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

В.Н.Максимов, Д.А.Елисеев, Л.К.Качан

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

НИЖНЕГО ДОНА ПО БИОТИЧЕСКИМ ИДЕНТИФИКАТОРАМ

ПЛАНКТОНА, ПЕРИФИТОНА И ЗООБЕНТОСА

Государственная система контроля водных объектов включает в

себя ряд основополагающих элементов: сбор и хранение экологичес-

ких данных; диагностику экологического состояния исследуемых объ-

ектов; анализ причин экологического неблагополучия; нормирование

воздействий, нарушающих экологическое благополучие; экологический

прогноз.

Экологическое состояние водных биоценозов неразрывно связано

с условиями неживой природы, в которой обитают гидробионты. В

комплекс этих условий входят многие гидрохимические, гидрологи-

ческие, климатические факторы, а также довольно обширная номенк-

латура загрязняющих веществ, попадающих в водоем в результате де-

ятельности человека. Выделить существенные для экологического

неблагополучия факторы в течение долгого времени на территории

бывшего СССР помогает концепция предельно допустимых концентраций

(ПДК) веществ-загрязнителей. Концепцией ПДК руководствуются также

при определении допустимых уровней водородного показателя (pH) и

содержания растворенного кислорода. Нормативы ПДК определяются в

лабораторных экспериментах на изолированных популяциях нескольких

видов-индикаторов по заранее заданному кругу физиологических и

поведенческих реакций. Исходя из указанной специфики, концепция

ПДК обладает рядом особенностей, снижающих ее экологическую эф-

фективность: некорректность экстраполяции лабораторных экспери-

ментов на природные объекты; наличие ПДК только для изолированных

факторов, а не для реально воздействующих на биоту их сложных

комплексов; охват концепцией ПДК только химических факторов без

учета температуры, водности и т.п.; экстраполяция ПДК на все ге-

ографические области без учета специфики регионов.

Избавиться от приведенных недостатков помогает биотическая

концепция контроля природной среды (Левич, 1994). Согласно биоти-

ческой концепции, оценки экологического состояния на шкале "нор-

ма-патология" должны проводиться по комплексу биотических показа-

телей, но не по уровням абиотических факторов. Последние должны

рассматриваться как агенты воздействия на популяции организмов и

на экологические связи между ними. В этом случае абиотические

факторы выступают потенциальными причинами экологического небла-

гополучия, а не непосредственными его симптомами.

Решение задачи выявления факторов среды, сопряженных с неб-

лагополучием экологического состояния фито-, зоопланктона, пери-

фитона и зообентоса состоит из двух основных этапов.

На первом этапе проводится диагностика экологического состо-

яния гидробионтов в условных баллах с последующим проведением на

шкале баллов границы между нормой и патологией состояния. На вто-

ром этапе происходит обработка данных о полученных оценках эколо-

гического состояния, а также о химических и физических параметрах

с целью поиска детерминационных связей между живой и неживой

частью экосистемы. Этот процесс сопровождается вычислением эколо-

гически допустимых уровней (ЭДУ) абиотических факторов - погра-

ничных значений факторов, выход за пределы которых означает пере-

ход биоты из благополучного в неблагополучное экологическое сос-

тояние (Левич, Терехин, 1994). В одной из предшествующих работ

(Булгаков и др., 1994) методика выявления уровней нарушающих воз-

действий была описана на примере оценок состояния по данным об

уловах и урожайности промысловых рыб нижнего течения Дона. Ис-

пользованные ихтиологические данные ввиду недостаточной разрабо-

танности системы оценок состояния ихтиофауны служили лишь иллюст-

рацией к описываемой методике. В настоящей работе для планктонных

и бентических идентификаторов описанные выше этапы поиска ЭДУ ре-

ализованы на конкретных данных по бассейну Нижнего Дона. В данном

случае полученные результаты имеют самостоятельное значение и мо-

гут обсуждаться как нормативы для проведения водоохранных мероп-

риятий.

Методы оценки состояния оказываются специфическими для раз-

ного типа водных экосистем. Для пресных вод использовали метод

on..., 1991), основанный на анализе данных по численности, био-

массе, процентном соотношении отдельных групп организмов внутри

фито-, зоопланктона, перифитона и зообентоса. Метод предусматри-

вает также учет численности и сапробности наиболее массовых орга-

низмов. На основе первичных данных устанавливали индекс сапроб-

ности для фито-, зоопланктона и перифитона, а также биотический и

олигохетный индексы для зообентоса. Полученные индексы, в свою

очередь, служили основой для присвоения каждой из четырех указан-

ных экологических групп гидробионтов оценки экологического состо-

яния по 5-балльной шкале, где 1 балл соответствует самому благо-

получному (фоновому) состоянию, а 5 баллов - самому неблагополуч-

ному (состоянию метаболического регресса). Из трех оценок, полу-

ченных для фито-, зоопланктона и перифитона, выбирали самую жест-

кую, которая характеризовала экологическое состояние организмов

водной толщи. Оценка для зообентоса соответственно описывала сос-

тояние организмов, обитающих на дне водоема. Таким образом были

получены оценки экологического состояния для 31 створа наблюдения

Цимлянского, Веселовского водохранилищ, рек Дон (от водохранилищ

до г. Ростов-на-Дону) и Северский Донец. Граница нормы и патоло-

гии на шкале оценок для организмов водной толщи равна 2.75, для

бентоса - 3.75.

Для поиска достоверных связей между гидробиологическими

оценками состояния экосистем и абиотическими факторами использо-

вали метод экологически допустимых уровней, который позволяет для

каждого участвующего в анализе фактора среды определить ЭДУ, вы-

ход за пределы которого влечет за собой экологическое неблагопо-

лучие (оценки 3, 4 и 5 для планктона и перифитона; 4 и 5 для зоо-

бентоса). Значимость того или иного фактора устанавливается при

помощи конструкций точности и полноты, введенных С.В.Чесноковым

(1982) для многомерного детерминационного анализа данных. Под

полнотой понимается отношение количества наблюдений с неблагопо-

лучным экологическим состоянием, совпавших со случаями выхода за

пределы ЭДУ данного фактора, к общему количеству наблюдений с

неблагополучным состоянием. Под точностью - отношение количества

наблюдений с неблагополучным состоянием, совпавших со случаями

выхода за пределы ЭДУ, к общему количеству несоблюдений ЭДУ. Зна-

чимыми факторами признаются те, которые отвечают некоторым задан-

ным критериям точности и полноты. Сопряженность между биотически-

ми и абиотическими показателями можно описать следующим утвержде-

нием: "если ЭДУ данного фактора превышено, то экологическое сос-

тояние будет неблагополучным с определенной степенью достовернос-

ти, выраженной в терминах точности и полноты".

Для указанных выше створов наблюдения за те же годы, что и

оценки состояния, были учтены значения следующих гидрохимических,

гидрологических и климатических характеристик: концентрация аммо-

нийного азота, нитритного азота, нитратного азота, нефтепродук-

тов, фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ),

меди, цинка, взвешенных веществ, кальция, магния, хлоридов, мине-

рального фосфора, общего железа, марганца, сульфатов, гексахлора-

ход воды, температура воды (Ежегодники качества поверхностных

вод..., 1984-1991; Ежегодные данные..., 1990; Ежеквартальные бюл-

летени..., 1975-1983).

Для всех гидрохимических характеристик, кроме pH, анализиро-

вали влияние на биоту как среднегодовых, так и экстремальных зна-

чений (минимальных для растворенного кислорода и максимальных для

всех остальных переменных). Для pH, расходов воды и температуры

воды в расчетах участвовали среднемесячные значения.

Для расходов воды, температуры и взвешенных веществ исполь-

зовали относительные величины в виде отношения абсолютного значе-

ния переменной к среднемноголетнему для данного створа значению

тавление именно этих характеристик в виде относительных величин

объясняется их явной "створоспецифичностью". Остальные переменные

участвовали в анализе в виде своих абсолютных значений.

Для концентрации основных биогенных элементов (нитратного и

аммонийного азота, фосфора, сульфатов, магния, железа, кальция,

марганца), водности, температуры, pH допустимые границы искали

как в области высоких, так и низких (лимитирование развития) зна-

чений. Для остальных переменных, кроме содержания кислорода, до-

пустимыми считали любые малые значения, а границу недопустимости

устанавливали для высоких значений. Для кислорода, наоборот, не-

допустимыми считали только низкие значения его содержания.

Текущее состояние гидробионтов, безусловно, может зависеть

не только от текущего, но и от ретроспективного состояния среды.

Поэтому анализировали влияние на организмы значений абиотических

факторов за три года (текущий и 2 предшествующих). Таким образом,

на оценку экологического состояния гидробионтов влияют верхние и

нижние уровни среднегодовых и среднемесячных значений абиотичес-

ких переменных среды, экстремальные значения этих переменных и

для всех указанных переменных - их значения по всем временным

сдвигам. Всего для планктона и перифитона поиск вели для 402

переменных, для зообентоса - также для 402 переменных.

Для каждой из двух гидробиологических оценок и для каждого

из абиотических факторов отыскивали ЭДУ и рассчитывали точность и

полноту - критерии значимости этих уровней. Все абиотические по-

казатели разделились на две категории: предзначимые - те, для ко-

торых ЭДУ найдены в пределах наибольшего и наименьшего значений

данной переменной за весь период наблюдений, и незначимые - те,

для которых все полученные значения за исследуемый период соот-

ветствовали только ситуациям с экологическим благополучием.

Из всего списка предзначимых абиотических переменных были

отобраны те, которые дают наибольший вклад в возникновение эколо-

гического неблагополучия. Эти переменные, названные значимыми,

выбраны по следующим критериям:

- точность детерминации между уровнем абиотического фактора

и ихтиологической оценкой, не меньшая 80%;

- максимальная полнота детерминации;

- высокая существенность фактора (см. следующий раздел) при

не слишком высокой индивидуальной полноте;

- достаточное (более 8) количество наблюдений с благополуч-

ным и неблагополучным состоянием;

- некоторые экспертные соображения о способности или неспо-

собности данного фактора среды влиять на экологическое состояние

планктона, перифитона или бентоса.

В табл.1 для обеих гидробиологических оценок сведены ЭДУ

всех значимых факторов с указанием их индивидуальной точности и

полноты. Здесь же приведены суммарные точность и полнота, то есть

те критерии, которые обеспечивают достоверность детерминации, ес-

ли ЭДУ превышен хотя бы по одной из значимых переменных. Если

один и тот же фактор оказывался значимым для разных временных

сдвигов, то выбирали сдвиг с наиболее жестким ЭДУ.

Метод ЭДУ позволяет определить значимость не только индиви-

дуальных факторов, но и целых наборов взаимодействующих между со-

бой абиотических переменных. Критерии значимости для таких набо-

ров также могут быть заданы в терминах точности и полноты. Сум-

марная точность для набора переменных А есть доля неблагополучных

наблюдений среди всех наблюдений, где ЭДУ превышен хотя бы по од-

ной переменной, а суммарная полнота набора А - доля наблюдений,

где ЭДУ превышен как минимум для одной переменной, среди всех

неблагополучных наблюдений.

При добавлении к набору А еще одной переменной увеличение

или неувеличение суммарной полноты для дополненного набора не за-

висит жестко от индивидуальной полноты добавляемой переменной, а

зависит от того, насколько переменные из всего набора А и новая

переменная независимы друг от друга. Суммарная полнота возраста-

ет, когда превышающие ЭДУ значения новой переменной сопутствуют

значениям прежних переменных ниже их ЭДУ. Если превышения ЭДУ но-

вой переменной совпадают с превышениями ЭДУ старыми переменными,

то суммарная полнота никак на меняется. Назовем существенностью

Из списка значимых переменных (для каждой гидробиологической

оценки) составляли различные наборы и для вновь добавляемых пере-

менных вычисляли существенность (табл. 2-3). В строке "Шаг 1"

этих таблиц приведены переменные с высокой индивидуальной полно-

той. В строке "Шаг 2" указаны переменные, которые наиболее су-

щественны при добавлении к первой переменной из строки "Шаг 1".

Переменные из строки "Шаг 3" наиболее существенны при добавлении

к набору первых переменных из обеих предыдущих строк и т.д. При

определении очередности водоохранных мероприятий существенность

абиотических показателей, основанная на шаговом анализе, выступа-

ет одним из главных критериев наряду со степенью значимости, дос-

тупностью показателя для нормирования и др.

Списки факторов, ответственных за экологическое неблагополу-

чие организмов водной толщи и дна, существенно разнятся. В свою

очередь, эти два списка сильно отличаются от списка факторов,

значимых для снижения уловов и урожайности рыб в исследованном

регионе (Булгаков и др., 1995). Наиболее значимы для планктона и

перифитона такие факторы, как майская и сентябрьская температура,

содержание кислорода. Из веществ-загрязнителей присутствует в

списке только гексахлоран. Перечень значимых факторов для зообен-

тоса значительно шире и включает в себя январскую, апрельскую,

майскую, июньскую, сентябрьскую и октябрьскую температуру, майс-

мальный, ДДЭ среднее, цинк средний и нитратный азот средний. Как

видно, донные организмы более чувствительны к наличию химических

агентов, в частности, пестицидов.

как выше, так и ниже нормативов ПДК. Более жесткими являются ЭДУ

тических переменных не охватывают всего возможного комплекса на-

рушающих внешних воздействий. Поэтому могло оказаться, что среди

участвовавших в анализе переменных содержались не все факторы,

связанные с экологическим неблагополучием гидробионтов. В этом

случае при нормировании необходимо ориентироваться на ПДК этих

факторов. ПДК могут быть применены и для незначимых факторов.

Некоторые из анализировавшихся переменных не должны рассмат-

риваться как причины экологического неблагополучия, поскольку са-

ми могут быть следствиями неудовлетворительного состояния биоты.

К таким переменным в определенной степени относятся биохимическое

и химическое потребление кислорода, водородный показатель и кон-

центрация растворенного в воде кислорода.

Еще одной особенностью ЭДУ является их региональная специ-

фичность, о чем говорят наши исследования, проведенные методом

ЭДУ для других речных бассейнов России.

Авторы признательны за помощь в подготовке данных В.А.Нику-

лину, Л.В.Джабруевой и А.А.Боголюбовой.

ЛИТЕРАТУРА

Абакумов В.А. 1991. Экологические модификации и развитие биоцено-

зов // Экологические модификации и критерии экологического

нормирования. Л.: Гидрометеоиздат. С. 18-40.

Булгаков Н.Г., Дубинина В.Г., Левич А.П., Терехин А.Т. 1995. Ме-

тод поиска сопряженностей между гидробиологическими показа-

телями и абиотическими факторами среды (на примере уловов и

урожайности промысловых рыб) // Известия РАН. Сер. биол. N

2. 113-120.

Ежегодники качества поверхностных вод и эффективности проведенных

водоохранных мероприятий. 1984-1991. Северо-Кавказское тер-

риториальное управление по гидрометеорологии.

Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. 1990. Севе-

ро-Кавказское территориальное управление по гидрометеороло-

гии.

Ежеквартальные бюллетени качества поверхностных вод суши.

1975-1983. Северо-Кавказское территориальное управление по

гидрометеорологии.

Левич А.П. 1994. Биотическая концепция контроля природной среды

Чесноков С.В. 1982. Детерминационный анализ социально-экономичес-

ких данных. М.: Наука. 168 с.

Ecological Modification and Criteria for Ecological Standartiza-

tion. 1982. Proceedings of the International Simposium. Ed.

D-r V.A.Abakumov. S.-P.: Gidrometeoizdat. 232 p.