Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности видовой структуры зоопланктоценозов озер урбанизированных территорий как показатель антропогенной нагрузки

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Макеев, Игорь Серафимович, Нижний Новгород

/

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского

На правах рукописи Макеев Игорь Серафимович

Особенности видовой структуры зоопланктоценозов озёр урбанизированных территорий как показатель

антропогенной нагрузки (на примере водоёмов г. Н. Новгорода)

03.00.16 - экология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель-кандидат биологических наук доцент Г. В. Шурганова

Научный консультант-доктор биологических наук профессор Д. Б. Гелашвили

Нижний Новгород- 1999

Содержание:

Введение 3

Глава 1 Материал и методы исследований.......................................7

Глава 2 Физико-географическая, гидрологическая и гидрохимическая

характеристика исследуемых озёр......................................11

Глава 3 Видовой состав и экологические группировки зоопланктона озёр

3.1 Литературный обзор.........................................................46

3.2 Результаты исследований...................................................50

Глава 4 Особенности сезонной динамики, количественное соотношение

таксономических групп и видов-доминантов зоопланктона в озёрах разного типа

4.1 Литературный обзор........................; .„„.,............................55

4.2 Результаты исследований....................ГЛ.;..;:........................60

Глава 5 Соотношение индикаторных видов как показатель

качества воды озёр

5.1 Литературный обзор.........................................................77

5.2 Результаты исследований...................................................82

Глава 6 Оценка состояния зоопланктонных сообществ с помощью

индексов видового разнообразия

6.1 Литературный обзор..........................................................90

6.2 Результаты исследований....................................................97

Глава 7 Комплексный анализ динамики видовой структуры зоопланкто-ценозов на основе показателей численности, биомассы, соотношения таксономических групп, индексов видового разнообразия, выровненности и ценотического сходства 7.1 Характеристика сезонных изменений видовой структуры зоопланкто-

ценозов исследуемых озёр................................................... 104

7.2 Анализ динамики видовой структуры зоопланктоценозов

с помощью аппарата первых производных индексов видового

разнообразия Шеннона.......................................................123

Выводы........................................................................................126

Список цитированной литературы...................................................128

Приложение................................................................................. 142

Введение

Одной из важнейших проблем современной экологии и охраны окружающей среды является проблема сохранения водных экосистем на урбанизированных территориях в условиях высокой антропогенной нагрузки.

Водоёмы играют немаловажную роль в процессах жизнеобеспечения города, являясь источниками питьевого, хозяйственного и культурно-бытового водопользования, а также ландшафтным компонентом многих природных парков- зон отдыха городского населения.

Малые озёра, расположенные на территории крупного промышленного центра, испытывают значительный антропогенный пресс, обусловленный как промышленным и хозяйственно-бытовым загрязнением, так и высокой рекреационной нагрузкой на водоёмы. Все виды хозяйственной деятельности, связанные с изменением естественной структуры водосборных территорий, а также с гидротехническими преобразованиями водоёмов наряду с многочисленными формами антропогенного загрязнения приводят к изменениям водных экосистем, среди которых наиболее опасными последствиями являются гиперэвтрофирование и токсическое отравление водоёмов. На уровне биотических сообществ результатами этих процессов является деградация структуры и нарушение функционирования гидробиоценозов.

Экологическое состояние городских водоёмов определяется уровнем и характером антропогенного воздействия, преобладающей формой которого является промышленное химическое загрязнение. Поскольку антропогенное загрязнение носит многофакторный характер, для оценки эффекта его воздействия на водные экосистемы необходимо наряду с физико-химическими и экотоксикологическими исследованиями проводить наблюдения за состоянием основных сообществ гидробионтов, в частности, зоопланктона. Показатели видовой структуры гидробиоценозов могут служить интегральной мерой экологического благополучия водоёма как среды обитания водных организмов.

В мониторинговых исследованиях состояния водных экосистем использование структурных показателей зоопланктона обусловлено следующими обстоятельствами:

1. Сообщества зоопланктона являются биоиндикаторами качества водной среды и чётко реагируют на загрязнение водоёмов путём перестройки видовой структуры и замещения стенобионтных, чувствительных к загрязнению видов эврибионтными, экологически пластичными видами.

2. Роль зоопланктона в процессах биотического круговорота веществ и трансформации энергии в водоёмах чрезвычайно велика, особенно в экосистемах озёр и водохранилищ,

где основной поток энергии протекает через планктонные ценозы. Благодаря участию в процессах биофильтрации и биоседиментации организмы мирного зоопланктона способствуют самоочищению воды, повышению её прозрачности и уменьшению содержания взвешенных минеральных веществ и детрита в воде.

В то же время, что структура зоопланктоценозов городских озёр в целом по России изучена довольно слабо. Имеются немногочисленные научные публикации, в которых приводятся результаты исследований зоопланктонных сообществ озёр г. Казани (Минга-зова, Деревенская, 1991; Деревенская, 1996; Деревенская, Мингазова, 1998) и г. Саратова (Каширская и др., 1995; Каширская, Орлов, 1997). Гидробиологические особенности водоёмов г. Н. Новгорода до настоящего момента оставались практически не изученными. В литературе встречаются лишь отдельные работы, в которых приводятся данные по видовому составу цилиопланктона Щёлоковских озёр (Кузнецова, Арсланова, 1980; Арсла-нова, Кузнецова, 1982; Арсланова, Высоких, 1990). Сведений о проводимых ранее исследованиях зоопланктоценозов других водоёмов г. Н.Новгорода не обнаружено.

Не уделялось также должного внимания вопросам экологической оценки и контроля за состоянием рекреационных водоёмов города на основе комплексных мониторинговых исследований их гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов. Острая необходимость всесторонней оценки экологического состояния водоёмов г. Н.Новгорода обусловила актуальность темы диссертации привела к тому, что в 1994 г. по инициативе кафедры экологии Нижегородского университета и при участии научных учреждений и территориальных природоохранных органов были начаты работы по комплексному обследованию экосистем городских озёр.

Цель и задачи исследований Целью работы является определение особенностей видовой структуры и закономерностей её сезонных изменений, а также выявление межгодовых различий в сообществах зоопланктона озёр г. Н.Новгорода, подверженных антропогенному прессу.

В число основных задач входило:

1) Определение видового состава, оценка динамики показателей численности и биомассы, количественного соотношения таксономических групп и доминирующих видов зоопланктона в каждом из обследованных озёр;

2) Установление соотношения индикаторных видов и оценка возможности использования сапробиологического метода для оценки качества воды при разных уровнях химического загрязнения озёр;

3) Оценка видовой структуры зоопланктоценозов на основе индекса видового разнообразия Шеннона с целью характеристики экологического состояния пелагиали озёр;

4) Выявление характера изменений видовой структуры зоопланктоценозов в процессе вторичной сукцессии после проведения гидротехнических мероприятий по оздоровлению водоёмов (на примере озёр Щёлоковского каскада);

5) Комплексный анализ сезонной динамики видовой струкгуры зоопланктоценозов озёр г. Н. Новгорода.

Научная новизна: Впервые проведены исследования видовой структуры зоопланктоценозов 8 водоёмов г. Н.Новгорода с разной степенью антропогенной нагрузки. Выявлены особенности видового состава и соотношения таксономических групп, выделены доминирующие виды зоопланктона, проведён сравнительный анализ озёр по степени сходства их планктофауны. Обнаружено возрастание относительных показателей количественного развития группы коловраток на фоне снижения общей численности и биомассы зоопланктона по мере увеличения антропогенного пресса на водоём. Проведён анализ видового разнообразия зоопланктоценозов озёр г. Н. Новгорода с помощью индекса Шеннона, и на его основе дана оценка степени экологического благополучия озёр. С целью интегральной оценки качества вод впервые на озёрах г. Н.Новгорода выполнен сапробиологический анализ и оценена область применения данного метода для оценки качества воды исследованных озёр. Выявлен характер перестройки видовой структуры зоопланктоценозов озёр в процессе вторичной сукцессии (на примере водоёмов Щёлоковского каскада).

Предложен и применён метод анализа динамики временных производных индексов видового разнообразия Шеннона в целях более точного описания динамики видовой структуры зоопланктоценозов и для выявления моментов качественных перестроек структуры зоопланктоценозов. Предложена оценка степени и характера антропогенного воздействия на водоёмы на основе анализа сезонной динамики видовой струкгуры зоопланктоценозов.

Практическая значимость работы: Полученные результаты исследований видовой структуры зоопланктонных сообществ были использованы для оценки экологического состояния экосистем городских озёр и в комплексе с данными по гидрологии, гидрохимии и гидробиологии положены в основу экологических паспортов водоёмов г. Н. Новгорода. Паспортизация городских водоёмов даёт реальную основу для построения системы экологического мониторинга, разработки рекомендаций по оздоровлению и восстановлению экосистем озёр г. Н.Новгорода. Работа выполнена в ходе комплексных экологических исследований водоёмов г. Н. Новгорода, проводимых Региональным Цен-

тром экологического образования и экспертиз при ННГУ в рамках Федеральной целевой программы «Возрождение Волги».

Публикации и апробация результатов исследований: По теме диссертации опубликовано 8 работ. Результаты работы докладывались на международной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек-2» (Тольятти, 14-18 сент. 1998 г.); на 3-й всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт Петербург, Россия, 16- 18 июня 1998 г.), а также на 2-й Нижегородской сессии молодых учёных в 1997 г. и на 50-й научной сессии аспирантов и студентов биологического факультета Нижегородского университета в 1997 г.

Структура и объём диссертации: Работа изложена на 213 страницах и состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложения. В работе приведено 60 рисунков и 45 таблиц. Список цитированной литературы включает в себя 210 источников, в том числе 21 - на иностранных языках.

Работа выполнена на кафедре экологии Нижегородского государственного университета в ходе комплексных экологических исследований водоёмов г. Н. Новгорода, проводимых под эгидой Регионального Центра экологического образования и экспертиз при ННГУ в рамках Федеральной целевой программы «Возрождение Волги».

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю- кандидату биол. наук, доценту Г. В. Шургановой и научному консультанту доктору биол. наук, чл.-кор. МАНЭБ профессору Д. Б. Гелашвили за постоянную научно-методическую и консультативную помощь, а также кандидату физ.-мат. наук, доценту каф. бионики и статистической радиофизики ННГУ В. В. Черепенникову за помощь в обработке и анализе экспериментальных данных. Автор также признателен студентам Л. И. Ахметову, Л. В. Гурьяновой и О. В. Мыцковой за помощь в сборе и обработке проб зоопланктона.

Глава 1. Материал и методы исследований

Материал был собран и обработан в период с 1994 по 1998 гг. в ходе осуществления программы комплексных экологических исследований озёр г. Н. Новгорода, проводимой Региональным Центром экологического образования и экспертиз при Нижегородском государственном университете с целью составления экологических паспортов городских водоёмов, являющихся рекреационными объектами. Было обследовано 8 водоёмов г. Н. Новгорода, среди них- старинные озёра природного происхождения (оз. Мещерское, оз. Лунское), карьерные озёра искусственного происхождения (оз. Силикатное, оз. Светлояр-ское), а также пруды- водохранилища плотинного типа (оз. Верхнее, Среднее и Нижнее Щёлоковские) и наливного типа (оз. Сормовское).

Сбор зоопланктона на большинстве озёр проводили с периодичностью в декаду, на озёрах Силикатном и Светлоярском- с частотой 1 раз в месяц на протяжение вегетационных сезонов года. Одновременно в рамках программы комплексного экологического исследования озёр г. Н.Новгорода проводился гидрохимический контроль их состояния. Для характеристики озёр по морфометрии, гидрологии и химическому загрязнению были использованы материалы из «Экологических паспортов городских водоёмов» (1997 г.), а также из «Экологического паспорта государственного памятника природы Щёлоковский хутор. Т.2 (1999 г.), полученные в ходе совместных комплексных экологических исследований озёр г. Н. Новгорода. Объём собранного материала составил 355 количественных проб зоопланктона : оз. Среднее Щёлоковское- 116 проб (1994-98 гг.); оз. Верхнее Щёло-ковское- 34 пробы (1996,1998 гг.); оз. Нижнее Щёлоковское- 50 проб (1996, 1998 гг.); оз. Мещерское- 50 проб (1995, 1997 гг.), оз. Лунское- 34 пробы (1996-97 гг.), оз. Силикатное-20 проб (1995 г), оз. Светлоярское- 18 проб (1994 г.), оз. Сормовское- 33 пробы (1996-97 гг.). С целью полного и достоверного описания видового состава зоопланктона изучаемых озёр проводился до пол н ител ьны й сбор качественных сетных и батометрических проб на разных биотопах по акватории озёр *

Количественные пробы зоопланктона отбирали малой сетью Джеди (диаметр входного отверстия- ОД 8 м, капроновый газ № 64) путём тотальных обловов толщи воды от дна до поверхности на стандартных станциях в пелагиали озёр в соответствии с рекомендуемыми методиками (Методические рекомендации..., 1984; Руководство.., 1992). Собранный материал фиксировали 4 % нейтральным раствором формалина, хранили в гидробиологических склянках. Сбор качественных проб проводили путём многократных обловов сетью Джеди пелагиали водоёмов, а также литоральных биотопов с разными типами

* Автор признателен студентам Л. И. Ахметову, Л. В. Гурьяновой и О. В. Мъщковой за помощь в сборе и обработке проб зоопланктона.

ассоциаций прибрежно-водной растительности. Для определения видов мелких коловраток просматривали нефиксированные тотальные пробы, отобранные с помощью батометра. Количественную обработку материала осуществляли счётно-весовым методом (Киселёв, 1969; Методические рекомендации, 1984). Подсчёт и измерение организмов зоопланктона производили в рэндом- камере. Просчитывали несколько порций пробы объёмом от 5 до 10 мл в зависимости от степени обилия планктонных организмов в склянке. Многочисленные мелкие организмы просчитывали в 10 выбранных из 100 квадратах камеры в соответствии с таблицей случайных чисел, крупные и редко встречающиеся виды подсчитывали в 100 квадратах.

Среднюю индивидуальную массу видов определяли по отдельным возрастным стадиям на основе средних размеров с помощью степенных уравнений зависимости Ш(Ь): Ш = дхЬь , где \¥- индивидуальная масса вида (мг сырого веса) ц- масса особи при Ь= 1 мм /.- средняя длина особи (мм) Ъ- показатель степени (табличное значение) Значения я и Ь заимствованы из литературных источников (Балушкина, Винберг, 1979; Методические рекомендации..., 1984).

Пересчёт значений численности и биомассы на объём воды-1 м3 производили по формуле: N, = п. / ж2 * И , где М (В,) - численность (биомасса) вида в 1 м3 воды; и,- численность (биомасса) вида в пробе; А- высота столба воды от дна до поверхности водоёма, профильтрованного сетью Джеди.

Для выделения и описания зоопланкгоценозов изучаемых озёр применяли биоцено-тический анализ (Броцкая, Зенкевич, 1938; Иоганзен, Файзова, 1978; Пидгайко, 1978). Определяли значения среднепопуляционных биомасс отдельных, видов как средние величины из совокупности количественных проб зоопланктона, отобранных на водоёме на протяжении вегетационного периода года, в которых был отмечен данный вид,. Рассчитывали показатель частоты встречаемости вида, т.е. процент ловов, в которых регистрировался данный вид от общего количества проб, отобранных на водоёме. Ценотическая роль каждого вида оценивалась с помощью индекса плотности: ь = -^Ь * р , где Ъ среднепопуля-

ционная биомасса, р- частота встречаемости вида. В соответствии �