ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 6, с. 66-71
= ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ
УДК 551.472(577.472)
КРИТЕРИИ СТАБИЛЬНОСТИ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ
© 2007 г. Н. Н. Митина, Б. М. Малашенков, Л. А. Телитченко
Институт водных проблем РАИ Поступила в редакцию 17.02.2006 г.
Методом главных компонент определены основные факторы устойчивого состояния экосистемы северной части Каспийского моря, индикатором которого является стабильное существование популяции осетровых рыб. Выявлено три главных фактора, которые распределены по значимости "геоэкологический", "зимовально-постзимовальный" и фактор "антропогенной нагрузки". Первый определяет стабильность экосистемы и зависит от природных условий региона (в том числе климатических флуктуаций). Второй контролирует существование популяций осетровых рыб, так как определяет условия их зимовки через распространение ледового покрова. Третий показывает, что основные загрязнители вод, влияющие на состояние экосистемы, поступают со стоком р. Волги. Показано, что при прогнозировании состояния экосистемы Северного Каспия необходим количественный подход, учитывающий природные и антропогенные изменения.
Одним из индикаторов стабильности экосистем Каспийского моря является благополучие популяции долгоживущих осетровых рыб, которые находятся на верхнем уровне трофической цепи водной экосистемы. Выявлено множество причин снижения их численности, основными из которых считаются зарегулирование стока Волги и потери нерестилищ, повсеместное ухудшение качества вод, пе-реловы и т.д. Имеется острая необходимость выделить в процессе исследования те показатели и факторы, которые определяют устойчивое функционирование морских экосистем.
Цель настоящего исследования - определение ряда основных факторов, характеризующих устойчивое функционирование экосистемы северной части Каспийского моря. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
1. Создана база данных состояния подводных ландшафтов северной части Каспийского моря (рис. 1), оцениваемого по геоэкологическим показателям (всего 54 показателя по 260 точкам наблюдений) и проведена их статистическая обработка (табл. 1);
2. Отобраны параметры, интегрально характеризующие состояние каждого из компонентов подводного ландшафта;
3. Определены критерии, определяющие условия устойчивого существования осетровых рыб с использованием метода главных компонент.
Материалы и методы. При сборе данных с помощью ГИС-технологии проанализированы разномасштабные карты по различным показателям, материалы многолетних наблюдений компонентов донных природных комплексов (ДПК) за самый теплый (август) и самый холодный (февраль) месяцы на горизонтах 0 м и в придонном слое, интерполированных в узлах регулярной сетки с шагом 25 х 25 км (рис. 1). Для каждой опорной
точки получена количественная характеристика 54 параметров, которые вычислялись методом линейной интерполяции, к которым привязывались данные многолетних (1980-2000 гг.) наблюдений (рис. 1). Была построена серия карт, в основе которых лежала ландшафтная карта СССР масштаба 1 : 2500000 [20]. Анализ ДПК северной части моря проводился по следующим показателям: геолого-геоморфологическим (глубина, тип рельефа), литологическим (гранулометрический состав и тип донных отложений), гидродинамическим (высота волн, скорость и направление течений), климатическим (суммарная и поглощенная солнечная радиация, радиационный баланс), гидрологическим (температура поверхностных и придонных вод за февраль и август, распространение льда), биологическим (распределение 5 видов осетровых рыб, общая биомасса и биомасса доминирующих видов фито- и зоопланктона, зоо-бентоса, в т.ч. кормов осетровых рыб), гидрохимическим (соленость, распределение в толще воды и в донных отложениях С1, SO4, НС03, Са, Mg, N0^ N^4, Р04, Si, 02, Р^ щелочность), антропогенным (концентрации нефтяных углеводородов (НУ), фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ)), полный перечень которых представлен в табл. 1. Исходная матрица была обработана методом парного корреляционного анализа. Учитывались сильные корреляционные связи (г > 0.7), характеризующие взаимодействие компонентов ДПК. Выявлено множество блок-связей, описывающих взаимодействие переменных. Сильных корреляционных связей плотности распределения осетровых рыб по акватории с другими показателями не было обнаружено; связи были зафиксированы только на уровне средних (г > 0.31-0.5). Кроме этого данные были обработаны методом главных компонент. Применение метода было нацелено на установле-
Схема размещения точек наблюдения (Северный Каспий).
ние закономерностей, управляющих распределением осетровых рыб по акватории [3]. На основании результатов корреляционного анализа из 54 переменных были выбраны 13 для 151 точки наблюдений, интегрально характеризующих основные компоненты ДПК по какой-либо основной функции и влияющих на плотность распределения осетровых, а именно: Х1 - среднемноголет-няя температура поверхности моря в феврале (°С); Х2 - границы распространения льда (в баллах); Х3 - распределение NO2 на поверхности моря (мкг N0^); Х4 - распределение 02 (мг/л) на поверхности моря; Х5 - среднегодовое распределение солености (%о) в толще воды; Х6 - радиационный баланс за год (МДж/м2); Х7 - глубина, (м) -является характеристикой рельефа дна моря; Х8 - расстояние от Волго-Каспийского магистрального канала (км), характеризующее степень влияния стока р. Волги; Х9 - распределение общей биомассы зоопланктона (г/м2); Х10 - распределение общей биомассы фитопланктона (мг/м3); Х11 - распределение биомассы зообенто-са (г/м2) как кормового ресурса осетровых рыб; Х12 - среднегодовое распределение фенолов (мг/л) и Х13 - среднегодовое распределение нефтяных углеводородов (НУ) (мг/л) в толще воды, характеризующих степень загрязнения акватории.
При обработке корреляционной матрицы методом главных компонентов получено, что первые три фактора определяют 67.9% дисперсионной нагрузки. Они выбраны для дальнейшего анализа, так как остальные вносят небольшой вклад в общую дисперсию. В факторной матрице, полученной в результате трех вращений, значимые переменные (Х1-Х13) разбивались по нагрузкам на три общие фактора. Каждый параметр вносил значительный вклад (>0.65) в какой-либо фактор и, объединяясь в группу, вносил определенную смысловую нагрузку.
Результаты анализа. Фактор 1 имеет самое большое значение общей дисперсии в факторной матрице - 39.7% (табл. 2). Наибольшую нагрузку на фактор имеют переменные Х3, Х4, Х5, Х6, Х10, Х11. Учитывая смысл параметров, вошедших в данный фактор, можно считать, что он характеризует воздействие гидрохимических, природно-климатических, биотических и кормовых особенностей моря на распределение осетровых рыб, следовательно, его можно охарактеризовать как "Геоэкологический фактор". Каспийское море расположено в относительно низких широтах, что обусловливает интенсивный приток солнечной радиации [7]. Для всей акватории моря радиационный баланс положителен с марта по октябрь и имеет максимальные величины в июне и июле.
Таблица 1. Параметры базы данных для оценки состояния экосистемы Северного Каспия
№ Переменные Единица измерения № Переменная Единица измерения
Геолого-геоморфологические 26 NH** (1995-2000 гг.) мкг NH/л
1 Глубина (среднемноголетние данные) м 27 PO* (1995-2000 гг.) мкг Р04/л
Литологические 28 PO** (1995-2000 гг.) мкг Р04/л
2 Гранулометрический состав донных мм 29 Si нов. (1995-2000 гг.) мкг SI/л
отложений (1975-1987 гг.) 30 Si** (1995-2000 гг.) мкг SI/л
Гидродинамические 31 O* (1995-2000 гг.) мг/л
3 Высота волн (1967-1986 гг.) Климатические м 32 O** (1995-2000 гг.) Биологические мг/л
4 Суммарная солнечная радиация МДж/м2 33 Биомасса зоонланктона (1986-1994 гг.) мг/м3
(1975-1983 гг.) 34 Биомасса зоонланктона (1992 г.) мг/м3
5 Поглощенная солнечная радиация МДж/м2 35 Биомасса зоонланктона (1994 г.) мг/м3
(1975-1983 гг.) 36 Биомасса зоонланктона (1999 г.) мг/м3
6 Радиационный баланс (1975-1983 гг.) МДж/м2 37 Биомасса фитонланктона (1986-1994 гг.) мг/м3
Гидрологические 38 Биомасса зообентоса (1986-1994 гг.) г/м2
7 Границы распространения льда баллы 39 Биомасса зообентоса (1992 г.) г/м2
(1957-1985 гг.) 40 Биомасса зообентоса (1994 г.) г/м2
8 Температура воды на поверхности °С 41 Биомасса зообентоса (1999 г.) г/м2
моря (Август). (1960-1983 гг.) 42 Биомасса Abra ovata (июль 1999 г.) г/м2
9 Температура воды на поверхности моря (Февраль) (1960-1983 гг.) °С 43 Биомасса Hypanis angusticostata (июнь 1992 г.) г/м2
Гидрохимические 44 Раснределение Neogobius melanostomus баллы
10 Соленость вод приглубой зоны % (1965-1989 гг.)
устьевого взморья (1990-1992 гг.) 45 Раснределение Acartia tonsa (в 1983 г.) экз/м3
11 рН (1961-1983 гг.) 46 Биомасса Gammarus pauxillus г/м2
12 Щелочность (1961-1983 гг.) ммоль/л (июнь-август 1990 г.)
13 СГ* (1995-2000 гг.) мг-экв./л 47 Биомасса Rhizosolenia calcaravis мг/м3
14 СГ** (1995-2000 гг.) мг-экв./л (август 1990 г.)
15 80* (1995-2000 гг.) мг-экв./л 48 Раснределение осетровых рыб баллы
16 80** (1995-2000 гг.) мг-экв./л (1989-1994 гг.)
17 НСО* (1995-2000 гг.) мг-экв./л 49 Раснределение русского осетра (1994 г.) баллы
18 НСО** (1995-2000 гг.) мг-экв./л 50 Раснределение 5 видов осетровых баллы
19 Са* (1995-2000 гг.) мг-экв./л (1967-2000 гг.)
20 Са** (1995-2000 гг.) мг-экв./л Антроногенные
21 Mg* (1995-2000 гг.) мг-экв./л 51 Фенолы в толще воды (1990-1992 гг.) мг/л
22 Mg** (1995-2000 гг.) мг-экв./л 52 НУ в толще воды (1990-1992 гг.) мг/л
23 N0* (1995-2000 гг.) мкг N0^ 53 СПАВ в толще воды (1990-1992 гг.) мг/л
24 (1995-2000 гг.) мкг N0^ 54 Расстояние от Волго-Каснийского км
25 №Н* (1995-2000 гг.) мкг NH/л магистрального канала
* Концентрация в поверхностном слое воды. ** Концентрация в придонном слое.
Интенсивный прогрев вод Северного Каспия является важным для развития фитопланктона [16]. Поступление в море с речным стоком биогенных элементов, которые утилизируются в основном на мелководьях, также определяет степень развития фитопланктона, а через нег
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.