ПРИМЕНЕНИЕ  ИНФОРМАЦИОННОГО  АНАЛИЗА И  ПРИНЦИПА  ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ В  ОЦЕНКЕ  СОСТОЯНИЯ  ЭНТОМОФАУНЫ В  УСЛОВИЯХ  ТЕХНОГЕННОГО  ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Богодухов  Павел  Михайлович

аспирант,  Всероссийский  НИИ  агролесомелиорации  РАСХН,  Волгоград

E-mail:  astrisbog@mail.ru

Состояние  энтомофауны  на  техногенно  загрязнённых  территориях  во  многом  определяет  функционирование  и  состояние  экосистемы  в  целом  [7].  Изучение  состава  и  структуры  населения  насекомых  агролесоландшафтов,  в  частности  защитных  лесных  насаждений,  исключительно  актуально  для  разработки  приёмов  сохранения  биоразнообразия  [1]. 

Наше  внимание  сосредоточено  на  территории,  прилегающей  к  Волгоградскому  алюминиевому  заводу  —  источнику  фтористого  загрязнения. 

Особенностью  климата  района  исследования  является  континентальность  и  засушливость.  По  своим  почвенно-климатическим  условиям  исследуемая  территория  относится  к  полупустынной  зоне.

В  ходе  изучения  состояния  энтомофаунистических  сообществ  были  проведены  инвентаризация  насекомых,  выяснение  их  пространственной  дифференциации  на  загрязнённой  территории.  Главным  вопросом  исследования  стала  оценка  состояния  энтомокомплексов  на  различном  удалении  от  алюминиевого  завода. 

Исследование  проводилось  с  применением  метода  экологических  трансект  [4,  5].  Нами  была  выбрана  трансекта  с  пробными  точками  200,  500,  1000,  2000,  3000  м  и  контрольным  участком  на  расстоянии  15000  м  от  источника  загрязнения.  Учёт  численности  насекомых  осуществлялся  методом  кошения  и  путём  подсчёта  на  пробных  площадках  [2,  3],  на  протяжении  всего  вегетационного  периода  дважды  в  месяц. 

Для  оценки  состояния  была  использована  методика  энторопийного  анализа  [1].

В  основе  оценки  состоянии  энтомофауны  лежит  предположение  о  том,  что  ключевым  фактором  формирования  населения  насекомых  на  сравнительно  небольшой  территории  с  однородным  ландшафтом  является  степень  загрязнения  воздушной  среды  выбросами  алюминиевого  производства.  Видовой  и  количественный  состав  энтомокомплексов  в  биотопах  изменяются  соответственно  уровню  загрязнения  их  поллютантами.  Структура  населения  насекомых  и  фактор  загрязнения  на  каждой  точке  трансекты  составляют  единую  систему,  пребывающую  в  состоянии  динамического  равновесия.  Совокупная  степень  отклонений  состояния  энтомофауны  в  биотопах  от  контроля  характеризуется  степенью  неупорядоченности  системы  (энтропией,  Н),  вызванной  воздействием  неодинакового  уровня  загрязнения.  С  другой  стороны,  для  системы,  находящейся  в  устойчивом  равновесии,  справедливо  использовать  принцип  Ле‑Шателье-Брауна,  согласно  которому,  внешнее  воздействие,  изменяющее  какое-либо  из  условий  равновесия,  вызывает  в  системе  процессы,  направленные  на  компенсацию  этого  воздействия.

Принцип  Ле-Шателье  для  замкнутой  системы  определяет  обязательную  реакцию  на  внешнее  воздействие,  выводящее  её  из  равновесия,  и  стимулирующее  процессы,  ведущие  к  ослаблению  результатов  этого  воздействия.  В  экологических  системах  или  их  частях,  которые  не  являются  замкнутыми,  выполнение  данного  принципа  не  обязательно.  В  то  же  время  оно  характеризует  их  способность  к  реагированию  на  внешние  воздействия  [6]. 

Использование  принципа  Ле-Шателье  позволяет  отметить  качественные  реакции  энтомофауны  на  уровень  загрязнения  в  рамках  уравновешивания  системы.  Расчет  энтропии  по  конкретному  параметру  позволяет  дать  количественную  оценку  влияния  поллютантов  на  данный  показатель.  Следует  отметить,  что  в  рамках  одного  параметра  изменение  уровня  энтропии  системы  является  индикатором  действия  принципа  Ле-Шателье  как  свойства,  в  качестве  реакции  на  воздействие  поллютантов. 

Первичными  параметрами  состояния  энтомонаселения,  использованными  нами  при  расчете  энтропии,  являются  количество  видов  и  численное  обилие  особей. 

При  расчете  структурной  энтропии  были  определены  теоретически  возможные  максимальные  значения  количества  видов  насекомых,  способных  обитать  на  данной  территории  и  их  средняя  численность.  Установлено,  что  в  исследуемой  экосистеме  теоретически  может  обитать  не  более  271  вида  с  численностью  до  450  особей  в  выборке. 

Согласно  представленным  данным,  максимальное  воздействие  на  сообщество  насекомых  поллютанты  оказывают  в  биотопе,  расположенном  на  расстоянии  500  м  от  источника  загрязнения.  Такое  воздействие  выбросов  на  энтомонаселение  является  настолько  разрушающим,  что  относительная  энтропия  системы  на  данном  участке  характеризуется  значениями  большими  единицы,  то  есть  элементы  системы  не  являются  взаимосвязанными,  и  она  здесь  практически  не  существует  (табл.  1.).  В  составе  сообщества  насекомых,  населяющих  этот  биотоп,  присутствуют  лишь  отдельные  элементы,  характерные  для  энтомофауны  соседствующих  с  ним  биотопов.  Это  во  многом  объясняет  развивающиеся  здесь  процессы  деградации  энтомосообщества.

Таблица  1. 

Значения  информационных  характеристик состояния  энтомофауны  биотопов по  мере  удаления  от  источника  загрязнения

Примечание:  S  —  количества  видов,  N  —  численность  особей  в  выборке.

Количество  видов  и  их  численность  на  данном  участке  неустойчивы  во  времени,  пробы  отличаются  волатильностью  измерений.  Значение  относительной  энтропии  больше  единицы,  на  наш  взгляд,  объясняется  ещё  и  тем  фактом,  что  сам  показатель  рассчитывается  для  практических  значений  относительно  контрольной  экосистемы,  но  она  имеет  теоретический  запас  устойчивости,  который  и  реализуется  в  данных  расчетах. 

По  мере  удаления  от  зоны  глубокой  экологической  деградации  (500  м)  показатели  структурной  энтропии  и  ИПВ  начинают  снижаться,  а  устойчивость  системы  увеличивается.  Степень  нарушенности  сообществ  насекомых  модельных  участков  можно  выразить  суммой  структурных  энтропий  для  показателей  S  и  N,  тогда  деградация  системы  уменьшается  в  следующей  последовательности  500  м,  1000  м,  200  м,  2000  м,  3000  м. 

Такие  результаты  связаны  не  только  с  пропорциональным  уменьшением  загрязнения  в  ряду,  но  и  с  увеличением  возможности  систем  к  перестройке  своих  элементов  с  целью  снижения  воздействия.  Иными  словами,  согласно  принципу  Ле-Шателье  различные  дозы  поллютантов,  действующих  на  биосистемы,  вызывают  реализацию  в  системе  определённых  компенсаторных  механизмов,  которые  в  различной  степени  снижают  влияние  вредных  воздействий  на  энтомонаселение. 

Мы  рассматриваем  систему  с  двумя  параметрами  состояния  энтомофауны  (видовое  разнообразие  и  численное  обилие),  следовательно,  она  имеет  четыре  различных  компенсаторных  механизма.  То  есть,  для  двух  параметров  существует  по  два  реакционных  состояния:  активация  и  угнетение.  С  энергетической  точки  зрения  это  явление  рассматривается  следующим  образом:  энергия  приходящая  извне  (в  нашем  случае  —  энергия  химических  связей  загрязняющих  агентов)  может  быть  использована  системой  для  самопостроения  или  угнетающе  воздействовать  на  её  компоненты.  Определить  способ  реакции  экосистемы  для  каждой  стации  можно  посредством  расчета  показателя  энтропиной  эквивокации  (e). 

При  |e(N)|  >  |e(S)|  определяющей  реакцией  системы  является  изменение  численности  особей.  Если  же  |e(N)|  <  |e(S)|,  то  система  реагирует  изменением  количества  видов.  Полученные  данные  свидетельствуют,  что  четыре  компенсаторных  механизма  сводятся  к  следующим  модальным  реакциям  под  действием  различных  доз  загрязнения: 

1.Рост  численности  особей  —  наблюдается  при  |e(N)|  >  |e(S)|,  e(N)<0.  Такая  реакция  более  соответствует  экосистеме  на  расстоянии  3000  м  от  источника  загрязнения.

2.Увеличение  количества  видов  —  при  |e(S)|  >  |e(N)|,  e(S)<0.  Характеризует  экосистему  на  расстоянии  2000  м  от  источника  загрязнения.

3.Снижение  численности  особей  —  при  |e(N)|  >  |e(S)|,  e(N)>0.  Реакция  в  большей  степени  свойственная  энтомокомплексам  на  расстоянии  200  м  от  завода. 

4.Уменьшение  количества  видов  —  при  |e(S)|  >  |e(N)|,  e(S)>0.  Сообщество  на  расстоянии  1000  м  от  завода.

Оба  параметра  системы  изменяются  одновременно,  но  результирующую  степень  ненадёжности  двухфакторной  системы  можно  определить  суммарной  эквивокацией  обоих  факторов  (рис.  1).  Исходя  из  выявленной  зависимости,  увеличение  негативного  влияния  техногенного  загрязнения  на  энтомокомплексы  происходит  в  ряду  3000  м,  2000  м,  200  м,  1000  м,  500  м  и  количественно  соответствует  увеличению  выбросов,  но  система  реагирует  качественно  по-разному.  Качественная  неоднородность  реакции  отражается  в  ступенчатой  динамике  экологических  индексов.  Отсюда  следует,  что  по  мере  увеличения  техногенной  нагрузки  реакция  экосистемы  претерпевает  изменение  по  следующей  цепи:  рост  численности  особей  –>  увеличение  количества  видов  –>  снижение  численности  особей  –>  снижение  количества  видов. 

Рисунок  1.  Изменение  степени  неустойчивости  энтомокомплексов  биотопов  трансекты  (по  показателю  эквивокации)

В  нашем  случае  химическая  энергия  загрязняющих  веществ,  сначала  ослабляюще  действуя  на  низшие  элементы  пищевых  цепей,  позволяет  высшим  звеньям  этой  цепи  (насекомым)  использовать  объекты  питания  с  меньшими  затратами  энергии.  Этим  объясняется  стимулирующее  влияние  малых  доз  загрязнения  на  численность  консументов  первого  и  последующих  порядков.  При  этом  происходит  некоторое  увеличение  количества  видов  в  системе  и  их  численности.  Далее  численность  особей  начинает  снижаться,  будучи  угнетаема  усиливающимся  воздействием  поллютантов,  а  последующее  увеличение  загрязнения  в  системе  начинает  негативно  отражаться  на  числе  слагающих  её  видов.  В  конечном  варианте  система  перестаёт  существовать. 

Список  литературы:

1. Еремеева  Н.И.  Структура  и  экологические  механизмы  формирования  мезофауны  членистоногих  урбанизированных  территорий:  на  примере  г.  Кемерово.  дис.  д-ра  биол.  наук  :  03.00.16  Кемерово,  2006.  306  с.
2. Палий  В.Ф.  Методика  изучения  фауны  и  фенологии  насекомых  /  В.Ф.  Палий  //  Воронеж:  Центр.  —  Чернозем.  кн.  изд-во,  1970  —  192  с.
3. Песенко  Ю.А.  Принципы  и  методы  количественного  анализа  в  фаунистических  исследованиях  /  Ю.А.  Песенко  //  М.:  Наука.  1982  —  287  с. 
4. Соколов  В.Е.,  Стриганова  Б.Р.  Изучение  разнообразия  животного  населения  в  зональных  климатических  градиентах  с  использованием  трансектного  метода  /  В.Е.  Соколов,  Б.Р.  Стриганова  //  Известия  РАН.  —  Сер.  Биол.  —  №  4.  —  1998.  —  С.  422—427.
5. Стриганова  Б.Р.,  Порядина  Н.М.  Животное  население  почв  бореальных  лесов  Западно-Сибирской  равнины.  —  М.:  Товарищество  научных  изданий  КМК.  2005.  234  с.
6. Тарко  А.М.  Устойчивость  биосферных  процессов  и  принцип  Ле-Шателье.  //  Доклады  академии  наук,  1995,  том  343,  №  3,  с.  393—395.
7. Уиттекер  Р.  Сообщества  и  экосистемы.  /  Уиттекер  Р.  //  М.:  Прогресс.  —  1980.  —  326  с.