Введение к работе
Актуальность темы. Большинство оценок состояния среды обитания живых организмов базируется на исследовании интенсивности отдельных первичных химических и физических факторов воздействия и сопоставлении с принятыми значениями допустимых уровней напряженности (Васильевская, 1994; Мотузова, 1994; Орлов, Суханова, 1994; Афанасьев, Фомин, 1998; и др.). При таком подходе нельзя предугадать, как будут суммарно воздействовать на живой организм факторы даже малой интенсивности, безвредные по одиночке. Незначительные отклонения нескольких факторов вместе могут привести к непредсказуемым результатам (Вишаренко, Толоконцев, 1982; Степанов, 1985). Другой недостаток такого подхода заключается в том, что все измерения проводятся с какой-то периодичностью, и можно пропустить одиночный, даже значительный скачек одного из факторов. К тому же информация о загрязнении среды может оказаться недостоверной в случаях, когда загрязнители (например, хлорорганические пестициды) не обнаруживаются в абиотической среде, но находятся в значительных количествах в биологических компонентах (Воронова, Денисова, Пушкарь, 1985). Кроме того, трудоемкость и дороговизна определений загрязняющих факторов не дает возможности осуществлять оценку состояния среды на значительных площадях.
Другим уровнем оценки экологического состояния среды является анализ ответной реакции живых организмов. Биологические объекты содержат в себе информацию о результатах первичных воздействий, например: накопление тяжелых металлов, разнообразные специфические физиологические реакции; изменение генофонда, вследствие мутаций, вызванных различными мутагенами; распределение видов и их численности, в зависимости от пригодности условий существования и др. Живые организмы несут больше информации об окружающей их среде обитания, кроме того, они не могут пропустить даже самых кратковременных всплесков значений действующих факторов, и отклик у них формируется в ответ на все присутствующие воздействия и на каждое из них. При всей важности и значении химических и физических методов, обеспечивающих получение базовой
2 информации о физических изменениях и концентрации различных поллютантов, биологическая оценка качества среды оказывается приоритетной по двум причинам. Во-первых, только биологическая оценка предоставляет возможность интегральной характеристики качества среды, при всем многообразии воздействий. Во-вторых, такая оценка дает характеристику здоровья среды, ее пригодности для живой природы и человека (Захаров, Кларк, 1993).
Экологическая оценка абиотических и биотических факторов среды обитания по реакции живых организмов (биоиндикация) может осуществляться на разных уровнях их организации — от субклеточного до биоценотического. В связи с этим существует множество подходов к подбору параметров, характеризующих состояние живых организмов и способов анализа результатов их определения. Определение всего комплекса таких параметров с целью оценки здоровья среды может быть выполнено только при наличии сложного оборудования в ходе длительных фундаментальных исследований.
Наряду с этим очевидна приоритетность оценки среды по биоиндикационным параметрам. Поэтому любые исследования, направленные на выявление наиболее информативных биоиндикационных параметров и сокращение определяемых показателей, являются актуальными.
Особенное значение имеют исследования по обоснованию выбора видов живых организмов или их популяций в качестве тест-объектов, посвященные организации наблюдений, регистрации и обработке полученных результатов и применению компьютерной техники в системе биомониторинга.
Такого рода исследования, однако, до настоящего времени не проводились. В то же время существует необходимость получения оперативной и достоверной информации о состоянии и здоровье среды обитания именно биоиндикационными методами, что очень важно для решения проблем охраны живой природы.
Актуальностью этих вопросов определены цель и задачи настоящего исследования.
Цель н основные задачи исследования. Целью настоящей работы является проведение сравнительного анализа наиболее информативных биологических параметров, реагирующих на антропогенную нагрузку, и разработка системы регистрации, математической и графической обработки для использования в биомониторинге.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Проанализировать некоторые биологические параметры (видовое разнообра
зие, состав фенофонда, стабильность развития организма) на различных
уровнях организации живых систем с точки зрения применимости их для
биоиндикации и биомониторинга.
-
Провести сравнительный анализ методов обработки данных (оценка биоценоза при помощи коэффициента Шеннона и др., оценка фенетического разнообразия популяций, анализ коэффициентов асимметрии), характеризующих изменения определяемых параметров, и выявить наиболее пригодные для использования в биомониторинге.
-
Разработать методику компьютерной обработки данных об определяемых биологических параметрах и их интерпретации для экологической оценки территорий.
Научная новизна работы заключается в проведенном впервые сравнительном анализе различных методов и параметров оценки состояния среды обитания живых организмов, способов обработки получаемых при этом показателей и использование их в программе биомониторинга. В результате получены следующие новые данные:
дана обоснованная результатами собственных исследований сравнительная характеристика видо-численного, популяционно-фенетического анализов и метода оценки флуктуирующей асимметрии с точки зрения их информативности и пригодности для целей контроля за состоянием живой природы; впервые выявлены, описаны и использованы в качестве биоиндикационных признаков фены рисунка внешних покровов ос Paravespula vulgaris и P. ger
4 manica;
впервые разработана и применена универсальная методика площадной оценки территорий по биологическим параметрам. Найденный алгоритм анализа биологических данных реализован в авторской компьютерной программе Vespa; предложена оригинальная адаптация картографического метода отражения результатов биоиндикационных исследований с использованием изолиний и трехмерной графики;
разработана методика анализа картографической информации и создания интегральных биоиндикационных карт.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся: результаты сравнительного анализа методов (видо-численного, популяцион-но-фенетического, флуктуирующей асимметрии) оценки состояния среды обитания по реакции живых организмов;
принцип шкалирования и балльной оценки состояния среды по показателям флуктуирующей асимметрии билатерально-симметричных органов тест-растений;
новые результаты изучения и описания фенов рисунка внешних покровов ос Paravespula vulgaris и P. germanica в качестве биоиндикационного параметра; новый подход к экологической оценке территорий по биологическим параметрам с использованием компьютерных технологий и геоинформационных систем.
Практическая значимость работы. Результаты работы легли в основу методического и картографического обеспечения действующей системы биомониторинга г.Калуги (система действует с 1995г.). Кроме того, с использованием авторских методик проводились биоиндикационные исследования на территориях г.Калининграда и г.Дубны Московской области, Калужского городского полигона ТБО. В настоящее время реализуется программа биоиндикации и биомониторинга на территории Калужской области. В стадии разработки находится экологическая ГИС г. Калуги, в которой применяются методы и подходы, рассмотренные авто-
5 ром в данной работе.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на I, II и III Всероссийских научно-практических конференциях "Антропогенные воздействия и здоровье человека" (Калуга, 1994-1996); IX конференции по медицинской географии с международным участием (Санкт-Петербург, 1995); научно-практическом совещании "Новые методы исследования природных популяций" (Москва, 1995); научно-практической конференции "Биологическое разнообразие Калужской области" (Калуга, 1996); III Международном научно-практическом семинаре "Экологическое сознание - экологическая безопасность (Калуга, 1997); V всероссийском форуме "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес" (Москва, 1998).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 154 страниц, включая 60 рисунка и 19 таблиц. Список литературы включает 155 наименований на русском и иностранных языках.