CC BY
28
УДК 574.5:682.5:285.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ ЭКСЭРГИИ В КАЧЕСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ
© 2006 АЗ. Мокрый, Е.А. Зилов
Иркутский государственный университет, г. Иркутск
Проведен расчет структурной эксэргии для фонового района пелагиали Южного Байкала (постоянная станция № 1). Показано, что среднегодовые значения струкгурной эксэргии в фоновом районе в период 1990-2002 гг колебались в пределах от 11,8±1,7 (1994 г.) до 22,0±1,6 (2002 г) вокруг своего среднемно-голетнего значения (17,1±0,4), не испытывая каких-либо направленных изменений, что, в свою очередь, говорит об отсутствии неблагоприятных изменений в планктонном сообществе фонового района пелагиали Южного Байкала.
Необходимость иметь измеряемый параметр, стражсющий состояние экосистемы как целого и дающий возможность оценивать степень урона экосистеме от того или иного внешнего воздействия, давно признана современной экологией. За последние десятилетия было предложено множество таких показателей, но возникло и множество проблем, ссязанных с их применением. Во-первых, к каждой экосистеме следует подходить индивидуально, поскольку естественная изменчивость экосистем зависит от труднообозримого числа факторов и границы изменчивости каждого параметра экосистемы также индивидуальны. Вторую проблему представляют процессы сукцессии: пр и изменении условий прежняя экосистема сменяется практически новой, адаптированной к новым условиям, следовательно, ксказатели состояния экосистемы должны быть достаточно динамичны. Наконец, практически каждый исследователь выбирает собственный показатель в зависимости от своих вкусов и опыта.
В конце 80-х содов были сформулированы требования к показателям состояния экосистемы. Они должны:
• не зависеть от состояния отдельных видов;
• иметь числовое, желательно лишенное размерности, выражение;
• сыть приложимы к экосистемам разного иерархического уровня организации;
• определяться по минимальному числу наблюдений.
В настоящее время используются следующие показатели: организованность биоценоза [10]; осценденция [23]; индекс биологической целостности [19]; индекс «общего здоровья системы» [12], удельная фотосинтетическая поверхность [8, 9]. Но и они не лишены недостатков. Так, показатели Г.Е. Михайловского, Р. Улановича и Р. Ко станцы громоздки и чрезвычайно сложны для вычисления, индексы Дж. Kappa и ГТ. Миничевой проще и работоспособнее, но основаны на состоянии отдельных компонентов экосистемы - сообщества рыб, зоо- или фитобентоса.
В то же время необходимо помнить о том, что экосистемы являются открытыми, неравновесными термодинамическими системами. Давно уже высказывалась идея, что экологические системы развиваются в направлении овеличения потока энергии через них [1, 6, 7, 20, 21]. Естественно, поток энергии характеризует настоящее состояние экосистемы и определяет ее дальнейшее развитие. Но поток энергии в экосистеме невозможен без вещества и информации, и чем выше уровень информации, том выше степень использования вещества и энергии для дальнейшего удаления экосистемы от термодинамического равновесия. Согласно данным принципам, был разработан целый ряд термодинамичес-
ких показателей - максимизация энергии, минимизация энтропии, энмергия, эксэргия.
Среди других целевых функций одна, а именно эксэргия, имеет такие преимущества как хорошее теоретическое обоснование в термодинамике, связь с теорией информации и высокую степень корреляции с другими целевыми функциями при относительной простоте ее расчета [16]. Впервые использованная в экологическом моделировании в конце 70-х годов [22], ныне эксэргия используется для расчета параметров моделей экосистем и создания моделей, епособных предсказывать изменения видового состава экосистем [13, 18].
Эксэргия определяется как расстояние между текущим состоянием системы и ее состоянием в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Таким образом, эксэргия - мера отклонения экосистемы от равновесного состояния. Она указывает на количество работы, еатраченной на создание данной системы из первичных компонентов (в случае экосистемы - из первичного неорганического «бульона»), и информации, использованной при этом. Эксэргия, отнесенная к общей биомассе (структурная эксэргия), етражает способность экосистемы усваивать поток энергии извне, служа, одновременно, индикатором степени развития экосистемы, её сложности и уровня эволюционного развития организмов, ие которых она состоит .пп^ешеп, 1997].
Эксэргия рассчитывается по формуле [Ме] ег , 1шг§епвеп, 1978]:
п
Ех = ЯТ^ в 1п(С / с,,„ ) - (с, - с)], (1)
г=0
где Ех - эксэргия, Я - газовая постоянная, Т-абсолютная температура, с.—концентрация в экосистеме компонента г, с. ^ - концентрация компонента г в условиях термодинамического равновесия с окружающей средой, г = 0 -неорганические соединения, I = 1 - детрит, 1> 2 - организмы.
Величина с.ед представляет собой очень малую (но не нулевую) концентрацию органических компонентов, еоответствующую очень низкой вероятности спонтанного фор-
мирования комплексных органических соединений в «первичном бульоне» е условиях термодинамического равновесия. Проблема практического применения уравнения (1) состоит в нахождении величины с. ^ для каждого из значимых компонентов. С.Э. Иорген-сеном был разработан метод расчета эксэр-гии для любых (/> 2) компонентов экосистемы для которых известна биомасса, приблизительное число клеток и значащих последовательностей ДНК [13].
Например, для зеленых одноклеточных водорослей это будет
Ех / ЯТ = 25,2 • 10 5 с .
5 г
Тогда, еенеся общую величину эксэргии к таковой для детрита (7,34 *105), мы избавимся от многочисленных нулей и получим пересчетный коэффициент / , который для зеленых одноклеточных водорослей будет составлять 3,4, для дрожжей - 6,4, олигохет -35, коловраток-30, копепод-44 итп. Соответствующие коэффициенты уже рассчитаны для многих систематических групп организмов и опубликованы [14-17]. Тогда общая эксэргия экосистемы может быть рассчитана по уравнению
п
Ех / ЯТ=^Сг/г , (2)
г=1
структурная эксэргия, соответственно - по уравнению
п п
Ех*г=Т<Сг^ С . (3)
г=1 г=1
Для оценки пригодности приложения структурной эксэргии к реальным природным экосистемам был проведен расчет структурной эксэргии для планктонного сообщества пелагиали Южного Байкала в верхнем трофогенном слое 0-50 м за период 1990-2002 гг. Расчет выполнялся на основании данных ГИС «Шанктон» НИИ биологии при ИГУ, полученных в результате еженедельных наблюдений на пелагической постоянной станции № 1.
Район постоянной станции № 1 является фоновым для Южного Байкала [3, 5]. Таким образом, рессчитав значения структурной эксэргии для не подверженного антропогенно-
му влиянию района, мы получим диапазон естественной ее изменчивости.
Структурная эксэргия рассчитывалась по формуле (3); в качестве пересчетного коэффициента для зоопланктона бралось 44, вля фитопланктона - 3,4 [17]. Биомасса фитопланктона рассчитывалась исходя из того, вто хлорофилл а составляет 0,25% сырой биомассы фитопланктона, по формуле [11]:
Ба = 400 • С
ф X
(4)
где Бф - сырая биомасса фитопланктона, мг«м-3; 400 в пересчетный коэффициент; С - концентрация хлорофилла а, мг*м-3.
Среднегодовые значения структурной эк-сэргии за период 1990-2002 гг. изменялись в пределах от 11,8±1,7 (1994 г.) до 22,0±1,6 (2002 г.) со среднемноголетним равным 17,1±0,4 (табл. 1).
Таблица 1. С реднегодовые значения структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 ( Южный Байкал), 1990-2002 гг.
Год Структурная эксэргия Год Структурная эксэргия
1990* 18,3±1,7 1997 15,6±1,0
1991 19,0±1,5 1998 16,9±0,9
1992 21,0±1,1 1999 15,9±1,0
1993 19,1±2,4 2000 13,2±1,1
1994 11,8±1,7 2001 18,9±1,4
1995 17,7±2,1 2002 22,0±1,6
1996 16,4±1,0 1990-2002 17,1±0,4
данные за июнь-декабрь
о ^
т
к со х
о. >»
о.
25,00 п 20,00 -15,00 -10,00 -
¿3 5,00 -
0,00
1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Год
-•—Структурная эксэргия ~~ _ Среднемноголетнее " " " Среднемноголетнее±5
Рис. 1. М н оголетняя динамика структурной эксэргии в слое 0-50 ее на пелагической станции № 1 ( Южный Байкал), 1990-2002 гг.
На рис. 1 видно, что все среднегодовые значения структурной эксэргии не выходят за пределы «среднемноголетнее ± среднее квад-ратическое отклонение (д)». Таким образом, среднегодовые значения структурной эксэргии в период 1990-2002 гг. волебались вокруг своего среднемноголетнего значения, не испытывая каких-либо направленных изменений, что, в свою очередь, говорит об отсут-
ствии неблагоприятных изменений в планктонном сообществе фонового района пелаги-али Южного Байкала.
При анализе внутригодовых изменений структурной эксэргии за 1990-2002 гг. были выявлены максимальные и минимальные ее значения (табл. 2). Наименьшее значение структурной эксэргии, равное 4,3, зарегистрировано в 1994 г., наибольшее, равное 40,8,
-в 2002 г..
За весь рассматриваемый период годовой минимум значений структурной эксэргии в слое 0-50 м та пелагической станции № 1 в 23% елучаев приходился на апрель и в 3 8% -на май (т.е. н е конец подледного - начало переходного периодов). В сего же на биоло-
гическую весну (февраль-июнь) приходилось 85 % случаев минимума структурной эксэргии. Годовой максимум значений структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 в 70% случаев приходился на летне- осенний период.
Таблица 2. В нутригодовые максимальные и минимальные значения структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 ( Южный Байкал), 1990-2002 гг.
год Структурная эксэргия
минимум месяц максимум месяц
1990* 8,6 7 32,0 6
1991 9,0 4 34,0 6
1992 11,7 6 32,4 11
1993 4,9 12 30,4 5
1994 4,3 4 29,3 8
1995 5,2 5 33,3 3
1996 8,4 3 24,7 10
1997 4,7 5 27,1 10
1998 4,7 5 29,0 7
1999 5,7 5 31,7 9
2000 4,4 4 27,0 10
2001 7,8 3 29,8 8
2002 7,8 5 40,8 9
1990-2002 4,3 40,8
* - данные за июнь-декабрь
В экспериментах с моделью возмущений, а также в натурных экспериментах с мезокос-мами на оз. Б айкал показана существенно большая чувствительность весеннего сообщества планктона, по сравнению с летне-осенним планктоном, к действию химических загрязнителей, ееичем как питательных веществ (биогенные элементы), так и токсикантов [2]. Приведенные выше данные также свидетельствуют о меньшей устойчивости весеннего комплекса видов байкальского планктона. Следовательно, ллетyплeниe загрязнителей в Байкал биологической весной с гораздо большей вероятностью может вызвать неблагоприятные сдвиги в экосистеме озера.
При наличии многолетней динамики структурной эксэргии, р ассчитанной по значениям биомассы зоопланктона и концентрации хлорофилла а, наме была рассчитана
и сезонная динамика структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 для 1999 г. по имеющимся данным биомасс зоо-и фитопланктона. Причем сырая биомасса каждого вида фитопланктона вычислялась путем умножения его численности (числа клеток) на объем клетки данного вида, принимая удельный вес равным единице. При енализе сезонной динамики структурной эксэргии в 1999 г. обращает на себя внимание тот факт, что в период вскрытия озера ото льда, е переходный к лету период (май-июнь), значения структурной эксэргии почти втрое меньше по сравнению с другими периодами фис. 2). Этот факт наглядно свидетельствует о меньшей устойчивости весеннего сообщества планктона.
Интересен также тот факт, что минимальные показатели структурной эксэргии наблю-
даются не биологической зимой, в период годового минимума биомасс зоо- в фитопланктона [4], в биологической весной. Интерпре-
тация этого явления может стать задачей будущих исследований.
дата
Рис. 2. Д и намика структур ной эксэргии в слое 0-50 ее на пелагической станции № 1
( Южный Байкал), 1999 г.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям РФ (шифр 2006-РИ-19.0/ 001/096, государственный контракт № 02.442.11.7261 в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным на-
правлениям развития науки и техники») в гранта по разделу «Университеты России» Научной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Федерального агентства по образованию РФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1978.
2. Зилов ЕЛ. Использование эксэргии для оценки здоровья водных экологических систем // Эвосистемы и природные ресурсы горных стран. Новосибирск: Наука, 2004.
3. Изместьева Л.Р., Кожова ОМ. Опыт организации гидробиологического мониторинга // Методология оценки состояния экосистем. Новосибирск: Наука, 1998.
4. Кожов ММ. Биология озера Байкал. М.: Изд-во^СССР, 1962.
5. Кожова ОМ., Бейм А.М. Экологический мониторинг Байкала. М.: Экология, 1993.
6. Камшилов ММ. Эволюция биосферы. М.: Наука, 1979.
7. Маргалеф Р. Облик биосферы. М.: Наука, 1992.
8. Миничева ГГ. Прогнозирование структуры фитобентоса с помощью показателей поверхности водорослей// Бот. журн. 1990. Т. 75, №11.
9. Мини чева Г. Г. Ивпользование показателей поверхности бентосных водорослей для экспресс-диагностики трофо-с^робионт-ного состояния прибрежных экосистем //
Альгология. 1998. Т. 8, № 3.
10. Михайловский Г.Е. Описание и оценка состояния планктонных сообществ. М.: Наука, 1988.
11. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений / Под ред. В А. Абакумова. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
12. Costanza R. Toward an operational definition of ecosystem health // Ecosystem Health: New Goals for Environmental Management. Washington: Island Press, 1992.
13. Jorgensen S.E. Parameters, ecological constraints and exergy // Ecological Model. 1992. Vol. 62.
14. Jorgensen S.E. Review and comparison of goal functions in system ecology // Vie Milieu. 1994. Vol.44.
15. Jorgensen S.E. Exergy and ecological systems analysis // Complex Ecology: the Part-Whole Relation in Ecosystem. 1995.
16. Jnirgensen S.E. Integration ofEcosystem Theories:
a Pattern. 2nd ed. Doedrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers, 1997.
17. Jürgensen S.E., Bendoricchio G. Fundamentals of Ecological Modelling. 3d ed. Amsterdam: Elsevier, 2001.
18. Jorgensen S.E., Nielsen S.N. Models of the structural dynamics in lakes and reservoirs // Ecological Modelling. 1994. Vol. 74.
19. Karr J.R. Biological integrity: a long-neglected aspect of water resource management // Ecological Applications. 1991. Vol.1.
20. Margalef R. Perspectives in Ecological Theory. Chicago: Univ. Press, 1968.
21. Margalef R. Ecologia. Barcelona: Omega, 1974.
22. Mejer H.F., Jorgensen S.E. Energy and ecological buffer capacity // State of the Art in Ecological Modelling. Copenhagen: ISEM, 1979.
23. Ulanowicz R.E. Network growth and development: Ascendancy // Complex Ecology. New Jersey. 1995.
THE USE OF STRUCTURAL EXERGY AS AN INTEGRAL INDEX OF THE
ECOSYSTEM STATE
© 2006 A.V. Mokry, E.A. Silow Irkutsk State University, Irkutsk
Structural exergy is calculated for the background region of the Southern Baikal pelagial (permanent station #1). The average annual values of structural exergy in this region in 1990-2002 fluctuated within the limits between 11.8±1.7 (1994) and 22.0±1.6 (2002) around their average (17.1±0.4). They do not demonstrate any tendency which points to the lack of negative changes in the planktonic community of Southern Baikal.
