Зинченко и др., 2015б - Институт экологии Волжского бассейна

Зинченко Т.Д., Головатюк Л.В., Абросимова Э.В., Шитиков В.К.
Учреждение Российской академии наук Институт экологии Волжского бассейна РАН
Россия, 445003, г. Тольятти, ул. Комзина, 10. E-mail: [email protected]
Экологическое состояние водоемов и водотоков
(методология исследований)
Гидроэкологические исследования, включающие изучение состава,
распределения и функционирования донных сообществ, в значительной
степени
обусловлены
необходимостью
решения
практических
задач,
касающихся защиты и сохранения экологических систем континентальных
водоемов. Реализация их практического воплощения при изучении проточных
гидроэкосистем до настоящего времени испытывает ряд затруднений в связи с
отсутствием надежных сведений по экологии отдельных видов гидробионтов. В
этой связи аутэкологические исследования необходимы для получения данных,
способствующих
пониманию
места
и
роли
отдельных
таксонов
беспозвоночных в водных экосистемах. Авторы публикации впервые провели
комплексные многолетние исследования более 90 разнотипных водотоков
бассейна Средней и Нижней Волги, в результате чего были получены новые, а в
ряде
исследований
оригинальные
данные
по
приоритетным
гидроэкологическим направлениям, которые опубликованы в различных
изданиях центральной и региональной печати, а также в материалах
Международных научных конференций [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Настоящая публикация
содержит материалы, которые носят аннотационный характер и освещают
этапы исследований экологического состояния водотоков.
Биоиндикация состояния гидроэкосистем. С целью нахождения
адекватной связи индикаторов и индицируемых факторов, применительно к
малым рекам, проведена интегральная оценка состояния экосистем равнинных
рек (на примере рр.Чапаевка, Сок, притоков Саратовского водохранилища).
Комплексная оценка качества экосистемы реки Чапаевка включала как
наземные, так и водные биоиндикаторы. Результаты исследований позволили
оценить действия биоиндикатора. Было установлено, что определенную
реакцию
на
воздействие
антропогенных
факторов
(эвтрофирование,
токсическое загрязнение) обнаруживают практически все виды и таксоны
(луговая
и
степная
фитопланктон
и
растительность;
фитобентос,
бактериопланктон,
мейофауна,
бактериобентос,
макрозообентос,
содержание
феопигментов и хлорофилла «а», ихтиофауна, микобиота, млекопитающие,
земноводные и др.), несмотря на существенные различия между ними.
Выбранные
авторами
методы
показывают
согласованные
изменения,
свидетельствующие о воздействии индицируемых факторов [2, 7, 8].
Оценка качества воды по отдельным видам – индикаторам. В
настоящее время накоплено достаточное количество сведений, позволяющих
утверждать,
что
биоиндикации,
хирономиды
являются
(Diptera,
неотъемлемым
как
Chironomidae)
кластером
при
объекты
проведения
мониторинга рек. Достаточно сказать, что созданы ряд индексов и метрик для
оценки качества воды водотоков разных географических зон c использованием
видов хирономид как индикаторов состояния водоемов [7, 9, 10, 11, 12, 13, 14].
Обобщенная
аутэкологическая
характеристика
хирономид
водоемов
и
водотоков бассейна Средней и Нижней Волги [4], представлена в виде
матрицы, «экологического портрета», включающего основные количественные
компоненты, определяющие обитание ключевых и редких таксонов в донных
сообществах. Разработанная методология позволила создать информационную
основу и теоретическую базу для формирования экологических прогнозов
состояния водных объектов, где хирономиды играют определяющую роль как
индикаторы оценки «здоровья» экосистем, служат основой для построения
фаунистических
графов,
математических
вычислений,
конструирования
различных индексов, направленных на выявление сходства, различия,
разнообразия, а также оценки качества воды и классификации водоемов [4, 15].
При исследовании рек аридной зоны Юга России были установлены новые для
науки виды хирономид [16, 17], являющиеся индикаторами соленых рек.
Богатство фауны хирономид объясняется прежде всего многообразием
водотоков разного типа, особенностями и свойствами лотических экосистем,
способствующих процветанию и разнообразию ценозов хирономид.
Математические аспекты оценки экологического состояния водных
объектов. Одной из задач фундаментальных исследований водных экосистем
является
количественная
оценка
допустимых
пределов
антропогенной
нагрузки, при которых сохраняется устойчивость экосистемы. До сих пор не
существует универсального метода оценки экологического состояния речных
систем. Одним из способов решения сложной задачи может служить
комплексная количественная оценка факторов воздействия, вызывающих
неблагополучное состояние экосистемы. Для практической оценки « здоровья»
водных объектов наиболее рационален путь комплексирования параметров
функционирования экосистемы в один или несколько индексов, играющих роль
интегрального
критерия,
основанных
на
информативных
показателях,
отражающих ту или иную специфичность в характере жизнедеятельности
экосистемы [8, 11].
Методологические
принципы
конструирования
критериев экологического состояния водотоков.
обобщенных
Нами разработан ранее
способ комплексной оценки лотических систем на основе интегрального
индекса экологического состояния экосистемы – ИИЭС, позволяющий оценить
суммарный эффект воздействия загрязнения на сообщества гидробионтов или
на экосистему реки в целом [8]. Для расчета индекса были использованы
наиболее информативные и широко используемые в практике гидрохимические
(органическое вещество, минеральные формы азоты, фосфаты, летучие
фенолы) и гидробиологические (численность и биомасса макрозообентоса,
число видов, видовое разнообразие, биотический и олигохетный индексы)
показатели. Апробирование индекса на реках Волжского бассейна дало
возможность оценить качество водотоков или участков рек в виде численного
выражения, что позволяет ранжировать критические уровни антропогенных
нагрузок на экосистему. На примере зонирования экосистемы р. Чапаевка,
применение разработанного критерия позволило выделить зоны экологического
бедствия,
экологического
кризиса
и
относительного
экологического
благополучия [2].
При проведении мониторинга малых рек нами проведен сравнительный
анализ индексов и метрик [10], рекомендованных Европейской Рамочной
Водной Директивой (EPT Index, EPT; Trent Biotic Index, TBI; Biological
Monitoring Working Party, BMWP; Biological Monitoring Working Party ASPT;
Dip/N, Ch/N, T/N) и некоторых традиционных индикаторных показателей,
применяемых на реках Европейской части России для их возможного
использования в практике оценки качества вод [18].
Методы
обработки
гидробиологических
многомерных
исследований.
В
параметров
настоящее
при
время
проведении
применяются
современные математические методы обработки многомерных измерений по
данным мониторинга рек. Для прогнозирования класса качества вод
использована теория распознавания образов [19]. Была выполнена серия
расчетов индикаторных валентностей для видов зообентоса на примере
образцов бентоса из 34 малых рек разного типа и уровня антропогенной
нагрузки бассейна Нижней Волги. [20]. Массив данных включал 542 пробы.
Для
каждой
станции
наблюдения
по
совокупности
гидрохимических
показателей оценивали класс качества вод. В качестве объектов биологического
мониторинга использовали значения численности и биомассы 546 видов
зообентоса.
База
данных
включает
набор
таблиц
гидрологических,
гидрохимических и гидробиологических показателей [21]. На примере
равнинной
р.
Чапаевка
показаны
основные
процедуры
построения
математических моделей для оценки пространственно-временной динамики
донных сообществ в условиях антропогенного воздействия [2].
Весь массив гидробиологических показателей был пересчитан в
шестибальную шкалу. Интервалы диапазонов для выделения баллов каждого
показателя выбирались с учетом характера статистического распределения
вариационных рядов, а также с учетом экспертной оценки. Интенсивность
воздействия
абиотических
факторов
на
сообщества
макрозообентоса
оценивалась по значению индекса качества воды (ИКВ), рассчитанного как
обобщенный средневзвешенный класс качества воды по гидрохимическим и
гидробиологическим показателям.
Индекс плотности бентоса (ИБП) определяли как обобщенную
средневзвешенную статистическую оценку:
ИПБ   j 1 a j b j
p

p
j 1
aj ,
где p = 6 – количество обобщаемых показателей зообентоса,
b1 , b2 ,  , b p
–
значения суммируемых признаков в баллах, a1 , a 2 ,  , a p – экспертные оценки
(веса), оценивающие относительную важность каждого показателя. По
аналогичному списку показателей (p = 5 за исключением индекса Вудивисса)
отдельно рассчитывали индекс плотности хирономид (ИПХ). Была показана
значимая корреляционная связь рассчитанных обобщенных показателей
плотности гидробионтов с интенсивностью загрязнения, что свидетельствует о
достаточно высокой биоиндикационной способности зообентоса и таксонов
семейства Chironomidae, в частности, для оценки уровня загрязнения малых рек
(см. рис).
Рис. Зависимость индекса плотности бентоса от индекса качества воды,
рассчитанные на примере рек Волжского бассейна
Для непосредственного ранжирования водных объектов по обобщенному
критерию
качества,
учитывающему
как
обилие
гидробионтов
и
сбалансированность экосистемы, так и гидрохимическое загрязнение водоемов,
может быть рассчитан комплексный индекс качества воды КИКВ, например, по
формуле:
КИКВ 
[ ИПБ  B1  (7  ИКВ )  B2 ]
,
B1  B2
где B1 и В2 – весовые коэффициенты, соизмеряющие информативность
каждой составляющей. Разность значений 7 и ИКВ использовалась, чтобы
преодолеть обратный характер зависимости между обоими показателями (см.
рис.).
На основании КИКВ легко провести классификацию водоемов по
обобщенному критерию качества вод, установив следующие градации:
 реки в состоянии экологического бедствия– КИКВ  2,5
 реки с относительно благополучным экологическим состоянием –
КИКВ  4;
 реки, находящиеся в предкризисном и кризисном экологическом
состоянии – КИКВ от 2,5 до 4.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 13-0400740; 13-04-10119; 15-04-03341.
ЛИТЕРАТУРА
1. Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные
проблемы: Материалы Междунар. конф. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2001. 247 с.
2. Биоиндикация экологического состояния равнинных рек /Под ред.
О.В. Бухарина, Г.С. Розенберга. М.: Наука, 2007. 403 с.
3. Особенности
пресноводных
экосистем
малых
рек
Волжского
бассейна/ под ред. Г.С. Розенберга, Т.Д. Зинченко; ИЭВБ РАН. Тольятти:
Кассандра, 2011. 322с.
4. Зинченко Т.Д. Эколого-фаунистическая характеристика хирономид
(Diptera, Chironomidae) малых рек бассейна средней и нижней Волги (Атлас).
Тольятти: Кассандра. 2011. 258 с.
5. Экология малых рек в XXI веке: биоразнообразие, глобальные
изменения и восстановление экосистем. Тезисы докладов Всероссийской
конференции с международным участием (г. Тольятти, 5-8 сентября 2011 г.) /
отв. ред. Т.Д. Зинченко, Г.С. Розенберг. Тольятти: Кассандра, 2011. 204 с.
6. Zinchenko T.D., Gladyshev M.I., Makhutova O.N., Sushchik N.N., Galina
S. Kalachova G.S., Golovatyuk L.V. Saline rivers provide arid landscapes with a
considerable amount of biochemically valuable production of chironomid (Diptera)
larvae // Hydrobiologia. № 722. 2014. P. 115-128.
7. Зинченко Т.Д., Головатюк Л.В. Изменение состояния бентоса малых
рек бассейна Средней Волги // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2000. Т.2, № 2. С.
257-267.
8. Зинченко Т.Д., Выхристюк Л.А., Шитиков В.К. Методологический
подход
к
оценке
экологического
состояния
речных
систем
по
гидрохимическим и гидробиологическим показателям // Изв. Самар. науч.
центра РАН. 2000. Т.2, № 2. С. 233-243.
9. Баканов
А.И.
Использование
комбинированных
индексов
для
мониторинга пресноводных водоемов по зообентосу // Вод. ресурсы 1999.Т.
26, № 1. С. 53-58.
10. Семенченко В.П. Принципы и системы биоиндикации текучих вод. –
Минск: Орех, 2004. 125 с.
11. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная
гидроэкология: методы, критерии, решения: в 2-х кн. М.: Наука, 2005. Кн. 1.
281 с.; Кн. 2. 337 с.
12. Зинченко
Т.Д.
Биоиндикационная
роль
хирономид
(Diptera,
Chironoimidae) в водных экосистемах: проблемы и перспективы // Успехи
современной биологии, 2009. Т. 129, № 3. С. 257-270.
13. Yasuno M.,Iwakuma T., Sugaya Y., Sasa M. Ecological studies on
chironomids in lakes of the Nikko National Park. // Res. Rep. Natl. Inst. Environ.
Stud. 1984. Vol. 70. P.1-17.
14. Iwakuma T., Yasuno M., Sugaya Y., Sasa M. Three large spesies of
Chironomidae (Diptera) as biological indicators of lake eutrophication // Biological
Monitoring of Environmental Pollution. 1988. Tokyo: Tokai University Press.
Japan. P. 101-113.
15. Шитиков В.К., Зинченко Т.Д., Абросимова Э.В. Роль редких видов при
анализе видового сходства и разнообразия донных речных сообществ// Жизнь
пресных вод. Вып. 1. Владивосток: Дальнаука, 2013. С. 158-173.
16. Зинченко Т.Д., Макарченко М.А., Макарченко Е.А. Новый вид рода
Cricotopus van der Wulp (Diptera, Chironomidae) из солѐной реки бассейна
озера Эльтон (Волгоградская область, Россия) // Евразиатский энтомол. журн.,
2009. Т. 8. Прил.1. С. 83-88.
17. Зорина О.В., Зинченко Т.Д. Новый вид рода Tanytarsus van der Wulp
(Diptera, Chironomidae) из солѐной реки бассейна озера Эльтон (Волгоградская
область, Россия) // Евразиатский энтомол. журн., 2009. 8 (1). С. 105-110.
18. Головатюк Л.В., Зинченко Т.Д. Биотические индексы и метрики в
оценке качества воды малых рек Нижнего Поволжья (на примере рек
Байтуган, Камышла, Сосновка) // Особенности пресноводных экосистем
малых рек Волжского бассейна / под ред. Г.С. Розенберга, Т.Д. Зинченко;
ИЭВБ РАН - Тольятти: Кассандра, 2011. С. 160-170.
19. Шитиков В.К., Зинченко Т.Д., Головатюк Л.В. Оценка экологического
состояния пресноводных водоемов по состоянию зообентоса методом
построения обобщенного портрета // Биология внутренних вод. 2004. № 1. С.
67-74.
20. Головатюк Л.В., Зинченко Т.Д., Шитиков В.К. Индикаторная оценка
организмов макрозообентоса текучих вод // Биология внутренних вод, 2008, №
3, С. 66-79.
21. Шитиков В.К., Зинченко Т.Д. Создание базы данных и алгоритмы
обработки информации // Экологическое состояние бассейна реки Чапаевка в
условиях антропогенного воздействия. Тольятти: ИЭВБ РАН, 1997. С. 40-55.