Реконструкция исторического изменения pH

Дли водоемов изученных озерно-речных систем, где была обнаружена наиболее выраженная динамика N таксонов диатомей, различающихся по отношению к pH, выполнена реконструкция исторических трендов pH на базе диатомовой модели, разработанной для субарктических водоемов Швеции (Renberg, Hellberg, 1982).

Рис. 8.11. Исторические тренды изменения значений pH, реконструированные на основе диатомовой модели.

Таблица 8.1.

Уравнения линейной регрессии по индексу B, на основании которых были рассчитаны значения pH.

Водоем	Уравнение линейной регрессии	r2
оз. Сердцевидное	pH = 7.5-0.85logB	0.95
оз. Купальное	pH=4.48 –0.93logB	0.89
оз. Малый Вудъявр	pH=6.46+118.72logB	0.83
оз. Большой Вудъявр	pH = 6.73-1.38logB	0.93
оз. Имандра, губа Белая	pH=7.26+147logB	0.76

Оз. Сердцевидное. Изменения рассчитанных значений pH обнаруживают тенденцию к снижению начиная с глубины 4 см (рис. 8.11). В нижних частях (10-4 см) колонки значения pH варьировали в пределах 7.19-7.38. В верхних (4-1 см) прослеживается снижение pH с 7.30 до 6.89. Реконструированные значения для верхних слоев отложений отражают развитие процессов закисления, и достигают 6.78 в слое 1-2 см. Таким образом, малые размеры озера и поступление кислотообразующих веществ с атмосферными выпадениями вызвали преобразование слабощелочной среды в водоеме в слабокислую.

Оз. Купальное. Для оз. Купальное выявлена тенденция снижения значений pH по направлению от нижних слоев ДО к верхним. В интервале от 11 до 8 см эти значения колеблются в пределах от 6.38 до 6.29, после чего происходило постепенное снижение, и в верхних слоях колонки активная реакция составляет уже 6.10-6.17 (рис. 8.11). реконструированные значения pH подтверждают наличие слабокислых условий в водоеме в доиндустриальный период, поэтому водоем изначально был предрасположен к процессам закисления. На рубеже стратиграфических зон II и III, очевидно, имело место начало закисления водоема, что подтверждается реконструированными значениями – на глубине 7 см отмечено снижение pH до 6.20. В этот же период происходило развитие видов с узким диапазоном pH-оптимума. Теоретические значения pH в этот период находятся в пределах 6.20-6.18, но эти значения представляют собой интегральную величину, отражающую среднее значение за период накопления слоя ДО. Эти факты позволяют предположить, что в рассматриваемый период в водоеме происходили сравнительно кратковременные снижения значений pH, связанные, очевидно, с весенним паводком («pH-шок»), вызывающие развитие ацидобионтов и сокращающие численность не устойчивых к подобным значениям pH диатомей. Таким образом, начало этого этапа в развитии экосистемы было связано с началом промышленного освоения Кольского полуострова и интенсификацией кислотообразующих выбросов в атмосферу.

Оз. М. Вудъявр. В нижних слоях колонки (10-8 см) активная реакция воды находилась в пределах околонейтральных значений: 6.97-7.10. В средней части колонки отмечен рост pH до 7.27, и далее, по направлению к верхним интервалам ДО вновь снижение до 7.11. Вероятно, такая динамика является отражением периода воздействия Кольской базы АН СССР на экосистему водоема. В поверхностных слоях наметилась тенденция к повторному повышению pH, и в слое 0-1 см значение pH составило 7.27. Таким образом, реконструкция значений активной реакции воды водоема выявила тенденцию к увеличению pH по направлению к верхним слоям ДО. Тенденция к незначительному защелачиванию водоема объясняется развитой на берегах сетью грунтовых дорог для движения карьерного транспорта и наплывом туристов в летний период.

Оз. Б.Вудъявр. Для всей толщи колонки активная реакция воды была выше нейтральной, минимальное значение зафиксированно на глубине отложений 22 см – 7.13. Качество вод в оз. Б. Вудъявр в доиндустриальный период характеризовались околонейтральными и слабощелочными значениями pH. По направлению от нижних слоев к верхним происходит увеличение pH с 7.1 до 7.5 (рис. 8.11). Такие результаты могут быть связаны с естественными факторами. Исходя из батиметрии водоема, наибольшая глубина (зона аккумуляции, где была отобрана колонка) расположена ближе к северному, заболоченному берегу, где в водоем впадают реки Юкспоррйок и Саамка, поэтому в формировании диатомовых комплексов в ДО участвовали виды, приносимые с током рек. Этим можно объяснить присутствие типичных болотных, ацидофильных видов в ДО. Сокращение площади болот как результат климатических изменений, и, соответственно, снижение объемов поступления подкисленных вод, вероятно, могло вызвать естественное увеличение значений pH воды в озере в этот период. Сохранность панцирей A. formosa в ДО подтверждается реконструированными значениями pH – 8.1, при которых растворение тонкостенных створок существенно замедляется.

По данным проведенных в 1939 г исследований оз. Б. Вудъявр, щелочность водной среды составляла 459 мэквл^-1, pH=7.1. Теоретическое значение pH по диатомовой модели, соответствующие этому периоду – 7.5. Такое различие объясняется интегральным значениями рассчитанных pH, которые отражают периоды кратковременных колебаний, отразившихся на видовом составе диатомей.

На основе этих данных можно сделать вывод о техногенном защелачивании водоема на протяжении индустриального периода его развития, вследствие поступления шахтных вод с током р. Юкспорйок, что подтверждается реконструированными значениями pH, которые оказались максимальными на границе зон V и VI.

Оз. Имандра, губа Белая. Наличие торфяных прослоек в грунтах (Порецкий и др., 1934), 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.

Исследованная толща современных отложений свидетельствует о существенных изменениях pH в сторону защелачивания по сравнению с доиндустриальным периодом. Реконструированные значения pH за исследованный период показывают сложную динамику. Из рисунка 8.11 видно, что в нижней и верхней частях колонки pH находилось в пределах 7.33-3.38. В средней части колонки отмечено повышение pH, пик значений пришелся на глубину 7 см, где pH достигло значения 7.80. Этот максимум пришелся на период массового развития A. islandica, когда произошло снижение прозрачности воды как результат поступления взвеси (зона IV).

8.2.4. Распределение диатомовых комплексов в отношении солености

Одной из наиболее устоявшейся и часто применяемой системы индикации показателей состояния водных объектов на основе видового состава и обилия диатомовых водорослей является индикация солености. Система оценки солености основывается на делении диатомей по группам галобности, построенная на основе классификации Р. Кольбе (Kolbe, 1927) с изменениями и дополнениями (Hustedt, 1957; Simonsen 1962 и др.) Данная система широко применяется как для оценки современного состояния водных экосистем (Wunsam et al., 2002), так и для палеоэкологических реконструкций динамики солености (Stoermer, Smol, 1999), поскольку описывает широкий интервал концентраций, свойственный природным водам. Диатомовые водоросли являются наиболее предпочтительными индикаторами галобности, так как в настоящее время накоплена информация по чувствительности к солености около 2600 (Баринова и др., 2006). При этом определяющее значение имеет концентрация хлоридов. Показано, что на изменение концентрации хлоридов диатомовые водоросли реагируют целыми родовыми группами (Ярыгин, Анисимова, 2004; Анисимова, Ярыгин, 2005).

В настоящее время выделено 4 группы водорослей-индикаторов:

1. полигалобы, обитающие в гиперсоленых водах от 40‰ до 300‰;

2. эугалобы, обитатели морских вод с соленостью 20‰-40‰;

3. мезогалобы, живущие в солоноватых прибрежных водах морей и эстуариях, также как и в континентальных водах с соленостью от 5‰ до 20‰;

4. олигогалобы, обитающие в пресных или слегка солоноватых водах от 0 до 5‰. Внутри этой группы выделяются таксоны с более определенным отношением к содержанию солей: а) галофилы, преимущественно пресноводные, но распространенные также в водах с невысоким уровнем концентрации NaCl; б) индифференты, типично пресноводные, иногда встречающиеся в слегка солоноватых водах; в) галофобы, типично пресноводные, избегающие даже небольших концентраций NaCl.

Диатомовые комплексы в ДО изученных водоемов были распределены по отношению солености в различных частях колонок, отражающих основные этапы развития их экосистем. Анализ проводился с учетом современных гидрохимических показателей, характеризующих минерализацию водоемов (рис. 8.12).

8.2.4.1. Озерно-речная система р. Белая

Оз. Купальное. До начала загрязнения водоема в диатомовых комплексах доминировали олигогалобы, на долю галофобов приходилось 19.88 %, полностью отсутствовали галофилы. Очевидно, озеро характеризовалось ультрапресными условиями. Как было описано выше, начало загрязнения проявилось в снижении pH и увеличении концентрации ТМ в ДО. Изменение гидрохимических характеристик повлекло за собой уменьшение общей минерализации, что проявилось в тенденции к росту доли галофобов и сокращении индифферентов в ДО по направлению к поверхностным слоям (рис. 8.13). Для данного водоема была зафиксирована самая высокая доля галлофобов – 54.42% в слоях ДО 2-5 см. В поверхностных слоях (0-2 см) доля индифферентов сократилась до 1.02 %, в то время как в нижних слоях колонки их доля составляла 27.57 %.

Эти данные хорошо согласуются с современными гидрохимическими характеристиками: из всех исследованных водоемов оз. Купальное содержит наименьшее количество хлоридов, имеет самую низкую электропроводность и общую минерализацию (рис. 8.12). Вероятно, низкая минерализация этого водоема определяется атмосферным типом питания, особенностями гидрохимического режима с пониженными (6.02) значениями pH, и отсутствием прямого контакта с горными породами.

Таким образом, оз. Купальное являлось ультрапресным водоемов еще до начала развития промышленности в регионе. С началом загрязнения и изменением гидрохимических характеристик среды произошло дальнейшее уменьшение общей минерализации.

Оз. Мал. Вудъявр. Резких изменений в динамике диатомовых комплексов по отношению к солености в колонке ДО выявлено не было. В водоеме на всем изученном периоде развития господствовала олигогалобная диатомовая флора, доля галофобов варьировала от 12.6 до 9.58 % в различных слоях колонки, что, очевидно объясняется естественной динамикой. Во всех изученных слоях зафиксировано присутствие мезогалобов – 1.12-0.48 %, что свидетельствует о разнообразии условий в водоеме для развития различных диатомей. С началом промышленного загрязнения отмечено увеличение группы с неизвестным отношением к солености (рис. 8.13), иных тенденций выявлено не было. Низкая минерализация водоема определяется типом питания – снеговое, атмосферное и родниковое. Очевидно, минерализация водоема на всем изученном периоде соответствовала природным фоновым ультрапресным водам, что сохранилось и в настоящее время (рис. 8.12).

Оз. Бол. Вудъявр. Доиндустриальный период развития водоема характеризовался значительной долей (44.3 %) с неизвестным отношением к солености, что затрудняет анализ динамики минерализации.

Рис. 8.12. Средние значения некоторых современных гидрохимических показателей, определяющих соленость водоемов. а) – электропроводность; б) – содержание ионов Cl^- и Na⁺; в) – общая минерализация.

Рис. 8.13. Распределение диатомовых комплексов по отношению к галобности в ДО водоемов озерно-речной системы р. Белая. гб – галофобы, ог – олигогалобы, и – индифференты, гл – галофилы, мг – мезогалобы, н – виды с неизвестным отношением к солености.

Основную долю, очевидно, составляли олигогалобы, на галлофобов из них приходилось 3.03 %. Как и в оз. Мал. Вудъявр, отмечено незначительное присутствие мезогалобов (0.49 %). Эти факты, а также сравнение с другими водоемами по современным и палеоэкологическим данным (рис. 8.12, 8.13, 8.14) позволяют предположить, что фоновая минерализация оз. Бол. Вудъявр соответствовала современным фоновым ультрапресным водоемам Хибинского горного массива – оз. Мал. Вудъявр и оз. Пай-Кунъявр. Начало загрязнения водоема характеризовалось уменьшением доли видов с неизвестным отношением солености, что могло быть следствием загрязнения стоками апатитовой промышленности и увеличением концентрации биогенных элементов.

В этот период на развитие водорослевых сообществ оказывало влияние множества факторов, на фоне которых изменение общей минерализации отразилось в увеличении группы олигогалобов – индифферентнов (рис. 8.12). Увеличение общей минерализации было отмечено начиная с интервала 3-10 см, о чем свидетельствует увеличение доли мезогалобов до 5.5 %. В поверхностных слоях (0-3 см) доля мезогалобов увеличилась до 18.26 %, как результат дальнейшего увеличения минерализации. Эти результаты согласуются с современными данными по гидрохимическим показателям среды в водоеме (рис. 8.12). Изменения в группах галобности диатомей свидетельствуют о тенденции к превращению в озере ультрапресных вод в пресные. Можно предполагать наличие в водоеме участков акватории с тенденцией превращения в высокоминерализованные воды, например, в зоне технологического отстойника рудничных вод (минерализация свыше 200 мг/л и электропроводность свыше 170 мгS/см). В случае ярко выраженных процессов засоления водоемов в результате воздействия промышленности, когда доминирует мезогалобная диатомовая флора, концентрация ионов Cl^- может достигать 40-85 мг/л, а электропроводность – 390-560 mS/см (Wunsam et al., 2002). Эти показатели в оз. Бол. Вудъявр существенно ниже.

Таким образом, можно предположить, что общая минерализация и содержание хлоридов оз. Бол. Вудъявр за весь исследованный период возросла более чем в два раза по сравнению с фоновым (доиндустриальным) состоянием, как результат загрязнения стоками апатитовых рудников и изменения в целом гидрохимических показателей водоема, но процессов интенсивного засоления водоема не происходит.

Губа Белая оз. Имандра. Как было отмечено выше, исследуемая толща отложений не охватывает доиндустриальный период. Современные показатели минерализации губы Белая сравнительно высоки для изучаемых водоемов и характеризуются наибольшей электропроводностью и общей минерализацией. Как было описано выше, губа Белая – сложная динамичная экосистема, для которой характерно влияние множества факторов на развитие водорослевых сообществ, из которых минерализация, очевидно, не является определяющей. Различные типы загрязнения, влияние стока р. Белая и течений оз. Имандра способствуют развитию наиболее толерантной из олиголалобной группы диатомей – индифферентов. Отсутствие в ДО губы Белая большой доли мезогалобов, которые развиваются в оз. Бол. Вудъявр, объясняется особенностями биологии этих видов. Обнаруженные мезогалобы принадлежат к бентосу и перифитону, и поэтому могут обитать в стационарных условиях озера, в то время как в условиях речного стока и течений губы Белой доминирующими формами являются планктонные диатомеи. В данном водном объекте диатомовые комплексы характеризуются самой малой для изученных водных объектов долей галофобов (не более 1.8 %.), что согласуется с данными о повышенной минерализации (рис. 8.12, 8.13).

Диатомовая флора губы Белая оз. Имандра за изученный период свидетельствует о воздействии множества меняющихся факторов, среди которых минерализация не является определяющей. О повышенном, по сравнению с фоновыми водоемами, уровне минерализации свидетельствует малая доля галофобов.

Рис. 8.14. Распределение диатомовых комплексов по отношению к галобности в ДО водоемов озерно-речной системы р. Куна. гб – галофобы, ог – олигогалобы, и – индифференты, гл – галофилы, мг – мезогалобы, н – виды с неизвестным отношением к солености.

8.2.4.2. Озерно-речная система р. Куна

Оз. Сердцевидное. В диатомовых комплексах ДО этого водоема обнаружено наименьшее количество таксонов с неизвестным отношением к солености, а также максимальное количество галофилов среди изученных водных объектов. Доиндустриальный период развития водоема характеризовался доминированием олигогалобов, из которых галофилы составляли 54.6 %, галофобы – 11.58 % (рис. 8.14). До начала промышленного загрязнения в водоеме наметилась тенденция к повышению минерализации, что проявилось в увеличении доли галофилов до 69 % и сокращении доли галофобов до 3.5 %. Обилие галофилов в диатомовых комплексах очевидно объясняется непосредственным контактом питающих озеро вод с горными породами и слабо развитый почвенный покров, что способствует поступлению в водоем растворимых минералов.

С началом аэротехногенного загрязнения региона в водоем начали поступать кислотообразующие соединения и ТМ, что привело к снижению значений pH и изменению гидрохимических характеристик среды. Это повлекло за собой возникновение противоположной тенденции в изменении минерализации: по направлению к верхним слоям колонки ДО происходит увеличение доли галофобов до 10.6 % и сокращение галофилов до 47.2 %.

Таким образом, в настоящее время происходит уменьшение общей минерализации озера по сравнению с фоновым состоянием в связи с изменением гидрохимического режима как результат аэротехногенного загрязнения.

Оз. Пай-Кунъявр. По распределению диатомовых комплексов в ДО по отношении к солености, водоем напоминает оз. Мал. Вудъявр. Существенных изменений минерализации по сравнению с доиндустриальным периодом не произошло, существующие незначительные изменения могут объясняться естественной динамикой. В водоеме за весь изученный период развития основную массу составляли индифференты (до 68 %). Как и в оз. Мал. Вудъявр, обнаружено присутствие мезогалобов 0.54-0.83 %. По направлению к верхним слоям колонки выявлена слабая тенденция к уменьшению доли галофобов с 9.53 до 7.27 %, что может быть связано как с естественной динамикой, так и с аэротехногенным загрязнением региона (рис. 8.14).

Озеро не претерпело выраженных изменений минерализации и соответствует фоновым ультрапресным водоемам Хибинского горного массива, что подтверждается современными гидрохимическими показателями (рис. 8.12).

Оз. Травяное. На всем изученном периоде развития водоема доминировала олигогалобная диатомовая флора, причем 22-26 % составляли галофобы. Обилие галофобов при полном отсутствии галофилов и мезогалобов объясняется особенностями гидрохимического режима водоема, связанного с болотным питанием и пониженными pH (< 7.0), определяющими низкую минерализацию на протяжении всего изученного периода накопления отложений. Эти данные согласуются с современными показателями (рис. 8.12).

Изменения были зафиксированы только в верхних 5 см колонки ДО, когда численность галлофобов сократилась более чем в два раза и составила 9.3 % (рис. 8.14). В этот же период зафиксировано увеличение концентрации металлов (Cu и Ni) в поверхностных ДО. Очевидно, изменение химического состава и некоторое увеличение минерализации произошло вследствие аэротехногенного загрязнения озера, чему способствовала малая проточность отдельных плесов и небольшие глубины. Можно предположить некоторое увеличение минерализации по сравнению с фоновым периодом за счет увеличения концентрации хлоридов, которая в настоящее время в оз. Травяное выше, чем в других условно фоновых водоемах (рис. 8.12). Увеличение NaCl в среде могло вызвать зафиксированное в поверхностных отложениях сокращение численности галофобов.

Оз. Куна. В диатомовых комплексах изменений соотношения групп галобности по направлению от нижних слоев к верхним обнаружено не было, картина распределения типична для других условно фоновых озер в изучаемых речных системах и напоминает оз. Пай-Кунъявр и Мал. Вудъявр (рис. 8.13, 8.14). При этом основная доля пришлась на олигогалобов, из которых индифферентов – 75.1-73.7 %, галлофобов – 10-12 %. Минимальную долю занимают мезогалобы: 2.5 – 1.3 %.

Минерализация водоема не изменилась с началом промышленного освоения региона и находиться на уровне ультрапресных фоновых водоемов, что подтверждается современными гидрохимическими данными.

Устье р. Куна (оз. Имандра) В исследуемой колонке отсутствуют слои, сформировавшиеся до начала загрязнения. Происходящие в ходе развития этого водного объекта изменения испытывают влияние стока р. Куны и течений оз. Имандра, что определяет состав диатомовых комплексов. Во всей толще колонке господствуют олигогалобы, в центральной части было отмечено появление незначительной доли мезогалобов (до 2.51 %). Наряду с этим произошло увеличение доли галлофобов с 9.5 до 12.8 %. Вероятно, в этот период условия развития водорослевых сообществ были достаточно разнообразными, что позволяло существовать различным по отношению к галобности группам. Не исключено, что определенный вклад в развитие мезогалобов внесло загрязнение этой части оз. Имандра. Верхние слои отложений характеризуются снижением как галофобов (до 5.4 %), так и мезогалобов (до 1.34 %), и увеличением индифферентов до 86 %. Таки образом, в водоеме очевидно произошло незначительное увеличение общей минерализации, на которое среагировали наиболее чувствительные галофобные таксоны. Это подтверждается современными гидрохимическими показателями минерализации, которые находятся в пределах, характерных для фоновых водоемов Хибинского массива. Господствующее положение индифферентов подтверждает динамичные условия экосистемы водного объекта.

8.2.4.3. Заключение

На основе распределения диатомовых комплексов в ДО по группам галобности были реконструированы изменения общей минерализации в водоемах Хибинского горного массива и прилегающих территорий. В результате было установлено, что на всех исторических периодах формирования ДО во всех водоемах господствующее положение занимала группа олигогалобов с соответствующими подгруппами: галофобы, галофиллы и индифференты, что отражает типично пресноводные условия водоемов Хибинского горного массива. Все изученные водоемы на всех этапах развития могут быть отнесены к классу ультрапресных (концентрация солей не более 200 мг/л) и пресных (200-500 мг/л) вод. Минерализация водоема определяется условиями формирования вод на водосборе, поэтому одним из факторов, определяющих различную минерализацию исследуемых водоемов до начала загрязнения, является их ландшафтно-географическое положение, тип питания, контакт воды с горными породами, батиметрия, проточность и т.п.

Наибольшие изменения минерализации в сторону увеличения были обнаружены в оз. Бол. Вудъявр, как результат непосредственного интенсивного загрязнения стоками апатитовых рудников, что повлекло за собой развитие солоноватоводных таксонов диатомей до 18 % от общей численности. Общая минерализация возросла в два раза по сравнению с доиндустриальным периодом. Несмотря на это, резких изменений солености в водоеме выявлено не было, поэтому целесообразно делать выводы лишь об изменении общей минерализации на фоне сохранения пресноводного статуса озера.

Водоемы, которые на протяжении изученного периода развития характеризовались пониженными (< 7.0) значениями pH отличались наиболее низкой общей минерализацией – оз. Купальное и Травяное. Выявлены тенденции снижения общей минерализации в оз. Купальное и Сердцевидное, как результат аэротехногенного загрязнения региона.

Установлено естественно-природное соотношение групп диатомей по отношению к галобности, характерное для фоновых ультрапресных водоемов: оз. Мал. Вудъявр, оз. Пай-Кунъявр, оз. Куна.

Устьевые участки рек Куна и Белая характеризуются как динамичные экосистемы, испытывающие воздействие множества факторов, на фоне которых сложно установить четкие тенденции изменения минерализации. В наиболее загрязненной губе Белая максимальные для изученных водных объектов значения общей минерализации отразились в редукции (< 2.0 %) доли наиболее чувствительных таксонов, характерных для ультрапресных вод. В устье р. Куна также наметилась тенденция к повышению общей минерализации.