Экологическое обоснование нормативов качества экосистемы озера Байкал и допустимой антропогенной нагрузки на нее

НИИ биологии при Иркутском государственном университете,г.

Обоснован экологический подход к определению нормативов качества экосистемы озера Байкал и нормативов допустимых воздействий на нее, базирующийся на способности видовых популяций ус-тойчиво функционировать в условиях давления антропогенных факторов. Дано определение устойчи-во функционирующей экосистемы как системы, сохраняющей свойственный ей диапазон естествен-ной изменчивости параметров ее биотического сообщества.

Нормирование антропогенных воздей-ствий на природную среду существовало еще в Древнем Вавилоне (1700 лет до н .э.) и Древ-ней Индии (240 лет до н .э.). В Древнем Ва-вилоне закон регулировал лесопользование, в Древней Индии эдикт регулировал охоту на животных. В России первые акты, регулиру-ющие лесопользование и использование объектов животного мира появились в XVI веке . К концу XIX века сформировалась пра-вовая система в виде указов и законов, регу-лирующая допустимую антропогенную на-

.

Международные соглашения , нормирую-щие допустимые уровни вылова рыбы и до-бычи китов в международных водах, появи-лись в XX веке.

К середине 50-X годов XX столетия сфор-мировалась и стала общепринятой концепция популяции как элементарной единицы суще-ствования и элементарной самовоспроизво-дящейся единицы вида. Были разработаны методы допустимого изъятия особей из по-пуляции без разрушения механизмов ее само-воспроизводства. Нормативы допустимой антропогенной нагрузки на популяцию рас-считывались на основе знания об особенно-стях ее структуры , интенсивности размноже-ния и смертности .

Существенное изменение окружающей среды в результате хозяйственной деятельно-сти человека как причина ухудшения состоя-ния его здоровья было осознано еще в XVII веке . К началу XX века проблема сохранения здоровья человека в связи с воздействием по-бочных продуктов его деятельности - загряз-няющих веществ стала столь острой, что по-явилась необходимость нормирования по-ступления загрязняющих веществ в среду его обитания.

За нормативы качества среды обитания человека были приняты концентрации ве-ществ , не нарушающие здоровья человека -предельно допустимые концентрации (пдк) веществ . ПДК веществ определялись на опытных организмах в лаборатории путем подбора недействующих на состояние их жизнедеятельности концентраций. Допусти-мые нормативы выбросов и сбросов веществ определялись расчетным путем на основе интенсивности их рассеивания в атмосфер-ном воздухе или разбавления в воде водных объектов с учетом того, чтобы концентрации веществ в среде обитания человека не пре-вышали их ПДК.

Такой подход к определению нормативов выбросов и сбросов веществ в окружающую среду был назван гигиеническим. Он должен был обеспечить сохранение здоровья чело-века. Позднее были разработаны ПДК ве- ществ для воды рыбохозяйственных водо-емов . Они определялись экспериментальным путем в опытах на отдельных организмах.

Критика концепции ПДК веществ, как нормативов качества окружающей среды, началась сразу же после ее юридического ут-верждения . К началу 70-х годов XX-го сто-летия было накоплено значительное число данных, свидетельствующих о существенных различиях по степени устойчивости (в 1000 раз и больше) к действию одного и того же вещества у организмов, не только принадле-жащих к разным таксономическим группам, но и в пределах одного рода, вида и даже у разных популяций одного вида [16].

Критика концепции ПДК веществ своди-лась к тому, , для которого определена ПДК в лаборатор-ных условиях, трансформируется, проявляет эффекты синергизма, антагонизма, суммиро-вания действия разных веществ, вступает в комплексы с органическими молекулами и т. .

Федеральный закон «Об охране окружаю-щей среды» (2000 г., 7) определил, что нор-мативы качества природной среды должны обеспечивать устойчивое функционирование естественных экосистем ( ст. 1). В естествен-ной экосистеме элементарная функциональ-ная единица - видовая популяция, не отдель-ные особи. Поэтому соблюдение ПДК ве-ществ в природной среде, определенных на организменном уровне, не может быть нор-мативом, обеспечивающим устойчивое фун-кционирование естественной экосистемы.

Альтернативой методологии ПДК был предложен биотический подход к нормиро-ванию качества природной среды [7, 8]. Био-тический подход основывался на положени-ях концепции экологической толерантности, устанавливающей допустимые уровни воз-действий на биотическое сообщество есте-ственной экосистемы [9]. Для реализации биотического подхода был необходим набор способов оценки состояния сообществ, кото -рые позволяли бы отличать устойчиво функ-ционирующую систему от экосистемы, в ко -торой произошли существенные изменения, вызванные давлением антропогенных факто-ров . Было предложено множество индексов

(сапробности по Пантле-Буку, , -дивису, т. .). Все эти индексы используются в систе-ме экологического контроля Росгидромета [11]. Основной недостаток, не позволяющий использовать эти индексы для оценки состо-яния сообществ водных экосистем, заключи-ется в том, что они не учитывают сезонную и многолетнюю динамику видовых популя-ций , образующих биотическое сообщество естественных экосистем [3].

В 70-80-е годы прошлого века разверну-лась широкая дискуссия о том , какие измене-ния экосистем допустимы в результате ант-ропогенных воздействий, а какие не допус-ТИМЫ . Иными словами, каким должно быть качество экосистем, на которые воздейству-ют антропогенные факторы. Обсуждался воп-рос о том, какими признаками должна обла-дать «хорошая» экосистема. Было предложе-но множество (около 50) показателей «нор-мальности» экосистемы, среди которых встречаются такие экзотические, как «дар-винская приспособленность - аналог произ-ведения термодинамической энтропии на температуру», не имеющих экологического смысла.

К концу 80-х годов прошлого столетия сформировалась концепция «экологических модификаций» - перестройки биоценозов в условиях антропогенного воздействия [1]. Усложнение экологической структуры биоце-ноза назвали экологическим прогрессом, уп-рощение экологической структуры биоцено-за - регрессом, перестройки экологической структуры , не ведущие к усложнению или упрощению - экологической модуляцией. Экологическая модуляция может выражать-ся в смене доминантных видов и даже в из-менении видового состава. Предполагается, что допустимые антропогенные воздействия должны вызывать только экологические мо-дуляции [1].

Критики концепции ПДК веществ упусти-ли из виду главный недостаток. ПДК веществ определялись на организменном уровне в лаборатории. В природных условиях любой биологический вид может существовать толь-ко в виде популяций - совокупностей особей, способных самовоспроизводиться. Способ-ность видовой популяции самовоспроизво-диться лежит в основе самовоспроизводства биотических сообществ и естественных эко-систем.

Функционирование биотического сообще-ства естественной экосистемы - это взаимо-действие образующих его видовых популя-ций, выражающееся в потоках вещества, энергии и информации . Каждой видовой популяции свойственен определенный диа-пазон сезонной и межгодовой изменчивое-ти ее параметров, сложившейся в процессе адаптации к условиям существования в кон-кретной экосистеме.

Устойчиво функционирующая экосистема - это экосистема, в которой диапазоны из-менчивости параметров ее видовых популя-ций не выходят за эволюционно сложивши-еся их пределы .

В каждой устойчиво функционирующей видовой популяции сохраняется такое соот-ношение между смертностью и рождаемое-тью (приростом), которое позволяет ей сохра-нять численность на уровне, достаточном для обеспечения самовоспроизводства.

Процесс смертности в видовой популяции такой же естественный процесс, как и про-цесс размножения. Риск гибели отдельных особей (клеток) от каких-либо факторов внеш-ней для видовой популяции среды (биоти-ческой, абиотической) случайно распределен во времени и пространстве . При любом слу-чайном сочетании факторов, действующих на видовую популяцию, общепопуляционная смертность компенсируется рождаемостью. Появление «нового» фактора смертности (в том числе, антропогенного) не увеличивает общепопуляционную смертность, происхо-Дит «перераспределение» смертности - об-щепопуляционная смертность от ранее дей-ствующих факторов снижается [13, 18, 19].

Разрушение способности видовой популя-ции к самовоспроизводству происходит в том случае, когда общепопуляционная смертность за один цикл размножения превысит эволю-ционно сложившийся ее максимум, а дей-ствие антропогенных факторов (например, токсичных веществ) распространится на всю видовую популяцию . Подобное может про-изойти только в незначительных по размеру экосистемах (например, пруд , небольшое озе-ро или река).

Определить нормативы качества есте-ственной экосистемы и допустимую антро-погенную нагрузку на нее возможно только на основе знаний многолетней изменчивое-ТИ (сезонной, годовой) интегральных пока-зателей ее состояния, а также численности (биомассы) ее видовых популяций, играющих ведущую роль в потоках вещества, энергии и информации.

Нормативами качества устойчиво функци-онирующей естественной экосистемы могут быть диапазоны естественной изменчивое-ти ее параметров.

Допустимой антропогенной нагрузкой на экосистему будет такая нагрузка, при которой диапазон изменчивости параметров видовых популяций не выходит за эволюционно ело-жившиеся пределы.

Закон Российской Федерации «Об охране окружающей среды» (10 января 2002 г., 7) дал правовое определение нормативам каче-ства окружающей среды и нормативам допу-стимой антропогенной нагрузки на окружа-ющую среду (ст. 1, 21, 27).

Впервые было дано правовое определе-ние понятия «благоприятная окружающая среда» как окружающей среды, качество ко-торой обеспечивает устойчивое функциони-рование естественных экологических систем.

Нормативы качества окружающей среды определены как нормативы, которые установ-лены в соответствии с физическими, хими-ческими, биологическими и иными показа-телями для оценки состояния окружающей среды и при соблюдении которых обеспечи-вается благоприятная окружающая среда.

Нормативы допустимой антропогенной нагрузки на окружающую среду определены как нормативы, установленные в соответ-ствии с величиной допустимого совокупно-го воздействия всех источников на окружа-ющую среду и (или) отдельные компоненты природной среды в пределах конкретных тер-риторий и (или) акваторий и при соблюде-нии которых обеспечивается устойчивое фун- кционирование естественных экологических систем и сохраняется биологическое разно-образие (ст. 1).

При установлении нормативов качества окружающей среды и нормативов допусти-мой антропогенной нагрузки на нее учиты-ваются природные особенности территорий и акваторий и назначение естественных эко-систем (ст. 21 и 27).

Федеральный закон «Об охране окружаю-щей среды» вводит правовое определение понятия «естественная экологическая систе-ма» как объективно существующей части при-родной среды, которая имеет пространствен-НО-территориальные границы и в которой живые (растения, животные и другие орга-низмы) и неживые ее элементы взаимодей-ствуют как единое функциональное целое и связаны между собой обменом вещества и энергией .

Задача определения нормативов качества природной среды и нормативов допустимой антропогенной нагрузки в каждом конкрет-ном случае решается на основе выделения (определения границ) конкретной экосисте-мы и знания параметров ее устойчивого фун-кционирования.

В экологии в термин «устойчивость» вкла-дывается разный смысл.

• К). Одум [10] различает резистентную ус-тойчивость - способность экосистемы сопро-тивляться нарушениям, поддерживая неиз-менной свою структуру и функции, и упру-гую устойчивость - способность экосистемы восстанавливаться после того, как ее струк-тура и функция нарушены.

Ю.М.Свирежев и Д.О.Логофет [15] счита-ют , -ние термина «устойчивость» оказывается трудной задачей . В самом общем смысле ус-тойчивость определяется способностью био-тического сообщества (совокупности видо-вых популяций) экосистемы противостоять возмущающим факторам.Ю.м.Свирежев и Д.О.Логофет [15] предполагают, -ческое сообщества или экосистема устойчи-ВЫ, если траектория ее модели в фазовом про-странстве не будет выходить за пределы за-данной ограниченной области при некото- рых возмущениях достаточно широкого спек-тра.

Для целей нормирования качества при-родной среды можно считать экосистему ус-тойчиво функционирующей, если она сохра-няет свойственный ей диапазон естествен-ной изменчивости параметров биотического сообщества.

Основной критерий самостоятельности водных экосистем - это сбалансированность потока биогенных веществ между ее абиоти-ческими и биотическими компонентами. При синтезе первичного органического вещества из абиотических компонентов экологической системы извлекаются биогенные соедине-НИЯ . Консументы 1-го порядка переводят пер-вичное органическое вещество в форму, -тупную консументам 2-го и последующих порядков. В течение определенного времени биогенные и другие вещества, включенные при фотосинтезе в первичное органическое вещество, проходят по всем трофическим уровням, в том числе и редуцентам, минера-лизуются, некоторое количество из них осаж-дается на дно водоема и выносится за преде-лы экосистемы с водами, вытекающими из водного объекта.

Основная часть минерализованных био-генных веществ вновь поступает в зону фо-тосинтеза и используется для создания пер-винного органического вещества. Поступле-ние извне биогенных веществ в водную эко-систему компенсируется их выведением из экосистемы. Такой водный объект представ-ляет собой экосистему.

• - полное перемешивание вод во время весен-ней и осенней циркуляции.

А.Ф.Алимов [2] предложил считать еди-ной экосистемой водные объекты, в которых внутрисистемное вовлечение биогенных ве-ществ в синтез первичного органического вещества в 3 раза и более превышает их по-ступление извне.

В крупных водных объектах, таких как оз . Байкал, могут существовать две и более эко-системы .

Границы экосистем водной толщи в круп-ных водных объектах можно определять по границам доминирующих по вкладу в суммар- ную первичную продукцию видовых попу-ляций планктонных водорослей [6, 12].

Границы популяций планктонных видов определяются границами квазистационар-пых круговоротов вод. В Байкале выделяют-ся 5 квазистационарных круговорота вод [17].

Локальные экосистемы дна литорали оз. Байкал можно выделять в границах видовых популяций донных водорослей, доминирую-щих по первичной продукции.

Это можно показать на примере одной из 3 котловин оз . Байкал . Вдоль западного бе-рега идет подводная терраса, имеющая глу-бину на внешнем крае от 5 до 15 м и шири-ной от 50 ДО 600 м. За террасой начинается подводный склон с уклоном 30-35° , оканчи-вающийся на глубине около 1300 м. Вдоль восточного берега идет мелководная терраса с глубиной на внешнем крае 20 ми шириной 500-1000 м. За ней начинается подводный склон с уклоном 15-300 и шириной 4-12 км . Нижняя граница склона расположена на глу-бинах 900-1000 м [14].

На мелководных террасах в верхних час-тях подводных склонов до глубины 50-70 м распространены прикрепленные донные во-доросли, создающие летом биомассу: 390 г м--на глубинах 1,5-2,5 м; ДО 297 г м--на глубинах 2,5-15 м; на глубинах 15 м и бо-лее биомасса колеблется в пределах 1-30 г м -2, на глубинах 50 м и более биомасса мак-роводорослей в редких случаях достигает 1,0 г м-2 [5]. Донные макроводоросли в зоне глу-бин до 50 м на мелководных террасах в верх-ней части подводных склонов служат основ-ным источником первичного органического вещества для населения литорали. Поэтому в Байкале можно выделить экосистемы ли-торали и экосистемы пелагиали.

В пелагиали (в открытом Байкале за пре-делами глубины 50 м) источник первичного органического вещества - сообщество план-ктонных водорослей. Около 80% первичной продукции за год в слое воды 0-50 м создают 6 видов диатомовых: 3 вида рода Aulacoseira - Synedra acus, Cyclotella baicalensis и C. minuta. Весной подо льдом в слое воды 0-1 м значительную первичную продукцию созда-ет Gymnodinium baicalense (динофитовые), ле- том в слое воды 0-25 м - Chroomonas acuta (криптофитовые)и, в поверхностном слое воды - Anabaena lemmermannii (сине-зеле-ные).

Доминантный (ключевой) вид консумен-тов первого порядка, создающий до 95% про-дукции этого трофического уровня, эпишура. Зоопланктон пелагиали Байкала образуют около 40-50 видов , но их годовая продукция незначительна и существенной роли в круто-вороте вещества и энергии не играет. -чение составляет макрогектопус - основа питания голомянок. Его среднегодовая про-дукция достигает 8-12 г м. Средняя годовая продукция эпишуры колеблется в пределах 120-560 г м-2 [4].

Следующий трофический уровень биоти-

: омуль, бычки :

и голомянки : .

Единственный источник органического вещества для донных животных за предела-ми глубин 50-70 м - это детрит, -рого составляют продукты жизнедеятельно-сти обитателей водной толщи, отмершие осо-би (или части), опускающиеся на дно [20]. Таким образом, можно считать, что населе-ние водной толщи и дна за пределами глу-бин 50-70 м представляют собой единое био-тическое сообщество.

Основной источник органического веще-ства донных животных в литорали оз. Бай-кал - первичная продукция донных водорос-лей.

В оз . Байкал в зоне глубин до 30 м(лито -рали) сосредоточено более 75% эндемичных животных и 95% эндемичных донных водо-рослей (макрофитов) [20].

В первом приближении можно принять, что в озере Байкал существует как минимум пять пелагических экосистем : -ной толщи и дна в пределах 5 квазистацио-нарных круговоротов вод и 9 донных водных экосистем в литорали озера.

Есть основания считать, что популяции эндемичных донных, в том числе донных водорослей, видов континуальны. Граница-ми видовых популяций в литорали могут быть глубокие впадины дна - продолжения русла рек. Некоторые данные о популяцион-ной организации эндемичных видов донных водорослей можно получить, ИСХОДЯ ИЗ ОСО-бенностей распределения ландшафтов мел-ководных террас оз . Байкал .

Исходя из этого можно считать, что в Южном Байкале можно выделить 3 локаль-ных экосистемы литорали дна озера. 4 локаль-ных экосистемы дна можно выделить в Сред-нем Байкале и 2 - в Северном Байкале.

На основе изучения механизмов и законо-мерностей функционирования экосистемы Байкала в течении 50 лет можно сделать еле-дующие выводы.

Для целей нормирования качества при-родной среды можно считать экосистему ус-тойчиво функционирующей, если она сохра-няет свойственный ей диапазон естествен-ной изменчивости параметров биотического сообщества.

За нормативы качества экосистемы мож-но принять максимальные или минимальные значения диапазона изменчивости парамет-ров видовых популяций «ключевых» видов, играющих доминирующую роль в круговороте вещества и энергии в конкретной экосисте-ме, и интегральные показатели состояния фитопланктона, а также максимальные или минимальные значения концентраций уча-ствующих в круговороте биогенных веществ, способных изменить конкурентные отноше-ния между видовыми популяциями.

Для оценки состояния экосистем водной толщи необходимо и достаточно использо-вать интегральные показатели автотрофного звена сообщества - продуцента первичного органического вещества:

продукции и концентрацию хлорофилла «а», а также биомассу и численность видов, иг-рающих доминирующую роль в круговороте вещества и энергии : 6 видов планктонных видов водорослей и 1 вид зоопланктона -эпишура.

Для оценки состояния локальных донных экосистем литорали Байкала необходимо и достаточно оценивать соотношение биомасс следующих таксономических групп: -рид, моллюсков, олигохет, -чейников.

Определение допустимой антропогенной нагрузки на экосистему озера Байкал предла-:

• -    определение состояния 5 локальных экосис-тем водной толщи ;

• -    определение существующей антропогенной нагрузки на водную толщу каждой из 5 эко-систем ;

• -    определение состояния 9 локальных донных сообществ литорали в зоне влияния сброса сточных вод ;

• -    определение существующей антропогенной нагрузки на локальные донные сообщества литорали;

• -    выявление отклонения состояния биотичес-ких сообществ от их устойчивого функцио-нирования ;

• -    определение антропогенных факторов, вызы-вающих отклонения в устойчивом функци-онировании локальных экосистем;

• -    рекомендации по снижению интенсивности давления антропогенного фактора, вызыва-ющего отклонения от устойчивого функци-онирования локальных экосистем ;

• -    последующее осуществление экологического контроля в зоне влияния сточных вод хо-зяйствующим субъектом, включающим оценку состояния локальных экосистем по биологическим показателям;

• -    на следующий год при отсутствии эффекта возращения локальной экосистемы к состо-янию устойчивого функционирования вы-даются рекомендации по дальнейшему сни-жению интенсивности давления антропо-генного фактора.

Установление предельно допустимых воз-действий на экосистему оз. Байкал - это дли-тельный постоянный процесс, осуществляе-мый на основе анализа данных государствен-ного экологического мониторинга и произ-водственного экологического контроля. Такой подход основан на положении Федерально-го закона «Об охране озера Байкал» (статья 14) о ежегодном пересмотре нормативов до-пустимых воздействий на уникальную эколо-гическую систему оз. Байкал .

Авторами статьи на основе экологическо-го подхода разработаны в 2006 г.

качества экологической системы оз. Байкал и нормативы допустимых воздействий на нее.