Пространственно-временная изменчивость состояния фитопланктона реки Северский Донец

Введение

В современных условиях антропогенного воздействия на водные объекты изучение изменчивости состояния речных экосистем является одной из актуальных геоэкологических задач. Высокая антропогенная нагрузка на водные экосистемы приводит к нарушению их экологического состояния, которое проявляется в изменчивости состояния гидробиоценозов, в снижении видового разнообразия, выходе на доминирующее положение отдельных видов водных организмов, чаще всего, представителей загрязненных вод, и «цветении» воды, как следствии усиления процессов эвтрофирования речной экосистемы.

Северский Донец — крупный приток р. Дон, интенсивно используется в хозяйстве, является трансграничным водным объектом. Вода реки загрязняется сточными водами промышленных предприятий черной и цветной металлургии, шахтными водами, а также хозяйственно-бытовыми и сельско-хозяйственными стоками.

По данным режимных наблюдений Росгидромета, осуществляемых в рамках выполнения комплекса работ по оценке загрязнения трансграничных участков рек, вода в бассейне р. Северский Донец оценивается как «загрязненная» и «грязная» [1, 5]. Качество воды определяется не только большим объемом водоотведения предприятий и высокой долей загрязненных вод в общем объеме сброса, но и диффузными источниками загрязнения, среди которых основную роль играет сельское хозяйство.

Цель исследования — оценка пространственно-временной изменчивости уровня развития фитопланктона реки Северский Донец и эффекта антропогенного воздействия на экосистемы (отклик сообщества на внешнее воздействие).

Результаты исследования и их обсуждение

Оценка пространственно-временной изменчивости уровня развития фитопланктона реки Северский Донец

Фитопланктон, являясь важнейшим элементом биотической компоненты водных экосистем, активно участвует в формировании качества воды. Индикаторные свойства сообщества проявляются как в изменении видового и группового состава, так и в количественных показателях его развития [8]. Последствия антропогенного воздействия и увеличение степени загрязненности водной среды могут вызывать как эвтрофирующий, так и регрессирующий эффекты в развитии фитопланктонных сообществ [4].

Изменчивость количественных и качественных показателей развития фитопланктонных сообществ прослежена на основе анализа многолетней (2002—2011 гг.) режимной гидробиологической информации государственной службы наблюдений (ГСН) [2] о состоянии водных экосистем на различных участках р. Северский Донец (в пределах Ростовской области): х. Поповка, г. Каменск-Шахтинский, г. Белая Калитва и р. п. Усть-Донецкий. Гидробиологические наблюдения не достаточно регулярны в отдельных пунктах наблюдения, что осложняет полноценную оценку уровня развития и состояния фитопланктона.

Характерной чертой развития фитопланктона р. Северский Донец в исследуемый период является высокая внутри- и межгодовая изменчивость количественных показателей, что говорит о неустойчивом состоянии сообщества.

Уровень развития сообщества значительно варьируется по длине водотока. Так, максимальные значения общей численности фитопланктона у г. Белая Калитва изменялись от 0,94 до 22,5 тыс. кл/см³, а в устье реки в районе р.п. Усть-Донецкий — от 6,48 до 19,5 тыс. кл/см³. В составе фитопланктона р. Северский Донец в пунктах наблюдений обнаружено от 12 до 39 видов и разновидностей водорослей (таблица 1). Можно отметить также увеличение видового разнообразия сообщества в последние годы.

На протяжении десяти лет существенно не менялся состав доминирующего комплекса и основу фитопланктона составляли диатомовые и зеленые водоросли. При этом максимальные значения общей численности сообщества были связаны с массовым развитием весной α-сапробной диатомовой водоросли Stephanodiscus hantzschii и β-сапробной диатомовой водоросли Melosira islandica s.helvetica с высокой относительной численностью данных видов (таблица 2).

Таблица 1 — Межгодовая изменчивость уровня развития фитопланктона р. Северский Донец (в числителе — общая численность, тыс. кл/см³; в знаменателе — число видов)

Примечание: прочерк означает, что определения не проводились.

Таблица 2 — Характеристика фитопланктонных сообществ р. Северский Донец в периоды максимального развития

В створе х. Поповка основу фитопланктона составляли диатомовые водоросли (за исключением августа 2010 г., когда доминировали зеленые водоросли). Число видов фитопланктона в пробах изменялось в пределах 12–39. Максимальное число видов зарегистрировано в апреле 2009 г., доминирующим видом в этот период являлась диатомовая Stephanodiscus hantzschii (33,1 % от общей численности), а также — в июле 2011 г., доминировала диатомовая водоросль Nitzschia Kutzingiana (17,8 % от общей численности). Снижение уровня развития сообщества и минимальное количество видов фиксировалось в сентябре 2003 г., доминировал α-β-сапробный вид Cyclotella meneghiniana (41,5 % от общей численности) [2].

По гидробиологическим показателям степень загрязненности воды р. Северский Донец в створе х. Поповка оценивается как «умеренно загрязненная» (индекс сапробности 2,03–2,56). Экологическая ситуация на данном участке реки существенно не менялась на протяжении всего периода исследований. Сообщества фитопланктона находятся в состоянии антропогенного экологического напряжения [3].

В створе г. Белая Калитва (в черте города) доминирующий комплекс фитопланктона формируют диатомовые и зеленые водоросли. В последние годы (2009–2011) наблюдается тенденция выхода на доминирующее положение зеленых водорослей. По сезонам отмечено преобладание зеленых водорослей весной и летом, а диатомовых — осенью [2].

Число видов в пробах варьировало в пределах 10–36. Максимальное число видов зарегистрировано в августе 2011 г., доминирующим видом являлась диатомовая Melosira granulata (24,6 % от общей численности). В ноябре 2003, когда число видов было минимальным, основу фитопланктона составляли виды рода Nitzschia-N.sigmoidae (19 %) и N.dissipata (14,2 % от общей численности).

В течение исследуемого периода значения индекса сапробности находились в пределах 2,05–2,56. По уровню загрязненности воды р. Северский Донец в створе г. Белая Калитва оцениваются как «умеренно загрязненные». Значительных колебаний в экологическом состоянии экосистемы не отмечалось и сообщества фитопланктона функционируют в состоянии антропогенного экологического напряжения [3].

В створе 0,5 км выше устья у р. п. Усть-Донецкий в качестве доминантов присутствовали либо зеленые либо диатомовые водоросли. Диатомовые водоросли доминировали в период с 2002 по 2005 гг., потом произошла смена доминирующего комплекса и с 2006 по 2008 гг. преобладали зеленые водоросли. В последние годы в доминирующем комплексе фитопланктоне присутствовали диатомовые и зеленые водоросли [2].

За период исследования всего встречено 12–36 видов. Максимальное число видов зарегистрировано в мае 2011 г., доминировал диатомовый вид Diatoma elongatum (13,6 % от общей численности). Снижение числа видов отмечено в октябре 2005 г., при доминировании синезеленой водоросли Oscillatoria lacustris (28,6 % от общей численности).

Индекс сапробности во всех отобранных пробах на данном участке реки Северский Донец варьировал от 2,01 до 2,18, что соответствует III классу и позволяет оценить качество воды как «умеренно загрязненные».

Экологическая ситуация на нижнем участке реки существенно не менялась и сообщества фитопланктона также находились в состоянии антропогенного экологического напряжения [3].

Оценка эффекта антропогенного воздействия на водные экосистемы реки Северский Донец

При оценке экологического состояния водных экосистем необходимо определить вероятные изменения водной экосистемы под влиянием антропогенных и иных воздействий. Это возможно на основе анализа совокупности абиотических и биотических параметров функционирования экосистемы, а также уровня структурно-функциональной организации сообществ водных организмов.

Как было отмечено ранее, усиление антропогенного воздействия может вызывать как эвтрофирующий, так и регрессирующий эффекты в развитии сообществ водных организмов (в том числе и фитопланктона) [4].

Для выявления направленности внутрисистемных процессов необходимо, в первую очередь, определить эффект антропогенного воздействия на биотическую компоненту экосистемы, который определяется по характеру пространственно-временного распределения общей численности фитопланктона путем статистической обработки многолетней режимной гидробиологической информации [6, 7].

Характер вариаций значений общей численности фитопланктона определяют по относительной плотности вариационного ряда По и моде Мо модального интервала. Определив эти статистические характеристики вариации общей численности фитопланктона, сравнивают полученные значения с критериями, приведенными в классификаторе оценки эффекта антропогенного воздействия, и, таким образом, устанавливается направленность преобладающего процесса: антропогенное эвтрофирование или антропогенный экологический регресс.

Уровень антропогенного эвтрофирования или экологического регресса также может быть оценен по совокупности статистических характеристик гидробиологических показателей по приведенным классификаторам в руководящих документах Росгидромета (РД 52.24.633; Р 52.24.661).

Статистическая обработка гидробиологической информации за период с 2002 по 2011 год позволила определить статистические характеристики вариации общей численности фитопланктона и эффект антропогенного воздействия на водные экосистемы реки Северский Донец. Результаты расчетов представлены в таблице 3.

Выявлено, что в новом тысячелетии водные экосистемы различных участков реки находятся в состоянии антропогенного напряжения с элементами экологического регресса и антропогенного напряжения с элементами эвтрофирования на устьевом участке.

Заключение

Экологическая обстановка на территории бассейна Северский Донец остается напряженной и высокая антропогенная нагрузка на водные экосистемы может вызывать нарушение их экологического состояния. Поэтому оценка изменчивости уровня развития фитопланктона и состояния речных экосистем является одной из важных задач в области рационального природопользования и охраны водных ресурсов.

Таблица 3 — Эффект антропогенного воздействия на водные экосистемы р. Северский Донец

Характерной чертой развития фитопланктона р. Северский Донец на всех исследуемых участках в период 2002—2011 гг. являлась высокая внутри- и межгодовая изменчивость количественных показателей, что говорит о неустойчивом состоянии сообщества.

За исследуемый период времени в составе фитопланктона обследованных створов р. Северский Донец выявлялось от 12 до 39 видов и разновидностей водорослей. На протяжении более чем десяти лет существенно не менялся состав доминирующего комплекса, основу фитопланктона составляли диатомовые и зеленые водоросли.

Воды р. Северский Донец в пределах Ростовской области оцениваются как «умеренно загрязненные» по гидробиологическим показателям. Экологическая ситуация существенно не менялась на протяжении всего периода исследований. Водные экосистемы по уровню развития фитопланктона находятся в состоянии антропогенного экологического напряжения.

Результаты статистической обработки гидробиологической информации позволили определить эффект антропогенного воздействия на водные экосистемы реки Северский Донец, который проявляется в том, что экосистемы реки на различных участках находятся в состоянии антропогенного напряжения с элементами экологического регресса, а в устье реки — проявляется эвтрофирующий эффект антропогенного воздействия.

Список литературы

1. Водная экосистема Нижнего Дона: многолетние изменения качества воды / Под. ред. чл.-корр. РАН А. М. Никанорова, д.б.н. Т. А. Хоружей, к.х.н. Л. И. Мининой. СПб.: Гидрометеоиздат, 2006. — 307 с.
2. Ежегодники качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям на территории деятельности Северо-Кавказского УГМС за 2000—2011 гг. — Ростов-на-Дону, СК УГМС, 2001—2012 гг.
3. Ежегодники состояния экосистем поверхностных вод России (по гидробиологическим показателям) за 2007—2010 гг. / Под научной редакцией проф., д.б.н. В. А. Абакумова. М.: Росгидромет, 2008–2011. (http://www.igce.ru/).
4. Никаноров А. М., Брызгало В. А. Пресноводные экосистемы в импактных районах России. Ростов-на-Дону: Изд-во «НОК», 2006. — 275 с.
5. Решетняк О. С., Лаврищев А. С. Оценка изменчивости экологического состояния реки Северский Донец (в пределах Ростовской области) // Эколого-биологические проблемы вод и биоресурсов; пути решения: Сборник научных трудов заочной Всероссийской конференции с международным участием, Ульяновск, 2012. — С. 109–111.
6. Р 52.24.661–2004. Рекомендации. Оценка риска антропогенного воздействия приоритетных загрязняющих веществ на поверхностные воды суши. М.: Изд-во Метеоагентства Росгидромета. 2006. — 26 с.
7. РД 52.24.633–2002. Методические указания. Методические основы создания и функционирования подсистемы мониторинга экологического регресса пресноводных экосистем. СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. — 32 с.
8. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / Под ред. В. А. Абакумова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. — 318 с.