Сукцессионное развитие экосистем техногенных водоемов

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 574.5

Московский государственный университет

СУКЦЕССИОННОЕ РАЗВИТИЕ ЭКОСИСТЕМ ТЕХНОГЕННЫХ ВОДОЕМОВ

В.Н. Безносов

А.Л. Суздалева

Под термином «техногенная экосистема» понимается экосистема, возникшая или значительно измененная под влиянием техногенных факторов [14]. Непрерывно возрастающая потребность в водных ресурсах обусловливает постоянное увеличение количества водных объектов, превалирующим фактором формирования экосистем которых является техническая деятельность человека. Такие водоемы также обозначаются как техногенные.

Исследование экологического состояния техногенных водоемов представляет важность, как с природоохранной, так и производственной точки зрения. С одной стороны эти водоемы испытывают значительную антропогенную нагрузку, с другой стороны качество воды в них необходимо поддерживать на определенном уровне отвечающему характеру водопользования.

В настоящей статье предпринята попытка исследовать общие закономерности развития экосистем техногенных водоемов с целью уточнения методологии оценки их экологического состояния. Основным материалом послужили результаты исследований водоемов, предназначенных для технического водоснабжения атомных электростанций.

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ВОДОЕМОВ

Важнейшими критериями оценки экологического состояния водоемов являются его биоразнообразие, сложность структурно-функциональной организации водной экосистемы и степень ее устойчивости [1]. В качестве эталона используются значения соответствующих экологических параметров, полученных при изучении водных объектов, не подвергшихся значительным антропогенным изменениям. Однако необходимым условием адекватности оценки в этом случае является то, что сравниваемые экосистемы находятся в финальной стадии своего развития, отражающей условия их формирования. Например, если оценивать экологическое состояние двух водоемов, с идентичной антропогенной нагрузкой, один из которых находится в ранней стадии сукцессионного развития, а второй - на более поздней, то неизбежно последует вывод о более плохом состоянии первого из них. Подобные ошибочные суждения часто возникают при исследовании техногенных водоемов, когда снижение разнообразия и упрощение структуры водной экосистемы, на стадии интенсивных сукцессионных процессов, интерпретируется как конечный результат антропогенного воздействия. Причины подобной ошибки кроются в распространенном мнении, что сукцессионное развитие экосистем техногенных и природных водоемов носит аналогичный характер. В действительности эти процессы принципиально отличны, что обусловлено рядом специфических особенностей техногенных водоемов, среди которых можно выделить три наиболее характерных:

Во-первых, это относительная кратковременность существования "техногенных" сообществ - они существуют не только при наличии технического фактора, обусловливающего их специфику, но и при определенном уровне его воздействия. При изменении любого из этих условий данные сообщества перестают существовать и, в результате сукцессионных процессов, преобразуются в другие сообщества, обладающие уже иным составом и структурой. Например, такие изменения происходят при увеличении мощности электростанции или при ее снижении. Так, остановка сброса подогретых вод на некоторых ТЭС сопровождалась массовой гибелью термофильных видов рыб [11]. Прекращение работы Кольской АЭС приведет к исчезновению карпа, в настоящее время обитающего в оз. Имандра [10].

Во-вторых, большинство сообществ водоемов, не подверженных значительному антропогенному воздействию, пребывает в устойчивом "климаксном" состоянии. Их состав отвечает определенным ланшафтно-климатическим условиям. В отличие от этого структура сообществ техногенных водоемов формируется под влиянием действующего в данный момент комплекса антропогенных факторов и в меньшей степени зависит от местных условий. Так, при сравнении водных сообществ, сформировавшихся в водоемах-охладителях различных климатических зон, было установлено, что в их составе доминируют не массовые формы, характерные для водоемов данного пояса, а одни и те же эвритермные и эврибионтные виды [5, 9]. Это сходство структуры и состава водных биоценозов обусловлено сходством техногенного воздействия на эти водоемы.

В-третьих, уровень техногенного воздействия в разные периоды существования техногенного водоема может меняться, и меняться скачкообразно - при изменении характера его эксплуатации (изменения мощности электростанции, введение в строй гидротехнических сооружений и др.). В этом случае в его истории может существовать несколько этапов, на каждом из которых водные сообщества имеют свои особенности.

В целом, облик экосистемы техногенного водоема определяется уровнем воздействия, оказываемого на него в данный период времени. При этом происходит чередование периодов, в течение которых условия в водной среде и состав водных сообществ достаточно постоянны, и периодов, когда в течение относительно короткого времени характер водоема заметно меняется [17, 19]. Эта закономерность носит весьма общий характер, в результате чего в развитии практически любого техногенного водоема, вне зависимости от характера его эксплуатации и местных условий, наблюдаются одни и те же фазы, особенности которых будут рассмотрены ниже.

ФАЗА ПОДГОТОВКИ ТЕХНОГЕННОГО ВОДОЕМА К ЭКСПЛУАТАЦИИ

По своему происхождению техногенные водоемы можно разделить на две категории: природные водоемы, преобразованные для каких-либо технических нужд и искусственные водоемы, специально созданные для этих целей. В обоих случаях на первом этапе главными факторами формирования водных сообществ являются различные мероприятия, проводящиеся в целях дальнейшего использования этих водоемов. Во вновь создаваемых искусственных водоемах основными факторами формирования водных сообществ являются те же самые процессы, которые играют главную роль и в формировании сообществ водоемов прудового и водохранилищного типов, на начальных этапах их развития. Основное значение здесь имеют следующие факторы:

- гидрохимический состав вод источников заполнения водоема;

- состав планктона и ларватона (пелагических личинок донных организмов) вод источников заполнения водоема;

- состав организмов, обитающих в увлажненных местообитаниях и мелких водоемах на затапливаемой территории;

- процессы переработки затопленных почв и наземной растительности.

Численность первоначально развивающихся в водоеме-охладителе организмов, как правило, не соответствует их частоте встречаемости заполняющих водах или в существовавших здесь мелких водоемах. Так, некоторые формы, количество которых в самом источнике может быть весьма незначительно, находят в новом водоеме благоприятные условия обитания. В течение короткого времени они, не испытывая пресса хищников и конкурентов, достигают высокой численности. В дальнейшем количество этих форм, как правило, значительно снижается, в результате конкурентного вытеснения другими видами. Наблюдается типичная картина «первичной сукцессии», сопровождающейся быстрым ростом разнообразия водной биоты.

Когда техногенный водоем создается на базе природного водоема, большое значение на подготовительном этапе могут иметь различные мероприятия по изменению его морфометрии и гидрологии (изменение конфигурации береговой линии и рельефа дна и др.). Как правило, сукцессионные процессы на подготовительной фазе наблюдаются только на отдельных участках и происходят в виде «вторичной сукцессии», то есть изменения уже сложившихся сообществ. Исключением являются те случаи, когда подготовка водоема сопровождается существенным изменением состава водной среды, облик водной биоты может принципиально поменяться [8, 13]. Например, на Украине в качестве водоема-охладителя Змиевской ГРЭС было использовано ранее солоноватоводное оз. Лиман, в которое впоследствии было заполнено пресной водой из р.Северный Донец. Изменение солевого состава водоема, повлекшее за собой принципиальные изменения в составе обитающих в нем гидробионтов, производилось при подготовке водоема-охладителя Экибастузской ГРЭС (Казахстан) [12].

ФАЗА НАЧАЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОГЕННОГО ВОДОЕМА

Новый период интенсивных сукцессионных процессов начинается с пуском промышленного объекта и началом эксплуатации водоема. В случае с АЭС в этот период на формирование водных сообществ начинает оказывать воздействие собственно работа электростанции. Следует обратить особое внимание на одно немаловажное обстоятельство, - как правило, эксплуатация искусственно созданного техногенного водоема начинается через относительно короткое время после его заполнения. Сукцессионные процессы, начавшиеся на предшествующем этапе (фаза подготовки) еще далеки от завершения. Например, в водоемах-охладителях в это время при относительно низком уровне биоразнообразия численность отдельных пионерных видов находится на весьма высоком уровне. Пуск АЭС нарушает ход этой сукцессии, численность некоторых форм, процветавших до этого, резко снижается. В связи с этим может наблюдаться значительное уменьшение общей биомассы планктона и бентоса. Эти явления иногда используются для иллюстрации степени техногенного воздействия. Однако в действительности рассматривать эти факты как меру негативного воздействия АЭС нельзя. Это - начало нового этапа сукцессионных процессов - вторичная сукцессия водных сообществ, идущая в другом направлении. Практически всегда через относительно короткое время биоразнообразие, биомасса и продукция в водоемах-охладителях не только достигают первоначального уровня, но и превосходят его [2, 7, 13, 17].

В некоторых случаях использование водоема в технических целях приводит к повышению качества его вод и повышению биоразнообразия биоты. Так, в водоемах-охладителях АЭС и ТЭС повышение температуры воды и ее аэрация создают благоприятные условия для развития многих видов. Искусственное увеличение подвижности вод, во многих случаях сопутствующие их использованию в технологических циклах, также способствует улучшению кислородного режима в придонных слоях. Поэтому, в первые годы эксплуатации водоема-охладителя достаточно часто наблюдается увеличение биомассы и численности донных организмов [13, 17].

ФАЗА ПЕРВОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ.

На следующем этапе существования техногенного водоема, при постоянном уровне оказываемой на него нагрузки, условия на определенный период времени стабилизируются и состав его сообществ на протяжении относительно длительного времени остается также более или менее стабильным. Поэтому этот период можно назвать «фазой первой относительной стабилизации».

Длительность этого периода может быть достаточно велика (10-15 лет и более), в связи с чем, ряд исследователей рассматривает состояние сообществ водоема-охладителя в это время как климакс. Действительно, условия в водоеме и состав его биоты могут носить устойчивый характер. Однако в большинстве случаев для нормальной эксплуатации техногенного водоема необходимо периодическое проведение специальных мероприятий. Поэтому, эту фазу можно рассматривать только как антропогенный дисклимакс водной экосистемы, на которой необходимые для его эксплуатации условия в той или иной мере поддерживаются искусственно. В естественных условиях климаксное сообщество наиболее полно соответствует конкретным ланшафтно-климатическим условиям. Время существования этих условий несравнимо больше длительности сукцессии. Стабилизация состава сообществ в техногенных водоемах носит принципиально иной характер - их состав отвечает уровню техногенной нагрузки в данный период эксплуатации [17]. Следовательно, при разработке экологических прогнозов этот период нельзя рассматривать как климаксное устойчивое состояние, а только как фазу относительной стабилизации, которая нарушится при изменении техногенной нагрузки, в том числе и ее снижении.

ПОСЛЕДУЮЩИЕ ФАЗЫ РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМЫ ТЕХНОГЕННОГО ВОДОЕМА

Достигнутое на первой фазе стабилизации относительное постоянство условий, при изменении нагрузки на водоем, как правило, нарушается. В соответствие с этим происходит и трансформация биотической компоненты водной экосистемы. Именно эти процессы и наблюдаются во многих водоемах-охладителях при увеличении мощности электростанции или других заметных изменений в режиме в режиме эксплуатации, например, в результате реконструкции гидротехнических сооружений. Этот период мы обозначили как «второй период сукцессионных изменений» исходя из того, что в качестве «первого периода сукцессионных изменений», более целесообразно рассматривать сукцессионные процессы на «фазе начала эксплуатации», а не на «фазе подготовки», когда водный объект часто не имеет специфических черт, присущих техногенному водоему. Снижение разнообразия водных сообществ, наблюдающееся на этой фазе, также как и на фазе начала эксплуатации, может носить временный характер.

После нарушения условий, наблюдавшихся на первой фазе относительной стабилизации, и последующих сукцессионных процессов следует период, когда водные сообщества стабилизируются на новом уровне, и существует до тех пор, пока не произойдет новых значительных изменений в режиме работы электростанции - это «вторая фаза относительной стабилизации».

Если скачкообразные изменения, обусловленные изменением режима работы промышленного объекта или другими техногенными факторами, будут происходить многократно, то в соответствии с этим в дальнейшем можно выделить третьи, четвертые и т.д. «периоды сукцессионных изменений» и соответствующие им «фазы относительной стабилизации», каждая из которых будет характеризоваться определенным составом сообществ.

Несомненно, что все промышленные объекты будут функционировать только определенное время. В связи с этим, в развитии сообществ техногенных водоемов будет наблюдаться и «посттехногенный период», когда их использование в технических целях будет полностью прекращено. Это вызовет как существенные изменения гидрологического и гидрохимического режима, так и обусловит еще один период сукцессионных процессов. Данная проблема в настоящее время практически не изучена, хотя необходимость их исследования очевидна. Большинство техногенных водоемов относительно мелководны, и в течение длительного времени эксплуатации они, в той или иной мере, были подвержены эвтрофированию, в том числе термическому [3]. В связи с этим, можно ожидать, что после прекращения мероприятий, направленных на регулирование растительности, эти водоемы будут интенсивно зарастать. В водоемах-охладителях этому будет способствовать также и то, что борьба с вводной растительностью в некоторых водоемах-охладителях велась путем их зарыбления теплолюбивыми растительноядными рыбами, существование которых в водоемах умеренной зоны России было возможно только при повышенной температуре воды. Прекращение сброса подогретых вод может также привести к резкому снижению развития и даже полному исчезновению из водоемов-охладителей некоторых теплолюбивых видов животных и растений. В первую очередь это касается распространившегося в водоемах-охладителях России субтропического растения валлиснерии спиральной, которая иногда доминирует в обогреваемых зонах, вытеснив ранее существовавшие здесь массовые формы [4].

В целом развитие относительно небольших техногенных водоемов водохранилищного типа завершается их превращением в болотный массив, в результате накопления значительных объемов отложений и зарастания [20].

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ВОДОЕМОВ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ ИХ РАЗВИТИЯ

Перестройки водных сообществ на начальных этапах сукцессии практически всегда сопровождаются упрощением их структуры. Очевидно, что наиболее низкий уровень биоразнообразия и других экологических показателей будет наблюдаться в периоды изменения режима эксплуатации водоема. Однако, хотя это снижение уровня развития водных сообществ и обусловлено воздействием техногенных факторов, оно носит временный характер. Поэтому, на основании данных, полученных в периоды дестабилизации, адекватно оценить это воздействие нельзя. Окончательные выводы должны строиться на основании исследования общей динамики развития экологической ситуации. В противном случае, оценка воздействия техногенных факторов недостоверна. Так, при обсуждении вопроса о воздействии функционирования промышленных систем водоснабжения АЭС на планктонные организмы, априорно предполагается, сто процент гибели зоопланктонных организмов будет весьма высок. Основанием для этого, служат результаты исследований, проведенных в период пуска ТЭС и АЭС, когда процент гибели планктонных организмов достигает 60-80% и более [11, 13, 15]. Однако, как показали результаты наших исследований в водоемах-охладителях, эксплуатирующихся длительное время и находящихся в фазе относительной стабилизации этот процент значительно ниже (табл. 1). Это объясняется рядом причин [16, 17] главная из которых, по-видимому, заключается в том, что численность крупных и наиболее травмируемых форм в этих водоемах снижается. Их место занимают виды, более хорошо переносящие попадание в систему водоснабжения АЭС. Снижение процента гибели зоопланктона по мере развития экосистем водоемов-охладителей отмечено и другими исследователями [6]. Например, если в начале эксплуатации гибель зоопланктона в системе охлаждения Змиевской ГРЭС (Украина) составляла 75-80%, то в последующий период она снизилась до 20%.

Таблица 1. Процент травмированных особей планктонных ракообразных в районе сброса Курской и Смоленской АЭС.

Выводы

В отличие от природных водоемов, существующих в устойчивом климаксном состоянии, в техногенных водоемах периоды интенсивных сукцессионных процессов чередуются с периодами относительной стабилизации. Эти фазы не зависят от географического положения, морфометрии и происхождения водоема, а определяются изменениями в режиме оказываемой на него техногенной нагрузки.

Окончательная оценка воздействия, оказываемого на техногенный водоем, промышленным объектом, для которого он предназначается, должна строиться на основании исследований, проводимых на фазах относительной стабилизации. водоем охладитель атомный электростанция

Прогноз экологического состояния техногенного водоема должен базироваться учете всех фаз его развития, включая посттехногенный период, когда использование вод в производственных целях будет прекращено.

Список литературы

1.Абакумов В.А., Калабеков А.Л. Планетарная экологическая система. М.: Типография Россельхозакадемии, 2003. 674 с.

2.Безносов В.Н., Васенко А.Г., Егоров Ю.А., Леонов С.В., Лунгу М.Л., Побединский Н.А., Румянцева Е.А., Старко Н.В., Суздалева А.Л., Чекалин Б.С. Ретроспективный анализ и характеристика современного состояния гидробиоценозов водоема-охладителя Курской АЭС и рек Сейм и Реут // Экология регионов атомных станций. 1995. Вып. 4. С.142-196.

3.Безносов В.Н., Кучкина М.А., Суздалева А.Л. Исследование процесса термического евтрофирования в водоемах-охладителях АЭС // Водные ресурсы. 2002. Т.29. №5. С.610-615.

4.Безносов В.Н., Суздалева А.Л. Экзотические виды фитобентоса и зообентоса водоемов-охладителей АЭС как биоиндикаторы теплового загрязнения // Вестник МГУ. Серия 16 Биология. 2001. №3. С.27-31.

5.Безносов В.Н., Суздалева А.Л. Изменение видового состава континентальных водоемов в условиях теплового загрязнения как модель возможных биотических изменений в периоды потепления климата // Экосистемные перестройки и эволюция биосферы. Вып. 4. М.: Изд-во ПИН РАН, 2001. С.142-146.

6.Бондаренко Т.А., Васенко А.Г., Игнатенко Л.Г., Лунгу М.Л., Старко Н.В. Экологические аспекты функционирования водохозяйственного комплекса при Курской АЭС. // Экология регионов атомных станций. Вып. 2. М.: ГНИПКИИ Атомэнергопроект, 1994. С. 141-147.

7.Вирбицкас Ю.Б., Егоров Ю.А. Состояние экосистемы оз.Друкшяй после нескольких лет работы Игналинской АЭС. // Экология регионов атомных электростанций. Вып. 1. М.: Атомэнергопроект, 1994. С.238-254.

8.Катанская В.М. Растительность водохранилищ-охладителей тепловых электростанций Советского Союза. Л.: Наука, 1979. 279 с.

9.Лаврентьева Г.Г., Терешенкова Г.М. Сравнительная оценка видового состава фитопланктона двух водоемов-охладителей, расположенных в разных географических зонах. // Сборник научн. трудов ГосНИОРХ. Вып. 309. Л..: 1990. С.3-15.

10.Лукин А.А. Случайное вселение карпа Cyprinus carpio в субарктический водоем. // Вопросы ихтиологии. 1999. Т.39. №3. С.431-433.

11.Мордухай-Болтовской Ф.Д. Проблема влияния тепловых и атомных электростанций на гидробиологический режим водоемов. // Тр. Ин-та биол. внутр. вод. Вып. 27 (30). Экология организмов водохранилищ-охладителей. Л.: Наука, 1975. С. 7-69.

12.Некрасова И.И. Зоопланктон водоема-охладителя Экибастузской ГРЭС-1. // Сб. научн. трудов ГосНИОРХ. Вып. 309. Л.: 1990. С.32-36.

13.Протасов А.А., Сергеева О.А., Кафтанникова О.Г., Ленчина Л.Г., Калиниченко Р.А., Афанасьев С.А., Синицина О.О. Гидробиология водоемов-охладителей тепловых и атомных станций Украины. Киев: Наукова думка, 1991. 192 с.

14.Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. 637 с.

15.Ривьер И.К. Зоопланктон Мошковического залива, подверженного влиянию подогретых вод Конаковской ГРЭС. // Симп. по влиянию подогретых вод теплоэлектростанций на гидрологию и биологию водоемов. Борок: ИБВВ, 1971. С.52-54.

16.Суздалева А.Л. Воздействие сброса вод из систем охлаждения АЭС на планктон водоемов // Инженерная экология. 2001. №4. С.51-57.

17.Суздалева А.Л. Структура и экологическое состояние природно-техногенных систем водоемов-охладителей АЭС // Автореферат диссертации … доктора биологических наук по специальностям: 03.00.16 - Экология; 05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (для биологических систем). М.: МГУ, 2002. 53 с.

18.Суздалева А.Л., Безносов В.Н. Изменение гидрологической структуры водоемов и сукцессия водных биоценозов при их превращении в водоемы-охладители атомной (тепловой) электростанции // Инженерная экология. 2000. №2. С.47-55.

19.Суздалева А.Л., Безносов В.Н. Особенности сукцессионного развития водных сообществ в водоемах-охладителях АЭС // Водные экосистемы и организмы-4. Мат. научной конф. М.: МАКС Пресс, 2002. С.120.

20.Широков В.М., Лопух П.С. Формирование малых водохранилищ гидроэлектростанций. М.: Энергоатомиздат, 1986. 144 с.

Аннотация

Формирование экосистемы водоемов-охладителей АЭС не происходит в форме классической сукцессии, свойственной большинству водохранилищ. Ее развитие происходит в форме чередования периодов перестройки биологических сообществ и их относительной стабилизации. Динамика этого процесса определяется введением в строй новых очередей АЭС, а также другими событиями, вызывающими изменения характера техногенного воздействия на водоем-охладитель.

Ключевые слова: сукцессия водоемов-охладителей, техногенная экосистема, динамика биоразнообразия водоемов-охладителей.

Размещено на Allbest.ru