Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности структуры зообентоса малых городских водоемов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Особенности структуры зообентоса малых городских водоемов"

На правахрукописи

ЗАХАРОВ Евгений Валерьевич

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ЗООБЕНТОСА МАЛЫХ ГОРОДСКИХ ВОДОЕМОВ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА САМАРЫ)

03.00.16 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Самара-2004

Работа выполнена на кафедре биологии Самарского муниципального университета Наяновой

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ, доктор биологических наук, профессор Попченко Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Гелашвили Давид Бежанович кандидат биологических наук, доцент Павлов Сергей Иванович

Ведущая организация:

Институт биологии внутренних вод РАН

Самарском государственном университете по адресу: 443011, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Самарского государственного университета.

часов на заседании диссертационного совета К 212.218.02 при

Защита состоится

2004 г. в

Автореферат разослан««

» &РСЛ& 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Зообентос является необходимым компонентом любой водной экосистемы. Велика его значимость в биоиндикации качества вод. Исследованию структуры зообентоса малых городских водоемов уделялось мало внимания, и лишь в последние два десятилетия стали появляться немногочисленные данные по этой теме. В отечественной литературе встречаются немногочисленные научные публикации, в которых приводятся результаты исследований сообществ зообентоса озер Казани (Мингазова, Деревенская, 1991; Деревенская, 1996, Деревенская, Мингазова, 1998), Саратова (Каширская и др., 1995, Каширская, Орлов, 1997), Нижнего Новгорода и Тольятти (Гелашвили и др., 2003).

Отсутствие должного внимания вопросам экологической оценки и контроля состояния рекреационных водоемов г. Самары на основе комплексных мониторинговых исследований их гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов также обусловило актуальность темы диссертации. Проводившееся ранее биотестирование качества воды нескольких прудов показало, что вода из них оказывает хроническое токсическое действие на тест-объекты. Многие самарские пруды и близлежащие территории сильно загрязнены бытовыми отходами. Несмотря на сильное негативное антропогенное воздействие, некоторые водоемы сохранили свое эстетическое значение и остаются излюбленным местом отдыха горожан. Не случайно восьми прудам и озерам присвоен статус памятников природы местного значения.

Цель и задачи. Основной целью данной работы является изучение особенностей структурной организации сообществ зообентоса водоемов прудового типа, расположенных на урбанизированной территории г. Самары. Для реализации цели поставлены следующие задачи:

1. Исследовать морфометрические, гидрологические, гидрохимические и некоторые другие важные экологические показатели изучаемых водоемов;

2. Произвести эколого-фаунистическую характеристику сообществ макро- и мезозообентоса;

3. Оценить количественное соотношение численности и биомассы таксономических групп и видов, выявить доминирующие виды, определить сезонную динамику основных показателей структуры сообществ;

4. Выявить общие черты и закономерности в структуре сообществ зообентоса городских водоемов прудового типа;

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

¿"•гад

5. Установить соотношения индикаторных видов и оценить экологическое состояние водоемов по показателям структуры сообществ зообентоса; определить качество воды с помощью сапробиологических методов и сравнить полученные данные с результатами химического анализа и биотестирования токсичности воды.

Связь работы с плановыми исследованиями. Данная диссертация связана с планом основных научно-исследовательских работ Самарского муниципального университета Наяновой по теме «Влияние абиотических и биогенных факторов среды на живые организмы».

Научная новизна. Для 17 водоемов прудового типа, расположенных на территории г. Самара, изучено видовое разнообразие, соотношение таксономических групп макро- и мезозообентоса. Выделены доминирующие виды, проведен сравнительный анализ озер по степени сходства их бентофауны. Исследовано распределение зообентоса в зависимости от типа грунта. Изучены сезонная и межгодовая (по 2 годам) динамики структурных показателей для 8 водоемов. Впервые для Среднего Поволжья были осуществлены подобные исследования для временных водоемов прудового типа. Проведен сравнительный анализ структуры зообентоса урбанизированных водоемов. Описана динамика основных экологических показателей для исследованных водоемов.

Теоретическая значимость работы. Исследования особенностей структуры зообентоса прудов г. Самары имеют теоретическую значимость, так как отражают зависимость организации экологических сообществ от фактора урбанизации.

Практическая значимость. Результаты исследований будут задействованы при проведении экологической паспортизации водоемов, а также при разработке некоторых нормативных документов, регулирующих положение рекреационных зон г. Самары.

Реализация результатов исследований. Материалы исследований будут использованы комитетом экологии г. Самары при проведении паспортизации водоемов, а также самарским филиалом специализированной инспекцией аналитического контроля по Приволжскому региону для наблюдения за экологической обстановкой в городе. Рекомендации и предложения учтены и использованы администрацией Промышленного района г. Самары при проведении в 2002 г. работ по восстановлению Воронежских прудов и сопредельной территории в целях рекреации. Результаты исследований могут быть использованы в педагогической практике на биологических кафедрах ВУЗов Самарской области и России.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 7-ой Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2003), 6-й научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология. Человек. Общество» (Киев, 2003), научно-практической конференции «Охрана растительного и животного мира Поволжья и сопредельных территорий» (Пенза, 2003), научно-практической конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек-3» (Тольятти, 2003), научно-практической конференции «Биологическое разнообразие, методика и организация краеведческих исследований» (Самара, 2003).

Публикации по теме исследования. Результаты исследований опубликованы в 11 работах.

Декларация личного участия. Автором лично собран и обработан весь материал по зообентосу водоемов г. Самары. Участие автора в сборе и обработке материала для химического анализа воды - 50%. Из 12 работ по теме диссертации 6 написаны в соавторстве; при этом участие автора составляло от 30% до 50%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 158 работ (в том числе 27 - на иностранных языках) и 47 страниц приложений. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 31 таблицами и 28 рисунками.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.б.н. профессору В.И. Попченко за руководство работой и, помощь в определении видов, доценту к.б.н. Ю.Л. Герасимову и другим сотрудникам кафедры зоологии, кафедры экологии, ботаники и охраны природы Самарского Государственного Университета, предоставивших лабораторное оборудование и оказавшим содействие в проведении исследований, доценту кафедры зоологии Самарского государственного Педагогического университета В.П. Ясюку за помощь в определении видов, сотрудникам института экологии Волжского бассейна РАН за консультативную помощь.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Изменения структуры сообществ зообентоса малых озер в условиях урбанизации

На примере многочисленных литературных данных проведен обзор некоторых факторов урбанизированной среды, определяющих гидрохимический и гидрологический режим малых городских водоемов, а

также влияющих на условия экосистемы водоема в целом. Рассмотрены основные современные подходы в изучении структуры сообществ водных экосистем, а также известные закономерности в изменение структуры зообентоса под воздействием антропогенных факторов. Проведен обзор литературных данных о структуре зообентоса водоемов, расположенных в некоторых городах Среднего Поволжья.

2. Характеристика исследуемых озёр

Исследованные 17 водоемов находятся в черте г. Самары. Все водоемы сравнительно малых размеров, непроточны, не имеют речного происхождения, не контактируют с реками и водохранилищами. Водоемы представлены копаными и овражными прудами, некоторые из которых пересыхают с разной периодичностью, а также несколькими малыми озерами. Точных сведений о времени их происхождения не имеется. Некоторые водоемы были сооружены ещё до революции за городом на территории бывших усадеб, а некоторые были созданы совхозами для рыбного хозяйства в середине 20-го века. Несколько прудов реконструировано уже в составе городских парков отдыха или создано в целях рекреации относительно недавно. На данный момент значительная часть озер и прудов расположена на густонаселенной территории, в окружении жилых домов, промышленных предприятий и в непосредственной близости от автодорог.

Длина прудов и озер составляет от 30 до 200 м, ширина - от 10 до 150 м, площадь - от 250 до 8400 м2, максимальные глубины - от 1 до 6 м, средние глубины - от 0,6 до 2 м. Питание осуществляется талыми весенними и поверхностными грунтовыми водами, атмосферными осадками, а в некоторых случаях также за счет сточных вод с близлежащих городских объектов.

Степень зарастания прудов макрофитами различна и составляет от 0 до приблизительно 90% площади водоемов. У непересыхающих прудов значительная часть дна занята отложениями черного гомогенного ила. Основные гидрохимические характеристики водоемов: реакция рН воды нейтральна или слабощелочная; минерализация средняя; по содержанию биогенных элементов водоемы в основном мезотрофные, а по некоторым критериям - эвтрофные; в воде много органики (высокие значения БПК5, бихроматной и перманганатной окисляемости); в придонных слоях дефицит кислорода и высокое содержание H2S. Гидрохимический режим водоемов неустойчив. Фауна - относительно бедная, ихтиофауна представлена карасем или водоемы совсем безрыбные.

Структура грунта в исследуемых прудах и озерах весьма разнообразна. В зависимости от преобладающих фракций и наличия воздушно-водной растительности в модельных водоемах были выделены следующие типы субстрата: 1) глинистый грунт, с включением песка и камней (строительного мусора) и небольшим содержанием ила и растительных остатков; 2) ил с небольшим содержанием растительных остатков; 3) заросли макрофитов (в основном рогоз); 4) грубый растительный детрит; 5) черный жидкий гомогенный ил.

3. Материал и методы исследований

Материал для данного исследования собран и обработан автором с 2001 по 2003 гг. Отбор проб на каждом водоеме проводился на 2-4 станциях. Их выбор осуществлялся с учетом необходимости охватить все разнообразия грунтов. Пробы отбирали в вегетационный период с 8 (5 непересыхающих и 3 пересыхающих) модельных водоемов 2 раза в месяц, а с остальных - 2 раза весной, 1 раз летом и 2 раза осенью. Объем полученного материала включает 46 качественные и 342 количественные пробы. Гидрохимические и некоторые гидрологические показатели исследовались совместно с выполнением основных задач. Измеряли температуру воды, определяли прозрачность по диску Секки, наблюдали степень зарастания водоемов макрофитами, изменение уровня воды, сезонную и межгодовую динамику некоторых гидрохимических показателей, измеряли их значения в пробах воды, взятых в придонных слоях и у поверхности. В качестве основных гидрохимических показателей определяли рН, содержание растворенного кислорода, растворенного неорганического азота и фосфора, биологическое потребление кислорода (БПК5/20), перманганатную и бихроматную окисляемости воды.

Сбор материала и его обработка проводились согласно общепринятой методике гидробиологических исследований (Жадин, 1960; Руководство..., 1992). Для изъятия со дна грунта использовали гидробиологический скребок шириной 12 см. и высотой 9 см. Грунт собирали с площади в 600 см2. Пробы промывали с помощью ткани газ № 20 и разбирали под бинокуляром в лабораторных условиях. Животных фиксировали в 4%-м растворе формалина. Зообентос определяли до вида или ближе неопределенных групп, подсчитывали число особей каждого вида и взвешивали на электронных или торсионных весах. Исходя из полученных данных вычисляли численность и биомассу видов в расчете на м2 поверхности дна.

Выделение и описание сообществ зообентоса изучаемых водоемов проводили с помощью биоценотического анализа (Броцкая, Зенкевич, 1938). Для этого оценивали ценотическую роль каждого вида: определяли значение среднепопуляционной биомассы, индекс плотности по Дедю (1990), частоту встречаемости. Значения индексов плотности всех видов ранжировали по убыванию и на графике выстраивали кривые доминирования - ценограммы. Для каждого зообентоценоза изучали соотношение числа стенобионтов к эврибионтам, хищных видов к мирным, наличие видов-индикаторов сапробности и трофности. В масштабах исследовавшихся водоемов оценивали распространенность видов. Сложность структурной организации сообществ зообентоса оценивали с помощью индекса видового разнообразия Шеннона, индекса выравненности Пиелу, индекса видового богатства Маргалефа, показателя вариабельности динамики биомассы по Алимову (1991).

Выделенные сообщества систематизировали с помощью кластерного анализа, используя различные расстояния и меры объединения объектов. Группировка объектов осуществлялась на основе коэффициентов видового сходства Жаккара (Л), а также коэффициентов биоценотического сходства Чекановского-Съеренсена по численности (/сж-л) и биомассе видов (/с5-в).

Изучали влияние типа субстрата и гидрологических условий водоемов на структурные характеристики зообентоса, соотношение в сообществе отдельных видов и таксономических и трофических групп. Исследовали, характер взаимосвязи структурных показателей.

Учитывая ряд требований, зачастую ограничивающих применение в исследованиях экологических сообществ методов параметрического анализа, оценку сопряженности структурных показателей зообентоса и некоторых факторов проводили с использованием разных непараметрических критериев (Замолодчиков и др., 1992; Булгаков и др., 1992; Левич и др., 1996, Шитиков и др., 2003).

На основе структурных показателей применяли несколько широко распространенных сапробиологических методов анализа: метод индикаторных организмов Пантле и Букка в модификации Сладечека (81аёесек, 1965), биотический индекс Вудивисса (МОоёшш, 1964), олигохетный индекс Гуднайта и Уитлея, хирономидный индекс Е.В. Балушкиной (1987) и некоторые другие. Степень загрязнения водоема классифицировали по усредненным за период наблюдения значениям вышеперечисленных показателей. Результаты сапробиологического анализа сопоставляли с данными химического, токсикологического анализов и некоторыми гидрологическими характеристиками

исследуемых водоемов. При этом использовали систему комплексной экологической классификации качества поверхностных вод суши, разработанной группой авторов (О.П. Оксиюк, В.Н .Жукинский, Л.П. Брагинский и др., 1993). Таким образом, исследовали, насколько адекватно оцениваются популярными биотическими индексами экологическое состояние водоемов прудового типа в условиях города.

Данные по зообентосу сохранялись в автоматизированной базе данных, разработанной А.В. Синицким для мониторинга состояния малых городских водоемов (Синицкий, Захаров, 2002). Здесь же собиралась информация о результатах биотестирования, динамики морфометрических, гидрологических и гидрохимических показателей водоемов для последующих статистических анализов. Информационно-логическая структура базы данных создана на основе СУБД Microsoft Access® в соответствии с требованиями нормализации данных. Разработанный программный аппарат позволил провести автоматический расчет большинства структурных характеристик и выявить их динамику, сформировать массивы данных для проведения статистических вычислений.

Основные описательные статистики, проверка гипотез о характере распределений структурных параметров, оценка корреляций исследуемых показателей, а также сложные виды многомерного анализа проводились на ЭВМ при помощи пакета программного обеспечения STATISTIC А®.

4. Качественный состав зообентоса прудов г. Самары

В ходе исследований сообществ зообентоса 17 водоемов в г. Самаре обнаружено 59 видов и видовых комплексов. Из первичноводных животных встречаются олигохеты (1 вид), пиявки (1 вид), моллюски (17 видов), ракообразные (2 вида), водяные клопы (3 вида), жуки (1 вид). Из вторичноводных - личинки гетеротопных насекомых: стрекозы (4 вида), поденки (1 вид), журчалки (1 вид), хирономиды (23 вида), мокрецы (5 видов). Все виды широко распространены в условиях центрально-европейской части России и обычны для Среднего Поволжья. Для многих из них ареалом являются также Средняя Азия, Закавказье, Сибирь и Дальний Восток. Большинство представителей зообентоса имеет большой аутэкологический спектр относительно различных типов водоемов и населяют не только мелкие озера и пруды, но также реки, ручьи и пойменные лужи, профундаль крупных озер. Практически вся бентофауна прудов г. Самары является постоянным компонентом сообществ мезо- и эвтрофных водоемов.

Многие виды адаптированы к временному пересыханию водоема. Гетеротопные животные, представленные в большинстве хирономидами, не переносят засухи. Однако к началу пересыхания, наблюдавшегося у некоторых городских прудов в июле-августе, личинки многих хирономид успевали окуклиться и покинуть водоемы до полного высыхания котловины.

Зообентос фито- и пелофильный, обитает на мелкодисперсном и грубом детрите, свежем растительном опаде, некоторые виды минируют живую и отмершую растительность, селятся на поверхности растений. Характерно отсутствие прикрепленных организмов. Многие виды по своей двигательной активности проявляют свойства нектонных форм и свободно передвигаются в толще воды. Некоторые моллюски способны к пассивным вертикальным миграциям.

По отношению к содержанию кислорода бентофауна представлена преимущественно организмами, устойчивыми к его низкому насыщению и к условиям нестабильного содержания. Из 14 видов брюхоногих моллюсков 9 принадлежат к подклассу Pulmonata, с помощью легочного дыхания они могут усваивать атмосферный кислород, и, таким образом, мало чувствительны к его дефициту в воде. Полное длительное отсутствие кислорода способны переносить Limnodrillus hoffmeisteri и Chironomus гр. plumosus - виды, имеющие в городских водоемах наибольшее распространение.

В составе зообентоса самарских прудов и озер отмечены все основные трофические группы. Наибольшее число видов принадлежит фитодетритофагам-собирателям и хищникам-хватателям. На них приходится свыше 50% бентофауны. Несмотря на то, что фауна хищников является наиболее многочисленной, степень распространения большинства видов сравнительно невелика. Некоторые стрекозы, клопы и таниподины отмечены только в 2-3 водоемах. Самыми распространенными хищниками являются Procladius гр. choreus, Tanypus punctipennis, Ischnura elegans, Sigara striata. Среди фитодетритофагов-собирателей наиболее распространены брюхоногие моллюски Ытпаеа stagnalis, Viviparus viviparus, Radixauricularia, Bithynia tentaculata.

Количество видов зообентоса в прудах г. Самары сильно различается и составляет от 2 до 40 видов. Для постоянных городских прудов и озер наблюдается тенденция снижения числа видов по мере увеличения таких видимых проявлений антропогенного вмешательства в экосистему водоема как наличие техногенного грунта, строительных и хозяйственно-бытовых отходов в водоеме и на его берегах, рекреационная нагрузка, определяемая во многом местоположением водоема в составе

городского ландшафта. Самая малочисленная бентофауна отмечена в водоемах с искусственным каменистым субстратом, малопригодным для развития макро- и мезозообентоса: в парке "Молодежном" (3 вида), котловина которого полностью забетонирована, и в озере Песчаном (2 вида), прибрежная часть которого по периметру также забетонирована, а сам водоем является приемником сточной хлорированной воды из плавательного бассейна. В обоих водоемах все виды были собраны либо на разрозненных участках с отложениями свежего растительного опада {Asellus aquaticus и Chironomus гр. plumosus) либо (Sigara striata и Caenis horaria) в скоплениях нитчатых водорослей. В 2 прудах, находящихся в окружении массива малоэтажных построек и представляющих собой места несанкционированной свалки бытовых и строительных отходов, обнаружено 12 и 8 видов соответственно. Заметно богаче бентофауна других постоянных городских прудов (от 15 до 34 видов), не имеющих бетонированную котловину, а также не являющихся местом открытых свалок, но испытывающих значительные рекреационные нагрузки. Максимальное число видов отмечено в прудах Ботанического сада (40 и 38 видов) - водоемы с внешне наименее выраженными чертами антропогенного влияния. Фауна временных прудов сравнительно небогата (от 9 до 17 видов). Отмечена наглядная тенденция снижения числа видов по мере уменьшения устойчивости гидрологического режима и увеличения частоты пересыхания водоемов.

Наблюдается положительная корреляция видового разнообразия зообентоса с долей в бентофауне редких видов (по Спирмену: р=0,8, р=0,00) и отрицательная корреляция с долей видов с высокой (р=-0,52, р=0,02) и повсеместной (р=-0,76, р=0,00) распространенностью.

Показатели фаунистического сходства (IJ) зообентоса разных водоемов колеблются в широких пределах, но в целом находятся на достаточно низком уровне. Наибольшее значение Ij (56%) наблюдается для сообществ прудов Ботанического сада. В половине случаев сравнений значения Ij составляют менее 25%, что свидетельствует о высокой качественной неоднородности сообществ. Классификация водоемов по фаунистическому сходству их зообентоса, проведенная на основе кластерного анализа с использованием различных мер расстояний и способов объединения объектов, во многом совпадают с группировкой водоемов по таким внешним признакам, как «искусственный каменный субстрат», «пересыхание», «замусоренный грунт». Значимость кластеризации подтверждена непараметрическим дисперсионным анализом (по Краскелу-Уоллису: Н (3, N=272) = 78,2, р=0,00).

Различия в качественном составе зообентоса проявляются не только при сравнении разных водоемов, но также и в масштабах одного водоема. Пространственная неоднородность бентофауны проявляется в зависимости от местоположения, как в изменении абсолютного числа видов, так и в относительно низких показателях фаунистического сходства между населением отдельных участков водоема. Наибольшие различия наблюдается в постоянных водоемах. В данных водоемах прослеживается тенденция к сокращению числа видов по мере увеличения глубины и расстояния от берега. Во многих случаях макро- и мезозообентос не встречается уже на глубине в 1 м и на удалении от берега более, чем на 2 м.

Основной причиной, ограничивающей распространение бентофауны в прудах с относительно устойчивыми гидрологическими условиями, являются скопления черного гомогенного ила, занимающего подавляющую площадь дна. Данный субстрат по своим физическим свойствам малопригоден для зообентоса. При этом в придонном слое воды и жидких иловых отложениях наблюдается высокое содержание токсичных веществ и постоянный дефицит кислорода. Согласно ряду наблюдений зообентос в иловом грунте почти не встречался в тех частях водоемов, где концентрация сероводорода и сульфидов в придонном слое превышала около 0,01 мг./л. Несмотря на сравнительно многочисленную фауну, в постоянных водоемах для макро- и мезозообентоса доступными являются только относительно небольшие прибрежные территории -приблизительно от 25 до 50% от общей площади. Во временных водоемах наглядной зависимости в качественном изменении распределения зообентоса от глубины и отдаленности от берега не прослеживается.

5. Количественное распределение зообентоса прудов г. Самара

Обилие донного населения городских прудов Самары различается на разных водоемах в широких пределах. Даже для каскадных прудов, созданных на основе единого оврага и расположенных друг от друга на малом расстоянии, количественные характеристики зообентоса сильно различается. Усредненная за сезон по всем станциям (исключая черный жидкий ил) численность зообентоса (N) составляет на разных водоемах от 158 до 2780 экз./м2. Подавляющая часть приходится на мирные организмы - Limnodrillus hoffmeisteri и Chironomus гр. plumosus. Удельная N хищников составляет от 0,024 до 7,2%, а по абсолютным значениям N - от 3,8 до 60 экз./м2. При этом от 69 до 97% N хищного населения приходится на один вид - Procladius гр. choreus. Среди

мирного населения по численности доминируют детритофаги-собиратели. Они составляют от 63 до 98% от совокупной Ns. Третьей по численности трофической группировкой являются фитодетритофаги-собиратели. Их удельные значения Ns колеблятся от 0,84 до 32%. В постоянных водоемах Ns фитодетритофагов-собирателей обычно больше, чем в пересыхающих.

Среднесезонные значения биомассы совокупного зообентоса (B) на разных водоемах составляют от 70 до 2,23 г/м2. Наибольшие значения Bs наблюдаются в постоянных водоемах. В пересыхающих прудах значения Bs ниже на 1-2 порядка, что вызвано небольшой численностью или почти полным отсутствием крупных форм: прежде всего, брюхоногих моллюсков. В то же время абсолютная биомасса видов со средними и мелкими размерами в пересыхающих водоемах может, в целом, соответствовать или даже заметно превышать аналогичные показатели зообентоса постоянных водоемов. Наглядно отмечена тенденция уменьшения относительной численности брюхоногих моллюсков по мере снижения стабильности гидрологических условий водоема.

2700 2400 2100

N

5 1800

1200 900 600 300 0

Рис. 1. Абсолютное соотношение численности видов таксономических групп на разных субстратах в городских прудах Самары (2002 г.)

На разных грунтах численность зообентоса сильно различается, однако всюду подавляющая часть приходится на хирономид и олигохет, моллюсков значительно меньше, а все остальные организмы составляют крайне небольшую часть от совокупной численности населения - в

среднем около 3%. (рис. 1). В зарослях N зообентоса значимо ниже, чем на илистых грунтах (по Вилкоксону: W=2,20; p=0,027). Для хирономид численность больше ^=2,2; р=0,041) в илистых грунтах, а удельная численность моллюсков выше в зарослях ^=2,2; p=0,027). Несмотря на наличие некоторых общих тенденций в количественном распределении зообентоса между разными субстратами, обилие донных животных сильно различается даже на однотипных грунтах (рис. 1 и 2).

№№ ВОДОЕМОВ

Рис. 2. Абсолютное соотношение биомассы некрупного зообентоса (А) и крупноразмерных моллюсков (В) на разных субстратах в городских прудах Самары (2002 г.)

Обилие донного населения в течение сезона очень изменчиво. Для постоянных водоемов выделяется как минимум два пика численности. Наименьшие значения № между двумя пиками приходятся приблизительно на середину вегетационного сезона. С помощью анализа Фридмана установлено значимое влияние сезонности (фактор "месяц") на значения N (анализ Фридмана: ^ (N=8, ¿£=10) = 28,20; р=0,001; коэф. согласия: т =0,35). На рис. 3 показана диаграмма размаха значений численности зообентоса прудов в течение вегетационного сезона. Изменчивость обилия макро- и мезозообентоса связана с относительно коротким жизненным циклом большинства донных организмов - прежде всего массовых видов: Limnodrillus кд$[те1$(ег1 и СЫгопотт гр. р1ито$т, имеющих за год до двух генераций. На разных грунтах динамика численности зообентоса заметно различается, хотя устойчивой зависимости между качеством субстрата и характером сезонных колебаний N не наблюдается. На илистых грунтах, как правило, прослеживается по два пика численности, а в зарослях - один. На заиленной глине с включением камня и песка, а также в грубом детрите отмечено по два пика численности.

6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

.....:...............:.................:...............:.......

□ Медиана □ 25%-75% I Мин.-Макс.

□

□ ■± -г-

I □

Ьп! П 1-П-.

г г

^ Я

Рис. 3. Диаграмма размаха распределений величины № в разные месяцы в городских прудах Самары (2002 г)

Обилие зообентоса в разные годы неодинаково. Для некоторых водоемов межгодовые различия № составляют более чем 2 раза. Несмотря

на то, что межгодовые колебания N$, как для определенных типов грунта, так и в целом по водоемам, достаточно хаотичны, среднесезонные значения Ns разных лет значимо скоррелированны (в целом для водоемов: р=0,88, р=0,000; для илистых грунтов: р=0,95, р=0,000; для зарослей: р=0,88, р=0,018). Динамика зообентоса в 2002 г. и 2003 г. во всех водоемах заметно различается, хотя характер колебаний, как правило, имеет схожие черты.

6. Структурная организация сообществ зообентоса прудов г. Самары 6.1. Выделение сообществ зообентоса в прудах г. Самары

Зообентосу всех водоемов и на всех типах субстрата свойственна очень высокая «концентрация доминирования»: на первый по значениям индекса плотности (Ь) вид приходится в среднем 54% от суммарного значения Ър, на первых два вида - в среднем около 70%. Однако состав доминирующих групп часто различен даже на однотипных субстратах. К структурообразующим видам относятся Viviparus viviparus, Chironomus гр. plumosus, Limnodrillus hoffmeisteri, Radix auricularia, Stagnicola palustris, Bithynia tentaculata. Сообщества зообентоса прудов г. Самары представлены двумя основными комплексами: Chironomus гр. plumosus + Viviparus viviparus и Limnodrillus hoffmeisteri + Viviparus viviparus, несколько менее значимы Chironomus гр. plumosus + Bithynia tentaculata и Chironomus гр. plumosus + Stagnicola palustris. Устойчивой приуроченности всех вышеперечисленных комплексов к какому-либо определенному типу субстрата не отмечено.

6.2. Особенности структурной организации сообществ зообентоса прудов г. Самары

Коэффициенты биоцентоического сходства зообентоса разных водоемов и типов субстрата по Чекановскому-Съеренсену, рассчитанные по значениям численности видов (ICS-N), составляют от 0,07 до 0,78 (в среднем 0,4), а по показателям биомассы (JCS-B) - от 0,06 до 0,9 (в среднем 0,32). Значения ICS-N И IQS-B СИЛЬНО варьируют как при сравнении зообентоса разных субстратов в пределах одного водоема, так и при сравнении сообществ однотипных субстратов, однако в большинстве случаев биоценотические различия между сообществами разных субстратов в пределах водоема значительно существенней, чем между разными водоемами.

Основные структурные характеристики, включая показатели биоразнообразия, зообентоса непересыхающих (№№ 1-5) и пересыхающих (№№ 6-8) водоемов приведены в таб. 1. Значения всех биотических индексов сильно варьирует, при этом относительная оценка ими степени структурной организации зообентоса городских водоемов весьма неоднозначна: группировка сообществ по разным индексам дает несколько различный порядок в вариационном распределении. Информационные индексы, рассчитанные по показателям численности видов (Ия, Ея и В) характеризуют зообентос непересыхающих прудов, в основном, как структурно более сложно организованный, чем в пересыхающих прудах. Показатели биоразнообразия, вычисляемые по данным биомассы видов (Нв и Е) и отражающие в большей мере разнообразие функциональных связей сообщества, зачастую дают обратный результат.

Таблица 1

Основные структурные характеристики зообентоса (2002 г)

показатель №№ ВОДОЕМОВ

1 2 3 4 5 6 7 8

Б 31 34 27 40 38 9 22 17

§хшц/§мирн. 0,29 0,32 0,33 0,28 0,37 0,44 0,32 0,24

N5 , экз./м2 1298 678 545 204 282 1866 283 532

N ЛЧ 0,017 0,102 0,078 0,069 0,038 0,005 0,079 0,045

Вз, г./м2 55,1 28,7 10,8 18,4 43,6 5,8 1,52 11,6

В ХНЩ./®мири. * 0,02 0,07 0,03 0,03 0,02 0,01 0,04 0,02

вт* 0,001 0,003 0,002 0,004 0,003 0,0001 0,004 0,001

Нн, бит/ экз. 1,02 1,40 2,38 3,65 2,47 0,21 0,70 2,41

Нв, бит/ г 0,45 0,26 2,41 2,79 0,73 0,34 1,88 1,51

Ем 0,21 0,28 0,50 0,69 0,47 0,07 0,16 0,59

Ев 0,09 0,05 0,51 0,52 0,14 0,11 0,42 0,37

Б 4,18 5,06 4,13 7,33 6,56 1,06 3,72 2,55

при расчете данного показателя не учитывались пиявки и крупноразмерные моллюски

Наглядной зависимости между качеством субстрата и показателями биоразнообразия сообществ не наблюдается, однако

сравнение усредненных значений информационных индексов показывает, что в зарослях биоразнообразие зообентоса, как по численности, так и по биомассе несколько выше, чем на илистых грунтах.

По совокупным данным зообентоса разных городских прудов установлена статистическая зависимость между рядом важнейших структурных характеристик. Корреляция значений некоторых показателей во многом обусловлена их близким экологическим смыслом (например, связь между фаунистическим разнообразием и информационными индексами биоразнообразия). Немаловажна установленная зависимость между соотношением в сообществе хищных и мирных видов с одной стороны и общей численностью (Ш), показателем вариабельности динамики биомассы (8Т), сложностью структурной организации зообентоса (Е^ с другой стороны. Наличие положительной корреляции между значимостью в сообществе хищников и показателями Ец и косвенно свидетельствует о тесной взаимосвязи между структурными характеристиками и функциональной организацией зообентоса городских водоемов.

6.3. Структурные характеристики сообществ зообентоса как показатель качества воды и экологического состояния озер г.

Самары

Одной из задач настоящего исследования является оценка экологического состояния городских водоемов на основе качественных и количественных структурных характеристик зообентоса, некоторых популярных сапробиологических методов, а также сопоставление полученных результатов с данными гидрохимического анализа. Практическая ценность использования многих простых и комбинированных показателей подтверждается, в основном, при исследовании сравнительно крупных водоемов, так как чаще всего они являются объектами экологических исследований и санитарных наблюдений. В литературе встречается очень мало публикаций, посвященных анализу работоспособности индексов и критериев биоиндикации в условиях мелких пересыхающих озер и прудов.

В санитарной гидробиологии одним из наиболее популярных методов оценки состояния водоемов является метод индикаторных организмов Пантле и Букка в модификации Сладечека ^1аёесек, 1965), отражающий степень загрязнения водоема органическими веществами и продуктами их распада (Руководство по гидробиологическому ... , 1992). Из 15 индикаторных видов, отмеченных в бентофауне городских прудов, 2 относятся к олигосапробам, 4 - к

•М9

мезосапробам, 1 - к а-мезосапробам, и 1 к - полисапробам. Таким образом, наибольшее количество видов приходится на ß-мезосапробы. Для пересыхающих прудов полученные биотические индексы в целом адекватны основным феноменологическим признакам сапробности водоемов, а также оценке качества воды по ряду важнейших гидрохимических показателей. В случаях с постоянными водоемами результаты сапробиологического анализа можно признать во многом соответствующими качеству воды в поверхностных слоях, а также взятой неглубоко со дна у берегов, т.е. в местах, свободных от скоплений черного ила и являющихся доступными для развития макро- и мезозообентоса. Статус водоемов оценивался от а- до ß-мезосапробного.

В системе Роскомгидромета для оценки качества вод по показателям зообентоса наибольшее распространение получил метод расчета биотического индекса Вудивисса (БИ) (Woodiwiss, 1964). Проводилось 2 варианта оценки загрязненности водоемов: 1) по стандартной таблице индикаторных групп; 2) без учета индикаторной значимости Caenis horaria. Второй вариант представляется более приемлемым. Качество вод оценивается в основном как «умеренно загрязненная» (III) и загрязненная (IV).

Использование индексов Гуднайта-Уитлея (Goodnight, Whitley 1961), Э.А. Пареле (Dj) (Пареле, Астапенок, 1975) и Е.В. Балушкиной (1987). в условиях прудов г. Самары показало их непригодность.

Одной из наиболее практически важных задач настоящего исследования является выявление наличия зависимости между биотическими индексами и гидрохимическими характеристиками, непосредственно отражающими качество воды: содержанием растворенного кислорода, его биологическим потреблением (БПК5), значениями перманганатной и бихроматной окисляемости, содержанием неорганического азота и фосфора, сероводорода и сульфидов. Корреляционный анализ, проводившийся по трем непараметрическим критериям, не выявил ни одного случая статистически значимой зависимости. Необходимо отметить, что отсутствие известных закономерностей между биотическими и гидрохимическими показателями не умаляет индикаторной значимости таких индексов качества воды, как индекс сапробности по Пантле-Букку и биотический индекс Вудивисса. Их оценки качества воды оказались для большинства городских прудов достаточно адекватными гидрохимическим характеристикам и результатам биотестирования токсичности воды.

ВЫВОДЫ:

1. Фауна макро- и мезозообентоса прудов г. Самары немногочисленна (59 видов и видовых комплексов) и представлена в подавляющем большинстве широко распространенными эврибионтными видами. Около 64% бентофауны принадлежит насекомым (из них 75% -представители сем. Chironomidae), 29% - моллюски, 7% - прочие организмы. Видовой состав макро- и мезозообентоса в прудах г. Самары различен (индекс видового сходства Жаккара < 56%; в среднем - 29%). Одними из основных причин фаунистической неоднородности зообентоса являются гидрологический режим водоемов и антропогенные воздействия, наглядно проявляющие себя в степени рекреационной нагрузки на водоем и окружающую его территорию, в прочих техногенных вмешательствах в экосистемы прудов.

2 В большинстве непересыхающих прудов г. Самара макро- и мезозообентос распространен неравномерно и только в прибрежной зоне, свободной от скоплений черного гомогенного ила. Наблюдаются большие различия между обилием зообентоса на разных грунтах, однако отсутствует четкая взаимосвязь между характером сообщества и типом грунта (исключая черный ил). Зообентос представлен двумя основными комплексами: Chrinomus гр. plumosus + Viviparus viviparus и Limnodrillus hoffmeisteri + Viviparus viviparus.

3 Численность и биомасса зообентоса прудов г. Самары сильно варьируют в течение вегетационного сезона, а также в межгодовом масштабе. Отсутствует устойчивая зависимость сезонной динамики от типа грунта. В течение сезона наблюдается 1-2 пика численности, что обусловлено особенностями жизненного цикла доминирующих видов.

4. Показатели численности и биомассы зообентоса в разных прудах г. Самары сильно различаются и во многом определяются гидрологическим режимом водоемов. Несмотря на достаточно большие биоценотические различия, сообщества зообентоса прудов г. Самары характеризуются близкой структурной организацией: высока степень доминирования небольшого числа видов; подавляющая часть зообентоса приходится на виды с коротким жизненным циклом; очень низкая удельная численность и биомасса хищного населения; велика сезонная флюктуация численности зообентоса. Выявлен ряд значимых корреляционных зависимостей между важнейшими структурными характеристиками.

5. Наиболее адекватную оценку показывают метод индикаторных организмов Пантле и Букка в модификации Сладечека, а также

- 2 1

биотический индекс Вудивисса с несколько видоизмененной шкалой индикаторных организмов. Качество воды прудов г. Самары характеризуется от «умеренно загрязненного» состояния до «загрязненного».

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Захаров Е.В., Синицкий А.В. Предварительные материалы по экологическому состоянию малых водоемов г. Самары // Биосфера и человек: проблемы взаимодействия: матер, конф. Пенза, 2002. С. 136-137.

2. Захаров Е.В., Синицкий А.В. Модель базы данных для мониторинга малых водоемов урбанизированных территорий // Биосфера и человек: проблемы взаимодействия: матер, конф. Пенза, 2002. С. 223225.

3. Герасимов Ю.Л., Захаров Е.В., Синицкий А.В. Зоопланктон и зообентос Воронежских прудов (г. Самара) // Вестник Самарского госуниверситета, 2002. №5. С. 196-204.

4. Захаров Е.В. Экологическая характеристика сообществ зообентоса малых водоемов г. Самары // Экологические проблемы промышленных городов: сб. научн. тр. Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2003. С.62-67.

5. Захаров Е.В. Таксономическая структура сообществ зообентоса малых водоемов г. Самары // Экологические проблемы бассейнов крупных рек-3. Сборник материалов конференции. Тольятти, 2003. С.246.

6. Захаров Е.В. Зообентос некоторых пересыхающих малых водоемов г. Самары // Охрана растительного и животного мира Поволжья: матер. Всеросс. научн. конф. Пенза, 2003. С.212-214.

7. Захаров Е.В., Синицкий А.В. Зоопланктон и зообентос малых водоемов г. Самары // Биологическое разнообразие, методика и организация краеведческих исследований: матер, междунар. науч.-практ. конф. Самара, изд-во Пед. Ун-та, 2003. С. 445-456.

8. Герасимов Ю.Л., Захаров Е.В., Синицкий А.В. Современное экологическое состояние некоторых прудов г. Самары // Вестник Самарского госуниверситета, 2003. №5. С. 196-204.

9. Захаров Е.В. Структура зообентоса и некоторые показатели качества воды малых городских водоемов г. Самары // Еколопя. Людина. Сусшльство: тез доповщ. науково-практ. конф. студ., аспир. та молодих вчених. - КиТв. Вид-во КиТвськ. полггехн. ш-уту, 2003. С.ЗО-31.

10. Захаров Е.В. Зообентос прудов Ботанического сада г. Самара // Экологические проблемы заповедных территорий России / под ред. д.б.н. Саксонова СВ. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. С. 72-75.

11. Захаров Е.В. Некоторые характеристики структуры макро- и мезозообентоса прудов, расположенных на территории г Самара // Самарская Лука: бюлл. 2004. №15. С. 260-270.

Подписано в печать 5 октября 2004 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № !002 443011 г. Самара, ул. Академика Павлова, 1 Отпечатано УОП СамГУ

HS 2 О 6 9 0