ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЧИСЛЕННОСТИ МАКРОЗООБЕНТОСА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ИНДЕКСА ГУДНАЙТА-УИТЛЕЯ

Зыков И.Е.¹, Ваулин Д.Е.²

¹ORCID: 0000-0002-6027-3700, кандидат биологических наук, доцент, профессор РАЕ,

²ORCID: 0000-0002-1767-447Х, студент факультета биологии, химии и экологии,

Государственный гуманитарно-технологический университет

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЧИСЛЕННОСТИ МАКРОЗООБЕНТОСА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ИНДЕКСА ГУДНАЙТА-УИТЛЕЯ

Аннотация

Приводится попытка оптимизации расчетов биотического индекса Гуднайта-Уитлея для малых рек средней полосы России. Учитывается интегральный показатель численности индикаторных таксонов по данным нескольких створов, используются таблично заданные функции, находится определенный интеграл от функции. Аппроксимация функции распределения зообентоса значительно уменьшает погрешность при расчете указанного индекса. Предложенный метод может быть применен и для других биоиндикаторов, не являющихся обитателями дна.

Ключевые слова: индекс Гуднайта-Уитлея, зообентос, интегральный показатель численности, аппроксимация функции распределения.

 

Zykov I.E.¹, Vaulin D.E.²

¹PhD in Biology, associate professor, professor RAE,

²student of the faculty of biology, chemistry and ecology,

State humanitarian technology University

INTEGRAL ESTIMATION OF THE NUMBER OF MACROZOOBENTHOS IN THE DETERMINATION OF THE INDEX GOODNIGHT-WHITLEY

Abstract

Is trying to optimize the calculation of the biotic index Goodnight-Whitley for small rivers of Central Russia. Considered an integral indicator of the number of indicator taxa according to multiple sites, use the table given functions, is a definite integral of a function. Approximation of the distribution function of the zoobenthos significantly reduces the error when calculating the specified index. The proposed method can be applied to other bio-indicators which are not inhabitants of the bottom.

Keywords: index Goodnight-Whitley, zoobenthos, an integral index number, the approximation of the distribution function.

При оценке экологического состояния водоемов наиболее информативным и надежным биоиндикатором качества водной среды является зообентос. В связи с достаточной продолжительностью развития донных беспозвоночных и их оседлым образом жизни, именно зообентос характеризует как экологическое состояние водотока в целом, так и состояние конкретных его участков [1].

При определении биотических индексов, основанных на учете численности особей различных видов и надвидовых групп донных беспозвоночных, большая доля погрешности возникает из-за неравномерного распределения и обнаружения видов в створе. Это особенно проявляется при выборочном взятии проб на реках с изменчивыми грунтами, островным расположением донной растительности и другими факторами, влияющими на концентрацию особей. Возникает ситуация, когда в двух близкорасположенных точках забора образцов может оказаться различное соотношение индикаторных таксонов.

При определении индекса Гуднайта-Уитлея необходимо отнести численность олигохет к общему числу обнаруженных в реке особей макрозообентоса [4]. Такое соотношение будет неодинаковым даже при заборах на близкорасположенных участках русла. Наиболее заметно эта погрешность проявляется при небольших площадях исследуемых участков дна реки. Например, подобные расхождения были выявлены нами на реке Большая Дубна, протекающей в северной части Орехово-Зуевского района Московской области.

По данным государственного водного реестра Российской Федерации (код: 09010300712110000031603) река Большая Дубна относится к Окскому бассейновому округу, водохозяйственному участку реки Клязьма от города Орехово-Зуево до города Владимир.

Общая протяженность реки Большая Дубна около 30 км. Водосборная площадь – 280 км².  Ширина в верхнем течении от 1,5 м до 2 м, при устье - до 6-7 м. Исследования проводились в нижней половине русла, где ширина реки составляла не менее 3 м., глубина -  от 0,5 м до 1,2 м.

Река выраженного равнинного типа со скоростью течения около 0,2 м/сек.  Донные грунты песчаные, глинистые и каменистые. Прозрачность воды, определенная по диску Секки, составляет 35 см. Температура воды в летний период в верхних слоях - 20-22º С, в нижних - до 15º С. Вдоль русла нет рекреационных зон и крупных хозяйственных объектов. Однако реку пересекают автомагистрали М6 и А108 [2].

Сбор макрозообентоса осуществлялся с мая по октябрь 2014 года по стандартной методике. Площадь дна, с которой производился сбор материала, составляла 0,5-1 м². Взятие проб проводили в трех местах по руслу реки. На каждом участке делали по 2 единовременных забора в точках, отстоящих друг от друга на расстояние 20-500 м. Всего произведено 12 заборов донных проб.

Первая точка забора проб, находящаяся в 2 км к северо-востоку от города Орехово-Зуево, характеризуется большой извилистостью русла. Течение спокойное, местами в воде находятся стволы упавших прибрежных деревьев.  В этом месте реку Большая Дубна пересекает лесная дорога с железобетонным мостом. Сбор зообентоса производился в мае в 20 и 40 м ниже моста по течению, на излучинах на глубине 0,5-1 м, а также в августе и октябре в 30 и 400-500 м выше моста по течению, на глубине 0,3-0,6 м.

Во второй точке, расположенной в 1,5 км к северу от поселка Пригородный, реку Большая Дубна пересекает федеральная трасса А108. Исследования дна проводились в мае в 30 м ниже моста по течению реки и в 25 м выше него на глубине около 0,5 м. Русло реки выпрямленное, берега отвесные, почти без травяной растительности.

Третья точка находится в 850 м к западу от деревни Большая Дубна.  Здесь река имеет пологие берега, русло прямое. Пробы в этом месте взяты в июне и июле в 15 м от моста выше по течению и в 5 м ниже моста на глубине 0,6-1 м. В 3-5 м выше и ниже моста на отмелях отмечена обильная водная растительность. Берег в непосредственной близости к мосту не закрыт кустарниковой и древесной растительностью, что значительно увеличивает уровень освещенности зеркала реки [2].

Исследования небольших площадей дна реки Большая Дубна связаны с ограниченными возможностями ловли животных. В итоге были получены различные значения индекса Гуднайта-Уитлея при исследовании даже одного биотопа на небольшом протяжении русла.

Чтобы избежать таких ошибок, предлагается учитывать при подсчете индексов не абсолютную численность особей в отдельной пробе, а интегральный показатель численности, отражающий общую численность животных на протяженном участке русла реки.

Для его определения необходимо иметь данные по нескольким створам, отстоящим друг от друга на небольшом расстоянии. Минимально это может быть 4-5 заборов проб. Расстояние между створами не влияет существенно на результат, может выбираться исходя из удобства работы и должно быть измерено от первого створа по руслу реки.

В целом в локальном биотопе плотность зообентоса неравномерна. Она имеет некоторую точку максимума и падает несимметрично при удалении от нее как вниз, так и вверх по течению [3], что позволяет вывести зависимость плотности зообентоса от расстояния по руслу. При ограниченном числе заборов получаются таблично заданные функции, где в первой строке окажутся расстояния от условной точки начала серии заборов зообентоса, а во второй – найденная численность особей.

Остальную часть работы можно производить с помощью широко распространенной программы из пакета «MSOffice», работающей с электронными таблицами «MSExcel». Прежде всего, понадобится найти функцию, наиболее соответствующую графику, построенному по точкам. Это можно сделать с помощью опции «Формат линии тренда». Для аппроксимации лучше выбирать полиномиальную функцию (в большинстве случаев достаточную величину достоверности дает уже квадратичная функция).

На рисунке 1 в графу “B” внесены расстояния мест забора зообентоса от выбранной точки по руслу реки в метрах, в графу “C” -  соответствующее им количество найденных индикаторных особей. График аппроксимации описывается функцией:

y = - 0.134x²+3.255x-0.251, при R² удовлетворительно близком к 1.

Далее находится определенный интеграл от функции, являющейся аппроксимацией по полученным точкам. Для этого возможно использование математических программ.

Полученное число используется для подсчетов индексов. Для индекса Гуднайта-Уитлея высчитывается, например, определенный интеграл по олигохетам и делится на интеграл общей численности зообентоса.

Рис. 1 – Аппроксимация функции распределения зообентоса

Необходимо пояснить некоторые моменты:

1. Каждая точка построенного по таблице графика отражает не численность особей в месте забора, а плотность их на единицу площади, равную площади взятия пробы;
2. Полученное решением интеграла число не равно общему числу особей на исследуемом участке, оно отражает лишь число особей на некоторой полосе, ширина которой определена шириной участка дна, охватываемой при заборе проб, а длина равна расстоянию между крайними точками взятия проб.

Этим же методом несложно получить среднюю видовую плотность, отражающую биоразнообразие и представляющую большой интерес [5]. И, наконец, описанный метод может быть применен и для других биоиндикаторов, не являющихся обитателями дна, например, для определения численности фитопланктона или макрофитов.

Список литературы / References

1. Зыков И.Е. Оценка качества воды реки Клязьмы восточных районов Подмосковья [электронный ресурс] / И.Е. Зыков // Орехово-Зуево: Вестник МГОГИ. Серия: медико-биологические науки. – 2013. - № 1. – C. 11-19.
2. Зыков И. Е., Ваулин Д. Е. Сравнительный анализ биотических индексов оценки качества воды реки Большая Дубна восточного Подмосковья / Минск: Экологический вестник. – 2015. - № 4 (34). - С. 121-125.
3. Кузнецова Н. В. Современное гидробиологическое состояние реки Яхрома как модельной малой реки Подмосковья: дис. … кан. биол. наук: 03.02.10 : защищена 18.12.2015 / Кузнецова Наталья Владимировна. - М., 2015. - С. 120-126.
4. Чертопруд М. В. Мониторинг загрязнения водоемов по составу макрозообентоса: методическое пособие / М.В. Чертопруд. – М.: Ассоциация по химическому образованию, 1999. - 16 с.
5. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т. Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации / Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. - С. 156-165.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zykov I. E. Ocenka kachestva vody reki Kljaz'my vostochnyh rajonov Podmoskov'ja [Assessment of water quality of the river Klyazma in the Eastern districts of the Moscow region] [electronic resource] / I. E. Zykov // Orekchovo-Zuevo: Bulletin of MGOGI. Series: medico-biological science. – 2013. - № 1. – P. 11-19. [in Russian]
2. Zykov I. E., Vaulin D. E. Sravnitelnyy analiz bioticheskikh indeksov ocenki kachestva vody reki Bolshaya Dubna vostochnogo Podmoskovya [A comparative analysis of the biotic indexes of water quality assessment of the river Large Dubna Moscow region] / I. E. Zykov, D. E. Vaulin // Ekologicheskiy vestnik [Ecological Bulletin], Minsk: 2015. - № 4 (34). - P. 121-125. [in Russian]
3. Kuzneczova N. V. Sovremennoe gidrobiologicheskoe sostoyanie reki Yakhroma kak modelnoy maloy reki Podmoskovya [Modern hydrobiological state of the river Yakhroma as a model of small rivers of Moscow region]: dis. … of PhD in Biology : 03.02.10 : defense of the thesis 18.12.2015 / Kuzneczova Natalia Vladimirovna. - M., 2015. - P. 120-126. [in Russian]
4. Chertoprud M. V. Monitoring zagryazneniya vodoemov po sostavu makrozoobentosa [Monitoring of water pollution on the composition of macrozoobenthos: a methodological guide] / M. V. Chertoprud. – M.: Associaciya po khimicheskomu obrazovaniyu, 1999. - 16 p. [in Russian]
5. Shitikov V.K., Rozenberg G.S., Zinchenko T. D. Kolichestvennaya gidroekologiya: metody sistemnoy identifikacii [Quantitative Hydroecology: methods of system identification] / V.K. Shitikov, G.S. Rozenberg, T. D. Zinchenko // Tolyatti: IEVB RAN, 2003. - P. 156-165. [in Russian]