| Дальше
|
Назад
|
Начало
|
Конец
|
Список
|
4.6. Интегральные критерии: оценка качества экосистем по нескольким показателям
В предыдущих главах мы неоднократно обсуждали подходы к оценке состояния изучаемого объекта по всему комплексу измеренных и расчетных показателей. Вследствие принципиальной сложности экосистем, эта проблема в гидробиологии особенно актуальна, поскольку, желая учесть все множество тенденций и явлений, исследователи стремятся использовать не один, а несколько (иногда 7-8) частных критериев из тех, что были описаны выше.
Классы качества воды по гидробиологическим и микробиологическим показателям в нашей стране определяются "Правилами контроля качества воды водосливов и водотоков" [ГОСТ 17.1.3.07–82], которые регламентируют содержание программ контроля гидрологических, гидрохимических и гидробиологических показателей, периодичность контроля, а также назначение и расположение пунктов отбора проб (см. табл. 4.7).
Таблица 4.7
Классификация качества воды водоемов и водотоков по гидробиологическим и микробиологическим показателям
Примечание. Допускается оценивать класс качества воды и как промежуточный между вторым и третьим (II - III), третьим и четвертым (III - IV), четвертым и пятым (IV – V).
Согласно этому документу, степень загрязненности воды оценивается с учетом индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечека, олигохетного индекса Гуднайта–Уитлея и Пареле, биотического индекса Вудивисса и традиционного набора микробиологических показателей (столбец со значениями ИЗВ [Временные методические.., 1986] добавлен нами для обобщения). Эта таблица также приведена в специальном руководстве [Руководство по методам.., 1983], обязательном для гидробиологических постов наблюдения.
В.А. Яковлев [1988], применительно к поверхностным водам Кольского Севера, в аналогичную таблицу добавляет оценку зоны сапроботоксобности в соответствии с разработанным им индексом, индекс Шеннона (см. табл. 4.7), степень токсичности по данным биотестирования и описывает для каждого класса доминирующий комплекс организмов.
С градациями класса качества вод, в принципе, можно связать неограниченное количество показателей и расчетных критериев. Если все они дают одинаковую картину (что бывает редко), то уверенность в правильности оценки возрастает. Однако каждый из индексов, выделяя ту или иную особенность биотического сообщества, недоучитывает другие, в результате чего возникает естественный феномен несовпадения в оценках качества экосистем по различным показателям. Чтобы преодолеть трудности в трактовке такой ситуации, ряд исследователей [Балушкина, 1997, 2002; Баканов, 1999] предлагают методы вычисления обобщенных показателей, которые основаны на том, что выбранные исходные показатели нормируются в некоторой единой шкале, после чего суммируются. При этом появляется еще один индекс (интегральный показатель
IP, комбинированный индекс состояния сообщества – КИСС и т.п.), который делает попытку обобщить и представить одним числом все множество процессов и факторов развития экосистемы.Нельзя отрицать вполне доказанной работоспособности обобщенных индексов для экспресс-анализа (правда, при четком понимании конкретных условий, при которых тот или иной индекс наиболее эффективен), а также в тех случаях, когда сравниваемые экосистемы имеют ощутимые различия в уровне антропогенного воздействия. Но эти методы перестают быть адекватными, если ставится задача детального анализа структурных изменений в биоценозах на видовом уровне.
К сожалению, иногда недостаточно взвешенный подход к проблеме "индексологии" и излишняя вера в то, что истину можно найти, вычислив среднее из 4-5 показателей, еще более удаляет нас от физической природы явлений, поскольку такое усреднение сглаживает все статистические всплески исходных данных, сигнализирующие о возможных экокризисных ситуациях. Проблема усугубляется тем, что индексы, выступающие в качестве слагаемых, как правило, сами по себе далеко не всегда адекватно отражают то явление, которое им приписывается, и слишком чувствительны к действию посторонних факторов, не связанных с загрязнением. При их усреднении равновероятными являются предположения, как о взаимной компенсации ошибок, так и об их взаимном усилении.
Интегральный показатель по Е.В. Балушкиной
[1997] разработан и используется для оценки состояния экосистем водоемов, подверженных смешанному органическому и токсическому загрязнению. Прошел широкое тестирование в системе Ладожское озеро - р. Нева - восточная часть Финского залива [Балушкина с соавт.,1996]. Интегральный показатель IP рассчитывается по формуле:IP
= K1 * St + K2*OI + K3*Kch + K4 / BI ,
(4.21)
где
St – индекс сапротоксобности В.А. Яковлева (K1 = 25); OI – олигохетный индекс Гуднайта и Уитлея, равный отношению численности олигохет к суммарной численности зообентоса в процентах (K2 = 1); Kch – хирономидный индекс Балушкиной (K3 = 8.7); 1 / BI – величина, обратная биотическому индексу Вудивисса (K4 @ 100).На наш взгляд, целесообразнее использовать отношение 1/( BI + 1) или, еще лучше, линейную функцию (10- BI), принимая во внимание вероятность нулевого значения индекса Вудивисса.
Основная идея автора – подобрать такие линейные множители
K1 - K4 для всех обобщаемых индексов, чтобы они варьировались на соизмеряемом интервале от некоторого минимального значения до 100, после чего сложить преобразованные значения. Поскольку функциональность значений индекса Вудивисса имеет обратный характер по сравнению с остальными индексами, для его преобразования использовалась обратная величина – 1 / BI. Диапазоны изменения значений используемых показателей соотнесены с градациями качества вод по А.А. Былинкиной с соавт. [1962] и С.М. Драчеву [1964] (см. табл. 4.8).Таблица 4.8
Границы классов качества вод по показателям зообентоса S
t, OI, Kch ,BI и интегральному показателю IP (обозначения по тексту; символом * отмечены значения, полученные нами по пропорции)|
Индекс сапротоксобности Яковлева |
Олиго-хетный индекс OI |
Хирономидный индекс Балушкиной |
Биотический индекс Вудивисса |
Интеграль-ный пока-затель IP |
Класс качества вод по Былинкиной и Драчеву |
|||
|
St |
K1 * St |
Kch |
K3*Kch |
BI |
K4 / BI |
|||
|
1 |
25 |
0 |
0.14 |
1.22 |
10 |
10 |
36.22 |
Очень чистые |
|
1.5 |
37.5 |
50 |
1.08 |
9.4 |
» 8.9* |
20 |
116.9 |
Чистые |
|
2.5 |
62.5 |
60 |
6.5 |
56.5 |
» 7.4* |
33.3 |
212 |
Умеренно загрязненные |
|
3.5 |
87.5 |
80 |
9 |
78.26 |
» 5.6* |
50 |
295.76 |
Загрязенные |
|
4 |
100 |
100 |
11.5 |
100 |
0 |
100 |
400 |
Грязные |
Можно обратить внимание на то, что предлагаемые граничные значения олигохетного индекса
OI не совпадают ни с ГОСТ 17.1.3.07–82 (см. табл. 4.7), ни с градациями качества в понимании Гуднайта и Уитлея, ни с рекомендациями О.Л. Качаловой и Э.А. Пареле (см. раздел 4.2 и таблицу 4.2). Не вполне коррелирует с градациями того же ГОСТ "гиперболическая" функция от индекса Вудивисса 1/BI. Наконец, в литературе нет доказательств, что зоны сапроботоксобности по В.А. Яковлеву, классы качества по А.А. Былинкиной и С.М. Драчеву и степени загрязнения воды по ГОСТ 17.1.3.07–82 представляют собой эквивалентные разбиения (впрочем, никто не доказал и обратного). Но такие "мелочи" при синтезе обобщенного показателя принято считать несущественными.Е.В. Балушкина полагает, что полученный ею интегральный показатель (4.21) включил в себя все лучшие черты родительских индексов и максимально учитывает характеристики донных сообществ: наличие видов-индикаторов сапроботоксобности, соотношение индикаторных групп животных более высокого таксономического ранга, степень доминирования отдельных групп и структуру сообщества в целом.
Комбинированный индекс состояния сообщества по А.И. Баканову [1997, 1999]
.При оценке состояния донных сообществ ряда рек, озер и водохранилищ России для количественной характеристики состояния бентоса автор использовал следующие показатели: численность (
N), экз./м2; биомассу (B), г/м2; число видов (S); видовое разнообразие по Шеннону (Н), бит/экз.; олигохетный индекс Пареле (ОИП, %), равный отношению численности олигохет-тубифицид к общей численности бентоса, среднюю сапробность (СС), рассчитываемую как средневзвешенную сапробность трех первых доминирующих по численности видов бентосных организмов. Для объединения значений перечисленных показателей и замене их одним числом предлагается результирующий показатель – комбинированный индекс состояния сообщества (КИСС; [Баканов, 1997]), находимый по обычной методике расчета интегральных ранговых показателей:
(4.22)
где
Ri – ранг станции по i-му показателю, Рi – "вес" этого показателя, k – число показателей.Вначале все станции ранжируются по каждому показателю, причем, ранг 1 присваивается максимальным значениям
N, B, Н и S. Если на нескольких станциях значения какого-либо показателя были одинаковыми, то они характеризовались одним средним рангом. В статье приводятся разные версии итоговой формулы (4.22) (подчеркнем, что в формулы входят не абсолютные значения показателей, а их ранги):Чем меньше величина КИСС, тем лучше состояние сообщества.
Поскольку состояние сообщества зависит как от естественных факторов среды (глубины, грунта, течения и т.п.), так и от наличия, характера и интенсивности загрязнения, дополнительно рассчитывается комбинированный индекс загрязнения
(КИЗ; [Баканов, 1999]), включающий ранговые значения трех показателей:КИЗ = (СС + ОИП + B)/3 . (4.23)
Ранжирование показателей здесь проводится в обратном порядке (от минимальных значений к максимальным)
КИСС и КИЗ – относительные индексы, ранжирующие станции по шкале, в которой наилучшее по выбранному набору показателей состояние сообщества характеризуется минимальными значениями индексов, наихудшее – максимальными. Кроме значений, характеризующих величины показателей на конкретной станции, рассчитывают их средние значения для всего набора станций. Варьирование величин индексов на отдельных станциях относительно среднего позволяет судить, хуже или лучше обстоят на них дела по сравнению с общей тенденцией.
Вычисление коэффициента ранговой корреляции по Спирмену между значениями КИСС и КИЗ показывает, насколько загрязнение влияет на состояние сообществ зообентоса. Если между значениями этих индексов существует достоверная положительная корреляция, то состояние сообществ донных животных в значительной степени определяется наличием загрязнений (в противном случае оно определяется естественными факторами среды).
Индекс экологического состояния по Т.Д. Зинченко и Л.А. Выхристюк [Зинченко с соавт., 2000; Выхристюк с соавт., 2001; Гелашвили с соавт., 2002].
Предложенный способ комплексной оценки речной системы на основе интегрального индекса экологического состояния экосистемы –
ИИЭС, дает возможность оценить суммарный эффект воздействия загрязнения на сообщества гидробионтов и на экосистему в целом.Основной подход к построению индекса заключается в следующем:
Таблица 4.9
Градации концентраций химических веществ для вычисления балльной оценки
|
Показатели |
Размерность |
Баллы |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||
|
Пределы изменения концентраций |
|||||
|
Химическое потребление кислорода (ХПК ) |
мг О/л |
> 60 |
31 - 60 |
20 - 30 |
< 20 |
|
Азот аммонийный N - NH4 |
мг /л |
> 2.5 |
0.51 - 2.5 |
0.20 - 0.5 |
< 0.20 |
|
Азот нитратный N - NO3 |
мг /л |
> 2.5 |
0.71 - 2.5 |
0.30 - 0.70 |
< 0.30 |
|
Азот нитритный N - NO2 |
мг /л |
> 0.1 |
0.021 - 0.1 |
0.005 - 0.02 |
< 0.005 |
|
Фосфаты P – PO4 |
мг /л |
> 0.3 |
0.101 - 0.3 |
0.03 - 0.1 |
< 0.03 |
|
Фенолы |
мкг /л |
> 10 |
1 - 10 |
следы |
0 |
Таблица 4.10
Градации биологических показателей для вычисления балльной оценки
|
Показатели |
Размерность |
Баллы |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||
|
Пределы изменения показателей |
|||||
|
Численность макрозообентоса N |
экз./м 2 |
0 – 500 |
501-1000 |
1001-10000 |
> 10000 |
|
Биомасса В |
г/м 2 |
1 - 5.0 |
5.1 - 10.0 |
10.1- 15.0 |
> 15.0 |
|
Количество видов S |
экз. |
0 – 5 |
6 - 10 |
11 - 15 |
> 15 |
|
Индекс видового разнообразия Шеннона Н |
бит/экз. |
0 - 1.0 |
1.1 - 2.0 |
2.1 - 3.0 |
> 3.0 |
|
Биотический индекс V |
- |
0 - 2 |
2 - 4 |
4 - 6 |
>6 |
|
Индекс Пареле D |
- |
0.81 –1.00 |
0.56 - 0.80 |
0.30 - 0.55 |
< 0.30 |
ИИЭС
учитывает обе основные составляющие качества пресноводной экосистемы (химическую и биологическую), выраженные в относительных единицах (баллах), и рассчитывается какИИЭС = ( S
Bi + S
Hi) / (Nb, + Nh ) ,(4.24)
где
Bi – используемые биологические показатели; Hi – используемые гидрохимические показатели; Nh и Nb – количество показателей каждого класса, включенных в расчет.При составлении списка гидрохимических показателей в основу формирования балльной системы была взята работа О.П. Оксиюк c соавторами [1993]. Однако достаточно скупой и специфический перечень принятых ими за основу ингредиентов заставляет задуматься, что авторы сильно недооценивают степень влияния минерализации, тяжелых металлов и др., которые традиционно считаются более опасными, чем предлагаемые показатели.
В число отобранных биологических характеристик включены наиболее широко употребляемые показатели, характеризующие состояние донных сообществ. При расширении анализируемых групп организмов за счет, например, зоопланктона, табл. 4.10 может претерпеть естественные количественные и качественные изменения.
Численный пример использования ИИЭС для экологического районирования бассейна равнинной р. Чапаевка, представлен в табл. 4.11.
Были экспертно оценены числовые диапазоны ИИЭС, соответствующие каждой из зон, определенной нормативными документами [Критерии оценки.., 1992
]:|
Категория водоема |
Диапазон индекса ИИЭС |
|
< 2 |
|
2 – 3 |
|
> 3 |
Что касается техники расчета ИИЭС в смысле получения некой усредненной оценки, то вряд ли здесь можно добавить что-то новое к сказанному выше в разделах 1.5 и 3.4. Например, нам представляется, что арифметическая операция усреднения баллов может быть безболезненно заменена их суммой, как это делает Е.В. Балушкина. Все границы диапазонов оценены на основании интуитивного опыта исследователей, без использования каких-либо статистических методов. Тем не менее, авторы впервые в практике оценки качества воды по всем категориям гидрохимических и гидробиологических показателей представили свою классификацию не как механический "сборник" отдельных частных классификаций, а как некоторый обобщенный результат.
Таблица 4.11
Интегральная оценка экологического состояния водоемов на примере р. Чапаевка (в столбцах таблицы: а – натуральное значение показателя, б – оценка в баллах)
|
Показатели |
Участки реки* |
|||||||||||||||||
|
I (cт. 1) |
I (cт. 2) |
II (cт. 3) |
III (cт. 4) |
III (cт. 5) |
IV (cт. 6) |
|||||||||||||
|
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
|||||||
|
Оценка экологического состояния водоема по гидрохимическим показателям |
||||||||||||||||||
|
Химическое потребление кислорода (ХПК ) |
43.7 |
2 |
36.6 |
2 |
39.5 |
2 |
143.7 |
1 |
83.9 |
1 |
51 |
2 |
||||||
|
Азот аммонийный N- (по NH4 +) |
0.23 |
3 |
0.13 |
4 |
0.77 |
2 |
2.42 |
2 |
0.85 |
2 |
0.79 |
2 |
||||||
|
Азот нитратный N-(по NO3 -) |
0.27 |
4 |
0.25 |
4 |
0.33 |
3 |
0.70 |
2 |
0.31 |
3 |
0.46 |
3 |
||||||
|
Азот нитритный N- (по NO2 -) |
0.002 |
4 |
0.008 |
3 |
0.056 |
2 |
0.266 |
1 |
0.152 |
1 |
0.070 |
2 |
||||||
|
Фосфаты P- (по PO4) |
0.023 |
4 |
0.054 |
2 |
0.021 |
4 |
0.250 |
2 |
0.129 |
2 |
0.150 |
2 |
||||||
|
Фенолы |
1 |
2 |
0 |
4 |
0 |
4 |
3 |
2 |
3 |
2 |
1 |
2 |
||||||
|
Сумма баллов |
19 |
19 |
17 |
10 |
11 |
13 |
||||||||||||
|
Средний балл |
3.2 |
3.2 |
2.8 |
1,7 |
1.8 |
2.2 |
||||||||||||
|
Оценка экологического состояния водоема по биологическим показателям |
||||||||||||||||||
|
Численность N, тыс. экз./м 2 |
16.0 |
4 |
6.5 |
2 |
0.53 |
2 |
0 |
1 |
0.16 |
1 |
0.92 |
2 |
||||||
|
Биомасса B, г/м2 |
24.3 |
4 |
19.2 |
4 |
5.1 |
2 |
0 |
1 |
0.14 |
1 |
6.3 |
2 |
||||||
|
Количество видов S |
11 |
3 |
20 |
4 |
6 |
2 |
0 |
1 |
1 |
1 |
6 |
2 |
||||||
|
Индекс разнообразия Шеннона H, бит/экз. |
1.77 |
2 |
2.61 |
3 |
1.59 |
2 |
0 |
1 |
0.1 |
1 |
2.14 |
3 |
||||||
|
Биотический индекс Вудивисса V |
5 |
3 |
4 - 5 |
3 |
2 |
1 |
0 |
1 |
0-1 |
1 |
3 |
2 |
||||||
|
Индекс Пареле D |
0.55 |
3 |
0.44 |
3 |
0.33 |
3 |
0 |
1 |
0.95 |
1 |
0.8 |
2 |
||||||
|
Сумма баллов |
19 |
19 |
12 |
6 |
6 |
13 |
||||||||||||
|
Средний балл |
3.2 |
3.2 |
2.0 |
1.0 |
1.0 |
2.2 |
||||||||||||
|
Значение ИИЭС |
3.2 |
3.2 |
2.4 |
1.3 |
1.4 |
2.2 |
||||||||||||
|
Категория водоема |
Экологическое благополучие |
Экологич. кризис |
Экологическое бедствие |
Экологич. кризис |
||||||||||||||
Примечание.
*Станции: ст. 1 – верховье реки, ст. 2 – 70 км от истока, ст. 3 – 40 км выше г. Чапаевска, ст. 4 – 1 км ниже г. Чапаевска, ст. 5 – 30 км от устья, ст. 6 – устье р. Чапаевка.Метод экспертных балльных оценок по П. Шреверсу [Schroevers, 1973М
]Автор, встретившись с необходимостью за короткий срок оценить состояние значительного числа водоемов Дании, применил своеобразный прием, в основу которого заложены общеэкологические представления. П. Шреверс предположил, что ненарушенное развитие экосистем ведет к увеличению
их своеобразия, в частности, к увеличению видового разнообразия и стабильности, а последствия антропогенных влияний действуют в обратном направлении. На этой основе по результатам обработки проб фитопланктона, он по четырехбалльной шкале от 1 до 4 оценивал четыре величины: D – разнообразие, U – своеобразие (unisity), Т – уровень трофии, S – уровень сапробности, и четырьмя разными способами рассчитал "биологическую оценку" (biological value) A каждого водоема по формулам:A1
= D*U / T*S ;A2 = (D*U – T*S) / (D*U +T*S) ;
A3 = (D + U - T - S) / (D + U +T + S) ;
A4 = (D + U - T - S) .
Применив свой прием к пробам из 21 водоема Дании, автор пришел к заключению, что, в общем, все четыре способа расчета приводят к сходному расположению водоемов в ряду возрастающих значений
"биологической оценки".| Дальше
|
Назад
|
Начало
|
Конец
|
Список
|