Статья: Методика интегральной оценки трансформаций водных экосистем

3. Построение графиков, отражающих таксономическую структуру фитопланктона и микрофитобентоса. Для этого определяется относительная численность всех идентифицированных таксонов видового и более низкого рангов (форм и разновидностей) для каждого комплекса, отобранного в конкретном пункте наблюдения. Объем выборки дол жен быть репрезентативным (>200 клеток (колоний) при низком разнообразии, в остальных случаях 500 клеток (колоний) в пробе). Желательно, чтобы выборки были одинаковы и сопоставимы по объему. Выборки ранжируются по величине относительной численности таксонов от максимальной к минимальной. Рассчитывается результирующая путем осреднения нескольких ранжированных выборок, что позволяет абстрагироваться от короткопериодных флуктуаций. Далее строятся гистограммы распределения таксономических пропорций: по оси абсцисс откладывается порядковый номер таксона в ранжированном ряду, а по оси ординат - его относительная численность в %. Линии строятся двумя способами: с учетом всего спектра таксонов и без учета таксонов с численностью ниже 1 % (без "хвоста" гистограммы). Анализ полученных графиков ведется в линейной и логарифмической системах координат, при этом в последней анализируются не сами графики, а их степенные тренды [18]. Описание основных моделей соотношения численностей таксонов в сообществе приведено в работах Н.В. Лебедовой и Д.А. Криволуцкого, В.К. Шитикова и Г.С. Розенберга [14, 20]. В связи с тем, что биологические процессы "не всегда совпадают с идеальными вариантами, представленными в абстрактном математическом пространстве" [18], для описания гистограмм распределения таксономических пропорций используются такие характеристики, как очертания (пропорциональные, "выровненные"), формы (сигмоидальная, вогнутая, "ломаная линия"), тип распределения линии тренда (логистический, экспоненциальный). Для определения значений последнего критерия для каждой гистограммы подбираются различные тренды для оценки сходства наблюдаемого распределения таксономических пропорций в сообществе с теоретической функцией. Для оценки статистической достоверности графических построений рассчитывается коэффициент детерминации (R2).

4. Оценка состояния водной экосистемы и уровня нагрузки на нее.

Проведенные исследования позволили количественно определить пороговые величины показателей водной экосистемы, отражающие ее переход из одного состояния в другое, а также изменение уровня нагрузки на нее. При графическом анализе в линейной системе координат критериями оценки являются: 1) относительная численность первого таксона в ранжированном ряду; 2) тип линии тренда и форма гистограмм. Разработанная шкала оценочных критериев в линейной системе координат представлена в таблице 2. Состояния водной экосистемы соотнесены с экологическими модификациями по В.А. Абакумову [1].

Таблица 3

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

Таблица 4

Критерии выделения в акватории природно-антропогенных водных экосистем участков различной экологической напряженности

Дополнительно проводится анализ в логарифмической системе координат, в которой зависимость между Х и У принимает вид функции Y = kxa с отрицательным показателем степени a. Угол наклона линии зависит от уровня нагрузки на водоем: при его усилении показатель степени уменьшается. Разработанная шкала оценочных критериев в логарифмической системе координат представлена в таблице 3.

Для водоемов особо охраняемых природных территорий допустим низкий уровень нагрузки, что соответствует фоновому состоянию экосистемы. Для водоемов, расположенных вне особо охраняемых природных территорий, допустим средний уровень нагрузки. При превышении нормы рекомендуется снижение антропогенной нагрузки.

5. Проведение экологического районирования акваторий водных экосистем, части которых испытывают различную антропогенную нагрузку. Участки различной экологической напряженности выделяются по критериям, отражающим таксономическую структуру и состав сообществ фитопланктона и микрофитобентоса (таблица 4). Названия типов участков соотнесены с терминами экологических модификаций по В.А. Абакумову [1].

Выявление критических переходов в развитии водной экосистемы. Графический анализ таксономической структуры фитопланктона и микрофитобентоса является информативной основой определения смен областей устойчивости в развитии экосистемы. Критические переходы выявляются по изменению гистограмм распределения таксономических пропорций в линейной системе координат (резкое появление пиков развития отдельных таксонов, смена формы гистограммы и типа линии тренда), по взаимному расположению степенных трендов в логарифмической системе координат. Если степенные тренды образуют генерацию с единым центром пересечения, значит экосистема находится в одной области устойчивости. Выбивание тренда из генерации символизирует критическую точку в развитии экосистемы, находящейся на грани фазового перехода [18]. Далее экосистема может либо вернуться в исходное состояние при уменьшении уровня нагрузки, либо перейти в новую область устойчивости при сохранении или увеличении силы нагрузки. Смена доминирующих таксонов также свидетельствует об изменениях в экосистеме.

Рис. 6. Схема районирования акватории Воронежского водохранилища

6. Для выявления природных причин трансформаций водных экосистем рассчитываются ранговые коэффициенты корреляции между относительной численностью первого таксона вранжированном ряду и климатическими параметрами. Наиболее информативными показателями являются среднемесячные температуры и ежемесячное количество выпавших осадков в течение вегетационного сезона.

7. Для выявления антропогенных причин трансформаций рассчитываются ранговые коэффициенты корреляции между относительной численностью первого таксона в ранжированном ряду и гидрохимическими показателями. Обязательно осуществляется инвентаризация антропогенных источников загрязнения и путей поступления поллютантов в водоем.

8. Для определения класса качества и уровня загрязнения вод, обратимости антропогенных преобразований, происходящих в водоеме, проводится сапробиологический анализ путем расчета значений индекса сапробности Пантле-Букка в модификации В. Сладечека и индекса Т. Ватанабе [6, 15]. Отмечается наличие видов-индикаторов загрязненных местообитаний (их распространение свыше 50% является признаком сильного загрязнения).

На основе разработанной методики нами было проведено районирование акватории Воронежского водохранилища с выделением трех участков различной экологической напряженности (рис. 6).

Ситуация в Нижнем участке характерна для "экологического регресса", в Верхнем наблюдается промежуточное положение между "экологическим напряжением" и "экологическим регрессом", в Среднем участке - "экологическое напряжение" за счет проявления экотонных свойств [7]. Ситуация в Нижнем участке рассматривается как предполагаемый сценарий неблагоприятного развития водохранилища.

Таким образом, разработанная методика позволяет точнее проводить оценку состояния водной экосистемы и уровня нагрузки на нее, выявлять трансформации и возможные (природные и антропогенные) причины изменений, а также районировать акватории природно-антропогенных водоемов.

Заключение

Исследование неоплейстоценовых и современных водных экосистем центра Восточно-Европейской равнины 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. Показано, чем более нестабильны и суровы условия, в которых развивается озеро, тем чаще наблюдается сверхдоминирование 1-2 таксонов, тем выше пики и более непропорциональные очертания принимает гистограмма распределения таксономических пропорций, тем меньшие значения принимает показатель степенной функции на графиках в логарифмической системе координат.

Выявленные связи между изменением эколого-биологических характеристик и природным и природно-антропогенным воздействием положены в основу разработанной методики интегральной оценки трансформаций водных экосистем. Отличительной особенностью методики является модернизация метода графического анализа таксономической структуры фитопланктона и микрофитобентоса путем учета всех типов микроводорослей и цианобактерий в современных водных экосистемах, что позволяет расширить область его применения. Разработаны количественные градации критериев, позволяющие оценивать состояние и уровень нагрузки на водные экосистемы, выявлять критические переходы в их развитии, а также проводить районирование акваторий природно-антропогенных водоемов.

В методике интегрированы различные методы исследований, в том числе графический, который апробирован в разных климатических и ландшафтных обстановках, а также при смене географических зон в течение межледниковий неоплейстоцена. Это показывает широкую область применения разработанной методики. Она может использоваться для дальнейшего исследования водоемов центра Восточно-Европейской равнины и других регионов. водный неоплейстоценовый равнина фитопланктон

Список литературы

1. Абакумов В.А. К методу контроля экологических модификаций фитоценозов / В.А. Абакумов, Л.А. Сиренко // Научные основы биомониторинга пресноводных экосистем: труды советско-французского симпозиума. - Ленинград: Гидрометиздат, 1988. - С. 117-131.

2. Анциферова Г.А. Межледниковые озера центра Восточно-Европейской равнины. Палеоэкология, осадконакопление и эволюция диатомовой флоры / Г.А. Анциферова. - Саарбрюккен: Palmarium Academic Publishing, 2014. - 362 с.

3. Анциферова Г.А. Эволюция диатомовой флоры и межледникового осадконакопления центра ВосточноЕвропейской равнины / Г.А. Анциферова. - Воронеж, 2001. - 198 с. - (Труды научно-исследовательского института геологии Воронежского государственного университета; Вып. 2).

4. Анциферова Г.А. Состояние водной среды Воронежского водохранилища в связи с экологической ситуацией в Масловском затоне / Г.А. Анциферова, Е.В. Беспалова // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. География. Геоэкология. - 2016.

- № 2. - С. 91-100.

5. Анциферова Г.А. Долгосрочные последствия влияния аномальных высоких летних температур воздуха 2010-2012 годов на водные экосистемы лесостепной зоны / Г.А. Анциферова, Н.И. Русова // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. География. Геоэкология. - 2017. - № 2. - С. 5-12.

6. Баринова С.С. Метод Ватанабе в оценке органического загрязнения вод / С.С. Баринова, Л.А. Медведева // Альгология. - 1998. - Т. 8, № 4. - С. 428-448.

7. Беспалова Е.В. Геоэкологический мониторинг Воронежского водохранилища и прилегающей территории / Е.В. Беспалова // Вода: химия и экология. - 2017. - № 9. - С. 28-36.

8. Беспалова Е.В. Графический анализ структуры комплексов микроводорослей межледниковых и современных водных экосистем центра Восточно-Европейской равнины / Е.В. Беспалова // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. География. Геоэкология. - 2017. - № 2. - С. 13-20.

9. Беспалова Е.В. Оценка состояния водных экосистем Центрального Черноземья на основе анализа структурных перестроек комплексов микроводорослей и цианобактерий / Е.В. Беспалова // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - 2017. - № 3. - С. 84-95.

10. Беспалова Е.В. Оценка эколого-биологического качества водной среды Воронежского водохранилища / Е.В. Беспалова // Комплексные проблемы технос- ферной безопасности: материалы Международной научно-практической конференции. - Воронеж, 2016. -Ч. VI. - С. 90-95.

11. Беспалова Е.В. Структурные перестройки комплексов микроводорослей в озерах Рамза и Кипец / Е.В. Беспалова // Биологическое разнообразие - основа устойчивого развития: материалы Международной научно-практической конференции. - Махачкала, 2017.