close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

870.Использование структурных характеристик сообществ макрофитов как индикатора экологического состояния малых рек запада Ленинградской области

код для вставкиСкачать
ВЕС11IИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК
Сер .
7
2007
Вьm.
4
577.472+574.5+577.4+581.524
Н В. Зуева, В. В. Гальцова, В. В. Дмитриев, А . Б. Степанова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СООБЩЕСТВ
МАКРОФИТОВКАКИНДИКАТОРАЭКОЛОГИЧЕСКОГОСОСТОЯНИЯ
:МАЛЫХ РЕК ЗАПАДА ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
Макрофиты представляют собой один из основных компонентов водных экоси­
стем. Однако , степень из'ученности растительного покрова водных объектов Северо­
Западного региона, крайне неравномерна. Так, сведения о сообществах макрофитов
малых рек региона отрьmочны и неполны. Ладожское озеро , р . Нева и Финский залив
можно считать наиболее изученными водными объектами России
[1-3].
Для выявления различных видов антропогенного воздействия на озера, оценки
их трофического статуса, предлагается использовать струкrурные характеристики со­
обществ макрофитов . Однако применимасть этих параметров для оценки состояния водо­
токов и малых рек нуждается в специальной доработке, так как большинство исследований
водных растений бьmо вьmолнено для озер и водохранилищ [4-6]. Это особенно актуально
для Северо-Запада России с его развитой гидрографической сетью . Комrmексные работы,
сочетающие исследования сообществ макрофитов , элементов гидрологического и ги­
дрохимического режима рек Ленинградской области, являются большой редкостью.
Биоиндикационные возможности фитоценозов и отдельных видов макрофитов ю­
учены для озер Севера-запада, однако почти неизвестны для рек региона. Основная цель
исследования состояла в том, чтобы обосновать возмо:жность использования струюурных
характеристик сообществ макрофитов д.тrя оценки экологического состояния рек.
Материалы и методы. Полевые исследования проводились на
пада Ленинградской области и г. Санкт-Петербурга (рис .
ектов вошли
14
малых рек об.т1асщ
1
1).
16
водотоках за­
В число этих водных объ­
малая река города Санкт-Петербурга (р . Охта)
и крупная река-р. Нева в районе г. Кировска. Это водотоки, расположенные как на Бал­
тийском кристаллическом щиrе, так и на осадочных породах. Работы на большинстве рек
проводилисЪ на одном участке в период ле-mей межени- в июле
2004
года.
Пробы для гидрохимического исследования отбирались из поверхностного слоя
воды . Анализ проведен стандартными методами.
При описании растительных сообществ использовались общепринятые методи­
ки
[7,8].
В процессе обработки полевых материалов составлялись флористические
списки макрофитов с определением жизненной формы каждого вида. Для количествен­
ного учета растений определялись следующие показатели : площадь проективноrо по­
крытия, относительное обилие видов по шкале Друде . Выделение ассоциаций макро­
фитов проводилось по физиономическому принципу.
Для эi<Ологического анализа флоры рек использована классификация, предло­
женная В . Г. Папченковым
[8] .
В ней выделено
5 экатипов макрофитов: 1-гидрофи­
2- rелофить1, или воздушно-водные растения;
5 - гигромезо- и мезофиты .
ты, или настоящие водные растения ;
3-
гигроrелофиты ;
©
60
4- гигрофиты;
Н. В. Зуевft, В. В . Гальцова, В. В. Дмитриев , А. Б . Степано ва,
2007
Для козшчественной оценки Сlруюу­
ры сообществ растений, характеризуемой
их разнообразием, использовался инфор­
мационный индекс Шеннона-Уивера
[9]:
il = -:E(n1 1N) log 2 (n1 1N),
где:
n -оценка
значимости каждого вида
(обил~е ), N- сумма оценок значимости.
Результаты и обсуждение. Гидрохи­
мическая характеристика исследованных
рек. Проведенный анализ гидрохимических
параме1ров малых водотоков Ленинград­
ской области показал, что рассмагриваемый
регион неоднороден по степени антропо­
rенной нагрузки. Мы можем отметигь, что
сохранились малые водотоки, состояние ко­
торых в изученных створах сопоставимо
с фоновым по целому ряду гидрохимиче­
ских характеристик. Это реки- Оредеж,
Орлинка, Старый Оредеж, Селезневка, Пес­
чаная, Петровка, Морье, Вьюн, Чулковка,
Волочаевка. Но и ДJIЯ этих водотоков выяв­
лены превьШiения рыбо:хозяйственньrх ПД:К
некоторыми химическими веществами.
Рис.
1.
Схема расnоложеШIЯ станций
в районе исследования
Реки: 1 -Старый Оредеж, 2- Оредеж, 3- Ор­
линка, 4 -Oxra, 5- Нева, 6- Черная 7- Морье,
8- Авлога, 9- Вьюн, 1О- Нижний, 11 -Вол­
чья, 12-Волочаевка, 13-Петровка, 14-Селез­
невка, 15 -Чулков ка, 16- Песчаная.
Нужно обратить внимание на высокие значения таких показателей как химиче­
ское потребление кислорода (ХПК), содержание фосфатов, аммонийного азота, желе­
за и марганца- практически у всех рек превьШiены ПДК по этим характеристикам.
Повышенное содержание органических веществ (ХПК) в воде характерно почти ДJIЯ
всех рек Северо-Запада из-за их болотного питания. Сопоставив наши материалы
с данными Н. Ф . Соловьевой
за последние
45-50
приблизиrельно в
2
по р. Морье и р. Авлога, можно отметить, что
[10]
лет значения бихроматной окисляемости в этих реках возросли
раза вследствие хозяйственной деятельности. Увеличение содер­
жания соединений фосфора и азота в реках Ленинградской области в
же отмечено во многих пуб~
[11-14]. Значительные
1,3-3
раза так­
концентрации железа и мар­
ганца, помимо анrропогенного воздействия являются следствием повышенного содер­
жания этих элементов в подземных водах области питающих реки.
На основании наших исследований, можно сделать вьmод, что воды р. Авлога
являются наиболее загрязненными средИ исследованных нами маль1х водотоков Ле­
нинградской области. Она отличается высоким содержанием биогенньrх соединений,
органического вещества, грубодисперсньrх примесей, хлоридов, и др. Такая сиrуация
связана с развитJ:>IМ на ее водосборе сельским хозяйством, наличием животноводческих
комплексов и населенньrх пунктов.
Река Черная также значительно загрязнена. Гидрохимический режим этого водо­
тока отличается от других тем, что
здесь очень высоко
ществ, максимально значение
содержание свинца превышает предельно допу­
XIJK,
содержание
взвешенных ве­
стимую концентрацию.
Река города Санкг-Пеrербурга-Охrа-значительно о1JIИЧается
Загрязнение ее в_есьма велико, причем прослеживается
ero
ar водотоков
области.
возрастание по течеюпо
61
вместе с увеличением техногеиной нагрузки на этот водоток. Местами, предельно до ~
пустимые коiЩентрации тяжелых металлов превышены здесь в десятки, и даже сотни
раз . Весьма высоки КОIЩентрации биогенных Соединений, нефтепродуктов, нарушен
кислородный режим. Описанная ситуацИя сложилась вследствие большого числа вы­
пусков сточных вод и поверхностного ~тока с городских и промытленных территорий.
Сбросы в реку Охта осуществляют такие крупнейшие загрязнители как ГУП «Боде­
канал Санкт-Петербург» и ОНПО «Пласmолимер» и др. [15,16].
Растительный покров исследованных рек.
малых рек насчитьmает
Флора макрофитов исследованных
5 отделам. Большую часть
(93 %) составляют цветковые растения, причем из них на долю двудольных прихо­
дится 93 вида (67 %) из 33 семейств (73 %), а однодольных-45 видов (33 %) из 12
семейств (27 %). Кроме цветковых в рассматриваемой флоре присутствуют 7 видов
сосудистых споровых растений (5 видов хвощей и 2 папоротника), 4 вида моховидных,
1 вид зеленых водорослей.
По экологическим типам виды распределены следующим образом: 24 вида ги­
дрофитов, 11 видов гелофитов, 19 видов гигрогелофитов, 39 вида гигрофитов, 56 видов
150
видов растений, относящихсяк
гигромезо- и мезофитов. Таким образом, разнообразие водной составляющей ниже
(36%
или
54
вида), чем заходящей в воду береговой флоры
(64
%или
96
видов).
Водная, воздушно-водная и гигрогелофиrnая распrтельность исследованных участ­
ков сложена 28 формациями, представленными 52 ассоциациями. Эдификаторами со­
обществ гелофитов и гидрофитов наиболее часто выс'I)'пали Carex sp., Phragтites
Potaтogeton
australis, Scirpus sylvaticus, t;Jlyseria fluitans, Nuphar lutea,
Наибольшее число видов mдрофитов
(N)
Орлинка, Нева, Морье- на всех этих водотоках
(N н)
sp.
и другие.
обнаружено на участках рек Оредеж,
N 1 больше,
или равно
5.
Водная флора
богаче всего в реках Оредеж, Орлинка, Нева, Морье, Волчья, Чулков ка. Здесь
число видов более
10.
Вся фiюра
(N 1_5)
оказалась сам:ой богатой
(2:30
видов) у следующих
водотоков -р. Нева, р. Вьюн, р. Волчья, р. Песчаная, р. Чулковка, р. Волочаевка.
Как видно из рис.
2,
значения индекса разнообразия Шеннона-Уивера для всей
флоры малых рек (Н) области лежат в диапазоне от
2,5 (р. Старый Оредеж) до 5,0
(р. Волчья, р . Чулковка). Низкое значение Н 1 для реки Старый Оредеж объясняется
ее своеобразием. Это карстовая река с высокой минерализацией вод, питающаяся за счет
ключей с низкой температурой воды
(4 о С).
Лишь здесь развивается Batrachiuт
eradicatuт и зеленые нитчатые водоросли. Так же невысок индекс Н для ручья Ниж­
него, который как и Старый Оредеж- весьма небольшой водоток. Сравнение малых
рек с р. Невой у г. Кировска, показало более высокие значения индекса для нее
(6,1).
Для реки г. Санкт-Петербурга-р . Охты среднее значение индекса видового разноо­
бразия гораздо ниже по сравнению с другими малыми реками области.
Индекс разнообразия водной флоры (Нн) для изученных малых рек изменяется
в меньшем диапазоне-от 2,0 (р. Старый Оредеж, р. Авлога) до 3,9 (р. Оредеж).
Значение индекса Шеннона-Уивера для настоящей водной флоры (Н ) мальiХ рек Ле­
1
нинградской области изменяется от О, в том случае если на исследованном участке
водотока отсутствуют гидрофить1 (р. Авлога) или обнаружен только один вид (р. Се­
лезневка, р. Черная), до
2,5
(р. Орлинка).
При анализе видового богатства и разнообразия флоры мы объединили мальш водо­
токи по этим характеристикам в следующие rpyrmы (табл.l):
1) р.р.
Охта, Старый Оредеж,
руч. Нижний- группируются как имеющие самые низкие значения видового богатства
и разнообразия всей флоры;
2) р.р. Авлога, Черная-характеризуются не высокими
3) Для таких водотоков как р.р . Оредеж,
величинами Н 1 .!5 , и минимальными для Н 1 .
62
" р.О~а~~~~~~~~~~,8~~~==~ 3,7
р. Ст. Оредеж
2,5
,
руч. Нижний
р. Черная I=
tr:::::::=~~~:::::=~~:::=====:;::====~ 4,0
,
-
'
c::J
a::DJ
Н1
Hl-3
Hl-5
1
:·;;:д:;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~;~~~~~~~ : 4):
1::,
р. Ортюша
р.Морье _F~~~~~~~~~~~~~==~~ 4,5
р . Селезневка
,i
,
4,61
4,7
р . Петровка
4,7
р. Вьюн
4,8
р . Песочная
i
1,4,9
р. Волчья
' 5,0
·
i 5,0
. р. Чулковка
р. Heвa~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~6Jl__~
0,0
2,0
1,0
Рис.
2.
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
Биоразнообразие флоры исследованных рек
Обозначения: Н-индекс Шеннона-Уивера; Н 1 _5 -экотипы с
1
по
5,
т. е . вся флора; Нн-водная
флора; Н 1 -гидрофиты или истинно водная флора.
Орлинка и Морье характерно наибольшее количество видов гидрофитов и максималь­
ное видовое разнообразие этой экологической груrmы макрофитов.
4)
р . р. Чулковка,
Селезневка, Волочаевка, Волчья, Петров ка, Песчаная, Вьюн- реки с высоким раз­
нообразием всей флоры.
Река Охта, отнесенная к
1
гpyrme, была изучена на всем своем протяжении
в пределах городской черты. Нужно отметить, что исследованная часть этого водо­
тока бьmа поделена нами на две зоны. Первая с относительно нормальной раститель­
ностью, а вторая- с сильно угнетенной, либо с полным ее отсутствием . Целесообраз­
но
ry часть Охты, растительный покров на которой отсутствует, выделить в само­
стояте]Iьную гpyrmy. Этот новый класс водотоков (гpyrma О) характеризуется обеденной
флорой за счет сильного антропогенного воздействия.
Следует отметить, что с севера на юг в река:х: Ленинградской области возрас­
тает видовое разнообразие и богатство водной флоры и гидрофитов . Тем не менее,
для рек Карельского перешейка свойственно наибольшее разнообразие околоводной
растительности, что приводит к максимальным значениям индекса Шеннона-Уивера
и числа видов всей флоры .
Таким образом, на основании проведеиных исследований нами вьшолнена
классификация водотоков по струкrурным характеристикам сообществ макрофитов.
Выделено
5
групп водотоков, они компактны и существенно различаются между
собой. Выявлены диапазоны значений струкrурных характеристик водотоков отно­
сящихся к раз.qW;Iным группам (табл.
1).
63
Таблица
1
Диапазоны значений структурных характеристик
сообществ макрофитов в реках по группам
Nt-5
Nн
N.
Ht-5
о.
0-3
5-15
19-20
17- 28
26-33
34-36
26-36
0-2
4--8
3-4
12-19
4--9
10-12
4-12
о
2-6
0-1
2-7
1-2
3
1-3
0-1,6
1,8-3,7
4,0-4,1
3,9-4,6
4,6-4,9
5,0
4,6-5,0
1
2
3
4.1
4.2
4
Обозначения:
N- число
н.
Нн
Группа
0-1 ,0
о
1,7-3,0 1,0-2,5
2,0-2,1
о
3,1-4,4 1,8-2,5
2,1-3,0 0-1 ,0
3,1-3,3 1,4-1 ,6
2,1-3,3 0-1,6
Dt-з
D.
СумОБ
СрОБ
0-100
25-86
15-21
44-86
13-35
29-33
13-35
о
13-86
0-5
9-33
4-7
8-9
4-9
0-6
14-38
37-41
34- 56
51-66
59-65
51-66
0-2,0
2,5-3,3
1,9-2,1
1,8-2,5
1,7-2,1
1,7-1 ,8
1,7-2,1
видов ; Н- индекс Шею-юна-Уивера;
D- доля,
в
%
от всей флоры;
СумОБ-су:ммарное обилие видов на станции; СрОБ-среднее обилие видов на станции; 1-5-эко­
типы, вся флора; 1-3 -водная флора; 1 -гидрофиты или истинно водная флора.
Значения струюурных характеристик сообществ макрофиrов ДJIЯ водотоков
группы О очень низки за счет крайнего обеднения флоры. Примерам может служить
нижнее течение реки Охта, где криrические значения ангропогенной нагрузки приво­
дят к полному разрушению сообществ. Группа 1 отличается низкими значениями
видового богатства и разнообразия всей флоры. При этом доля водных растений здесь
высока. В этот класс вошли самые малые водотоки-ручей Нижний и р. Старый
Оредеж, а так же р. Охта подверженная сильному антропогенному воздействию. Груп­
па
2
характеризуется невысокими значениями видового богатства, при этом доля во­
днъiХ растений не превышает
18 %. Гидрофиrы в этих реках практически отсутству­
ют. Реки этой группы расположены на юге Карельского перешейка, у западного бере­
га
Ладожского
озера.
Для
них
выявлена
специфика
гидрохимического
режима
связанная с воздействием комплекса естественньiХ и ангроrtбгенньiХ факторов. Группа .
3
характеризуется средними значениями видового богатства, большой долей водньiХ
растений и самыми высокими значениями видового разнообразия водной флоры и ги­
дрофиrов . . В нее входят реки юга Ленинградской области, и одна река юга Карель­
ского перешейка. Группа
4
(подгруппы
4.1
и
4.2)
отличается максимальными значе­
ниями 'Видового богатства и видового разнообразия всей флоры. Здесь относительно
невысока доля водньiХ растений и гидрофитов . Причем для подгруппы
4.1
характерно
относительно низкое видовое разнообразие водной флоры и крайне низкое разнообра­
зие гидрофитов. Для подгруппы 4.2 свойственно наибольшее видовое разнообразие
флоры. Четверную группу образуют только реки Карельского перешейка.
ПроведенньiЙ анализ показал, что средние значения параметров для групп су­
щественно отличаются друг от друга. Однако диапазоны значений ДJIЯ многих харак­
теристик значительное перекрьmаются за счет естественной вариабельности. Области
значений такого параметра, как видовое богатство всей флоры, перекрьmаются толь­
ко между
между
1
2, 3 и 4 группами на 2-3 единицы, а видового разнообразия всей флоры
2 группами-на 0,3 единицы. Эти две характеристики могут быть ис­
и
пользованьi для оценки состояния мальiХ водотоков рассмотренной части Ленинград­
ской области.
Для рек характеризующихся .высоким качеством среды, выявлены узкие диа­
пазоны значений таких струюурньiХ характеристик как индекс видового разнообразия
сообщества макрофитов (от
64
3,9
до
5).
Характерное ДJIЯ этих водотоков число видов
водных растений изменялось от 17 до 36 Шl)'К. Доминирующие виды имеют высокое
обилие от 3-5, а значение суммарного обилия не опускается ниже 34. Выявлешrые
величины струк1)'Рных характеристик можно счиrать нормой состояния малых рек
запада Ленинградской области и Санкт-Петербурга. Реки, в которых значения характе­
ристик укладьmаются в указанные диапазоны, можно рассмагривать как сохраняющие
естественный режим функционирования. Низкие значения рассмотреlПIЬIХ параметров
встречаются как при сильной антропоrенной нагрузке, так и при экстремальных зна­
чениях природньiХ факторов (высокая минерализация, низкая темпера1)'Ра воды в лет­
ний период) в реках отнесеlПIЬIХ к груrmам 0-1.
По гидрохимическим параметрам оценки качества воды нами были выделены
самые грязные водотоки Ленинградской области-это р.р . Авлога и Черная. Нужно
отметить, что при анализе струКl)'рньiХ характеристик сообществ макрофитов, эти два
водных объекта бьmи выделены в отдельную группу, которой свойственньi невысокие
величиньi разнообразия всей флоры, и минимальные значения видового разнообразия
гидрофитов. Низовье р. Охты можно счиrать экстремально загрязненным по химиче­
ским показагелям. Такая неблагополучная СИl)'ация отразилась на состоянии расти­
тельного покрова этого водотока, который на рассматриваемом участке практически
отсутствовал. Интересны причины объединения загрязненного верхнего течения Охты
с относигельне чистыми водотоками, такими как ручей Нижний и р. Старый Оредеж
в одну группу по характеристикам фитоценозов. Объяснение этому может быть най­
дено в специфических природньiХ условиях и характеристиках двух этих водньiХ объ­
ектов. Так, ручей Нижний-малый водоток, его протяженность составляет несколько
километров, а ширина-:-1,5 метра. По-видимому, растигельный покров такого не­
большого потока существенно отличается от такового, формирующегося даже на ма­
лой реке. Тогда как р. Старый Оредеж характеризуется экстремальными значениями
минерализации (около
не
(<2
(околq
500
мг/л), жесткости своих вод, кроме того, при малой глуби­
м) этому водотоку присуща весьма низкая температура воды в летний период
10° С).
Реки, которые по больщинству своих гидрохимических характеристик
прояврnи сходство с фоновыми показателями для Ленинградской области, по струк1УРНЬIМ параметрам сообществ макрофитов образовали
2
группы
[10-13].
Для них
характерны самые высокие значения видового разнообразия макрофитов.
~ Сопоставление сообществ водньiХ растений показьmает, что водотоки с разной
степенью антропогенной нагрузки отличаются по ряду струКl)'РньiХ показателей. Ре­
зультаты исследования позволяют говорить о возможности применения таких струк-
1УРНЬIХ характеристик фитоценозов рек, как богатство всей флоры и видовое разноо­
бразие всей флоры, для оценки экологического состояния мальiХ водотоков Ленин­
градской области.
Для водотоков с высоким качеством среды, выявлены узкие диапазоны значений
струкТурНЬIХ характеристик, а именно: индекс видового разнообразия сообщества ма­
крофитов (от
3,9 до 5); характерное для этих водотоков число видов водньiХ растений
17 до 36; доминирующие виды имеют высокое обилие от 3-5, а зна­
суммарного обилия не опускается ниже 34. Выявленные значения можно считать
изменялось от
чение
нормой состояния мальiХ рек запада Ленинградской области и Санкт-Петербурга.
Проведеиное исследование показало обоснованность применения струюурных ха­
рактеристик сообществ макроф~в для оценки экологического · состояния рек. В связи
со значиrельным развитием гидрографической сети на Севере-Западе, акrуально в пер­
спектине использовать водную растительность как индикатор для водотоков региона.
Полученньiе резУ,Льтаты позволят в дальнейшем дать более полную и разностороннюю
65
хэр:3.ктеристику экологического состояния рек запада Ленинградской области с исполь­
зованием характеристик сообществ водных растений.
Пример выбора системы критериев для водно~экологических оценочных
исследований. Ю. П. Селиверстов ввел в географо~экологическую литертуру понятие
эколого-географической оценки
[17].
Под такой оценкой сегодня понимается «параме­
трическое определение состояний природной средь!, обеспечивающих существование
конкретных сообществ живых организмов, характерных для этих состояний и обу­
словленных природными условиями, в той или иной степени изментощимися под
воздействием антропогенных факторов». В настоящее время, в силу указанных выше
причин, значительное внимание в исследованиях водных экосистем циклического и тран­
зитного типов уделяется разработке критериальной базы, оценочных шкал и моделей­
классификаций для оценки экологической ситуации в водоемах и водотоках.
Представление состояния водного объекта в вИде вектора значений исходных
характеристик предполагает выполнение условия, состоящего в том, что каждая из ис­
ходных характеристик является необходимой, а множество всех таких характеристик- до­
статочным для оценивания уровней определенного свойства или состояния соответ­
ствующих объектов. К сожалению, полная реализация этого простого условия редко
осуществима на практике: обычно некоторые исходные характеристики частично ду­
блируют друг друга (т. е. не все они вполне необходимы для оценки определяемого
свойства), а все их множество-не полностью отражает уровень оцениваемого объ­
екта. Поэтому при проведении оценивания многопараметрических объектов исследова­
тель должен быть готов как к возможности отбраковки «лишних» исходных характери­
стик, так и к расширению их множества за счет привлечения дополнительных характе­
ристик, существенно влияющих на уровень оцениваемого объекта или его свойства.
Ниже приводится пример создания такой «биоцентристской» системы критери­
ев, не претендующей на полноту и универсальность в силу указанньiХ в
[18,19]
при­
чин. Отличительной особенностью данной классификационной системы является то,
что она, в отличие от большинства существующих классификаций, позволяет работать
с экосистемами циклического и транзитного типов. Исходные критерии и классы со­
стояний представлены на рис.
Рис.
3
3.
(а, б, в, г) содержит обобщения, выполненные при диагностировании
состояния значительного количества водоемов, различающихся трофностью, сапроб­
ностью, вИдовым разнообразием гидробиантов и свойствами среды их обитания. Эти
обобщения подкреплены имеющимися в отечественной и зарубежной литературе клас­
сификациями и типизациями водньiХ объектов по энергетическому состоянию и устой­
чивости водньiХ экасистем
[20-23].
На первом этапе исследований нами бьmи выбраны географические и экологи­
ческие критерии, позволяющие оценить свойства водньiХ экосистем и оценить тенден­
цию их развития. Для этого использовались следующие характеристики среды: про­
·зрачность воды в проточньiХ (Пп) и непроточньiХ (Пн) водоемах, содержание бисгенов
(фосфор фосфатов) в проточньiХ Р-Р0 4п и непроточньiХ Р-Р0 4н (верхний предел кон­
центрации) водоемах, содержание лабильного органического вещества- БПК5 (мгО/л),
насыщение воды кислородом-02 (%).Для характеристики биоты использовань1: ин­
декс ВИдового разнообразия Шеинона-Н и пределы его изменения
(Hmin
и
Hmax)
для
водоемов с различной сапробностью, индекс сапробиости Пантле-Букка в модифика­
ции Сладечека для различных классов качества воды и зон самоочищения- Ис, ва­
ловая первичная пр9дукция фитопланктона-Р (г0/м 2 сут), число вИдов водорослей
в сообществе- N.
66
а)
s
n 10бf!К5
s
4
8
4
J
6
$
2
4
2
2
{
о
о
о
;
р
б)
р
Н
10
s
6
4
6
J
4
2
н
2
о
о
Е
1
1
1
Х
IIЛ
JV
1l1
1 1 1
fl·O «·О fi-M
V
«·frl
1 1
jJ
I ' Jl ' 11t'
Классы
v
IV
Классы
сапробнос1 ·и
трофкости
8)
г)
Е
Р-РО"
0,6
(00
N
60
Р-РОм
80
0,'1 40
60
''
' .... ,Е
........
40
0,2 20
20
о
I
;
~
1l !/
Jli
!V
~о
Jo
10
V
LJ U U U U
Рис.
40
о
!/
3.
о
2
Классьt
V !lmin. устойчv.во<,,·и
Ytnqx I lf lll IY
N
Ис
3
а
3
Не
4
Е
2000
4000
Примеры взаимосвязи критериев оценки
экологической сюуации в водных объекта~
Обозначения: П- прозрачность воды по белому диску в проточных (Пп) и непроточных (Пн) во­
доемах в м, БПК 5 - биохимическое потребление кислорода, мгО/л; Н- индекс видового разнообра­
зия Шеинона и пределы его изменения (Ц,in и Hmax); Р-РО 4 -содержание фосфатного фосфора в про­
точных (Р-РО 4 п) инепроточных (Р-РО4 ") водоемах в мг Р/л; 0 2 -насьпцение воды кислородом(%);
Ис-индекс сапробносm Пантле-Букка в модификации Сладечека для различных классов качества
воды и зон самоочmцения; Р (г0/м2 сут)-валовая первичная продукция фитопланктона,
N -число
видов водорослей в сообществе; Е-энергетический индекс Ти:йдора; Ут-устойчивость к эвтро­
фированию и Ус-суммарная устойчивость по балльно-индексной системе (в баллах). Заштрихова­
ны пределы изменения Н(а), Е(в), Е и УсСв).
67
На втором этапе исследований к указанным выше критериям добавлены параме­
тры, характеризующие сложные (неаддитивные) свойства водной экосистемы (см. рис.
3, в): энерrеmческий индекс Тийдора-Е [24,25], устойчивость к эвтрофированюо- Ут
и суммарная устойчивость по балльно-индексной системе оценивания-У
с
[19, 21, 23].
Отметим, что физико-географические условия и характер ангропоrенного воздействия
также учитываются при расчете Ус. Энергосодержание по Тийдору зависит от темпе­
рсnурных условий содержания органического вещества и дОС'JУПНОГО для биосинrеза
С0 2 • Р. Э. Тийдор
[24]
назвал свой индекс энтропией системы или энтропийным ин­
дексом. Это дало основание другим авторам
[25, с. 288] также называть его энтропи­
ей. Анализ природы инд~кса и результатов изменения этого индекса для больших озер
Северо-Запада России и малых озер Белоруссии
[25-27] не позволяет воспринимать
его как энrропию или энгропийный индекс. Для этой роли в нашей классификации
подходят три критерия: Н,
. коррелирующие
Hmin' Hmax'
которые могут рассматриваться как отрицаrельно
с энтропией водной экасистемы признаки. Индекс Тийдора, на наш
взгляд, отражает динамику изменения внешней и внутренней нагрузки на водоем
Штриховкой на рис.
[28].
3 обозначены: пределы нижнего и верхнего диапазонов
изменчивости Н в зависимости от Ис (а) и Е (б), диапазоны возможной изменчивости
Е, в зависимости от класса чистоты воды (в) и ширина диапазона возможного изме­
нения Ус в зависимости от Е.
Диагностика состояния водного объекта сводиrся к анализу выбранных параме­
тров состояния, определению интервалов их естественного колебания, выявлению по­
ро~вых и критических величин параметров состояния и распознаванюо свойств в про­
странстве выбранных признаков и классов. При этом по среднему значению несколь­
ких показателей (чаще гидрологических и гидрохимических), используя полученные
между ними связи (см. рис.
значить ее перспекrивное
3), можно идентифицировать состояние экасистемы и обо­
изменение при условии, что
известна тенденция ангропо­
генного воздействия на водный объект.
Рассмотрим критерии состояния абиоmческой среды водной экосистемы: кон-
ценграцию в воде минерального фосфора, БПК5 , прозрачность воды. Они сравнитель­
но легко определяются в полевых условиях, по ним накоплен обширный литера'JУрНЬIЙ
материал за десятки (и даже сотни) лет. Используя обобщения, аналогичные, приве­
денньiм на рис .
3
для проточных или непроточных водоемов, можно получить ориен­
тировочные сведения о видовом разнообразии, и устойчивости экосистемы, хотя эти
критерии состояния не изучались и не оценивались исследователями. При этом в ка­
честве критериев состояния экасистемы можно использовать интегральные показатели,
не регистрируемые в полевых условиях.
Полученные на рис.З связи между компонентами водных экосистем, находящих­
ся на различных С'JУПенях естественного развития и испыть1вающих разное ангропо­
rенное воздействие, могут уточняться в деталях и дополняться, но уже сейчас по ним
можно сделать методологически важные для струк'JУрно-функциональной организации
водньiХ экосистем вьmоды.
Стадия естественной сукцессии видов в водоеме развивается при Ис от О
до
1,5-2
(Нmin) до
3-5
(Нmю), антропогенная сукцессия характеризуется снижениями
Ис в интервале значений от
5-3 (Hmax)
до
2-1 (HmiJ
Левая часть рис.
3 (а) отражает
струк'JУрное разнообразие сообществ в естественном (ненарушенном) их состоянии.
Из этого же рисунка следует, что по амПЛИ'JУде изменения индекса Н и виду функции
Н =f (И) можно идентифицировать направленность суiЩессионного процесс а и размер
антропогенного воздействия на водную экосистему. Обращает на себя внимание, что
68
.
Е21ЖНИЙ предел изменчивости Н (Hmin) дает два незначительных no абсоmотной вели~
~е максимума Hmin, соответствующих Р-о~сапробным (1,5) и а-т-сапробным (1,5-
-О) условиям. Эти относительные максимумы не проявляются при анализе верхнего
дела изменчивости Н (Нmax).
_не.
НаименьiiШе значения Н характерны для nростых сообществ (левая часть см.
а) с высокой прозрачностью воды, малым содержанием в ней органики, низ ~
3,
s;:ю.ш nродукционными возможностями (см. рис.
3,
б), высоким содержанием кисло-
да (см. рис. 3, г), низкой концентрацией бисгенов (см. рис. 3, г). Эти системы
-:тизки к моновидовому сообществу водорослей (см. рис . 3, г), они сравнительно вы­
со ко энтроnийны, имеют низкие значения индекса Тийдора, не устойчивы
no
трофи­
ческому ста-rусу (см . рис. 3, в), достаточно уязвимы no отношению к антроnогенному
эвтрофированию. Такие водоемы могут сравнительно долго сохранять свои свойства
и nараметры режимов только за счет больших размеров и глубины. Важно, что биоrу
этих экасистем образуют виды саnроксены и олигосаnробы. Увеличение числа видов
~
и увеличение Н для ЭПiХ систем соnровождается до оnределенного nредела Е (равно­
го
1800-2000 no
верхнему пределу изменчивости Н) увеличением индекса Е (см. рис.
3,
б), снижением энтроnии и увеличением изменчивости физ:ико~химических условий ере~
.J;ы nри увеличении количества органики (р-т-сапробные условия). После этого в во­
дной системе выявляется: снижение прозрачности, увеличение содержания органики,
рост количества минеральных солей, снижение содержания кислорода (см . рис.З, а, г).
По~видимому, в большей степени, это свойственно водным экасистемам циклического
тиnа. При дальнейшем увеличении нагрузки на экоеистему в ней снижается видовое
разнообразие, меньiiШМИ темпами растет nродукrивность (правая часть см. рис.З, а, б),
у величивается энтропия.
Максимально разнообразной и сложной
no
струкwе биоте, сформированной
видами эврисаnробами, соответствует nереходнее состояние, харакrеризующееся сии~
женнем энтроnии, максимумом Н и его наибольшей амnлитудой (разность
максимумом
N
(см. рис .
3,
действия на систему (см. рис.
3,
б), nосле чего в ней будет отмечаться значительное
увеличение бисгенов и органики (см. рис.
(см. рис.
3,
Hmax- Hmin),
г), не которой стабилизацией внешнего и внутреннего воз­
г) и прозрачности (см. рис.
3,
3,
г, а), снижение содержания кислорода
а), увеличение сапробности, индекса Е,
nовышение устойчивости в целом к антроnогенному эвтрофированию.
При nриближении водной экасистемы к климаксиому состоянию nри незначи~
тельных изменениях индекса сапробиости nроисходит быстрое изменение видового
состава (см . рис. 3 а, г) и амnлитуды Н. Смена видов в сообществе харакrеризуется
снижением
N
(см . .рис .
3,
г) . Эти виды, однако, высокопродукrивны (см. рис.
3,
б)
и отличаются высокой численностью организмов (проявление закона экологического
разнообразия Тиннемана). Важно, что это виды- полисапробы и сапрофилы.
Рис.3 (в) показывает связь между индексом Тийдора, как обобщенным крите~
рием внешнего воздействия и устойчивостью водных экасистем к воздействию . Бы~
сокаnродуктивным
и наиболее
загрязненнь1м экасистемам
свойственна большая
устойчивость к антроnогенному воздействию ( антроnогенному эвтрофированию
и загрязнению) . Эти системы обладают высоким значением Е. Критическим значе­
нием индекса Е, при котором начинается снижение их устойчивости, может быть
выбрано значение Е равное
1000 [25] .
Водную экосистему, имеющую меньшее зна­
чение индекса Е можно считатЬ уязвимой к внешнему воздействию. На этом же
рис.
3
обозначена связь между индексами Е и Ис. Бысокосаnробным системам со­
ответствуют и наибольшие значения индекса Тийдора .
69
В целом, кривым, имеющим: точки перегиба, должна быть свойственна, по ­
видимому, левая асимметрия, свидетельствующая о nроявлении · нелинейнести доза­
эффектных связей и куммулятивности влияния загрязнений на живые оргаНизмы. К со­
жалению, в связи с увеличением общего фона загрязнения водоемов, nрактически
доказать это nредположение становится все сложнее .
Достижение экологического благополучия воДНой экосистемой, в качестве кото­
рого моrут быть выбраны различные отrенки олиго-мезотрофии и олиго-мезосапробности,
nредшествует достижению наиболее nродуктивного или, наиболее загрязненного со­
стояния. Благополучные (с наибольшим числом видов и высоким разнообразием био­
ты и абиотических условий среды) водные экосистемы не явтпотся наиболее устойчи­
выми к анrропоrенному э:юрофированию и загрязнению. Достижение ими высокой устой­
чивости к внешнему и внутреннему воздействию обеспечивается физико-географическими
параметрами водоема (объем, площадь, глубина).
Благодарности. Выражаем глубокую nризнательностъ Л. В. Кулангиевой за nре­
-доставленные материалы, собранные в ходе полевых работ 2004 г.
Summary
Zueva N V., Galtsova V. V., Dmitriev V. V., StepanovaA. В. Using s1ructural characteristics of macrophyte
communities for evaluation of the ecological state of the small rivers in the west of the Leningrad region.
Structural characteristics of macrophyte communities for evaluation of the ecological state of the
small rivers in the Leningrad region are used. The comparison of evaluation results of water quality with
the help of hydrochemical parameters and characteristics of vegetative cover is done. F or rivers with high
environmental quality the naпow ranges of structural characteristic values of macrophyte communities
are found. We consider this state to Ье а normal one. An example of inteпelations of estirnation components for the ecological situation in water bodies is given.
Литература
1.
Катанекая В. М. Высшая водная растительность континентальных водоемов СССР. Л.,
1981. 2. Карелякова И Л Высшая водная растительность восточной части Финскою залива.
СПб. , 1997. 3. Распопов И. М. Высшая водная растительность больших озер Северо-Запада СССР
Л ., 1985. 4. Фрейндлинг А . В . Использование· макрофитов как индикаторов вод различной сте­
пени трофии (в водоемах Северо-Запада СССР) : Методические рекомендации. Петрозаводск,
1988. 5.
Фрейндлинг А. В. Экологические модификации высшей водной растительности как ин­
диКатор природной среды// Антропогенное воздействие на природу севера и ею экологические
последствия// Тез. док. Всероссийскою совещания и выездной научной сессии (Апатиты, Мур­
манская область,
22-25 тоня 1998 г.) Апатиты, 1998. 6. РаспоповИМ. Индикационные воз. можности макрофитов // Гидроботаника 2000 11 Тез . док. V Всерос. конф. по водным растениям.
Борок, 2000. 7. Белавская А. П. К методике изучения водной растительности// Бот. жур. 1979.
Т. 64, N2 3. 8. Папченков В. Г Растительный покров водоемов и водотоков Среднею Поволжья.
Ярославль, 2001. 9. Одум Ю. Экология . Т. 2. 1ред. Соколов В. Е.; пер. с. aнrn . Виленкии Б. Я.
М., 1986. 10. Соловьева Н. Ф. Гидрохимия притоков Ладожскою озера и Невы// Гидрохимия
и гидросптика Ладожского озера . Л. , 1967. 11. EpeJueeвa А. 0., Викторовекий И В. Оценка ан­
тропоr'енной нагрузки на водную экоеистему // Экол. химия, 1998. Т. 7, N2 2. 12. Викторов­
ский И. В., Еремеева А.
жья Невской rубы
0.,
Русских Я В. и др. Оценка экологическою состояния мальiХ рек побере­
// Тр. 4
всерос. конф. с междунар. участием «Новое в эколоrии и безопасности
жизнедеятельностИ>> . СПб.,
1999.
Т.
1. 13.
Расплетина Г. Ф., Сусарева ОМ. Изменение режима био­
генньiХ элемеmов в Ладожском озере и ею притоках в мноюлетнем цикле// Охрана и рациональ­
ное использование водньiХ ресурсов Ладожскоrо озера и других больших озер// Тр.
симп. по Ладожскому озеру (В. Новюрод,
70
2-6 сентября 2002 г.),
СПб.,
2003 . 14.
4
между нар.
Трифонова И. С.,
Павлова О. А., Афанасьева А. Л. Характеристики состояния пригаков Ладожского озера по фи­
то rurанктону //Охрана и рациональное использование водных ресурсов Ладожского озера и дру­
гих больтих озер// Тр.
4 междунар. симп. по Ладожскому озеру (В. Новгород, 2-6 сентября
002 г.), СПб., 2003. 15. Шелутка В . А. , Колесникова Е. В. Характеристика основных источников
за грязнения поверхностных вод в бассейне р. Охты // Сб. тр. Междунар. науч. конфер. «Эко­
.lо гические и гидрометеорологические проблемы больтих городов и промъпплешrых зою>
(15-17 октября 2002 г.) . СПб. , 2004. 16. Государствешшй доклад «0 состоянии и об охране
окружающей среды Российской Федерации в
тов» ,
2006. 17.
2005
году». М. , «Центр международных проек­
Селиверстов Ю. П. Эколого-географическая оценка: понятия и проблемы //Про­
б.rrемы эколого-географической оценки состояния природной среды 1Отв. редакторы Арапов П. П. ,
Селиверстов Ю. П. СПб.,
1994. 18.
Д.митриев В. В. Диагностика и прогноз состояния водных
экасистем //Проблемы эколого-географической оценки состояния природной среды 1 Отв. редак­
торы Арапов П. П., Селиверстов Ю. П. СПб. ,
1994. 19.
Дмитриев В. В. Эколого-географическая
о ценка состояния внутренних водоемов 1 Диссерт. на соиск. уч.ст. доп геогр. наук . СПб.,
20.
Зенин А . А ., Белоусова Н. В. Гидрохимический словарь. Л. ,
1988. 21.
2000.
Снакин В. В . , Мельчен-
. ко В. Е., Бутавекий Р. О . и др. Оценка состояния и устойчивости экасистем //Под ред. В. А. Кра­
силова, М ,
1992. 22.
Раманенка В. Д Экологическая оценка воздействия гидротехнического строи­
тельства на водные объекты . Киев,
1990. 23. Дмитриев В. В. Методика диагностики состояния
// Эколого-географический анализ состояния природной среды :
устойчивости rеоэкосистем . СПб ., 1995. 24. Тийдор Р. Э. Об энергетических возможностях
и устойчивости водных экасистем
проблема
оценки и прогнозирования состояния водоема как экосистемы//Моделирование переноса вещества
и энергии в природных системах. Новосибирск,
нов В. П., Гигевич Г. С., Карташевич
3. К.
1984. 25. Якушко О. Ф., Емельянов Ю. Н., Рома­
Принцины определения и количествешrые оценки ан­
тропогенных трансформаций в озерных комплексах// Вестн. Белгасуниверситета им. В . И. Ле­
нина , 1981 , сер. 2, N2 2. 26. Dтitriev V.V. Spatial-temporal variation of entropy and comparative
assessment of staЬility of Ladoga, Onega and Ilmen lakes aquatic ecosystems /1 st International Lake
Ladoga Symposium. Ecological proЬlems of Lake Ladoga, St. Petersburg, 1993. 27. Дмитриев В. В.
Э кологиче ское нормирование состояния и антропогенных воздействий на природные экосисте­
мы// Вестн. С.-Петерб. у-та, сер.
7, 1994,
вып.
2 (N214). 28.
ДмитриевВ. В . Интегральная эко­
логическая оценка состояния природной и антропогенно-трансформированной средьi~Регио­
нальная экология, СПб. ,
2003 , N"23-4 (21).
Статья принято к печати
24.05.2007
г.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа