<<
>>

Глава 10. БИОИНДИКАЦИЯ СТЕПЕНИ НАРУШЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ

Современная экологическая ситуация на Земле многими учеными считается близкой к биоценотическому кризису. К нему реально приближает планету прежде всего воздействие человека на природу, которое становится соизмеримым с глобальным изменением естественных факторов.

Концепция биоценотического кризиса возникла отчасти из замеченной аналогии между событиями в середине мела и современным положением. Она была предложена палеонтологом В.В. Жерихиным и основана на представлении о существовании в геологической истории биосферы длительных периодов с повышенной стабильностью биоценозов и крайне невысокими темпами эволюции, сменявшихся краткосрочными периодами с быстрыми темпами эволюционных преобразований. Скорость эволюции может в такие критические моменты на 5-6 порядков превосходить скорость эволюции в стабильных экосистемах, а ее направление неопределенно и непредсказуемо. При этом быстрая эволюция основных компонентов и перестройка организации биоценозов происходят при разрушении их структуры и обусловлены резким изменением прежде всего абиотических экологических факторов. Примерами таких изменений в настоящее время считаются повышение содержания С02в атмосфере, уменьшение мощности озонового слоя, возрастание роли ионизирующего излучения, вызванных хозяйственной деятельностью человека.

Содержание С02 в атмосфере в последние 200 лет постепенно возрастает, что связано с увеличением потребления горючих ископаемых и снижением расхода С02 на фотосинтез нарушенным растительным покровом. В конце 18-го, начале 19-го веков до развития промышленности в атмосфере Земли содержалось около 0,029% С02. В 1958 г. содержание С02 составляло 0,0315%, а в 1980 г уже 0,0335%. Если концентрация С02 вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине 21 -го века, произойдет потепление климата с повышением температуры на 1,5-4,5‘С. Это обусловит увеличение темпов таяния ледников и подъема уровня мирового океана.

В 20-м веке средний уровень моря поднялся на 12 см.

Слой озона (03) в атмосфере экранирует губительное для живых организмов, разрушающее ДНК ультрафиолетовое излучение Солнца. Образование озона в атмосфере происходит за счет кислорода с использованием энергии, главным образом, ультрафиолетового излучения. Разрушение озона, в частности, вызывают поступающие в атмосферу хладо- агенты,аэрозоли и др.

Источником ионизирующего излучения на Земле служат радиоактивные вещества и космос. Обладая очень высокой энергией, ионизирующее излучение способно выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием ионов. Наиболее опасно для живых организмов легко проникающее в вещества гамма-излучение. Интенсивность ионизирующего излучения значительно повысилась в результате использования атомной энергии.

Очевидно, что глобальные кризисные экологические ситуации могут вызываться и недостаточно изученными резкими изменениями природных факторов, обусловленными, например, изменениями угла наклона оси Земли к плоскости ее вращения вокруг Солнца.

К первым предвестникам экологического кризиса относятся уменьшение продуктивности и устойчивости экосистем, нарастание их нестабильности. В частности, районы экологического бедствия занимают в настоящее время около 12-16% территории России. В Европейской части России и Западной Сибири это проявляется в увеличении числа засух, суховеев, пыльных бурь, лесных пожаров, самовозгорании торфяников.

Б.В. Виноградов, Б.В. Орлов и др. (1993) выделяют три уровня нарушения экосистем по их глубине и необратимости.

Зона экологического риска (Р) включает в себя территории с заметным снижением продуктивности и устойчивости экосистем, максимумом нестабильности, ведущим к спонтанной деградации экосистем, но еще с их обратимыми нарушениями. Деградация земель наблюдается на 5-20% площади.

Зона экологического кризиса (К) включает территории с сильным снижением продуктивности и потерей устойчивости, трудно обратимыми нарушениями экосистем.

Деградация земель наблюдается на 20 - 50% площади.

Зона экологического бедствия - катастрофы (Б) включает территории с почти полной потерей продуктивности, практически необратимыми нарушениями экосистем. Деградация земель превышает 50% площади.

Определение дискретных состояний нормы, риска, кризиса и бедствия экосистем осно-

130              -

вано на многолетних стационарных и полустационарных исследованиях динамики их нарушения и восстановления, измерения показателей состояния в зависимости от степени антропогенной трансформации в разных экологических условиях. Классическим примером подобного исследования является анализ связи между проективным покрытием растительного покрова, пастбищной нагрузкой и стадиями дигрессии пастбищных экосистем. В частности, в условиях пустынь и полупустынь Средней Азии и Казахстана выделяют следующие стадии пастбищной дигрессии: неизмененные (2), слабо (gt;4‘), средне (А"), сильно (А“‘) измененные и полностью сбитые (V) пастбища (рис. 20). Слабый выпас овец не приводит к заметным нарушениям пастбищных экосистем, а в ряде случаев, напротив, способствует их улучшению. В связи с этим несбитые и слабо сбитые пастбища могут быть объединены в один класс - “норма” (Н), а средне, сильно и полностью сбитые пастбища в значительной мере соответствуют классам риска (Р), кризиса (К) и бедствия (Б). Аналитическая форма зависимости между показателем проективного покрытия (Р) и степенью антропогенного нарушения (А) имеет нелинейную форму логистической кривой. Формальное разбиение этой зависимости аналитическим путем на зоны нарушения экосистем проводится путем анализа дифференциальных производных показателя, в данном случае проективного покрытия растительности. Максимум первой производной (с/Р) при падении проективного покрытия ниже 30% соответствует переходу пастбищ в кризисное состояние (К) с трудно обратимыми переходами. Первый максимум второй производной (с!2Р) приходился на 70%, что ограничивало зону риска с необратимыми переходами.

Второй максимум второй производной располагался при покрытии около 10% и обозначал переход к практически необратимому катастрофическому состоянию (Б). Такие формальные операции могут быть использованы для разбиения на классы других показателей индикаторов зон экологического бедствия. Однако для классификации многих, особенно качественных показателей, целесообразно использовать имеющиеся в литературных источниках экспертные оценки данных (табл. 26).

Критерии зон экологического бедствия делятся на тематические, пространственные, динамические и интегральные.

Тематические критерии включают специфические индикаторы характеризующие свойства экосистем (ботанические, зоологические, почвенные, микробиологические, гидрохимические, гидрологические, геофизические и др.).

Ботанические критерии имеют наибольшее значение, так как они не только чувствительны к нарушениям окружающей среды, но и наиболее физиономичны, и лучше всего прослеживаются зоны экологического бедствия по размерам в пространстве и по стадиям нарушения во времени (табл. 26). К ним относятся ухудшение видового состава и ассоциированности естественной растительности; уменьшение видового разнообразия, лесистости, площади коренных ассоциаций; слабое возобновление, повреждения растительности газообразными соединениями, болезнями, вредителями и др.

Зоологические критерии включают показатели нарушения животного мира. Они могут рассматриваться как на ценотических (видовое разнообразие, пространственная структура, трофическая структура, биомасса, продуктивность, энергетика), так и популяционных (пространственная структура, численность, возрастной состав, поведение) уровнях. Зона риска выделяется главным образом по этологическим критериям начальной стадии нарушения (синантропизация, потеря стадного поведения, изменение путей миграции). Зона кризиса характеризуется нарушением структуры популяций, групп и стай, сужением области распространения и обитания, нарушением размножения. Зона бедствия отличается исчезновением части местообитания, отдельных стаций, массовой гибелью возрастных групп, резким ростом численности синантропных и нехарактерных видов, интенсивным увеличением антропозоонозных и зоонозных заболеваний (табл.

27).

р

Рис. 18. Анализ зависимости показателя Р (проективное покрытие пастбищной растительности, %) со стадиями пастбищной трансформации (1- неизмененные, А' - слабо, А“ - средне, А- сильно измененные и V- полностью сбитые пастбища), хода первой (с/Р) и второй производной (сРр) и вывод классов экологической безопасности: Н - нормы, Р - риска, К - кризиса, Б - бедствия.

Индикатор Н Р К Б
1 2 3 4 5
Ухудшение видового состава естественной растительности Естественная смена доми- нантов, суб- доминантов и характерных видов Уменьшение обилия господствующих видов Смена господствующих видов на вторичные, в основном непоедае- мые сорные и ядовитые Уменьшение обилия вторичных видов
Ухудшение ассоциированности естественной растительности Ассоциации Семиассоциа-

ции

Агломерации Агрегации
Изменение ареалов Отсутствие Ослабление,

изреживание

Разделение,

сокращение

Исчезновение
Повреждение растительности дымом заводов То же Повреждение наиболее чувствительных видов (хвойных деревьев, лишайников) Повреждение

среднечув

ствительных

видов

Повреждение слабочувствительных видов (травы, кустарники)

Таблица 26

Продолжение табл. 26

1

2

3

4

5

Повреждение растительности заповедников

Фенотипические изменения, не вызывающие смены ассоциаций

Смены субассоциаций

Смены ассоциаций

Смены формаций

Появление тератологических отклонений

Отсутствие

Редко

Спорадически

Массово

Возобновление ценопо- пуляций доминантов

Хорошее

Слабое

Очень слабое и спорадическое

Почти отсутствует

Относительная площадь коренных (квазикоренных) ассоциаций (%)

gt;60

40-60

20-30

lt;10

Биоразнообразие (уменьшение индекса разнообразия Симпсона) (%)

lt;10

10-20

25-50

gt;50

Лесистость (% от зональной)

gt;80

60-70

50-30

lt;10

Запас древесины (% от нормальной)

gt;80

60-80

30-60

lt;30

Повреждение древосто- ев промышленным дымом (%)

lt;5

10-30

30-50

gt;50

Повреждение хвои промышленным дымом (% биомассы)

lt;5

10-30

30-50

gt;50

Заболевание древостоев (% деревьев)

lt;10

10-30

30-50

gt;50

Засоренность агроценозов (% сорных и адвентивных растений)

lt;10

20-50

60-90

gt;90

Развитие вредителей в посевах (% площади)

lt;10

10-20

20-50

gt;50

Гибель посевов (% площади)

lt;5

5-15

15-30

gt;30

Проективное покрытие пастбищной степной и полупустынной растительности (% от нормального)

gt;80

60-70

20-50

lt;10

Продуктивность пастбищной растительности (% от потенциальной)

gt;80

60-70

10-30

lt;5

Жизненность доминантов (балл)

4-5

3-4

2-3

1-2

Полнота древостоя (доля от 1,0)

gt;0,8

0,6-0,4

0,3-0,2

lt;0,1

Почвенные критерии относятся к наиболее стабильным показателям зон экологического риска, кризиса или бедствия.

Они включают снижение плодородия почв и содержания гумуса, усиление почвенноэрозионных процессов, увеличение площади вторично засоленных почв, содержания тяжелых металлов, пестицидов и др. (табл. 28).

Тематические индикаторы оценивают по их достоверности, распространенности и значимости. Достоверность индикатора определяют по отношению пространственной частоты правильного применения признака Т (частоты совпадения с индицируемой зоной) к его общей частоте встречаемости Я. Т всегда меньше Я. Выделяют пять классов достоверности по отношению Т/Я. Обязательные индикаторы имеют отношение Т/Я более 0,9, постоянные —0,8-0,9, переменные —0,6-0,8. Также могут быть использованы и показатели с меньшей достоверностью, особенно когда они встречаются на большой площади. Распространенность индикатора определяется по отношению пространственной частоты правильного применения признака Т, но к общей частоте объекта индикации в ( в данном случае индицируемой зоны). Значимость индикатора оценивают по допустимым пределам Т, Я и Э.

Пространственные критерии. Кроме силы воздействия на среду для оценки зон экологического бедствия большое значение имеет площадь воздействия. Небольшая по площади нарушенная система восстановится быстрее, чем обширная. Если площадь нарушения более предельно допустимых размеров, то разрушение среды практически необратимо и относится к уровню катастрофы. Размер зон экологического бедствия, как правило, превышает площадь 10 000-100 000 га в зависимости от типа экосистем и геолого-географических условий. По размерности зоны экологического бедствия делятся на локальные (на площади более 10 тыс. га), районные (более 100 тыс. га), областные (более 1 млн. га), региональные (более 10 млн. га). К пространственным критериям относится также относительная площадь земель, выведенных из землепользования в пределах исследуемого района. В норме в стабильных экосистемах относительная площадь нарушенных экосистем может достигать 5%. В зонах экологического риска она уже составляет 5-19%. По одной и той же стадии нарушения, выявленной по тематическим критериям, увеличение относительной площади нарушения представляет собой более высокий уровень опасности. Для административного района площадью 100-200 тыс. га это может быть выражено в виде

Индикатор Н Р к Б
Частота антропозо- онозных заболеваний Случайная Спорадическая (регистрируется не каждый год и в отдельных хозяйствах для домашних животных и на отдельных маршрутах для диких) Регулярная (регистрируется ежегодно и одновременно в ряде хозяйств и на маршрутах) Массовая (ежегодно и на территории более 50%)
Опасность антропозо- онозных заболеваний Не опасно По району менее опасные заболевания (токсоплазмоз, геморрагические лихорадки, лептоспироз, бруцеллез, гельминто- зы) По области опасные (бешенство, чума свиней, ор- нитоз) По ареалу очень опасные (чума, сибирская язва, ящур)

Таблица 27

Продолжение таблицы 27

Индикатор

н

Р

К

Б

Падеж домашних животных (%)

Случайно

(lt;10)

Спорадически

(10-20)

Регулярно

(20-50)

Массово

(gt;50)

Биоразнообразие (уменьшение в % от исходного)

lt;5

10-20

25-50

gt;50

Плотность популяции вида-индикатора антропогенной нагрузки (уменьшение в % от исходной)

lt;10

10-20

20-50

gt;50

Численность популяций диких северных оленей (голов на 1000 га)

gt;6

2-4

0,5-2

lt;0,1

Численность популяций сайгаков (% от нормальной)

gt;90

60

20-40

lt;10

Плотность популяций мышевидных грызунов - вредителей посевов и переносчиков болезней (% от нормы)

lt;50

50-100

100-500

gt;500

Биомасса почвенной мезофауны (% от нормы)

gt;90

60-80

30-50

lt;20

Численность почвенных микроартропод (% от нормы)

gt;90

60-80

40-60

lt;20

Таблица 28

Почвенные индикаторы зон экологической нормы (Н), риска (Р), кризиса (К) и бедствия (Б)

Индикатор

н

Р

К

Б

Плодородие почв (% от потенциального)

gt;85

65-85

65-25

lt;25

Содержание гумуса (% от первоначального)

gt;90

70-90

30-70

lt;30

Содержание легкорастворимых солей (вес.%)

lt;0,6

0,6-0,1

1,0-3,0

gt;3,0

Содержание токсичных солей (вес. %)

lt;0,3

0,3-0,4

0,4-0,6

lt;0,6

Площадь вторично засоленных почв(%)

lt;5

5-20

20-50

gt;50

Глубина почвенных кор (карбонатных, гипсовых, железистых, кремниевых) (см)

gt;100

50-100

30-50

lt;10

Продолжение таблицы 28

Содержание пестицидов в почве (ПДК)

lt;0,5

0,5-1

1-3

gt;5

Содержание поллю- тантов в почве (ПДК)

lt;1

1-3

3-10

gt;10

Остаточное содержание нефти и нефтепродуктов в почве (вес. %)

lt;1,0

1-5

5-10

gt;10

Глубина смытости почвенных горизонтов

Не смыты

Смыт горизонт А, или 0,5 горизонта А

Смыты горизонты А и В или частично АВ

Смыты горизонты А и В

Глубина смытости (% почвенного профиля)

lt;10

10-30

30-50

gt;50

Площадь водной эрозии (% площади)

lt;10

10-25

25-50

gt;50

Площадь обнаженных коренных пород (% площади)

lt;5

5-10

10-25

gt;25

Овражная расчлененность (км на км2)

lt;0,3

0,3-0,7

0,7-2,5

gt;2,5

Площадь ветровой эрозии (полностью сдутые почвы) (%)

lt;5

10-20

20-40

gt;40

Задерненность песчаных почв(%)

gt;60

30-60

10-30

lt;10

Площадь подвижных песков (%)

lt;5

5-15

15-25

gt;30

Уровень активной мик- робной биомассы (снижение в число раз)

lt;5

5-10

10-50

gt;50

матрицы. Так экспертная оценка зон экологического нарушения почв (Н - норма, Р - риск, К- кризис, Б бедствие) территории в зависимости от глубины экологического нарушения территории (умеренное, среднее, сильное) и занимаемой относительной площади (%) имеет следующий вид:

Нарушение

lt;5%

5-20%

20-50%

gt;50%

Умеренное

Н

Н

Н

Р

Среднее

Н

Н

Р

К

Сильное

Н

Р

К

Б

Из этих данных следует, что если даже сильное нарушение занимает площадь менее 5% территории, изменение квалифицируется в пределах нормы; но даже умеренное нарушение на относительной площади более 50% экспертной территории служит основанием для ее объявления зоной экологического риска.

Для квалификации зон экологического риска, кризиса и бедствия необходимо учитывать пространственную неоднородность нарушенных зон и наличие в ней комбинаций участков разной степени нарушенности.

Динамические критерии. Тематические и пространственные критерии выявления зон экологического бедствия при всей их очевидности недостаточны для объективной квалификации зон, так как они не отражают истинной картины бедствия. Более достоверны динамические критерии выявления зон экологических нарушений по скорости нарастания неблагоприятных изменений природной среды (накопления тяжелых металлов, прироста площади подвижных песков и т.д.). По этому показателю выделяют четыре класса экосистем. Стабильные экосистемы со скоростью изменений менее 0,5% площади в год подвержены лишь разногодичной и циклической флюктуации. Умеренно динамичные экосистемы со скоростью изменений до 1-2% площади в год соответствуют зонам экологического риска. Средне динамичные экосистемы со скоростью изменений свыше 4% площади в год, полная смена которых происходит менее чем за 25 лет, представляют собой зоны экологического бедствия. Для объективного выявления скорости смен и исключения разногодичных колебаний скорости необходима значительная продолжительность наблюдений. Минимальный срок для определения линейной скорости изменений составляет 8-10 лет, а для выявления нелинейной скорости — 20-30 лет. К динамическим показателям нарушения экосистем относятся увеличение площади их разрушения, эродированных земель, сбитых пастбищ, засоленных земель, полная смена состава, уменьшение годичной продукции, содержания гумуса в почве и др. (табл. 29).

Интегральные критерии. Структура интегральных индикационных критериев может быть выражена в виде корреляционной матрицы, на которой для каждого уровня нарушенное™ экосистем показана встречаемость тех или иных тематических, пространственных и динамических индикационных показателей а ; (табл. 30). Кроме встречаемости необходима оценка экологической значимости отдельных показателей. Задача интеграции облегчается тем, что, как правило, большая часть тематических показателей (ботанических, зоологических, почвенных) взаимно коррелирует. Например, в самой крупной на территории России зоне экологического бедствия в Черных землях Калмыкии ботанические критерии бедствия (уменьшение проективного покрытия более 10% от первоначального и полная смена растительных формаций) сочетаются с почвенными (уменьшение содержания гумуса более 10% от исходного) и в особенности с почвенно-эрозионными (увеличение площади подвижных песков свыше 30% площади массива). Это коррерлирует с зоологическими критериями (сокращением популяции сайгака в 10 раз ниже нормальной численности ста-

Таблица 29

Динамические показатели зон экологической нормы (Н), риска (Р), кризиса (К) и бедствия (Б) по повышению скорости изменения мощности индикационного критерия в год (среднее за 5-8 лет непрерывных

наблюдений)

Повышение скорости в год

Н

Р

К

Б

Увеличение площади разрушения экосистем (%)

lt;0,5

1-2

2-4

gt;4

Полная смена состава экосистем (годы)

100

50-100

25-50

lt;20

Уменьшение годичной растительной продукции (%)

lt;1

1,5-3,5

3,5-7,5

gt;7,5

Уменьшение годичной продукции в посевах (%)

1-2

3-5

gt;5

Увеличение площади сбитых пастбищ (%)

lt;2

3-5

5-8

gt;8

Ухудшение качественного состава пастбищ (%)

lt;1

2,5-5

5-7,5

gt;7,5

Уменьшение запаса древесины (%)

lt;1

2,5-5

5-7,5

gt;7,5

Увеличение площади эродированных земель (%)

lt;0,5

1-2

2-5

gt;5

Уменьшение содержания гумуса в почве (%)

lt;0,5

1-3

3-7

gt;7

Увеличение площади засоленных почв (%)

lt;1

1-2

2-5

gt;5

Увеличение площади подвижных песков (%)

lt;0,5

1-2

2-4

gt;4

Потери водных запасов (%)

lt;0,2

0,2-0,4

0,4-1,0

gt;1

Заполнение водоемов твердыми осадками (м3/м2)

lt;50

60-200

200-500

gt;500

Скорость увеличения площади земель с неблагоприятными агромелиоративными условиями (% площади ценных сельскохозяйственных угодий)

lt;0,1

0,1-0,3

0,3-0,1

lt;1

Зоны

экологического

нарушения

Индикационные критерии

1

ботаниче

ские

2

зоологичес

кие

3

почвен

ные

4

простран

ственные

5

динамиче

ские

Нормы а12 а13 а14 а15
Риска Э21 а22 а23 а24 а25
Кризиса азі а32 азз а34 а35
Бедствия а41 а42 а43 а44 а45

Таблица 30
да и в то же время с превышением численности домашних животных на 250-300% выше нормы). Кроме того, здесь наблюдается засоление почв (содержание воднорастворимых солей более 1-3%) и минерализация грунтовых вод (свыше 10 г/л), соответствующие зоне экологического бедствия. Гидрохимические и атмосферные критерии свидетельствуют о сильном загрязнении участков экосистем. Геофизические критерии показали катастрофическое повышение альбедо (более чем на 0,15). Наконец, эколого-экономические критерии также квалифицируют зону экологического бедствия, поскольку потребуются миллиардные затраты на восстановление природного потенциала, что во много раз превышает стоимость полученной продукции. С тематическими критериями зоны экологического бедствия совпадают пространственные (площадь свыше 1 млн. га) и динамические (скорость полного разрушения пастбищных экосистем в течение 1980 г превысила 4% площади в год). Иными словами, разнообразные критерии зон экологического бедствия взаимно коррелируют, а сочетание перечисленных критериев убедительно квалифицируют территорию как региональную зону экологического бедствия.

<< | >>
Источник: Каплин В.Г.. Биоиндикация состояния экосистем. Учеб. пособие для студентов биол. специальностей ун-тов и с.-х. вузов/ Самарская ГСХА. - Самара. - 143 с.. 2001

Еще по теме Глава 10. БИОИНДИКАЦИЯ СТЕПЕНИ НАРУШЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ:

  1. Состав, биологические особенности и биоиндикачионное значение грибов
  2. Глава 10. БИОИНДИКАЦИЯ СТЕПЕНИ НАРУШЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ
  3. КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. АЛЬ-ФАРАБИ - ВЕДУЩИЙ НАУЧНЫЙЦЕНТР КАЗАХСТАНА