Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Опыт Экологического мониторинга карстовых и пойменных озёр в Заповедниках России (на примере Пинежского и Керженского заповедников)

03.02.08 - экология

Баянов Николай Георгиевич

Петрозаводск - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении Государственный природный биосферный заповедник «Керженский»

Научный консультант

доктор географических наук

Бобровицкая Нелли Николаевна

Официальные оппоненты: Крылов Александр Витальевич

доктор биологических наук,

ФГБУН Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук, лаборатория экологии водных беспозвоночных, заведующий

Субетто Дмитрий Александрович

доктор географических наук,

ФГБУН Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, директор

Чуйков Юрий Сергеевич

доктор биологических наук,

ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет», геолого-географический факультет, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Защита состоится 14 мая 2015 года в 11.00 на заседании диссертационного совета Д 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33, эколого-биологический факультет, ауд. 117 теоретического корпуса. Телефон/факс: +7 (8142)76-38-64; e-mail: dissovet@petrsu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Петрозаводского государственного университета http://www.petrsu.ru/, с авторефератом ? на сайтах ВАК и университета http://vak2.ed.gov.ru/ и www.petrsu.ru.

Автореферат разослан «13» _марта_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. биол. наук

Дзюбук И.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Вопросы сохранения и охраны водных ресурсов были и остаются актуальными как в нашей стране, так и в мире в целом. Интеграция России в мировую экономику требует совершенствования национальной системы слежения за окружающей средой с аналогичными зарубежными системами и координации деятельности различных ведомств в рамках единой государственной системы мониторинга (Шикломанов и др., 2007). Основной задачей Федеральной целевой программы «Экология и Природные Ресурсы России» в части особо охраняемых природных территорий (ООПТ) стоит развитие на их сети комплексного экологического мониторинга.

Система заповедников, располагающихся во всех природных зонах России, существует уже более чем столетие. Работы по Летописи природы, основная тема которой «Наблюдения процессов и явлений в природном комплексе заповедника», были и остаются главными в их научной деятельности. Составной частью Летописей является раздел «Воды», куда включаются данные режимных наблюдений за водными объектами ООПТ. Поэтому в заповедниках возможна постановка регулярных наблюдений за водными экосистемами, создание сети наблюдений, в дополнение к существующей сети Росгидромета.

В то же время включение в число наблюдаемых водоёмов, находящихся ООПТ необходимо и для развития системы российского лимнологического мониторинга как научного направления. В настоящее время в России чрезвычайно мало озёр, находящихся под регулярным биолимнологическим наблюдением. Рост их количества возможен за счёт малых озёр ООПТ. Мировые подходы, лучшее из накопленного за рубежом опыта должно быть учтено и взято на вооружение, что позволит поднять уровень наблюдений, проводящихся на российских ООПТ и интегрироваться в общемировую систему слежения за окружающей природной средой.

Большинство российских ООПТ до сих пор остаётся малоизученными в лимнологическом и гидробиологическом отношениях. Многие из них с длительной историей существования, имеющие многолетние ряды наблюдений за наземными экосистемами. По расположенным на их территориях водоёмам, флоре и фауне гидробионтов часто отсутствует даже кадастровая информация. В абсолютном большинстве заповедников не проведены палеореконструкции природной обстановки территории, на актуальность которых обращали внимание многие учёные (Герасимов, Израэль, 1976; Смирнов, 1978). Важность проведения ретроспективного анализа природных комплексов не вызывает сомнения, так как даже самые старейшие заповедники России располагают данными за временной интервал, приближающийся к столетию. При палеолимнологическом же анализе удается охватить период порой охватывающий весь голоцен, причем с достаточной детализацией.

До сих пор при проведении гидробиологического мониторинга не в полной мере учитываются гидродинамические процессы, во многом определяемые очень вариабельной во времени атмосферной подсистемой, а также межсезонная динамика гидробиоценозов. Согласно центральной идее динамической лимнологии (Legendre, 1984), происходящие в водоёмах биологические и физические процессы следует рассматривать исходя из различных пространственных и временных шкал. В условиях глобального потепления, интенсивного антропогенного влияния на водный режим водоёмов, выявление зависимости гидробиоценозов от всей совокупности факторов приобретает особую актуальность.

Имеющая более чем полувековую историю «Летопись природы» заповедников требует совершенствования в соответствии со временем и требованиями, предъявляемыми к экологической науке в настоящий момент. При её ведении необходим учёт цикличности природных процессов, определение «нормы» для каждого сезона и степени отклонений от таковой в тот или иной год или сезон. Для получения достаточно точных прогнозов на будущее и оценки современного состояния природной среды нужна детальная информация по природным циклам разной длительности: суточным, сезонным, годовым и многолетним. В то же время, призванные выявлять ритмику природных процессов ведущиеся в заповедниках фенологические наблюдения слабо подкреплены таковыми за водными объектами.

Значительная степень закарстованности Русской равнины требует уделения внимания карсту как важному геоэкологическому фактору (Андрейчук, 2007), во многом определяющему специфику формирующихся под его воздействием экосистем, а также карстовым озёрам как элементам карстового ландшафта. Как утверждал основоположник отечественного карстоведения Г.А. Максимович (1969), карстовые озёра, не имеют себе равных среди других генетических типов озёр по своеобразию условий питания и стока, водному режиму. Уникальными и малоизученными являются структурные черты сообществ водных организмов, населяющих карстовые озёра.

Наряду с карстовыми в России широко представлены пойменные ландшафты, где формируются пойменно-русловые комплексы, важными элементами которых являются старицы. Традиционно основное внимание гидробиологов уделяется крупным водоёмам, в которых ведётся промысел рыбы. Однако при этом несправедливо забывается, что стабильность воспроизводства рыбного населения во многом обусловлена продуктивностью водоемов придаточной системы, обеспечивающих пополнение рыбных запасов за счёт наличия благоприятных условий для роста рыбной молоди (Клевакин, Постнов, 2008). Поэтому важна оценка экологического состояния пойменных озёр и организация комплексных биолимнологических наблюдений.

Представители академической науки (Павлов и др., 2007) от науки заповедной хотели бы больше видеть экологических работ, основанных на данных долговременного мониторинга, осуществление которого всегда оставалось преимуществом заповедной науки. Они же отмечают, что до сих пор остаются недостаточно хорошо изученными многие водные экосистемы, в которых не обитают хозяйственно ценные объекты. Это относится, прежде всего, к малым рекам, старицам, лесным озерам, болотам, прудам. Гидробиологические и ихтиологические исследования в заповедниках призваны заполнить этот пробел.

Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы - на основе многолетнего изучения водоёмов и водотоков Пинежского и Керженского заповедников отработать и предложить к внедрению методы лимнологических наблюдений за водными экосистемами в заповедниках России, порядок хранения и первичной обработки данных мониторинга для включения в «Летопись природы», что должно послужить её совершенствованию.

Для осуществления этой цели были поставлены следующие основные задачи:

1. Проанализировав процесс формирования заповедной системы и основные этапы становления в ней экологического мониторинга оценить роль наблюдений за водными экосистемами.

1.1. Определить место лимнологических наблюдений в рамках «Летописи природы»;

1.2. Установить роль водного мониторинга на ООПТ в единой системе слежения за водными ресурсами РФ.

2. Провести комплексное лимнологическое изучение карстовых озёр Пинежского заповедника.

2.1. Классифицировать озёра заповедника по особенностям морфометрии, гидрологическому режиму, приуроченности котловин к областям движения карстовых вод и гидрохимии;

2.2. Выявить и охарактеризовать состав фауны гидробионтов;

2.3. Выявить структурные особенности гидробиоценозов зоопланктона и зообентоса озёр в зависимости от морфометрии и гидрохимии последних;

2.4. Дать комплексную биолимнологическую классификацию озёр Пинежского заповедника.

2.5. Разработать перспективную программу лимнологического мониторинга в заповеднике с определением водоемов - объектов мониторинга и показателей слежения..

2.6. Определить специфику влияния карста на водные экосистемы.

3. Провести комплексное изучение водоемов и водотоков Керженского заповедника и Нижегородского Заволжья.

3.1. Изучить гидрохимический режим реки Керженец и пойменных озёр заповедника в многолетнем аспекте;

3.2. Установить состав фауны населяющих их гидробионтов (зоопланктон и зообентос), дать его зоогеографическую и экологическую характеристику;

3.3. Классифицировать озёра Нижегородского Заволжья на основе морфометрических, гидрохимических показателей и структуры сообществ зоопланктона.

3.4. Выявить структурные характеристики донных сообществ водотоков-объектов мониторинга - рек Керженец и Вишня.

3.5. Определить водоёмы и водотоки - объекты длительного мониторинга в заповеднике, гидробиоценозы - мониторы и показатели слежения;

3.6. Составить программу дальнейших биолимнологических исследований озёр Нижегородского Заволжья.

3.7. Использовать комплекс гидрологических и гидрохимических показателей р. Керженец для сезонной периодизации года в качестве дополнения фенологического блока «Летописи природы».

4. Провести изучение памятника природы федерального значения - озера Светлояр.

4.1. Определить основные этапы лимногенеза озера и выявить изменения его трофического статуса на протяжении последних десятилетий XX века;

4.2. Выявить межсезонную динамику гидролого-гидрохимических показателей озера;

4.3. Определить особенности состава и структуры зоопланктонного сообщества оз. Светлояр и его многолетнюю динамику.

5. Проанализировать тенденции развития мониторинга водных экосистем в ближнем и дальнем зарубежье отразившиеся в создании и развитии общеевропейской системы водного мониторинга и принятии Водной Рамочной Директивы 2000/60/ЕС.

Основные положения, выносимые на защиту

гидробионт экологический мониторинг заповедный

1. Роль заповедников в охране и мониторинге водных экосистем России была и остаётся существенной и со временем будет возрастать, а лимнологические наблюдения в них должны стать составной частью Летописей природы.

2. При характеристике того или иного года в Летописи природы заповедника за отчетный год необходимо выделение этапов годового цикла, характеризующихся определенным сочетанием гидролого-гидрохимических и гидробиологических характеристик.

3. В формировании фауны гидробионтов карстовых озёр Европейского Севера помимо зональных факторов (приуроченность к определённой ландшафтно-климатической зоне) играют роль и факторы азональные - связь с пещерными водами в которых сохранились реликты приледниковых водоемов, подпрудно-озерных водоемов и ингрессионных морских заливов.

4. Влияние карста на формирование и развитие гидробиоценозов северных озёр проявляется в формировании уникальных ценозов с нехарактерными для водоёмов таежной зоны видами-доминантами и структурными показателями.

5. Влияние карста отражается на экосистемном, популяционном и организменном уровнях, на всех звеньях трофической цепи водных экосистем, в значительной степени определяя их продуктивность.

6. Гидрохимический режим старичных озёр зависит главным образом от доли грунтового питания, состава талых речных вод и поверхностного стока в период дождей. Старицы довольно существенно различаются между собой по гидрохимическому режиму - действуют локальные факторы, влияющие на качественный состав вод. Паводковые воды составляют основу водной массы лишь тех озёр, где невелика роль грунтового питания.

7. Величина первичной продукции старицы определяется главным образом её положением в пойменно-русловом комплексе, световым режимом и степенью проточности.

8. Озёра Нижегородского Заволжья имеют как провальное происхождение, так и обусловленное влиянием ледника (перигляциальные озера). Более древние озёра - перигляциальные. Относительно молодыми в геологическом отношении являются озёра провальные.

9. Озеро Светлояр на протяжении своей истории проходило следующие этапы развития: олиготрофное озеро - низинное болото - мелководное озеро - глубоководное озеро. Во второй половине XX века наблюдалась деэвтрофикация или реолиготрофизация озера. С начала XIX века вновь усилилась эвтрофикация водоёма.

Научная новизна и теоретическая значимость работы

Впервые изучен видовой состав фауны озёр Пинежского заповедника, в результате чего был выяснен генезис фауны озёр южной части Беломорско-Кулойского плато.

Выявлены особенности гидробиоценозов карстовых озёр различных гидродинамических зон (областей движения карстовых вод) и приведена их гидробиологическая классификация, что имеет значение для дальнейшего развития современных представлений о структуре и функционировании водных экосистем карстовых регионов.

Впервые выявлен видовой состав фауны водоёмов Нижегородского Заволжья.

Впервые получены данные по основным этапам лимногенеза озера Светлояр - легендарного историко-культурного объекта.

На примере пойменно-руслового комплекса р. Керженец доказана состоятельность концепции четырехмерной природы лотических сообществ (Ward, 1989). Существование пойменной системы определяется всеми её составляющими: руслом реки, поймой и речной долиной, взаимодействием между собственно речным потоком и грунтовыми водами. При нарушении взаимосвязей происходит выпадение отдельных составляющих пойменно-руслового комплекса, одними из которых являются старицы.

Обоснована необходимость учета межсезонной динамики физических и биологических показателей при мониторинге водных экосистем. При этом учитывается цикличность природных процессов и её возможное нарушение в результате хозяйственной деятельности, глобального потепления и иных внешних факторов

Впервые при проведении сезонной периодизации года использован комплекс гидрохимических показателей.

Практическая значимость работы

Практические наработки автора в заповедниках «Пинежский» и «Керженский» используются при организации и проведении режимных наблюдений в заповедниках России (в частности, заповедника «Командорский») и ближнего зарубежья, а также рекомендованы для внедрения в системе Росгидромета.

Усовершенствованы стандартные методы водного мониторинга. Указано на целесообразность проведения ежедневных (наряду с уровнем и температурой) замеров электропроводности воды на гидрологических постах.

Гидробиологические характеристики водоёмов Пинежского заповедника могут лечь в основу прогнозов вылова рыбы в водоёмах Беломорско-Кулойского плато, а также важны при определении величины ущерба водным биологическим ресурсам в результате осуществления хозяйственной деятельности на территории плато.

Гидробиологические характеристики водоёмов Керженского заповедника и нижегородского Заволжья лежат в основе организации рыболовства на водоёмах заволжской части Нижегородской области, а также учитываются при определении величины ущерба водным биологическим ресурсам в результате осуществления хозяйственной деятельности на территории нижегородского Заволжья.

Полученные в результате выполнения работы материалы легли в основу программы мониторинга водных экосистем Пинежского и Керженского заповедников, биосферного комплекса «Лесное Нижегородское Заволжье», включая озеро Светлояр.

Данные по изучению озера Светлояр и других озёр нижегородского Заволжья используются в работе музея «Град Китеж», а также при чтении школьного курса «Краеведение» в Нижегородской области.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации были доложены и обсуждены на VII, VIII съездах Гидробиологического общества при РАН (Казань, 1996, Калининград, 2001), VI Всероссийском гидрологическом съезде, г. С.-Петербург 28 сентября - 1 октября 2004 г.; Всесоюзной научно-практической конференции «Краеведческие исследования в регионах России», Орел, 2-4 марта 1996; Научно-практическом совещании «Новые методы исследования природных популяций», 23-27 октября 1995 г. Москва;. III республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы республики Татарстан», Казань, 1997; Конференции посвященной 75-летию Каневского природного заповедника, г. Канев, 8-10 сентября 1998; Международной научной конференции «Изучение и охрана биологического разнообразия природных ландшафтов Русской равнины». Пенза, 1999; Юбилейной научно-практической конференции «Проблемы сохранения и оценки состояния природных комплексов и объектов», посвященной 70-летию Воронежского биосферного государственного заповедника, 8-11 сентября 1997 г., с. Графская, Воронежской области; Международном симпозиуме «Великие реки - 2002» (Н. Новгород, 2002); XII конференции молодых учёных "Биология внутренних вод: проблемы экологии и биоразнообразия" 23-26 сент. 2002 г., г. Борок. Борок, ИБВВ им. И.Д.Папанина, 2002; II Международной конференции «Разнообразие беспозвоночных животных на Севере», г. Сыктывкар 17-22 марта 2003 г.; Международной конференции "Первичная продукция водных экосистем". Борок, 11-16 октября 2004 г.; III Международной научной конференции: Озерные экосистемы: Биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды. к.п. Нарочь. 17-23 сентября 2007; Научно-практической конференции "Роль особо охраняемых природных территорий в сохранении биоразнообразия", г.Чебоксары, 23-25 мая 2000 г.; Семинаре «Летопись природы Пинежского заповедника: история, современное состояние и перспективы мониторинга природного комплекса». Пинега, 17-21 августа 2004 г.; Международной научной конференции «Экологическое состояние континентальных водоёмов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий», Архангельск, 21-25 июня 2005 г.; II (XXV) и IV (XXVII) Международных конференции «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоёмов Европейского Севера» (Петрозаводск, 1999; Вологда, 2005); Заседании МООП, (Москва, декабрь 1997 г.); научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство-2000". Н. Новгород, 2000; совещании «Разработка программы комплексного экологического мониторинга в государственном природном биосферном заповеднике «Командорский», Петропавловск-Камчатский, 23 ноября 2010 г.; научно-практической конференции с международным участием, посвященной 100-летию Природоохранительной Комиссии Русского Географического общества 22 марта 2012 г.

Личный вклад автора в работу

Диссертационная работа основана на результатах собственных (1991-2013 г.г.) исследований водоёмов и водотоков Пинежского и Керженского заповедников, а также озёр Нижегородского Заволжья. Все результаты получены автором, либо при его непосредственном участии в случае коллективных работ. Автором обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, выбраны методы сбора и анализа материалов, осуществлены полевые и камеральные работы, выполнены анализ, обобщение и интерпретация результатов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 82 научных работы, в том числе 16 работ в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 48 статей в рецензируемых журналах, тематических сборниках трудов и материалах международных и всероссийских конференций, совещаний и съездов, 13 тезисов докладов, 3 депонированных статьи, две коллективных монографии, научно-популярная книга и автореферат кандидатской диссертации.

Структура и объем работы

Поставленные задачи предопределили композицию диссертационной работы, которая включает введение, 8 глав, заключение, выводы, список литературы (462 наименования) и Приложение. Работа изложена на 454 страницах (дополнительно 49 страниц Приложения), проиллюстрирована 129 таблицами и 91 рисунком. Приложение включает списки видов гидробионтов и батиметрические карты озёр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Система наблюдений за водными ресурсами

1.1 Развитие гидрологической сети

В главе рассмотрена история создания сети лимнологических и гидрологических наблюдений в России. Еще на Первом Гидрологическом Съезде в 1924 г. было признано, что очередной задачей русской лимнологии является организация сравнительно-типологического изучения озер, имеющего важное теоретическое и практическое значение. Представлена соответствующая программа (Верещагин, 1924). Одновременно указано на существенную важность установления государственной общесоюзной опорной речной гидрологической сети, которая должна удовлетворять как требованиям науки, так и практическим потребностям водного хозяйства разных ведомств. С 1935 г. на сети гидрологических станций Гидрометслужбы организовывались систематические гидрохимические наблюдения (Алекин, 1949). Вопрос о наблюдениях за биологическим стоком поднимался в 1959 г. на Третьем Гидрологическом съезде В.И. Жадиным (Жадин, 1959). В 1970-е годы создана и действует в составе Росгидромета система наблюдений за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод и почвенного покрова по физическим, химическим и гидробиологическим показателям. Тогда же было обращено внимание на актуальность гидробиологического мониторинга в системе Росгидромета (Абакумов, 1977; 1983).

На протяжении многих лет наша страна была одной из ведущих в мире по гидрологическим исследованиям. Достигнув наибольшего развития в 1986 г. сеть состояла из 4440 пунктов наблюдений, из них 3926 на реках и на озерах - 514, к 1999 г. она сократилась до 3053 пунктов. В настоящее время идёт реорганизация гидрологической сети.

1.2 Развитие заповедной системы в России и «Летопись природы»

Кратко освещен процесс становления и развития сети заповедников в бывшем СССР и подходы к заповедному делу в заповедниках различных ведомств:

· заповедники как природные лаборатории изучения динамики экологических сообществ на эталонных территориях для познания природных механизмов её определяющих;

· заповедники как резерваты - охраняемые территории, где могли беспрепятственно размножаться крайне истощенные популяции конкретных видов животных (в основном промысловая дичь и пушные звери).

Возросший в 1920-е годы интерес к вопросам охраны природы и экологии, начавшаяся подготовка специалистов (некоторые из которых стали известными гидробиологами, ихтиологами и экологами) привели к потребности в постоянных полевых наблюдениях, полностью удовлетворить которую могли только заповедники.

Отмечена деятельность профессора МГУ Г.А. Кожевникова по созданию Косинского заповедника. Именно им было указано на большое значение озёр как объектов длительных режимных наблюдений с целью изучения сукцессионных процессов. Им же определены основные этапы организации наблюдений (инвентаризационный и мониторинговый), положено начало разработке методических подходов - качественных и количественных методов экологии: применение преимущественно качественных методов на первом этапе и переход к количественным - на втором. Г.А. Кожевниковым впервые для ООПТ составлен план исследований, рассчитанный на длительную перспективу.

«Заповедники - это в точности тот инструмент, посредством которого может быть достигнуто правильное понимание жизни природы… Заповедники могут и должны быть центрами научно-исследовательской работы». Как отмечал Д. Вайнер (1991) «…Г.А. Кожевников нащупывал путь к величайшей в XX веке революции в биологии: синтезу экологии, генетики и эволюционной теории. Из самой природы эволюционного процесса следовала необходимость новой постановки исследований, а именно исследований, проводящихся длительное время, с перспективой на сотни лет».

В 1929 г. был составлен и утвержден первый нормативный документ, определивший статус заповедников в нашей стране - «Типовое положение…». С 1939 г. начало существовать Главное управление по заповедникам, при котором существовал Научный Совет, куда входили гидробиологи Л.А. Зенкевич, Н.Н. Липина, ихтиолог Г.В. Никольский.

Уже к 1940 г. общее число заповедников приблизилось к 30. Одним из лучших являлся Астраханский заповедник, где имели место подчиненность всей тематики проблемам дельты Волги и оптимальное соотношение между специалистами по водным и наземным экосистемам. В тот же период было привлечено внимание к научно-методическим разработкам и начато издание «Научно-методических записок». Стала ясно видна целесообразность централизации НИР в заповедниках, и в 1942 г. было решено вменить в обязанность всем заповедникам ведение «Летописи природы» по единой форме (Приклонский, Онуфреня, 2000).

В первую половину 1970-х годов заповедное дело вышло на новый уровень. «От упрощенных - как отмечал Ф.Р. Штильмарк (1996) - охотхозяйственных представлений центр тяжести заповедного дела постепенно перемещался к подлинной экологии, прагматическая направленность заповедников всё более и более сменялась научно-экологической. Впервые сведения о заповедниках были включены общесоюзную государственную отчетность. Темой № 1 научных исследований в заповедниках стала «Наблюдение природных процессов и явлений в природном комплексе заповедника и их изучение по программе Летописи природы». Тогда же возникла концепция биосферных заповедников.

В первую половину 1980-х годов заповедная система продолжала развиваться на основе генеральной схемы. Стал виден прогрессивный характер системы российских заповедников среди ООПТ мира, причём не только как природоохранных учреждений, но и крупных научно-исследовательских стационаров - лабораторий в природе, где возможна и необходима постановка регулярных наблюдений за водными экосистемами.

На 2004 год в России существовало 100 государственных природных заповедников общей площадью 33.5 млн. га (свыше 1.57% площади России). Достижения России в сфере территориальной охраны природы имеют мировое признание, система российских заповедников вызывает в природоохранном мире заслуженное уважение (Степаницкий, Крейдлин, 2004). Экологическая доктрина Российской Федерации (одобрена распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 августа 2002 г. № 1225-р) рассматривает создание и развитие ООПТ в числе основных направлений государственной политики в области экологии.

1.3 Мониторинг и заповедники

1.3.1 Концепция мониторинга, её возникновение и развитие

В конце 1970-х гг. имело место усиление внешнеполитических связей Советского Союза и интеграция в общемировую систему наблюдений за окружающей средой, которая выдвинула требования разработки новых звеньев в функциональной структуре системы фонового мониторинга, позволивших осуществлять эффективный контроль за загрязнениями биосферы в региональном и глобальном масштабах.

Было определено понятие мониторинга (Израэль, 1977), предмет мониторинга, дана классификация состояний природной среды, реакций природных систем, источников и факторов воздействия, охватываемых системой мониторинга (Израэль, 1979). И.П. Герасимовым (1975) определены ступени или блоки общего мониторинга: биоэкологический, геосистемный и биосферный или фоновый мониторинг. Показана необходимость создания станций фонового мониторинга на опорных полигонах - территориях с наименее изменённой человеком природой. Указано на необходимость в данных палеомониторинга - былых изменений климата и биосферы.

1.3.2 Мониторинг водных экосистем в системе Росгидромета

В 1980-х гг. в системе Росгидромета был поднят вопрос о гидробиологическом мониторинге. Указывалось, что гидробиологические методы позволяют раскрыть последствия загрязнения, степень и характер его влияния, изменения в составе, количественном развитии и жизнедеятельности гидробионтов, степень нарушения водных экосистем, процессы самоочищения рек и озёр (Узунов, Ковачев, 1984).

В разработку теоретической части гидробиологического контроля качества природных вод весомый вклад был внёсен Г.Г. Винбергом и его учениками. Основные положения теории водных экосистем, прежде всего продукционно-энергетического направления (Алимов, 1990 и др.) служат базой при анализе изменений состояния пресноводных экосистем под воздействием антропогенных факторов. В то же время разработано много методов оценки состояния пресноводных экосистем по гидробиологическим показателям: биотические индексы, индексы видового разнообразия, индексы сапробности разных авторов и т.п.

Развивая теорию водного мониторинга В.А. Абакумов обосновал и развил представление об экологических модификациях, и предложил ввести градации состояния экосистем: фоновое состояние, состояние антропогенного экологического напряжения, антропогенного экологического регресса и антропогенного метаболического регресса (Абакумов, 1991; Руководство…, 1992).

Определен дифференцированный подход к природным объектам в зависимости от их народно-хозяйственного, научного и эстетического значения. Выделено три категории водных объектов, для каждой из которых существуют свои предельно допустимые состояния:

а) заповедные, уникальные;

б) водные объекты, испытывающие умеренную антропогенную нагрузку;

в) водные объекты с сильно преобразованными экосистемами.

Таким образом теория мониторинга получила дальнейшее развитие. В 1980-е годы указывалось на отсутствие единых методик и недостаточную обеспеченность наблюдений малосерийным оборудованием (Абакумов, 1991). Медленно решался и вопрос с доступными определителями гидробионтов. Гидробиологический мониторинг в те годы проводился лишь на четверти станций гидрологической сети (Абакумов, Сущеня, 1991), что приводило к недостатку объективной экологической информации о состоянии природных объектов.

1.3.3 Место лимнологического мониторинга в общей системе мониторинга

Как указывает И.Н. Андроникова (1996) экологический мониторинг в лимнологии как теоретическое и прикладное направление возник сравнительно недавно, поэтому находится ещё в стадии становления. Лимнологический мониторинг можно понимать как подсистему фонового мониторинга, так как атмосфера и гидросфера находятся во взаимосвязи и взаимодействии. На состоянии озёрных экосистем отражаются глобальные изменения в атмосферных процессах: потепление климата, выпадение кислотных дождей, возрастание проникновения солнечной радиации, вследствие истощения озонового слоя (Schindler, 1988).

В то же время, как правило, систему долгосрочных наблюдений в приложении к озёрам рассматривают как мониторинг их эвтрофирования (Андроникова, 1996 и др.). Индикацией эвтрофирования по А.С. Константинову (1984) является изменение соотношения между пастбищной и детритной подсистемами круговорота - сетью выедания и сетью разложения. М.Б. Иванова (1987) считает, что для сохранения структуры и функционирования озерных экосистем следует исходить из поддержания биоразнообразия.

1.3.4 Мониторинг в биосферных заповедниках

При организации системы мониторинга важная роль отводилась системе заповедников России. Согласно схемы мониторинга Ю.А. Израэля (1979) биосферные заповедники, располагающие станциями фонового мониторинга, постами гидрометеонаблюдений, химлабораториями должны производить контроль состояния среды, отслеживать физические и химические показатели.

Работы по разделу Б.2 вышеуказанной схемы должны производиться совместно с региональными отделениями Росгидромета. Отбор проб почвы, поверхностных вод и осадков должен вестись силами заповедников. Дальнейший же анализ, требующий сложной дорогостоящей аппаратуры, необходимо вести в хорошо оснащенных лабораториях Росгидромета. Работы по разделу B - состояние биотической составляющей биосферы - реакция биоты - отклики и последствия, должны полностью выполняться в заповедниках.

Была разработана программа экологического мониторинга, состоявшая из двух частей: абиотический и биотический мониторинг (Израэль и др., 1982). Предлагаемая программа позволяла оценить фоновое состояние загрязнения природных сред и вызванные им биологический эффекты, выявить наиболее чувствительные к загрязнениям виды для каждого типа экосистем, а также осуществить ориентировочный прогноз изменений состояния биоценозов, возникающих в ответ на антропогенное воздействие. В частности, работы в этом направлении (по определению влияния закисления на фаунистический состав и структуру зоопланктонных сообществ малых озер) выполнялись В.И. Лазаревой в Дарвинском заповеднике (Лазарева, 1993, 1995 и др.).

Ведущим звеном наблюдательной сети фонового мониторинга являются станции комплексного фонового мониторинга (СКФМ), первая очередь которых была размещена в биосферных заповедниках Березинский, Кавказский, Приокско-Террасный, Репетекский, Сары-Челекский, Сихотэ-Алинский. Комплексные программы наблюдений на этих станциях включают работы по программе мониторинга фонового загрязнения атмосферы, осадков, поверхностных вод, почвы, биоты, а также исследования откликов геофизических и биологических систем на это загрязнение. Наблюдения на станциях проводятся регулярно и совмещаются с метеорологическими, гидрологическими и другими геофизическими наблюдениями.

1.3.5 Летопись природы заповедников и концепция мониторинга

В связи с организацией исследований по глобальному и геосистемному мониторингу в начале 1980-х гг. возросло внимание к заповедной системе, заповедникам и ведущимся в них Летописям природы. Произошел определенный пересмотр взглядов на НИР в заповедниках, получила оценку многолетняя работа заповедников по ведению наблюдений. Проблемы и перспективы заповедного дела обсуждались опытнейшими сотрудниками и руководителями научных отделов передовых заповедников. Так Ю.С. Исаков (1982) генеральную цель исследований в заповедниках выражал так: выяснение пространственно-временных закономерностей развития и естественной динамики природных комплексов, а также причин и последствий нарушения их спонтанными природными и антропогенными воздействиями для прогноза и возможности управления.

Конкретные задачи, по его мнению, это имеющие выход в практику разработки: а) научно-обоснованных стратегий сохранения изучаемых комплексов; б) путей повышения их биологической продуктивности; в) форм и режимов правильного природопользования; г) оптимизации окружающей природной среды.

Важной основой для решения намеченных задач должна стать эффективная система слежения за состоянием эко- и биосистем.

Ю.А. Исаков (1982) перечисляет некоторые методические подходы, применение которых позволяет не только диагностировать процессы, но и оценивать масштабы вызываемых ими изменений: регулярные гидрометеорологические наблюдения, исследования структуры биоты на ключевых участках; периодическое картирование в разных масштабах на ключевых участках или профилях. Обязательной унификации подлежат методики исследований, в то время как набор методов должен быть различным в зависимости от конкретных задач. Особого внимания требовала разработка конкретных программ для отдельных заповедников или их региональных групп.

В 1990-е годы произошло формирование таких групп по территориальному принципу. Так Пинежский заповедник попал в ассоциацию заповедников Северо-Запада России, а Керженский - в таковую Поволжья. В частности, в Пинежском заповеднике, созданном для охраны и изучения экосистем карстовых ландшафтов, наиболее актуальным и первоочередным является изучение процессов карстообразования и его влияния на биоту. В 1994 г. в нём была разработана и принята программа дифференцированной Летописи природы, адаптированная к природным условиям этого заповедника, в которой приведена более развернутая нежели у К.П. Филонова и Ю.Д. Нухимовской (1985) программа геоморфологических, гидрологических и гидробиологических наблюдений (Баянов, 1997а; Пучнина, 2004).

Мы считаем, что исследования в заповедниках должны стать опорным каркасом для создания обширной сети наблюдений по общероссийской программе геосистемного мониторинга. Этой же позиции придерживается и Ю.С. Чуйков (1984), который выделяет в заповедниках в рамках Летописи природы исследования двух типов: дискретно-инвентаризационные и непрерывные динамические. Первые могут проводиться с различной кратностью, включают возможно более полный учёт абиотических факторов, состава флор и фаун. При инвентаризационных исследованиях необходим предельно полный охват всех компонентов живой и неживой природы. Здесь большую помощь могут оказать университеты и НИИ.

Непрерывные наблюдения за динамикой природных комплексов можно осуществить лишь силами хорошо укомплектованного и подготовленного научного отдела заповедника. Динамические наблюдения могут базироваться на сравнительно небольшом числе объектов, основной критерий отбора которых - индикационная репрезентативность и сравнительная простота наблюдений. Ю.С. Чуйков (1986) касается методических вопросов, выделяя, в частности, два пути сбора фенологической информации: вероятностный (когда сотрудники попутно с выполнением своей основной работы проводят фенологические наблюдения) и целенаправленный сбор количественной информации. Более продуктивным представляется второй путь сбора информации.

Он указывает, что наблюдения за абиотическими факторами должны быть максимально автоматизированы, а слежение за биологическими объектами должно проводиться квалифицированными специалистами на стационарных площадях по унифицированным методикам.

Ю.С. Чуйков (1986) считает целесообразным перевод исследований на экосистемную основу, дифференциацию как наблюдений так и изложения результатов по принадлежности к различным экосистемам. Форма же представления данных должна быть максимально стандартизирована.

Таким образом, становление и развитие систематических гидрологических наблюдений в системе Росгидромета происходило одновременно со становлением и ростом заповедной системы. Разноведомственность не способствовала и не способствует взаимодействию этих систем. Тем не менее при решении задачи комплексной оценки состояния окружающей среды и при составлении экологических прогнозов используются данные как Росгидромета, так и заповедников. Кроме этого, имеют много общего научные основы размещения ООПТ и станций мониторинга и постов наблюдений гидросети (Перспективный план…, 1958; Проскуряков и др., 1959). Сближение систем, начавшееся в конце 1970-х - первой половине 1980-х годов, вызванное становлением концепции мониторинга и организацией биосферных заповедников, было прервано начавшейся «перестройкой», распадом СССР и сворачиванием многих природоохранных программ. Однако, в постперестроечный период вновь встал вопрос о проведении комплексного мониторинга на современном научном уровне. Выявились многие недостатки, в частности: недостаточный охват гидропостами речной сети страны; отставание в слежении за биотической составляющей в системе Росгидромета, низкий уровень самих наблюдений.

В заповедной системе в свою очередь слабо развиты физико-химические методы мониторинга. Биологические же наблюдения за водными экосистемами часто сводятся лишь к инвентаризации флоры и фауны без уделения внимания структуре сообществ и их динамике.

Вышеперечисленные и другие проблемы требуют объединения усилий как Росгидромета, так и системы ООПТ России.

Глава 2. Физико-географическая характеристика регионов исследований

2.1 Пинежский заповедник. Климат, геология, рельеф и гидрологическая сеть

Приводится описание климата Пинежского заповедника, указывается на изменения погодных условий в последние десятилетия: прослеживается тенденция запаздывания многих сезонных явлений в осенне-зимний период (установления ледостава и снежного покрова), смещение максимума зимних холодов с января на февраль, более позднее наступление весны и в то же время более ранний сход снежного покрова.

Анализируется состав и качество осадков, выпадающих на территорию Пинежского заповедника. Установлено, что больше половины осадков можно считать антропогенно-закисленными. Проведено сравнение уровней закисления осадков Пинежского заповедника с таковыми, выпадающими на территории биосферных заповедников «Кавказский» и «Приокско-Террасный», а также городов Архангельска и Северодвинска.

Общим для заповедников является низкая минерализация осадков близкая к минерализации облачной воды (Свистов и др., 2006). Особенностью химического состава осадков Пинежского заповедника является то, что за преобладающими сульфатами в них следуют хлориды, а не гидрокарбонаты как в двух других заповедниках. Содержание солей в осадках приморских городов выше в 2-4 раза. В то же время в Пинежском заповеднике выше степень закисления осадков.

Описан процесс становления рельефа Архангельской области и Беломорского бассейна, который характеризуется как изостатическим поднятием территории, так и трансгрессиями и регрессиями моря. Широко распространён на территории Архангельской области процесс карстообразования. Полоса карстующихся пород протягивается с севера на юг, юго-запад через всю территорию на 600 км в длину, ширина - 100-200 км.

Территория Пинежского заповедника расположена на юго-восточной окраине Беломорско-Кулойского плато. Рельеф имеет, в целом, ледниковый генезис, но большое влияние оказали также карст и эрозионное расчленение. По составу минеральной растворимой основы карст относится к сульфатной группе, карбонатно-сульфатному, сульфатному, терригенно-сульфатному типам.

В типологическом отношении рельеф заповедника представлен возвышенно-денудационно-пластовой крупнохолмистой и моренной холмисто-грядовой равниной с участками волнистого озерно-ледникового и водно-ледникового генезиса. Ледниковая морфоскульптура создана последним поздневалдайским (осташковским) оледенением. Основное закарстование происходило под воздействием наступления и деградации поздневалдайского оледенения (Шаврина, 2002).

В региональной классификации поверхностные формы гипсового карста (Малков и др., 1983) объединяются в три уровня: макро-, мезо- и микроуровень. Крупные карстовые озера относятся к формам макроуровня, более мелкие озера - к мезоформам карстового рельефа.

Развитие поверхностного карста происходило во взаимодействии с подземными карстовыми формами. Подземный карст представлен мелкими полостями и пещерами широкого возрастного диапазона (средний - поздний плейстоцен - голоцен). Весьма благоприятными для образования пещер являлись условия поглощения концентрированного стока в карстующемся ложе в подледниковых каналах, краевых желобах, долинах и депрессиях. При близком к поверхности залегании карстовых вод и их подъёме вверх в условиях раскрытия трещин формировались полости, прорабатываемые карстовыми (местными) и талыми ледниковыми водами.

После деградации ледника и затухания озёрного стока на развитии логов и пещер оказывали влияние позднеледниковые подпрудно-озёрные водоёмы и ингрессионные морские заливы. В современную эпоху (последние 9 тыс. лет) продолжается развитие большей части пещер. В них действуют постоянные ручьи и реки, либо происходит разгрузка крупных паводковых (временных) потоков (Шаврина, 2002).

В ряде пещер имеются водопады на ручьях, действуют вертикальные источники, разгружающие подвешенные воды. Более редкими для территории являются подземные озёра. Карстовые воды пещер сульфатно-кальциевые, минерализация варьирует от 0.4-0.8 г/л в паводок до 1.8-2.5 г/л в меженный период. Температура воды изменяется от 0 до 2.5 С при максимуме 5 С в период дождевых паводков (Шаврина, 2002).

2.2 Нижегородское Заволжье. Климат, геология, рельеф и гидрологическая сеть

Приведена характеристика климата, гидрологических условий Нижегородского Заволжья (где расположена территория Керженского заповедника), обращено внимание на климатические изменения, происходящие в последние годы. В последнее десятилетие XX века среднегодовая температура воздуха повысилась на 0.9 С, причем повышение температуры не было общим для всех сезонов и месяцев. Последнее десятилетие XX века было не только самым теплым, но и самым увлажнённым. Иные очертания получило внутригодовое распределение осадков (Терентьев, Колкутин, 2004).

Описан процесс формирования рельефа Нижегородского Заволжья. Указывается, что во время последнего оледенения вокруг ледниковой зоны образовывались перигляциальные территории, сами льдом не покрывавшиеся, но находящиеся под климатическим влиянием ледника. В долинах сформировались перигляциальные террасы. На территориях, прогнутых под тяжестью льдов, образовывались приледниковые впадины и приледниковые перигляциальные озера (Фридман, 1999).

В пределах Окско-Волжского левобережья, относящегося к Северорусскому геоморфологическому поясу с севера на юг выделяются провинция южной покатости Северных Увалов, Заволжская рудиментарная сниженная возвышенность и Великая Волжская аккумулятивная низменная равнина. В последней провинции расположена основная масса озёр. Великая Волжская аллювиальная равнина в Нижегородской области является восточным продолжением полосы среднерусских полесий (Поветлужское или Балахнинско-Марийское полесье по Б.И. Фридману, 1999). Согласно А.В. Ступишину и Н.Н. Лаптевой (Озёра…, 1976) - это типичный приледниковый ландшафт, сохранивший черты былой аккумулятивной и эрозионной деятельности водных потоков в районе бывшего озёрного отстойника талых вод.

Нижегородская область имеет густую речную сеть. Транзитными реками Нижегородской области являются Волга, Ока, Клязьма, Ветлуга и Сура. Все остальные реки волжского бассейна, протекающие по территории области имеют истоки в пределах области. Вся территория Нижегородской области принадлежит бассейну Волги. В тексте диссертации приводится описание р. Керженец и ее притоков, к основным из которых в заповеднике относятся реки Вишня, Черная и Пугай.

Глава 3. Постановка исследований

3.1 Объекты наблюдений и методы работ в Пинежском и Керженском заповедниках

Исходя из задачи организации и проведения геосистемного мониторинга были выбраны водные объекты-мониторы и биоценозы-мониторы. Согласно терминологии, предложенной П.И. Короленко (1984) объекты-мониторы - это определённая экосистема или её компонента, которая может применяться для наблюдения (мониторинга) окружающей природной среды (озёра, ручьи, болота). Биоценозы-мониторы - специально отобранные для наблюдений сообщества организмов, населяющих водный объект (зоопланктон, зообентос и т.д.).

При организации и проведении мониторинга выделяются два этапа: инвентаризационный, логическим завершением которого служит определение объектов мониторинга и собственно мониторинговый - этап слежения за состоянием водной среды. Как правило, оба этапа разделены во времени, так как прежде чем следить за состоянием того или иного сообщества, а на его основании судить о качестве водной среды, необходимо выявить это сообщество, установить насколько оно информативно для суждения о водоёме в целом и о происходящих изменениях качества вод, определить надежность получаемой информации и реальность её получения с нужной периодичностью. Желательно также иметь сообщество, характерное для водоёмов разного типа, а если это невозможно, то применять единые критерии оценки изменений в биоценозах (Баянов, 2008).

В 1991-1995 гг. в Пинежском заповеднике осуществлялся первый этап комплексного лимнологического мониторинга карстовых озер, который носил кадастровый характер. Требовалось установить общее число водоёмов озерного типа на территории резервата, выяснить их физико-географические и гидробиологические особенности. С этой целью были обработаны карты лесоустройства заповедника (масштаб 1:5000), проведена батиметрическая съемка котловин озёр.

В целях сохранения приемлемости при выборе объектов мониторинга в первую очередь предпочтение отдавалось изучавшимися в 1970-е годы М.А. Кузнецовой озерам (Кузнецова, Арсланова, 1983), находящимся на разных стадиях сукцессии, причем их перечень был расширен за счет высокоминерализованных сульфатных озер.

Периодичность работ в летнее время находилась в зависимости от степени доступности водоёма. Ближайшие к п. Голубино озера Сычево, Лесное, Круглое, Большое и Малое Долгие обследовались раз в две недели. Более отдаленные озера Железное, Кумичево, Першковское, Паловые, Лапозеро, Нюхчозеро, Кривое и Плоское - раз в месяц. Труднодоступные Ераськины озера и оз. Карьеловское - раз в год. В зимний период наблюдения проводились по одному разу за весь период работ, за исключением оз. Сычево, где зимой 2001-2002 гг. отбор проб зоопланктона велся ежемесячно и оз. Железное, на котором работы велись ежегодно в марте.

Работы включали: определение уровня воды, промеры глубин, замеры температуры и содержания кислорода по горизонтам во всем столбе воды, величины рН, электропроводности и содержания СО2 у дна и у поверхности, отбор воды на гидрохимический анализ, проб зоопланктона и бентоса в глубоководной и прибрежной зонах озера. На озерах Першковское, Кумичево, Сычёво и Кривое проведен сбор ихтиологического материала.

Работы велись по стандартным методикам, принятым в лимнологической, гидрохимической, гидробиологической и ихтиологической практиках (Руководство…, 1973; Методические рекомендации…, 1984; Методика комплексных...,1989; Методические указания…, 1986). Методика работ по изучению озёр Пинежского заповедника изложена нами ранее (Баянов, 1997б; Баянов Фролова, 1998а; Баянов, Залозных, 2003, 2005).

В Керженском заповеднике, так же как и в Пинежском на первом этапе работ с 1996 по 1999 гг. были проведены исследования, охватившие водоёмы разного типа и водотоки разных порядков. Выявлены химический состав вод, видовой состав флоры и фауны гидробионтов. После чего были определены объекты регулярных наблюдений. При выборе объектов-мониторов учитывались различные элементы охраняемых ландшафтов. В число объектов-мониторов вошли: р. Керженец и доступный для регулярных наблюдений приток - р. Вишня, старицы: оз. Нижнее Рустайское, оз. Круглое и оз. Калачик. Велось наблюдение и за колодцами пос. Рустай.