Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Антропогенные изменения водоемов на территории городов 6
1.1. Изменения химического состава воды в водоемах под воздействием факторов урбанизации 7
1.2. Фитопланктон водоемов на территории крупных городов J5
1.3. Соединения азота и фосфора как факторы антропогенного эвтрофи-
рования водоемов 32
Глава 2. Физико-географическая характеристика района исследований ... 37
2.1. Географическое положение 37
2.2. Геологическое строение и рельеф 37
2.3. Климатические условия 41
2.4. Почвы и растительность 43
2.5. Гидрография 45
Глава 3. Материалы и методы исследований 50
Глава 4. Флористическая характеристика разнотипных водоемов на территории г. Уфы 55
4.1. Флористический анализ фитопланктона водоемов 55
4.1.1. Флористическая характеристика р. Белой 55
4.1.2. Флористическая характеристика р. Уфы 61
4.1.3. Флористическая характеристика р. Сутолоки 67
4.1.4. Флористическая характеристика р. Шугуровки 70
4.1.5. Флористическая характеристика озер 74
Глава 5. Разногодичная динамика численности и биомассы фито планктона обследованных водоемов 91
Глава 6. Экологическая характеристика фитопланктона разнотипных водоемов на территории г. Уфы 123
Выводы 135
Список литературы 137
Приложения 157
- Изменения химического состава воды в водоемах под воздействием факторов урбанизации
- Географическое положение
- Флористический анализ фитопланктона водоемов
- Экологическая характеристика фитопланктона разнотипных водоемов на территории
Введение к работе
Актуальность темы. Городская среда представлена местообитаниями с разной степенью антропогенной деградации, что вообще характерно для комплекса городских экосистем, в том числе и для водоемов. Последние подвергаются воздействию различных форм загрязнений и эвтрофированию.
Изучению высшей растительности городов посвящено много работ (Сахапов и др., 1990; Ишбирдина, Ишбирдин, 1991; 1992; 1993; Миркин, Наумова, 1999). Активно изучались и почвенные альгоценозы урбанизированных территорий (Кабиров, 2004). В то же время фитопланктон водоемов городских территорий Республики Башкортостан подробно изучен только в г. Ишимбае (Захарова, 2003).
Уфа – столица Республики Башкортостан, с населением в 1 млн. 36 тыс. человек. На территории города функционируют предприятия нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, машиностроительной, металлообрабатывающей, лесной, легкой, пищевой отраслей промышленности, которые влияют на уровень загрязнения экосистем города. Это, в свою очередь, отражается на состоянии биоты водоемов. Фитопланктон водоемов и водотоков на территории г. Уфы изучен недостаточно полно. Выполненные ранее работы проводились разово с целью исследования качества воды и использования водоемов для питьевого водоснабжения города (Шкундина, 1993; Мартыненкова, 1999; Шарипова, Дубовик, 2004; Насырова, 2005).
Цель работы – выявить качественные и количественные особенности фитопланктона р.р. Белой, Уфы, Сутолоки и Шугуровки и озер Архимандритское, Кустаревское, Долгое, Солдатское, а также озера, расположенного в саду им. С.Т. Аксакова.
Задачи. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Выявить флору планктонных водорослей разнотипных водоемов и водотоков в черте г. Уфы.
-
Дать анализ систематической структуры фитопланктона разнотипных водоемов и водотоков.
-
Изучить динамику численности и биомассы планктонных водорослей исследуемых водоемов.
-
Выявить фоновые виды фитопланктона и дать эколого-флористическую характеристику видов.
-
Дать сапробиологическую оценку качества воды. Сравнить результаты оценки состояния водоемов и водотоков по индексам сапробности и доминирования.
Научная новизна. Впервые, на основе трехлетних наблюдений, проведен на ранее не обследованных створах систематический анализ фитопланктона водоемов и водотоков, протекающих и расположенных на территории г. Уфы. Составлен список водорослей, в котором для рек приводится 237, а для озер – 190 видов и внутривидовых таксонов. Проведен таксономический анализ фитопланктона, определена его численность и биомасса. Выявлена динамика качественных и количественных показателей в зависимости от места взятия проб. Проведен эколого-флористический анализ видов фитопланктона. Прослежены изменения качества вод по индексам сапробности и доминирования. Выявлены наиболее загрязненные и чистые водоемы и водотоки исследуемых территорий.
Практическая значимость. Работа выполнена в рамках проекта «Структура и динамика фитоценозов урбанизированных территорий» № 05-04-97939 РФФИ-Агидель-а. Полученные флористические данные могут быть использованы при составлении кадастров водорослей водоемов на территории городов. Данные о численности, биомассе фитопланктона и сапробности воды могут быть востребованы для целей оценки экологического состояния водоемов. Результаты исследования используются в курсе лекций «Альгология» и «Урбаноэкосистемы» на биологическом и экологическом отделениях биологического факультета БашГУ.
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на конференциях: «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2002); «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2002); «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2003); «Экологические проблемы бассейнов крупных рек» (Тольятти, 2003); «Биоразнообразие, проблемы его сохранения в южном регионе Республики Башкортостан и на сопредельных территориях» (Стерлитамак, 2003); «Проблемы сохранения биоразнообразия на Южном Урале» (Уфа, 2004); «Университетская наука – Республике Башкортостан» (Уфа, 2004); «Экология промышленного региона и экологическое образование» (Нижний Тагил, 2004); «Экология фундаментальная и прикладная. Проблемы урбанизации» (Екатеринбург, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 1 – в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 220 страницах (в т.ч. 160 – основного текста), состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы (206 источников, из которых 53 – на иностранных языках), 4 приложений. Работа иллюстрирована 43 рисунками, содержит 18 таблиц.
Изменения химического состава воды в водоемах под воздействием факторов урбанизации
В настоящее время в воде рек, испытывающих воздействие городов, содержатся разнообразные органические соединения, поступающие со сточными водами и поверхностным стоком с освоенных территорий. В городских сточных водах идентифицированы десятки различных органических веществ со сравнительно низкой летучестью (углеводы и полиспирты, алифатические органические кислоты, ароматические органические кислоты, жирные кислоты, аминокислоты, амиды, фенолы, индолы, производные пурина и пиримидина). Изучение компонентного состава органических веществ в водах р. Москвы при впадении р. Сетуни, в устьевой части рек Сетуни и Дона (в районе г. Ростова), р. Северского Донца (на участке от г. Рубежного до г. Каменска) и р. Аксай (у г. Новочеркасска) установило наличие в них 157 различных по химической природе и молекулярному весу органических соединений: 51 ациклическое соединение, 95 ароматических, 7 алициклических, 4 гетероциклических, диапазон концентраций которых изменялся от 0,03 до 400 мкг/л. В водах устьевой части Дуная были обнаружены различные фенолы, фталаты, адипи-наты и многочисленные родственные соединения, тетрадекановая и гексаде-кановая кислоты, алкилфосфаты и другие вещества, поступающие в реку главным образом с промышленными и бытовыми сточными водами. Хлорирование сточных вод дополнительно приводит к образованию ряда хлорорга-нических соединений, некоторые из которых токсичны для живых организмов. Как правило, многие из органических веществ техногенного происхождения отличаются высокой токсичностью для живых организмов и биосферы в целом, а их уровни в загрязненных речных водах нередко превышают установленные экологические и гигиенические нормативы. Органические вещества играют огромную роль в миграции тяжелых металлов и других химических элементов. Все это, в сущности, и предопределяет необходимость обязательного учета при проведении оценок экологического состояния поверхностных вод особенностей распределения и поведения основных органических поллю-тантов, поступающих в городские реки из техногенных источников (Эколог, экспертиза, 2004).
Типичными поллютантами речных вод в промышленно-урбанизированных районах являются углеводороды, важнейшие компоненты нефти и других горючих ископаемых, их разных фракций и производных, присутствующие в разнообразных отходах хозяйственной деятельности.
В промышленно-урбанизированных районах нефтепродукты и их производные в повышенных количествах содержатся в сточных водах не только нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических предприятий, но и многих других производств. Например, в сточных водах металлургического завода их концентрации составляют до очистки и после очистки в пруду-осветлителе 100-5000 мг/л и 6-24 мг/л, соответственно. Как правило, нефтепродуктами обогащен поверхностный (дождевой и талый) сток с городских территорий (Эколог, экспертиза, 2004). Так, в водах р. Москвы и ее притоков содержание нефтепродуктов повсеместно было выше ПДК (от 1,5 до 22 раз). При этом вниз по течению происходило постепенное увеличение их концентраций, которые достигали максимума на выходе из г. Москвы. Среднее содержание нефтепродуктов в крупнейших реках России изменяется от 0,05 мг/л (р. Лена) до 1,2 мг/л (р. Ока). В настоящее время нефтепродукты являются типичными поллютаитами многих рек России.
Концентрации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ)
в поверхностных водах колеблются в широких пределах: от 0,0-0,2 нг/л в условно чистых до 1000 нг/л в сильно загрязненных водах. Среди ПАУ выделяют соединения с молекулярной структурой преимущественно антропогенного и преимущественно природного происхождения. Содержания природных аналогов ПАУ могут быть также достаточно высоки. В городах основное поступление ПАУ связано с промышленными предприятиями, работающих на угле, а также с выбросами автотранспорта.
Уровни содержания соединений диоксинового ряда в донных отложениях р. Вычегды превышали местный фон в 8,3 раза, причем зона влияния прослеживалась до 300 км и более. Очень высок уровень загрязнения донных отложений р. Чапаевки (на ее 30-километровом отрезке ниже города средние значения диоксинов в донных отложениях варьируют от 2 до 36 мкг/т).
Географическое положение
Город Уфа расположен на востоке Русской равнины в пределах Прибель-ской увалисто-волнистой равнины. Уфа находится в Башкирском Предуралье в 100 км на запад от передовых хребтов Южного Урала (рис I). Территория города находится в северо-лесостепной подзоне умеренного пояса. Основная часть г. Уфы располагается в пределах «Уфимского полуострова» (Бельско-Уфимская водораздельная равнина), который образуется при впадении в р. Белую рек Уфа и Дема. Микрорайоны «Дема», «Затон», «Кооперативная поляна» расположены на первой надпойменной террасе и высокой пойме рек Белая и Уфа. «Уфимский полуостров» от долин рек Белая и Уфа почти повсеместно отделяется крутым уступом высотой 50-100 м. Протяженность «полуострова» с юго-запада на северо-восток составляет около 50 км.
Бельско-Уфимская водораздельная равнина расчленена овражной сетью эрозионно-карстового происхождения, а также долинами рек Шугуровки и Сутолоки, протекающих почти параллельно Белой и Уфе с севера на юг (Ту-рикешев, 2000).
В геолого-тектоническом отношении территория города расположена на восточной окраине Русской платформы.
Особенности геологического строения широко проявляются в облике поверхности района г. Уфы. Все основные формы рельефа г. Уфы - междуречья, долины получили свое выражение благодаря деятельности текучих вод. Поэтому формы рельефа представляют собой сложные самостоятельные образования.
Бельско-Уфимская водораздельная равнина {И.П. Кадильников, 1969) представляет собой междуречный увал. Он протянулся с северо - северо-востока на юго - юго-запад. Его абсолютные высоты колеблются от 160 до
Карта г. Уфы. 190 м. Вершинная поверхность увала отличается легкой волнистостью, на фоне которой местами выделяются небольшие долины рек и мелкие увалы. Над урезом рек Белой и Уфы она приподнята на 80-150м.
По очертаниям и характеру поверхности Бельско-Уфимская равнина отчетливо разделяется на южный и северный участки. Граница между ними проходит в районе пос. Дежневка, где железная дорога выходит из долины Уфы на водораздел. Равнина здесь резко сужается до трех километров, так как близко подходят друг к другу долины рек Белой и Уфы. Она в этом месте также снижается, достигая всего 140 м абсолютной высоты. Относительная же ее высота над урезом реки Белой составляет около 60 м, а над урезом реки Уфы-около 50 м.
Особенно резко выделяется южный участок равнины. Будучи более узким и ограниченным с трех сторон крутыми правыми склонами долин рек Белой и Уфы, он представляет собой хорошо обособленный широкий водораздельный увал, вытянутый с северо-востока на юго-запад. Его часто называют Уфимским «полуостровом». «Полуостровной» характер южной части междуречья усиливается во время весенних половодий, когда днища долин заливаются водой. Наибольшей высоты Уфимский «полуостров» достигает у здания Горсовета.
На юге «полуостров» расчленяется долиной реки Сутолоки на два второстепенных водораздела: Бельско-Сутолокский и Уфимско-Сутолокский, протягивающихся соответственно общему направлению «полуострова» и имеющих пологие склоны, обращенные в сторону р. Сутолоки.
Как указывает И.П. Кадильников (Очерки..., 1969), северный участок водораздельной равнины более обширный и более высокий. Долина р. Шугу-ровки делит его на две части: западную и восточную. Западная часть лежит на продолжении Уфимского «полуострова», представляя собой Бельско-Шугуровский водораздел. Восточная часть северного участка является Уфим-ско-Шугуровским водоразделом. Южное окончание водораздела, так назы 40
ваемая Курочкина гора, имеет вид увала, резко поднимающегося над днищами долин рек Уфы и Шугуровки.
Долины рек Белой и Уфы являются на территории города самыми пониженными и расчлененными участками. Они образуют очень сложный и в то же время единый комплекс форм рельефа, тесно связанный с работой протекающих по ним рек. Долины имеют ярко выраженный асимметричный характер. Левый их склон, пологий, спускается к руслам рек ступенями, представляющими собой террасы. Правый берег - высокий и крутой, сильно расчлененный оврагами. Террасы на нем встречаются лишь обрывками.
Поймы рек Белой и Уфы образуют в черте города широкую пониженную полосу, вытянутую в виде подковы и представляющую собой днище долин. Ширина пойм колеблется от I до 6 км. Большая часть поверхности поймы поднимается над меженным уровнем рек на 3-7 м.
Особенности рельефа пойм обусловлены (Очерки..., 1969) современной и недавней эрозионно-аккумулятивной деятельностью рек, т.е. процессами размыва и отложения речных наносов. Следовательно, поймы представляют собой аккумулятивные террасы, сформировавшиеся недавно или формирующиеся в настоящее время.
Большая часть поверхности пойм и в настоящее время ежегодно заливается полыми водами, которые отлагают на ней речные наносы. В то же время происходит и интенсивный размыв ранее отложенных наносов. Эти процессы протекают в основном вдоль главных русел рек, где характер поверхности пойм ежегодно меняется.
Флористический анализ фитопланктона водоемов
В фитопланктоне р. Белой в районе г. Уфы в период с 2002 по 2004 гг. выявлено 211 видов и разновидностей водорослей из 88 родов, 50 семейств, 25 порядков, 14 классов и 8 отделов (приложение 1). В предыдущих исследованиях (Шкундина, 1993) в фитопланктоне верхнего и среднего течений р. Белой было обнаружено 330 видов и разновидностей водорослей при преобладании Chlorophyta (147 видов и разновидностей) и Bacillariophyta (121 вид и разновидность). Доминирующее положение в наших исследованиях по числу видов также занимали Chlorophyta - 85 видов и внутривидовых таксонов и Bacillariophyta - 77, соответственно. То есть систематическая структура фитопланктона за последние 10 лет не изменилась. Менее разнообразно представлены Cyanophyta (Cyanobacteria), из этого отдела было определено 25 видов и разновидностей водорослей. Остальные отделы характеризуются значительно меньшим числом видов. Из отдела Euglenophyta обнаружено 9 видов водорослей, Chrysophyta - 6, Dinophyta - 5, Xanthophyta - 3 и Cryptophyta - 1 вид. Интересно отметить, что представители отдела Xanthophyta в предыдущих исследованиях не обнаруживались. В реке Уфе в районе водозаборов (Насырова, 2005) ведущее положение занимали представители отдела диатомовых водорослей (137 видов и разновидностей), а разнообразие Chlorophyta было значительно меньше (80 видов и разновидностей). Среди классов по числу видов выделяется Chlorococcophyceae - 69 видов (32,70%), среди порядков - Chlorococcales - 63 вида (29,86%). Среди семейств ведущее место занимали Scenedesmaceae -18 видов вид (8,53%).
В настоящей работе представители Chlorophyta составляют 40,28% от общего числа видов фитопланктона (рис.4). Обнаруженные зеленые водоросли относятся к 4 классам, 6 порядкам, 18 семействам, 36 родам, видам, разновидностям и формам, из которых 4 вида определены до рода (приложение 1).
Основное видовое богатство среди Chlorophyta принадлежит классу Chlorococcophyceae - 75,31% от общего числа зеленых водорослей. Класс Chlorococcophyceae (хлорококковые) включает 2 порядка, 13 семейств, 26 родов, 61 вид и разновидность. Лидирующее место по видовому разнообразию среди порядков занимает Chlorococcales, представленный 12 семействами, сформированными 59 видами из 25 родов, что составляет 73, 53% от общего количества родов среди зеленых водорослей. Chlorococcales -один из самых многочисленных порядков зеленых водорослей (1200 видов) (Царенко, 1990). Порядок Tetrasporales представлен 1 семейством (Nautococcaceae), 1 родом (Radiosphaera) и 2 разновидностями.
Ведущим семейством среди порядка Chlorococcales является Scenedesmaceae (5 родов, 18 видов). Другие семейства представлены значительно меньшим числом родов и видов, например: СЫогососсасеае (4 рода, 4 вида), Coelastraceae (4 рода, 8 видов), Selenastraceae (2 рода, 9 видов), Micractinaceae (2 рода, 2 вида), Chlorellaceae (2 рода, 6 видов), Oocystaceae (2 рода, 4 вида). Как установлено П.М. Царенко (2000), во флоре хлорококковых любого региона, особенно из северного полушария, господствуют семейства Scenedesmaceae, Oocystaceae и Selenastraceae. Семейство Scenedesmaceae
занимает первое место практически во всех рассмотренных флористических районах (Царенко, 2000). В южном полушарии значимость семейств Oocystaceae и Selenastraceae снижается, место ведущих занимает Hydrodictyaceae. Из семейства Scenedesmaceae в альгофлоре р.Белой по видовому разнообразию доминируют род Scenedesmus (13 видов), из Selenastraceae - род Ankistrodesmus (6 видов), из Hydro dictyaceae - род Pediastrum Meyen (4 вида). Эти данные соответствуют общемировым показателям. По данным П.М. Царенко (1999), наиболее богато из хлорококковых водорослей в реках представлены роды Scenedesmus, Pediastrum, Oocystis, Kirchneriella, Tetrastrum, Lagerheimia. Род Scenedesmus является самым многочисленным по количеству видов и внутривидовых таксонов среди хлороккоковых водорослей мира (свыше 200 видов, представленных около 1000 разновидностями и формами). Установлена тенденция увеличения видового разнообразия рода Scenedesmus в пределах умеренного климатического пояса Европы и значительное снижение в южном и восточном направлениях (Царенко, 2000). Разнообразие представителей рода Scenedesmus было отмечено и в 1987 г. в р. Белой, особенно в местах сброса сточных вод промышленных предприятий (Шкундина, 1993). В реке Уфе в районе водозаборов (Насырова, 2005) единственным родом из зеленых водорослей, который также давал наибольший вклад в формирование видового разнообразия, был род Scenedesmus.
Экологическая характеристика фитопланктона разнотипных водоемов на территории
Показатели развития представителей Dinophyta были примерно одинаковые в течении всего периода исследования. Этот отдел преобладал по биомассе, особенно в июне, за счет развития Peridinium cinctum. В 2004 г. в альгофлоре озера обнаружены водоросли из отдела Xanthophyta. Представители Euglenophyta интенсивно развивались в июне (виды из рода Phacus), достигая максимальной биомассы за все годы исследований. Водоросли из отдела Chrysophyta развивались незначительно.
Общая кривая развития фитопланктона имела один пик: наибольший показатель численности и биомассы наблюдался в июне.
Были вычислены средние арифметические значений численности и биомассы для фитопланктона озера в саду им. СТ. Аксакова (приложение 3, табл. 11; рис. 42, 43). Максимум численности приходился на июль, а биомассы - на июнь. По численности преобладали зеленые, по биомассе -эвгленовые водоросли.
Нами проанализирована разногодичная изменчивость численности и биомассы для всех исследованных озер.
В оз. Архимандритское численность фитопланктона в вегетационный период колебалась от 1792 тыс. кл/л в июне до 1373 тыс. кл/л в августе. Средняя численность за вегетационный период составила 1631 тыс. кл/л, а биомасса- 1,194 г/м\
Ведущими по численности были: из Cyanophyta - Microcystis pulverea, Aphanizomenon flos-aquae, Phormidium molle, Ph. tenue, из Bacillariophyta -Synedra ulna, Synedra acus, из Chlorophyta - Crucigenia tetrapedia, Chlorella vulgaris и Scenedesmus quadricauda. По биомассе преобладали Synedra ulna, Synedra acus и Dinobryon divergens.
Численность альгофлоры оз. Кустаревское изменялась от 1503 тыс. кл/л в июне до 1630 тыс. кл/л в августе; биомасса - от 1,183 г/м3 в июне до 1,578 г/м3 а августе. Средняя численность составила 1579 тыс. кл/л, средняя биомасса- 1,407 г/м3.
По численности доминировали: Melosira granulata, Synedra ulna, Synedra acus (Bacillariophyta), Aphanizomenon flos-aquae, Phormidium molle, Microcystis pulverea (Cyanophyta), Scenedesmus quadricauda, Ankistrodesmus angustus, Pediastrum duplex (Chlorophyta). По биомассе - Dinobryon divergens (Chrysophyta), Pediastrum duplex, (Chlorophyta), Melosira granulata, Synedra ulna (Bacillariophyta).
В оз. Солдатское численность была наибольшей в августе (1885 тыс. кл/л), а наименьшей - в июле (1788 тыс. кл/л), биомасса соответственно в июле
(1,449 г/м3) и августе (0,918 г/м3). Средняя численность составила 1846 тыс. кл/л, а биомасса - 1,142 г/м3. По численности доминировали Microcystis pulverea, Aphanizomenon flos- aquae, Scenedesmus quadricauda, Chlorella vulgaris. По биомассе преобладали Synedra ulna, Hantzschia amphioxys, Dinobryon divergens.
В оз. Долгое численность варьировала от 1406 тыс. кл./л в июле до 1560 тыс. кл./л в июне, а биомасса - от 0,584 г/м3 в июне до 1,460 г/м3 в июле. Средняя численность составила 1482 тыс. кл./л, а биомасса - 1,121 г/м3. Максимальная численность была у Fragilaria crotonensis, Melosira binderana, Anabaena flos-aquae, Phormidium molle, Anabaena flos-aquae, Scenedesmus quadricauda, биомасса - у Synedra ulna, Fragilaria crotonensis, Ceratium hirundmella.
В озере, расположенном в саду им. СТ. Аксакова, максимум численности приходился на июль и составил 1414 тыс. кл/л, а минимум - на июнь - 1381 тыс. кл/л. Подъем биомассы наблюдался в июне (1,820 г/м3). Средние значения численности и биомассы составили 1402 тыс. кл./л и 1,449 г/м3 соответственно. По численности доминировали Microcystis pulverea, Scenedesmus quadricauda, Fragilaria crotonensis; по биомассе - Peridinium cinctum, Synedra ulna, Pediastrum tetras. В табл. 12 представлены средние арифметические значений численности и биомассы фитопланктона пойменных озер р. Белой Бирского района Башкортостана (Денисова, 2003) и данные, полученные в результате наших исследований. Таким образом, по средним арифметическим значений численности и биомассы фитопланктона озера на территории г. Уфы можно отнести к мезотрофным
