Оценка антропогенной нагрузки на экосистему Чебоксарского водохранилища

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. В настоящий момент очень редко встречаются объекты неживой природы, в том числе и водные объекты, которые не подвергались бы прямому или косвенному антропогенному воздействию. Существенную техногенную нагрузку получают водные экосистемы Волжской акватории. Чебоксарское водохранилище испытывает сильное антропогенное воздействие. Нагрузка на данную водную экосистему является высокой (Розенберг, 2009; Брагазин и др., 2013).
Антропогенное воздействие на водные объекты провоцирует ряд необратимы процессов, результатом которых является изменение структуры водных биоценозов. Они становятся более простыми и в дальнейшем происходит их деградация. Важным и неотъемлемым компонентом водных экосистем является зоопланктон, который выполняет ряд важнейших функций, таких как принятие в процессах самоочищения, саморазвития, самофункционирования и кроме того служит объектом, используемом в биомониторинге состояния того или иного водного объекта. Трансформация видовой структуры ценоза зоопланктона является результатом воздействия различных факторов природной и антропогенной среды (Алимов, 1994; Крылов, 2005; Шурганова, 2007).
Исследование пространственно-временной структуры биоценоза зоопланктона Чебоксарского водохранилища выступает важным вопросом в экологическом мониторинге состояния окружающей среды. Данные вопросы, связанные с детальным изучением видовой структуры сообщества зоопланктона, динамических показателей сезонного развития являются весьма актуальными. Кроме того, остаются актуальными вопросы связанные с изучением качества притоков малых рек, которые напрямую влияют на конечное экологическое состояние вод водохранилища. Особым вопросом выделяется проблема рек внутри городских агломераций, которые испытывают чрезмерное давление антропогенного фактора, превращаясь порой в «водные пустыни» с очень скудным биоразнообразием (Деревенская, Мингазова, Яковлев, 2015; Куликова, 2015; Шурганова и др., 2015).
Проводя оценку имеющейся литературы по данному вопросу, можно сказать, что многие спорные моменты не решены в полной мере до сегодняшнего дня: разделение водных ценозов, выявление точных границ сообществ, изучение структуры зоопланктоценозов от различных факторов среды, расселение видов вселенцев в водной структуре, которая имеет существенное техногенное воздействие.
В итоге, рассматриваемый вопрос по изучению зоопланктона водных объектов, входящих в состав Чебоксарского водохранилища под воздействием антропогенного пресса является крайне актуальным.
В связи с этим целью настоящего исследования является выявление закономерностей пространственного размещения и сезонной динамики видовой структуры зоопланктонных сообществ Чебоксарского водохранилища и некоторых его притоков в условиях антропогенного воздействия.
Задачи исследования:
1. Провести распознавание видов, входящих в группу зоопланктона. На основе сравнительного анализа выявить особенности видовой структуры. Проанализировать эколого-биологическую приуроченность данных видов.
2. Выявить сходства и различия в видовой структуре зоопланктона в условиях Чебоксарского водохранилища на сегодняшнем этапе его функционирования.
3. Рассмотреть сезонные особенности структуры зоопланктоценозов Чебоксарского водохранилища и выявить уровень антропогенного пресса.
4. Исследовать зависимость структуры ценозов зоопланктона Чебоксарского водохранилища от факторов среды обитания.
5. Оценить качество вод исследуемых водных объектов на основе анализа показателей количественного развития индикаторных видов зоопланктона.
6. Рассчитать экономический запас рыб и оценить перспективы рыбохозяйственной деятельности.
Практическая значимость. Результаты исследований состояния ценозов зоопланктона в Чебоксарском водохранилище выступают в роли основы для биомониторинга и в дальнейшем, прогнозирования состояния ценозов и в целом экосистемы. При этом учитывается дополнительная информация по завершающему строительству гидроузла на данной территории.
Дальнейшее изучение ценозов зоопланктона Чебоксарского водохранилища. Применение данных результатов для проведение экологического мониторинга данного биоценоза в условиях техногенного стресса.
Работа дополняет имеющуюся информацию о строении, структуре, развитию и функционированию водных ценозов и экосистем.




















ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИЗУЧАЕМОМУ ВОПРОСУ

1.1 Анализ видовой структуры водных сообществ

Концепция экосистем по известному экологу Ю. Одуму (1975) является основной в современной экологии. Она предполагает концентрирование внимания экологов на изучении свойств экосистем и их динамики. Биоценоз состоит из различных популяций, которые взаимодействуют между собой и находятся на одной территории. Но при этом отсутствует единая трактовка термина «сообщество» (Розенберг, Рянский, 2005).
Можно привести определение по Одуму (1975) «Биотическое сообщество представляет собой совокупность различных популяций, которые населяют определенный биотоп». В другом определении, который приводит» Р. Уиттекер под сообществом живых организмов следует понимать общность живущих совместно, которая объединена взаимными отношениями как между собой, так и со средой обитания. Еще одно определение приводится по монографии Д.Б. Гелашвили с др., которое является, на наш взгляд, более грамотным и хорошо составленным «…биотическое сообщество – это некая совокупность взаимодействующих между собой популяций, которые объединены общей судьбой». В основе структуры сообщества лежат межпопопуляциоцнные взаимодействия, общность имеет характеристику по параметрам исторического взаимодействия многочисленных популяций живых организмов, которые составляют ценоз как сложную систему.
В итоге, одно из ключевых понятий в экологии «сообщество» в той или иной мере выступает как произвольное. Ценозы или сообщества живых организмов имеют тесные связи друг с другом. Термином можно объяснить биотическую часть экосистемы, при этом синонимом выступает понятие «биоценоз» и можно пояснить. Для примера в гидробиологии отмечается стойкое понятие «фитопланктоценоз», под которым понимают сообщество фитопланктона, и понятие «зоопланктоценоз» под эти термином понимают сообщество зоопланктона.
Важным понятием является усвоение информации об эмерджентности сообществ, то есть свойства биоценоза как сложной структуры и наличие тех качеств, которые отсутствуют у отдельных ее компонентов или элементов популяции. При помощи изучения структуры биосообщества можно дать ему определенную характеристику. Структура предполагает упорядоченность и наличие взаимной связи всех элементов ценоза в единую систему. Данная система имеет множество связей между составными частями сообщества (Федоров, 1975).
Структура биоценоза на первоначальном этапе характеризуется расселением видов, которые случайным образом оказываются в том или ином местообитании. В дальнейшем успешное пребывание вида в сообществе зависит от многообразия устойчивых межвидовых связей (Гиляров, 2010; Гелашвили и др., 2013).
Для характеристики биоценозов исследованиям назначают рассмотрение его видовой структуры, исследование трофический цепей, пространственную организацию, возрастную составляющую, размерную структуру и др. структуры. Видовая структура выступает первичной, так как она является своеобразной «системой отчета», показывающий изменения в количестве видов в сообществе. Это является очень информативным показателем внутреннего устройства в сообществе. Не зависимо от сложности экосистемы вся характеристика ее сводится к двум параметрическим показателям: численность вида и биомасса вида, которые учитываются в пространстве и во времени. Гидробиолог, используя эти два параметра и многочисленные расчеты, восстанавливает сложность данного сообщества. При этом он используем весь свой арсенал и все математические формулы для выявления закономерностей и расчет существенных различий. Одной из острых проблем в современной экологии является проблема изучения континуальности и дискретности биоценоза. Очень сложно решить эту проблему для водных ценозов. Это связано с менее четкой определенностью в пространстве, по сравнению с наземными системами. Действие антропогенного фактора вносит изменения в структуру сообщества и ее границы (Шурганова и др., 2014).
Рассматривая структуру сообществ гидробионтов различных водотоков можно использовать две концепции. Которые являются противоположными друг другу. Первая концепция речного континуума которая была предложена (Vannote et al., 1980) и вторая концепция динамики пятен (Townsend, 1989). В основе первой концепции лежит идея переходного состояния между имеющимися биотопами и ценозами в речных водотоках (Протасов, 2011). Вторая концепция предполагает наличие обособленных ценозов гидробионтов в речной системе.
Биоценозы поверхностных вод делятся на две группы: лимнобиом, под которым понимается экосистемы водоемов, где происходит замедление водообмена и реобиом – это пространство экосистемы, где имеется текучесть воды. Лимбомион в более широком понимании характеризуется дискретностью, мозаичной своей структурой и его водотокам характерно последовательность взаимосвязанных экосистем, которые образуют речной континуум. Так как существует затруднение в разграничении отдельных небольших экосистем, то В.В. Богатов (1995) ввел понятие реобиома, под которым понимается надэкосистемная организация территориального пространства. Которое можно назвать континуум речных экосистем. Им свойственна способность длительное время проявлять способность к функционированию. В особых зонах рефугиумов осуществляется функция буфера, тем самым способствуя предохранению экосистемы от разрушения (Богатов, 1994). Новые группы гидробионтов могут появиться в результате образования разнообразных рефугиумов. Результатом взаимодействия таких компонентов могут возникнуть внутренние территории и организоваться структура внутреннего континуума (Богатов, 1995). Таким образом, образуется диалектическое единство отдельно взятых компонентов и их непрерывность (Протасов, 1994).
Пространственная структура сообщества объясняется с разных подходов. Традиционно используются концепция речного континуума и динамики пятен. Например, для толкования динамики альгоценозов целесообразно использовать теорию разрушений (Lohman, Jones, Perkins, 1992; Peterson, 1996). Еще один пример связан с исследованием зоопланктона малых равнинных рек, которые проводил А.В. Крылов (2005). Часто структура зоопланктона определяется антропогенным вмешательством и зоогенными нарушениями, которые способствуют формированию своеобразных биотопов.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что многие авторы склоняются к объяснению процессов в водотоках с применением концепций континуума, использование динамики пятен и теории разрушений в комбинированном виде (Богатов, 1994; Комулайнен, 2004; Lachman et al, 1992; Peterson, 1996; Шурганова и др., 2014)

1.2 Антропогенное воздействие на зоопланктон водных объектов

В настоящее время не часто встречаются водные объекты, которые не повреждены прямыми или косвенными техногенными изменениями (Хулбарян, Моисеенко, 2009).
В печати появляются материалы конференций, которые указывают на комплексное негативное воздействие на водные объекты со стороны антропогенной деятельности (Материалы III Всероссийской..., 2004; Материалы IV Всероссийской…, 2011а, 2011б, и др.). Водные экосистемы имеют специфическую реакцию на антропогенное загрязнение, которая проявляется в сокращении видового состава, разрушение таксономической структуры, наблюдается доминирование одно-двух видов в сообществах, далее снижается видовое разнообразие и экосистема становится проще и в дальнейшем происходит ее деградация (Алимов, 1993; Андроникова, 1996, 2011). Малые реки в пределах плотных городских агломераций почти полностью обезжизненны (Крылов, 1996). Характерное состояние и динамика видовой структуры различных сообществ гидробионтов выступают достаточно информационноемкими показателями, которые можно применить при оценке экосистемы (Шурганова, Макеев, 2005). Поэтому значительное внимание уделяется рассмотрению зоопланктона в техногенной среде. Зоопланктон является вторым звеном в трофической цепи водных экосистем. Зоопланктон является важным игроком в структуре экосистемы и ее функционирования. Изменения в динамических показателях зоопланктона приводит к изменению всей водной экосистемы (Попов, 2006). Зоопланктон употребляет фитопланктон и бактериопланктон и тем самым принимает участие в процессах самоочищения, кроме того является ценной кормовой базой для разнообразных рыб и еще его можно применить в биомониторинге состояния водных ресурсов разного назвачения и типа (Крылов, 2005).
На видовую структуру зоопланктона в пределах пресноводных экосистем влияет и биотические и абиотические факторы. Среди абиотических факторов значимыми являются такие как происхождение водного объекта, площадь водоема и его географическое расположение, нахождение других источников воды. Важно учитывать гидродинамические, геоморфологические и химические свойства. Совокупность абиотических и антропогенных факторов вызывают постепенное снижение видового разнообразия ценозов водоема. При этом скоростные показатели этих изменений обусловлены как количеством видов, так и разнообразие ценозов. Биоразнообразие ценозов животных и зоопланктона включительно в водоемах определяется биотическими характеристиками, главными из которых являются пищевые ресурсы и ряд внутрипопуляционных и межпопуляционных отношений, таких как конкуренция за пищу, давления конкуренции, напор хищников. Все они проявляются в сообществах при небольшом количестве ресурсного потенциала (Телеш, 2006). Нарушение равновесия в структуре зоопланктона оказывает негативное влияние на функционирование водных объектов (Карташева, 2008).
Самые распространенные виды антропогенного давления на ценозы гидробионтов - это загрязнение водных ресурсов и процесс эвтрофирования вод. Пояснение процесса эвтрофикации как явления при котором происходит начало аллогенной сукцессии ценоза водоема обосновано в работах М.А. Кузнецовой (1996, 2002). Автор определил характер изменений структуры и организации ценоза зоопланктона в процессе прохождения аллогенной сукцессии и автогенной сукцессии. Процесс эвтрофирования является обратимым и как следствие можно наблюдать «оздоровления» системы, после проведения определенных манипуляций (уменьшение биогенной нагрузки, повышения уровня водоема.
Изменение условий гидролого-гидрохимического характера приводит к возникновению аллогенной сукцессии водных ценозов. Волга является крупнейшей рекой в Европе имеет каскад водохранилищ (Охапкин, 1997; Шурганова, 2007). Структура фитопланктона и зоопланктона различных частей водных объектов имеет отличия, которые проявляются в неоднородности водных источников, приходящих в общий водоток, от антропогенного давления в виде загрязняющих физических, химических и биологических факторов.
Изучение видовой структуры водных ценозов (зоопланктона) в ходе организации водохранилищ на крупных реках приводится в большом количестве работ. Процесс жизнедеятельности экосистем водохранилища, состоит из нескольких этапов: первый этап – вспышка трофии, наличие эффекта взрыва; второй этап включает пищевую депрессию и третий этап характеризуется повышением трофии и наблюдается стабилизация экосистемы. Согласно теоретическим расчетам развитие водного объекта, экосистема доходит до этапа стабильности и далее переходит к климаксу. Климакс – это терминальная стабилизированная экосистема. В современном мире нужно учитывать антропогенный фактор, который вносит корректировки в течение естественных процессов и в итоге вместо стабилизации экосистемы, они целенаправленно деградируют (уменьшение биомассы, снижение биологического разнообразия). Поэтому можно выделить четвертый период в развитии водного объекта – это период антропогенной дестабилизации (Кузнецов, 2001, 2006; Кузнецов, Зиганшина, 1991; Шурганова, 2007).
Зоопланктон в различные периоды исследовался достаточно интенсивно и поэтому многие вопросы хорошо изучены (Абакумов и др., 2000; Авакян, Литвинов, Ривьер, 2002; Волгоградское…, 1997; Дзюбан, 1983, 1984; Лазарева, 2005; Столбунова, 1999, и др.). Развитие зоопланктона его жизнедеятельность подробно изучены в работах Г.В. Шургановой (Шурганова, Черепенников, Артельный, 2005; Черепенников и др., 2004; Шурганова, 2007 и др.).
В период с 1981 по 2003 гг. учеными-исследователями изучался зоопланктон р. Волги. Этот период характеризовался строительством водохранилища, далее происходила перестройка структурной организации зоопланктонных ценозов. В процессе изучения были рассмотрены следующие вопросы: определение, имеющихся ценозов зоопланктона и территориальное их расположение, проанализирована динамика и границы сообществ, выявлены направления и скорости сукцессии в водохранилище. Далее современный этап исследований предполагает проведение мониторинга и дальнейшего прогноза состояния биоценозов в водохранилище с учетом разнообразных вариантов его наполнения. Слабо изученным вопросом является рассмотрение зоопланктона на верхнем речном участке. Это участок Чебоксарского водохранилища расположен от плотины Нижегородской ГЭС до устья р. Оки (Шурганова, Макеев, Ахметов, 2000; Шурганова, Ахметов, 2001).
Воздействие человека на водотоки, за исключением прямого воздействия в виде сбросов бытовых отходов и промышленных стоков, зависит от воздействия на притоки, малые реки. Небольшие водотоки имеют принципиальное важное значение, которое нужно обязательно учитывать. Они определяю ряд важных характеристик водотоков: гидрологическая, гидрохимическая, характеристика биоразнообразия гидробионтов.
Малые реки попадают в группу важных объектов водотока. Их бассейны расположены в одной гидрографической зоне. Экосистемы малых рек исследованы незначительно, по сравнению с крупными водными экосистемами. Бассейн реки Волки насчитывает около 250 тысяч малых рек каждая длиной около 200 км (Алексеевский и др., 1998). Существует интерес ученых наших к исследованию малых водотоков, на что указывает, большое количество специализированных конференций, направленных на рассмотрение вопросов функционирования данных экосистем (Экосистемы малых рек…, 2008; Экология малых рек…, 2011). Проблема малых рек сохраняет свою актуальность, так как очень много не изученных моментов имеют место быть в сегодняшней реальности, по сравнению с крупными реками, озерами и водохранилищами. Состояние малых рек находится в прямой зависимости от региональной специфики, что требует дополнительных ресурсов для изучения данных вопросов (Крылов, 2005). Полученные со временем знания должны дать возможность выявить общие тенденции в функционировании водотоков.
Малая река трактуется неоднозначно. В своей дипломной работе мы будем понимать под этим термином территории водного объекта длина которого от 10 до 200 км и площадью водосбора от 10 до 10000 км2. При этом объект должен характеризоваться особым гидрологическим процессом, который отражает совокупность местных факторов влияющих на образование стока (Алексеевский и др., 1998). Многие ученые понимают под этим термином тоже самое (Крылов, 2005).