Использование структурной эксэргии в качестве интегрального показателя состояния экосистемы

УДК 574.5:682.5:285.2

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ ЭКСЭРГИИ В КАЧЕСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ

© 2006 АЗ. Мокрый, Е.А. Зилов

Иркутский государственный университет, г. Иркутск

Проведен расчет структурной эксэргии для фонового района пелагиали Южного Байкала (постоянная станция № 1). Показано, что среднегодовые значения струкгурной эксэргии в фоновом районе в период 1990-2002 гг колебались в пределах от 11,8±1,7 (1994 г.) до 22,0±1,6 (2002 г) вокруг своего среднемно-голетнего значения (17,1±0,4), не испытывая каких-либо направленных изменений, что, в свою очередь, говорит об отсутствии неблагоприятных изменений в планктонном сообществе фонового района пелагиали Южного Байкала.

Необходимость иметь измеряемый параметр, стражсющий состояние экосистемы как целого и дающий возможность оценивать степень урона экосистеме от того или иного внешнего воздействия, давно признана современной экологией. За последние десятилетия было предложено множество таких показателей, но возникло и множество проблем, ссязанных с их применением. Во-первых, к каждой экосистеме следует подходить индивидуально, поскольку естественная изменчивость экосистем зависит от труднообозримого числа факторов и границы изменчивости каждого параметра экосистемы также индивидуальны. Вторую проблему представляют процессы сукцессии: пр и изменении условий прежняя экосистема сменяется практически новой, адаптированной к новым условиям, следовательно, ксказатели состояния экосистемы должны быть достаточно динамичны. Наконец, практически каждый исследователь выбирает собственный показатель в зависимости от своих вкусов и опыта.

В конце 80-х содов были сформулированы требования к показателям состояния экосистемы. Они должны:

• не зависеть от состояния отдельных видов;

• иметь числовое, желательно лишенное размерности, выражение;

• сыть приложимы к экосистемам разного иерархического уровня организации;

• определяться по минимальному числу наблюдений.

В настоящее время используются следующие показатели: организованность биоценоза [10]; осценденция [23]; индекс биологической целостности [19]; индекс «общего здоровья системы» [12], удельная фотосинтетическая поверхность [8, 9]. Но и они не лишены недостатков. Так, показатели Г.Е. Михайловского, Р. Улановича и Р. Ко станцы громоздки и чрезвычайно сложны для вычисления, индексы Дж. Kappa и ГТ. Миничевой проще и работоспособнее, но основаны на состоянии отдельных компонентов экосистемы - сообщества рыб, зоо- или фитобентоса.

В то же время необходимо помнить о том, что экосистемы являются открытыми, неравновесными термодинамическими системами. Давно уже высказывалась идея, что экологические системы развиваются в направлении овеличения потока энергии через них [1, 6, 7, 20, 21]. Естественно, поток энергии характеризует настоящее состояние экосистемы и определяет ее дальнейшее развитие. Но поток энергии в экосистеме невозможен без вещества и информации, и чем выше уровень информации, том выше степень использования вещества и энергии для дальнейшего удаления экосистемы от термодинамического равновесия. Согласно данным принципам, был разработан целый ряд термодинамичес-

ких показателей - максимизация энергии, минимизация энтропии, энмергия, эксэргия.

Среди других целевых функций одна, а именно эксэргия, имеет такие преимущества как хорошее теоретическое обоснование в термодинамике, связь с теорией информации и высокую степень корреляции с другими целевыми функциями при относительной простоте ее расчета [16]. Впервые использованная в экологическом моделировании в конце 70-х годов [22], ныне эксэргия используется для расчета параметров моделей экосистем и создания моделей, епособных предсказывать изменения видового состава экосистем [13, 18].

Эксэргия определяется как расстояние между текущим состоянием системы и ее состоянием в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Таким образом, эксэргия - мера отклонения экосистемы от равновесного состояния. Она указывает на количество работы, еатраченной на создание данной системы из первичных компонентов (в случае экосистемы - из первичного неорганического «бульона»), и информации, использованной при этом. Эксэргия, отнесенная к общей биомассе (структурная эксэргия), етражает способность экосистемы усваивать поток энергии извне, служа, одновременно, индикатором степени развития экосистемы, её сложности и уровня эволюционного развития организмов, ие которых она состоит .пп^ешеп, 1997].

Эксэргия рассчитывается по формуле [Ме] ег , 1шг§епвеп, 1978]:

п

Ех = ЯТ^ в 1п

г=0

где Ех - эксэргия, Я - газовая постоянная, Т-абсолютная температура, с.—концентрация в экосистеме компонента г, с. ^ - концентрация компонента г в условиях термодинамического равновесия с окружающей средой, г = 0 -неорганические соединения, I = 1 - детрит, 1> 2 - организмы.

Величина с.ед представляет собой очень малую (но не нулевую) концентрацию органических компонентов, еоответствующую очень низкой вероятности спонтанного фор-

мирования комплексных органических соединений в «первичном бульоне» е условиях термодинамического равновесия. Проблема практического применения уравнения (1) состоит в нахождении величины с. ^ для каждого из значимых компонентов. С.Э. Иорген-сеном был разработан метод расчета эксэр-гии для любых (/> 2) компонентов экосистемы для которых известна биомасса, приблизительное число клеток и значащих последовательностей ДНК [13].

Например, для зеленых одноклеточных водорослей это будет

Ех / ЯТ = 25,2 • 10 5 с .

5 г

Тогда, еенеся общую величину эксэргии к таковой для детрита (7,34 *105), мы избавимся от многочисленных нулей и получим пересчетный коэффициент / , который для зеленых одноклеточных водорослей будет составлять 3,4, для дрожжей - 6,4, олигохет -35, коловраток-30, копепод-44 итп. Соответствующие коэффициенты уже рассчитаны для многих систематических групп организмов и опубликованы [14-17]. Тогда общая эксэргия экосистемы может быть рассчитана по уравнению

п

Ех / ЯТ=^Сг/г ,

г=1

структурная эксэргия, соответственно - по уравнению

п п

Ех*г=Т<Сг^ С .

г=1 г=1

Для оценки пригодности приложения структурной эксэргии к реальным природным экосистемам был проведен расчет структурной эксэргии для планктонного сообщества пелагиали Южного Байкала в верхнем трофогенном слое 0-50 м за период 1990-2002 гг. Расчет выполнялся на основании данных ГИС «Шанктон» НИИ биологии при ИГУ, полученных в результате еженедельных наблюдений на пелагической постоянной станции № 1.

Район постоянной станции № 1 является фоновым для Южного Байкала [3, 5]. Таким образом, рессчитав значения структурной эксэргии для не подверженного антропогенно-

му влиянию района, мы получим диапазон естественной ее изменчивости.

Структурная эксэргия рассчитывалась по формуле (3); в качестве пересчетного коэффициента для зоопланктона бралось 44, вля фитопланктона - 3,4 [17]. Биомасса фитопланктона рассчитывалась исходя из того, вто хлорофилл а составляет 0,25% сырой биомассы фитопланктона, по формуле [11]:

Ба = 400 • С

ф X

где Бф - сырая биомасса фитопланктона, мг«м-3; 400 в пересчетный коэффициент; С - концентрация хлорофилла а, мг*м-3.

Среднегодовые значения структурной эк-сэргии за период 1990-2002 гг. изменялись в пределах от 11,8±1,7 (1994 г.) до 22,0±1,6 (2002 г.) со среднемноголетним равным 17,1±0,4 (табл. 1).

Таблица 1. С реднегодовые значения структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 ( Южный Байкал), 1990-2002 гг.

Год Структурная эксэргия Год Структурная эксэргия

1990* 18,3±1,7 1997 15,6±1,0

1991 19,0±1,5 1998 16,9±0,9

1992 21,0±1,1 1999 15,9±1,0

1993 19,1±2,4 2000 13,2±1,1

1994 11,8±1,7 2001 18,9±1,4

1995 17,7±2,1 2002 22,0±1,6

1996 16,4±1,0 1990-2002 17,1±0,4

данные за июнь-декабрь

о ^

т

к со х

о. >»

о.

25,00 п 20,00 -15,00 -10,00 -

¿3 5,00 -

0,00

1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Год

-•—Структурная эксэргия ~~ _ Среднемноголетнее " " " Среднемноголетнее±5

Рис. 1. М н оголетняя динамика структурной эксэргии в слое 0-50 ее на пелагической станции № 1 ( Южный Байкал), 1990-2002 гг.

На рис. 1 видно, что все среднегодовые значения структурной эксэргии не выходят за пределы «среднемноголетнее ± среднее квад-ратическое отклонение (д)». Таким образом, среднегодовые значения структурной эксэргии в период 1990-2002 гг. волебались вокруг своего среднемноголетнего значения, не испытывая каких-либо направленных изменений, что, в свою очередь, говорит об отсут-

ствии неблагоприятных изменений в планктонном сообществе фонового района пелаги-али Южного Байкала.

При анализе внутригодовых изменений структурной эксэргии за 1990-2002 гг. были выявлены максимальные и минимальные ее значения (табл. 2). Наименьшее значение структурной эксэргии, равное 4,3, зарегистрировано в 1994 г., наибольшее, равное 40,8,

-в 2002 г..

За весь рассматриваемый период годовой минимум значений структурной эксэргии в слое 0-50 м та пелагической станции № 1 в 23% елучаев приходился на апрель и в 3 8% -на май (т.е. н е конец подледного - начало переходного периодов). В сего же на биоло-

гическую весну (февраль-июнь) приходилось 85 % случаев минимума структурной эксэргии. Годовой максимум значений структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 в 70% случаев приходился на летне- осенний период.

Таблица 2. В нутригодовые максимальные и минимальные значения структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 ( Южный Байкал), 1990-2002 гг.

год Структурная эксэргия

минимум месяц максимум месяц

1990* 8,6 7 32,0 6

1991 9,0 4 34,0 6

1992 11,7 6 32,4 11

1993 4,9 12 30,4 5

1994 4,3 4 29,3 8

1995 5,2 5 33,3 3

1996 8,4 3 24,7 10

1997 4,7 5 27,1 10

1998 4,7 5 29,0 7

1999 5,7 5 31,7 9

2000 4,4 4 27,0 10

2001 7,8 3 29,8 8

2002 7,8 5 40,8 9

1990-2002 4,3 40,8

* - данные за июнь-декабрь

В экспериментах с моделью возмущений, а также в натурных экспериментах с мезокос-мами на оз. Б айкал показана существенно большая чувствительность весеннего сообщества планктона, по сравнению с летне-осенним планктоном, к действию химических загрязнителей, ееичем как питательных веществ (биогенные элементы), так и токсикантов [2]. Приведенные выше данные также свидетельствуют о меньшей устойчивости весеннего комплекса видов байкальского планктона. Следовательно, ллетyплeниe загрязнителей в Байкал биологической весной с гораздо большей вероятностью может вызвать неблагоприятные сдвиги в экосистеме озера.

При наличии многолетней динамики структурной эксэргии, р ассчитанной по значениям биомассы зоопланктона и концентрации хлорофилла а, наме была рассчитана

и сезонная динамика структурной эксэргии в слое 0-50 м на пелагической станции № 1 для 1999 г. по имеющимся данным биомасс зоо-и фитопланктона. Причем сырая биомасса каждого вида фитопланктона вычислялась путем умножения его численности (числа клеток) на объем клетки данного вида, принимая удельный вес равным единице. При енализе сезонной динамики структурной эксэргии в 1999 г. обращает на себя внимание тот факт, что в период вскрытия озера ото льда, е переходный к лету период (май-июнь), значения структурной эксэргии почти втрое меньше по сравнению с другими периодами фис. 2). Этот факт наглядно свидетельствует о меньшей устойчивости весеннего сообщества планктона.

Интересен также тот факт, что минимальные показатели структурной эксэргии наблю-

даются не биологической зимой, в период годового минимума биомасс зоо- в фитопланктона [4], в биологической весной. Интерпре-

тация этого явления может стать задачей будущих исследований.

дата

Рис. 2. Д и намика структур ной эксэргии в слое 0-50 ее на пелагической станции № 1

( Южный Байкал), 1999 г.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям РФ (шифр 2006-РИ-19.0/ 001/096, государственный контракт № 02.442.11.7261 в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным на-

правлениям развития науки и техники») в гранта по разделу «Университеты России» Научной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Федерального агентства по образованию РФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1978.

2. Зилов ЕЛ. Использование эксэргии для оценки здоровья водных экологических систем // Эвосистемы и природные ресурсы горных стран. Новосибирск: Наука, 2004.

3. Изместьева Л.Р., Кожова ОМ. Опыт организации гидробиологического мониторинга // Методология оценки состояния экосистем. Новосибирск: Наука, 1998.

4. Кожов ММ. Биология озера Байкал. М.: Изд-во^СССР, 1962.

5. Кожова ОМ., Бейм А.М. Экологический мониторинг Байкала. М.: Экология, 1993.

6. Камшилов ММ. Эволюция биосферы. М.: Наука, 1979.

7. Маргалеф Р. Облик биосферы. М.: Наука, 1992.

8. Миничева ГГ. Прогнозирование структуры фитобентоса с помощью показателей поверхности водорослей// Бот. журн. 1990. Т. 75, №11.

9. Мини чева Г. Г. Ивпользование показателей поверхности бентосных водорослей для экспресс-диагностики трофо-с^робионт-ного состояния прибрежных экосистем //

Альгология. 1998. Т. 8, № 3.

10. Михайловский Г.Е. Описание и оценка состояния планктонных сообществ. М.: Наука, 1988.

11. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений / Под ред. В А. Абакумова. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.

12. Costanza R. Toward an operational definition of ecosystem health // Ecosystem Health: New Goals for Environmental Management. Washington: Island Press, 1992.

13. Jorgensen S.E. Parameters, ecological constraints and exergy // Ecological Model. 1992. Vol. 62.

14. Jorgensen S.E. Review and comparison of goal functions in system ecology // Vie Milieu. 1994. Vol.44.

15. Jorgensen S.E. Exergy and ecological systems analysis // Complex Ecology: the Part-Whole Relation in Ecosystem. 1995.

16. Jnirgensen S.E. Integration ofEcosystem Theories:

a Pattern. 2nd ed. Doedrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers, 1997.

17. Jürgensen S.E., Bendoricchio G. Fundamentals of Ecological Modelling. 3d ed. Amsterdam: Elsevier, 2001.

18. Jorgensen S.E., Nielsen S.N. Models of the structural dynamics in lakes and reservoirs // Ecological Modelling. 1994. Vol. 74.

19. Karr J.R. Biological integrity: a long-neglected aspect of water resource management // Ecological Applications. 1991. Vol.1.

20. Margalef R. Perspectives in Ecological Theory. Chicago: Univ. Press, 1968.

21. Margalef R. Ecologia. Barcelona: Omega, 1974.

22. Mejer H.F., Jorgensen S.E. Energy and ecological buffer capacity // State of the Art in Ecological Modelling. Copenhagen: ISEM, 1979.

23. Ulanowicz R.E. Network growth and development: Ascendancy // Complex Ecology. New Jersey. 1995.

THE USE OF STRUCTURAL EXERGY AS AN INTEGRAL INDEX OF THE

ECOSYSTEM STATE

© 2006 A.V. Mokry, E.A. Silow Irkutsk State University, Irkutsk

Structural exergy is calculated for the background region of the Southern Baikal pelagial (permanent station #1). The average annual values of structural exergy in this region in 1990-2002 fluctuated within the limits between 11.8±1.7 (1994) and 22.0±1.6 (2002) around their average (17.1±0.4). They do not demonstrate any tendency which points to the lack of negative changes in the planktonic community of Southern Baikal.