1.5. Индексы трофического состояния

Граничные значения показателей варьируют в достаточно широких пределах. Поэтому при попытке использовать эти классификации для оценки трофического состояния конкретного водоема нередко возникают серьезные трудности.

Оценки оказываются весьма противоречивыми и колебания трофического статуса водохранилищ охватывают диапазон от олиготрофных до эвтрофных водоемов. Эта противоречивость, вообще говоря, согласуется с современными подходами к оценкам трофического состояния, согласно которым по значениям показателей можно оценивать только некоторую вероятность отнесения водоема к тому или иному типу трофии. Эту вероятность можно найти путем формального осреднения полученных оценок. Несмотря на условность такого подхода важно, что в этом случае проводится осреднение не только значений различных показателей, отражающих разные стороны процесса эвтрофирования, но и осреднение мнения экспертов, авторов используемых классификаций. В качестве примера приведем оценку трофического состояния двух водохранилищ, входящих в систему водоснабжения г.Москвы, - Яузского и Вазузского. Мы просуммировали количество проведенных оценок по различным классификациям и рассчитали долю попаданий в ту или иную градацию для каждого водохранилища. Результаты такого осреднения представлены на диаграмме (рис. 1.2.)

Рис. 1.2. Диаграмма вероятностей отнесения Яузского и Вазузского водохранилищ к определенным типам трофности (На оси абсцисс обозначены типы трофического состояния: О – олиготрофное, О-М – олиготрофно-мезотрофное, М – мезотрофное, М-Э – мезотрофно-эвтрофное, Э – эвтрофное).

Эта диаграмма показывает, что Яузское водохранилище заметно менее продуктивно, чем Вазузское. Более 50 % оценок относят Яузское водохранилище к мезотрофным водоемам. В оценках Вазузского водохранилища также преобладает мезотрофный статус, однако доля его существенно ниже за счет, в основном, мезотрофно-эвтрофных и эвтрофных оценок. В целом оба эти водохранилища можно отнести к типичным мезотрофным водоемам, но Вазузское водохранилище имеет намного больше признаков прогрессирующего эвтрофирования и близко к переходу к мезотрофно-эвтрофному типу.

Классификации трофического состояния характеризуются одним общим недостатком – большой дискретностью градаций, вследствие чего практически невозможно ранжировать трофическое состояние водоемов, экосистемы которых близки по своим характеристикам. Такое ранжирование водоемов представляет определенный интерес, поскольку указывает на темпы их эвтрофирования, а, следовательно, и приоритет внимания к их мониторингу и охране. Этого недостатка практически лишены числовые индексы трофического состояния. Главное преимущество индексов состоит в концентрировании информации и представлении трофического состояния в виде конкретных числовых значений. Индексы очень удобны при сравнении водоемов между собой, оценки изменений состояния водоема с течением времени, а также при выражении результатов моделирования. В одном из первых индексов, основанном на системе штрафных баллов, предложенном П.Уотомарком и Й.Уоллом, использованы слишком субъективные оценки состояния озер [Uttomark, Wall, 1985]. Е.Шенноном и П.Брезоником на основе анализа широкого диапазона трофических состояний озер Флориды предлагался индекс, включающий 7 переменных: хлорофилл-а, прозрачность по диску Секки, общий азот, общий фосфор, величину первичной продукции, электропроводность и отношение двухвалентных к одновалентных катионам [Shennon, Brezonik, 1972].

Однако, наибольшую известность и распространенность среди лимнологов получил индекс, предложенный Р.Карлсоном и названный TSI (Trophic State Index), основанный на простых регрессионных связях между важнейшими показателями трофического состояния: прозрачности по диску Секки в летний период, концентрации общего фосфора в воде водоема, концентрации хлорофилла в воде водоема [Carlson, 1977]. За основу индекса Р.Карлсоном были взяты значения прозрачности воды по диску Секки. Каждый из перечисленных показателей распределен по стобальной шкале и TSI может быть определен либо по любому из этих показателей, либо по их комбинации. Регрессионные уравнения для расчета индекса Карлсона соответственно для прозрачности по диску Секи, концентрации хлорофилла и концентрации общего фосфора имеют вид:

Осреднение значений индекса по отдельным показателям позволяет сгладить возможные ошибки и более объективно отразить трофическое состояние, несмотря на очевидную скоррелированность показателей.

Однако использование этого индекса может привести к неправильным результатам в случае азотного, а не фосфорного лимитирования. Тогда значение индекса по величине общего фосфора намного превышает значение по хлорофиллу (что, кстати, может быть использовано для определения лимитирующего элемента эвтрофирования водоема). Позднее при корректировке индекса Карлсона Д.Порселлой были включены дополнительные показатели: концентрация общего азота в водоеме, концентрация кислорода в гиполимнионе водоема, распространенность макрофитов в водоеме [Porsella et al., 1980].

Расчетные формулы значений индекса Порселлы выглядят следующим образом

LEI = 0,25[(XCA + XMAC)/2] + XSD +XDO + XN

Где

XN = мин (XTP, XTN),

XCA = 30,6 + 9,81 ln (Cl_a),

XMAC – степень покрытости зеркала водоема макрофитами, %,

XSD = 60 – 14,1427 ln(SD),

XTP = 4,15 + 14,427 ln(TP),

XTN = 14,1427 ln(TN) – 23,8

XDO = 10netDO

EOD, COD – мгновенная равновесная и измеренная концентрация растворенного кислорода

n - число станций измерения вертикального распределения кислорода,

m - число вертикальных слоев водоема,

С_i - измеренная концентрация кислорода, мг/л,

С^* - концентрация насыщения, мг/л,

DV_i – объем отдельного слоя, V – объем водоема.

Индекс Р.Карлсона и индекс LEI были использованы нами для оценки состояния экосистем москворецких водохранилищ по данным их комплексного лимнологического обследования. При этом использовались средние значения прозрачности, концентраций общего фосфора, азота и хлорофилла, полученные в результате синхронных гидрохимических съемок, выполненных на водохранилищах в июле-августе 200г. Результаты расчета индексов приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6

Значения индексов трофического состояния москворецких водохранилищ

Индекс	Можайское	Рузское	Озернинское	Истринское
Карлсона	56	49	66	65
LEI	48	45	51	50

Как видно из таблицы, между примененными индексами противоречий не обнаружено. Граница между мезотрофным и эвтрофным состоянием в индексе Карлсона соответствует значению, равному 50. По этому критерию оценка состояния водохранилищ совпадает с оценкой, сделанной нами на основе различных классификаций. Заметим, что переход водоема в гипертрофное состояние происходит при значении индекса – более 80. Таким образом, москворецкие водохранилища можно отнести к слабоэвтрофным и даже мезотрофным. Это подтверждается данными комплексных лимнологических исследований Можайского водохранилища, включавших детальные наблюдения за состоянием зоопланктона этого водоема. Информация по зоопланктону редко используется для оценки трофического состояния и не учитывается в приведенных выше индексах. Тем самым, мы получили практически одинаковую оценку трофического состояния Можайского водохранилища независимыми методами, что повышает ее объективность.

Включение степени покрытости озера макрофитами в оценку его состояния диктовалось стремлением использовать индекс для оценки эвтрофирования макрофитных озер. Однако, как показали исследования, особенности развития экосистем макрофитных озер при эвтрофировании весьма значительны, что подтвердилось отсутствием связей между плотностью зарослей и основными лимнологическими показателями состояния экосистемы водоемов [Шилькрот, 1979]. По-видимому, макрофитные водоемы нуждаются в разработке отдельного индекса, учитывающего специфику их развития. Интересная попытка разработать индекс трофического состояния озер, основанный на видовых и количественных характеристиках зарослей высшей водной растительности приведена в работе Х.Эдмистона и В.Майерса на основе данных хорошо изученных в лимнологическом отношении озер Флориды [Edmiston, Myers, 1984].

Приведенные показатели трофического состояния, хотя и связаны непосредственно с процессом первичного продуцирования, играют в нем различную роль. Учитывая это обстоятельство, Дж.Кох предложил рассматривать отдельно индексы трофического потенциала и трофического отклика. [Cox, 1984]. К показателям потенциального трофического состояния он относит, прежде всего, концентрацию биогенных элементов, а также световые, температурные и гидрологические условия водоема. Содержание хлорофилла-а, первичная продукция, биомасса фитопланктона и степень покрытия водоема макрофитами относятся к показателям трофического отклика.

В более сложных системах оценки трофического состояния используются распределения вероятности каждого класса состояния водоема, графически выражаемые в виде кривых распределения вероятности класса трофического состояния водоема в зависимости от основных показателей процесса эвтрофирования. Эти оценки основываются на балансовых моделях Р.Фолленвейдера и в них используется зависимость некоторого оценочного параметра от величины фосфорной нагрузки на водоем, его глубины и проточности или времени пребывания воды в водоеме. К.Рэкхау разработал серии кривых, позволяющих оценивать вероятность отнесения водоема к тому или иному типу трофического состояния с учетом ошибок балансовой модели и неопределенностей оценки фосфорной нагрузки. В основу этих номограмм (рис. 1.3) положено эмпирическое соотношение между средним содержанием фосфора в озере и величиной фосфорной нагрузки, полученное им на основе обработки данных по 47 американским озерам умеренной зоны [Reckhow, 1979c].

Номограммы Рэкхау.

С целью возможно более полной концентрации имеющейся информации о состоянии водоема В.Уокер применил один из наиболее эффективных методов многомерной статистики – метод главных компонент – для оценки трофического состояния водоемов. Им показано, что первые две компоненты описывают 96% изменчивости индивидуальных показателей и могут служить хорошей базой для разработки классификационных систем [Walker, 1980].

Во многих случаях применение числовых индексов оказывается успешным, но имеется и немало случаев весьма противоречивых суждений и выводов. Основные причины появления случаев неадекватности числовых индексов при оценках трофического состояния заключаются в том, что в этом случае делается попытка набором статических показателей отразить динамически сложное состояние экосистемы водоема.

На наш взгляд, важной дополнительной характеристикой экосистемы в плане оценки ее состояния могло бы быть соотношение двух динамических показателей экосистемных процессов – скорости первичного продуцирования и скорости деструкции органического вещества. Как отмечалось выше, при нарушении баланса этих характеристик в экосистеме начинают происходить глубокие изменения, приводящие к изменению трофического состояния водоема. Для состояния экосистемы важна не только общая величина аккумуляции энергии в виде продуцируемого органического вещества, но и способность экосистемы к переработке (утилизации) этой энергии. Например, в водоеме с высоко интенсивными пищевыми связями между фито- и зоопланктоном, общая биомасса фитопланктона может быть сравнительно небольшой при высокой биогенной нагрузке и высокой первичной продукции, соответствующим градациям эвтрофных и даже гиперэвтрофных водоемов. Следует ли относить такие водоемы к эвтрофным? Интересный в этом плане пример приводит Хурберт при описании лимнологических характеристик небольшого озера. При загрязнении озера пестицидами, уничтожившими чувствительный к загрязнениям рачковый зоопланктон, биомасса фитопланктона при прежней биогенной нагрузке возросла в 16 раз.

Характер трофических взаимодействий и их напряженность может существенно меняться в течение вегетационного сезона. Например, в целом близкое к эвтрофному состоянию Можайское водохранилище по показателям трофии, измеренным в июне, когда наблюдается максимальный пресс зоопланктона на фитопланктон, должно быть отнесено к олиготрофному типу. Однако очевидно, что при оценке состояния экосистемы водоема необходимо использовать средневегетационные значения характеристик продукционно-деструкционных процессов.

Р.Карлсон, проводя параллель между процессом эвтрофирования озер и ожирением как болезнью человека, подчеркивает, что лечение ожирения основано не только на диете (ограничение питания), но и на рекомендации физических упражнений (утилизации энергии). По его мнению, для оценки трофического состояния экосистемы достаточно лишь одного показателя, отражающего общий уровень энергетических процессов в экосистеме, - биомассы фитопланктона [Carlson, 1984]. Водоемы, характеризующиеся высоким уровнем утилизации энергии при высоких значениях биомассы, он предлагает относить к потенциально опасным для эвтрофирования, учитывая хрупкость трофических механизмов, поддерживающих энергетическое равновесие в экосистеме. Не преумаляя значение такого важного показателя, как биомасса фитопланктона, трудно согласиться с мнением Р.Карлсона. Во-первых, в его работе не даются рекомендации, каким образом оценивать уровень и скорость утилизации энергии. Во-вторых, адекватная оценка средней концентрации фитопланктона при его чрезвычайно высокой пространственно-временной изменчивости представляет серьезные практические трудности. Методические сложности определения биомассы фитопланктона не позволяют получать массовый материал, а использование для этой цели показателя хлорофилла-а резко понижает объективность оценки биомассы фитопланктона. Объективно оценивать деструкционные процессы в водоеме методически очень сложно, поэтому попытка применить данный подход к оценке трофического состояния экосистем неизбежно встречает серьезные проблемы и может быть эффективной лишь при длительных и детальных лимнологических исследованиях, включающих весь комплекс гидробиологических наблюдений. Такие исследования проводятся в исключительных случаях и на отдельных водоемах. Для широких лимнологических обобщений и предварительных оценок, по-прежнему приходится ориентироваться на индексы трофического состояния, использующие простые и массовые данные рутинного лимнологического мониторинга.

Многие лимнологи справедливо отмечали, что индексы, основанные на таких показателях как хлорофилл-"а" и прозрачность могут быть хорошими индикаторами трофического состояния слоя эпилимниона и не всегда адекватны трофической характеристике водоема в целом.

Наилучшей характеристикой состояния всей экосистемы считается информация о кислородном режиме водоема. Чаще всего в качестве критерия состояния экосистемы по кислороду используют скорость нарастания дефицита кислорода в гиполимнионе. В. Уокер установил очень тесную зависимость (коэффициент корреляции 0.89) величины потребления кислорода в гиполимнионе (ПКГ) от среднего индекса Р.Карлсона для большого числа водоемов, включая и водохранилища, и предложил дополнить этот индекс показателем потребления кислорода, скорректированным на глубину водоема [Walker, 1979].

Где Z – средняя глубина водоема

Сложность использования такого показателя очевидна – для расчета скорости потребления кислорода в придонных слоях необходимо проводить наблюдения за распределением кислорода по вертикали в течение вегетационного сезона в условиях отсутствия полного вертикального перемешивания. Кроме того, изменение содержания кислорода в гиполимнионе характеризует процесс первичного продуцирования лишь косвенно, через потребление его при разложении органического вещества, оседающего на дно. Информативны не только дефициты кислорода, но и пересыщение воды кислородом, часто наблюдающиеся в эпилимнионе эвтрофных водоемов.

Значительно более простая интегральная характеристика кислородного режима водоемов – значение средневзвешенной по вертикальным слоям концентрации кислорода – практически лишена отмеченных для ПКГ недостатков. Предложенный Д.Порселлой в качестве дополнения индексу Р.Карлсона индекс растворенного кислород [Porsela et al., 1980] характеризует степень отклонения концентрации кислорода в водоеме от равновесной. Учитывая, что продукционно-деструкционные процессы приводят как к перенасыщению, так и к недосыщению воды кислородом этот индекс рассчитывается по абсолютным величинам отклонений концентрации кислорода от насыщения (см. формулу 1.1). Этот показатель, кторый можно назвать Индексом кислорода (ИК) вполне можно использовать для характеристики трофического состояния водоемов.

Применимость этого индекса для оценки состояния экосистем была проверена нами на массовом материале комплексных лимнологических наблюдений в различных водных объектах мира. Путем обобщения данных о трофическом состоянии и кислородном режиме озер и водохранилищ умеренной зоны рассчитанные значения ИК сопоставлялись с характеристиками трофического состояния водоемов, для которых существуют достаточно надежные критерии типов трофического состояния. В качестве таких характеристик использовались содержание хлорофилла-“а”, содержание общего фосфора в водоеме и прозрачность вод водоема по диску Секки, определяющие индекс Р.Карлсона. Существующие многочисленные классификации трофического состояния по рассматриваемым характеристикам незначительно отличаются по градациям его типов, поэтому используемые нами характеристики можно считать наиболее надежными критериями трофности водоемов. Исходными данными для расчета послужила обобщенные результаты оценок состояния некоторых озер и водохранилищ мира, опубликованные в специальном издании Международного комитета по охране озер (ILEC, 1987). Характеристики озер и водохранилищ, для которых опубликованная информация позволила рассчитать значение кислородного индекса, приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7.

Основные характеристики озер и водохранилищ, использованных для оценки трофического состояния.

№ п/п	Водоем	Страна	Широта	Долгота	Площадь зеркала, км2	Объем, млн. м3	Средняя глубина, м	SD, м	Робщ, мкг/л	Chl-a, Мкг/л
1	Оз.Аттер	Австрия	47052’	13032’	46	3945	84.2	8.5	7	4.8
2	Оз.Цюрихское	Швейцария	47015’	08004’	65	3300	51.0	5.1	20	2.8
3	Оз.Женевское	Швейцария	46020’	06030’	584	88900	152.7	5.2	50	10
4	Оз.Ветерн	Швеция	57050’	14030’	1856	74000	39.9	10.1	6	1.2
5	Оз.Аммер	Германия	47059’	11007’	47	1774	38.1	4.5	26	7.7
6	Оз.Штернбергер	Германия	47048’	11018’	56	2999	53.2	8.6	22	5.5
7	Оз.Дэннеси	Франция	45050’	06011’	27	1120	41.5		14	3
8	Оз.Д`Орта	Италия	45045’	08023’	18	1240	70.9	5.7
10	Оз.Панаярви	Россия	66016’	30000’	24	890	37.8	3.8	4
11	Оз.Вашингтон	США	47040’	122013’	88	2890	32.9	5.8	18	5
12	Оз.Канадэйгуа	США	42046’	77018’	42	1640	38.8	5	23	1.4
13	Оз.Кутеней	Канада	49018’	116045’	389	36700	94.0	8	8	2
14	Оз.Скаха	Канада	49025’	119035’	20	558	26.0	4.7	13	3.6
15	Оз.Бутле	Канада	49050’	125031’	35	1700	48.8	9.3	4
16	Оз.Шикотсу-ко	Япония	42045’	141017’	79	20950	266.0	19.6	50
17	Вдхр. Можайское	Россия	55030’	35050’	30.5	235	7.7	1.5	79	26.3
18	Вдхр. Куйбышевское	Россия	54000’	49000’	5900	58000	9.8	1.5	77	23.5
19	Вдхр.Слапы	Чехия	49037’	14020’	13.1	270	20.6	2.7		6.9

Результаты статистического сопоставления рассчитанных значений ИК с показателями трофического состояния, для которых существуют количественные критерии типов трофности, представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Связи показателя ИК с характеристиками трофности водоемов.

Полученные тесные связи между рассматриваемыми характеристиками трофического состояния водоемов показывают эффективность использования результатов наблюдений за кислородным режимом водоемов для характеристики процессов эвтрофирования. По графикам связи определялись значения кислородного индекса соответствующие переходным критериям выбранной классификации трофности по каждому из рассматриваемых показателей. Затем путем простого арифметического осреднения полученных значений ИК устанавливались критерии по кислородному индексу. Полученные критерии кислородного индекса представлены в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Градации кислородного индекса для различных типов трофности водоемов умеренной зоны.

Тип водоема	Значение индекса ИК, мг/л
Олиготрофный	 1,3
Олиготрофно-мезотрофный	1,3-1,8
Мезотрофный	1,8-2,1
Мезоэвтрофный	2,1-2,6
Эвтрофный	2.6

Примером применения кислородного индекса могут служить результаты гидроэкологических съемок 2000г. москворецких водохранилищ. Результаты расчетов значений кислородного индекса представлены в таблице 1.9.

Таблица 1.9

Значения кислородного индекса в москворецких водохранилищах летом 2000г.

Дата съемки	Можайское	Рузское	Озернинское	Истринское
1.07		1.39
2.07			2.18
5.07				2.24
10.07	1.45
26.07		1.87	2.69
28.07				2.78
10.08	1.95

Критерием перехода от мезотрофного к эвтрофному (через промежуточное мезоэвтрофное) состоянию по нашим расчетам служит значение индекса, равное 2.1. Как видим из этих данных, летом 2000г. Можайское и Рузское водохранилища по этому индексу близки даже к олиготрофно-мезотрофной стадии и лишь к концу лета приближаются к мезотрофноэвтрофному состоянию, которое соответствует оценкам по индексу Р.Карлсона при использовании осредненных многолетних данных. Повышается ко второй половине лета ИК и для Истринского и Озернинского водохранилищ, в целом характеризующихся более высоким уровнем трофии, чем Можайское и Рузское. Расчеты ИК, проведенные по результатам разовых обследованиям водоемов, отражает ситуацию на подмосковных водохранилищах известную, как «фаза чистой воды». В июне месяце вследствие интенсивного пресса зоопланктона в воде водохранилищ биомассы фитопланктона крайне малы. Прозрачность вод водохранилищ в этот период очень высока, поскольку минеральные взвеси, поступившие в водохранилище в период половодья, уже осели на дно, кислородный режим еще вполне благоприятный. «Несъедобные» для зоопланктона колониальные виды синезеленых или динофитовых водорослей начинают развиваться только с середины июля. Результаты наблюдений по съемкам, выполненным в конце июля и начале августа, показывают сезонный рост трофического состояния водоемов водоемов. В оценках по среднемноголетним данным используются средневегетационные величины показателей трофического состояния, которые близки к мезотрофно-эвтрофным или слабоэвтрофным условиям для Можайского и Рузского и эвтрофным условиям для Озернинского и Истринского водохранилищ.

Кислородный индекс, по нашему мнению, может быть рекомендован для экспрессной оценки состояния экосистемы, как в случае разовых обследований, так и при осреднении за отдельные периоды при систематических наблюдениях. В случае эпизодических обследований расчеты по индексу дают более адекватные оценки, т.к. кислород, как показатель экологического состояния более инертен, чем, например, содержание хлорофилла-"а" и не зависит от минеральных взвесей, как прозрачность. Средневегетационная величина индекса интегрально отражает уровень продукционно-деструкционных процессов в экосистеме и позволяет анализировать особенности развития цветения в отдельные годы. Непременным условием для получения надежной информации при расчете индекса является наличие приборов для инструментального зондирования содержания кислорода в воде водоемов.

Приведенные классификации разработаны на основе обобщения данных в основном по озерам умеренного пояса, более полно изученных на момент их составления. По результатам исследований, выполненных в рамках Международной биологической программы, показано закономерное возрастание первичной продукции планктона от северных к южным водоемов территории России [Бульон, 1983]. С появлением данных о продуктивности водоемов тропического и экваториального пояса Земли возник вопрос о правомерности применения классификаций для оценки трофности этих водоемов. По материалам гидробиологических исследований водоемов различных континентов М.Брылински и К.Манн подтвердили, что продуктивность водоемов существенно зависит от географической широты и значительно более высока в теплых слабо стратифицированных водоемах тропического пояса [Brylinsky, Mann, 1973]. Для разработки методов оценки эвтрофирования в тропических водоемах Латинской Америки и Карибского бассейна была реализована специальная программа наблюдений на 40 типичных озерах, характеризующихся минимальной годовой температурой воды выше 15⁰С. По результатам этого исследования были установлены границы эвтрофных, мезотрофных и олиготрофных водоемов по содержанию общего фосфора, которые оказались существенно выше, чем приведенные в классификации ОЕРК [Salas, Martino, 1991]. Примерно такие же границы содержания фосфора при оценке трофности были получены при исследовании многочисленных озер Флориды [Baker et al., 1981]. Специальные исследования для определения трофической классификации тропических водоемов выполнены К.Торнтоном по данным наблюдений на африканских водоемах, Дж.Тундизи, обобщившим данные по тропическим озерам, C.Ортисом и Р.Мартинесом по водохранилищам Испании [Tundisi, 1990, Thornton, 1987, Ortiz, Martinez, 1984]. Критерии трофности по содержанию хлорофилла-а в тропических водоемах по этим исследованим также имеют более высокие значения, чем в классификациях водоемов умеренного пояса. Таким образом, очевидно, что классификация ОЕРК должна быть ограничена применением для оценки трофности только водоемов умеренного пояса.