранилища (линейная система координат)

Изученные связи между изменением таксономической структуры фитопланктона и микрофитобентоса и воздействием комплекса природных и природно-антропогенных условий положены в основу разработанной методики интегральной геоэкологической оценки трансформаций водных экосистем. Особенностью методики является модернизация метода графического анализа таксономических пропорций. Графические построения для современных водных экосистем предлагается проводить не только по диатомовым, а по всем типам микроводорослей и цианобактериям в связи с периодическим исчезновением диатомей из сообществ под влиянием значительной антропогенной нагрузки. Такой подход позволяет расширить область применения метода, благодаря чему разработанная методика применима для исследования как природных, так и природно-антропогенных водоемов с различным уровнем антропогенной нагрузки. Предложенный нами вариант показал свою состоятельность в исследованиях современных водных экосистем [7, 8, 9, 10, 11, 12]. Данное нововведение не затрагивает водные экосистемы минувших эпох, для которых анализируются только диатомовые комплексы в виду сохранности в древнеозерных отложениях только створок диатомей. Другой стороной модернизации является разработка количественных градаций критериев, отражающих переход водной экосистемы из одного состояния в другое, а также изменение уровня нагрузки на нее. Методика предполагает проведение следующих действий.

1. Отбор проб фитопланктона и микрофитобентоса по стандартным методикам [13].

2. Идентификация таксономического состава фитопланктона и микрофитобентоса.

Таблица 2

Критерии оценки уровня нагрузки на водную экосистему и ее состояния (экологической модификации по В.А. Абакумову) в линейной системе координат