Реконструкция развития диатомовой палеофлоры

В ходе анализа динамики концентраций химических элементов в ДО были сделаны следующие предположения:

Поступление ТМ, в том числе Ni, Cu, Pb в водоемы происходило преимущественно аэротехногенным путем; их активная аккумуляция в ДО явилась следствием ввода в эксплуатацию крупных медно-никелевых комбинатов и трансграничного переноса; увеличение их концентрации этих по направлению от нижних к верхним слоям колонки отложений было отмечено во всех водоемах; аккумуляция Ca, Sr, P в ДО водоемов связана с деятельностью апатитовой промышленности, так как процессы накопления наиболее интенсивно протекали в водоемах, подверженных прямому загрязнению (оз. Большой Вудъявр, губа Белая). На основании этого для каждого водоема были выделены стратиграфические зоны слоев отложений, со сравнительно низкими концентрациями элементов-загрязнителей, формирование которых происходило в так называемый «доиндустриальный» период развития водоема. Исключение составили ДО губы Белой, где значительная мощность техногенных отложений и высокая скорость седиментации не позволили произвести отбор более глубоких – доиндустриальных слоев.

На основе послойной динамики N таксонов диатомей посредством кластерного анализа для каждого водного объекта были выделены зоны, объединяющие слои отложений, сходных по составу и соотношениям N выбранных таксонов диатомей (рис. 8.10). Это позволяет предположить, что формирование отложений в пределах каждой зоны происходило в схожих условиях, и отвечает определенному периоду в развитии водоема. Полученные данные были сопоставлены с общей численностью диатомей N_о и видовым разнообразием H’. На основе результатов кластерного анализа наиболее резко отличающиеся по показателям N диатомей зоны были обозначены как этапы преобразований в экосистеме водоема (рис. 8.6, 8.7, 8.8, 8.9).

Рис. 8.10. Стратиграфические зоны колонок ДО, выделенные по результатам кластерного анализа на основе различия и сходства видового состава диатомовых комплексов.

Оз. Купальное. Было выделено четыре стратиграфические зоны, соответствующие четырем периодам развития водоема (рис. 8.6, 8.10).

Зона I (11-8 см ДО) отражает стадию развития экосистемы озера до начала интенсивного промышленного освоения региона. Об этом свидетельствует достаточно разнообразная в таксономическом отношении диатомовая палеофлора, и низкая численность N_o, характерная для северных водоемов. Значения H’ и N_o были стабильными в пределах зоны. Небольшие глубины водоема, вероятно, способствовали хорошему прогреву водной толщи в период вегетации, и обеспечивали развитие разнообразных эпифитых диатомей. Видовой состав диатомовых комплексов по отношению к pH был представлен различными группами, среди которых основную массу составляли ацидофилы и предпочитающие значения близкие к нейтральным, поэтому водоем изначально был предрасположен к процессам закисления. Многие обнаруженные виды предпочитают водные мхи в качестве субстрата. Известно, что некоторые виды мхов (в частности, из рода Sphagnum), способны подкислять среду в процессе жизнедеятельности (Ильяшук, 1999, 2001).

Зона II (8-5 см) – начало индустриального периода, сопровождающееся изменениями в структуре экосистемы (рис. 8.6). В этот период происходило сокращение N многих видов диатомей и одновременное развитие видов с узким диапазоном pH-оптимума – 5.5 (Brachisira serians (Brébisson) Cleve, Pinnularia viridis (Nitzsch) Ehrenberg), вследствие начала поступления в водоем кислотообразующих веществ с атмосферными осадками. Для многих видов диатомей такое снижение pH оказало негативное воздействие, угнетающее их жизнедеятельность. Резкое сокращение численности алкалифильных видов подтверждает это предположение.

Зона III (5-1 см) отражает процессы развития экосистемы оз. Купального в индустриальный период. В водоеме интенсивно развиваются ацидофильные и индифферентные по отношению к pH виды. Наиболее оптимальными условия оказались для Eunotia triodon Ehrenberg, который становится доминантным в этот период. Массовое развитие этой водоросли обеспечило значительное увеличение N_о. Вместе с тем, за счет полного исчезновения ранее существовавших видов существенно снизилось видовое разнообразие (рис. 8.6).

Зона IV (1-0 см) отражает современный этап развития водоема. Происходит дальнейшее упрощение структуры диатомовых комплексов, сопровождающееся ростом N_о и снижением значений H’. В целом, оз. Купальное представляет собой водоем – уникальный для щелочного Хибинского массива. Вследствие отсутствия выраженного стока, притоков, преимущественно атмосферного питания и малой буферной емкости оно являлось предрасположенным к процессам техногенного закисления еще до начала промышленного освоения региона. В настоящее время процессам закисления в водоеме способствует низкая щелочность (11 мкэквл^-1). Развитие апатитовой промышленности в регионе не сказалось на состоянии экосистемы водоема; основным фактором, определяющим антропогенную нагрузку на озеро, явилось аэротехногенное загрязнение кислотообразующими выпадениями.

Оз. М. Вудъявр. По результатам кластерного анализа вся толща колонки была разделена на три зоны, соответствующие различным периодам в историческом развитии водоема.

Зона I (10-6 см) – доиндустриальный период развития водоема, когда развивалась богатая в видовом отношении диатомовая флора, при сравнительно низких значениях N_о. Необходимо отметить, что для данного водоема во все исследованные периоды его исторического развития, видовое разнообразие было весьма значительным (рис. 8.7). Высокие значения H’ очевидно, объясняются наличием условий для развития различных видов диатомей на разных участках. Изрезанность береговой линии, множество впадающих ручьев, наличие родников и широкий спектр небольших глубин обеспечивает разнообразные экологические ниши, в особенности для развития обрастателей. По отношению к pH были представлены различные экологические группы, что также свидетельствует о наличии отличающихся в гидрохимическом отношении условий. Ранними исследованиями (Каныгина, 1939) показано, что илы водоема составлены преимущественно кремнеземными панцирями диатомей, подтверждающими существование благоприятных условий для их развития.

Зона II (6-4 см) соответствует началу индустриального периода. Для этого периода были отмечены и экстремально высокие значения H’. Очевидно, это объясняется функционированием Кольской базы АН СССР на берегу озера в период с 1929 по 1943 год. В этот период водоем загрязнялся банными и фекальными водами жилого корпуса. По данным Е. А. Каменева (2002), на базе одновременно могли размещаться до 60 человек. Однако, по данным А. В. Каныгиной, биогенные элементы в воде водоема в 1938-1939 гг. не были обнаружены, а следы фосфатов отмечались только в те дни, когда апатитовая пыль из дымовых труб обогатительной фабрики доносилась до озера. Незначительное органическое загрязнение в этот период удалось констатировать бактериологическими анализами (Каныгина, 1939). По всей видимости, экстремальное увеличение видового разнообразия (рис. 8.7) характеризует этот этап в развитии водоема: поступление биогенных веществ в определенную часть акватории не оказали влияния на гидрохимические характеристики водоема в целом, но создали условия для развития новых видов диатомовых непосредственно в месте поступления биогенных элементов. Последующие снижение видового разнообразия может быть связано с прекращением существования Кольской базы АН СССР в 1943 г.

Зона III (4-0 см) отражает условия в индустриальный период развития водоема. Результаты кластерного анализа показали отличие этой зоны от двух предыдущих (рис. 10). Эти отличия были выявлены в основном в динамике N малочисленных видов (рис. 8.7) Очевидно, в результате преобразований, связанных с началом индустриального периода (зона II), экосистема приобрела некоторые новые черты, которые отразились в диатомовых комплексах увеличением N_о при стабильных значениях H’. В отличие от оз. Купальное, был выявлен рост содержания щелочных и щелочноземельных элементов в ДО, свидетельствующий о начале добычи и переработки апатитового сырья. В диатомовых сообществах резких изменений за этот период не произошло, однако тенденции уменьшения относительной численности ацидофилов а также арктоальпийских видов, характерных для ультраолиготрофных вод также отражают поступление в водоем элементов – загрязнителей. Рост N некоторых видов рода Fragilaria, выраженный на протяжении всех зон колонки, вероятно, является следствием некоторого увеличения концентрации биогенных элементов.

В целом происходящие изменения не оказали существенного влияния на диатомовую флору, что объясняется высокой буферной емкостью, проточностью водоема, типом питания и отсутствием прямого поступления загрязнителей, на основании чего экосистема водоема может быть определена, как «фоновая».

Оз. Б. Вудъявр. Исследованная толща ДО была разделена на 6 зон на основе кластерного анализа. Для этого водоема, благодаря мощности колонки (26 см) удалось проанализировать значительный этап доиндустриального периода развития, которому соответствуют две стратиграфические зоны (I и II). Кластерный анализ показал незначительные их различия (рис. 8.10). Отсутствие антропогенного воздействия в то время позволило выявить естественно-природные изменения в диатомовых палеокомплексах.

Зона I (26-17 см) характеризуется ультраолиготрофными условиями, по-видимому, с высоким содержанием кислорода, о чем свидетельствует видовой состав диатомей. Температурный режим водоема был типичным для субарктических горных озер, что нашло отражение в присутствии холодноводных видов (Diatoma hiemalis, Didymosphenia geminata). Естественная диатомовая флора в этот период характеризуется наличием планктонных центрических таксонов рода Cyclotella с высокими значениями N (рис. 8.8). Динамика значений N_о и H’ также подтверждает ультраолиготрофные условия в водоеме. Можно предположить, что в существующих в то время условиях диатомеи были преобладающей группой водорослей, достигающей значительного видового разнообразия. Исходя из средних скоростей осадконакопления в водоемах европейской субарктики – 0.1 – 0.2 мм в год (Даувальтер, 2002) эта зона соответствует наиболее продолжительному среди всех выделенных периодов.

Зона II (17-15 см) была определена исходя из изменений, которые проявились в увеличении N_о, обусловленном развитием видов, предпочитающих более высокие значения концентрации биогенных компонентов и температуры воды. Возможно, это является следствием потепления климата, подтверждающегося уменьшением N холоднолюбивых диатомей в этот период, в том числе и таксонов рода Cyclotella (рис. 8.8). Судя по распределению в ДО концентрации ТМ, описанные процессы носят естественно-природных характер, однако, не исключено, что на ход природных процессов в это время начал накладываться человеческий фактор (начало освоения центральной части Кольского полуострова, геологоразведочные работы в Хибинах). На изменение температурных условий в приозерной низменности, в частности, могла повлиять вырубка леса под строительство для закладки г. Хибиногорска. Гидрохимические параметры также начали претерпевать некоторые изменения, диатомовая флора начинает приобретать черты эвтрофии.

Зона III (15-13 см) соответствует началу индустриального периода – существенным и резким преобразованиям в экосистеме озера в связи с промышленным освоением территории водосбора и развитием культурного ландшафта на берегах озера. Поступление значительного количества биогенных веществ, в результате начала добычи и переработки апатитового сырья вызывало массовое развитие диатомовых водорослей, что подтверждается резким увеличением N_о диатомей (рис. 8.8) и снижением H’. Основную массу фитопланктона в этот период составляли диатомеи Asterionella formosa Hassall, массовое развитие которых характерно для эвтрофируемых водоемов. Интересным фактом является прекрасная сохранность тонкостенных панцирей A. formosa в ДО оз. Большой Вудъявр, вероятно, вследствие особых гидрохимических условий в водоеме и повышенных значений pH. По данным авторов, панцири A. formosa характеризуются плохой сохранностью в ДО (Petersen, 1943; Прошкина-Лавренко, 1953). Известно, что высокая минерализация воды и мутность способствует растворению створок диатомей, в то время как высокие значения pH замедляют этот процесс (Reed, 1998). В этот же период отмечено снижение видового разнообразия. Появление в массе A. formosa отражает увеличение трофического статуса водоема. Очевидно, в это время на южном берегу водоема начала работу первая обогатительная фабрика АНОФ-I, первый запуск которой состоялся в 1930 году. Такие резкие преобразования в экосистеме вызвали исчезновение многих ранее доминирующих видов, в основном арктоальпийских, ультраолиготрофов и ацидофилов по отношению к pH.

Для этого и всех последующих периодов развития озера характерна интенсификация скорости осадконакопления в связи с поступлением большого количества взвешенного материала. Таким образом, возраст исследованных доиндустриальных слоев отложений может составлять до 500 лет, в то время как верхние 15 см отложений индустриального периода, вероятно, сформировались за ~ 70 лет.

Зона IV (13-10 см) Результаты кластерного анализа (рис. 8.10) показали резкое отличие условий, существующих в водоеме, от остальных выделенных периодов. В это время происходило массовое развитие Aulacoseira subarctica Haworth, который вытеснил A. formosa из планктонных сообществ. Рост N видов-индикаторов увеличения минерализации (Surirella brebissonii) был также отмечен для этого периода. С водами рек началось интенсивное поступление шахтных вод, связанное, в первую очередь, с карьерным способом добычи руды (Каныгина, 1939.). Начало добычи и переработки апатитового сырья проявилось в изменении качества вод оз. Б. Вудъявр в первую очередь, в увеличении концентраций щелочных, щелочноземельных элементов и общего фосфора. Поступление значительного количества биогенных элементов вызывало массовое развитие диатомовых водорослей в период вегетации, что подтверждается резким увеличением численности диатомей N_o. Свой вклад вносили и сточные воды растущего г. Хибиногорска. Из-за неготовности коллектора в оз. Большой Вудъявр ежемесячно поступало 72 тыс. м³ загрязненной воды, а на ее поверхности всегда имелась апатитовая пыль. В 30-е годы было также отмечено непродолжительное поступление хвостов обогащения фабрики АНОФ-I непосредственно в озеро вследствие изменения русла р. Б. Белая (Каныгина, 1939). По данным проведенных в 1939 г исследований оз. Б. Вудъявр, щелочность водной среды составляла 459 мэкв/л, pH=7.1.

Зона V (10-2 см) соответствует периоду перехода экосистемы к новому, относительно стабильному состоянию, когда летнее «цветение» воды не было столь интенсивным, о чем свидетельствует уменьшение значений N_о, рост H’, а также снижение N доминирующего ранее вида A. subarctica. В этот период планктонные диатомеи уступили место многочисленным и разнообразным донным сообществам. Причиной подобных процессов могла быть перестройка технологии производства в годы войны (1941 – 1945 гг.) в начале этого периода. Несмотря на избыток биогенных веществ, массового летнего развития планктонных диатомовых водорослей, очевидно не происходило. Не исключено, что одной из причин этого стала конкуренция с бурно развивающимися зелеными водорослями, в результате роста трофического статуса водоема. Изменение температурного режима водоема в сторону потепления воды за счет подогретых стоков рудников и ТЭЦ обеспечило летнее развитие более теплолюбивых, по сравнению с диатомовыми, зеленых водорослей. Вероятно, этот период пришелся на возобновление промышленного производства апатитового концентрата в послевоенные годы, ввод в эксплуатацию новых карьеров, увеличение населения г. Кировска. Исчезновение из диатомовых палеокомплексов болотных видов, ацидофильных по отношению к pH может являться свидетельством как повышения значений pH водной среды, так и результатом строительства рассеивающей дамбы на заболоченном северо-восточном берегу озера в устье р. Юкспорйок.

Зона VI (2-0 см) отражает период развития экосистемы озера в последнее десятилетие. Происходящие изменения связаны с прекращением работы фабрики АНОФ-1 и спадом производства в 1990-е гг. Этот период можно считать очередным этапом резких преобразований экосистемы, что подтверждается результатами кластерного анализа (рис. 8.10). Произошла смена доминантного комплекса диатомей с одновременным исчезновением ранее существующих видов. Изменение претерпел и трофический статус водоема. Массовое развитие Stephanodiscus hantzschii Grunow свидетельствует о процессах его эвтрофирования (Баринова и др., 2000). Несмотря на снижение техногенной нагрузки в этот период, происходящие в водоеме изменения носят негативный характер, которые и подтверждаются упрощением диатомовых комплексов и снижением видового разнообразия. Были уточнены экологические особенности некоторых таксонов диатомей, способных к существованию в экстремальных условиях промышленного загрязнения. Один из типичных видов, входящих в доминантный комплекс последнего изученного периода (Зона VI) – Surirella brebissonii, свидетельствует о высоких значениях минерализации вод и pH >8,0. Необходимо отметить индикаторную роль этого вида и его устойчивость по отношению к высоким значениям pH. Массовое развитие S. brebissonii было зафиксировано в сточных водах комбината «Североникель», где значения pH вследствие искусственного известкования достигают 9.5 и выше (Денисов, 2005; Касиков и др, 2002). Были уточнены экологические характеристики Cymbella ventricosa Kützing и отмечено ее преобладание в сообществах литорали оз. Большой Вудъявр (N до 87 %). Это свидетельствует о ее способности в массе вегетировать в условиях загрязнения, при отсутствии конкуренции с менее устойчивыми видами. Значительная численность этих видов на современном этапе подтверждает сохранение техногенной нагрузки на водоем, несмотря на закрытие фабрики и сокращение объемов добычи руды. В экосистеме водоема происходят значительные преобразования, которые могут привести к установлению нового стабильного состояния при сохранении современной нагрузки.

Таким образом, за исследованный период в экосистеме озера произошли коренные изменения, связанные с развитием и деятельностью горно-промышленного комплекса на территории водосбора начиная с 30-х годов. Полностью изменился химический состав вод, температурный режим, трофический статус, скорость процессов седиментации, прозрачность и др.

Оз. Имандра, губа Белая. В данном водном объекте были выделены 4 этапа развития (рис. 8.10). Поступление большого количество взвешенных частиц, связанных с деятельностью обогатительных фабрик (АНОФ-I и АНОФ-II), определило формирование мощных техногенных отложений на дне водоема. Поэтому отследить доиндустриальный этап в развитии этой части оз. Имандра не удалось. Кроме того, исходя из характера распределения элементов и диатомовых комплексов, а также с учетом количества поступающей взвеси, был сделан вывод о высоких скоростях осадконакопления, в результате чего можно предположить, что формирование исследованной толщи ДО (14 см), охватывает период развития водоема в последние десятилетия. Уникальные данные о диатомовых сообществах, развивающихся до начала промышленного освоения района губы Белая, содержаться в работах по изучению Кольских диатомитов (Порецкий и др., 1934). Согласно этим данным, развивающаяся в водном объекте диатомовая флора коренным образом отличалась от существующей в последние десятилетия. Помимо арктоальпийских планктонных видов, характерных для олиготрофных озер, в водоеме в этот период были выявлены богатые видами бентические сообщества диатомей, включающие целую серию видов ацидофилов по отношению к pH. Исследование состава грунтов показало наличие торфяных прослоек. Это, очевидно, говорит в пользу отсутствия предрасположенности данного водного объекта к защелачиванию, значения pH, вероятно, находились в пределах околонейтральных и ниже, и в значительной степени определялись гидрохимическим режимом р. Белая. С началом промышленного освоения экосистема этого водного объекта претерпела многочисленные изменения, связанные с преобразованием русла р. Белая и поступлением промышленных вод АНОФ-II и хозбытовых стоков г. Апатиты. Кроме того, в настоящее время на берегах губы Белой развит техногенный ландшафт, морфометрия и береговая линия изменены вследствие строительства дамб и отстойников хвостохранилищ.

Зона I (14-12 см) вероятно, сформировалась, когда произошел спад производства в 1990-е гг, о чем свидетельствуют сравнительно низкие значения концентрации ТМ и тенденция к уменьшению концентрации элементов, связанных с апатитовым производством. Это подтверждается развитием арктоальпийских видов, предпочитающих высокую прозрачность воды. Возможно, это связано с переходом фабрики АНОФ-2 на частично оборотное водоснабжение.

Зона II (12-10 см), согласно результатам кластерного анализа (рис. 8.10) характеризуется резким отличием от других периодов, что связано с преобразованиями в экосистеме водоема. Вероятно, переход экосистемы в новое состояние произошел вследствие изменения состава вод, приносимых р. Белой в результате прекращения работы АНОФ-1. Улучшение качества вод позволило в массе развиваться характерным для олиготрофных водоемов арктальпийским видам (Stephanodiscus alpinus Hustedt) (рис. 8.9).

Зона III (10-8 см) связана с дальнейшими преобразованиями, о которых свидетельствует рост N_о и снижение H’. О качестве вод можно судить по присутствию тех же таксонов, что и в последние периоды развития оз. Большой Вудъявр, предпочитающих высокую минерализацию и значения pH > 7.0. Происходящие на протяжении этого периода изменения вызвали массовое развитие Aulacoseira islandica Simonsen. Развитие данного вида характерно для загрязняемых акваторий оз. Имандра, причем его появление сопровождает сокращение численности других, ранее существовавших таксонов (Каган, 2001).

Зона IV (8-0 см) отражает период, сопровождающийся увеличением взвеси, о чем свидетельствует существенное сокращение N видов, предпочитающих высокую прозрачность, и обеднение видами бентических водорослевых сообществ. Этот этап развития водного объекта характеризуется абсолютным доминированием A. islandica в диатомовых сообществах, низким видовым разнообразием. Все это свидетельствует о перестройке в экосистеме водоема в сторону упрощения при изменяющемся комплексе воздействующих техногенных факторов. Некоторое улучшение экологической обстановки в губе Белой, вероятно, произошло в конце этого периода. Это подтверждает снижение N_о и рост H’ (рис. 8.9). Сложности в интерпретации полученных результатов связаны со значительным разнообразием групп факторов, действующих в пределах устьевого участка. Основными из них можно считать терригенный речной снос осадков и гидрохимический состав вод р. Белой, а также экосистему оз. Имандра и перенос загрязнителей течениями. На основе сравнительного анализа данных о видовом составе диатомей в доиндустриальный период (Порецкий и др., 1934), можно сделать вывод о необратимой смене условий экосистемы губы Белой.