Связь структуры макрозообентоса с гидрохимическими показателями в реках разного порядка бассейна Немана

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Водные беспозвоночные, в частности макрозообентос, – основные биоиндикаторы при оценке экологического статуса поверхностных вод, поскольку аккумулируют различные токсические вещества, биогенные элементы, а также реагируют на изменения среды обитания, вызванные гидроморфологическими процессами [4, 6, 17].

Несмотря на ряд исследований по разработке разного рода биотических индексов с учетом сообщества макрозообентоса, связь структурных показателей сообщества с гидрохимическими данными слабо исследована. Следует отметить, что в отличие от гидрохимических величин, которые характеризуют качество воды в момент отбора проб, макрозообентос реагирует с запаздыванием, что отражает длительное воздействие различного рода факторов.

Определение связи структурных показателей сообщества макрозообентоса с гидрохимическими данными имеет чисто практическое значение. Во-первых – это составная часть мониторинга, результаты которого могут быть использованы при управлении водными ресурсами [11]. Во-вторых, в настоящее время широко используется установка автоматических станций или сходного оборудования для определения различных гидрохимических величин или в режиме реального времени, или с затратой небольшого времени для измерения (“high-frequency water quality measurements”) [5]. В связи с этим определение гидрохимических показателей, которые в наибольшей степени отражают воздействие на макрозообентос, как индикаторов качества воды – одна из приоритетных задач при установке автоматических станций.

Цель данной работы – анализ связи структурных показателей сообщества макрозообентоса, включая биотические индексы, с гидрохимическими данными для рек разного порядка бассейна р. Неман, находящихся при различной степени антропогенной нагрузки, для выделения наиболее информативных из них.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования проведены в весенний и летний периоды на створах рек бассейна Немана (рис. 1). Следует отметить, что на р. Неман выше г. Гродно построена плотина Гродненской гидроэлектростанции, в результате этого образовалось водохранилище руслового типа.

 

Рис. 1. Створы отбора проб на реках бассейна Немана (1 – р. Неман; 53.761538 с.ш.; 23.81058 ю.д.); 2 – р. Неман; 53.6395 с.ш.; 23.9822 ю.д.); 3 – р. Котра (53.5621 с.ш.; 24.0770 ю.д); 4 – р. Скиделянка (53.6065 с.ш.; 24.2255 ю.д.); 5 – р. Неман (53.5128 с.ш.; 24.0755 ю.д.); 6 – р. Неман (53.4723 с.ш.; 24.2403 ю.д.); 7 – р. Щара (53.1176 с.ш.; 25.3000 ю.д.); 8 – р. Неман (53.8650 с.ш.; 25.7462 ю.д.); 9 – р. Неман (53.6714 с.ш.; 25.4432 ю.д.); 10 – р. Берестовичанка (53.1884 с.ш.; 23.9572 ю.д.)

 

Исследованные реки в течение длительного времени испытывают значительный антропогенный пресс, в основном вызванный сбросом различного рода загрязняющих веществ из очистных сооружений.

Перечень гидрохимических показателей для анализа следующий: содержание растворенного кислорода, рН, БПК₅, аммонийный и нитратный азот, растворенный фосфор, ионы меди и цинка. Концентрация тяжелых металлов (марганец, хром, никель), а также содержание нефтепродуктов и СПАВ в большинстве случаев соответствовало классу 1 качества воды.

Методика определения гидрохимических показателей была следующей:

– растворенный кислород – HI9143 (HANNA Instruments);

– рН – HI98108 (HANNA Instruments);

– БПК₅ – флуориметрический метод;

– аммонийный азот – спектрометрический;

– нитратный азот – система капиллярного электрофореза;

– растворенный фосфор – флуориметрический метод;

– ионы меди, цинка и других металлов – метод атомной адсорбционной спектрометрии.

Также определялась концентрация синтетических поверхностно активных веществ (СПАВ) и нефтепродуктов.

Для расчета структурных показателей сообщества макрозообентоса и биотических индексов использован пакет программ ASTERICS 4.04.

Для оценки связи гидрохимических показателей со структурой сообщества макрозообентоса использован регрессионный и корреляционный анализ. Полученные величины структурных показателей в случае нелинейных связей трансформированы в logх+1.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Гидрохимические показатели

В табл. 1 приведены данные по гидрохимическим показателям, полученным в весенний и летний периоды. В весенний период для большинства исследованных створов они менялись в относительно небольших пределах. Исключение – створ 7 на р. Щаре, где отмечено низкое содержание растворенного кислорода, а также створ 10, где наблюдалась высокая концентрация аммонийного азота. Для большинства створов величины БПК₅ были относительно невысоки. Содержание СПАВ и нефтепродуктов было в пределах 0.025–0.055 и <0.005 мг/л.

 

Таблица 1. Гидрохимические показатели для исследованных створов в весенний и летний периоды (числитель – весенний период, знаменатель – летний период)

Показатель	Створ 1	Створ 2	Створ 3	Створ 4	Створ 5	Створ 6	Створ 7	Створ 8	Створ 9	Створ 10
T, °C	15.9 24.8	15.4 25.1	14.7 22.3	13.7 18.8	– 22.8	17.1 23.2	13.4 21.3	12.7 21.6	12 22.6	13 18.8
О2, мг/л	9.4 3.8	9.3 2.9	10.5 2.9	6.9 5.3	– 11.2	8.3 8.5	3.4 7.6	5.8 9.2	7 6.8	11.3 1.3
pH	8.9 6.8	8.9 6.9	8.2 6.9	8.1 7.1	– 7.7	8.4 7.8	7.7 7.4	8.2 7.9	8.2 7.8	7.8 7.0
БПК5	5.4 4.7	3.2 4.4	4.0 9.3	5.9 3.6	5.6 5.6	5.7 5.1	2.6 9.3	4.6 9.1	3.3 9.3	3.0 8.6
NH4+,мг/л	0.668 0.338	0.033 0.256	0.058 0.069	0.062 0.067	0.024 0.02	0.017 0.017	0.099 0.069	0.019 0.198	0.013 0.069	1.34 0.963
NO3–, мг/л	0.116 0.278	0.13 0.129	1.32 0.51	2.29 1.18	0.104 0.067	0.048 0.067	1.71 0.51	0.6 0.428	0.76 0.51	1.56 3.5
РО4–, мг/л	0.027 0.087	0.026 0.089	0.05 0.023	0.15 0.15	0.013 0.01	0.027 0.012	0.07 0.023	0.015 0.045	0.017 0.023	0.6 0.41
Cu, мг/л	0.003 <0.001	0.006 <0.001	0.0036 <0.001	0.0038 <0.001	0.0057 <0.001	0.0064 <0.001	0.0048 <0.001	0.0031 1<0.001	0.0057 <0.001	0.004 0.0049
Zn, мг/л	0.009 0.0195	0.0121 0.0162	0.0188 0.0048	0.0082 0.0064	0.005 0.0079	0.0128 0.0094	0.0113 0.0103	0.0062 0.0162	0.0123 0.0048	0.0107 0.013

 

Ситуация значительно изменилась в летний период. На ряде створов наблюдался дефицит растворенного кислорода, снизилась величина рН, увеличились концентрации фосфата иона, цинка, величина БПК₅.

Концентрация СПАВ менялась в пределах 0.025–0.039 мг/л, а нефтепродуктов – 0.009–0.02 мг/л.

Эта ситуация связана с уменьшением скорости течения и расхода воды на изученных створах в летний период. Так, в р. Скиделянке (створ 4) скорость расхода воды уменьшилась в 1.3, а в р. Берестовичанке (створ 10) – в 1.2 раза. Это приводит к снижению разбавления загрязняющих веществ и, соответственно, концентрации растворенного кислорода.

С учетом значительных изменений гидрохимии в летний период дальнейшие расчеты уравнений регрессии и коэффициентов корреляции гидробиологических показателей с гидрохимическими были основаны на данных для этого времени года.

Гидробиологические показатели

В основу расчетов положены следующие структурные характеристики сообщества макрозообентоса:

– число видов n;

– численность N;

– доля ЕРТ (Ephemeroptera+Plecoptera+Trichoptera) в общей численности макрозообентоса;

– доля олигосапробных видов в общей численности макрозообентоса (% олиго) [13];

– индекс Зелинки–Марвана (Индекс З–М) [20];

– индекс BMWP (Biological Monitoring Working Party) [10];

– индекс Шеннона.

Численность макрозообентоса колебалась в широких пределах, достигая максимума на створах с высоким уровнем загрязнения (рис. 2).

 

Рис. 2. Численность N макрозообентоса на изученных створах в летний период

 

Это вызвано массовым развитием нескольких устойчивых к загрязнению видов. Так, максимальная численность в створах 9 и 10 в основном связана с двумя видами: моллюском Viviparus viviparus на створе 9 (30% общей численности) и Asselus aquaticus на створе 10 (70% общей численности).

Величины структурных показателей сообщества макрозообентоса и биотические индексы на исследованных створах менялись в широких пределах (табл. 2).

 

Таблица 2. Величины структурных показателей сообщества макрозообентоса и биотические индексы в летний период на исследованных створах

№ створа	N	% ЕРТ	% олиго	Индекс З–М	Индекс BMWP	Индекс Шеннона
1	38	5.59	3.58	2.49	97	3.07
2	38	13.90	7.09	2.18	75	2.78
3	45	29.05	12.00	2.34	107	2.79
4	17	22.00	4.46	2.16	59	2.20
5	30	27.30	14.39	2.02	130	1.72
6	40	60.06	9.31	2.25	91	3.18
7	51	28.85	8.27	2.37	121	2.71
8	41	31.46	12.04	2.23	164	2.49
9	47	31.22	9.86	2.10	142	2.74
10	30	0.29	0.64	2.78	79	0.97

 

Максимальные значения индекса Шеннона и доли (%) ЕРТ получены для створа 8, который не подвергался антропогенному загрязнению, а минимальные значения – для створов 4 и 10, где наблюдался дефицит кислорода.

С использованием структурных показателей сообщества макрозообентоса и результатов гидрохимического анализа рассчитаны соответствующие уравнения регрессии и величины коэффициентов корреляции между структурными показателями и гидрохимией (табл. 3).

 

Таблица 3. Коэффициенты корреляции между структурными показателями сообщества макрозообентоса и гидрохимией (н.д. – недостоверно)

Показатель	Индекс З–М	Индекс Шеннона	BMWP	% олиго-	EPT	Число видов
О2, мг/л	–0.565	0.459	0.534	0.65	0.839	0.22
	н.д.	*	*	**	**	н.д.
рН	0.583	0.067	0.701	0.64	0.699	0.214
	*	н.д.	**	**	**	н.д.
РО4–, мг/л	0.81	–0.71	–0.503	–0.914	–0.909	–0.39
	**	**	*	**	**	н.д.
NH4+, мг/л	0.834	–0.724	–0.264	–0.899	–0.968	–0.195
	**	**	н.д.	**	**	н.д.
NO3–, мг/л	0.813	–0.811	–0.181	–0.84	–0.891	–0.129
	**	**	н.д.	*	**	н.д.

* При р < 0.05.

** При р < 0.01.

 

Для ряда структурных показателей и биотических индексов получены достоверные коэффициенты корреляции с гидрохимическим составом воды.

Связь структурных показателей с концентрацией ионов меди, цинка и БПК₅ оказалась статистически недостоверной.

ОБСУЖДЕНИЕ

Использование структурных показателей сообщества макрозообентоса как метрик для оценки экологического качества воды широко распространено в работах Агенства по защите окружающей среды США (USЕРА) [4] и в Европейской водной рамочной директиве [17]. При этом подчеркивается важность мультиметрического подхода с использованием как гидробиологических (доля таксономических групп в общей численности, биотические индексы и др.), так и гидрохимических показателей [7].

Один из наиболее широко распространенных индексов на основе видового богатства – ЕРТ Index. В расчетах в настоящей работе использована доля (%) видов ЕРТ в общей численности макрозообентоса. Аналогично рассчитана доля олигосапробных видов в общей численности макрозообентоса.

Кроме структурных показателей макрозообентоса есть ряд биотических индексов, в частности индекс BMWP [10], который широко используется в странах Европы и имеет ряд модификаций [3], и др. Индекс З–М [15, 20] до сих пор используется в ряде стран Восточной Европы [13, 14] и в основном показывает степень органического загрязнения.

Для доли ЕРТ и видов, приуроченных к олигосапробным условиям, получены максимальные значения коэффициентов корреляции с гидрохимическими величинами. Cвязь общего числа видов макрозообентоса с гидрохимией оказалась статистически недостоверной, в то время как для индекса Шеннона получен ряд достоверных значений коэффициентов корреляции. Наименьшие коэффициенты корреляции получены для связи структурных показателей макрозообентоса с концентрациями нитратного и аммонийного азота, а также с рН среды. По данным Д.М. Безматерных [2], достоверная отрицательная корреляция числа видов макрозообентоса умеренно загрязненной р. Барнаулки получена только с ионом нитратного азота.

Несколько неожиданной оказалась более тесная корреляционная связь индекса З–М, чем BMWP, с гидрохимическими величинами. Возможно, это объясняется тем, что исследованные створы на реках подвергались сильному антропогенному прессу, в частности сбросу вод с очистных сооружений, содержащих органические вещества, за исключением створа 8, который можно рассматривать как эталонный.

В целом, связь структурных показателей макрозообентоса с гидрохимическими показателями во многих случаях оказалась достаточно жесткой, о чем свидетельствуют высокие уровни значимости, которые в большинстве случаев <0.01. Это свидетельствует о важности мультиметрического подхода к оценке экологического состояния водного объекта в условиях антропогенного пресса.

При анализе данных по створам на р. Неман четко прослеживается нарушение принципа речного континуума. Так, максимальные значения большинства структурных показателей получены для створа 8, находящегося в верхней части реки, а минимальные – для створов 1 и 6, расположенных ниже по течению и подвергающихся антропогенному загрязнению.

Следует учитывать тот факт, что существует косвенное влияние температуры, рН и других факторов на полученные регрессионные зависимости. Так, увеличение рН приводит к усилению влияния аммонийного азота на живые организмы, особенно при повышенной температуре [18]. Снижение количества растворенного кислорода и повышение температуры влияют на процесс нитрификации [16]. При разрушении СПАВ увеличивается концентрация растворенного фосфора, особенно при повышенной температуре [19]. В связи с этим возможны как синергический эффект воздействия различных факторов на полученные регрессионные связи [1, 8, 12], так и косвенное влияние какого-либо из изученных факторов [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях высокого антропогенного пресса на реки бассейна Немана, вызванного сбросом сточных вод, наблюдается тесная корреляционная связь между структурными показателями макрозообентоса с гидрохимическим составом воды, которая четко выражена для летнего периода. Максимальные величины коэффициентов корреляции получены для связи доли ЕРТ и доли олигосапробных видов в общей численности макрозообентоса. В то же время связь общего числа видов макрозообентоса с гидрохимическими показателями оказалась недостоверной. Полученные данные – основа для определения перечня гидробиологических и гидрохимических показателей как в системе мониторинга экологического состояния рек, так и для контроля. Одной из проблем при оценке воздействия гидрохимических показателей на структуру макрозообентоса может быть синергический эффект различных факторов.

Авторы выражают признательность В. Вежновцу и Д. Куницкому (НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам) за оказанную помощь в сборе полевого материала, а также анонимным рецензентам за их комментарии и предложения по улучшению текста статьи.

作者简介

В. Семенченко

Научно-практический центр НАН Беларуси по биоресурсам

编辑信件的主要联系方式.
Email: semenchenko57@mail.ru
白俄罗斯, Минск

В. Корнеев

Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов

Email: semenchenko57@mail.ru
白俄罗斯, Минск

М. Мороз

Научно-практический центр НАН Беларуси по биоресурсам

Email: semenchenko57@mail.ru
白俄罗斯, Минск

Г. Тищиков

Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов

Email: semenchenko57@mail.ru
俄罗斯联邦, Минск

参考

补充文件