ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕΘΟ ΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΠΑΡΑΚΤΙΟΥ ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΥ Μ. Καρύδης, Καθηγητής Πανεπιστηµίου Αιγαίου Ι. Πρίµπας, Ερευνητικός Συνεργάτης ΕΛΕ Γ. Τσιρτσής, Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστηµίου Αιγαίου Τµήµα Επιστηµών της Θάλασσας, Σχολή Περιβάλλοντος, Πανεπιστήµιο Αιγαίου, Λόφος Πανεπιστηµίου, Μυτιλήνη 81100 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η συλλογή δεδοµένων για την εκτίµηση του ευτροφισµού βασίζεται στη µέτρηση των συγκεντρώσεων θρεπτικών αλάτων και την συγκέντρωση χλωροφύλλης. Κλίµακες ευτροφισµού έχουν αναπτυχθεί κυρίως στα πλαίσια προγραµµάτων διεθνών οργανισµών όπως OECD, UNEP και EE. Αν και η δηµιουργία των κλιµάκων βασίζεται σε µεγάλο όγκο δεδοµένων εν τούτοις δύο βασικά µειονεκτήµατα, δηλαδή η µονοδιάστατη συγκρότηση τους και η αλληλοεπικάλυψη µεταξύ των τριών επιπέδων ευτροφισµού έχουν καταστήσει την χρήση τους προβληµατική. Οικολογικοί δείκτες έχουν επίσης χρησιµοποιηθεί σε εκτιµήσεις ευτροφικών καταστάσεων. Παρά την σηµαντική πληροφορία που ενσωµατώνουν µε ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά της φυτοπλακτονικής βιοκοινωνίας, εντούτοις έχει εντοπιστεί µικρός αριθµός δεικτών που περιγράφει µε επάρκεια και αξιοπιστία το φαινόµενο του ευτροφισµού. Μονοδιάστατες στατιστικές µέθοδοι επίσης εφαρµόζονται παρ ότι τα δεδοµένα πεδίου δεν ακολουθούν κανονική κατανοµή. Ανάλυση διασποράς, αξιοποίηση ακραίων τιµών και εκτίµηση δεδοµένων µε βάση πρότυπες καµπύλες κατανοµής χρησιµοποιούνται ευρέως. Οι πολυδιάστατες µέθοδοι όπως είναι η Αριθµητική Ταξινόµηση (cluster analysis), η Πολυδιάστατη Κλιµάκωση (MDS), η Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών (PCA) και Ανάλυση ιακριτότητας (Discriminant Analysis) εφαρµόζονται ευρέως διότι στηρίζονται στην συνεκτίµηση πολλών µεταβλητών που περιγράφουν το φαινόµενο του ευτροφισµού. Παρ όλα αυτά δεν παρέχουν επίπεδα σηµαντικότητας για τις διαφορές που υποδεικνύουν. Τα τελευταία χρόνια µέθοδοι χωρικής ανάλυσης φαίνεται να αποτελούν σηµαντικό εργαλείο για την περιγραφή του ευτροφισµού δεδοµένης της έντονης χωρικής διάστασης του φαινοµένου. Παρ ότι η χρήση GIS συνεισφέρει τα µέγιστα στην επεξεργασία και την απεικόνιση των αποτελεσµάτων, περισσότερη έρευνα απαιτείται προκειµένου να καθιερωθεί προτυποποιηµένη και ευρέως αποδεκτή µεθοδολογία. Τέλος οι µέθοδοι πολυκριτιριακής ανάλυσης φαίνεται να δίδουν ικανοποιητική απάντηση στην εκτίµηση επιπέδων ευτροφισµού. εδοµένου ότι αυτές οι µέθοδοι χρησιµοποιούνται για την ποσοτική ανάλυση σεναρίων διαχείρισης παρακτίων περιοχών µε ενσωµάτωση και συνεκτίµηση κοινωνικών και οικονοµικών δεδοµένων, η χρήση τους καθίσταται ιδιαίτερα επιθυµητή διότι επιτρέπει πολυεπιστηµονικές προσεγγίσεις σε θέµατα αξιολόγησης σεναρίων και λήψης αποφάσεων σε παράκτιες περιοχές. 367
EVALUATION OF DATA ANALYSIS METHODS FOR ASSESSING COASTAL EUTROPHICATION M. Karydis, Professor, University of the Aegean J. Primpas, Research Associate G. Tsirtsis, Associate Professor, University of the Aegean Department of Marine Sciences, University of the Aegean, Lofos Panepistimiou, 81100, Mytilini, Lesvos Island, Greece, ABSTRACT Data collection for quantitative assessment of eutrophication is based on nutrient (phosphate, nitrate, nitrite, ammonia) and chlorophyll concentrations as well as on phytoplankton cell number. Additional information can be water transparency and concentration of dissolved oxygen. Eutrophication scales based on nutrient and phytoplankton variables have been developed, within the research interests of international organizations concerned with environmental issues: OECD, UNEP and EU. Although eutrohication scaling is based on a bulk of data, two shortcomings emerge: the univariate nature of some approaches and the variable overlapping when multivariate techniques are employed. Ecological indicators describing phytoplankton richness, dominance and diversity have been used to assess eutrophic conditions. In spite their ecological importance in understanding ecological processes their contribution in characterizing eutrophic levels is rather poor. Univariate parametric statistical methods have also been applied, although field data do not usually follow normality. Analysis of variance, extreme values and standard nutrient / chlorophyll distributions have been used. Multivariate statistical methods especially Cluster Analysis, Principal Component Analysis and Multidimensional Scaling are widely applied because they are taking into account many variables characterizing eutrophic conditions. However, they do not provide levels of significance for proposed critical values. GIS techniques have lately contributed to spatial data processing and presentation. Finally, multi criteria analysis methods have been employed for eutrohication assessment. Since these methods can also incorporate information from social and economic fields and they can therefore process senaria concerning coastal management practices. 368
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο παράκτιος ευτροφισµός είναι η διεργασία εµπλουτισµού µε ανόργανα θρεπτικά άλατα του αζώτου και του φωσφόρου. Τα θρεπτικά άλατα αυξάνουν την ταχύτητα βιοσύνθεσης οργανικής ύλης µέσω του φωτοσυνθετικού µηχανισµού, σε ακραίες δε περιπτώσεις είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε φυτοπλαγκτονικές εξάρσεις, επιπλέουσα οργανική ύλη µε φυσαλίδες ενίοτε και έντονη αύξηση του φυτοβένθους δηλαδή µακροφυκών και άλλων µακροφύτων. Ο ευτροφισµός συνοδεύεται επίσης από σειρά δευτερογενών φαινοµένων όπως είναι η υπερβολική ανάπτυξη βακτηρίων και µυκήτων. Επίσης επηρεάζεται η διαφάνεια των παρακτίων υδάτων. Η θολερότητα που δηµιουργείται απωθεί τους λουόµενους και υποβαθµίζει την ποιότητα των νερών για κολύµβηση και γενικότερα για αναψυχή. Υψηλή συγκέντρωση φυτοπλακτού µπορεί να προκαλέσει δερµατίτιδες, ερεθισµό στα µάτια, τυχόν δε κατάποση του θαλασσινού νερού ενδέχεται να προκαλέσει διάρροια σε ευαίσθητα άτοµα. Σε ακραίες περιπτώσεις ευτροφισµού, η κατανάλωση οξυγόνου για την αποδόµηση της οργανικής ύλης οδηγεί σε συνθήκες υποξίας ή και ανοξίας. Οι ανοξικές συνθήκες συνήθως συνοδεύονται από έκλυση αερίων όπως µεθάνιο, υδρόθειο και αµµωνία µε δυσµενείς επιπτώσεις στην ποιότητα του παράκτιου χώρου. Επί πλέον το υδρόθειο προκαλεί έντονη δυσοσµία. Οι εύτροφες συνθήκες αποτελούν επίσης το κατάλληλο περιβάλλον για ανάπτυξη τοξικών φυτοπλακτονικών ειδών (Vollenweider, 1992). Οι εξαιρετικά επικίνδυνες φυτοτοξίνες τους βιοσυσσωρεύονται σε δίθυρα τα οποία εάν καταναλωθούν από τον άνθρωπο προκαλούν σοβαρά προβλήµατα υγείας όπως διαρροϊκό σύνδροµο, παράλυση, αµνησία ακόµα και θάνατο. Ενώ ο ευτροφισµός υπό την στενή έννοια του όρου δεν αποτελεί µορφή ρύπανσης, εν τούτοις οι επιπτώσεις του είναι εξ ίσου σηµαντικές µε εκείνες που οφείλονται σε ρυπογόνους ή τοξικούς παράγοντες. Επιπροσθέτως επειδή οι µεταβλητές που προκαλούν τον ευτροφισµό δηλαδή τα ανόργανα άλατα του αζώτου και του φωσφόρου καθώς και η χλωροφύλλη αποτελούν φυσικώς απαντώµενα στοιχεία του οικοσυστήµατος είναι δύσκολος ο διαχωρισµός του ευτροφικού φορτίου που οφείλεται στον ανθρώπινο παράγοντα από τις συγκεντρώσεις που φυσικώς απαντώνται στο οικοσύστηµα. Για τον λόγο αυτό ο καθορισµός ορίων που θα περιγράφουν ευτροφικές συνθήκες είναι ιδιαίτερα δυσχερής. 2. ΥΣΚΟΛΙΕΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΤΟΥ ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΥ Οι δυσκολίες εκτίµησης ευτροφικών επιπέδων οφείλονται τόσο σε εγγενή προβλήµατα που σχετίζονται µε την δοµή και την δυναµική του οικοσυστήµατος όσον και την ικανοποίηση των παραδοχών που διέπουν την εφαρµογή των στατιστικών µεθόδων (Ignatiades, 2002a). Συγκεκριµένα (α) το φυτοπλαγκτό και τα θρεπτικά άλατα παρουσιάζουν έντονες εποχικές διακυµάνσεις. Κατά συνέπεια δεν µπορεί να οριστεί συγκέντρωση (reference concentration) που θα αποτελεί βασική τιµή αναφοράς. (β) Ήδη ανεφέρθη στην εισαγωγή η δυσχέρεια διάκρισης φυσικών συγκεντρώσεων θρεπτικών αλάτων και συγκεντρώσεων θρεπτικών που οφείλονται σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες (γ) Ρηχές παράκτιες και ηµίκλειστες περιοχές παρουσιάζουν συχνά το φαινόµενο της επαναιώρησης του ιζήµατος, µε αποτέλεσµα να εµφανίζεται ο λεγόµενος αυτόχθων ευτροφισµός (δ) Από τις µεταβλητές του συστήµατος που σχετίζονται µε τον ευτροφισµό, ωρισµένες είναι αίτια του φαινοµένου (θρεπτικά άλατα), ενώ άλλες εκφράζουν το 369
αποτέλεσµα (αύξηση της φυτικής βιοµάζας). Κατά συνέπεια τόσο η φυσική τους σηµασία όσο και η δυναµική αυτών των µεταβλητών παρουσιάζει διαφοροποιήσεις και η οµαδοποίηση τους είναι ενίοτε προβληµατική (ε) Παρατηρείται έντονη συσχέτιση µεταξύ των µεταβλητών του ευτροφισµού και (στ) Τα δεδοµένα αποκλίνουν από την κανονικότητα. Εάν κανονικοποιηθούν συµπιέζεται η φυσική τους πληροφορία. Εάν χρησιµοποιηθούν ως έχουν η στατιστική τους επεξεργασία περιορίζεται σε µη παραµετρικές µεθόδους. 3. ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟΙ ΕΙΚΤΕΣ Οι οικολογικοί δείκτες αποτελούν σχέσεις µεταξύ ειδών - κατανοµής και βασίζονται σε δύο µεταβλητές: στον ολικό αριθµό φυτοπλαγκτονικών ειδών στο δείγµα και στην σχετική αφθονία του κάθε είδους στο δείγµα. Ο συνδυασµός αυτών των δύο στοιχείων δίδει ένα αριθµό που καλείται οικολογικός δείκτης. Πολλοί δείκτες είναι διαθέσιµοι στην βιβλιογραφία για να εκτιµάται η ποικιλότητα, η επικράτηση και η αφθονία (Washington, 1984; Ignatiades 2002b). Ωρισµένοι εξ αυτών βασίζονται στην θεωρία της πληροφορίας (δείκτης Margalef, δείκτης Shannon- Wiener, δείκτης Brillouin), άλλοι στην θεωρία πιθανοτήτων (δείκτης Simson) και άλλοι σε στατιστικές κατανοµές (κατανοµές log normal). Μεγάλος αριθµός οικολογικών δεικτών, δεικτών οµοιότητας και βιοτικών δεικτών, έχει αξιολογηθεί (Washington, 1984) σε σχέση µε υδατικά οικοσυστήµατα και προβλήµατα υδατικής ρύπανσης. εν είναι όµως όλοι κατάλληλοι για την εκτίµηση του ευτροφισµού. Συστηµατική εργασία για την αξιολόγηση 12 οικολογικών δεικτών για την εκτίµηση του ευτροφισµού έχει πραγµατοποιηθεί µε δεδοµένα φυτοπλαγκτού (Karydis & Tsirtsis, 1996). Οι δείκτες Menhinik, Kothe, Ισοκατανοµής ειδών, ο αριθµός των ειδών και ο ολικός αριθµός ατόµων στο δείγµα έδειξαν καλή διακριτική ικανότητα στην εκτίµηση ολιγοτροφικών, µεσοτροφικών και ευτροφικών συνθηκών. Αντίθετα ο δείκτης Shannon που είναι ο πλέον δηµοφιλής στην βιβλιογραφία, βρέθηκε ακατάλληλος για την περιγραφή ευτροφικών επιπέδων. 4. ΚΛΙΜΑΚΕΣ ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΥ Κατανοµές συχνότητας που στηρίζονται σε δεδοµένα πεδίου µπορούν να αποτελέσουν πρότυπα συστήµατα για την εκτίµηση επιπέδων ευτροφισµού, µε βάση την πιθανότητα η συγκέντρωση του δείγµατος να υπερβαίνει δεδοµένη κρίσιµη τιµή. Η τεχνική αυτή που έχει ήδη εφαρµοστεί σε ατµοσφαιρική ρύπανση (Georgopoulos & Seinfeld, 1982), καθώς και για την ποιότητα εσωτερικών υδάτων (Heyman et al. 1984), έχει αναπτυχθεί και για την εκτίµηση ευτροφικών συνθηκών µε βάση συγκεντρώσεις θρεπτικών αλάτων (Ignatiades et al. 1992) και συγκεντρώσεις χλωροφύλλης (Giovanardi & Tromelini, 1992). Περισσότερο επεξεργασµένη µέθοδος που δεν στηρίχτηκε σε κανονικοποίηση των µεταβλητών, έχει επίσης προταθεί και βασίζεται στην φυσική κατανοµή των νιτρικών στον Σαρωνικό κόλπο (Stefanou et al. 2000). Αντίστοιχη κλίµακα έχει προταθεί προσφάτως µε βάση δεδοµένα φυτοπλαγκτού και στηρίζεται στην lognormal equation (Tsirtsis et al. 2008). Η αξιοποίηση ακραίων τιµών µπορεί επίσης να δώσει πληροφορία που αφορά περιβαλλοντική επιβάρυνση από θρεπτικά άλατα (Karydis, 1994). Παρ όλα αυτά η χρήση ακραίων τιµών στην περίπτωση εκτίµησης του ευτροφισµού είναι προβληµατική λόγω της 370
εποχικής διακύµανσης των συγκεντρώσεων. Πρόσφατη εργασία που χρησιµοποίησε πληροφορία από την περιοχή του Αιγαίου (Ignatiades 2005), βασίστηκε σε συγκεντρώσεις χλωροφύλλης και ταχύτητας φωτοσύνθεσης (πρωτογενούς παραγωγής) για την ποσοτική κατηγοριοποίηση ολιγοτρόφων, µεσοτρόφων και ευτρόφων περιοχών. Η κλίµακα συγκεντρώσεων για την χλωροφύλλη ήταν 0.5<(0.5-1.0)<1.0 mg/m3 και για την πρωτογενή παραγωγή 1.5<(1.5 3.0)< 3.0 ngcm-3h-1. Αντίστοιχη ταξινόµηση µε βάση των διαφάνεια της θάλασσας που µετρήθηκε µε τον δίσκο του Secchi έδωσε 90-120m για τα ολιγότροφα συστήµατα ανοιχτής θαλάσσης, 35m για τα µεσότροφα συστήµατα ανοιχτής θαλάσσης και 7m για τα εύτροφα παράκτια συστήµατα. 5. ΠΟΛΥ ΙΑΣΤΑΤΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Πολυδιάστατες στατιστικές µέθοδοι έχουν ευρέως χρησιµοποιηθεί για την ποσοτική εκτίµηση του ευτροφισµού, κυρίως την διάκριση µεταξύ διαφόρων περιοχών ως προς τον βαθµό ευτροφισµού τους. Η βελτίωση αυτών των µεθόδων οδήγησε σε προτυποποιηµένες διαδικασίες ανάλυσης των δεδοµένων (Karydis, 1996, Primpas et al. in press). 6. ΜΕΘΟ ΟΙ ΠΟΛΥΚΡΙΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Οι πολυκριτηριακές µέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για την ηµι ποσοτική ή και την ποσοτική αξιολόγηση σεναρίων διαχείρισης (Janssen, 1992). Τα τελευταία χρόνια έχει αξιολογηθεί και η επάρκεια τους να διακρίνουν τα επίπεδα ευτροφισµού (Moriki & Karydis, 1994). Η εφαρµογή των µεθόδων έδωσε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα και γι αυτό χρησιµοποιήθηκαν σε ευρύτερη κλίµακα για την εκτίµηση σεναρίων που συµπεριλάµβαναν περιβαλλοντικές, οικονοµικές και κοινωνικές µεταβλητές µε σκοπό την παράκτια διαχείριση και την επεξεργασία σεναρίων ανάπτυξης. 7. ΜΕΘΟ ΟΙ ΧΩΡΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Οι περιβαλλοντικές επιστήµες είναι οι κατ εξοχήν επιστήµες που αναλύουν και αξιολογούν χωρικά δεδοµένα. Μέθοδοι ανάπτυξης θεµατικών χαρτών για την εκτίµηση του ευτροφισµού έχουν που βασίζονται σε συγκεντρώσεις νιτρικών, αµµωνίας, φωσφορικών και κυτταρικού αριθµού του φυτοπλαγκτού έχουν αναφερθεί (Kitsiou & Karydis 1998). Η χρήση G.I.S. σε µελέτες ευτροφισµού δεν έχει τύχει µέχρι σήµερα ευρείας εφαρµογής παρ όλα τα πρόσφατα πλεονεκτήµατα που αφορούν (α) την χωρική κατανοµή του φαινοµένου (β) την δυνατότητα επεξεργασίας πολλών µεταβλητών (γ) τις ευκολίες που απορρέουν από ποικιλία αλγορίθµων ενσωµατωµένων στο λογισµικό (δ) την δυνατότητα δηµιουργίας και ενσωµάτωσης πρόσθετου λογισµικού (ε) την πλήρη ψηφιοποίηση της πληροφορίας και (στ) την δυνατότητα συνεκτίµησης και άλλων παραγόντων πέραν του ευτροφισµού. 8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Ο ευτροφισµός εκτιµάται µέσω πολλών µεταβλητών που αφορούν συγκεντρώσεις θρεπτικών αλάτων, παραµέτρους που εκφράζουν φυτοπλαγκτονική βιοµάζα και οικολογικούς δείκτες. 2. Παρά τα προβλήµατα που εξετέθησαν σε προηγούµενη ενότητα έχει καταστεί δυνατή η ποσοτικοποίηση των φαινοµένων. 371
3. Έχουν προταθεί δείκτες και στατιστικές επεξεργασίες που διακρίνουν διαφορετικά επίπεδα ευτροφισµού. 4. Υπάρχουν στην βιβλιογραφία κλίµακες που ορίζουν τα όρια για κάθε επίπεδο ευτροφισµού ολιγότροφο, µεσότροφο και εύτροφο. υσκολίες δηµιουργούνται λόγω του αυτόχθονος ευτροφισµού αλλά και της διαφορετικής έντασης του φαινοµένου στα διάφορα συστήµατα. Αναφέρεται το Αιγαίο (εξαιρετικά ολιγότροφο έως ολιγότροφο) καθώς και η Αδριατική (εξαιρετικά εύτροφη) και η Βαλτική (εύτροφη). 5. Εκτιµάται ότι στο προσεχές χρονικό διάστηµα θα προτυποποιηθούν οι δείκτες ευτροφισµού και οι κλίµακες για τον Ευρωπαϊκό χώρο σε εξειδίκευση της οδηγίας πλαίσιο 2000/ 60/EC που αφορά την Ευρωπαϊκή πολιτική στην ποιότητα του νερού. 9. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ EC, (2000). Directive of the European Parliament and of the Council 2000/60/EC establishing a framework for community action in the field of Water Policy. PE-CONS 3639/1/00 Georgopoulos, P.G. and J.H. Seinfeld, (1982). Statistical distributions of air pollution concentrations Environ. Sci. Technol. 16, 401A-416A Giovanardi, F., and Tromellini, E., (1992). Statisical assessment of trohic conditions. Application of the OECD methodology to the marine environment. In: Marine Coastal Eutrophication, Ed., Vollenweider, R.A., Marchetti, R and Vivialni, R. Elsevier, London pp. 211-233 Heyman, U., S.O. Ryding and C. Forsberg, (1984). Frequency distributions of water quality variables: relationships between mean and maximum values Water Research, 9, 945-949 Ignatiades, L., Karydis, M. and Vounatsou, P. (1992) A possible method for evaluating Oligotrophy and Eutrophication based on nutrient concentrations. Marine Pollution Bulletin, 24(5), 238-243 Ignatiades, L. (2002a). Statistical applications in marine phytoplanktonic studies : Part II. Parametric and non parametric Statistical Analyses. In : Subba Rao (ed). Pelagic ecology methodology. A.A. Balkema Publishers, Tokyo. Ignatiades, L. (2002b). Statistical applications in marine phytoplanktonic studies : Part II. Analysis of ecological data. In : Subba Rao (ed). Pelagic ecology methodology. A.A. Balkema Publishers, Tokyo. Ignatiades, L. (2005). Scaling the trophic status of the Aegean Sea, eastern Mediterranean Journal of Sea Research, 54, 51-57 Janssen, R. (1992). Multiobjective decision support for environmental management. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht 232pp Karydis, M., (1994) Environmental quality assessment based on the analysis of extreme values: a practical approach for evaluating eutrophication. Journal of Environmental Science and Health. Part A. Environmental Science and engineering & toxic and hazardous substance control. 29, 775-791 372