Введение к работе
Актуальность проблемы. Масштабы антропогенной деятельности достигли такого уровня, когда существующая система экологического мониторинга должна дополняться экотоксикологическими исследованиями с использованием биоиндикаторов и биотестов, что позволит выделить основные факторы устойчивости экосистем в критических состояниях. Для выявления роли индикаторов различных видов антропогенных воздействий важна их количественная оценка в экосистемных процессах. Разным типам экосистем соответствуют различные объекты биоиндикации, включающие изменения специфических связей между содержанием в окружающей среде загрязняющих веществ и количественными параметрами растительных сообществ и массовых групп почвенной мезофауны, видового и количественного состава биоты.
Предмет исследований – организация биологических сообществ при различных видах и уровнях антропогенного воздействия: закономерности структуры и функционирования на территориях химических предприятий степной зоны Башкирского Предуралья и в среднем течении р. Белой.
Объекты исследования
- спонтанные растительные сообщества на территориях химических предприятий региона;
- сообщества водных макрофитов;
- сообщества крупных почвенных беспозвоночных (почвенная мезофауна);
- почвенные геохимические аномалии;
- биотестирование природных и сточных вод.
Цель работы – изучение особенностей и выявление общих закономерностей структуры и функционирования сообществ водных макрофитов, почвенной мезофауны в естественных и антропогенно измененных экосистемах региона.
Задачи исследования
1. Изучить характер геохимических аномалий на исследованной территории.
2. Изучить видовой состав, численность, биомассу, биотопическую приуроченность, трофическую структуру, распределение по почвенному профилю массовых групп мезофауны в экосистемах региона в градиенте: особо охраняемые природные территории – территории химических предприятий.
3. Выяснить общие принципы структурной и функциональной перестройки сообществ почвенной мезофауны, проявления их устойчивости под влиянием природных и антропогенных факторов.
4. Изучить параметры водных и наземных растительных сообществ и их изменения в градиенте экологических и антропогенных факторов на территории промышленных предприятий региона и в среднем течении реки Белой и ее притоках.
5. Изучить влияние содержания поллютантов в окружающей среде на почвенных беспозвоночных. Опробовать аборигенные виды в биоиндикации и экотоксикологическом нормировании загрязнения.
6. Выявить основные факторы организации сообществ при различных видах и уровнях антропогенного воздействия.
7. Сопоставить полученные результаты по биоиндикации, биотестированию и химическому анализу объектов окружающей среды.
Научная новизна работы
Впервые для территорий промышленных предприятий (на примере территории Башкирского степного Предуралья) установлен качественный и количественный видовой состав почвенной мезофауны, дана его экологическая оценка. Впервые определены биомасса, трофическая структура мезопедобионтов, роль в миграции поллютантов.
Впервые выявлены беспозвоночные-биоиндикаторы антропогенных нарушений в регионе, определено фоновое содержание ряда макро- и микроэлементов. Показана связь химического состава почвы и ранней чувствительности биоиндикаторов.
Впервые выявлена неспецифичность воздействия поллютантов на состав спонтанной растительности химических предприятий региона и водных макрофитов, что позволяет ранжировать источники сбросов по интенсивности воздействия.
Впервые показано, что даже на территории с самым интенсивным антропогенным воздействием по значимости доминируют экологические факторы (стадия сукцессии, степень увлажнения и др.).
Положения, выносимые на защиту.
1. Действие основных экологических факторов (стадия сукцессии, режим увлажнения, микрорельеф и пр.), даже на территориях с максимальным уровнем загрязнения, перекрывает эффект загрязнения. Показана принципиальная необходимость использования не одного, а иерархически структурированного комплекса биоиндикационных показателей и данных физико-химического анализа.
2. Как в водных, так и в наземных экосистемах, выявлена низкая специфичность воздействия фактора загрязнения на растительность. При воздействии разных по химическому составу групп поллютантов выпадают одни и те же виды, что позволяет ранжировать выбросы и сбросы по их вредоносности.
3. Видовой состав почвенной мезофауны на территориях промышленных предприятий определяется типом растительного сообщества.
4. Для территорий с максимальной антропогенной нагрузкой показана неспецифичность воздействия выбросов на видовой состав массовых групп педобионтов (на примере пауков), в то же время вне пределов действия промышленных выбросов видовой состав мезофауны в аналогичных растительных сообществах резко отличен.
5. Показано, что характер воздействия территорий промышленных предприятий и типа растительности на численность массовых групп мезофауны меняется при воздействии различных погодных условий, т.е. изменение численности почвенной мезофауны по градиенту интенсивности промышленных выбросов не является универсальным показателем.
6. Наиболее стабильным индикатором воздействия антропогенной нагрузки являются структурные показатели - анализ зависимостей между численностью массовых групп почвенной мезофауны.
7. Показано соответствие результатов по биотестированию природных и сточных вод результатам биоиндикации.
Теоретическая и практическая ценность. Результаты работы существенно пополняют знания о критериях экологического нормирования воздействия на экосистемы при различных видах и интенсивности хозяйственной деятельности. Освещены закономерности перестройки структуры сообщества почвенной мезофауны при антропогенном воздействии. Внесен вклад в теорию организации биологических сообществ на территориях с интенсивным антропогенным воздействием. Для подстилочных видов выявлены зависимости между химическим составом почвы и численностью массовых групп.
Проанализированы закономерности изменения генетической структуры кустарниковой улитки под действием разногодичных погодных факторов в разных регионах и определены условия, определяющие интенсивность этих изменений, что является лекалом при осуществлении мониторинга воздействия антропогенных факторов на генетическую структуру представителей индикаторных групп животных.
Результаты по биоиндикаторам и биотестированию могут быть использованы в импактном мониторинге и определении допустимого воздействия на растительность и почву.
Материалы используются в курсах лекций по общей экологии, экологическому мониторингу и основам токсикологии в высших учебных заведениях, а также в научно-исследовательской работе студентов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и представлялись на: IX международном коллоквиуме по почвенной зоологии (Москва, 1985); II-ом всесоюзном координационном совещании «Эколого-генетические последствия воздействия на окружающую среду (Сыктывкар, 1989); Первой всесоюзной научной конференции «Растения и промышленная среда, Днепропетровск, 1990); Республиканской научной конференции «Промышленная ботаника: состояние и перспективы развития» (Донецк, 1990);
Международном симпозиуме «Экологические модификации и критерии экологического нормирования» (Нальчик, 1990); Всесоюзной конференции «Эколого-генетический мониторинг состояния окружающей среды» (Караганда, 1990); Межреспубликанской научно-практической конференции «актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем малых рек» (Краснодар, 1992); IV Совещании энтомологов Урала «Насекомые в естественных и антропогенных биогеоценозах Урала» (Пермь, 1992); XI Международном малакологическом конгрессе (Siena, 1992); Конференции «Проблемы экологии в сельском хозяйстве» (Пенза, 1993); Научно-практической конференции «Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий (Уфа, 1994); Межреспубликанской научно-практической конференции (Актуальные вопросы экологии и охраны природы водных экосистем и сопредельных территорий» (Краснодар, 1995); Первой международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие: загрязнение окружающей среды и экологическая безопасность» (Днiпропетровськ, 1995); Международной научно-практической конференции «Геоэкология в Урало-Каспийском регионе (Уфа, 1996); Межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны природы экосистем южных и центральных регионов России» (Краснодар, 1996); Второй международной конференции «Рациональное природопользование: системный анализ в экологии» (Севастополь, 1996); Х межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 1997); Международном симпозиуме «Степи Евразии» (Оренбург, 1997); Международном симпозиуме «Окружающая среда и здоровье» (Магнитогорск, 1998); II (XII) Всероссийском совещании по почвенной зоологии (Москва, 1999); XII межреспубликанской Х межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 1999); III (XIII) Всероссийском совещании по почвенной зоологии (Йошкар-Ола, 2002); Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга: теория, методика, практика» (Киров, 2003); IV Российском философском конгресса «Философия и будущее цивилизации» (Москва, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы – 2005» (Уфа, 2005); XII Международном малакологическом конгрессе (Vigo, 1995); XIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2007); Второй Всероссийской конференции «Биогеография почв» (Москва, 2009); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экология, эволюция и систематика животных» «Рязань, 2009); Первых Международных Беккеровских чтениях (Волгоград, 2010); V Международной научно-практической конференции «Актуальные экологические проблемы» (Уфа, 2010); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации» «Киров, 2010) и ряде региональных научных конференций.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 83 работы, в т.ч. две монографии, 11 статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 613 источников, из них 154 на иностранных языках. Работа изложена на 373 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 99 таблиц.
Благодарности. Искренне признателен специалистам-систематикам за идентификацию беспозвоночных, коллегам за помощь в проведении геоботанических описаний, почвенно-зоологических раскопок, полевых и лабораторных экспериментов. Особо хотелось бы выразить благодарность чл.-корр. РАН Б. Р. Стригановой и к.б.н. Рудакову К.М. за многолетнее научное сотрудничество и полезные советы при выполнении этой работы.
Глубоко признателен Л. К. Садовниковой, Н. З., Першиной, С. И. Решетникову (кафедра химии почв МГУ) и Н. В. Катаргину (ГЕОХИ РАН) за выполнение химических анализов почвы и биоты.
