Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы. Проблемы современного экологического состояния городских водоемов 9
1.1. Специфика изменения экосистем озер под влиянием антропогенного воздействия 9
1.2. Донные биоценозы в условиях антропогенного нарушения экосистем озер 14
1.3. Характеристики макрозообентоса, используемые в системе мониторинга пресноводных экосистем 22
ГЛАВА 2. Физико-географическая, гидрологическая и гидрохимическая характеристика водоемов Нижнего Новгорода и Дзержинска 32
2.1. Водоемы нагорной части г. Нижнего Новгорода 32
2.2. Водоемы заречной части г. Нижнего Новгорода 34
2.3. Водоемы г. Дзержинска 40
СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 3. Материал и методы исследований 49
3.1. Место и время отбора проб 49
3.2. Сбор материала и обработка результатов 51
ГЛАВА 4. Структурно-функциональные особенности макрозообентоса городских водоемов 56
4.1. Видовая структура и динамика количественных показателей макрозообентоса городских водоемов 56
4.2. Характеристика биоценотического и структурно-функционального сходства городских водоемов 66
ГЛАВА 5. Оценка качества воды городских водоемов 72
5.1. Оценка качества воды исследуемых водоемов различными гидробиологическими методами 72
Зависимости состояния макрозообентоса от гидрологических и гидрохимических характеристик водоемов. 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
ВЫВОДЫ 92
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 93
ПРИЛОЖЕНИЕ 106
- Специфика изменения экосистем озер под влиянием антропогенного воздействия
- Водоемы нагорной части г. Нижнего Новгорода
- Видовая структура и динамика количественных показателей макрозообентоса городских водоемов
Введение к работе
Актуальность темы: Изучение структуры и функционирования водных экосистем пресных водоёмов в связи с особенностями их морфометрии, гидрологии, химизма вод и уровня антропогенного воздействия является одним из фундаментальных разделов современной гидроэкологии. Возрастающие темпы урбанизации приводят к включению в состав городских территорий всё новых и новых природных объектов, в том числе озёр. В связи с этим проблема сохранения водных экосистем на урбанизированных территориях, испытывающих значительный антропогенный пресс, является одной из важнейших проблем современной экологии и охраны окружающей среды.
Загрязнение водных объектов ведет к сложным перестройкам в их экосистемах (Охапкин, 1998; Алимов, 2000; Дзюбан, Мингазова с соавт., 2000; Филенко, 2001; Максимов с соавт. 2001; Кузнецова, 2002). Появление одних организмов и исчезновение других были первыми замеченными признаками быстро развивающихся нарушений свойств озер, расположенных среди культурных ландшафтов (Смирнова, Тимм, 1980). В связи с этим для оценки эффекта антропогенного воздействия на водные экосистемы необходимо наряду с физико-химическими и токсикологическими исследованиями проводить наблюдения за состоянием основных сообществ гидробионтов, в частности, макрозообентоса. Известно, что благодаря особенностям биологии и экологии, донные животные являются хорошими индикаторами изменения условий их существования, происходящими, в том числе и под влиянием антропогенного воздействия (Тимм, 1987; Балушкина, 1997; Зинченко, 1998; Daurin Jean-Claude, 1993; Kansanen et al., 1990; Johnson et al., 1993). Зообентос играет особую роль не только потому, что он один из основных компонентов водных экосистем, но, главным образом, в связи с тем, что изменение количественного и качественного состава зообентоса являются показателями долговременных изменений среды (Пареле, 1991). Имеется значительное количество научных публикаций, в которых приводятся результаты исследований
5 донных сообществ водных объектов различных регионов и предлагаются методы оценки качества воды (Пареле, 1981; Попченко,1992; Розенберг, Краснощекое, 1996; Петрова с соавт., 1996; Баканов, 1998; Шахматова с со-авт., 2000; Гелашвили с соавт., 2001; Kirk, Репу, 1994).
В то же время, структурно-функциональная организация макрозообен-тоса малых водоёмов замедленного водообмена естественного и искусственного происхождения, расположенных в районе техногенно трансформированных территорий исследована довольно слабо. Гидробиологические особенности водоёмов гг. Нижнего Новгорода и Дзержинска по показателям макрозообентоса до настоящего момента оставались практически не изученными, что и предопределило цель настоящего исследования.
Цель исследований; Анализ особенностей структурно-функциональной организации сообществ макрозообентоса с применением методов одномерной и многомерной статистики на примере десяти водоемов городов Нижнего Новгорода и Дзержинска, находящихся в условиях высокой антропогенной нагрузки.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Изучить видовую структуру и дать оценку степени видового сходства сообществ макрозообентоса исследуемых водоемов;
Изучить динамику и степень сходства структурно-функциональных характеристик сообществ макрозообентоса;
Классифицировать городские водоемы по структурно-функциональным показателям макрозообентоса;
Оценить качество воды с помощью индексов Балушкиной, Гуднайта-Уитлея, Вудивисса и сапробности по методу Пантле и Букка.
Исследовать зависимости использованных индексов оценки качества воды и структурно-функциональных характеристик макрозообентоса от гидрологических и гидрохимических характеристик водоемов.
Научная новизна: Показано, что между донным населением глубоководных участков городских водоемов различия по видовому составу значительнее, чем между зообентосом литорали этих водоемов. Выявлены статистически достоверные различия между озерами по биомассе макрозообентоса и таким показателям, как вариабельность динамики биомассы (ВДБ) и видовое разнообразие. Эти различия обусловлены спецификой гидрологических и гидрохимических характеристик, таких как уровень биологического потребления кислорода (БПК5), уровень химического потребления кислорода (ХПК), степень химического загрязнения воды (индекс загрязненности воды - ИЗВ), активная реакция среды (рН), содержание кислорода в придонных слоях воды и экологическая емкость. Наименьшую применимость к анализу качества воды изученных водоемов показал индекс Гуднайта-Уитлея. Установлена прямая зависимость вариабельности динамики биомассы от величины экологической ёмкости для малых городских водоемов.
Практическая значимость работы: Впервые для Нижнего Новгорода и Дзержинска проведена дифференциация водоемов по степени антропогенной нагрузки, которая позволяет обосновать необходимость проведения мероприятий по дальнейшему изучению, охране и восстановлению водоемов, расположенных на урбанизированной территории. Полученные результаты в качестве составной части в комплексе с данными гидрологии, гидрохимии и гидробиологии легли в основу экологических паспортов водных объектов городов Нижнего Новгорода и Дзержинска.
Публикации и апробация результатов исследований: По теме диссертации опубликовано 4 работ и 2 работы приняты в печать. Результаты работы докладывались на научно-практической конференции «Проблемы регионального экологического мониторинга» (Н. Новгород, 25-26 апреля 2002 г); на Всероссийской заочной конференции «Перспективы развития Волжского региона» (Тверь, 31 мая 2002 г.); на 12-й международной конференции молодых ученых «Биология внутренних вод: проблемы экологии и биоразнообразия» (Борок, 2002 г.).
7 Декларация личного участия автора: Основная работа над диссертацией проводилась на кафедре экологии Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского в период с 1998 по 2003 г. Автор участвовал в постановке цели и задач исследования. Сбор материала проводился автором в течение 1998-2001 гг. Полученный фактический материал был проанализирован с помощью методов многомерной статистики. Основные результаты исследований опубликованы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Между донным населением глубоководных участков городских водоемов (сублиторали и профундали) видовые различия значительнее, чем между зообентосом литорали этих водоемов.
Существуют статистически достоверные различия между группами водоемов, выявленными в результате многомерного кластерного анализа методом Уорда по биомассе макрозообентоса и таким показателям, как вариабельность динамики биомассы (ВДБ) и видовое разнообразие. Эти различия обусловлены спецификой гидрологических и гидрохимических характеристик, таких как уровень биологического потребления кислорода (БПК5), уровень химического потребления кислорода (ХПК), степень химического загрязнения воды (индекс загрязненности воды — ИЗВ), активная реакция среды (рН), содержание кислорода в придонных слоях воды и экологическая емкость.
Существует прямая зависимость вариабельности динамики биомассы от величины экологической ёмкости для малых городских водоемов. Связь с плановыми НИР: Работа выполнена в ходе комплексных
экологических исследований по паспортизации водных объектов г. Нижнего Новгорода, проводимых Региональным центом экологического образования и экспертиз при ННГУ им. Н.И. Лобачевского, в рамках подпрограммы "Возрождение Волги" Федеральной целевой программы "Экология и природные ресурсы России".
8 Структура и объем диссертации; Работа изложена на 136 страницах и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. В работе приведено 24 рисунка и 15 таблиц. Список цитированной литературы включает в себя 136 источников, в том числе 18 на иностранных языках.
Специфика изменения экосистем озер под влиянием антропогенного воздействия
Изучение озёрных экосистем имеет важное теоретическое и практическое значение, способствует решению одной из актуальных проблем современности - взаимодействию человека и окружающей среды.
С увеличением потребления биологических ресурсов и водных запасов значительно повышается роль внутренних водоёмов. Одной из проблем в связи с этим является загрязнение городских рек и озер. Эти водоемы подвержены сильнейшему антропогенному воздействию и, вследствие возрастания отрицательных нагрузок на водные объекты, происходит неблагоприятное изменение всего биома рек и озер, что затрагивает как качество воды, так и биологические ресурсы (Григялис, 1985).
В результате эксплуатации водоемов и индустриальной деятельности за их пределами, оказывающими определенное направленное воздействие на гидроэкосистемы, возникает своеобразная — антропогенная форма экзогенной сукцессии водоемов. Причиной ее становятся не результаты жизнедеятельности биоценоза, а закономерные изменения биокосного компонента под влиянием антропогенного воздействия.
Наиболее часто антропогенная сукцессия водных экосистем связана с загрязнением водоемов, поступлением в них биогенов и подогретых вод (термофикация). Еще резче выражены изменения водных экосистем под влиянием поступления в них ядовитых веществ — токсификация водоемов.
Под влиянием эвтрофикации, термофикации и токсификации водоемов, а также в результате целенаправленных преобразований возникают новые гидроэкосистемы (Субботин, 1981; Константинов, 1983; Филенко, 1986; Га-расевич , Васильковская, 1995; Сальников, 1996).
Одной из наиболее распространенных причин нарушения стабильности озерных экосистем является повышение уровня трофии, то есть повышение скорости новообразования органического вещества. В сбалансированной экологической системе поддерживается равновесие между образованием и распадом органического вещества, между выделением и потреблением кислорода. Нарушение этого равновесия ведет к химическим и биологическим изменениям. Значительное превышение новообразования органического вещества над процессами его деструкции ведет к перегрузке водоемов органическим веществом.
Процессы антропогенного и искусственного эвтрофирования принципиально отличаются от естественного эволюционного процесса.
Увеличение продуктивности озер при их старении — длительный естественный процесс. Но в последнее время отмечено возрастание скорости этого процесса — эвтрофирование осуществляется за десятилетия и менее. Повышение содержания биогенных веществ в воде приводит к интенсивному увеличению продуктивности, ухудшению качества воды, ее природных свойств.
Обычно под антропогенным эвтрофированием понимают комплекс ухудшений практически важных показателей озерных экосистем как следствие повышения уровня их трофии.
Повышение трофического уровня сопровождается нарастанием комплекса показателей загрязнения, то есть накоплением более или менее легко разлагающихся органических веществ автохтонного и аллохтонного происхождения, изменением цветности воды, содержания гуминовых кислот, ухудшением солевого состава, газового режима, снижением прозрачности, уменьшением глубины вследствие накопления донных осадков в виде серого и черного ила.
При высокой степени антропогенного эвтрофирования донные отложения обогащаются органическими компонентами и приобретают черты сопропеля. В придонном иле возникает дефицит кислорода, приводящий к процессу анаэробного разложения органики, появлению сероводорода.
В обратимости процесса антропогенного эвтрофирования большое значение имеет проточность водоемов. Снижение проточности любым способом усиливает кумуляцию органических веществ в озерах, интенсифицирует накопление донных отложений (Шахматова, 1993).
Озеро, как аккумулирующая система, отражает в накапливаемом материале особенности вещественного состава природных комплексов на его водосборе и оказывается источником информации, позволяющим судить о происходящих в этих комплексах изменениях. Это приобретает особое значение в условиях культурных ландшафтов, когда вещественный состав природных комплексов подвергается глубоким, разнообразным и часто внезапным нарушениям антропогенного характера.
Одни вещества накапливаются в результате механического отложения на дне озера, другие сначала претерпевают несложные изменения, выводятся из раствора и затем уже поступают в состав озерных отложений.
Вещества могут накапливаться в разных формах: в растворе, в вещественном составе гидробионтов и в озерных отложениях. Это приводит к обогащению водоема биогенными веществами, которые вследствие большой подвижности активно включаются в систему лимнических процессов. Превращение, перемещение и накопление эвтрофирующих веществ в озерах неразрывно связано с морфологией озера, структурой и динамикой водной массы, явлениями стагнации, изменяющимися в сезонном ходе. Все это позволяет рассматривать водоем как более или менее замкнутую систему превращения вещества в отличие от водотоков, являющихся системами открытыми и преимущественно переносчиками вещества (Хендерсон-Селлерс, Маркленд, 1990).
Водоемы нагорной части г. Нижнего Новгорода
На границе Советского и Приокского районов города Нижнего Новгорода между Сахарным долом и Дубенками расположен Щелоковский хутор — естественный массив широколиственного леса. В его северной части с юго-запада на северо-восток протянулся каскад из 3-х прудов-водохранилищ общей длиной около 2-х км, созданный в 1963-67 гг. на Кузнечихинском ручье - правом притоке р. Старки, впадающей в р. Рахму. Возведение прудов-водохранилищ осуществлялось путем сооружения 3-х земляных дамб (плотин) и коллекторов, служащих для саморегулирования уровенного режима прудов в соответствии с величиной притока к ним. Притоками к прудам являются: ручей, на котором созданы пруды-водохранилища; ручей, впадающий в Верхний пруд; два родника, расположенные на правом берегу Среднего пруда; небольшой ручей на левом берегу Нижнего пруда. Наиболее интенсивная смена водной массы происходит в Верхнем пруду.
Верхний пруд-водохранилище. Верхний пруд-водохранилище является первым в каскаде водохранилищ.
Поверхность его водосборного бассейна представляет собой слабовсхолмленную равнину, поросшую на 60-70% своей площади молодым лиственным лесом. Дно пруда у берегов песчано-илистое, на остальной части акватории — илистое. Длина пруда - 306 м, средняя ширина — 68 м.
По данным гидрохимических анализов ВВУГМС (1998 г.), биогенные вещества представлены соединениями азота, фосфора, кремния, железа. При этом в концентрациях, превышающих допустимые, присутствуют азот нит-ритный и железо, эпизодически - азот аммонийный. Наиболее характерными для пруда загрязняющими веществами являются соединения таких тяжелых металлов, как марганец, медь и цинк. Высока степень загрязнения бенз(а)пиреном (453 ПДК на мелководье, 280 ПДК в придонном слое глубоководной части пруда)
Средний пруд-водохранилище. Средний пруд-водохранилище является вторым в каскаде водохранилищ.
Поверхность водосборного бассейна представляет собой слабовсхолмленную равнину, на 70-80% площади поросшую молодым лиственным лесом. Дно пруда песчано-илистое в прибрежной части и илистое на остальной акватории. Длина водоема - 500 м, средняя ширина — 63 м.
По данным гидрохимических анализов ВВУГМС (1998 г.), биогенные вещества представлены соединениями азота, фосфора, кремния и железа. При этом в концентрациях, превышающих допустимые, присутствуют соединения нитритного и аммонийного азота и железо. Наиболее высокое загрязнение нитритным азотом придонного горизонта наблюдалось в глубоководной части водоема. Соединения тяжелых металлов (марганец, медь, цинк, никель) являются наиболее характерными для пруда загрязняющими веществами. Среди прочих загрязняющих веществ доминировали нефтепродукты. Высок уровень загрязнения бенз(а)пиреном.
В целом по пруду имеется тенденция роста уровня загрязнения от поверхности ко дну, где вода имеет наиболее низкие характеристики качества, и от мелководной к глубоководной части. Донные отложения содержат тяжелые металлы и хлорорганические пестициды. Гидрохимические показатели качества воды озера приведены в таблицах 2 и 3.
Нижний пруд-водохранилище. Нижний пруд является последним из каскада трех водохранилищ. Грунты пруда глинисто-песчаные, покрытые в бентали наносами серого и черного ила.
По данным гидрохимических анализов ВВУГМС (1998 г.), биогенные вещества представлены соединениями азота, фосфора, кремния, железа. При этом в концентрациях, превышающих предельно допустимые, присутствуют нитриты, соединения аммонийного азота и железо. Высоким было загрязнение бенз(а)пиреном. По степени повышенного загрязнения большинством веществ выделяется мелководная часть акватории, расположенная ниже впадения ручья. Донные отложения содержат тяжелые металлы.
Видовая структура и динамика количественных показателей макрозообентоса городских водоемов
Были обнаружены 2 представителя класса Crustacea - Asellus aquaticus (Linne) и Pallasea quadrispinosa (Sars) (в единственном водоеме — озере Круглом). Стрекозы, поденки, клопы, жуки, ручейники и двукрылые обнаружены во всех водоемах.
Отряд Odonata ярче всего представлен в озере Больничном, в литорали которого обнаружено 8 видов стрекоз. Всего выявлено 16 видов стрекоз, относящихся к двум подотрядам и 7 семействам. Все личинки стрекоз были выловлены в литорали обследованных водоемов, где они предпочитают обитать среди водных растений.
Поденки были обнаружены во всех исследованных водоемах. При этом представители семейства Baetidae отряда Ephemeroptera (Поденки) отмечены повсеместно, в то время как виды семейства Caenidae не были обнаружены нами в озере Счастливом, где, однако, был встречен единственный представитель семейства Siphlonuridae - Siphlonurus linneanus (Eaton), не обнаруженный в остальных водоемах.
Наибольшее количество видов отряда Heteroptera было отмечено нами в обоих озерах Дзержинска - Святом и Круглом (соответственно 6 и 7), тогда как в большинстве водоемов Нижнего Новгорода оно не превышало 3. Обнаруженные виды клопов относились к 7 семействам, преимущественно Naucoridae, Corixidae и Pleidae, представитель которого Plea minutisima (Leach) выявлен в литорали всех обследованных водоемов, за исключением Нижнего пруда- водохранилища Щелоковского хутора и озера Счастливое.
Жуки (отряд Coleopterd) относились к четырем семействам и были представлены преимущественно типичными для водоемов средней полосы хищными видами, такими как Haiplus ruficollis (Latreille) (семейство Halipli-dae, встречен повсеместно, кроме озера Счастливое), Hyphidrus ovatus (Illiger), Ditiscus marginalis (семейство Ditiscidae).
Отряд Diptera представлен в донной фауне обследованных озер наиболее широко и включает в себя 7 семейств и 57 видов. Самым богатым является семейство Chironomidae, большинство представителей которого относятся к подсемейству Chironominae (23 вида). Виды этого подсемейства обнаружены во всех обследованных водоемах. Наиболее часто встречались Chironomus gr. plumosus (Linne), Endochironomus albipennis (Meigen), Polypedilum gr. con-victum (Walker) и Glyptotendipes gripekoveni (Kieffer). Представители подсемейства Tanypodinae обнаружены везде, кроме озер Дунайка и Святое. Наиболее встречающийся вид — Clinotcmypus gr. nervosus (Meigen).
Виды подсемейства Orthocladiinae обнаружены в озерах Счастливое, Парковое, Земснаряд, Больничное, Дунайка и Святое. Особенно распространены виды Cricotopus gr. algarum (Kieffer) и Psectrocladius gr. psilopterus. Подсемейство Prodiamesinae представлено всего двумя видами — Prodiamesa olivacea (Meigen) и Monodiamesa bathyphila (Kieffer), обнаруженными соответственно в Нижнем пруду-водохранилище Щелоковского хутора и озере Счастливом.
Мокрецы (семейство Ceratopogonidae) наиболее обширно представлены подсемейством Palpomyiinae, распространенными видами которого явились Palpomyia lineata (Meigen), Bezzia xantocephala (Goetghebuer) и Sphaeromias pictus (Meigen). Представители этого подсемейства были обнаружены как в литорали, так и в профундали обследованных озер. Кроме того, в литорали четырех обследованных озер были обнаружены представители подсемейства Ceratopogoninae Aluaudomyia splendida (Winnerts) (средний пруд-водохранилище Щелоковского хутора и озеро Земснаряд) и Stilobezzia sp. (озера Больничное и Святое). Также в профундали Нижнего пруда-водохранилища Щелоковского хутора обнаружен единственный представитель подсемейства Dasyheleinae - Dasyhelea sp.
Отряд Trichoptera (ручейники) представлен двумя подотрядами, 6 семействами и 14 видами. Наибольшее количество видов этих насекомых встречено в озере Земснаряд (6 видов), наименьшее - в прудах-водохранилищах Щелоковского хутора (всего 3 вида). Личинки ручейников оксифильны и обитают, как правило, в прибрежной зоне водоемов на небольшой глубине.
