Н.Г.Булгаков, В.Г.Дубинина, А.П.Левич, А.Т.Терехин

МЕТОД ПОИСКА СОПРЯЖЕННОСТЕЙ МЕЖДУ ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИМИ

ПОКАЗАТЕЛЯМИ И АБИОТИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ СРЕДЫ

(НА ПРИМЕРЕ УЛОВОВ И УРОЖАЙНОСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ РЫБ)

Аннотация

Для выявления абиотических факторов, связанных с колебаниями

численности рыб, предложена методика экологически допустимых

уровней (ЭДУ) этих факторов. На примере водных экосистем Нижнего

Дона проведен поиск факторов, значимых для снижения уловов леща,

чехони, судака и берша в Донских водохранилищах и для снижения

урожайности леща и осетра в Дону. Определена существенность зна-

чимых факторов, выражающая первостепенность проведения водоохран-

ных мероприятий. Приведены основные принципы концепции ЭДУ, отли-

чающие ее от общепринятой концепции предельно допустимых концент-

раций (ПДК).

На протяжении уже многих лет диагностика состояния водных

биоценозов по уровню загрязняющих веществ строится на концепции

предельно допустимых концентраций (ПДК) этих веществ. При этом

ПДК выступают лишь как потенциальные причины неблагополучия био-

ты. Более перспективным направлением в нормировании вредных воз-

действий на гидробионтов видится установление не ПДК, а экологи-

чески допустимых уровней (ЭДУ) абиотических факторов. В отличие

от ПДК, ЭДУ являются не потенциальными причинами экологического

неблагополучия, а непосредственными его симптомами. В данной ра-

боте анализ причин экологического неблагополучия методом ЭДУ при-

веден для ихтиологической составляющей водной экосистемы, хотя

возможности его намного шире и в состоянии охватить как отдельные

ценозы, так и весь гидробиоценоз в целом.

Воспроизводство и жизнестойкость рыб зависит от многих абио-

тических и биотических факторов, наиболее значимыми из которых

являются характер обводнения нерестилищ, количество идущих на не-

рест производителей, температурный режим, материковый сток в мо-

ре, определяющий соленость и ареалы молоди и взрослых рыб (Бронф-

ман и др., 1979).

Вместе с тем несомненно, что на жизнедеятельность рыб влияет

присутствие в воде различных химических соединений. Особенно

сильно повысилась роль этого фактора в последние 15-20 лет, после

расширения масштабов промышленного производства, орошения и со-

путствующего увеличения бесконтрольных сбросов в воду загрязняю-

щих веществ. В этой связи возникает два вопроса: 1) какие из гид-

рохимических, гидрологических, климатических характеристик водое-

ма действительно связаны с колебаниями численности рыб? и 2) ка-

ковы конкретные пороговые значения отобранных факторов, приводя-

щие к снижению численности? Для ответа на поставленные вопросы

необходимо наличие базы данных, включающей материалы по уловам

(или урожайности) рыб и значения потенциально опасных для рыб

абиотических факторов за достаточно продолжительный промежуток

времени, а также методики многомерного статистического анализа,

который осуществляет поиск сопряженностей между биотической и

абиотической составляющими экосистемы.

Предлагаемый метод поиска ЭДУ абиотических факторов предпо-

лагает представление всего ряда наблюдений за уловами (урожай-

ностью) рыб не в виде абсолютной численности, а в виде классов

значений на шкале "низкая - высокая численность". Для этого все

величины уловов классифицировали по 3-балльной шкале. Величины

уловов, входящие в интервал от минимальной величины до средней

между минимальной и среднемноголетней величинами, оценивали бал-

лом 3; уловы из интервала от средней между максимальной и сред-

немноголетней величинами до максимальной величины - баллом 1.

Промежуточным значениям уловов была присвоена оценка 2. После

этого была введена граница нормы и патологии на шкале оценок: ве-

личины уловов (урожайности), оцененные баллами 2 и 3, отнесены к

низким; уловы с баллами 1 - к высоким. Таким образом, мы исполь-

зовали представление об относительной норме состояния уловов

(урожайности) за некоторый эталонный период наблюдений.

Процедура обработки данных, основанная на предложенном нами

методе экологически допустимых уровней, позволяет для каждого

участвующего в анализе абиотического фактора определить ЭДУ, вы-

ход за пределы которого сопряжен с низкими уловами. Степень влия-

ния отдельных факторов устанавливается при помощи конструкций точ-

ности и полноты (Чесноков, 1982). Под полнотой понимается отноше-

ние количества низких уловов, совпавших со случаями выхода за

пределы ЭДУ данного фактора, к общему количеству низких уловов.

Под точностью - отношение количества низких уловов, совпавших со

случаями выхода за пределы ЭДУ, к общему количеству несоблюдений

ЭДУ. Значимыми факторами признаются те, которые отвечают некото-

рым заданным критериям точности и полноты. Подобный анализ предс-

тавляет собой не что иное, как установление детерминационных свя-

зей между абиотическими и ихтиологическими характеристиками (Чес-

ноков, 1982). Каждую такую детерминацию можно описать следующим

утверждением: "если ЭДУ данного фактора превышено, то уловы рыбы

будут низкими с определенной степенью достоверности, выраженной в

терминах точности и полноты".

Более детальное описание метода ЭДУ целесообразно привести

на примере конкретных данных, в качестве которых нами были ис-

пользованы уловы основных промысловых рыб в Донских водохранили-

щах (Уловы рыбы в водохранилищах СССР, 1975-90), урожайность леща

и осетра в Нижнем Дону (Воловик и др., 1991) и показатели гидро-

химии, гидрологии, метеоусловий на соответствующих створах (Ежек-

вартальные бюллетени..., 1975-83; Ежегодники качества...,

1984-1991; Ежегодные данные..., 1990).

Способом, приведенным выше, для периода с 1976 по 1990 гг.

получены оценки уловов леща, чехони и судака совместно с бершом в

четырех водохранилищах: Цимлянском, Веселовском, Пролетарском и

Усть-Манычском (табл.1). Другие компоненты улова (густера,

сельдь, сазан, плотва, тарань, карась) не анализировали ввиду не-

достаточного количества наблюдений. Оценка ихтиофауны Нижнего До-

на дана на основе урожайности сеголеток полупроходного леща и го-

довиков проходного осетра с 1975 по 1990 гг. с последующим усред-

нением оценки по двум видам рыб (табл.1). Отсюда возникли проме-

жуточные оценки 1-2 (выше относительной границы благополучия) и

2-3 (ниже границы). Таким образом, для дальнейшего анализа были

отобраны четыре указанных ихтиологических показателя.

Для 5 створов наблюдения Цимлянского водохранилища, 2 ство-

ров Веселовского водохранилища, 1 створа Пролетарского водохрани-

лища, 1 створа Усть-Манычского водохранилища и 9 створов Нижнего

Дона (от водохранилищ до Ростова-на-Дону) за ряд лет в период с

1975 по 1990 гг. получены значения следующих гидрохимических,

гидрологических и климатических характеристик: концентрация азота

аммонийного, азота нитритного, азота нитратного, нефтепродуктов,

фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), ме-

ди, цинка, взвешенных веществ, кальция, магния, хлоридов, мине-

рального фосфора, общего железа, марганца, сульфатов, гексахлора-

ход воды, температура воды.

Поскольку оценки уловов и урожайности выведены не постворно,

а для всего подбассейна (отдельного водохранилища или Нижнего До-

на), для комплементарности биотических и абиотических показателей

полученные нами значения баллов экстраполировали на все створы

данного подбассейна.

Для всех гидрохимических характеристик, кроме pH, анализиро-

вали влияние на биоту как среднегодовых, так и экстремальных зна-

чений (минимальных для растворенного кислорода и максимальных для

всех остальных переменных). Для водородного показателя, расходов

воды и температуры воды в расчетах участвовали среднемесячные

значения.

Для расходов воды, температуры и взвешенных веществ исполь-

зовали относительные величины в виде отношения абсолютного значе-

ния переменной к среднемноголетнему для данного створа значению

именно этих относительных характеристик объясняется их явной

"створоспецифичностью". Остальные переменные участвовали в анали-

зе в виде своих абсолютных значений.

Для концентрации основных биогенных элементов (нитратов, ам-

мония, фосфора, сульфатов, магния, железа, кальция, марганца),

водности, температуры, pH допустимые границы принимали как в об-

ласти высоких, так и низких (лимитирование развития) значений.

Для остальных переменных, кроме содержания кислорода, допустимыми

считали любые малые значения, а границу недопустимости устанавли-

вали для высоких значений. Для кислорода, наоборот, недопустимыми

считали только низкие значения его содержания.

Текущее состояние рыбы может зависеть не только от современ-

ного состояния среды, но и от предшествующих состояний. Для учета

этой зависимости мы анализировали влияние на уловы данного года

значений абиотических переменных в предыдущие годы. Для уловов

судака с бершом, леща и чехони в расчет принимали данные за шесть

лет, поскольку основную массу уловов составляли особи от сеголе-

ток до шестилеток. Для урожайности леща и осетра учитывали влия-

ние на молодь факторов первой половины текущего года (или средне-

сезонные и экстремальные характеристики факторов).

На оценку уловов или урожайности влияют верхние и нижние

уровни среднегодовых и среднемесячных абиотических переменных

среды, экстремальные значения этих переменных и для всех указан-

ных переменных - их значения по всем временным сдвигам. Всего для

уловов леща, чехони и судака с бершом набралось по 804 воздейс-

твующие переменные, а для урожайности - 134 переменные.

Экологически допустимые уровни и экологически безопасные

Для каждого из четырех наборов ихтиологических оценок и для

каждой из сопутствующих набору абиотических факторов отыскивали

ЭДУ и рассчитывали точность и полноту - критерии значимости этих

уровней. Все абиотические показатели разделились на две катего-

рии: предзначимые - те, для которых ЭДУ найдены в пределах наи-

большего и наименьшего значений данной переменной за весь период

наблюдений, и незначимые - те, для которых все полученные значе-

ния за исследуемый период соответствовали только уловам (урожай-

ности) с благополучной оценкой 1. Для незначимых факторов резуль-

тат исследования - максимальная и минимальная границы значений

фактора за период наблюдений, названные экологически безопасными

границами (ЭБГ). При нормировании ЭБГ могут служить ориентирами

значений данной переменной, которые заведомо не приводят к паде-

нию уловов (урожайности) ниже границы условной нормы. Насколько

далеки указанные ЭБГ от потенциально существующих вне их интерва-

ла величин ЭДУ, по имеющимся данным установить невозможно.

 1Значимые для снижения уловов и урожайности факторы

Из всего списка абиотических переменных для каждого ихтиоло-

гического показателя отобраны те, которые дают наибольший вклад в

описание причин колебаний численности рыб. Эти переменные, наз-

ванные значимыми, выбраны по следующим критериям:

- точность детерминации между уровнем абиотического фактора

и ихтиологической оценкой, не меньшая 80%;

- максимальная полнота детерминации;

- высокая существенность фактора (см. следующий раздел) при

не слишком высокой индивидуальной полноте;

- достаточное (более 8) количество наблюдений с низкими и

с высокими уловами (урожайностью);

- некоторые экспертные соображения о способности или неспо-

собности данного фактора среды влиять на ихтиологический показа-

тель (так, мы сочли необходимым исключить из числа значимых для

урожайности леща и осетра Нижнего Дона переменную "водность",

поскольку с начала 50-х гг., после зарегулирования стока Дона,

благоприятные значения водности в сравнении с предыдущими годами

отмечены только в двух случаях (1979 и 1981 гг.), следовательно

подавляющее число ихтиологических оценок должно быть неблагопо-

лучным, чего при выбранной нами условной норме (ряд 1975-1990

гг.) урожайности не было).

В таблице 2 для каждого ихтиологического показателя сведены

все значимые факторы с указанием их индивидуальной точности и

полноты. Здесь же приведены суммарные точность и полнота, то есть

те критерии, которые обеспечивают достоверность детерминации, ес-

ли ЭДУ превышен хотя бы по одной из значимых переменных. Если

один и тот же фактор оказывался значимым для разных временных

сдвигов, то выбирали сдвиг с наиболее жестким ЭДУ.

Для тех абиотических характеристик, которые принимали учас-

тие в анализе в виде среднемесячных значений (водность, относи-

тельная температура, pH) можно построить хронограммы соответству-

ющих ЭДУ и ЭБГ по месяцам года. Пример такой хронограммы pH с ну-

левым сдвигом во времени для оценки урожайности леща и осетра

представлен на рисунке.

Для анализа экологической ситуации необходимы критерии зна-

чимости не только индивидуальных факторов, но и заданных ими на-

боров. Эти критерии также могут быть заданы в терминах точности и

полноты. Напомним, что суммарная точность для набора переменных А

есть доля неблагополучных наблюдений среди всех наблюдений, где

ЭДУ превышен хотя бы по одной переменной, а суммарная полнота на-

бора А - доля наблюдений, где ЭДУ превышен минимум по одной пере-

менной, среди всех неблагополучных наблюдений.

При добавлении к набору А еще одной переменной увеличение

или неувеличение суммарной полноты для дополненного набора не за-

висит жестко от индивидуальной полноты добавляемой переменной, а

зависит от того, насколько переменные из набора А и новая пере-

менная независимы друг от друга. Суммарная полнота возрастает,

когда превышающие ЭДУ значения новой переменной сопутствуют зна-

чениям прежних переменных ниже их ЭДУ. Если превышения ЭДУ новой

переменной совпадают с превышениями ЭДУ старыми переменными, то

суммарная полнота никак на меняется. Назовем существенностью пе-

ременной X по отношению к набору А увеличение суммарной полноты

набора А при добавлении к нему переменной X.

Из списка значимых переменных для каждой оценки ихтиофауны

составляли различные наборы и для вновь добавляемых переменных

вычисляли существенность (табл. 3-6). В строке "Шаг 1" этих

таблиц приведены переменные с высокой индивидуальной полнотой. В

строке "Шаг 2" указаны переменные, которые наиболее существенны

при добавлении к первой переменной из строки "Шаг 1". Переменные

из строки "Шаг 3" наиболее существенны при добавлении к набору

первых переменных из обеих предыдущих строк и т.д. При определе-

нии очередности мероприятий по нормированию абиотических показа-

телей водоемов существенность, основанная на шаговом анализе,

выступает одним из главных критериев наряду со степенью значимос-

ти, доступностью показателя для нормирования и др.

Описанная методика, основанная на концепции экологически до-

пустимых уровней вероятных факторов снижения численности рыб, об-

ладает рядом преимуществ перед общепризнанной системой рыбохо-

зяйственных ПДК. Основное отличие концепции ЭДУ от концепции ПДК

- это учет не изолированного действия химических веществ на орга-

низмы в идеализированных лабораторных условиях, а совместного

действия всей совокупности абиотических факторов на целостное со-

общество в реальной экосистеме, которая состоит не только из рыб,

являющихся, как правило, в водоеме высшим трофическим уровнем, но

и всех промежуточных звеньев пищевой цепи. Назовем и другие прин-

ципы концепции ЭДУ, отличающие ее от концепции ПДК:

- Среди отрицательно воздействующих на рыб факторов, выяв-

ленных с помощью метода ЭДУ, могут быть такие, которые специалис-

ты по мониторингу природной среды априори считают заведомо не

влияющими на биоту, и учет которых в соответствующей программе

мониторинга не предусмотрен.

- ЭДУ нормируют не только химические, но и любые гидрологи-

ческие и климатические факторы.

- ЭДУ значимых факторов не универсальны, а строго региональ-

ны. Они учитывают фоновые особенности района исследований и адап-

тационные способности бионтов конкретных экосистем. Именно поэто-

му полученные нами результаты неприменимы к тем же видам рыб, но

обитающим в других бассейнах.

- Метод ЭДУ позволяет учитывать многолетние запаздывания

откликов рыб на опасные уровни воздействия факторов среды, в то

время как опыты по определению ПДК не превышают 6-8 месяцев.

- В концепции ПДК нормируются мгновенные или кумулятивные

значения концентраций веществ, а концепция ЭДУ определяет как ус-

редненные, так и экстремальные за конкретный период времени зна-

чения факторов. Это позволяет нормировать и аварийные, и текущие

сбросы веществ.

Концепция ЭДУ позволила для бассейна Нижнего Дона выделить

основные факторы, связанные с падением уловов и урожайности про-

мысловых рыб. Заметим, что списки этих факторов для речного ихти-

оценоза и для ихтиоценозов водохранилищ не совпадают. Более того,

для разных видов рыб, обитающих в водохранилищах, эти списки так-

же различны. наиболее значимыми оказались следующие факторы: для

уловов судака и берша - ХПК и концентрация цинка; для уловов леща

ция азотсодержащих ионов, меди, цинка, майская температура, майс-

ский уровень pH, БПК 45; для урожайности леща и осетра в Дону -

концентрация нитритного азота, гексахлорана, кислорода, фенолов,

сульфатов, цинка, уровень pH в марте и мае. Напомним, что такой

важный фактор, как водность, не учитывался нами при анализе.

Поиск абиотических характеристик, связанных с неблагополучи-

ем в уловах или урожайности некоторых видов промысловых рыб ниж-

него течения Дона, является далеко не единственной возможностью

проиллюстрировать метод ЭДУ. Привлечение широкой базы данных не

только по уловам и урожайности, но и по промысловому возврату,

упитанности, жирности как можно большего числа видов рыб и расши-

рение списка абиотических факторов должно привести к увеличению

достоверности получаемых результатов и весомости основанных на

них экологических нормативов.

Кроме того, возможно нормирование факторов среды по состоя-

нию других гидробионтов - фитопланктона, зоопланктона, перифито-

на, зообентоса, что, вообще говоря, требует иной, более сложной,

системы оценок состояния, но основывается на уже известных прин-

ципах метода ЭДУ.

Литература

Бронфман А.М., Дубинина В.Г., Макарова Г.Д. Гидрология и

гидрохимические основы продуктивности Азовского моря. М.: Пищевая

промышленность, 1979.

Воловик С.П., Козлитина С.В., Реков Ю.И. Математические под-

ходы приведения в единую систему промыслово-биологических данных

по азовским осетру и севрюге // Информационное и математическое

обеспечение исследований сырьевой базы. М.: ВНИРО, 1991. С.114.

Ежегодники качества поверхностных вод и эффективности прове-

денных водоохранных мероприятий. Северо-Кавказское территориаль-

ное управление по гидрометеорологии, 1984-1991.

Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. Севе-

ро-Кавказское территориальное управление по гидрометеорологии,

1990.

Ежеквартальные бюллетени качества поверхностных вод суши.

Северо-Кавказское территориальное управление по гидрометеороло-

гии, 1975-1983.

Уловы рыб в водохранилищах СССР (статистические сборники).

М.: ЦНИИТЭИРХ, ВНИЭРХ, 1975-1990.

Чесноков С.В. Детерминационный анализ социально-экономичес-

ких данных. М.: Наука, 1982