экологический мониторинг биогеоценоза как метод изучения

УДК 504.064.36:574
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ БИОГЕОЦЕНОЗА КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ
АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ГОРОДСКИХ РАЙОНАХ С ВЫСОКОЙ
РЕКРЕАЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ
А.В. Романовский, М.Л. Романовская
Свободный Университет, Берлин, ФРГ
Возрастание антропогенного воздействия на окружающую среду в районах
городской застройки с интенсивным водопользованием и водопотреблением, повышение
транспортной и рекреационной нагрузки с неизбежностью приводят к необходимости все
более детального и одновременно комплексного изучения равновесия сложных
экологических систем, частью которых является сам человек. Общность экологических
проблем больших европейских городов, возрастающее значение охраны рекреационных
зон, центром которых, как правило, являются водные объекты, чаще всего озера,
сохранение их природного гидрологического и гидрохимического баланса,
предотвращение деградации ландшафта приводит к необходимости внедрения единых
методик экологических исследований на территории Европы и России.
При составлении планов городской застройки и эксплуатации биогеоценоза следует
постоянно учитывать отклик природной системы на известные воздействия (схема
«воздействие-реакция»). Одним из эффективных методов фиксации и оценки такого
отклика является экологический микро- и макромониторинг биогеоценоза по заранее
заданным параметрам.
Постоянное слежение за изменением качественных параметров водной массы
особенно важно в районах с высокой рекреационной нагрузкой. Мониторинг позволяет
быстро зафиксировать самое незначительное повышение концентрации биогенных
микрокомпонентов с указанием источника загрязнения.
При выборе сравнительно небольшого репрезентативного объекта мониторинга
полученная информация позволяет судить о скорости и интенсивности антропогенного
влияния на экосистему, ее способности к самоочищению и самовосстановлению. На
основе такой информации может быть разработан комплекс защитных мер, позволяющих
поддерживать равновесие системы при интенсификации застройки, водопотребления и
водопользования. Проведенные исследования являются частью программы мониторинга
экосистем земли Бранденбург, разработанной и осуществляемой в Свободном
университете г. Берлина.
В качестве объекта исследований выбрано малое по площади мелкое эвтрофное, с
выраженной тенденцией к гипертрофированию, c интенсивным ветровым перемешиванием водной массы, хорошо прогреваемое слабопроточное и слабостратифицированное
озеро с плотной застройкой прибрежной зоны, высокой рекреационной нагрузкой
(участки с индивидуальными купальными местами, каналы между участками,
прибрежный отель, пляж, два яхт-клуба, рыбные рестораны, снабжаемые местной рыбой,
общества рыболовов-любителей, наличие пролегающих по берегу велосипедной и
пешеходной дорожек от г. Берлина), сельскохозяйственно освоенным водосбором и
автобаном, пересекающим зону притока (Рангсдорфское озеро, земля Бранденбург,
Германия). Площадь зеркала озера 2,355 км2, средняя глубина 1,5 м, объем водной массы
3 775 000 м3, площадь водосбора 41,2 км2. /Gutachten, 1992/.
Территория исследования более тысячи лет является объектом интенсивной
хозяйственной деятельности; в 50-е гг. XIX в. в районе Рангсдорфского озера были
проведены обширные мелиоративные работы, но антропогенно обусловленные процессы
эвтрофикации и деградации озера интенсивно проявились лишь с 50-е гг. ХХ в..
Трансформация площади водного зеркала за последние 150 лет была оценена на
основе анализа геодезических съемок масштаба 1:25 000 1840, 1861, 1900, 1931, 1960 и
1991 гг. Точность картографических материалов проверена по методу матриц
/Mekenkamp, P.G.M., 1985/. Установлена высокая сходимость данных этих съемок,
начиная с 1861 г. В последние 50 лет зафиксировано уменьшение площади водного
зеркала на 10…12 %.
В 2002-2003 гг. нами проведены комплексные исследования гидрохимического,
гидробиологического, термического и газового режимов Рангсдорфского озера в
сочетании с почвенными и геохимическими исследованиями на водосборе. Целью
работы была оценка актуального экологического состояния озера как рекреационного
объекта с выявлением возможных источников антропогенного загрязнения и способности
водоема к самоочищению и создание базы для разработки рекомендаций по его
сохранению.
Отбор водных проб и измерения в слое 0,5 м производились ежемесячно в одно и то
же время суток в 10 точках озера, координаты которых установлены с помощью системы
GPS. Точки наблюдений располагались как в проточной, так и застойных зонах озера.
Аналитические исследования велись по следующей схеме (см. рисунок). Особенное
внимание было уделено гидрохимическим анализам водных проб в сельскохозяйственной
освоенной зоне притока. В качестве параметров антропогенного эвтрофирования
выбраны концентрация биогенных микрокомпонентов (фосфатов) и концентрация
фитопланктона в водной массе. Фитопланктон, являясь первым звеном трофической
цепи, быстро реагирует на изменение условий среды и является одним из определяющих
факторов в экологическом мониторинге водоемов (Hütter, 1992).
Водная масса
озера
Электропроводность
Содержание кислорода
Температура воды
Прозрачность
рН
Отбор пробы (1 л)
Фильтрация
Фильтрат
Незакисленный
Замораживание
Фильтр
Закисленный
Сухой остаток
Замораживание
Консервация
РЭМ
Ионхроматография
Плазменная фотометрия
Фотометрия
Анионы
Катионы
Фосфаты
Схема полевых измерений, отбора проб и их лабораторной обработки при проведении
экологического мониторинга. (РЭМ – растровый электронный микроскоп)
Поступление в озеро биогенных компонентов способствует росту концентрации
гетеротрофных бактерий, разлагающих эти соединения с потреблением растворенного в
воде кислорода. Образующиеся в процессе деструкции фосфаты мгновенно потребляются
как питательное вещество и стимулируют быстрое развитие фитопланктона и водной
растительности. Избыточная концентрация фитопланктона приводит к уменьшению
прозрачности воды, вплоть до образования анаэробных зон на мелководьях и
способствует интенсивному илоотложению и накоплению фосфатов в илах. Высокая
концентрация фосфатов в донных отложениях и последующие процессы десорбции могут
вызывать их вторичное поступление в водную массу.
Большие количества фосфорных соединений входят в состав химических средств,
используемых для хозяйственных нужд. С сельскохозяйственных угодий фосфор
поступает в основном в виде различных фосфатов кальция. Систематически высокие
значения концентрации фосфатов, на порядок превышающие фоновые, отмечены в зоне
притока. Самые высокие значения концентрации кальция в водных пробах (от 41,16 до
47,71 мг/л при фоновых значениях 31 – 33 мг/л) зафиксированы в тех же точках.
Максимум концентрации фосфатов (0,99 мг/л) зафиксирован в зоне притока в апреле,
максимум концентрации кальция (47,71 мг/л) в той же точке в то же время. Минимум
концентрации фосфатов отмечен в мелкой хорошо прогреваемой малопроточной зоне в
июне 0,012 мг/л. Весенний максимум концентрации фосфатов в зоне притока обусловлен
их смывом и поступлением с сельскохозяйственных угодий с весенним половодьем.
Минимум концентрации фосфатов на мелководье совпадает с повышением содержания
фитопланктона и быстрым потреблением фосфатов как основного питательного
вещества. Сезонные изменения концентрации фосфатов в среднем по озеру
незначительны. Анализ водных проб, отобранных в непосредственной близости к
рекреационным объектам (пляж, отель, яхт-клуб), не показал существенных сезонных
колебаний концентрации фосфатов и не зафиксировал их импактных выбросов.
С целью выявления суточных колебаний гидрохимических, гидробиологических и
физических характеристик водной массы 13-14 августа 2003 г. был проведен 24-часовой
мониторинг на вертикали глубиной 3,0 м. «Точка» мониторинга была расположена в
проточной зоне озера. Измерения проводились с плавучей сборной буровой платформы.
Начало измерений - 12 часов утра. Промежутки между сериями измерений – 30 мин в
период с 12 до 24 часов, 3 часа – в период с 00 до 06 часов, 30 мин в период с 06 до 12
часов. Каждая серия содержала измерения:
температуры воздуха, скорости и направления ветра;
температуры воды на глубине 0,5; 1; 1,5; 2 м;
рН в слое 0,5 м;
концентрации О2 на глубине 0,5; 1; 1,5; 2 м;
электропроводности воды в слое 0,5 м;
прозрачности воды.
Каждые три часа проводился отбор водных проб в слое 0,5 м с последующим
гидрохимическим анализом в лаборатории и определением концентрации и видового
состава фитопланктона (схема обработки проб приведена выше).
Изменения температуры воды с глубиной
незначительны, температурная
стратификация отсутствует, слой температурного скачка не выражен, степень
прогреваемости
высокая.
Антропогенная
термофикация
не
зафиксирована.
Температурный максимум составляет 26,2оС в 17 ч 00, минимум – 24,1оС в 06 ч 00.
Незначительные изменения концентрации кислорода по вертикали, по-видимому,
обусловлены небольшой глубиной и интенсивным перемешиванием водной массы. В
целом отмечено высокое насыщение воды кислородом. Максимум концентрации (14,5
мг/л) зафиксирован в 15 ч 00, минимум (7,8 мг/л) - в 03 ч 00. Кислородный максимум в
слое 0,5 м совпадает по времени с минимумом значения электропроводности воды
(300мкSm/см), максимумом концентрации фитопланктона (61,6 мг/л), рН (8,75) и
минимумом концентрации фосфатов (0,034 мг/л), кислородный минимум (7,8 мг/л) – с
минимумом концентрации фитопланктона (47 мг/л) и максимумом концентрации
фосфатов (0,081мг/л). Электропроводность в это время приближается к максимальному
значению (390 мкSm/см).
Количество выделяющегося при фотосинтезе кислорода значительно превышает его
потребление в деструктивных процессах, и содержание кислорода в период 12 ч 00 –
15 ч 30 мин достигает 150…175 % насыщения в трофогенном слое. Периоды полного
ветрового перемешивания водной массы приводят к дополнительному обогащению
водной массы кислородом и фосфатами, поступающими из верхнего слоя донных
отложений. В водных пробах, отобранных при ветровом перемешивании, значения
концентрации фосфатов несколько выше фоновых. Некоторое повышение в
поверхностном слое в интервале 19 ч 30 мин – 20 ч 00 влечет за собой повышение
концентрации фитопланктона в интервале 20 ч 00 – 21 ч 00 с отставанием около 30 минут,
в этом же интервале отмечено сильное уменьшение прозрачности воды с 25 до 15 см. В
результате повышения содержания фитопланктона в поверхностном слое значение
концентрации фосфатов в пробе от 21 ч 00 сравнительно невысоко (0,039 мг/л).
Таким образом, основным источником первичной антропогенной эвтрофикации
водоема можно считать приточную зону озера с поступающими в нее с
сельскохозяйственных угодий биогенными компонентами, в частности, фосфатами.
Источником вторичной эвтрофикации являются донные отложения озера с высоким
содержанием фосфатов. Интенсивное ветровое перемешивание и биотурбирование
способствуют поступлению фосфатов из рыхлых донных отложений в водную массу.
Постепенное изменение структуры сообщества фитопланктона озера в сторону
повышения доли сине-зеленых водорослей, сравнительно бедный видовой состав
диатомовых (доминирующие виды Centrales, Pennales), интенсивное зарастание
малопроточных зон также свидетельствуют об антропогенно обусловленной деградации
мелкого озера.
В качестве мер по сохранению Рангсдорфского озера как самостоятельной
ландшафтной единицы и как рекреационного объекта в районе городской застройки
могут быть рекомендованы:
1) углубление озера;
2) фильтрация водной массы;
3) искусственное увеличение проточности;
4) контроль поступления фосфатов с сельскохозяйственных угодий в зоне притока.
Проведенные в режиме «суточного» мониторинга исследования параметров водной
массы были первым опытом работ такого рода на Рангсдорфском озере. На наш взгляд,
необходимо создание нескольких параллельных «точек» комплексных (гидро- и
метеорологических) наблюдений в 24-часовом режиме (минимум две – в проточной,
сравнительно глубокой, и одна – в застойной, мелководной зонах). Серии таких
наблюдений желательно проводить два раза в год – в начале сельскохозяйственных работ
на водосборе и по их завершении. Рангсдорфское озеро может служить прекрасной
учебной моделью для проведения студенческих практик, совершенствования уже
существующих и внедрения новых методик экологического мониторинга.
Экологический микро- и макромониторинг по заданным параметрам в районах
интенсивной хозяйственной деятельности, плотной застройки и
рекреационного
использования территории служит источником данных для создания прогнозных моделей
антропогенного воздействия на экосистему, проведения целевых имитационных
экспериментов, позволяющих определить «поведение и отклик» экосистемы в
зависимости от вида и степени ее хозяйственного освоения. Последнее особенно
актуально для рекреационных зон больших городов не только Европы, но и России.
Библиографический список
1. GUTACHTEN (1992): Konzept zur Komplexsanierung Rangsdorfer See im Auftrag der
Gemeindeverwaltung vom Konsortium Rangsdorfer See; Konsortialführer: Harbauer GmbH
& Co.KG; Berlin, 159 S.
2. HÜTTER, L. (1992): Wasser und Wasseruntersuchung; Laborbücher, 5 Auflage: Frankfurt
am Main, 623 S.
3. MEKENKAMP, P.G.M. (1985): Die Entwicklung einer neuen Methode für die Bestimmung
der Genau
igkeit von alten Karten. In: Scharfe, W., Jäger, E. (Hrsg): Kartographisches Kolloquium
Lüneburg`84 15.-17. März 1984. Berlin. S. 111-116.