Введение к работе
Актуальность исследования
Экологическая сукцессия - это упорядоченный процесс, он определенным образом направлен, а потому и предсказуем; сукцессия происходит в результате изменения абиотических факторов окружающей среды под действием сообщества, т.е. сукцессия контролируется сообществом; кульминацией развития является стабилизированная экосистема.
Каким бы путем ни шла сукцессия ( автотрофная или гетеротрофная) всегда в зрелых или "климаксных" экосистемах наблюдается тенденция к равновесию между связанной энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание системы. Однако, указывает Ю.Одум, в некоторых системах часто обнаруживаются изменения, противоположные описанным. Это происходит потому, что эффект аллогенных процессов превосходит эффект автогенных процессов. Такие системы, по его мнению не только не могут стабилизироваться, но и обречены на деградирование.
Таким образом в научной литературе дано определение автогенных и аллогенных сукцессиий и приведены результаты фундаментальных исследований структурных и функциональных перестроек биологических систем при автогенных сукцессиях. Что касается аллогенных сукцессии, то экосистемный анализ этой ситуации на количественном уровне отсутствует.
"Никто не знает пределов надежности конкретных природных систем, их буферности и инерционности " (Реймерс, 1994, стр.257). Шкалы интегрально-индикационных показателей для оценки текущего момента не существует. Нет универсального гео-или биоиндикатора ни качества среды жизни, ни состояния той или другой экосистемы - биогеоценоза. Биоиндикаторы из мира животных, геоботаническая биоиндикация - значительный раздел современной науки. "Однако эти биоиндикаторы, как правило, отличают одно сообщество от другого, но не отражают качество среды в нем. Да и сам такой показатель может относиться лишь к конкретным видам, ибо экологические потребности каждого из них индивидуальны"(там же).
На основании теоретического анализа Н.Ф.Реймерс (1994) предлагает использовать для оценки общего качества среды такой показатель как степень завершенности сукцессионного ряда. Однако он подчеркивает, "что узловые сообщества, параклимаксы, длительно- и кратковременнопроизводные сообщества как реально конечные фазы сукцессии в данном конкретном месте указывают на степень воздействия человека на биотические образования. Но к сожалению, лишь на напряженность этого воздействия, а не на суммарный экологический результат." Имеется одномоментная картина, но каков будет следующий кадр сукцессионных изменений, станет ли экосистема деградировать или самовосстанавливаться, эта картина не в состоянии показать. Необходим анализ динамических процессов. Он возможен лишь при очень крупном масштабе исследований, наличии дробной карты биотических сообществ и их элементов. Такое исследование и было реализовано нами на примере каскада Волжских водохранилищ.
Цель и задачи исследования
Цель, которая является предметом защиты данной работы, состоит в том, чтобы на обширном эмпирическом материале из различных областей гидробиологии установить особенности сукцессиопного развития биосистем в условиях доминирования антропогенного воздействия и определить критические значения параметров выделенных стадий и этапов. При этом в качестве предмета исследования рассматривалась иерархия экосистем водохранилищ Волжского каскада.
Круг задач, которые необходимо решить, включает в себя описание фактов (в том числе и формализованное), определение законов природы, в рамки которых укладывается изучаемое явление, формулирование общих положений гипотезы, и, наконец, создание прогнозов , поддающихся проверке.
В связи с тем, что многолетние научные исследования на водохранилищах по сравнению с морями и озерами отличает плохо налаженный мониторинг и разрозненность данных, определяющее значение при осуществлении экосистемных исследований приобретает работа по сбору фактов, которая сопряжена, в свою очередь, с решением трех блоков задач.
Первый блок задач связан с накоплением и упорядочением достаточного количества информации, характеризующей состояние биологических систем разного уровня организации за длительный промежуток времени, то есть обеспечивающей анализ динамических процессов. Создание банка данных с автоматизированной системой управления может рассматриваться и как работа, имеющая самостоятельное значение. Этой акцией предполагается "замкнуть круг" бесконечного сбора разрозненной информации.
Второй блок задач - это решение проблемы репрезентативности информации. Этот блок включает в себя целый ряд задач, связанных с раскрытием пространственно-временной и функциональной неоднородности изучаемых объектов и создания на основе этого знания оптимальной схемы мониторинга, которая позволяет определять: количество станций, места их расположения, временные интервалы взятия проб, устойчивость и вариабельность показателей.
Третий блок задач связан с используемыми методами анализа полученной информации.
На защиту выносятся следующие положения:
=> Ускорение сукцессионных процессов и их направленность в иерархии экосистем волжских водохранилищ различны и характеризуют различные стадии потери устойчивости экосистем.
=> В водохранилищах Волжского каскада в условиях доминирования антропогенного воздействия гидрометеорологические факторы оказывают влияние лишь в пределах флюктуационных изменений численности, биомассы и роста популяций гидробионтов. Появление же тенденций с тем или иным знаком в рамках сукцессионных процессов является результатом антропогенного воздействия (промысел и загрязнение).
=>Для характеристики состояния водных экосистем предложен метод пространственно-временной классификации водоема с учетом видоспецифической картины миграций гидробионтов по стациям (динамическое экваториальное районирование).
=>Для оценки и прогноза состояния водных экосистем предлагается эколого-фупкциопалъный подход, позволяющий объединить традиционные неформальные методы с математическим моделированием на основе принципов: районистической верификации исходных данных; функциональной интеграции; сукцессионного мониторинга; крупномасштабное исследований во времени и пространстве.
Научная новизна и теоретическая значимость
На основании эмпирического анализа на примере водохранилищ озерного и руслового типа показано, что экологические оценки и прогнозы состояния водных экосистем возможны на основании сукцессионного мониторинга. Критериальной основой сукцессионного мониторинга может служить неодинаковая устойчивость биологических систем разного уровня организации к внешним воздействиям.
Анализ многолетних данных позволил на эмпирическом уровне установить условия реализации иерархии системных законов в функционировании систем различного уровня организации. Это дало возможность выявить причинно-следственные связи, объясняющие возможность с одной стороны исполнения в эволюционном развитии макро- и микросистем общих системных законов, а с другой стороны возникновения новых системных свойств, не выводимых из свойств объектов более низкого уровня организации. Значимость факторов в функционировании экосистемы и отдельных ее элементов определяется не только масштабами системы, но и типом происходящей сукцессии.
+ Выработана концепция развития водохранилищ. В развитии водных экосистем выделяется этап автогенных сукцессии, когда реализуются все исходные биологические характеристики гидробионтов. И этап аллогенных сукцессии, на который водоем переходит в условиях, когда эффект процессов, происходящих извне, превосходит эффект процессов, происходящих в самой экосистеме. В аллогенных сукцессиях различаются три стадии: стадия обратимых изменений, пороговая стадия, стадия коллапса.
Разработан метод оценки и прогноза состояния экосистем в условиях
доминирования антропогенного воздействия - зколого-функциональпый подход.
Отличительной особенностью метода является анализ динамических процессов,
смена масштабов исследования, нахождение неоднородности организации
биосистем во времени и пространстве и ее классификация.
Практическая значимость полученных результатов
Благодаря анализу динамических процессов и наличию дробной карты биотических сообществ получены количественные оценки влияния ряда абиотических, биотических и антропогенных факторов на отдельные популяции и весь биоценоз водохранилищ, определены границы колебаний ряда показателей состояния гидробионтов при различных режимах водопользования. Для удобства практиков эти показатели собраны в отдельную главу и сгруппированы по характеру практической значимости.
Разработанные методы динамического экваториального районирования позволили создать карты экологических ситуаций на Волге, которые дают возможность специалистам решать методические и практические вопросы обоснования водоохранных зон различного статуса, ограничения и регулирования
интенсивности хозяйственной деятельности, решать другие природоохранные проблемы.
На эмпирическом уровне доказано наличие аллогенных сукцессии в водохранилищах Волжского каскада, то есть значительное ухудшение качества среды данной территории. Установлено, что основной причиной стресса биоценозов является промысел и загрязнение. Обоснована необходимость пересмотра существующей в нашей стране парадигмы водопользования. В частности, рыбное хозяйство не может рассматриваться как приоритетный водопользователь. Оздоровление экосистемы возможно в случае доминирования на Верхней и Средней Волге рекреационного лова и переориентирования на промышленное рыбоводство, а также создания режима благоприятствования для осетрового хозяйства Нижней Волги.
Разработан целый ряд методик, имеющих наряду с научным практическое значение: методика мечения молоди рыб и водных масс и наблюдения за их перемещениями, методика экспертного и статистического динамического экваториального районирования, методика верификации разрозненных гидробиологических данных, методика расчетов масштабов гибели рыб в гидротехнических сооружениях.
Апробация работы
Материалы докладывались на коллоквиуме лаборатории поведения низших позвоночных (Москва, 1992 г.) ИЭМЭЖ РАН; на заседаниях кафедр ихтиологии и гидробиологии МГУ (Москва, 1994); на заседаниях Ученого Совета и методологического семинара ИБВВ РАН (Борок, 1991, 1992, 1993, 1994, 1996 гг.); на Всесоюзном совещании по поведению рыб (Звенигород, 1989); на заседании лаборатории озер и водохранилищ ГОСНИОРХ (Ленинград, 1988); на Международной конференции "Экологические проблемы крупных рек" (Тольятти, 1993), на конференции "Многолетние гидробиологические наблюдения на внутренних водоемах: современное состояние и перспективы" (Санкт-Петербург, 1994 г.). Результаты исследований автора использованы при разработке рыбозащитного устройства на водозаборах Конаковской ГРЭС и при решении проблемы защиты водозаборов Рыбинской ГЭС от попадания в них молоди рыб.
Объем и структура диссертации