1vvedenie_v_ekologicheskoe_modelirovanie

Дарвин условно обозначил как борьбу за существование" (История биологии .., 1972). Как видим, термины "экология" и "экономика" по своему происхождению поч ти синонимы. Термин "экономика", одн а- ко, закрепился для обозначения законов или правил ведения хозяйства людьми, а термин "экология" привился в биологии в указанном выше смысле (Трусов, 1983).

Экология - изначально наука о взаимоотношениях организмов с окружающей средой в настоящее время не потеряла своего предмета

ние все большего числа исследователей сосредо тачивается на взаим о- действии человеческого общества с окружающей природной средой, человека, как части Биосферы, со всей остальными ее частями.

отношений социально-экономических и природны х систем. И экология, как наука , где зародился и является основой методо логии, системный подхо д, может и уже становится о тправной точкой при

щей все науки. Зародившись и развившись в качестве особой научной дисциплины в системе биологических наук, экология или, точнее, экологический по дхо д к изучению явлений приобрел в настоящее время характер общенаучного подхода (Герасимов, 1978). И особенность нынешнего э тапа развития экологии - попытка испо льзования ее достижений для создания научных основ выж ивания человека, жизни человека и, в конечном счете, разработки стратегии социальной эволюции (Кириллов, 1997). Если философия - это концентрат ме-

только естественнонаучные, но и экономические, социальные , куль-

9

турные и другие аспекты .

Объект современной экологии – экосистемы, включая самую большую - Биосферу. Современная экология - учение об экосистемах, раскрывающее закономерности их состава , структуры, функционирования и эволюции. Признавая платоновское положение о том, что ц е- лое есть нечто большее, чем сумма его частей, назовем системой любой реальный или мыслимый объект, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образующих его частей (Федоров, Гильманов, 1980). Экосистему можно определить как сложную систему, включающую биоценоз (совместно обитающие организмы) и элементы о кружающей среды, находящиеся во взаим о- действии (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Схема экосистемы. Б - биоценоз, ОС - окружающая среда

Понятие "экосистема" по содержанию б лизко к понятию "пр и- родный комплекс". В обоих случаях: 1) проявляется системный по д- хо д, 2) совпадаю т элементы (или набор элементов) систем и 3) отражается интерес ученых к исследованию их связей. Но, если в представлении о природных геосистемах (включая биогеоценозы) допу скалось равенство всех э лементов друг перед другом и перед лицом целого, то в представление об э косистеме всегда закладывалось принципиальное разделение элементов системы на две крупные по дсистемы: 1) " хозяин" и 2) "дом" (oikos), "среда", "ресурсы". В само представление закладывается неравенство элементов. Все связи оцениваю тся прежде всего по их воздействию на " хозяина". Связи между элементами среды, если не оказываю т прямого или косвенного влияния на состояние ― хо зяина‖, при изучении экосистем считаю тся несущес твенными (рисунок 1.2). Иными словами, в концепции экосистемы один из элементов об я- зательно "помещается" в центре системы или рассматривается как

10

"субъект". С помощью этого приема при неизменности объекта исследования существенно изменяется предмет изучения.

Рисунок 1.2 - Различие моделей геосистемы (I) и экосистемы (IIa, IIб) (Трусов, 1983). 1-4 - элементы системы; 5 - связи между элементами; 6 - подсистема " хозяин"; 7 - подсистема "среда"

В качестве " хо зяина" в экосистеме может выступать любой из компонентов природы или общества. Так, центрированный подхо д в неявном виде выступает в геоморфоло гическом учении о морфоскульптуре, где рельеф рассматривается как " хозяин", на которого оказывает влияние "среда", включающая климат, растительность, воды. Таково представление о "почвах" как "зеркале ландшаф та". Элементы экологического по дхо да о тчетливо выражены в рассмотрении природы как "среды" и "ресурсов" развития промышленности или сельско хозяйственного производства (" хозяин"). Таким образом, биоцентрич е- ский вариант экологическо го подхода (эко логия живого ) и экологич е- ский по дхо д в целом — это не о дно и то же (Трусов, 1983).

Столь пространное рассмотрение особенностей экологического (экосистемного) по дхо да оказалось необ хо димым по двум прич инам. Во-первых, для ответа на вопрос о целесообразности подробного анализа абиотических компонент при исследовании состава, структуры, функционирования и эволюции природных и искусственных экос и- стем. Во вторых, для указания на то, что необ хо димость биоцентрич е- ского подхо да на начальном этапе исследований не исключает его недостаточности для установления закономерностей пространствен- но-временной организации этих сложных по структуре и поведению систем. Сложность структуры определяется числом n элементов сис-

11

темы и числом m связей между ними, для поведения системы сло ж- ность определяется характером и разнообр азием реакций на влияние воздействия (Флейшман, 1982).

2 ФА КТОРЫ РАЗНООБРАЗИЯ И ТИПОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЗНА КИ ВОДНЫХ Э КОСИСТЕМ

Особенности экосистем - итог совместного действия множества экологических факторов различного пространственного (глобальные, региональные, локальные) и временного масштабов, природных и связанных с деятельностью человека (антропогенных). Тип э косистемы определяется самыми большими по временным и пространстве н- ным масштабам, естественными по происхождению факторами. Так, динамика и гра диент глобальных факторов – тепла и влаги определяют все пространственные и временные последовательности экосистем в соответствии с законом географической зональности, сформулир о- ванным В.В. Докучаевым первоначально для почв. И факты азональности (э кстразональности) обусловлены наличием региональных и локальных факторов, способных нивелировать влияние совокупности зональных особенностей. Важнейшим фактором азональности являе т- ся поступление дополнительно го количества вещества и энергии, ко н- курирующее по интенсивности с зональным.

Разнообразие экосистем – это один из уровней биологического разнообразия, исследование ко торого опирается на результаты изуч е- ния разнообразия на генетическом и видовом уровнях и данных по разнообразию условий формирования и фу нкционирования биологических систем. К разнообразию экосистем предлагается относить количество разных местообита ний, био тических сообществ и экологических процессов (Mc Neely et al., 1990) с типизацией экосистем на основе их экотопов, ко торые в отличие о т биоценозов зна чительно более консервативны и устойчивы (Рысин, 1995).

Определяющей характеристикой во дного объекта для отнесения его к водоемам (стоячие воды) или во дотокам (текучие воды ) является интенсивность водообмена. Водные объекты участвую т одновременно во внешнем обмене, при ко тором воды и вещества поступаю т извне и выходят за пределы водоемов, и во внутреннем, происхо дящем в с а- мих водных объектах (Богословский, 1975).

Показателем интенсивности внешнего во дообмена служит у с- ловный водообмен Кв=Упр/Ув - отношение объема среднего годового притока в во доем (Упр) к объему водоема при среднем уровне (Ув) (Григорьев, 1959а; 1959б; Долгов, 1954). Для участков рек Ув= L, гдесредняя площадь живо го сечения на участке; L — длина участка.

12

Применяется и другой показатель водообмена Квб=Уб/Ув - отношение объѐма всех во д, участвующих во внешнем водообмене (атмосферные осадки плюс прито к с бассейна или сток из водоема плюс испарение с водной повер хности) /Уб/ к тому же объему водоема /Ув/ (Бу торин, 1965). Для проточных водоемов Кв и Квб близки, для бессточных Квб лучше отражает специфику водно го баланса. Водообмен зависит от

удельного водосбора F =F/fo - отношение площади водосбора (F) к площади зеркала во доема (fо) (Григорьев, 1959а;1959б; Богословский,

1960; Соколов, 1959).

Аналогично условному водообмену можно определить "усло в- ный солеобмен" водоемов Кс=Рпр/Рв - как отношение среднего го дового ионного притока (Рпр) к среднему запасу солей в во доеме (Рв=SсрУв, где Sср — средняя минерализация воды водоема).

С интенсивностью внешнего обмена связана продолжительность пребывания вод в водоеме, а, следовательно, и степень воздейс т- вия на них авто хтонных процессов водоема.

При интенсивном внешнем обмене доминирует транзит во д и веществ через водоем, при замедлен ном — аккумуляция в водоеме. Соответственно четко выделяю тся две группы водных объектов — транзитная и аккумулятивная, между ко торыми существуют промежуточные — транзитно-аккумулятивная и аккумулятивно-транзитная группы.

К транзитной группе относятся реки, о тличающиеся наиболее интенсивным обменом (Кв н Кс 50—300 и более ). Как прихо дную, так и расхо дную часть их во дного баланса составляет сток. Колич ество воды, транспортируемое через участок реки, в десятки и сотни раз превышает объем русла, и обмен совершается в течение одних или нескольких су ток на участках в сотни километров.

Аккумулятивная группа включает океан и бессточные озера. В этих во дных объектах нет транзита вод и веществ, связанного со стоком. Мировой океан имеет наименьшие из во дных объектов земного шара показатели обмена (Квб=326* 10-6; Кс=6,4*10-6). Полный обмен его вод может осуществиться примерно за 3000 лет. В крупных бессточных озерах (например, Аральское) водообмен возрастает до нескольких процентов, т. е. может совершаться за десятки лет; солеобмен — значительно меньше.

Транзитно-аккумулятивная группа представлена водо хранилищами и проточными озерам и. В их водном балансе, как и у рек, дом и- нирует сток, дающий в во до хранилищах 90% и более прихо да и расхода, в озерах — несколько меньше. Водообмен в большинстве водоемов значительно меньше, чем у рек (Кв оз. Ильмень около 3.4, Горьковско-

13

го водо хранилища 6.1, Днепровского 15, Новосибирского 9), воды обмениваются неско лько раз в год. Понижен по сравнению с реками и солеобмен (Кс оз. Ильмень 3,4).

Аккумулятивно-транзитную группу составляют крупные пр е- сные сточные озера, близкие по во дообмену к аккумулятивной группе (Кв Телецкого озера 0.16, Ла дожского 0.07, Онежского — 0.05, Байкала 0.003), но о тличающиеся от нее постоянным, хо тя и слабым, транзитом вод и веществ, связанным со стоком. Полный обмен вод может сове р- шаться в течение десятков и даже со тен лет. Солеобмен выше, чем у аккумулятивных во доемов (Кс Ладожско го и Онежско го озер 0,06).

Чем слабее внешний обмен, тем меньшую роль в формировании и функционировании его биоценозов играет бассейн, большую — авто хтонные процессы водоема и тем стабильнее характеристики экос и- стемы в целом.

С. С. Шварц (1976) сформулировал некое универсальное правило характеристики экосистем (― хорошая экосистема‖):

1)Высокий уровень продукции (биомассы основных звеньев трофических систем).

2)Высокая компенсаторная активность за счет стремления пр о- изведения проду ктивности на биомассу к максим уму.

3)Высокая стабильность экосистемы при изменении внешних

условий в широком диапазоне за счет трофического разнообразия.

4)Высокая скорость обмена веществ и энергии за счет высокой активности редуцирующей составляю щей экосистемы.

5)Способность к быстрой перестройке структуры сообщества при изменении условий cреды.

Для дифференциации водных экосистем по биологическим и

общесистемным признакам могут использоваться: разнообразие та к- сономического состава, сложность информационной структуры, по л- нота и сбалансированность трофической структуры биоценозов; и н- тенсивность потоков энергии и вещества с оценкой относительной доли в них алло хтонных и авто хтонных органических веществ, степени их трансформации и аккумуляции; уровень трофности; распределение характерных времен жизни элементов биоценоза и динамики абиотических факторов; скорость и направление эво люции (сукцессии) сообществ, биоценоза и э косистемы в целом.

2.1 Состав, структура, функционирование и сукцессия разнотипных во дных экосистем бассейна Оби

Территория водосборного бассейна Оби по мнению профессора И.В. Стебаева (1993) может быть названа акваторией, если учесть на-

14

личие здесь несметного ко личества водных объектов, в ко торых пре д- ставлен весь спектр экосистем текучих и стоячих во д: во дотоков ра з- личной величины; горных и степных озер различных размеров и солености, малых и больших водо хранилищ, боло т.

Исследование во дных экосистем бассейна Оби началось еще в 17-м веке и наиболее активно происхо дило в связи с необ ходимостью принятия практических решений по испо льзованию природных ресу р- сов региона. В 30-е годы прошлого века предполагаемое строительство ГЭС на р. Бие определило детальное изучение Телецко го озера с о- трудниками Государственного гидрологического институ та. Именно к этому озеру было вновь привлечено внимание исследователей через 50 лет - в 80-е годы , когда возникла необ ходимость эколо гической экспертизы проекта Катунской ГЭС. Специалисты уже нескольких деся т- ков институтов изучали реку Катунь и ее притоки, а также Телецкое озеро в качестве аналога будущего во до хранилища.

Многолетние комплексные исследования реки Оби и ее бассейна были предприняты в связи с проектом перераспределения сто ка сибирских рек, в том числе путем строительства Нижнеобского водохранилища, для решения водо хо зяйственных проблем Казахстана и Средней Азии.

Значительное увеличение знания о водных экосис темах Вер хней Оби (в первую очередь на участке от г. Камень-на-Оби до г. Новосибирска) было получено в 50-е годы в связи со строительством Новосибирской ГЭС. Новосибирское водо хранилище стало объектом исследований на многие го ды для специалистов различно го профиля, изучающих его как во доем комплексного назначения, в том числе как источник водоснабжения г. Новосибирска; как э косистему и как м о- дельный объект для иссле дования о тдельных сообществ и процессов. Проектирование и строительство Крапивинского гидр оузла позволило в 80-е го ды получить значительные по объему и разнообразию данные о жизни реки Томи и обновить сведения о Новосибирском водо хран и- лище.

Разработка прогноза изменений в о кружающей среде в результате строительства и эксплуатации Канско-Ачинского топливноэнергетического комплекса (КАТЭ Ка) способствовала в 70 -80-е го ды интенсивным комплексным исследованиям водных э косистем бассе й- на одного из крупных притоков Оби - реки Чулым.

Сведения о во дных экосистемах бассейна р. Алей и Обь - Иртышского междуречья оказались востребованы в связи с оценкой экологических последствий испытаний ядерных устройств на Семип а- латинском полигоне. Необ ходимость оценки современного состо я-

15

ния и прогнозирования изменений водных экосистем Средней и Ни ж- ней Оби, а так же р. Томи связаны со значительным уровнем загрязнения речных вод неф тепродуктами.

И во все времена не ослабевал интерес исследователей к во д- ным объектам Западной Сибири в связи с использованием текучих и стоячих во д региона для рыбо хозяйственных и рекреационных (в том числе лечебных) целей. Не менее важным поводом исследования являю тся и природные предпосылки заболеваемости человека, особенно если они дополнены последствиями хозяйственной деятельности – источника искусственных экологических факторов.

Неко торые типологические характеристики состава, структуры, функционирования и сукцессии водных экосистем бассейна Оби рассмотрим на примере самой реки Оби от образующих ее горных водотоков до п. Карым-Кары, крупного олиго трофного озера Телецкого , степного мезотрофного озера Горькое-Перешеечное из ОбьИртышского междуречья и водоемов-о хладителей тепловых электростанций, принадлежащих к бассейну рек Ини и Чу лыма (р исунок 1.3).

16

Рисунок 1.3 - Схема бассейна реки Оби

2.2 Река Обь Реки – наиболее динамичный компонент гидросферы, посколь-

ку русловые воды сменяются в среднем каждые 11 дней (Львович, 1986). Реки, как системы выноса с территории продуктов водной и ветровой эрозии и отходов человеческой деятельности, делокализуют влияние естественных и антропогенных факторов на гео- и гидросистемы. Кроме общепринятого разделения рек на участки по морфоме т- рическим и гидрологическим признакам уместно рассматривать су к- цессию речных биоценозов и генезис качества воды вдоль по теч е- нию. Если расширить понятие трофности за пределы его первоначальной формулировки как основы классификации озерных систем, то в реке тоже можно выделить олиго -, мезо- и эвтрофные участки по мере продвижения вниз по течению. Изменение трофности, как хара к- теристики уровня развития живых организмов, интенсивности пото ка вещества и энергии, вдо ль по реке, происхо дит по естественным пр и-

17

чинам. Но оно может резко сдвигаться как в сторону увеличения (в случае поступления в реку алло хтонных органических и биогенных веществ), так и в с торону уменьшения (в случае поступления токсич е- ских и загрязняющих веществ). Вслед за трофностью изменяется и потенциал самоочищения реки.

Неоднородность характеристик и наибольшие изменения хим и- ческого состава воды по длине реки наб людаю тся в случае, когда река пересекает различные природные зоны, то есть преимущественно у рек, текущих в меридиональном направлении (Алекин, 1970). Ярким примером такой реки является главный во доток Западной Сибири - река Обь, э косистема ко торой испытывает множественное воздейс т- вие антропогенных факторов, нарастающее от ис тока к устью .

Исследованные в 1989-1991 гг. река Катунь с притоками Ярлы - Амры, Чибитка , Чуя, Чемал и притоки озера Телецкого, характер и- зующиеся среднемесячной температурой не более 20 оС, высоким содержанием кислорода, быстрым течением, скальным или каменисто - галечным грунтом, по существующей классификации (Illies, Botosaneanu, 1963) представляю т собой ритраль. Характерные черты биоценозов - отсу тс твие истинного зоо- и фитопланктона, массовое развитие личинок холо долюбивых стено термных амфибиотических насекомых (103 таксона, биомасса - до 69 г/м2). Основ ную часть биомассы в реках бассейна р.Катунь составили личинки ручейников; в притоке Телецкого озера - р. Тевенек - гаммариды. По таксономическому составу и относительной роли о тдельных отрядов насекомых в зообентосе горные водо токи бассейна Вер хней Оби наиболее близки рекам южных регионов Дальнего Востока. Дрифт донных бе с- позвоночных достигал максимальных значений в р.Чемал во время половодья (до 16 экз./м3) и в р. Тевенек (до 50 экз./м3) в период увеличения массы бентоса за счет выплода. Испо льзование интегрального показателя качества воды - индекса Вудивисса (отражающего, повидимому, неспецифическую реакцию гидробионтов на у худшение условий обитания) позволяет констатировать, что в реках Катунь, Чемал, Чуя имеются благоприя тные условия для жизни гидробионтов при незначительном уху дшении их в р.Чибитка и неблагоприятных условиях в р.Ярлы -Амры (Руднева ,1995).

Основная растительная группировка го рных во дотоков - литофильные фитообрастания, сформированные главным образом диатомовыми водорослями. Величины суммарной биомассы достигали в Катуни 76 г/м2 (за счет развития золо тистой водоросли Hydrurus foetidus), в притоке второго порядка - р.Чибитка до 116 г/м2 (за счет диатомеи Didimosphenia geminata) и в притоке третьего порядка -

18