Подход к оценке воздействия предприятий горной промышленности на речные экосистемы Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

© В.Ф. Шуйский, Д.С. Петров, Т.А. Петрова, 2002

УДК 622.014.2:502.76

В.Ф. Шуйский, Д.С. Петров, Т.А. Петрова

ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА РЕЧНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

К

ак известно, предприятия горной промышленности оказывают на пресноводные экосистемы очень сложное многоплановое воздействие. Его оценка и нормирование затруднены следующим. Во-первых, общепринятые для этого методы были в свое время разработаны для диагностики са-пробности - органического загрязнения водоемов и водотоков, обусловленного сельскохозяйственной деятельностью человека. Техногенные сукцессии гидроэкосистем имеют иной характер и требуют более адекватных методов исследования. Во-вторых, трудности оценки определяются в данном случае особой сложностью, многофакторностью воздействия, создающей его эмерджентные свойства, в то время как принято оценивать лимитирующие факторы раздельно (система ПДК). Лишь для некоторых групп веществ сона-правленного биологического действия эффект суммируют, хотя на самом деле взаимодействуют все экологические факторы любой природы, и эффект от совместного действия на биосистемы часто намного превышает аддитивный. Предлагается подход к экологическому нормированию многофакторного воздействия предприятий горной промышленности на пресноводные экосистемы. В основу подхода положены закономерности реакции на воздействие сообществ донных макробеспозвоночных (макрозообентоса) -наиболее надежного и информативного биоиндикатора.

"Ключевой" характеристикой сообщества макрозообентоса является его видовой состав. Он не только наиболее строго детерминируется условиями среды, но и задает основные характеристики сообщества, в частности, определяет обратимость их изменений. Соответственно, критерием сохранения или утраты упругой устойчивости макрозообентоса к воздействию обоснованно следует считать сохранение или изменение исходного видового состава сообщества. Однако практически оценить степень сохранности видового состава сообщества при воздействии бывает довольно трудно. Особи различных видов встречаются в сообществах с различной регулярностью, могут обнаруживаться постоянно, периодически или спорадически. Чем выше достоверность обнаружения в сообществе особей того или иного вида при принятом режиме наблюдения, тем показательнее наличие или отсутствие данного вида для оценки воздействия (Шуйский и др., 2000). Ясно, что если тот или иной вид с высокой достоверностью встречается в фоновых условиях, то отсутствие данного вида в условиях воздействия с той же вероятностью свидетельствует об изменении видового состава вследствие данного воздействия. Следовательно, целесообразно выявить для фонового состояния макрозообен-

тоценоза все те виды, встречаемость которых предсказуема с достаточно высокой достоверностью, и по их наличию или отсутствию в условиях изучаемого воздействия обоснованно судить о сохранении или изменении видового состава бентоса. Критерием выбора видов, чье наличие достаточно показательно и должно учитываться при оценке воздействия, может служить достоверность отличия средней (за период изучения) популяционной плотности вида от нуля (Р, %) в фоновых условиях (Занцинская, Шуйский, 1997; Шуйский и др., 1997; Шуйский, Занцинская, 1998). Тогда, задавая граничное значение доверительного уровня (р, %), можно разделить виды на две группы:

1. Р>р: встречающиеся в сообществе закономерно (следовательно, включаемые в перечень видового состава сообщества );

2. Р<р: встреченные случайно (следовательно, не включаемые в перечень видового состава сообщества).

Таким образом, если отбор проб макрозообентоса в фоновых условиях и в условиях изучаемого воздействия ведется в одинаковом режиме, то полное соответствие перечней указанных видов позволяет констатировать с достоверностью р, что при воздействии видовой состав бентоса не изменился, т.е. устойчивость сообщества к воздействию сохранилась. Любое различие перечней видов (даже исчезновение или появление в условиях воздействия лишь одного нового вида) с достоверностью р свидетельствует об изменении видового состава бентоса, т.е. об утрате сообществом устойчивости к воздействию. При изучении различных сообществ пресноводного макрозообентоса установлено (Зан-цин-ская, Шуйский, 1997; Шуйский, Занцинская, 1998), что наиболее обоснованно и четко такое разделение видов, встреченных в сообществе, осуществляется при р да 90 %. Таким образом, если в сообществе перестают встречаться особи хотя бы одного из видов, средняя популяционная плотность которого в фоновых условиях при установленном режиме пробоотбора отличалась от нуля с достоверностью более 90 %, — следует признать, что видовой состав сообщества достоверно (р = 90 %) изменился вследствие изучаемого воздействия, т.е. исходное сообщество утратило устойчивость к воздействию, перестало существовать и сменилось другим сообществом, обладающим иным видовым составом.

Мера устойчивости. Для количественного изучения реакции бентоса на антропогенные изменения среды, экологического нормирования и решения прикладных природоохранных задач необходимо знать, какой именно уровень воздействия вызывает необратимые изменения сообщества (потерю устойчивости). Учитывая вышеизложенные результаты анализа литературы, количественной мерой устойчивости к воздействию должен служить минимальный уровень данного воздействия, вызывающий достоверное изменение видового состава сообщества. Следовательно:

• мерой устойчивости сообщества макрозообентоса к воздействию одного лимитирующего фактора является мак-

симальное значение этого фактора, при котором фоновый видовой состав сообщества сохраняется;

• мерой устойчивости сообщества макрозообентоса к результирующему воздействию нескольких (п) лимитирующих факторов является область сохранения устойчивости (ОСУ) — п-мерная поверхность в гиперпространстве этих факторов, которая ограничивает область всех сочетаний их значений, при которых фоновый видовой состав сообщества сохраняется.

Количественная мера многофакторного воздействия Для количественной оценки многофакторного воздействия на биосистемы применена изоболическая формула (изобола - поверхность в гиперпространстве взаимодействующих факторов, включающая все сочетания их значений, при которых биосистема лимитируется одинаково). Формула позволяет количественно выразить особенности взаимодействия каждого из факторов с остальными и добиться этим точного описания изобол (Шуйский и др., 1997; Занцинская, Шуйский, 1997):

X [Х? “ - Х,У Х 0 у )"'

= 1

(1)

1=1

где xij - j-е значение i-го фактора, xio и xit - пороговое и предельно допустимое значение ьго фактора (по результатам аппроксимации ОСУ); 2 - показатель взаимодействия ьго фактора с остальными (если оно сильнее аддитивного, 0^<1; если слабее - 1^; если аддитивно - Z=1). Количественной мерой многофакторного воздействия служит безразмерный показатель У, показатель кратности превышения воздействием минимального уровня, вызывающего достоверное (при р = 90 %) изменение видового состава сообщества, т.е. утрату сообществом "упругой устойчивости" к воздействию.

Закономерности реакции макрозообентоса на воздействие. При изучении многих техногенных и иных антропогенных воздействий на реки установлено (Шуйский и др., 1997), что уменьшение значений основных ценотиче-ских характеристик, по сравнению с их фоновыми значениями, происходит единообразно и упорядоченно. Хорошим примером может служить реакция на воздействие четырех основных характеристик сообществ макрозообентоса (количество видов в сообществе - S, видовое разнообразие по Шеннону-Уиверу - Н, биомасса - В, скорость образования продукции - Р) малых рек юго-восточной части Ленинградской области, испытывающих разнотипные техногенные воздействия (Сясь, Паша, Капша, Волжба, Тихвинка и др.). Все значения характеристик бентоса нормированы относительно фоновых и анализируются как функция показателя воздействия У : £/£,(У) (рис. 1). Общая закономерность этой реакции аппроксимируется уравнением (2):

ад = 1 — - -----------‘,(-1.57.0.47)0- ®

1 + (28.5 + 8.3)х

При этом выделяются следующие два основных типа реакции донных сообществ на воздействие.

1. Видовое богатство и видовое разнообразие бентоса всех биотопов, а также биомасса и скорость продуцирования бентоса биотопов с твердыми грунтами по мере увеличения уровня воздействия монотонно уменьшаются ^-образная кривая; уравнение (2)).

2. Значения биомассы и скорости образования продукции бентоса в заиленных биотопах реагируют на воздействие немонотонно: при 1< У <1.5-1.8 возрастают, при дальнейшем увеличении воздействия - резко убывают (куполообразная кривая 2 на рис. 2; при Y>3 совпадает с S-образной кривой. Эффект немонотонности реакции объясняется тем, что умеренное органическое загрязнение стимулирует увеличение биомассы и продукции бентоса заиленных грунтов за счет экспансии эврибионтных бентостов (малощетинковых червей, некоторых видов личинок комаров-звонцов, и др.). Однако при большем уровне воздействия (ориентировочно, при Y>2; рис. 1, 2) эврибионты тоже лимитируются, и эффект аномального увеличения общей биомассы сообщества постепенно исчезает.

При воздействии, трехкратно превышающем устойчивость к нему сообществ (У«3), сообщества макрозообентоса биотопов любого типа деградировали практически полностью. При У>3 значения всех характеристик макрозообентоса, включая видовое богатство, оказывались менее 20 % фоновых (независимо от типа сообщества и от наличия или отсутствия эффекта стимуляции биомассы бентоса умеренным воздействием в диапазоне 1<У<3).

Таким образом, выделяются два критических уровня изученного антропогенного воздействия:

1) У = 1 — теряется устойчивость макрозообентоса к воздействию. Достоверно (р = 90 %) изменяется видовой состав сообществ, антропогенные изменения характеристик макрозообентоса становятся необратимыми ("первая катастрофа" макрозообентоса);

2) У и 3 — сообщества деградируют, из них исчезает подавляющее большинство видов (более 80 %). Количественные характеристики резко лимитируются (не более 20 % от фоновых значений) ("вторая катастрофа" макрозообентоса).

Это позволяет естественно классифицировать изученное антропогенное воздействие, выделив три градации (рис. 2): а - "незначительное воздействие" (0<У<1): отклонения характеристик макрозообентоса от фоновых значений не

Рис. 3. Основные типы функций благополучия сообществ макрозообентоса (макрозообентоценоза) в условиях антропогенного воздействия. По оси абсцисс: показатель результирующего воздействия У. По оси ординат: значения функций благополучия, нормированные относительно фоновых (Я£,). 2 типа функций отклика характеристик макрозообентоса на воздействие: 1 - #£, (У) - монотонная (график - S -образная кривая); 2 - Я/Яо (У) - немонотонная (график - куполообразная кривая). Два уровня воздействия, вызывающие катастрофические изменения сообщества: I - потеря устойчивости сообщества макрозообентоса к воздействию (У=1); II - деградация сообщества макрозообентоса (У & 3).Стрелками выделены границы трех основных областей воздействия: а - незначительное воздействие (при У <1); Р - интенсивное воздействие (при 1<У<3); у - максимальное воздействие (при У >3)

превышают 15-20 % (І£ГО I < (0,15-0,20)); упругая устойчивость макрозообентоса к воздействию сохраняется.

Р — "умеренное воздействие" (1<У<3): отклонения характеристик макрозообентоса от фоновых значений составляют 20 - 80 % ( 0,2< І£ГО I < 0,80); упругая устойчивость макрозообентоса к воздействию утрачена, сообщество существенно лимитировано по всем характеристикам, но продолжает существовать.

у - "максимальное воздействие" (3<У): отклонения характеристик макрозообентоса от фоновых значений превышают 80 % ( І£ГО І<0.20); сообщество деградировало (разрушено), уцелело не более 20 % фонового видового состава, значения количественных характеристик не превышают 20 % фоновых.

Поскольку реакция бентоса на воздействие очень высоко репрезентативна, указанные естественные градации реакции речной биоты на воздействия могут быть положены в основу экологического нормирования состояния рек в условиях многофакторной техногенной нагрузки, в том числе -в условиях действия предприятий горной промышленности. Расчет допустимой техногенной нагрузки осуществляется с учетом эффекта взаимодействия факторов и исходя из допустимого предела изменения биоты по формулам 1, 2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Занцинская Т.П., Шуйский В.Ф. Количественная оценка сложного антропогенного воздействия на макрозообентос // Экологический мониторинг морей Западной Арктики / Тезисы докл. междунар. конф. -Мурманск, 23-35 окт. 1997, - Мурманск, 1997. - С. 39-41.

2. Шуйский В.Ф., Занцинская Т.П., Морозова М.В. Некоторые закономерности многофакторного лимитирования популяционной плотности широкопалого рака А!асш а81асш ^ в р.Паша // Проблемы ох-

раны, рационального использования и воспроизводства речных раков - М.:ТОО "Ме-динор", 1997. - С. 79-85.

3. Шуйский В.Ф., Занцинская Т.П. Оценка достоверности изменения видового состава сообщества при антропогенном воздействии // Докл. междунар. семинара "Роль девственной наземной биоты в современных условиях глобальных изменений окружающей среды: биотическая регуляция окружающей среды". - Петрозаводск,

12-16 окт. 1998. - Петрозаводск, 1998. - С. 269-271.

4. Шуйский В.Ф., Занцинская Т.П., Петров Д.С., Савченко А.В., Матюшонок А.В., Татаринова А.А., Максимовская Н.А., Петрова Т.А., Волкова Т.Н. Количественная оценка и нормирование сложных антропогенных воздействий на макрозообен-тос//Сб. научных трудов ГосНИОРХ, -2000. - Вып. 326. - С. 113-146.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шуйский В.Ф., Петров Д.С., Петрова Т.А. - Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).