Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Методы и материалы исследований соленых озер 12
1.1. Содержание и методы исследований 12
1.2. Исследование озер Средней Азии и Казахстана 14
1.3. Исследование озер Монголии 15
1.4. Соленые озера Боливийских Анд 22
1.5. Соленые озера Китая 23
Глава 2: Соленые озера как объект лимнологического исследования 29
2.1. Современное состояние изученности проблемы лимногенеза соленых озер 29
2.2. Классификация соленых озер 33
2.3. География соленых озер 44
2.3.1. География соленых озер Мира 46
2.3.2. География соленых озер СНГ 57
2.4. Особенности экосистем соленых озер 63
Глава 3: Пространственно-временные закономерности и особенности абиотических свойств соленых озер 67
3.1. Зональные и азональные факторы формирования водного режима соленых озер 67
3.2. Особенности формирования химического состава соленых озер 87
3.2.1. Соленакопление в континентальных соленых озерах 87
3.2.2. Химический состав соленых озер и его пространственное распределение 89
3.2.3. Минерализация соленых озер и индикация климатических изменений 99
3.3. Годовой термический цикл и "парниковый" эффект в соленых озерах 112
3.3.1. Термический режим соленых озер 112
3.3.2. "Парниковый" эффект в соленых озерах и его география 127
3.3.3. Термодинамическая структура соленого озера с "парниковым" эффектом 138
3.4. Донные отложения соленых озер как индикаторы изменений внешней среды 140
3.5. Влияние абиотических факторов соленых озер на видовое разнообразие гидробионтов 145
3.5.1. Факторы формирования видового разнообразия гидробионтов 159
3.5.2. Распределение видового разнообразия гидробионтов в пространстве 165
Глава 4: Природные ресурсы соленых озер и современные проблемы их экологии 173
4.1. Структура и география природных ресурсов соленых озер 173
4.1.1. Минеральные ресурсы соленых озер. Особенности пространственного распределения 173
4.1.2. Соленые озера как источники пресной воды 178
4.1.3. Энергетический потенциал соленых озер и его расчет 178
4.1.4. Важнейшие аквакультуры соленых озер, особенности их экологии и практического применения. География артемийных озер СНГ 186
4.2. Современные проблемы экологии соленых озер и устойчивость их экосистем к загрязнению 205
Заключение 212
Литература 227
- Исследование озер Монголии
- Химический состав соленых озер и его пространственное распределение
- Распределение видового разнообразия гидробионтов в пространстве
- Современные проблемы экологии соленых озер и устойчивость их экосистем к загрязнению
Исследование озер Монголии
Исследование озер Монголии проводилось с 1986 по 1990 г.г. В стране насчитывается свыше 3000 озер площадью более 0,1 км2, большая часть которых расположена на западе и востоке страны (раздел 2.2), поэтому основные исследования проводились в Хангайско-Хэн-тэйской и Восточно-Монгольской ландшафтных областях (Рис. 3). Данные о наиболее крупных соленых озерах, на которых проводились исследования приведены в Таблице 1.
Как видно из таблицы 1 большинство крупных соленых озер Монголии имеет общую минерализацию, позволяющую характеризовать их как "солоноватыми" по О.А.Алекину или "солеными" по W.D.Williams (раздел 2.3). Однако, все же большинство менее крупных озер Монголии, которых только в одном Дорнодском аймаке (Восточная Монголия) насчитывается около 1500 с площадью 0.25 км2 и минерализацией воды от 20 до 400 г/л (Егоров, 1991) являются солеными. В разделе 3.2 приведена классификация озер Монголии по химическому составу вод.
Всего в период полевых работ 1986-90 г.г. было обследовано более 20 крупнейших соленых озер, по которым были собраны данные по химическому составу воды, физическим свойствам воды и донных отложений, отобраны пробы воды и донных отложений на биологический и палеолимнологический анализы.
Также как и на озерах Восточного Памира (раздел 2.2) на некоторых озерах Монголии был обнаружен "парниковый эффект" когда, например, на двух соленых озерах Восточно-Монгольской степной области: Дунд-Шавар и соседнем Булан-Шавар каждое площадью около 5 км 2. Так например, в оз. Дунд-Шавар при минерализации воды 310 г/л и глубине, всего, 0,2 м температура поверхности рассола составляла 21,3С, на границе вода-дно - 25,2С, на глубине 0,5 м в донных отложениях - 19,5С, а на глубине 1,5 м - 11,5С. В озере Булан-Шавар температура поверхности 10-сантиметрового слоя рапы (при минерализации 330 г/л) составляла 26,3С, на границе вода-дно - 26,2С, на глубине 0,5 м в донных отложениях - 27,5С и на глубине 1,5 м от поверхности дна - 17,7С. Аналогичная ситуация отмечалась на оз.Ойгон-нур (Хангайская горная система), где при минерализации ЗОг/л и глубине 7 м была отмечена обратная температурная стратификация (Рис.4). Приведенные данные подтверждают существование "парникового эффекта" в соленых озерах Монголии.
По результатам исследований были получены морфометрические характеристики некоторых соленых озер, батиметрические схемы которых представлены на Рис.5.
Химический состав соленых озер и его пространственное распределение
Главные ионы химического состава соленых озер, которые определяют соленость (минерализацию), по существу те же самые, что и для пресных озер: одновалентные катионы Na+ и К+, двухвалентные катионы Са2+ и Mg2+, анионы CI" , S042" , НСОз и СОз". Другие ионы обычно обнаруживались в небольших количествах (на два-четыре порядка меньше содержания основных ионов), например бораты в оз.Borax Lake (Калифорния; Williams, 1998), бор, литий, калий и цезий в соленых озерах Qinghai-Xizang Plateau (Китай; Mianping at.al., 1991), бромиды в Dead Sea (Израиль; Nissenbaum,1993). Большое количество сопутствующих элементов обнаружено в озерах Казахстана (калий, бром, бор, стронций, фтор; Посохов, 1955). Калий, литий, бор и мышьяк обнаружены в соленых озерах Bolivian Altiplano (Боливийские Анды; Retig at.al., 1980; Boulange at. al., 1978).
Композиционные соотношения главных ионов пресных и соленых вод значительно различаются. В большинстве пресных озер присутствуют двухвалентные катионы и карбонаты, тогда как такой состав не является характерным для соленых озер. Так например, химическая формула пресноводного озера Хар (Котловина Больших озер, Монголия) отражает соотношение главных ионов: НСОз75 SO4I6 С119 и показывет преобла Mg43 (Na+K)33 Ga24 дание двухвалентных ионов магния, кальция и гидрокарбонатного иона, а в рядом расположенном соленом озере Хиргис,химическая формула которого: S0438 G132 НСОз30 преобладают совершенно другие ионы. (Na+K)79 Mg20 Са1 Таблица 12 показывет сравнительно небольшое разнообразие ионного состава некоторых соленых озер различных континентов Земли и из Табл.12 видно,что в композиционном составе соленых озер наибольший удельный вес имеют ионы Na+ и С1 , за ними следуют ионы S042", НСОз" и СОз". Вообще, как показали многочисленные исследования в воде соленых озер наиболее часто встречается пять комбинаций ионов
Ha основе таких соотношений соленые озера классифицировались как хлоридные, хлоркарбонатные, хлорсульфатные,карбонатные или кар-бонатно-хлоридные озера (более расширенный вариант классификации соленых озер по химическому составу, приведенной в разделе 2.3).
Тип озера по химическому составу отражает региональные физико-географические особенности, что дало основание для описания их химической географии, которое будет дано ниже.
Соотношения ионов могут изменяться в пространстве и во времени. Так соотношения ионов могут изменяться вблизи впадающих в озеро притоков и в меромиктических озерах. Во времени соотношение ионов может изменяться: по мере накопления солей создаются определенные физико-химические условия, когда превышаются пределы растворимости данной комбинации ионов солей и они выпадают в осадок или же, когда в течение длительного периода рассолы эволюционируют под воздействием вод притоков. В этом случае их состав изменяется под воздействием первоначальных источников химических веществ, приносимых по верхностным стоком: соли атмосферных осадков, геологических отложений, выщелачивание горных пород, гидротермальные источники или реликтовые морские воды.
Так же, как и для водного режима (см. раздел 3.1) соленых озер заметные изменения химического состава соленых озер и соотношения главных ионов происходят в течение длительных фаз увлажнения (Иванов и др., 1980). Длительные периоды увлажнения способствуют растворению запасов корневой соли и выносу стоком избытка солей за пределы озерной котловины, а длительные периоды пониженной увлажненности приводят к потере проточности озера, возрастанию концентрации солей и образованию насыщенного раствора (рапы) с последующим выпадением в осадок солей в последовательности карбонаты-сульфаты-хлориды и формированию залежей корневых солей.
Пространственно-временные изменения в химическом составе водных масс больших соленых озер явление редкое и долговременное, их солевой состав довольно постоянен (Табл. 12). Более вероятны изменения в соотношении главных ионов для небольших озер, в пределах котловины которых может происходить более интенсивный, чем в крупных озерах химический обмен водной массы с поровыми водами донных отложений.
Так, например, в результате характерных для Монголии значительных годовых и многолетних изменений увлажненности и температуры воздуха меняется концентрация рапы (воды озера, представляющей собой насыщенный раствор солей і соленых озер и состав солей, выпадающих в осадок. Распреснение озер связано с увеличением атмосферных осадков, речного стока, подземного питания и возрастанием роли стока из озера в водном балансе. Так, если озеро первоначально было хлоридного типа, а питающие его воды - сульфатными, то в этом случае протекает реакция: СаСІз + Na2S04 = CaS04 f + 2NaCl
Из приведенной реакции видно, что по мере поступления в озеро сульфатов и насыщения воды сульфатом кальция CaSCU и он перейдет в твердый осадок (гипс).При этом в растворе накапливаются сульфаты натрия, в резултате чего озеро перрейдет из хлоридного в сульфатный тип. Если возникают условия, благоприятные для протекания процессов сульфатредукции, то в соответствии с биохимическими процессами: Na2S04 + 2СоРг + 2Ш0 + 2ЫаНС0з + Н2 S f озеро из сульфатного перейдет в содовое (Севастьянов, Егоров и др.,1994). Таким образом, при увлажнении климата происходит не только разбавление рапы, но и смена химического типа озера от хлоридного к сульфатному и к содовому.
Характерным примером формирования ионного состава вод и их ме-таморфизации, образования самосадочных залежей солей может служить оз.Эрхел, подробно исследованное во время экспедиции на озера Монголии в 1989 г. (Рассказов, Севастьянов, Егоров, 1990). Этот бессточный водоем площадью 17 км2 расположен расположен в южном Прихуб-сугулье на высоте 1550 м. Озеро питается за счет грунтовых вод, самоизливающихся источников, небольшого количества атмосферных осадков и талых вод весной.
В катионном составе воды озера преобладают ионы натрия и калия, что характерно для соленых озер (см. выше), а в анионном - ионы сульфатов (за счет метаморфизации солей). Состав вод самоизливающегося источника Эрхэл-Туру-Булак отличается преобладанием ионов гидрокарбонатов и кальция при относительно высоком содержании ионов сульфатов и натрия. При бурении донных отложений озера было установлено, что на дне котловины на площади, ограниченной изобатой 4 м, под слоем песчанистых илов залегает линза кристаллической соли мощностью 0.3-0.5 м., состаящая из мирабилита и тенардита (определение Н.Н.Верзилина - СПб Университет). Ниже слоя корневой соли залегают темно-бурые засоленные илы. Таким образом, строение осадочной толщи котловины озера свидетельствует о том, что образование кристалической соли происходило в прошлом в период значительного усыхания озера и превращения в самосадочное мирабилитовое. Последующее накопление донных отложений происходило в эпоху повышенной увлажненности.
Что касается ионов биогенных элементов, которые питают растения (аммонийные ионы, нитраты и нитриты, фосфатные ионы), то они встречаются во всех соленых озерах в широких пределах значенеий : от 300 мг/л в соленом оз.Ыакиги (Кения) до единичных значений в соленых озерах Антарктиды. Однако, хотя растворенный фосфор обычно в значительных количествах присутствует в соленых озерах (особенно небольших по размеру), все же он не является лимитирующим фактором для первичного биологического продуцирования (Sherwood at.al.,1995). Взаимосвязь между соленостью и концентрацией фосфатов является сложным и одно из предположений связано с тем, что, по крайней мере, во временно существующих озерах (temporary) сезонные изменения концентрации растворенных фосфатов идентичны сезонным циклам солености и адсорбционно-десорбционных процессов в донных отложениях. В меромиктических озерах нижний слой (монимолимнион) может действовать как фосфатный сборник (Sherwood at.al.,1995) .
Распределение видового разнообразия гидробионтов в пространстве
Другим важным элементом, определяющим видовое разнообразие гидробионтов соленых озер является географическое расположение как на континентальном так и н на региональном уровнях. Между континентами существуют значительные различия в степени разнообразия видов. Так, в соленых озерах Австралийского континента обнаружены ракооб-разнные (копеподы, остракоды, кладоцеры и другие), которые отсутствуют на других континентах (De Deccer, 1981,1983). Но даже в этом случае биота соленых озер на всех континентах показывает значительную степень разнообразия и эндемизма и непрвильным было бы считать, что биологические свойства соленых озер космополитичны. Особенно наглядно эта закономерность проявляется в видовом составе ихтиофауны. Так, Chessman & Williams (1975) в результате лабораторных экспериментов обнаружили, что рыба Galaxias maculatus, взятая из o3.Corangamite с минерализацией воды 30%о (западная Виктория, Австралия) в результате постепенной акклиматизации может выживать при солености 62 %о, а при непосредственном индуцировании - 45%о. Lloyd (1984) заметил, что вид Gambusia affinis может переносить соленость до 80%о. На территории Монголии и сопредельной республики Тыва по на личным наблюдениям доминирующим видом ихтиофауны соленых озер является Oreoleuciscus pewzowi (семейство османовых), который обитает в озерах соленостью не превышающей 7 г/л: Урэг, Сангийн-Далай, Тэлмен, Хяргис, Уве (Монголия) и Тере-холь (Республика Тыва-по-наблюдения А.Н.Егорова в 1969 г.). На территории же Австралии наблюдаются более широкие диапазоны существования большинства представителей ихтиофауны (Табл.26).
Такой же широкий диапазон солености для существования видов рыб отмечен и в оз.Мапгаїа (Египет, Табл.27).
В пределах континентов степень разнообразия и видовой состав биоты являются также детерминированными, что обусловливается географическими и климатическими особенностями. Например, биота редко заполняемых водой эпизодических соленых озер Австралии отличается от биоты соленых озер менее аридных зон, озера которых большую часть года или постоянно заполнены водой. Такая же степень видового разнообразия отмечалась и в соленых озерах Монголии и Боливийских Анд. В данном случае эти различия объясняются, в частности, тем, что эпизодические соленые озера имеют лишь ограниченные, скудные участки для эволюции гидробионтов, их биота состоит в основном, извидов с развитым дисперсионным механизмом (Williams & Kokkin, 1988).
Региональные различия в видовом разнообразии отмечаются также в соленых озерах, расположенных в пределах одного и того же региона с одинаковыми климатическими условиями, и, даже, в озерах, расположенных рядом, что связано уже с гидрологическими и геологическими факторами (Timms, 1993; Табл.23).
Следует отметить, что интенсивное вмешательство человека в природные процессы значительно усложнило природные модели видового разнообразия гидрбионтов в соленых озерах. Например Artemia salina была искусственно расселена в созданные человеком, так называемые, солнечные соленые пруды для выращивания и потребления этой аква-культуры, что осложнило возможности организмов для естественной эволюции (Geddes & Williams, 1987). Другой пример связан с интроду-цированием некоторых видов рыб в соленые водоемы, не характерные для их обитания, как, например, это было сделано еВосточно-Афри - 168 канским содовым озером Nakuru. То же самое было сделано в отношении Арала, куда, начиная, с 1927 г. было проведено оптовое интродуциро-вание рыбы и беспозвоночных с целью повышения продуктивности этого водоема, которого, однако, не последовало.
Современные проблемы экологии соленых озер и устойчивость их экосистем к загрязнению
Современные экологические проблемы соленых озер формируются под воздействием естественных и антропогенных изменений внешних условий. Причем, наиболее пагубное влияние на экосистемы соленых озер оказывают случаи наложения негативных последствий небрежного отношения к охране окружающей среды на отрицательные климатические изменения (уменьшение увлажненности климата, повышение температуры воздуха и т.д.). Так, неконтролируемый разбор воды на орошение из р.Туингол - основного притока оз.Орог (Монголия) на фоне современной аридизации климата Гобийского района приводил в последние годы к неоднократному осушению соленого озера Орог. Современные тенденции климатических изменений в различных регионах Земного шара рассмотрены в главе 3, поэтому проанализируем основные проблемы экологии соленых озер, определяющие круг проблем охраны природы соленых озер в различных регионах.
Основной эффект антропогенного воздействия на экосистемы соленых озер и окружающей их среды - отрицательный. Так например, многолетняя вырубка лесов в бассейне основного притока озера Шира (юг Красноярского края) в период с 1890 по 1926 г.г. на фоне естественного снижения увлажненности климата привела к еще более резкому снижению его уровня (Кусковский и Кривошеев, 1989). По тем же сведениям, постоянный водозабор из оз.Иткуль, расположенного в той же климатической зоне, привел также к устойчивому снижению его уровня. В ряде случаев, снижение уровня воды соленого озера может приостанавливаться под воздействием межбассейнового перераспределения сто - 206 ка, что, однако, также отрицательно сказывается на состояние его экосистемы, но уже по другим причинам. Ход уровней озер Шира и соседнего Учум (юг Красноярского края) характеризуется с начала 30-х годов устойчивым подъемом, связанного с круглогодичной переброской воды для нужд питьевого водоснабжения из соседнего бассейна и последующим сбросом отработанной воды в виде хозяйственно-бытовых стоков в эти озера, в результате чего их экологический режим начал ухудшаться (обеднился видовой состав гидробионтов, снизилась прозрачность воды, ухудшились санитарные характеристики).
В связи с аридизацией климата соленые озера равнинных территорий Средней Азии также испытывают тенденцию к усыханию. К концу 70-х годов площади озер сократились почти в 2 раза, а в отдельных регионах в 4-6 раз (Шнитников,1975). Наряду с этим процессом в последние десятилетия на территории Средней Азии интенсивно развивалось орошаемое земледелие, что привело к дальнейшему сокращению количества естественных соленых озер и созданию разветвленной ирригационной и коллкторно-дренажной сети. Мелиорация земель в условиях аридного климата привела к вторичному засолению почв, образованию новых очагов соленакопления, образованию антропогенных соленых озер и сокращению, а то и полному прекрщению, поступления пресных вод в бассейны крупных озер. Печальную мировую известность приобрела экологическая катастрофа на Аральском море, последствия которой еще в полной мере не оценены и будут ощущаться многими поколениями.
К отрицательным последствиям для экосистем соленых озер приводит перевыпас скота, распростраенный в долинах рек и ручьев, солончаковых депрессий и котловинах озер. Это приводит к деградации растительности, уничтожению корневой системы и, соответственно, эрозии почв и нарушению их гидрологического режима, в связи с чем уменьшается поступление влаги в озера и увеличивается минерализация их вод. Так например, для Монголии особеннно сильная нарушенность почв (по собственным наблюдениям) отмечается в 20-30 километровых зонах вокруг населенных пунктов. Уже сегодня, пахотные освоенные и резервные угодья Восточных районов и Котловины Больших озер деградируют под воздействием эоловых и водно-эрозионных процессов, при которых потеря гумуса достигает 30-40% в пахотном слое (Даваажамц и Мандах, 1990; Панкова и др., 1990; Лим и др., 1990). В Монголии, сравнительно, мало крупных промышленных предприятий, но даже их небольшое количество оказывает крайне неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Так, в почвах Центрального района содержание свинца и ванадия в 5-8, а цинка в 5-15 раз превышает фоновые показатели (Орешкин и др., 1990).
Таким образом, рассмотренные в этой главе и главе 3 неблагоприятные тенденции естественного и антропогенного происхожденния приводят к деградации экосистем соленых озер, основные признаки которой сводятся к следующим:
1. Снижаются уровни воды озер, сокращаются их площади
2. Увеличивается мутность и общая минерализация воды
3. Уменьшается количество растворенного в воде кислорода
4. Увеличивается концентрация органического вещества и биогенных элементов в воде и донных отложений озер
5. Увеличивается содержание тяжелых металлов и опасных токсикантов
6. Увеличивается общая численость бактерий в воде, возрастает активность микробиологических процессов и роль гетеротрофных бактерий
7. Уменьшается видовое разнообразие гидробионтов
В соленых озерах с развитой ихтиофауной:(озеро Чаны в Западной Сибири, озера Уве и Хиргис в Монголии ( Ермохин и др.,1990), некоторые озера Австралии, озеро Manzala в Египте ( Knalil,1997) происходит структурная перестройка ихтиофонда:
1. Изменяется соотношение видов рыб
2. Изменяется возрастной состав популяций рыб, увеличивается относительная численость особей старших возрастных групп
3. Происходят изменения в жизенных циклах рыб
4. Снижаются промысловые уловы рыб и средние размеры рыб в уловах
В связи с вышеизложенным особенно остро встает проблема определения пределов устойчивости экосистем соленых озер, решая при этом вопрос: не выйдет ли система из определенного диапазона ес-тественых условий при конкретной интесивности антропогеной нагрузки?
Суммируя все известные на сегодня определения понятия "устойчивость экосистемы" примем наиболее общее: под устойчивостью, которую в экологических исследованиях, обычно, связывают с гомеостазом, понимают свойство системы сохранять положение равновесия или способность биологической (экологической) системы восстанавливать исходное положение равновесия при выводе ее из этого равновесия.
Проблема устойчивости водных экосистем в последнее время прив - 208 лекает внимание многих исследователей. Наиболее перспективными работами в этой области являются исследования А.Д.Арманда (1983, 1989,), В.В.Дмитриева (1994, 1995), R.L.Ackoff (1960), В.В.Снакина и др.(1992), В.А.Светлосанова (1990), В.Г.Драбковой (1990), А.Н.Егорова и др.(1994).
Так, было установлено (Дмитриев и др.,1995), что применительно к водным экосистемам необходимо учитывать, что:
1. Устойчивость и чувствительность водной экосистемы к антропогенному воздействию определяются морфометрическими особенностями водного объекта, физико-географическими условиями, гидрологическим и гидрохимическим режимами, трофностью, сапробностью, токсобностью водного объекта и подвержены внутри- и межгодовым изменениям.
2. Количество возмущающего фактора от верхнего до нижнего пределов устойчивости обусловливает емкость устойчивости или буферную емкость водной экосистемы по данному возмущающему фактору или потенциал ее саморегуляции.
3. Сумма емкостей устойчивости водной экосистемы по всем факторам возмущения с учетом их значимости (веса) является гомеостати-ческой емкостю водной экосистемы (общей устойчивостью).
4. Пределы устойчивости указывают на границы существования того или иного трофического (трофосапробного) типа водной экосистемы.
5. Если период действия антропогенного фактора больше периода релаксации водной экосистемы, то она необратимо изменяется.
6. Экологическое благополучие водной экосистемы характеризуется сохранением устойчивого состояния различных оттенков мезотрофии и олиго-мезосапробности.
Опираясь на эти выводы, которые были сделаны на основании оценки устойчивости 58 пресноводнных рек и озер Северо-Запада ETC к антропогенному эвтрофированию и на новый подход к решению этой проблемы, основанный на определении устойчивости системы, как отношения ее параметров, сформированных внешним воздействием, к величине этого воздействия, определим устойчивость экосистем некоторых соленых озер Монголии. При этом количественная оценка устойчивости аквасистемы дается по результатам экспериментального титрования кислотами или щелочами проб воды. Интегральная устойчивость природних вод практически определяется как величина, пропорциональная количеству кислоты или щелочи, необходимому для выведения параметров данного образца за пределы диапазона "сопротивляемости", то-есть для биокосной системы - физиологического диапазона физи - 209 ко-химических параметров.