Методическое пособие 818

УДК 556.56:592

А.Е. Силина1, 2, А.А. Оськина3

СТРУКТУРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗООБЕНТОСНЫХ СООБЩЕСТВ ПРИТОКА ХОПРА И КАЧЕСТВО РЕЧНОЙ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ ЗООГЕННОГО ВЛИЯНИЯ

В статье приводится анализ доминантно-информационной структуры донных сообществ макрозообентоса малой реки Селемутка в верховье Хопра. В условиях заповедного режима выявлены основные тенденции трансформации биоценозов и качества воды в условиях зоогенного влияния.

Ключевые слова: макрозообентос, сообщество, численность, биомасса, информационное разнообразие, доминирование, устойчивость, качество воды.

Введение Макрофауна беспозвоночных верховий Хопра на территории заповедника

«Приволжская лесостепь» изучена недостаточно. Основной целью работы были выявление типов и видов донных сообществ реки – притока 2 порядка Хопра в верхнем течении, а также анализ их доминанатно-информационной структуры и оценка качества воды в условиях остаточного влияния бобровых поселений в условиях заповедного режима [1-15]. Данные по структуре донных сообществ макробеспозвоночных реки Селемутка приводятся впервые.

Место проведения исследований Исследования проводились в мае-сентябре 2016 г. на территории Колышлейского

района Пензенской области (520 49 - 520 50 с.ш. и 44023 – 440 27 в.д.). Территория относится к заповедному участку «Островцовская лесостепь» заповедника «Приволжская лесостепь», располагающегося на юго-западе Приволжской возвышенности в лесостепной зоне Среднего Поволжья России (Добролюбов и другие авторы, 2013) [1-3].

Река Селемутка - правобережный приток Хопра 2 порядка (донской речной бассейн), является основным водотоком заповедного участка «Островцовская лесостепь» длиной 11,2 км (Осипов, 2014) [4-9]. Скорость течения в низовье составляет 0,25-0,37 м/с. Русло реки в районе спущенного бобрового пруда на местах выхода бобровых нор сильно заилено. Участок характеризуется почти полным отсутствием погруженной растительности, у разрушенной бобровой плотины распространены мелкие скопления рясковых, вдоль берега развиты ассоциации камыша лесного. По склонам простираются заросли ольхи черной. Длина исследуемого участка составляла около 30 м, ширина реки - от 2 до 4 м, прозрачность до дна, глубины - до 0,8 м. Ниже по течению русло р. Селемутка обследовалось в 1 км и в 1,5 км ниже влияния бобровых поселений (в 1 -1,5 км от устья с р. Хопром). Ширина реки на этих участках составляла 0,6-1,5 м, в заводях – до 2 м, глубины в межень – от 0,02 м до 0,8 м. Склоны высокие, местами обрывистые до 1-2,5 м. Грунт – песок, местами - заиленный песок, на перекате - камни.

Отбор проб на р. Селемутка проводился в 7 пунктах: 3 – в центральной и приплотинной части спущенного бобрового пруда, и по 2 пункта (заводи и перекаты) на двух наиболее типичных участках русла ниже по течению.

Спущенный бобровый пруд:

1.Левобережная рипаль в месте выхода бобровой норы, с сильно заиленным грунтом (потамаль в трактовке М.В. Чертопруда, 2011).

2.Медиаль на течении, на участке с песчаным грунтом (ритраль).

3.В приплотинном участке – правобережная рипаль на слегка заиленном мелководье (потамаль), участок у базы заповедника выше моста.

4.Песчаный участок русла с умеренным течением (ритраль).

140

5.Заиленная заводь ниже переката со слабым течением (потамаль), участок ниже базы

иниже моста.

6.Каменисто-песчаный перекат с бродом, на сильном течении (креналь).

7.Песчаная заводь со слабым обратным течением в 20 м ниже переката (потамаль). Методы исследований Методическая часть исследований сведена в табл. 1.

Таблица 1

Алгоритм изысканий

141

Результаты исследований По данным 2016 г. на обследуемом участке среднего и нижнего течения р. Селемутка

было выявлено, что в заводях (потамаль) распространены пелофильные либо пелопсаммофильные слабореофильные биоценозы (Жадин, 1940; Чертопруд, 2011) [10, 11].

Вмедиальной зоне (ритраль) распространены песчаные реофильные ценозы, в местах

свыходами глины (база) – псаммоаргиллофильные, в местах с выходом каменистых грунтов,

спримесью отсыпки у моста ниже базы (креналь) – псаммолитореофильные (перекат) либо литореофильные (брод).

Врипали реки преобладали псаммопелореофильные биоценозы. Это обусловило разнообразие типов и видов донных сообществ реки. Если продвигаться по сукцессионному ряду – от участка, ниже базы с креналью и генетически связанной с ней потамалью как наиболее молодой стадии развития ценозов, до участка бывшего бобрового пруда, как наиболее зрелой, очевиден тренд изменений в структуре сообществ.

Так, для участка переката характерен инсектарный тип сообществ, что свойственно большинству исследуемых автором родниково-ручьевых экосистем в долине р. Оскол Донского бассейна (личные данные А.Е. Силиной).

Сообщество каменистого брода характеризуется доминантным комплексом, сформированным детритофагами - поденками-гептагениидами и всеядными цедителями – ручейниками-гидропсихидами; в медиали переката – крупными детритофагами – ручейниками-лимнефилидами; в заводи – лимнефилидами и роющими поденкамиэфемеридами (таблица). Сообщества кренали – бидоминантные, потамали – монодоминантное.

Субдоминантный комплекс сообщества брода весьма беден и представлен лишь

личинками жуков р. Elodes, другие сообщества участка обладают богатыми субдоминантными комплексами, включающими по 3 вида беспозвоночных – насекомых, мелких двустворчатых моллюсков и (либо) олигохет, что обусловлено слабо выраженным здесь заилением биотопов.

Сообщества характеризуются низким таксономическим разнообразием (по 8-12 видов), пониженным информационным разнообразием Шеннона (2,3-3,5 бит/экз.), сходным по динамике с показателями Маргалефа, низкой численностью (133,3-234,9 экз./м2) и биомассой зообентоса (2,0-2,9 г/м2), сравнимыми лишь с медиалью бывшего пруда.

При этом им свойственна высокая степень выровненности сообществ, низкая концентрация доминирования численности (кроме брода) и средняя – биомассы (за счет крупных форм доминантного и субдоминантного комплексов видов). Кроме этого относительно высокая устойчивость (А = 0,29-0,30, кроме брода) и минимальный уровнь энтропии (F = 0,05-0,06), который повышается в сообществе брода до средних для реки значений.

Участок русла напротив базы, в 0,5 км выше переката, населен вермоидным типом сообщества в рипали/медиали реки, где доминировали люмбрициды и тубифициды, и моллюсочно-инсектарным – в заводи, где доминантный комплекс сформирован двустворчатыми - эвглесидами, молодью Pisidium и личинками лимнефилид. Субдоминантами в русле были лимнефилиды, эвглесиды, то есть, доминанты сообщества заводи, и мелкие клопы р. Micronecta, в заводи – люмбрициды (со сменой вида), пиявкиглоссифониды и личинки стрекоз-красоток. По структуре доминантного комплекса сообщество русла реки можно отнести к бидоминантным, заводи – к тридоминантным. На этом участке возросло число семейств и, стабильно – число видов (до 19-25 видов), значительно возрастает численность (до 633,3 экз./м2) и биомасса (до 9,8 г/м2) сообществ, с максимумами в сообществе заводи.

Информационное разнообразие превышает уровень 3,0 бит/экз., что свидетельствует об оптимальности ценотической структуры сообществ. При этом выровненность сообществ

142

несколько понижена, в русле повышается концентрация доминирования биомассы за счет крупных эдификаторов (лимнефилиды, пизидииды), оставаясь на оптимальном уровне, устойчивость сообществ стабильно высока (А = 0,29-0,35), энтропия – на средне-низком уровне (F = 0,18-0,20).

Комплекс этих показателей свидетельствует о стабильном благополучии структур донных сообществ этого участка, по-видимому, являющихся фоновым для русла реки.

Участок реки с расположенным ранее, в 2015 г., молодым бобровым прудом, характеризуется сильным разбросом показателей, как в качественном аспекте, так и по количественным характеристикам донных сообществ, что связано со значительной промывкой русла в медиали, где сообщество в 2016 г. приближалось по структуре к таковому медиали участка переката (табл. 2). При этом происходит «измельчение» населяющих его форм и смена группы эдификатора (вермоидный тип монодоминантного сообщества с доминированием тубифицид, переходящих в медиаль из рипальной заиленной зоны).

Два других сообщества этого участка испытывают влияние сильного предшествующего заиления и биогенного дотирования в результате жизнедеятельности бобров. В пункте наибольшего зоогенного влияния (у выхода бобровой норы) видовое разнообразие максимально для сообществ реки (44 вида из 17 семейств), здесь зафиксированы максимальные показатели численности, в 6,4-30,4 раза превышающие таковые в сообществах других исследуемых участков, биомассы – в 2,4-26,2 раза

(4053,3 экз./м2 и 23,32 г/м2).

Следует отметить, что потенциально возможные максимумы информационного разнообразия Шеннона и индекс видового разнообразия Маргалефа принимают значения, превышающие теоретический максимум для природных экосистем (Hmax = 5,46 бит/экз.) [12-15]. Такое явление иногда характерно для экотонных и энергетически дотированных экосистем (эвтрофирование, термофикация и другие). Это обусловлено массовым заселением данного биотопа эврибионтными личинками Chironomus тип thummi нескольких форм, и скачком общего разнообразия, преимущественно за счет хирономид.

Тип этого монодоминантного сообщества – инсектарно-вермоидный, в состав субдоминантов входят, кроме тубифицид и C.т.thummi, и пелофильный вид p.Camptochironomus. Сообщество, населяющее приплотинную зону, вермоидного типа, где оба эдификатора – представители тубифицид. Оно характеризуется преобладанием видов и высоким обилием олигохет, за счет чего формируется высокая численность (2993,3 экз./м2),

сопоставимая с таковой у выхода бобровой тропы, при умеренном значении биомассы

(6,7 г/м2).

Информационные показатели здесь снижены, выровненность достигает минимума для речных сообществ (V = 0,53), что обусловлено относительно высокой концентрацией доминирования численности эдификаторов. Устойчивость сообщества низкая, сравнимая с устойчивостью сообщества переката, уровень энтропии – максимален для исследуемых речных сообществ (F = 0,46). Это свидетельствует о высоком уровне информационной избыточности, не реализуемом сообществом в условиях массового развития мелких доминантов.

Качество воды по показателю сапробности, отражающему уровень органического загрязнения водной среды, показывает усиление биогенных дотаций от участка переката к спущенному бобровому пруду. Так, в мае уровень сапробности во всех пунктах участка переката приближался к среднему в границах β-мезосапробного класса (умеренное загрязнение, являющееся фоновым для большинства малых водотоков донского бассейна).

Индекс повышается на участке русла с небольшим заилением у базы заповедника, где имеется остаточное влияние бобра (выход давно заброшенной бобровой норы в потамали), оставаясь в рамках β-мезосапробности, но с высоким значением индекса.

143

На участке спущенного бобрового пруда уровень сапробности повышен до α- и β-α- мезосапробного показателя (загрязенные воды и пограничные между загрязненными и умеренно загрязнеными водами).

В летний период наблюдалось усиление органического загрязнения в заводях на всех исследуемых участках и незначительная оптимизация в русле у базы и приплотинной зоне спущенного пруда, что связано с интенсивной промывкой этих участков. Осенью в спущенном бобровом пруде наблюдалось повышение показателей сапробности с максимумом у выхода бобровой тропы (S = 3,07, α -мезосапробная зона). В других пунктах четко оформленного тренда не наблюдалось.

Таблица 2 Доминантно-информационная структура макрозообентоса р. Селемутка в 2016 г.

Окончание табл. 2

145

Заключение и выводы

Врезультате исследований структуры донных сообществ р. Селемутка выявлены типы и виды сообществ кренали, ритрали и потамали реки.

Креналь населяют инсектарные сообщества различных видов при доминировании ручейников и поденок, в русле вне либо со слабо выраженным влиянием бобра выявлены вермоидный и моллюсочно-инсектарный типы сообществ, где эдификаторами выступают дождевые черви и тубифициды (ритраль), в заводи (потамаль) – мелкие двустворчатые моллюски и ручейники.

Взоне зоогенного влияния в медиали и приплотинной зоне спущенного бобрового пруда (ритраль) обитают вермоидные сообщества, в зоне максимального влияния бобра (потамаль, у выхода бобровой норы) – инсектарно-вермоидное при супердоминировании Chironomus тип thummi.

По мере усиления зоогенного влияния усиливается эвтрофикация вод, что влечет за собой рост численности, биомассы, таксономического и информационного разнообразия сообществ, возрастает уровень энтропии.

Качество воды по показателю сапробности, отражающему уровень органического загрязнения водной среды, показывает усиление биогенных дотаций от участка переката к спущенному бобровому пруду.

Работа А.Е. Силиной поддержана грантом РФФИ № 16-04-01248 «Роль бесхвостых амфибий и амфибиотических насекомых в формировании потока вещества и энергии между водными и наземными экосистемами в поймах рек».

Литература

1. Алимов А.Ф. Элементы теории функционирования водных экосистем / А. Ф. Алимов. СПб., 2001. 147 с.

2.Арабина И. П. Бентос мелиоративных каналов Полесья / И. П. Арабина, Б. П. Савицкий, С. А. Рыдный. Минск, 1988. 40 с.

3.Биологическое разнообразие и динамика природных процессов в заповеднике «Приволжская лесостепь». Островцовская лесостепь /Труды Госзаповедника «Приволжская лесостепь». Пенза, 2012. Вып. 2. 255 с.

4.Гиляров А. М. Индекс разнообразия и экологическая сукцессия / А. М. Гиляров // Журнал общей биологии. Т.ХХХ. №6. 1969. С. 652-657.

5.Добролюбов А. Н. Государственный природный заповедник «Приволжская лесостепь: физико-географическая характеристика и биологическое разнообразие природных комплексов /А. Н. Добролюбов, И. П. Лебяжинская, А.Ю. Кудрявцев, Т.В. Горбушина, Т. В. Добролюбова, В. В. Осипов. Изд. 2-е, доп. и переработ. // Труды Госзаповедника «Приволжская лесостепь». Пенза. 2013. Вып.4. 70 с.

6.Жадин В. И. Фауна рек и водохранилищ / В. И. Жадин // Тр. Зоол.ин-та АН СССР. М.- Л. 1940. Т. 5. Вып. 3-4. С. 519-992.

7.Лукин Е. И. Пиявки пресных и солоноватых водоёмов. Фауна СССР. Пиявки. Т. 1. / Е. И. Лукин. Л., 1976. 484 с.

8.Монаков А.В. Питание пресноводных беспозвоночных / А. В. Монаков. М., 1998.

320 с.

9.Осипов В. В. Предварительные данные о влиянии бобра (Castor fiber) на ихтиофауну малых степных рек Среднего Поволжья в условиях особо охраняемых территорий / В. В. Осипов // Экосистемы малых рек: биоразнообразие, экология, охрана. Материалы лекций II-й Всероссийской школы-конференции, 18-22 ноября 2014 г. / ИБВВ РАН, Т.II. Ярославль: Филигрань. 2014. С. 305-308.

146

10.Ферстер Ф. О самоорганизующихся системах и их окружении / Ф. Ферстер // Самоорганизующиеся системы. М.: «Мир». 1964. С. 113-139.

11.Чертопруд М. В. Разнообразие и классификация реофильных сообществ макробентоса средней полосы европейской России / М.В. Чертопруд // Журнал общей биологии, 2011. Т. 72. №1. С. 51-73.

12.Шилова А. И. Хирономиды Рыбинского водохранилища / А. И. Шилова. Л.: Наука, 1976. 251 с.

13.Сладечек В. Унифицированные методы исследования качества вод. Ч. III. Индикаторы сапробности / В. Сладечек, В. Розмайлова. М. Изд. отд. Упр. дел секр-та СЭВ. 1977. 92 с.

14.Щербина Г. Х. Таксономический состав и сапробиологическая значимость донных

макробеспозвоночных различных пресноводных экосистем Северо-Запада России / Г. Х. Щербина // Экология и морфология беспозвоночных континентальных вод / Сб. науч. тр., посвящ. 100-летию Ф. Д. Мордухай-Болтовского. ИБВВ им. И. Д. Папанина РАН. Махачкала: Изд. Наука ДНЦ. 2010. С. 426-466.

15. Fauna aquatica Аustriaca /A comprehensive Species Inventory of Austrian Aquatic Organisms with Ecological Notes. (By Ed. Moog O). 1-2nd Edition. Vienna, 1995. 2002 p.

1ФГБУ «Государственный природный заповедник «Белогорье»», (Заповедник «Белогорье»), пос. Борисовка, Белгородская обл., Россия

2Воронежский отдел Волгоградского филиала ФГБУ «Всероссийский научноисследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии», («ВНИРО»), Воронеж, Россия

3ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)», Саратов, Россия

A.E. Silina1,2, A.А. Oskina3

STRUCTURE DESCRIPTION TO ZOOBETHOS COMMUNITIES OF THE TRIBUTARY OF HOPER AND THE QUALITY OF THE WATER IN ZOOGENIC INFLUENCE CONDITION

In this article the dominant-information structure of bottom communities of macrozoobentos of the small river in the Upper Hoper was analyzed. The transformation of bottom communities and the quality of the water in the zoogen-influens condition on the reserve territory were estimated.

Key words: macrozoobentos, community, abundance, biomass, information diversity, dominance, stability, the quality of the water.

1Federal State Budgetary Institution «State Nature Reserve «Belogorye»», (Reserve «Belogorye»), village Borisovka, Belgorod region, Russia

2Voronezh Department of the Volgograd Branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution «All-Russian Scientific Research Institute of Fisheries and Oceanography», («VNIRO»), Voronezh, Russia

3Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Saratov National Research State University named after N.G. Chernyshevsky (SSU)», Saratov, Russia

147

УДК 629.78:351.814.3

А.А. Спиридонов, В.А. Саечников, Д.В. Ушаков, И.А. Шалатонин, В.Е. Черный, А.Г. Кезик, В.Е. Евчик, А.П. Верстаковская

ОБУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЯМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРБИТЫ СВЕРХМАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Описана работа научно-образовательной сети приема и обработки информации сверхмалых космических аппаратов Белорусского государственного университета. Разработанные стационарный университетский наземный комплекс управления и мобильные наземные станции приема решают задачи управления космическим аппаратом, приема телеметрии, определения его орбиты и обучения студентов. На примере университетского наноспутника CubeBel-1 продемонстрирована возможность обучения студентов технологиям приема телеметрии, проведения измерений и определения орбитальных параметров космических аппаратов.

Ключевые слова: сверхмалый космический аппарат, наземный комплекс управления, определение орбиты, радиосигналы телеметрии, доплеровский сдвиг частоты.

Для подготовки студентов аэрокосмических специальностей, решения научных и технологических задач многие университеты разрабатывают собственные образовательные космические аппараты (КА) в качестве учебных лабораторий [1-2] и наземные комплексы управления (НКУ) этими аппаратами. Обычно это сверхмалые космические аппараты (СМКА) массой до 10 кг, разработанные по стандарту Cubesat [2-3]. Из-за ограниченности бюджета для управления и приема телеметрии университетского СМКА используют единичный НКУ, который располагается в черте города и в условиях сильной зашумленности снижаются возможности устойчивого приема телеметрии. Кроме того, связь НКУ с низкоорбитальным СМКА ограничена несколькими минутами 5-6 раз в день [4]. Иногда университетский НКУ подключается к международным сетям станций приема СМКА. Примером этому может служить международная сеть станций приема «Satnogs», которая успешно используется в качестве резервного канала связи с университетским наноспутником БГУ CubeBel-1, запущенным в октябре 2018 г. [5].

Международная сеть станций приема «Satnogs» позволила впервые дни полета наноспутника БГУ CubeBel-1 принимать телеметрию десяткам наземных станций приема по всему миру [6]. Для решения задач по управлению университетскими СМКА, слежению и проведению сеансов радиосвязи актуальной является задача прогнозирования будущих положений КА.

Чаще всего для прогнозирования будущих пролетов низкоорбитальных СМКА на университетской НКУ и обработки информации используют модель SGP4 [7] с начальными орбитальными данными в формате TLE (two-line elements – двухстрочный набор элементов)

системы NORAD (North American Aerospace Defense Command – Командование воздушно-

космической обороны Северной Америки). Набор элементов TLE обновляется ежедневно и находится в открытом доступе [8], однако в случае военных конфликтов система NORAD имеет возможность отключить общий доступ к базе данных. Для определения точных координат и скорости СМКА на борту устанавливают навигационный приемник [9]. Альтернативным способом получения начальных данных для моделей прогнозирования движения СМКА является определение орбиты на основе измерений характеристик радиосигналов телеметрической или командной радиолинии [10].

Измеряемыми параметрами для университетской наземной станции приема являются время приема и частота принимаемого сигнала от СМКА по телеметрической или командной радиолинии [10-11]. Чаще всего обработка измерений заключается в уточнении орбитальных параметров по известным начальным данным [12].

В настоящее время запущено несколько десятков безлицензионных СМКА (незарегистрированных в международных организациях), особенно опасными являются

148

космические аппараты с поперечным размером менее 10 сантиметров, к которым относятся пикоспутники и фемптоспутники (массой до 0,1 кг). Так, например, январе 2018 года на индийской ракете PSLV-XL было запущено четыре незарегистрированных пикоспутника SpaceBEE американской фирмы Swarm Technologies Inc. [4]. Единственным способом определять орбиты и отслеживать такие спутники является радиотехнические траекторные измерения по телеметрической или командной радиолинии. Отметим, что особенно остро стоит задача прогнозирования параметров орбиты впервые часы после запуска СМКА, когда в базе данных системы NORAD информация еще не появилась.

Обучение технологиям определения орбиты сверхмалого космического аппарата по результатам радиотехнических траекторных измерений является важным направлением при подготовке студентов аэрокосмических специальностей на факультете радиофизики и компьютерных технологий Белорусского государственного университета.

Врамках проекта «Разработка и создание научно-образовательной сети приема и обработки информации с образовательных космических аппаратов» в Белорусском государственном университете была разработана научно-образовательная сеть приема и обработки информации с образовательных космических аппаратов [5] в составе: экспериментального образца программно-аппаратных средств наземной системы связи с университетским наноспутником (стационарная университетская НКУ и мобильная версия наземной станции приема); экспериментального образца системы навигационнобалистического обеспечения (НБО) университетского наноспутника; программноаппаратных средств имитации системы связи; учебно-методических материалов лабораторных практикумов «Коррекция параметров движения университетского наноспутника с использованием наземных радиотехнических и оптических измерений», «Аналитические и численные методы моделирования движения КА», «Система связи с университетским наноспутником».

Экспериментальный образец программно-аппаратных средств наземной системы связи с университетским наноспутником работает совместно с экспериментальным образцом системы НБО. Стационарный университетский НКУ решает задачи управления СМКА, приема и обработки его телеметрии, измерения параметров принимаемых от СМКА радиосигналов и определения орбитальных характеристик СМКА. Мобильная наземная станция приема (НСП), показанная на рис. 1, осуществляет прием и обработку телеметрии СМКА, измерения параметров радиосигналов и определения орбитальных характеристик СМКА [13]. Стационарный университетский НКУ и мобильные НСП могут проводить одновременные измерения и обработку параметров принимаемых от конкретного СМКА радиосигналов за счет их временной синхронизации возможности разнесения мобильных НСП по территории Республики Беларусь.

Всостав аппаратных средств стационарной университетской НКУ входят: приемопередающие антенны диапазона 435–438 МГц; приемо-передающие устройства на основе трансивера IC-9100 и модуля приемника программно-определяемого радио (ПОР); следящее подъемно-поворотное устройство YAESU G-5500; система навигационнобалистического обеспечения (навигационный приемник, модуль измерения параметров радиосигналов); персональный компьютер для управления; сервер базы данных. В состав программных средств стационарной университетской НКУ входят: программное обеспечение (ПО) моделирования и прогнозирования движения КА; ПО управления СМКА; ПО приема и обработки телеметрии; ПО Visual Space для решения практических задач

149