МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. Ломоносова
Биологический факультет

На правах, рукописи
УДК 577.4:591.524.12

Николай Гурьевич Булгаков

ТЕХНОЛОГИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
ПО ДАННЫМ БИОЛОГИЧЕСКОГО И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

03.00.16-экология

Автореферат диссертации
на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва
2003

Работа выполнена на кафедре общей экологии Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник А.П.Левич

Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Д.Б.Гелашвили
доктор физико-математических наук Е.В.Веницианов
доктор биологических наук С.В.Мамихин

Ведущая организация:
Институт глобального климата и экологии РАН

Защита состоится 2003 г. в на заседании Диссертационного совета Д.501.001.55 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, 119899, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, аудитория 389.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан 2003 г.

Ученый секретарь Совета Кандидат биологических наук Н.В.Карташева

Актуальность работы. В условиях усиливающегося антропогенного воздействия на природные экосистемы настоящая работа приобретает особую актуальность, поскольку направлена на создание такой технологии экологического контроля, которая в на основе сбора сведений о биотическом и абиотическом компонентах экосистемы обеспечивает своевременную и адекватную оценку степени неблагополучия экосистем, а также предлагает пути восстановления нарушенных экосистем. Для эффективного хранения, систематизации и статистической обработки таких сведений, представляющих огромные массивы многомерных данных, требуются адекватные методы исследования, реализованные в рамках настоящей технологии.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание технологии анализа данных экологического мониторинга, основанной на новейших методах анализа многомерных биологических и физико-химических данных мониторинга природных объектов, и апробация ее для экологического контроля крупнейших пресноводных бассейнов России и сопредельных стран. Следует отметить, что технология может быть применена к любому типу водных, наземных, почвенных экосистем, для которых существуют данные биологического и физико-химического мониторинга. В рамках поставленной цели прежде всего решаются задачи биоиндикации (оценки состояния по биотическим показателям), экологической диагностики (отбора среди абиотических факторов тех, которые ответственны за неблагополучное экологическое состояние), экологического нормирования и ранжирования абиотических факторов по степени вклада в неблагополучие. Кроме того, в круг задач входят составление годовых хронограмм (динамики по месяцам года) экологически допустимых уровней (ЭДУ) абиотических факторов; выделение благополучных и неблагополучных с экологической точки зрения участков в пределах исследуемого региона; прогноз экологического состояния по значениям факторов, нарушающих экологическое благополучие; сравнение отдельных географических зон по величине ЭДУ абиотических факторов.

Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в определении экологического контроля природных объектов (водоемов, водотоков, водных бассейнов, лесных массивов, сельскохозяйственных угодий, урбанизированных территорий и т.д.) как нескольких последовательных и обязательных этапов научного исследования: оценки экологического состояния; диагностики причин возникающего неблагополучия биоценозов; экологического нормирования, т.е. установления допустимых уровней воздействия факторов окружающей среды; ранжирования абиотических факторов по степени их потенциальной опасности для экосистемы; прогноза экологического состояния по предлагаемым значениям абиотических факторов; управления качеством окружающей среды для обеспечения стабильного экологического благополучия; выявления неполноты программ физико-химического мониторинга. При этом в основу технологии контроля положена биотическая концепция, согласно которой для оценки экологического состояния используются данные биологического мониторинга природных объектов, а физико-химические показатели выступают как потенциальные причины возникающих отклонений от структурной или функциональной нормы в сообществах. Анализ потенциальных причин экологического неблагополучия осуществляется на многофакторной основе, т.е. оценивается влияние на сообщества не каждого из факторов по отдельности, а в совокупности с учетом их взаимодействия. По сути речь идет об анализе данных т.н. "пассивного" природного эксперимента, когда в течение достаточно продолжительного промежутка времени собираются сведения о некоторых индикаторных характеристиках видов и сообществ и одновременно регистрируются значения потенциально опасных для биоты абиотических факторов. При этом установленные нормативы ЭДУ имеют региональный характер, т.е. справедливы только для конкретного местообитания, экосистемы, географической области и т.д.; определение ЭДУ проводится не только для концентраций химических веществ, но и для любых других воздействий (климатических, радиационных и др.); исследуется влияние на биоту не только текущих, но и предшествующих значений факторов окружающей среды, т.е. с учетом запаздывания отклика.

Впервые для исследования связей между биологическими и физико-химическими переменными адаптирован и применен детерминационный анализ (ДА), характерная особенность которого в том, что в нем наряду с количественными, числовыми переменными можно ввести качественные, нечисловые. С помощью ДА решается основополагающая задача экологического контроля — нормирование абиотических факторов, т.е. нахождение на множестве значений любой переменной, отражающем варьирование значений фактора, такого интервала, при котором возникает неблагополучие экологического состояния.

Практическая значимость работы. Основные положения работы могут стать базой для практической реализации полноэтапной системы экологического контроля природных объектов, а разработанные нормативы экологически допустимых уровней — стать альтернативой существующим нормативам ПДК. Результаты работы были использованы при выполнении ряда научных тем: "Экологическая оценка состояния водных экосистем и экологическое обоснование водоохранных мероприятий для бассейнов рек южного и восточного склонов СССР и Средней Азии в составе схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов СССР" в рамках договора с ВО "Союзводопроект" (1991, 1992 гг.); "Оценка экологического состояния и экологическое обоснование нормативов водоохранных мероприятий водных объектов бассейна Нижнего Дона" в рамках договора с Донским бассейновым водохозяйственным объединением (ДБВО) (1992, 1993 гг.). Разработан проект нормативного документа в виде практических рекомендаций по применению оценок экологического состояния по биологическим показателям и нормативов экологически допустимых воздействий для водных объектов бассейна Нижнего Дона.

Разработана информационная система (ИС) "Экология пресных вод России", объединяющая данные гидробиологического и физико-химического мониторинга рек, озер и водохранилищ на территории бывшего СССР и в перспективе предназначенная для осуществления экспертно-аналитических функций контроля водной среды в СНГ и странах Балтии. ИС доступна для свободного пользования в сети Интернет.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) Реализованные в исследовании методы обработки данных регулярного биотического и физико-химического мониторинга позволяют вести экологический контроль за природными и полуприродными объектами на основе биоиндикации их экологического состояния. Предложенные методы позволяют реализовывать все необходимые этапы анализа данных в технологии экологического контроля: оценку состояния; поиск факторов, ответственных за экологическое неблагополучие биоты; нормирование нарушающих воздействий; ранжирование этих факторов по степени их воздействия на биоценозы; а также экологический прогноз, управление качеством окружающей среды, выявление неполноты программ абиотического мониторинга.

2) При наличии оценок экологического состояния, проведенных по биологическим показателям, и данных о потенциально опасных для биоты факторах среды, полученных в том же месте и в тот же момент времени, методы, реализованные в исследовании, позволяют выделить в многомерном пространстве факторов среды область экологического благополучия экосистемы. Границы этой области представляют собой экологически допустимые уровни (ЭДУ) факторов среды, выход за пределы которых переводит биотический компонент экосистемы из благополучного в неблагополучное состояние. Т.е. мерой экологического неблагополучия служат нарушения, зарегистрированные в биоте, а уровни абиотических факторов выступают не как симптомы, а как возможные причины неблагоприятных биологических последствий, ранжированные по степени их вклада в эти последствия.

3) Реализованные в исследовании методы позволяют при проведении экологического контроля соблюдать принцип региональности, так как рассчитанные для одной экосистемы нормы допустимого воздействия неприменимы для другой в силу различий, в частности, в климате, в природном фоне, в видовом составе, в типе природопользования, в степени адаптированности организмов к многолетним воздействиям различных факторов.

4) Предложенные методы нормирования применимы не только к химическим веществам, но и к любым абиотическим факторам, воздействующим на природные сообщества. Например, к температуре, скорости ветра, уровням воды, интенсивности водопотребления, радиоактивным загрязнениям и т.д.

5) Нормативы ЭДУ по каждому из факторов среды учитывают все реально действующие в экосистеме нарушающие воздействия и все возможные взаимодействия между действующими факторами.

6) Процедуры детерминационного анализа эффективны при обработке данных экологического мониторинга. Они позволяют работать с данными, недоступными традиционным методам математической статистики, выявлять адекватные биологические индикаторы экологического неблагополучия, анализировать экологические данные в любом необходимом контексте, автоматизировать диагностику, нормирование и ранжирование нарушающих воздействий.

Публикации. По теме диссертации опубликованы и находятся в печати 31 работа, в том числе один обзор, подготовлена к печати глава в учебное пособие по экологическому мониторингу.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научном семинаре Ихтиологической комиссии РФ (Москва, 1995), на Международной конференции "Environmental Indices. Systems Analysis Approach" (С.-Петербург, 1997), на Первом Восточно-Европейском симпозиуме по развитию баз данных и информационных систем (ADBIS'97) (С.-Петербург, 1997), на международной конференции "Indices and Indicators of Sustainable Development: Systems Analysis Approach" (INENCO'99) (С.-Петербург, 1999), на Третьих Любищевских чтениях "Теоретические проблемы экологии и эволюции" (Тольятти, 2000), на Всероссийской конференции "Экология и устойчивое развитие города" (Москва, 2000), на Международной конференции "Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы" (Тольятти, 2001), на XI Международном симпозиуме по биоиндикаторам (Сыктывкар, 2001), на Всероссийской конференции "Научный сервис в сети Интернет" (Абрау-Дюрсо, 2002).

Структура диссертации. Диссертация включает введение, шесть глав, заключение, выводы, список литературы и три приложения. Общий объем работы — 270 страниц. В качестве иллюстративного материала представлены 35 таблиц и 22 рисунка. Список цитируемых публикаций насчитывает 247 работ, из них 77 — иностранных авторов.