Пространственно-временной анализ зарастания волгоградского водохранилища
На правах рукописи
КОЧЕТКОВА Анна Игоревна ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ ЗАРАСТАНИЯ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук
Борок, 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Волгоград ский государственный университет» доктор биологических наук, профессор
Научный консультант:
Папченков Владимир Гаврилович
Официальные оппоненты: Петросян Варос Гарегинович доктор биологических наук, ФГБУН Ин ститут проблем экологии и эволюции А.Н. Северцова РАН, г.н.с., заведующий кабинетом биоинформатики и моделиро вания биологических процессов.
Ефремов Андрей Николаевич кандидат биологических наук, ЗАО «Проектный институт реконструкции и строительства объектов нефти и газа», начальник группы камеральной обработ ки отдела экологических изысканий.
ФГБОУ ВПО «Астраханский государст
Ведущая организация:
венный университет»
Защита диссертации состоится « 16 » мая 2013 г. в 1400 ч. на заседании дис сертационного совета ДМ 002.036.01 в Федеральном государственном бюд жетном учреждении науки Институте биологии внутренних вод им. И.Д. Па панина Российской академии наук по адресу: 152742, Ярославская область, Некоузский район, пос. Борок, тел./факс (48547) 24042.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государст венного бюджетного учреждения науки Институте биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук, с авторефератом – в сети Ин тернет на сайте ВАК РФ и ИБВВ РАН по адресу: http:/www.ibiw.ru.
Автореферат разослан: «2» апреля 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Л.Г. Корнева доктор биологических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Волгоградское водохранилище замыкает сеть гидротехнических сооружений Волжско-Камского каскада и вследствие этого испытывает природно-антропогенное воздействие всей этой сети. При доста точно хорошей изученности растительного покрова Волгоградского водохра нилища в пределах Саратовской области (Седова, 2007;
Маевский и др., 2010) отсутствуют современные данные по разнообразию флоры и растительности этого водоёма в пределах Волгоградской области. На Волгоградском водохра нилище зарастание отмелей и кос, образующихся на выходе из заливов, часто приводит к их отделению от основной акватории и, следовательно, к уменьше нию мест для нереста рыб. Для выявления проблемных в этом отношении уча стков необходимо провести типизацию зарастающих мелководий. Заиление и последующее зарастание мелководий, барьерная роль водных растений, уча стие их зарослей в накоплении и трансформации тяжёлых металлов и взвешен ных веществ недостаточно изучены. Необходим прогноз динамики зарастания путем синтеза материалов научных публикаций и данных дистанционного зон дирования Земли (ДЗЗ) из космоса.
Исходя их вышеперечисленного, целью данной работы является выявле ние особенностей динамики зарастания Волгоградского водохранилища с ис пользованием методов ДЗЗ и оценка влияния водной растительности на со стояние его экосистемы.
Задачи, направленные на достижение поставленной цели:
1. Изучение разнообразия растительного покрова Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области.
2. Изучение процессов зарастания мелководий с момента формирования Волгоградского водохранилища до настоящего времени.
3. Выявление различных типов зарастающих мелководий.
4. Выявление возможности использования водной растительности для индикации геодинамических процессов на Волгоградском водохранилище.
5. Исследование барьерной роли высшей водной растительности для тяжёлых металлов и взвешенных веществ на Волгоградском водохранилище.
6. Выявление закономерностей накопления тяжёлых металлов высшими водными растениями с расчётом коэффициентов биологического поглощения.
Предметом защиты диссертации являются выявленные особенности и закономерности зарастания Волгоградского водохранилища и влияния высшей водной растительности на экосистему водоёма.
Защищаемые положения.
1. Зарастание Волгоградского водохранилища носит пульсирующий характер, оно неоднородно во времени по скорости, направлению и пространственному положению.
2. Характер зарастания определяется режимом уровня воды, темпами абразии и формирования абразионно-аккумулятивной отмели.
Научная новизна выполненных исследований. Впервые с использо ванием методов ДЗЗ была произведена оценка динамики зарастания Волго градского водохранилища с момента его наполнения по настоящее время. С применением ГИС была создана база данных, включающая картосхемы за растания водохранилища и произведена каталогизация гербарных образцов высших водных и прибрежных растений, собранных на мелководьях водо ёма. На основе спутниковых снимков Landsat 4-5 (TM) и Landsat 7 (ETM+) с учётом динамики зарастания за период с 1986 г. по 2010 г. произведена типи зация зарастающих мелководий.
Практическая значимость работы. Результаты исследования могут быть использованы: 1) для оценки экологического состояния Волгоградского водохранилища и разработки природоохранных мероприятий;
2) для ком плексной оценки биологического разнообразия водных объектов Волгоград ской области;
3) для решения задач рационального природопользования и охраны природной среды в зоне антропогенно-изменённого крупного водно го объекта;
4) в подготовке образовательных курсов для студентов, обучаю щихся по направлению «Экология и природопользование» в ВУЗах Волго градской области;
5) для создания электронной базы данных гербарной кол лекции высших растений в ВГИ (филиале) ВолГУ.
Апробация работы. Материалы и основные положения диссертации докладывались на научных конференциях международного, регионального и местного уровней: «Использование геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования Земли при решении пространственных задач» (Пермь, 2011);
«VIII Региональная научно-практическая конференция» (Волжский, 2011);
«Экологическая оптимизация регионального хозяйства:
круглый стол» (Волгоград, 2011);
«XVI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области» (Волгоград, 2011);
«Современные проблемы географии, экологии и природопользования» (Волгоград, 2012);
«Экологическая безопасность и природопользование: наука, инновации, управление» (Москва, 2012);
«Бассейн Волги в XXI-веке: структура и функ ционирование экосистем водохранилищ» (Борок, 2012). Дважды основные результаты исследования были заслушаны на заседании Учебно методического семинара кафедры природопользования, геоинформационных и наноэкономических технологий Волжского гуманитарного института (фи лиала) Волгоградского государственного университета.
Публикации. Результаты исследований изложены в 18 научных рабо тах, 2 из которых опубликованы в журналах рекомендованных высшей атте стационной комиссией.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 226 стра ницах и состоит из введения, 5 глав, выводов. Список цитируемой литерату ры 301 наименование. Текст иллюстрирован 130 рисунками и 21 таблицей.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю д.б.н. В.Г. Папченкову за огромную помощь на всех этапах написания работы;
директору ВГИ (филиала) ВолГУ д.э.н. М.М. Гузеву, заведующему кафедрой природопользования, геоинформационных и наноэкономических технологий д.э.н. А.В. Плякину, заведующему учебно-научной лаборатории экологических и социальных исследований ВГИ (филиала) ВолГУ к.г.н. О.В. Филиппову за содействие и полезные советы;
генеральному директору к.ф.-м.н. В.Е. Гершен зону и руководителю отдела геодезии и картографии ИТЦ «СКАНЭКС» к.г.н.
М.В. Зимину за бесценные консультации в обработке космических снимков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Обзор литературы по изучению растительного покрова с использованием ГИС и методов ДЗЗ из космоса В главе проанализировано состояние изученности и возможности ис пользования геоинформационных технологий и методов ДЗЗ в оценке расти тельного покрова. Последние методы в зависимости от поставленной задачи исследования могут базироваться на концепции вегетационных индексов (NDVI, IVI, VCI, IVCI) или дешифрировании различных типов растительно сти путём сопоставления их спектральной яркости на снимке с материалами полевых наблюдений.
Глава 2. Физико-географическая характеристика Волгоградского водохранилища На основе литературных данных в главе дана характеристика геологиче ского строения и рельефа, климата, почв, растительности и гидрологического режима Волгоградского водохранилища. Описаны непосредственно влияю щие на динамику зарастания факторы: глубина, гранулометрический состав донных отложений, прозрачность, скорость течений и уровенный режим.
Глава 3. Материалы и методы исследования 3.1. Полевые методы Материалы для исследования были получены в ходе экспедиций по про екту «Волжского плавучего университета», осуществляемому ВГИ ВолГУ в научно-исследовательских и учебных целях с 1998 г. и ФГУ «Управление эксплуатации Волгоградского водохранилища».
Полевые методы включали в себя картирование и геоботаническое опи сание растительности с гербаризацией растений, отбором проб растений для определения надземной воздушно-сухой биомассы, зольности и донных от ложений для лабораторных анализов на тяжёлые металлы.
Картирование растительности проводилось с лодки маршрутным мето дом с 2009 по 2012 гг. на 17-ти участках Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области. Исследовались заливы по устьям рек и уча стки мелководий на выходе из заливов. При описании зарастания последних участков мы использовали термин «устье заливов», означающий входной створ, отделяющий акваторию заливов от водохранилища.
Отбор проб растений и донных отложений для лабораторных анализов осуществлялся в 2006-2008 гг. Пробы растений тщательно промывались от взвесей, высушивались и заворачивались в крафт-бумагу. Образцы проб дон ных отложений отбирались с помощью дночерпателя Петерсена ДЧ-0,025 и помещались в предварительно подготовленные полиэтиленовые контейнеры.
3.2. Аналитические методы База данных по зарастанию Волгоградского водохранилища была созда на в программе ArcView GIS 3.2. Работа по классификации и тематической обработке космических снимков выполнена в программе ScanEX Image Pro cessor 3.6.8 в модуле Thematic Pro.
Для мониторинга зарастания использовали космические снимки Landsat 5 и Landsat 7 разрешением 15-30 м. Снимки обеспечивают надежное опреде ление распространения водных растений, потому могут служить источником для картографирования и выявления многолетних изменений (Лабутина, Балдина, 2009). Был создан архив снимков за июль месяц с 1986-2010 гг. Для анализа мозаик снимков использовали неуправляемую классификацию ISODATA (Кравцова, Шуматиев, 2005).
В программе ArcView GIS 3.2 производилось соединение точек расти тельных группировок в полигоны и произведена каталогизация гербарных образцов высших водных и прибрежно-водных растений. Каждый полигон после обработки стал обозначать либо ассоциацию, либо комплекс сооб ществ. Выделение ассоциаций производилось на основе доминанто детерминантного подхода (Папченков, 2003).
Пробоподготовку осуществляли в учебной экологической лаборатории ВГИ (филиала) ВолГУ. Взвешивание проб надземной воздушно-сухой биомас сы водных растений проходило после сушки их вначале на воздухе до полного высушивания и последующей досушки в сушильном шкафу при 65°С до по стоянного веса (Папченков, 2001). Для определения зольности и массы сорби рованных взвешенных веществ поверхностью листьев и стеблей и известковых отложений на листьях служили пробы промытых и непромытых водных расте ний, которые подвергались сжиганию в муфельной печи сухим методом до полного сгорания органического вещества при температуре 400-450 °С.
В результате проделанной работы были получены формулы для расчета процента взвеси в непромытых растениях Ceratophyllum demersum L. (1) и Potamogeton perfoliatus L. (2):
y=20.69ln(x)-59.725, R2=0.68 (1) y = 0,0076x2, R2=0.57 (2) где x – зольность непромытых растений (%), R – коэффициент детерминации.
Применение формул (1) и (2) позволяет рассчитать реальную зольность непромытых растений, необходимую для расчета количества органического вещества и калорийности растений.
Определение валового содержания тяжёлых металлов, таких как Cu, Zn, Pb, Cr, Ni, Co, Fe, Mn было реализовано на базе лаборатории «Мониторинга водных систем» МГУ им М.В. Ломоносова на портативном рентгенофлуо ресцентном кристалл-дифракционном сканирующем спектрометре «Спектро скан».
Глава 4. Характеристика растительного покрова Волгоградского водохранилища 4.1. Флора водохранилища в пределах Волгоградской области Флора нижней части водохранилища насчитывает 159 видов растений из 85 родов, 46 семейств и 4 отделов. О.В. Седовой (2007) для этого водоёма в пределах Саратовской области приведен 161 вид из 90 родов, 44 семейств и отделов и отмечено уменьшение разнообразия флоры водохранилища с севе ра на юг. Самые насыщенные видами семейства: Asteraceae (14 видов), Cyperaceae (18), Gramineae (14), Lamiaceae (6), Potamogetonaceae (5), Polygonaceae (11), Ranunculaceae (5), Salicaceae (12), Typhaceae (10). Из ро дов с большим разнообразием видов можно отметить Bidens (5 видов), Carex (5), Persicaria (10), Potamogeton (5), Salix (9), Scirpus (7), Typha (10).
Видовое богатство различных экотипов растений с продвижением по Вол гоградскому водохранилищу с севера на юг различно и это связано со сменой природных зон, в которых меняется отношение осадков к испаряемости (Ма лышев, 1992). Так, для лесостепи показатель составляет 0,85, степи – 0,77, су хостепи – 0,41 и полупустыни – 0,33 (Кретинин, 2011). C уменьшением этих показателей понижается разнообразие растений переувлажненных и сырых мест обитаний (гигрогелофитов и гигрофитов) и повышается доля гигромезо фитов и мезофитов, появляются мезоксерофиты и ксерофиты.
Нестабильные гидрологические условия на Волгоградском водохрани лище, находят свое отражение в особенностях уровенного режима, измене нии ширины отмели и абразионных процессах. Под действием этих факторов появляются новые свободные местообитания, которые так необходимы для распространения и закрепления разнообразных, в том числе и новых занос ных растений и образовавшихся гибридов (Папченков, 2001). Во флоре Вол гоградского водохранилища было найдено 14 гибридов, относящихся к раз ным экотипам. К гелофитам относится 4 гибрида (Scirpus lacustris L. S.
tabernaemontani (C.C. Gmel) Palla, Typha angustifolia L. Т. laxmannii Lepech., T. glauca Godron, Т. smirnovii E. Mavrodiev), гигрофитам – 9 гибридов (Bidens connata Muehl. ex Willd. B. frondosa L., B. frondosa L. B.
garumnae Jeaniean et Debray, Carex toezensis Simonk., Persicaria brauniana (S.F. Schultz) Sojk, P. intercedens (Beck) Sojk, P. lenticularis (Beck.) Sojk, Salix alopecuroides Tausch, S. rubens Schrank, S. undulata Ehrh.), мезофитам – 1 гибрид (Populus x canadensis Moench.).
При проведении флористических исследований нами обнаружено не сколько видов редких для флоры Волгоградской области и ранее не отмечен ных для нее (Мавродиев, 1999;
Голуб и др., 2002;
Флора Нижнего …, 2006). К числу последних относятся Bidens radiata Thuill, Persicaria hypanica (Klok.) Tzvel., P. tomentosa (Schrank) Bicknell., Typha elata Boreau., Veronica pseudoscardica Papch. и гибриды: Bidens connata B. frondosa, Carex toezensis, Persicaria brauniana, P. intercedens, P. lenticularis, Salix alopecuroides, S. undulata, Scirpus lacustris S. tabernaemontani.
4.2. Растительность водохранилища в пределах Волгоградской об ласти Растительный покров исследуемого участка Волгоградского водохранилища описывается 64 ассоциациями относящимся к 37 формациям.
Наибольшим разнообразием выделяется настоящая водная растительность, представленная 32 ассоциациями (50 % от общего числа ассоциаций), которые входят в 16 формаций, т.е. на одну формацию в среднем приходится ассоциаций. Воздушно-водная растительность характеризуется ассоциациями 14 формаций (1,4 ассоциации на формацию);
гигрогелофитная – всего 12 ассоциациями 7 формаций (1,7 ассоциации на формацию). Наиболее разнообразными в синтаксономическом отношении являются формации Potameta perfoliati и Typheta angustifoliae – соответственно 6 и 4 ассоциаций.
Более половины (54 %) растительных сообществ одноярусны и монодо минантны, у 42 % два доминанта, формирующих два яруса, и лишь в 4 % со обществ, имеющих также двуярусную структуру, доминируют 3 вида, при этом увеличение состава доминантов происходит за счет плавающих на по верхности воды растений (рясок, многокоренника, водокраса).
Наибольшее распространения имеет группа формаций воздушно-водной растительности и формация гидрофита рдеста пронзённолистного. В зараста ние водохранилища наиболее существенный вклад привносят фитоценозы Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud., Ph. altissimus (Benth.) Nabile, Typha angustifolia L., Potamogeton perfoliatus. Последние имеют массовое распро странение и занимают значительные площади на предустьевых, как правило, участках заливов.
По материалам ДЗЗ в 2010 г. площадь зарастания водохранилища соста вила 37 тыс. га, из которых на долю зарослей тростника приходилось 48 %.
Комплексы сообществ рогоза и тростника давали 40 % зарослей, сообщества истинно водных растений – 20 %. Тростниковые фитоценозы (без учёта ком плексов из сообществ тростника и рогоза) занимают площадь около 18 тыс.
га и образуют воздушно-сухую биомассу в количестве 215 тыс. т.
4.3. Характер зарастания различных типов мелководий Волгоградского водохранилища Изучение высшей водной растительности Волгоградского водохранилища началось с момента его наполнения в 1961 г. и продолжается по настоящее время. Материалы по растительному покрову и зарастанию водохранилища отражены в ряде научных публикаций (Экзерцев, Экзерцева, 1962;
Экзерцев, 1961, 1963, 1966, 1973, 1978;
Лисицына, Экзерцев, 1984, 1989;
Лисицкий, 1974;
Небольсина, 1974а, 1974б, 1980;
Закора, 1983;
Закора, Синицына, 1983;
Седова, 2007;
Шашуловский, 2006;
Шашуловский, Мосияш, 2010).
Рис. 1. Динамика зарастания Волгоградского водохранилища в виде гистограммы (ис точники: 1972 г. – Экзерцев, Лисицына (1984);
1981 г. – Закора, Синицына (1983);
г. – Шашуловский, Мосияш (2010);
1991, 1995, 2000, 2007, 2010 – данные автора) и ход уровней воды в виде графика В целом зарастание Волгоградского водохранилища носит пульсирую щий характер (рис. 1), для которого характерно чередование медленной и быстрой фаз (Папченков, 2006). В первую из них (наблюдалась в 1972- гг.) зарастание шло едва заметно и достигло 0,9 % акватории водохранилища.
Начиная с 1981 г. по 1991 г. площадь зарастания резко увеличивается до 7, % и находится на этом уровне до 2003 г. С 2003 г. по 2007 г. процессы зарас тания несколько активизировались и степень зарастания достигла 10,5 %. В 2007-2010 гг. снова наблюдалась медленная фаза развития растительного покрова (рис. 1).
Такой темп зарастания во многом объясняется нестабильным уровенным режимом на Волгоградском водохранилище. В период с 1962 г. по 1990 г. на блюдались значительные и частые колебания уровня воды от 13,8 м БС до 14, м БС. Зарастание водохранилища было затруднено и не превышало 1 % от всей акватории. Лимитировали этот процесс факторы отсутствия зачатков водных растений (Экзерцев, Лисицына, 1984) и сильные абразионные процессы на озерном участке. Незначительные колебания уровня в период с 1991 г. по г. и резкое его понижение в 2005-2011 гг. с 14,91 м БС до 14,39 м БС в целом благоприятно повлияли на зарастание мелководий (рис. 1).
Зарастание Волгоградского водохранилища также определяется процес сом формирования абразионно-аккумулятивных отмелей (рис. 2) и темпами абразии. Ширина отмели с 1962 г. по 1990 г. сильно менялась с резким её при ростом. Так, на левобережье за этот период она в среднем увеличились с 50 м до 213 м. С 1991 г. по 2010 г. прирост отмели значительно уменьшился и ши рина ее за это время стала больше всего на 56 м. В этот временной промежуток темпы абразии также снизились по сравнению с первым периодом. Было дос тигнуто гидродинамическое равновесие, позволяющее водным растениям за крепляться на мелководьях и образовывать густые заросли (рис. 2).
Рис. 2. Динамика зарастания Волгоградского водохранилища (источники по рис. 1) и ход формирования отмелей Пульсирующий характер зарастания водохранилища, таким образом, обусловлен внешними факторами, вызывающими флуктуационные измене ния в его ходе. Первые значительные флуктуации зарастания, отмечены нами в 1991 г. и связаны они с замедлением темпов формирования абразионно аккумулятивных отмелей. Последующие изменения в зарастании определял в основном уровенный режим. В период с 1996 г. по 2001 г. уровень воды посте пенно повышался с 14,5 м БС до 14,94 м БС приводя к затоплению и после дующему отмиранию ранее сформировавшихся на мелководьях фитоценозов и, следовательно, к уменьшению зарастания водоёма в целом. С резким его понижением в 2005-2011 гг. образовались огромные площади обсыхающих мелководий, которые стали активно занимать прибрежно-водные растения.
С учетом скорости зарастания, его направления и пространственного расположения, гидрологических и морфометрических особенностей мелко водных участков проведена их типология. Выделены следующие типы зарас тающих мелководий:
1. Очень глубокие заливы (до 18-21 м), образованные в устьях малых рек (заливы Пичуга, Ерзовка, Песковатка, Даниловка, Другалка). Самым ди намичным участком залива по отношению к зарастанию является верховье.
Увеличение темпов зарастания началось с 1991 г. К 2010 г. площадь зарослей увеличилась приблизительно на 12 тыс. м2. Вектор зарастания направлен от верховья к устью.
2. Верховья крупных глубоководных заливов, сформировавшихся на месте затопленных долин приустьевых участков притоков (Ерусланский, Камышинский, Балыклейский). Наиболее динамично зарастает верховье зали ва. Здесь зарастание идёт в направлении от верхней части верховья к его вершине. Особенностью зарастания мелководий данного типа является цик личность. Так, например, в заливе Камышинский в 1995 г. площадь зараста ния верховья составляла 71 тыс. м2, в 2000 г. – 26 тыс. м2, 2007 г. – 59 тыс. м2, 2010 г. – 38 тыс. м2.
3. Закрытые глубоководные заливы с амплитудой колебания макси мальных глубин на различных участках от 4 м до 7 м (Мостовой, Большой, Балка Крестищенская, Бориков, Каранчев и т.д.). Несмотря на замедленный водообмен в заливах зарастание происходит крайне медленно. Наиболее ин тенсивно зарастают отделённые пересыпью устья заливов.
4. Мелководные заливы (1-4 м) по устьевым участкам рек (Б. Иргиз, Терешка, Курдюм, Б. и М. Караман, Тарлык и т.д.). Для данного типа мелко водий зарастание локализировано в верховье залива. Здесь создаются благо приятные условия для намыва мелководий, которые с 2007 по 2010 гг. значи тельно разрослись и стали обособленными островами. С образованием пер вых мелководных участков связано появление пионерных группировок вод ных растений. Рост мелководий и их зарастание идут против течения рек. В период быстрой фазы (2003-2007 гг.) зарастания Волгоградского водохрани лища самая высокая скорость была достигнута в заливах по рекам Терешка – 14,6 га/год и Курдюм – 2 га/год. Устьевые участки рек Большой Иргиз и Большой и Малый Караман не представлены в виде заливов, поэтому зарас тают крайне слабо.
5. Относительно мелководные (4-12 м) заливы правобережья по балкам и оврагам (Нижний Ураков, Горноводяное, Нижняя Добринка, Камышеваха и т.д.). Мелководья верховья залива являются наиболее активно зарастающими по сравнению с другими его участками. Зарастание идет от верховья к устью залива и происходит быстрее, чем в верховьях глубоководных заливов. Здесь можно выделить два периода с высокой скоростью зарастания: с 1991 г. по 1995 г., когда площадь зарослей увеличилась на 14 тыс. м2, и с 2000 г. по г. с увеличением площади на 9 тыс. м2.
6. Мелководья Y-образных заливов правобережья (заливы Жилой, Ду бовка, В. и Н. Ураков). Их особенностью является более сильное зарастание нижних (южных) отрогов по сравнению с верхними.
7. Закрытые мелководные заливы с глубинами до 3 м (залив Томатный и др.). Как правило, зарастание таких заливов носит импульсивный характер.
Первый существенный скачок в зарастании залива Томатный, например, имел место в период с 1995 г. по 2000 г., тогда зарастание достигло 15 % ак ватории залива. Следующий скачок произошел в промежуток с 2000 г. по 2007 г. с изменением степени зарастания от 20 % до 85 %. С 2007 г. по 2010 г.
зарастание вступило в медленную фазу и изменялось с 85 % до 87 %. Такие заливы нередко зарастают на 90-100 % прибрежно-водными растениями.
8. Относительно протяженные (от 1,2 км до 5 км) заливы левобере жья (Карагачёв, Мордовский, Карагачёва Балка, Терновый и др.). Зарастание такого типа мелководий наиболее активно происходит в устье заливов. В це лом оно носит пульсирующий характер с чередованием быстрых и медлен ных фаз. Так, быстрая фаза с резким приростом площади зарослей была в период с 1995 по 2000 гг. Степень зарастание в этот период увеличилась с % до 24 % акватории заливов. С 2000 г. по 2007 г. начинается медленная фаза с незначительным приростом площадей зарослей, доля которых возросла с % до 24,4 %. Далее, с 2007 г. по 2010 г. опять началась быстрая фаза, и сте пень зарастания изменилось с 24,4 % до 29,4 %.
9. Открытые мелководья с равномерным зарастанием гидрофитов (о.
Молчановка, о. Пролейский, о. Бурты, мелководья Нижний Ураков и Пичуга).
Данный тип зарастания характерен для участков водохранилища с низкими темпами абразии (0,1-1,8 м/год) и сформировавшейся отмелью. Здесь погру женная растительность распределяется по всей отмели мозаично или поясами.
10. Открытые мелководья с зарастанием гидрофитами по внешней кромки отмели (Бережновка, Новоникольское, Нижний Балыклей). Данный тип характерен для участков с активной абразией (4,4-5,9 м/год). В связи с неблагоприятными условиями произрастания распределение сообществ по груженной растительности имеет мозаичный характер.
11. Автогенные отмели Ровенско (Красноярско-Черебаевские, Черебаевские, Квасниковско-Узморские, Анисовские, Красноярские, Кошеле во-Чардымские, Волго-Иргизские). Зарастание автогенных отмелей в основ ном происходит в защищенных от внешних воздействий участках и, как пра вило, положительная её динамика проявляется за островами. В период значи тельного скачка в зарастании Волгоградского водохранилища с 2000 г. по 2007 г. скорость зарастания отдельных участков Квасниковско-Узморских автогенных отмелей составляла 6,3 га/год и для Красноярских – 4 га/год.
Наиболее динамично зарастают Красноярские автогенные отмели с увеличе нием площади зарослей с 1986 по 2010 гг. до 60 %.
Глава 5. Роль высшей водной растительности в функционировании экосистемы Волгоградского водохранилища Зарастание при чрезмерном его развитии может оказывать негативное воздействие на экосистему водохранилища. Заросли водных растений оказы вают гидравлическое сопротивление водному потоку, снижая его энергию и увеличивая скорость осаждения взвешенных веществ, активизируя процесс заиления водоёма. В результате кумулятивного действия факторов заиления и зарастания некоторые заливы водохранилища отделяются от основной аква тории, что приводит к уменьшению мест для нереста рыб. Макрофиты, наряду с донными отложениями играют важную роль в балансе геоэкологических процессов. Имея высокую продуктивность, они способны к аккумуляции ве ществ по безбарьерному принципу (Бурдин, 1998;
Лычагина и др., 1999).
Таблица 1. Содержание тяжёлых металлов в высших водных растениях Волгоградского водохранилища Вид1 Пара- Cu Zn Ni Pb Co Fe Mn Cr Sr метры ТО 1 1001 248 65 27 7 5775 3944 104 (20) 2 16 18 2 1 1 2420 923 43 3 251,3 159,8 18,6 20,3 4,3 4086,8 1930,23 62,4 420, 4 115,5 34,3 87,7 54,9 49,3 34,3 40 25,6 22, РУ НП НП 1 1201 185 9 6150 6339 61 НП НП (15) 2 30 101 2 345 538 40 НП НП 3 263,5 131,9 6,14 3288,8 2919,6 55,1 610, НП НП 4 161,2 23,1 36,3 65 61,5 12,8 27, УМ 1 280 173 67 30 16 16205 9647 135 (11) 2 44 39 11 4 5 1066 488 47 3 122,8 93,2 34,4 17,5 11,3 4668 3871,5 72,6 650, 4 56,3 37,6 40,7 53,3 32 88 64,2 28,6 36, РТ-З 1 319 194 89 28 16 16590 17703 71 (12) 2 59 27 10 4 8 825 1001 57 3 184,4 75,3 46,9 11,5 11,7 6718,9 3973 65,4 613, 4 46,3 58,8 39,5 83,5 28,3 75,5 119,7 6 28, РП 1 229 225 79 63 16 12030 8093 120 (28) 2 7 26 10 1 1 104 243 39 3 96 90,9 32,4 14,6 6,5 4814,7 1607 60,4 4 58,3 46,5 50,8 126,4 59,5 69 100,8 19,5 20, РБ 1 153 148 35 24 13 8806 4852 86 (12) 2 21 35 7 12 2 103 311 44 3 74 72,9 19,7 18,8 7,4 4286,6 1628,1 56,9 4 61,6 46,3 51,3 23,6 42,5 74,9 87,2 22,5 РК 1 326 109 52 19 15 11351 3073 72 (14) 2 127 63 15 8 2 1007 524 36 3 192,8 86,3 27 12 9 4482 1902,8 54,5 4 40,7 19,4 54,5 41,4 59,5 92,9 52,5 24,6 ЭК 1 - 63 36 5 - 8923 1774 68 (19) 2 - 32 2 2 - 3475 725 58 3 39 42,5 18,8 3,5 - 5736 1426 63,6 592, 4 - 28,5 65,2 42,9 - 38,3 28,9 5,8 Вид: ТО – Phragmites australis;
РУ – Typha angustifolia;
УМ – Myriophyllum verticillatum L.;
РТ-З – Ceratophyllum demersum;
РП – Potamogeton perfoliatus;
РБ – Potamogeton lucens L.;
РК – Potamogeton crispus L.;
ЭК – Elodea canadensis Michx.
Параметры – концентрации, мг/кг: 1 – максимальная, 2 – минимальная, 3 – средняя;
– коэффициент вариации (V), %;
НП – ниже предела обнаружения;
( ) количество проб.
Высшие водные растения Волгоградского водохранилища характеризу ются высокой вариабельностью содержания тяжёлых металлов, следователь но, их химический состав сильно зависит от концентраций тяжёлых металлов в среде (табл. 1). В общем виде ряд накопления тяжёлых металлов в макрофи тах Волгоградского водохранилища (табл. 1) можно представить следующим образом: FeMnSrCuZnCrNiPbCo.
В исследуемых растениях были выявлены различные уровни связи между тяжёлыми металлами. К первому уровню относятся связи с сильной корреляцией Fe-Cr (r=0,9), Fe-Co (r=0,83), Co-Mn (r=0,83), ко второму – со средней корреляцией Fe-Ni (r=0,74), Fe-Mn (r=0,61), Zn-Cu (r=0,75), Zn-Pb (r=0,75) и к третьему – со слабой Ni-Cr (0,56).
Высокий коэффициент вариации (V) металла в высших водных растениях наряду со слабыми его корреляционными связями с другими элементами ука зывает на отсутствие биологического регулирования данного тяжёлого металла макрофитом (Лычагина и др., 1999). Синтезируя данные показатели мы полу чили следующие виды-индикаторы загрязнения акваландшафта: Elodea canadensis (Sr c V=71), Phragmites australis и Typha angustifolia (Сu c V=115,5;
V=161,2 соответственно), Ceratophyllum demersum (Zn c V=58,8;
Pb c V=83,5) и Potamogeton perfoliatus (Pb с V=126,4).
Таблица 2. Диапазон коэффициента биологического накопления (КБ) для системы «водные растения – донные отложения» Волгоградского водохранилища, 2007 г.
ТМ Cu Zn Mn Ni Pb Co Cr Fe 0,15- 0,26- 0,35- 0,04- 0,01- 0,05- 0,3- 0,035 Кб 6,94 6,18 17,11 4,5 1,85 0,1 0,84 0, Для оценки интенсивности вовлечения тяжёлых металлов в биогеохими ческие циклы миграции для высших водных растений были рассчитаны коэф фициенты биологического накопления (КБ), численно равные отношению со держания элемента в золе макрофита к его содержанию в донных отложениях, отобранных в корнеобитаемом слое растений. С увеличением КБ элементы бо лее активно переходят из окружающей среды в растения (Перельман, 1966).
Полученные данные дают основание полагать, что в исследуемых заливах в системе «растение – донные отложения» элементы Fe, Ni, Pb, Co, Cr преиму щественно переходят в донные отложения, где прочно связываются и мало вымываются, тогда как такие металлы как Mn, Cu, Zn в основном аккумулиру ются тканями растений (табл. 2).
Количество взвесей на растениях прямо или косвенно связанно с мутно стью воды (объемно-массовая характеристика количества взвешенных нано сов в воде), что определяет её относительную прозрачность. Мутность в от крытой части Волгоградского водохранилища колеблется в основном от еди ницы до десятков граммов на кубический метр и может достигать во время шторма 300-500 г/м3 (Филиппов, 2004). Средняя величина прозрачности для озерного участка водохранилища составляет 2,2-2,8 м (Филиппов, 2004).
При сравнении полученных данных с результатами анализов тех же видов растений, взятых из других водоёмов, можно заметить, что колебания содер жания зольной фракции у растений значительны. Зольность Potamogeton perfoliatus из Волгоградского водохранилища в среднем составляет 20,2 %. В условиях других водоёмов она колеблется от 10,5 % на Киевском водохрани лище до 21,4 % в водоёмах и водотоках Среднего Поволжья (Папченков, 2001).
Средняя зольность произрастающего на Волгоградском водохранилище Ceratophyllum demersum составляет 26,3 %. Она близка к данным по Среднему Поволжью (22,8 %) (Папченков, 2001) и Горьковскому водохранилищу (26, %) (Довбня, 1972).
Для сопоставления данных по массе взвесей, сорбированных исследуе мыми видами высших водных растений нами был произведен их перерасчет на воздушно-сухую биомассу растений 100 г/м2. Эти данные методом стати стической группировки дифференцируются на три кластера с произвольным интервалом: от 8-20 г, 21-30 г, 31-46 г (табл. 3).
Таблица 3. Количество проб (%) при различной массе взвеси на поверхности растений с надземной воздушно-сухой биомассой 100 г/м Масса взвеси на поверхности водных растений, г Вид 8-20 21-30 31- Potamogeton perfoliatus 11,54 11,54 76, Ceratophyllum demersum 13,3 40 46, Количество взвеси, сорбированной высшими водными растениями, обу славливается экологическими условиями произрастания Potamogeton perfoliatus и Ceratophyllum demersum. Первое растение относится к экогруппе погруженных укореняющихся гидрофитов, произрастающих в стоячей и те кущей воде, а также в прибойной зоне. Второе относится к экогруппе гидро фитов, свободно плавающих в толще воды с предпочтением глухих заливов водохранилищ с малоподвижной водой (табл. 4) (Папченков, 2003;
Лисицына и др., 2009).
Таблица 4. Надземная воздушно-сухая биомасса Ceratophyllum demersum и Potamogeton perfoliatus (г/м2) и средняя скорость потока воды в их зарослях (м/с) Классы проективного покрытия, % (Пап- Средняя скорость дви ченков, 2001) Вид жения воды (Казмирук и др.,2004) до 30 31-60 61-90 91- C. demersum 20 60 140 340 0, P. perfoliatus - 95 250 450 0,12 * * скоростные характеристики течений в зарослях P. perfoliatus приняты по данным для сообществ P. lucens.
На Волгоградском водохранилище экологически пластичный вид P.
perfoliatus встречается на всех мелководьях с глубиной до 6 м и довольно значительной скоростью течения. Сообщества P. perfoliatus занимают боль шие площади в устьях заливов, образуют протяженные полосы зарослей на открытых мелководных участках, незащищенных от ветро-волнового воздей ствия, имеющих высокую скорость течения, что способствует переносу зна чительных объёмов взвешенных веществ (табл. 3 и 4). Очевидно этим обу словлен такой высокий процент проб (76,9 %) с содержанием взвеси и из вестковых отложений в пределах 31-46 г. Очевидно, обстановка для сорбиро вания взвеси поверхностью растений C. demersum менее благоприятна. Это показывают и наши данные, согласно которым у роголистника масса взвеси и отложений от 31 до 46 г была отмечена лишь в 46,7 % проб.
По данным В.А Шашуловского площадь зарастания Волгоградского во дохранилища в 2003 г. составила 24 тыс. га, или 7,5 % от всей акватории во доёма (Шашуловский, Мосияш, 2010). На большинстве волжских водохрани лищ наиболее распространённым гидрофитом является P. perfoliatus (Пап ченков, 2002). Например, в условиях залива Рыбинского водохранилища и подпорного участка по рекам Юхоть и Улейма, которые по морфологии и гидрологическим условиям могут быть моделью Волгоградского водохрани лища, этот рдест занимает 40 % площади зарастания водоёма (Папченков, 2011). Интерпретируя эти данные, можно подсчитать, что на Волгоградском водохранилище заросли P. perfoliatus занимают площадь около 9600 га и ак кумулируют в себе 14,1 тыс. т взвешенных веществ, что составляет прибли зительно 0,6 % среднего годового стока наносов с бассейна водосбора водо хранилища. Расчёт производился по среднему арифметическому значению надземной воздушно-сухой массы P. perfoliatus, составляющей 450 г/м2. Но это только воздушно-сухая масса веществ и взвесей, которые накапливают расте ния на своей поверхности. Вместе с тем, хорошо известно, что растительность оказывает существенное сопротивление движению воды, способствуя осажде нию взвешенных веществ на поверхность растений и дно водоёма до 10 % от годового твердого стока реки (Казмирук и др., 2004).
ВЫВОДЫ 1. Зарастание Волгоградского водохранилища носит пульсирующий характер с чередованием медленной (1972-1981 и 1991-2003 гг.) и быстрой (1981-1991 и 2003-2007 гг.) фаз зарастания.
2. Характер зарастания определяется динамикой уровня воды, абразией и формированием абразионно-аккумулятивной отмели, скоростью изоляции заливов от акватории водохранилища и трансформацией природных комплексов и экосистем.
3. Динамика зарастания Волгоградского водохранилища характеризуется неоднородностью по участкам, большим разнообразием скорости зарастания и пространственного расположения фитоценозов, на основании чего выделено типов зарастающих мелководий.
4. Наиболее высокая скорость зарастания характерна для заливов по устьям рек Терешка – 14,6 га/год, Курдюм – 2 га/год и Квасниковско Узморским – 6,3 га/год, и Красноярским автогенным мелководьям – 4 га/год, тогда как заливы по оврагам и балкам зарастают медленно – от 0,04 га/год до 0,7 га/год.
5. Растительный покров Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области отличается невысоким уровнем разнообразия ( видов растений 85 родов и 46 семейств, 64 ассоциации 37 формаций) и упрощением структуры растительности, снижением числа растений сырых мест обитаний, повышением доли видов умеренно увлажнённых и сухих экотопов по мере усиления аридности территории.
6. В качестве видов-индикаторов загрязнения тяжёлыми металлами акваландшафта Волгоградского водохранилища следует использовать Elodea canadensis для Sr, Phragmites australis и Typha angustifolia для Сu, Ceratophyllum demersum для Zn и Potamogeton perfoliatus для Pb.
7. В исследованных заливах Волгоградского водохранилища коэффициент биологического накопления Fe находиться в диапазоне 0,035-0,7, Ni – в диапазоне 0,04-4,5, Pb – 0,01-1,85, Co – 0,05-0,1, Cr – 0,3-0,84, которые преимущественно переходят в донные отложения, где прочно связываются и мало вымываются, тогда как Mn (0,35-17,11), Cu (0,15-6,94), Zn (0,26-6,18) в основном аккумулируются в тканях растений.
8. На Волгоградском водохранилище наиболее высокой аккумулирующей способностью обладают заросли Potamogeton perfoliatus, которые занимают площадь около 9600 га и аккумулируют в себе 14,1 тыс. т взвешенных веществ, что составляет приблизительно 0,6 % среднего годового стока наносов с водосбора водохранилища.
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Кочеткова А.И. О некоторых закономерностях накопления тяжёлых металлов высшей водной растительностью на Волгоградском водохранилище // Вестник ВолГУ. Серия 3 «Экономика. Экология». 2012. № 1 (20). С. 305–309.
2. Кочеткова А.И. Особенности накопления взвешенных веществ водными растениями Potamogeton perfoliatus L., Ceratophyllum demersum L. Волгоградско го водохранилища // Вода: химия и экология. 2012. № 8 (август). С. 64–68.
Другие научные работы:
3. Кочеткова А.И. Особенности накопления тяжёлых металлов высшей водной растительностью Волгоградского водохранилища // Экологические и экономические составляющие устойчивого развития региона: материалы круглого стола. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2008. С. 149–156.
4. Зволинский В.П., Черных Н.А., Новиков В.В., Кочеткова А.И. Неко торые особенности накопления тяжёлых металлов макрофитами Волгоград ского водохранилища // Экологические проблемы и социально экономические аспекты обустройства и развития аридных территорий Рос сийской Федерации: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Аридное землепользование – способы и технологии интенсификации». М.: Изд-во «Вестник РАСХН», 2009. С. 113–117.
5. Кочеткова А.И., Полякова Ю.М. Пространственные особенности биогеохимической специализации эколого-морфологических групп растений // XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Волгоград: ГОУ ВПО ВолГАСУ, 2009. С. 70–74.
6. Новиков В.В., Воробьев Е.Б., Кочеткова А.И., Маркова Н.Н., Объед кова О.А. О содержании некоторых загрязняющих веществ в экосистем Волго градского водохранилища // Проблемы комплексного исследования Волгоград ского водохранилища. Волгоград: Волгогр. науч. изд-во, 2009. С. 142–155.
7. Черных Н.А., Новиков В.В., Объедкова О.А., Козырева В.Н., Кочет кова А.И. О накоплении макрофитами Волгоградского водохранилища тя жёлых металлов // Экология речных бассейнов: тр. 5-й Междунар. науч. практ. конф. Владимир: Изд-во ВООО ВОИ ПУ «Рост», 2009. С. 294–299.
8. Кочеткова А.И., Объедкова О.А. Содержание ортофосфатов в воде Волгоградского водохранилища и исследование их взаимодействия с макрофитами в экспериментальных условиях // Экономическая модернизация:
макро-, мезо- и микроуровни. Проблемы и перспективы устойчивого развития региона: материалы регион. науч.-практ. конф. Волгорад: Изд-во ВолГУ, 2010. С. 155–163.
9. Кочеткова А.И., Павликова О.А. Особенности зарастания некоторых заливов Волгоградского водохранилища // Эколого–экономические пробле мы южного макрорегиона: материалы круглого стола. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2010. С. 232–237.
10. Кочеткова А.И., Полякова Ю.М. Биоэкологическая роль высшей водной растительности в трансформации тяжёлых металлов в водных экоси стемах Волгоградского водохранилища // Молодые ученые и студенты к 55 летию города Волжского: XV межвузов. науч.-практ. конф. молодых ученых и студентов. Волгоград: Волгогр. науч. изд-во, 2010. С. 124–125.
11. Кочеткова А.И. Геоинформационный подход к исследованию про цессов зарастания высшей водной растительностью мелководий Волгоград ского водохранилища // Вестник факультета естественных и гуманитарных наук. Волжский, 2011. Вып. 1. С. 13–18.
12. Кочеткова А.И. Динамика зарастания высшей водной растительно стью Волгоградского водохранилища // Проблемы и перспективы устойчиво го развития региона: VIII Регион. науч.-практ. конф. Волгоград: Волгогр. на уч. изд-во, 2011. С. 91–96.
13. Кочеткова А.И. Картирование высшей водной растительности на Волгоградском водохранилище с применением геоинформационных техно логий // Использование геоинформационных систем и данных дистанционно го зондирования Земли при решении пространственных задач: сб. науч. тр.
Пермь, 2011. С. 17–24.
14. Кочеткова А.И. Разработка биоиндикационного метода исследова ния абразионных процессов Волгоградского водохранилища // Экологическая оптимизация регионального хозяйства: материалы кругл. стола. Урюпинск:
Урюпинский филиал ГОУ ПО ВолГУ, 2011. С. 138–140.
15. Кочеткова А.И. Возможности использования материалов космиче ской съемки и геоинформационных технологий для изучения зарастания высшей водной растительности Волгоградского водохранилища // Бассейн Волги в XXI – веке: структура и функционирование экосистем водохрани лищ. Ижевск: Издатель Пермяков С.А., 2012. С. 148–152.
16. Кочеткова А.И. О возможности использования высшей водной рас тительности для очистки поверхностного и ливневого стоков в г. Волжском // XVI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской об ласти. Волгоград: ВолгГАСУ, 2012. С. 11–13.
17. Кочеткова А.И. Роль зарослей Potamogeton perfoliatus L. и Ceratophyllum demersum L. в осадконакоплении на Волгоградском водохра нилище // Современные проблемы географии, экологии и природопользова ния: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2012. С. 350–353.
18. Кочеткова А.И. Типология зарастающих мелководий Волгоградско го водохранилища // Экологическая безопасность и природопользование:
наука, инновации, управление»: Сб. работ всероссийского конкурса экологи ческих проектов молодых учёных и специалистов. Москва, 2012. С. 83–88.