ЭКОЛОГИЧЕСКИ ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЫ

УДК 577.4

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЫ

В.Н.Максимов, В.А.Абакумов, Н.Г.Булгаков, А.П.Левич, А.Т.Терехин

(кафедра общей экологии)

Выявление и количественный учет физико-химических факторов среды, способных инициировать процессы, ухудшающие экологическое состояние биоценозов природных экосистем, является базовой фундаментальной проблемой экологической науки. Cтепень влияния абиотических факторов на водные биоценозы на фоне географических, климатических особенностей исследуемого региона может быть определена с помощью метода экологически допустимых уровней (ЭДУ) факторов среды (Замолодчиков, 1992, 1993; Левич, 1994; Левич, Терехин, 1997), который позволяет: 1) на основе биотических оценок экологического состояния водных экосистем провести диагностику экологического состояния тестируемой экосистемы, т.е. составить список факторов, значимо влияющих на возникновение экологического неблагополучия биоты; 2) вычислить ЭДУ значимых физико-химических характеристик водной среды; 3) провести ранжирование значимых факторов в зависимости от степени их опасности для экосистемы. В основе метода лежит биотическая концепция контроля природной среды (Максимов, 1991; Абакумов, Сущеня, 1992; Левич, 1994). Согласно этой концепции оценки состояния экосистем на шкале "норма — патология" следует проводить не по уровням абиотических факторов (как, например, в концепции ПДК), а по комплексу биологических показателей.

Следует указать, что анализ потенциальных причин экологического неблагополучия и ранжирование значимых факторов ведется совместно по всему комплексу абиотических переменных, измеряемых службами мониторинга. Сюда входят гидрохимические (БПК, ХПК, окисляемость, содержание растворенного кислорода, водородный показатель, концентрация взвешенных веществ), токсикологические (концентрация солей азота, фосфора, тяжелых металлов, пестицидов, синтетических поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов), климатические (температура воды) и гидрологические (расход воды) характеристики. Учет совместного влияния разнородных факторов на гидробионтов составляет существенное отличие метода ЭДУ от имеющихся подходов.

Следует иметь в виду, что вычисленные для данного бассейна или его части ЭДУ строго региональны, они неприменимы к другому бассейну из-за вероятных различий в степени адаптированности гидробионтов к неблагоприятным воздействиям. Прежние работы, посвященные применению метода ЭДУ, касались регионального нормирования физико-химических факторов в бассейнах Сырдарьи, Дуная, Средней и Нижней Волги (Замолодчиков, 1993), Нижнего Дона (Булгаков и др., 1995, 1997; Левич и др., 1996; Maximov et al., 1999) и в пресноводных водоемах Калмыкии (Максимов и др., 1997). В настоящей работе предполагается провести сравнительную характеристику региональных ЭДУ, полученных для нескольких бассейнов европейской части России и сопредельных стран.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Анализ причин экологического неблагополучия проводили для 8 бассейнов крупнейших рек Европы:

бассейн Западной Двины (р. Западная Двина);

бассейн Немана (реки Неман, Вилия);

бассейн Дуная (реки Дунай, Тиса, Белая Тиса, Прут);

бассейн Днестра (р. Днестр, Дубоссарское водохранилище);

бассейн Днепра (реки Днепр, Припять, водохранилища Киевское, Кременчугское, Днепродзержинское, Каховское);

бассейн Волги (р. Волга, водохранилища Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское, Куйбышевское, Саратовское, Волгоградское).

Исходные гидробиологические данные включали в себя сведения о численности, и биомассе фито-, зоопланктона, перифитона и зообентоса (Ежегодники состояния..., 1981-1991). Оценку экологического состояния проводили отдельно для толщи воды (по показателям индексов сапробности фито- и зоопланктона, перифитона) и для грунтов (по показателям олигохетных и биотических индексов зообентоса). В результате по каждому створу наблюдения за период 1980-1990 гг. ежегодно имели по две среднегодовые оценки состояния на 5-балльной экспертной шкале, соответствующей экологическим модификациям состояния сообществ (Абакумов, 1992), где 1 баллу соответствует наибольшее экологическое благополучие, а 5 баллам — наибольшее неблагополучие. В свою очередь метод экологических модификаций является развитием метода оценки состояния по классификатору Росгидромета (Организация и проведение..., 1992). Чтобы оценить экологическое состояние водной толщи, брали наихудший из имеющихся баллов по трем группам организмов. Наблюдения с баллами 1 и 2 маркировали как благополучные, а наблюдения, оцененные баллами от 3 до 5, как неблагополучные.

В качестве абиотических факторов исследовали среднегодовые значения следующих показателей: концентрации растворенного кислорода (O₂), взвешенных веществ, общего фосфора (P), азота аммонийного (NH₄), нитратного (NO₃) и нитритного (NO₂), фенолов, нефтепродуктов, пестицидов, меди (Cu), железа (Fe), хрома (Cr), ртути (Hg), цинка (Zn), никеля (Ni), фтора (F), синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), биохимическое потребление кислорода (БПК₅), химическое потребление кислорода (ХПК), водность, температура (Ежегодники качества..., 1984-1991; Ежегодные данные..., 1990; Ежеквартальные бюллетени..., 1975-1983). Поскольку программы наблюдений за абиотическими характеристиками в разных бассейнах различались, всего оказалось 7 факторов, измеряемых во всех бассейнах: NH_4,Cu, нефтепродукты, БПК₅, P, NO₂,фенолы.

Методика поиска, нормирования и ранжирования факторов среды, влияющих на степень благополучия биологической составляющей экосистем, основана на современных процедурах одномерного (Замолодчиков, 1993) и многомерного (Левич, Терехин, 1997; Maximov et al., 1999) статистического анализа экологических данных, позволяющих распознать в пространстве абиотических факторов среды область нормального функционирования водной экосистемы и рассчитать границы этой области, которые и названы экологически допустимыми уровнями воздействия абиотических факторов на биоту. Все включенные в анализ факторы делятся на значимые, т.е. те, которые влияют на оценку экологического состояния биоты (для всех значимых факторов найдены ЭДУ), и незначимые, т.е. те, колебания которых не сказываются на ухудшении экологического благополучия. Значимость факторов задается посредством критериев точности и полноты, привлеченных из теории детерминационного анализа (Чесноков, 1982). Под точностью понимается доля случаев с неблагополучными оценками экологического состояния, при которых не соблюдены ЭДУ, от общего числа случаев с несоблюдением ЭДУ. Полнота — это доля случаев с неблагополучными оценками экологического состояния, при которых не соблюдены ЭДУ, от общего числа случаев с неблагополучными оценками состояния.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Во всех указанных выше речных бассейнах был произведен поиск факторов, значимых для возникновения экологического неблагополучия биоценозов водной толщи (организмы фито-, зоо-, бактериопланктона) и грунтов (организмы зообентоса). Данные по Дунаю, Днестру, Днепру и Волге взяты из литературы (Замолодчиков, 1993). Соответственно для каждого бассейна и подбассейна должны были быть составлены два списка значимых факторов с указанием их ЭДУ. Однако оказалось, что все наблюдения за экологическим состоянием биоценозов водной толщи в бассейнах Западной Двины и Немана были неблагополучными, а все оценки в подбассейне Верхней Волги, наоборот, благополучными. В такой ситуации, возникшей из-за слишком малого количества наблюдений в этих бассейнах, определение ЭДУ становится невозможным, так как в противном случае мы должны принять за ЭДУ либо наименьшее, либо наибольшее из всех встреченных значений нормируемой переменной. Малое общее количество наблюдений за грунтами в бассейнах Дуная и Днепра и отсутствие благополучных оценок состояния грунтов в бассейне Днестра стали причиной того, что в указанных бассейнах не был проведен анализ причин неблагополучия сообществ донных организмов.

Результаты расчетов ЭДУ и их сравнение с нормативами предельно допустимых концентраций (ПДК) приведены в табл. 1. Значимыми считали переменные, для которых точность предсказания экологического неблагополучия была не ниже 10%. Рядом со значением ЭДУ фактора дана его полнота, характеризующая его значимость. Кроме того, для незначимых переменных, измеряемых в данном бассейне или подбассейне, приведены экологически безопасные границы (ЭБГ), т.е. максимальные или минимальные за все время наблюдения значения фактора. Поскольку никакие встреченные значения незначимых факторов при заданном критерии точности не приводили к возникновению экологического неблагополучия,

Таблица 1.

Значения ЭДУ (выделены шрифтом) и ЭБГ физико-химических переменных для разных бассейнов и подбассейнов, вычисленные по показателям организмов водной толщи и грунтов

Физико-	ЭДУ физико-химических переменных для различных бассейнов и подбассейнов (в скобках значения полноты, соответствующие степени значимости)
химические переменные	Западная Двина	Неман	Дунай	Днестр	Днепр	Волга		Верхняя Волга	Средняя Волга		Нижняя Волга		ПДК
	грунты	грунты	толща	толща	толща	толща	грунты	грунты	толща	грунты	толща	грунты
NH₄, мг/л	0,1 (22)	0,38 (30)	0,05 (75)	1,05 (23)	2,56	0,68 (17)	0,52 (17)	0,36 (27)	0,68 (33)	0,52 (38)	0,12	0,12	0,39
Cr, мг/л			0,002 (50)										0,02
Cu, мг/л	0,013	0,01	0,012 (42)	0,009 (28)	0,02	0,02	0,02	0,006 (4)	0,02	0,02	0,017	0,017	0,001
Нефтепродукты, мг/л	0,51	0,52	0,22 33)	0,13 (23)	0,47 (5)	0,63	0,51 (5)	0,56	0,63	0,21 (36)	0,43	0,43	0,05
Zn, мг/л	0,063	0,035	0,02 (33)		0,028 (4)	0,069	0,069	0,024	0,069	0,069	0,058	0,054 (11)	0,01
Взвешенные вещества, мг/л	16,8 (13)		128 (33)	153 (31)		51	51	13 (6)	18,8	18,8	51	51	0,25
Пестициды, мкг/л			0,006 (33)	0,94	0,12	0,199	0,062 (6)		0,199	0,062 (12)	0,115	0,058 (26)
БПК₅, мг/л	3,15 (44)	4,31 (36)	4,6 (25)	4,48 (28)	4,57 (2)	4,65	4,65	2,85 (33)	3,47	3,47	4,65	4,65	3
P, мг/л	0,033 (28)	0,113 (6)	0,29 (17)	1,167	0,301 (5)	0,225	0,225	0,225	0,198	0,198	0,066 (15)	0,081 (16)
NO₂, мг/л	0,022 (75)	0,11	0,05 (17)	0,39	0,064 (7)	0,053 (7)	0,086	0,011 (23)	0,086	0,086	0,059	0,059	0,02
СПАВ, мг/л		0,019	0,02 (17)	0,2		0,08	0,08	0,08	0,08	0,08	0,06	0,06	0,1
Фенолы, мг/л	0,007	0,007	0,006	0,007	0,005 (9)	0,015	0,015	0,008	0,015	0,015	0,005	0,005	0,001
NO₃, мг/л	2,02	0,055 (12)	1,5	4,33		0,74 (17)	2	0,81	2	2	0,74 (38)	0,83 (16)	9,1
ХПК, мг/л	38,8 (16)	34 (30)	69,1	52		35,4	35,4	29,8 (32)	22,5	22,5	24 (15)	34,5
Ni, мг/л	0,026 (22)	0,013											0,01
Fe, мг/л		0,51 (27)		0,26		0,52	0,52	0,47	0,52	0,52			0,5

ЭБГ могут служить приблизительными нормативами безопасного воздействия абиотических факторов. При этом следует понимать, что они никогда не выходят за границы ЭДУ.

Наибольшее число переменных, значимых для неблагополучия организмов водной толщи (11), было получено для бассейна Дуная. Максимальное число переменных, влияющих на бентосное сообщество (7), зарегистрировано в бассейне Западной Двины. Чаще других переменных за возникновение экологического неблагополучия отвечали NH₄ (в 9 экосистемах из 12 исследованных), нефтепродукты (в 5), БПК₅ (в 6), NO₂ (в 5). С другой стороны, концентрации O₂, Hg, F, а также водность и среднегодовая температура воды ни для одной из экосистем не попали в число значимых. Обращает на себя внимание то, что по большинству переменных значения ЭДУ и ЭБГ, как правило, превышают нормативы ПДК. Исключение составляют концентрации NO₃ (для всех экосистем), NH₄ (для Западной Двины, Немана, Дуная, Верхней и Нижней Волги), Cr (для Дуная), БПК₅ (для Верхней Волги), NO₂ (для Верхней Волги), СПАВ (для Немана, Дуная, Волги и всех ее подбассейнов), Fe (для Днестра).

Для того чтобы сравнить между собой исследованные бассейны рек по наборам значимых факторов и значениям их ЭДУ, провели ранжирование 6 бассейнов и 3 волжских подбассейнов по относительной величине ЭДУ или ЭБГ (ОЭДУ), усредненной по 7 переменным, измеряемым во всех бассейнах. Для этого минимальное среди всех бассейнов значение ЭДУ или ЭБГ для данной переменной принимали за единицу, а в остальных бассейнах ОЭДУ рассчитывали как отношение его ЭДУ или ЭБГ к минимальному (табл.2). Например, для NH₄ наименьшим (0,05 мг/л) было значение ЭДУ в бассейне Дуная. Соответственно ОЭДУ для Дуная равнялось 1, для Западной Двины (0,1/0,05) — 2, для Немана (0,38/0,05) — 7,6 и т.д. Если значения нормативов какой-либо переменной в данном бассейне различались для толщи воды и для грунтов, брали наименьшее (т.е. наиболее жесткое) из двух значений. После того

Таблица 2.

Значения относительных ЭДУ и ЭБГ по 7 переменным, измерявшимся во всех бассейнах

Физико-	Отношения ЭДУ и ЭБГ физико-химических переменных к минимальному ЭДУ среди всех бассейнов и подбассейнов
химические переменные	Западная Двина	Неман	Дунай	Днестр	Днепр	Волга	Верхняя Волга	Средняя Волга	Нижняя Волга
NH₄, мг/л	2	7,6	1	21	51,2	10,4	7,2	10,4		2,4
Cu, мг/л	2,2	1,7	2	1,5	3,3	3,3	1	3,3		2,8
Нефтепродукты, мг/л	3,9	4	1,7	1	3,6	3,9	4,3	1,6		3,3
БПК₅, мг/л	1,1	1,5	1,6	1,6	1,6	1,6	1	1,2		1,6
P, мг/л	1	3,4	8,8	35,4	9,1	6,8	6,8	6		2
NO₂, мг/л	2	10	4,5	35,4	5,8	4,8	1	7,8		5,4
Фенолы, мг/л	1,4	1,4	1,2	1,4	1	3	1,6	3		1

как в каждом бассейне и подбассейне были получены ОЭДУ, для 7 участвовавших в анализе переменных, вычисляли среднее по всем переменным значение ОЭДУ (рисунок).

Наименьшую приспособленность к повышению уровней большинства факторов среды продемонстрировали организмы грунтов в бассейне Западной Двины, где зарегистрировано самое низкое значение ОЭДУ. С другой стороны, гидробионты Днепра и Днестра обнаружили наибольшую приспособленность к повышенным концентрациям веществ (особенно NH₄, P и NO₂). В целом наблюдается определенная тенденция: самая слабая приспособленность сообществ гидробионтов к существующим внешним нагрузкам наблюдается в бассейнах, расположенных в более высоких широтах, за исключением Дуная и Нижней Волги (Западная Двина, Неман, Верхняя Волга). Причем, хотя среднее значение ОЭДУ для Верхней Волги оказалось выше, чем для Дуная и Нижней Волги, сразу три верхневолжских ЭДУ (по Cu, БПК и NO₂) были наименьшими среди всех ЭДУ и ЭБГТаким образом, хотя температура и не фигурировала среди значимых для неблагополучия факторов ни в одной из экосистем, косвенным образом она влияла на характер взаимодействия в них между живым и неживым компонентами. Вероятно, степень адаптации сообществ южных бассейнов к многолетнему воздействию высоких температур, способствующих усиленному эвтрофированию за счет накопления в водоеме биогенных элементов, оказывается выше, чем у сообществ, “привыкших” к меньшей трофности, обусловленной более низкими концентрациями веществ.

Более обстоятельный сравнительный анализ причин экологического неблагополучия в разных бассейнах будет проведен после получения ЭДУ также для речных бассейнов азиатской части России и сопредельных государств Средней Азии, что составит следующий этап исследований авторов.

***

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 00-04-49325) и Программы Министерства образования РФ “Университеты России — фундаментальные исследования” (грант 990941)

Список литературы

Абакумов В.А. 1992. Экологические модификации и развитие биоценозов // Экологические модификации и критерии экологического нормирования. Л. С.18—40.

Абакумов В.А., Сущеня Л.М. 1992. Гидробиологический мониторинг пресноводных экосистем и пути его совершенствования // Экологические модификации и критерии экологического нормирования. Л. С.41—51.

Булгаков Н.Г., Дубинина В.Г., Левич А.П., Терехин А.Т. 1995. Метод поиска сопряженностей между гидробиологическими показателями и абиотическими факторами среды на примере уловов и урожайности промысловых рыб // Изв. РАН. Сер. биол. №2. 218—225.

Булгаков Н.Г., Левич А.П., Максимов В.Н. 1997. Прогноз состояния экосистем и нормирование факторов среды в водных объектах Нижнего Дона // Известия РАН. Сер. биол. №3. 374—379.

Ежегодники качества поверхностных вод и эффективности проведенных водоохранных мероприятий. 1984—1991. Ростов-на-Дону. Северо-Кавказское территориальное управление по гидрометеорологии.

Ежегодники состояния экосистем поверхностных вод СССР (по гидробиологическим показателям). 1981—1991. Обнинск.

Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. 1990.. Северо-Кавказское территориальное управление по гидрометеорологии.

Ежеквартальные бюллетени качества поверхностных вод суши. 1975—1983. Ростов-на-Дону. Северо-Кавказское территориальное управление по гидрометеорологии.

Замолодчиков Д.Г. 1992. Оценка экологически допустимых уровней антропогенного воздействия // Докл. РАН. 324, №1. 237—239.

Замолодчиков Д.Г. 1993. Оценки экологически допустимых уровней антропогенного воздействия на пресноводные экосистемы // Проблемы экологического мониторинга и моделирование экосистем. Т.15. СПб. С.214—233.

Левич А.П. 1994. Биотическая концепция контроля природной среды // Докл. РАН. 337, №2. 257—259.

Левич А.П., Терехин А.Т., Булгаков Н.Г., Абакумов В.А., Елисеев Д.А., Максимов В.H., Качан Л.К. 1996. Экологический контроль водных объектов Нижнего Дона по биотическим идентификаторам планктона, перифитона и зообентоса // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. №3. 18—25.

Левич А.П., Терехин А.Т. 1997. Метод расчета экологически допустимых уровней воздействия на экосистемы // Водн. ресурсы. №3. 328—335.

Максимов В.Н. 1991. Проблемы комплексной оценки качества природных вод (экологические аспекты) // Гидробиол. журн. 27, №3. 8—13.

Максимов В.Н., Джабруева Л.В., Булгаков Н.Г., Терехин А.Т. 1997. Концепция выявления стрессовых состояний экосистем методом ранговых распределений и экологически допустимые уровни загрязняющих веществ для водоемов р. Элисты // Водн. ресурсы. 24, №1. 79—85.

Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Роскомгидромета. 1992. Методические указания. Охрана природы. Гидросфера. Руководящий документ РД 52.24.309—92. СПб.

Чесноков С.В. 1982. Детерминационный анализ социально-экономических данных. М.

Maximov V.N., Bulgakov N.G., Levich A.P. 1999. Quantitative methods of ecological control: diagnostics, standardization, and prediction // Environmental indices: Systems analysis approach. L. P.363—381.

Подрисуночная подпись к статье Максимова и др.

Ранжирование речных бассейнов по средней величине относительного ЭДУ физико-химических факторов

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЫ^*

В.Н.Максимов, В.А.Абакумов, Н.Г.Булгаков, А.П.Левич, А.Т.Терехин

Для пресноводных экосистем Европейской части России и сопредельных стран (бассейны рек Западная Двина, Неман, Днепр, Днестр, Дунай, Волга) определены экологически допустимые уровни (ЭДУ) факторов среды. Несоблюдение ЭДУ приводит к ухудшению экологического состояния экосистем, которое выражается в отклонении от нормальных значений индексов сапробности фитопланктона, зоопланктона, перифитона и биотических индексов зообентоса. Проведен сравнительный анализ бассейнов по вычисленным значениям ЭДУ концентраций аммония, нитритов, минерального фосфора, меди, фенолов, нефтепродуктов и БПК₅.

ECOLOGICALLY TOLERABLE LEVELS OF ABIOTIC FACTORS. STUDY OF WATER ECOSYSTEMS IN EASTERN EUROPE

V.N.Maximov, V.A.Abakumov, N.G.Bulgakov, A.P.Levich, A.T.Teriochin

Ecologically tolerable levels (ETL) of environmental factors are defined for freshwater ecosystems of European part of Russia and adjucent countries (basins of the rivers Zapadnaya Dvina, Neman, Dnieper, Dniestr, Danube, Volga) . Non-observance of ETL leads to deterioration of an ecosystem condition, which is expressed in the form of deviation from normal values of phytoplankton, zooplankton, periphyton saprobic indices and zoobenthos biotic indices. The comparative analysis of basins by the calculated ETL of ammonium, nitrites, mineral phosphorus, phenols, oil products concentrations and BOD is carried out.