CC BY
73
УДК 574.4:504.05
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОРМАТИВОВ КАЧЕСТВА ЭКОСИСТЕМЫ ОЗЕРА БАЙКАЛ И ДОПУСТИМОЙ АНТРОПОГЕННОЙ
НАГРУЗКИ НА НЕЕ
© 2006 Б.К. Павлов, Е В. Пешкова
НИИ биологии при Иркутском государственном университете, г. Иркутск
Обоснован экологический подход к определению нормативов качества экосистемы озера Байкал и нормативов допустимых воздействий на нее, еазирующийся на способности видовых популяций устойчиво функционировать в условиях давления антропогенных факторов. Дано определение устойчиво функционирующей экосистемы как системы, сохраняющей свойственный ей диапазон естественной изменчивости параметров ее биотического сообщества.
Нормирование антропогенных воздействий на природную среду существовало еще в Древнем Вавилоне (1700 еет до н.э.) е Древней Индии (240 лет до н.э.). В Древнем Вавилоне закон регулировал лесопользование, в Древней Индии эдикт регулировал охоту на животных. В России первые акты, регулирующие лесопользование и использование объектов животного мира появились в XVI веке. К концу XIX еека сформировалась правовая система в виде указов и законов, регулирующая допустимую антропогенную нагрузку на природную среду.
Международные соглашения, нормирующие допустимые уровни вылова рыбы и добычи китов в международных водах, появились в XX веке.
К середине 50-х годов XX етолетия сформировалась и стала общепринятой концепция популяции как элементарной единицы существования и элементарной самовоспроизводящейся единицы вида. Беши разработаны методы допустимого изъятия особей из популяции без разрушения механизмов ее самовоспроизводства. Нормативы допустимой антропогенной нагрузки на популяцию рассчитывались на основе знания об особенностях ее структуры, интенсивности размножения и смертности.
Существенное изменение окружающей
ереды в результате хозяйственной деятельности человека как причина ухудшения состояния его здоровья было осознано еще в XVII веке. К началу XX е ека проблема сохранения здоровья человека в связи с воздействием побочных продуктов его деятельности - загряз-неющих веществ стала столь острой, что появилась необходимость нормирования поступления загрязняющих веществ в среду его ебитания.
За нормативы качества среды обитания человека были приняты концентрации веществ, не нарушающие здоровья человека -ередельно допустимые концентрации (ПДК) веществ. П Д К веществ определялись на опытных организмах в лаборатории путем подбора недействующих на состояние их жизнедеятельности концентраций. Допустимые нормативы выбросов и сбросов веществ определялись расчетным путем на основе интенсивности их рассеивания в атмосферном воздухе или разбавления в воде водных объектов с учетом того, чео бы концентрации веществ в среде обитания человека не превышали их ПДК.
Такой подход к определению нормативов выбросов и сбросов веществ в окружающую среду был назван гигиеническим. Ое должен был обеспечить сохранение здоровья человека. Позднее были разработаны ПДК ве-
ществ для воды рыбохозяйственных водоемов. Они определялись экспериментальным путем в опытах на отдельных организмах.
Критика концепции ПДК веществ, иак нормативов качества окружающей среды, началась сразу же после ее юридического утверждения. К началу 70-х годов ХХ-ио столетия было накоплено значительное число данных, ивидетельствующих о существенных различиях по степени устойчивости (в 1000 раз и больше) к действию одного и того же вещества у организмов, не только принадлежащих к разным таксономическим группам, но и в пределах одного рода, вида и даже у разных популяций одного вида [16].
Критика концепции ПДК веществ сводилась к тому, иио в природной среде вещество, для которого определена ПДК в лабораторных условиях, трансформируется, проявляет эффекты синергизма, антагонизма, суммирования действия разных веществ, вступает в комплексы с органическими молекулами и т.д.
Федеральный закон «Об охране окружающей среды» (2000 г., № 7) определил, ито нормативы качества природной среды должны обеспечивать устойчивое функционирование естественных экосистем (ст. 1). В естественной экосистеме элементарная функциональная единица - видовая популяция, не отдельные особи. Поэтому соблюдение ПДК веществ в природной среде, определенных на организменном уровне, не может быть нормативом, ибеспечивающим устойчивое функционирование естественной экосистемы.
Альтернативой методологии ПДК был предложен биотический подход к нормированию качества природной среды [7, 8]. Биотический подход основывался на положениях концепции экологической толерантности, устанавливающей допустимые уровни воздействий на биотическое сообщество естественной экосистемы [9]. Для реализации биотического подхода был необходим набор способов оценки состояния сообществ, которые позволяли бы отличать устойчиво функционирующую систему от экосистемы, в которой произошли существенные изменения, вызванные давлением антропогенных факторов. Было предложено множество индексов
(сапробности по Пантле-Буку, Сладечеку, Ву-дивису, индексы видового разнообразия и т.д.). В се эти индексы используются в системе экологического контроля Росгидромета [11]. Основной недостаток, не позволяющий использовать эти индексы для оценки состояния сообществ водных экосистем, заключается в том, что они не учитывают сезонную и многолетнюю динамику видовых популяций, образующих биотическое сообщество естественных экосистем [3].
В 70-80-и годы прошлого века развернулась широкая дискуссия о том, иакие изменения экосистем допустимы в результате антропогенных воздействий, а какие не допустимы. Иными словами, каким должно быть качество экосистем, на которые воздействуют антропогенные факторы. Обсуждался вопрос о том, какими признаками должна обладать «хорошая» экосистема. Было предложено множество (около 50) показателей «нормальности» экосистемы, иреди которых встречаются такие экзотические, как «дарвинская приспособленность - аналог произведения термодинамической энтропии на температуру», не имеющих экологического смысла.
К концу 80-х иодов прошлого столетия сформировалась концепция «экологических модификаций» - перестройки биоценозов в условиях антропогенного воздействия [1]. Усложнение экологической структуры биоценоза назвали экологическим прогрессом, упрощение экологической структуры биоценоза - регрессом, перестройки экологической структуры, ни ведущие к усложнению или упрощению - экологической модуляцией. Экологическая модуляция может выражаться в смене доминантных видов и даже в изменении видового состава. Предполагается, что допустимые антропогенные воздействия должны вызывать только экологические модуляции [1].
Критики концепции ПДК веществ упустили из виду главный недостаток. ПДК веществ определялись на организменном уровне в лаборатории. В природных условиях любой биологический вид может существовать только в виде популяций - совокупностей особей,
способных самовоспроизводиться. Способность видовой популяции самовоспроизводиться лежит в основе самовоспроизводства биотических сообществ и естественных экосистем.
Функционирование биотического сообщества естественной экосистемы - это взаимодействие образующих его видовых популяций, еыражающееся в потоках вещества, энергии и информации. Каждой видовой популяции свойственен определенный диапазон сезонной и межгодовой изменчивости ее параметров, сложившейся в процессе адаптации к условиям существования в конкретной экосистеме.
Устойчиво функционирующая экосистема - это экосистема, в которой диапазоны изменчивости параметров ее видовых популяций не выходят за эволюционно сложившиеся их пределы.
В каждой устойчиво функционирующей видовой популяции сохраняется такое соотношение между смертностью и рождаемостью (приростом), еоторое позволяет ей сохранять численность на уровне, еостаточном для обеспечения самовоспроизводства.
Процесс смертности в видовой популяции такой же естественный процесс, как и процесс размножения. Риск гибели отдельных особей (вдеток) ет каких-либо факторов внешней для видовой популяции среды (биотической, абиотической) елучайно распределен во времени и пространстве. При любом случайном сочетании факторов, еействующих на видовую популяцию, ебщепопуляционная смертность компенсируется рождаемостью. Появление «нового» фактора смертности (в том числе, антропогенного) не увеличивает общепопуляционную смертность, происходит «перераспределение» смертности - об-щепопуляционная смертность от ранее действующих факторов снижается [13, 18, 19].
Разрушение способности видовой популяции к самовоспроизводству происходит в том случае, ковда общепопуляционная смертность за один цикл размножения превысит эволюционно сложившийся ее максимум, а действие антропогенных факторов (например, токсичных веществ) ееспространится на всю
видовую популяцию. Подобное может произойти только в незначительных по размеру экосистемах (н^фимер, пруд, еебольшое озеро или река).
Определить нормативы качества естественной экосистемы и допустимую антропогенную нагрузку на нее возможно только на основе знаний многолетней изменчивости (сезонной, годовой) интегральных показателей ее состояния, а также численности (биомассы) ее видовых популяций, еерающих ведущую роль в потоках вещества, енергии и информации.
Нормативами качества устойчиво функционирующей естественной экосистемы могут быть диапазоны естественной изменчивости ее параметров.
Допустимой антропогенной нагрузкой на экосистему будет такая нагрузка, пей которой диапазон изменчивости параметров видовых популяций не выходит за эволюционно сложившиеся пределы.
Закон Российской Федерации «Об охране окружающей среды» (10 енваря 2002 г., № 7) дал правовое определение нормативам качества окружающей среды и нормативам допустимой антропогенной нагрузки на окружающую среду (ст. 1, 21, 27).
Впервые было дано правовое определение понятия «благоприятная окружающая среда» как окружающей среды, качество которой обеспечивает устойчивое функционирование естественных экологических систем.
Нормативы качества окружающей среды определены как нормативы, еоторые установлены в соответствии с физическими, химическими, биологическими и иными показателями для оценки состояния окружающей среды и при соблюдении которых обеспечивается благоприятная окружающая среда.
Нормативы допустимой антропогенной нагрузки на окружающую среду определены как нормативы, установленные в соответствии с величиной допустимого совокупного воздействия всех источников на окружающую среду и (или) отдельные компоненты природной среды в пределах конкретных территорий и (или) акваторий и при соблюдении которых обеспечивается устойчивое фун-
кционирование естественных экологических систем и сохраняется биологическое разнообразие (ст. 1).
При установлении нормативов качества окружающей среды и нормативов допустимой антропогенной нагрузки на нее учитываются природные особенности территорий и акваторий и назначение естественных экосистем (ст. 21 и 27).
Федеральный закон «Об охране окружающей среды» вводит правовое определение понятия «е стественная экологическая система» как объективно существующей части природной среды, иоторая имеет пространствен-но-тиириториальные границы и в которой живые фастения, животные и другие организмы) и неживые ее элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и связаны между собой обменом вещества и энергией.
Задача определения нормативов качества природной среды и нормативов допустимой антропогенной нагрузки в каждом конкретном случае решается на основе выделения (определения границ) конкретной экосистемы и знания параметров ее устойчивого функционирования .
В экологии в термин «устоотивость» вкладывается разный смысл.
Ю.Одум [10] различает резистентную устойчивость - способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменной свою структуру и функции, и упругую устойчивость - способность экосистемы восстанавливаться после того, как ее структура и функция нарушены.
Ю.М.Свирежев и Д.О.Логофет [15] считают, чти дать четкое и однозначное определение термина «устойчивость» оказывается трудной задачей. В самом общем смысле устойчивость определяется способностью биотического сообщества (совокупности видовых популяций) экосистемы противостоять возмущающим факторам. Ю.М.Свирежев и Д О.Логофет [15] предполагают, что биотическое сообщества или экосистема устойчивы, исли траектория ее модели в фазовом пространстве не будет выходить за пределы заданной ограниченной области при некото-
рых возмущениях достаточно широкого спектра.
Для целей нормирования качества природной среды можно считать экосистему устойчиво функционирующей, исли она сохра-ниет свойственный ей диапазон естественной изменчивости параметров биотического сообщества.
Основной критерий самостоятельности водных экосистем - это сбалансированность потока биогенных веществ между ее абиотическими и биотическими компонентами. При синтезе первичного органического вещества из абиотических компонентов экологической системы извлекаются биогенные соединения. Консументы 1 -го порядка переводят пер-иииное органическое вещество в форму, доступную консументам 2-го и последующих порядков. В течение определенного времени биогенные и другие вещества, включенные при фотосинтезе в первичное органическое вещество, ироходят по всем трофическим уровням, в том числе и редуцентам, минерализуются, иикоторое количество из них осаж-иается на дно водоема и выносится за пределы экосистемы с водами, вытекающими из водного объекта.
Основная часть минерализованных биогенных веществ вновь поступает в зону фотосинтеза и используется для создания первичного органического вещества. Поступление извне биогенных веществ в водную экосистему компенсируется их выведением из экосистемы. Такой водный объект представляет собой экосистему. Необходимое условие - полное перемешивание вод во время весенней и осенней циркуляции.
А.Ф.и^лимов [2] предложил считать единой экосистемой водные объекты, и которых внутрисистемное вовлечение биогенных веществ в синтез первичного органического вещества в 3 р аиа и более превышает их поступление извне.
В крупных водных объектах, иаких как оз. Байкал, могут существовать две и более экосистемы.
Границы экосистем водной толщи в крупных водных объектах можно определять по границам доминирующих по вкладу в суммар-
ную первичную продукцию видовых популяций планктонных водорослей [6, 12].
Границы популяций планктонных видов определяются границами квазистационарных круговоротов вод. В Байкале выделяются 5 квазистационарных круговорота вод [17].
Локальные экосистемы дна литорали оз. Байкал можно выделять в границах видовых популяций донных водорослей, доминирующих по первичной продукции.
Это можно показать на примере одной из 3 котловин оз. Байкал. Вдоль западного берега идет подводная терраса, имеющая глубину на внешнем крае от 5 до 15 ми шириной от 50 до 600 м. За террасой начинается подводный склон с уклоном 30-35, оканчивающийся на глубине около 1300 м. Вдоль восточного берега идет мелководная терраса с глубиной на внешнем крае 20 ми шириной 500-1000 м. 3 к ней начинается подводный склон с уклоном 15-300 и шириной 4-12 км. Нижняя граница склона расположена на глубинах 900-1000 м [14].
На мелководных террасах в верхних частях подводных склонов до глубины 50-70 м распространены прикрепленные донные водоросли, коздающие летом биомассу: до 390 г м-2 - на глубинах 1,5-2,5 м; до 297 к м-2 -на глубинах 2,5-15 м; на глубинах 15 ми более биомасса колеблется в пределах 1-30 г м-2, на глубинах 50 м и более биомасса макроводорослей в редких случаях достигает 1,0 г м-2 [5]. Донные макроводоросли в зоне глубин до 50 м на мелководных террасах в верхней части подводных склонов служат основным источником первичного органического вещества для населения литорали. Поэтому в Байкале можно выделить экосистемы литорали и экосистемы пелагиали.
В пелагиали (в открытом Байкале за пределами глубины 50 м) источник первичного органического вещества - сообщество планктонных водорослей. Около 80% первичной продукции за год в слое воды 0-50 м создают 6 видов диатомовых: 3 вида рода Aulacoseira - Synedra acus, Cyclotella baicalensis и C. minuta. В есной подо льдом в слое воды 0-1 м значительную первичную продукцию создает Gymnodinium baicalense (дтофитовые), ле-
том в слое воды 0-25 м - Chroomonas acuta (криптофитовые) и, в поверхностном слое воды - Anabaena lemmermannii (сине-зеленые).
Доминантный (вдючевой) вид консумен-тов первого порядка, создающий до 95% продукции этого трофического уровня, эпишура. Зоопланктон пелагиали Байкала образуют около 40-50 видов, но их годовая продукция незначительна и существенной роли в круговороте вещества и энергии не играет. Исключение составляет макрогектопус - основа питания голомянок. Его среднегодовая продукция достигает 8-12 см-2. Средняя годовая продукция эпишуры колеблется в пределах 120-560 см-2 [4].
Следующий трофический уровень биотического сообщества - пелагические рыбы: омуль, бычки: желтокрылка и длиннокрылка и голомянки: Д олылая и малая.
Единственный источник органического вещества для донных животных за пределами глубин 50-70 м - это детрит, основу которого составляют продукты жизнедеятельности обитателей водной толщи, дтмершие особи (или части), опускающиеся на дно [20]. Таким образом, можно считать, что население водной толщи и дна за пределами глу-Дин 50-70 м представляют собой единое биотическое сообщество.
Основной источник органического вещества донных животных в литорали оз. Байкал - первичная продукция донных водорослей.
В оз. Б айкал в зоне глубин до 30 м (литорали) с осредоточено более 75% сндемичных животных и 95% эндемичных донных водорослей (ма^офитов) [20].
В первом приближении можно принять, что в озере Байкал существует как минимум пять пелагических экосистем: саселение водной толщи и дна в пределах 5 квазистационарных круговоротов вод и 9 сснных водных экосистем в литорали озера.
Есть основания считать, что популяции эндемичных донных, в том числе донных водорослей, видов континуальны. Границами видовых популяций в литорали могут быть глубокие впадины дна - продолжения
русла рек. Некоторые данные о популяцион-ной организации эндемичных видов донных водорослей можно получить, исходя из особенностей распределения ландшафтов мелководных террас оз. Байкал.
Исходя из этого можно считать, иио в Южном Байкале можно выделить 3 локальных экосистемы литорали дна озера. 4 локальных экосистемы дна можно выделить в Среднем Байкале и 2 - в Северном Байкале.
На основе изучения механизмов и закономерностей функционирования экосистемы Байкала в течении 50 иит можно сделать следующие выводы.
Для целей нормирования качества природной среды можно считать экосистему устойчиво функционирующей, исли она сохраняет свойственный ей диапазон естественной изменчивости параметров биотического сообщества.
За нормативы качества экосистемы можно принять максимальные или минимальные значения диапазона изменчивости параметров видовых популяций «мючевых» видов, играющих доминирующую роль в круговороте вещества и энергии в конкретной экосистеме, и интегральные показатели состояния фитопланктона, а также максимальные или минимальные значения концентраций участвующих в круговороте биогенных веществ, способных изменить конкурентные отношения между видовыми популяциями.
Для оценки состояния экосистем водной толщи необходимо и достаточно использовать интегральные показатели автотрофного звена сообщества - продуцента первичного органического вещества: веишчину первичной продукции и концентрацию хлорофилла «а», а также биомассу и численность видов, играющих доминирующую роль в круговороте вещества и энергии: 6 видов планктонных видов водорослей и 1 вид зоопланктона -эпишура.
Для оценки состояния локальных донных экосистем литорали Байкала необходимо и достаточно оценивать соотношение биомасс следующих таксономических групп: гвамма-рид, моллюсков, олигохет, хирономид и ручейников.
Определение допустимой антропогенной
нагрузки на экосистему озера Байкал предлагается осуществлять по схеме:
- определение состояния 5 локальных экосис-
тем водной толщи;
- определение существующей антропогенной
нагрузки на водную толщу каждой из 5 экосистем;
- определение состояния 9 лоиальных донных
сообществ литорали в зоне влияния сброса сточных вод;
- определение существующей антропогенной
нагрузки на локальные донные сообщества литорали;
- выявление отклонения состояния биотичес-
ких сообществ от их устойчивого функционирования;
- определение антропогенных факторов, вызы-
вающих отклонения в устойчивом функционировании локальных экосистем;
- рекомендации по снижению интенсивности
давления антропогенного фактора, вызывающего отклонения от устойчивого функционирования локальных экосистем;
- иииледующее осуществление экологического
контроля в зоне влияния сточных вод хозяйствующим субъектом, включающим оценку состояния локальных экосистем по биологическим показателям;
- на следующий год при отсутствии эффекта
возращения локальной экосистемы к состоянию устойчивого функционирования выдаются рекомендации по дальнейшему снижению интенсивности давления антропогенного фактора.
Установление предельно допустимых воздействий на экосистему оз. Байкал - это длительный постоянный процесс, осуществляемый на основе анализа данных государственного экологического мониторинга и производственного экологического контроля. Такой подход основан на положении Федерального закона «О б охране озера Байкал» (статья 14) о ижегодном пересмотре нормативов допустимых воздействий на уникальную экологическую систему оз. Байкал.
Авторами статьи на основе экологического подхода разработаны в 2006 г. нормативы качества экологической системы оз. Байкал и нормативы допустимых воздействий на нее.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абакумов В А. Экологические модификации и развитие биоценозов // Экологические модификации и критерии экологического нормирования. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
2. Алимов А.Ф. Оеновные положения теории функционирования водных экосистем // Гидробиол. журн.1990. Т. 26, ее« 6.
3. Изместъева Л.Р., Павлов Б.К., Пешкова Е.В. Изменчивость показателей видового разнообразия фитопланктона Байкала в районе Байкальска // Проблемы сохранения биоразнообразия: Материалы конф. «Проблемы экологию». Чтения памяти проф. ММ. Ко-жова. Новосибирск: Наука, 1998.
4. Изместъева Л.Р., Пешкова Е.В., Павлов Б.К. Роль эпишуры (Бр18сЬига Ьаюа1еш18 Баге) е круговороте фосфора в озере Байкал // Экосистемы и природные ресурсы горных стран. Новосибирск: Наука, 2004.
5. Ижболдина Л А. Мейо- и макрофитобен-тос озера Байка (водоросли). Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1990.
6. КожоваО.М., Павлов Б.К. Популяционные аспекты исследования зоопланктона озера Байкал // Прогнозирование экологических процессов. Новосибирск: Наука, 1986.
7. Левин АЛ. еиотическая концепция контроля природной среды // Докл. РАН. 1994. Т. 337, № 2.
8. Левин АЛ., Булгаков ИТ., Максимов В Л. Теоретические и методические основы технологии регионального контроля природной среды по данным экологического мониторинга. М.: НИА-Природа, 2004.
9. Макс имов В Л. Проблемы комплексной оценки качества природных вод (эталоги-
ческие аспекты) // Гидробиол. журн. 1991. Т. 23, №3.
10. ОдумЮ. Экология. М.: Мир, 1986. Т. 2.
11. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Роскомгидромета. Методические указания. Охрана природы. Гид-росфераРД 52.24.309-93. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.
12. Павлов Б.К. Об элементарных самовоспроизводящихся биохорологических единицах элементарного уровня // Методология оценки состояния экосистем. Новосибирск: Наука, 1998.
13. ПавловБ.К. Управление популяциями охотничьих животных. М.: Агропроимиздат,
1989.
14. Подводные ландшафты Байкала / Под ред. КМ. Петрова. Новосибирск: Наука, 1990.
15. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ. М: Наука,
1978.
16. Строганов КС. Сравнительная чувствительность гидробионтов к токсикантам // Итоги науки и техники. Т. 3. Водная токсикология / Под ред. Н С. Строганова. М.: ВИНИТИ, 1976.
17. Течения в Байкале. Новосибирск: Наука, 1977.
18. Andrewartha H.G., Birch L.C. The ecological web: More on the distribution and abundance of animals. Chicago: Univ. Chicago Press, 1984.
19. Boer P.S. den. On the survival of populations in a heterogeneous and variable environment // Oecologia. 1981. V 50, №1.
20. Lake Baikal: Evolution and Biodiversity / Eds. by O.M. Kozhova and L.R. Izmest'eva. Leiden: The Netherlands: Backhuys Publishers, 1998.
THE ECOLOGICAL BASIS OF THE QUALITY NORMS FOR THE ECOSYSTEM OF LAKE BAIKAL AND ITS PERMISSIBLE ANTHROPOGENIC LOAD
© 2006 B.K. Pavlov, E.V. Peshkova Scientific Research Institute of Biology at Irkutsk State University, Irkutsk
In this paper we substantiate the ecological approach to the establishing of norms of quality of Baikal ecosystem and norms of permissible impacts on it. This approach is based on the ability of species ' populations to function firmly in conditions of anthropogenic pressure. We also define a stable ecosystem as a system which preserves its own diapason of natural variability of the parameters of its biotic community.
