Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Осадконакопление в озерах (обзор литературы) 10
1.1. Особенности озерного осадконакопления 10
1.2. Процессы седиментации и образования осадков 11
1.3. Классификация донных отложений 21
1.4. Состав и свойства донных отложений 23
Глава 2. Физико-географические условия района исследования как факторы осадконакопления 33
2.1. Общая физико-географическая характеристика района исследования 33
2.2. Климат 35
2.3. Геологическое строение и рельеф 37
2.4. Почвенный покров 43
2.5. Растительность 46
Глава 3. Объекты и методы исследования 48
3.1. Общая характеристика водоемов Низменного Заволжья и Приволжской возвышенности 48
3.2. Объекты исследования 49
3.3. Методика исследования 54
Глава 4. Морфология и типология донных отложений водоемов Чувашской Республики 60
4.1. Морфологические особенности донных отложений 60
4.2. Типология озерных отложений 65
4.3. Реакция среды донных отложений 71
Глава 5. Осадконакопление в водоемах Чувашской Республики 74
5.1. Показатели современного и среднемноголетнего осадконакопления 74
Сезонная динамика осадконакопления 79
Скорость осадконакопления в водоемах разного типа 82
5.2. Определение вклада некоторых природных факторов в осадконакопление 83
5.3. Интенсивность осадконакопления и прогноз заиления озер 86
5.4. Пространственно-временные закономерности накопления биогенных элементов в донных отложениях 90
5.4.1. Углерод 90
5.4.2. Азот 98
5.4.3. Фосфор 106
5.5. Показатели круговорота биогенных элементов в системе вода– донные отложения 113
5.5.1. Углерод 113
5.5.2. Азот 126
5.5.3. Фосфор 134
5.6. Общие закономерности круговорота углерода, азота и фосфора в водоемах Чувашской Республики 142
Заключение 147
Список литературы 153
Приложение 173
- Процессы седиментации и образования осадков
- Морфологические особенности донных отложений
- Углерод
- Общие закономерности круговорота углерода, азота и фосфора в водоемах Чувашской Республики
Процессы седиментации и образования осадков
Начиная рассмотрение процессов, приводящих к формированию в водоеме ДО, следует остановиться на базовых терминах, характеризующих суть седиментации и осадконакопления.
Под седиментацией в лимнологии понимают процесс осаждения из водной массы на дно взвешенных в воде органических и минеральных частиц. Соответственно скорость седиментации - это скорость осаждения частиц, измеряемая длиной пути, пройденного частицей в единицу времени. В водоеме она зависит от массы, формы и размера частиц, плотности среды, динамической активности водной массы (Зиминова, Мартынова, 1986; Законнов 2007).
Количество вещества, накапливающееся на единице площади дна в единицу времени (кг/м2год), представляет собой скорость осадконакопления. Наиболее распространенной характеристикой скорости осадконакопления считается высота слоя осадков, накапливающихся на дне в единицу времени (м3/м2год или мм/год).
В озерах, водохранилищах и прудах происходит заполнение котловины твердым стоком (наносами) с водосборной площади, продуктами абразии берегов, химической эрозии, в результате физико-химических и биохимических процессов, а также накопление органического вещества автохтонного и аллохтонного происхождения (Китаев, 2007). На основании преобладающих процессов в происхождения оседающих минеральных и органических частиц выделяют механическую, биологическую и химическую седиментацию.
В небольших, замкнутых водораздельных озерах эрозионные процессы являются единственным поставщиком аллохтонного вещества, поэтому их значение в механической седиментации велико. В больших проточных и бессточных озерах аллохтонный материал поступает также со стоком рек и ручьев, а также в результате абразионных процессов. Наибольшая интенсивность твердого стока наблюдается в весенний паводок. Основная часть мелких частиц оседает на дно озера, недалеко от места впадения притока. В летние месяцы планктон составляет более 50 % всего твердого стока, в остальное время его мало или практически нет. Вещества, приносимые ветром в озеро, составляют сравнительно незначительную часть аллохтонного материала. В озерах на территории лесных массивов основную часть принесенного ветром материала составляют пыльца, споры, частицы лишайников, мхов, листья. В лесных озерах ветром приносится около 10% всего аллохтонного материала. Основная часть аллохтонного материала оседает в прибрежной части. С удалением от берега снижается интенсивность накопления и уменьшается диаметр частиц этого материала. Вдали от берегов аллохтонный, более тонкий материал, составляет только примесь среди автохтонных отложений. Аллохтонный материал в прибрежье образует береговую отмель, ее склон, прибрежные валы, пляж, дельты и т.д. В озерах с кратковременными колебаниями уровня воды малой амплитуды тонкие песчанистые слои аллохтонного материала сменяются слоями автохтонного происхождения (Гарункштис, 1975).
Накопление озерных отложений под действием гидробиологических процессов (биологическая седиментация) зависит от количества поступающих в озеро биогенных элементов, температуры, прозрачности воды, конфигу-рации водоема (в первую очередь, от глубины водоема). Интенсивность биологической седиментации в основном обусловливается биомассой низших организмов и макрофитов. В крупных озерах большая часть остатков водной растительности в виде гумуса накапливается в заливах и на склоне береговой отмели. В мелководных зарастающих озерах с высокой продукцией водных растений и ограниченной деятельностью прибрежных течений, органический материал растительного происхождения распределяется более равномерно.
До 80-90% органического вещества планктона минерализуется в верхнем слое воды, глубиной до 20-30 см (Ohle, 1964). Поэтому в глубоких озерах основная часть фитопланктона окисляется раньше, чем достигает дна. В водоемах Литвы интенсивность седиментации органического материала планктонного происхождения составляла 0.03-7.5 кг/м2 в год (Гарункштис, 1975). Наибольшее количество этого материала отлагается в мелководных частях озер. Органический материал, осевший на участке береговой отмели, в основном смывается прибрежными водными течениями и волнением и уносится в заливы и на склон береговой отмели. Это способствует усилению аккумуляции органического материала планктонного происхождения в заливах.
Интенсивность биологической седиментации равна интенсивности химической седиментации только в озерах, питающихся поверхностными водами, и в озерах, слабо питающихся протекающими водами. В остальных водоемах интенсивность биологической седиментации в 3-8 раз выше. В озерах, питаемых болотными водами, биологическая седиментация превышает химическую в 25-100 раз. Химическая седиментация связана с явлением трансформации вещества и удалением его из воды. В контексте химической седиментации под трансформацией вещества подразумевается седиментация и депонирование в ДО, переход вещества из растворенного состояния в коллоидно-дисперсное и последующая коагуляция, а также ряд других процессов (Ладожское …, 2002).
Отдельные исследователи с целью обозначения специфических условий (параметров) осадконакопления в водоемах различного типа применяют специальную терминологию.
Так, для волжских водохранилищ В.В. Законновым (2007) были выделены следующие типы формирования грунтового комплекса донных отложений:
занесение аккумуляция всех типов наносов в расчете на площадь водоема при НПУ;
осадконакопление аккумуляция всех типов наносов (крупнодисперсных и тонкодисперсных) на площадь их распространения, без площадей размыва и гидроморфного почвообразования;
илонакопление аккумуляция тонкодисперсных наносов (алевритовой и пелитовой фракций) на площадь их распределения.
В отличие от скорости седиментации, скорость осадконакопления представляет собой результирующую величину двух противоположно направленных процессов осаждения (седиментации) вещества на дно и поступления его со дна в водную массу под влиянием различных гидродинамических, биологических и химических факторов. Общий объем, или массу, вещества, накапливающегося в водоеме за определенный период (месяц, год, период существования водохранилища и т.д.), следует называть величиной осадконакопления за указанный период (Зиминова, Мартынова, 1986).
Говоря о накоплении в ДО отдельных химических элементов или соединений, используют аналогичные термины (например, «годовая скорость накопления элемента», «величина аккумуляции элемента в отложениях за период существования водоема» и т.д.), не требующие дополнительных пояснений.
Отметим, что накопление вещества в ДО определяется разностью скоростей поступления его на дно и перехода обратно в водную массу. Концентрация вещества в ДО определяется соотношением количеств данного вещества и всего остального «разбавляющего» (т.е. остального грунта) материала в отложениях. При одинаковом содержании одного и того же вещества (элемента) в отложениях разных водоемов скорости накопления его могут быть резко различны, т.е. концентрация вещества не может служить показателем скорости его накопления (Зиминова, Мартынова, 1986).
На скорость осадконакопления определенное влияние оказывают морфометрические параметры озера и его водосбора. Для субарктических озер отмечена обратно пропорциональная зависимость: с уменьшением глубины озера скорость осадконакопления возрастает. Как правило, малые озера имеют меньшую глубину, а, следовательно, увеличивается и отношение площадей озера и водосбора (Даувальтер и др., 2012).
Скорость осадконакопления в существенной мере определяется продукционно-деструкционными процессами в воде. В озерах, водохранилищах и прудах происходит заполнение котловины твердым стоком с водосборной площади, продуктами абразии берегов, химической эрозии, в результате физико-химических и биохимических процессов, а также накопление органического вещества автохтонного и аллохтонного происхождения (Китаев, 2007).
Морфологические особенности донных отложений
В число морфологических признаков ДО озер, фиксируемых непосредственно после отбора кернов трубками ГОИН, входили цвет (окраска), наличие различного рода включений и маркерных слоев, по которым судили об относительном времени образования отложений и скорости осадконакопления, а также плотность и влажность. Последние два показателя дополнительно оценивали инструментально.
Особенности внешних признаков отложений определяются, в частности, происхождением озерных котловин. Так, в карстовых озерах илы окрашены преимущественно в коричневые цвета с оттенками серого и черного различной интенсивности (рис. 4.1). Пойменные водоемы отличаются наличием серых и темно-серых илов, иногда с коричневыми прослойками, отражающими поступление взвешенных минеральных наносов в период весеннего стока (рис. 4.2). Это не вполне характерно для подобного типа водных объектов, поскольку обилие органического вещества, как правило, определяет доминирование черной окраски илов во влажном состоянии. В прудах и карьерах преобладают ДО коричневого цвета: от светло до темноокрашенных (рис. 4.3). Наличие этих цветов является следствием присутствия терригенных глинистых частиц, поступающих в озера в результате эрозионного смыва с водосборной территории, абразии берегов, а в проточных водоемах - с речным стоком. Встречаются также бурые отложения (оз. Астраханка), что обусловлено питанием водоема из мелиоративных каналов для отвода вод из болота, содержащих значительные концентрации растворенного железа.
В восстановительной обстановке профундали илы имеют сизый, зеленоватый, серый и охристо-сизый цвета (глеевые илы), что свидетельствует о процессах трансформации в них соединений железа и марганца. Серый, черный и сизоватый цвета, обусловленные наличием сульфидов, характерны для сероводородных илов, которые встречаются в сульфатных типах вод.
Плотность осадка закономерно изменяются в вертикальном разрезе отложений. Поверхностные слои обычно имеют жидкую консистенцию, с глубиной происходит уплотнение нижележащих слоев, увеличивается их объемный вес. Если объемный вес верхнего слоя варьирует в пределах 0.2-0.6 г/см3, то в нижних горизонтах он уже достигает 0.9 г/см3. Такого рода динамика не зависит от генезиса водоемов и характерна как для естественных, так и для искусственных озер (рис. 4.5).
Таким образом, в водоемах ЧР морфологические особенности ДО определяются генетическим типом их котловин, физико-географическими условиями на водосборе, характером внутриводоемных процессов. Цветовая гамма, плотностные и иные внешние признаки отложений являются эффективными индикаторами направленности процессов осадконакопления и хорошей основой для интерпретации результатов седиментологических и химических исследований.
Углерод
Органическое вещество (ОВ), как важный типологический признак ДО, отражает широкий спектр процессов и явлений, приводящих к аккумуляции соединений органического углерода и связанных с ним биогенных элементов в водоемах.
При рассмотрении географических закономерностей показателей современного поступления ОВ в ДО озер Чувашии приоритетной задачей стояло приведение результатов определения величины потерь при прокаливании (ППП), использованных, в том числе, для типологической характеристики отложений, к количественным показателям, выраженным на органический углерод. Для этого, с определенной долей допущения, применялись эмпирически рассчитанные коэффициенты пересчета показателя ППП на содержание ОВ. В основу расчета коэффициентов легли материалы базы данных по вещественному составу ДО озер и малых водохранилищ Средней Волги, расположенных в сходных физико географических условиях, включая немногочисленные результаты определения ОВ мокрым озолением по методу И.В. Тюрина в ДО озер Чувашии. В представительную выборку данных (n=314) вошли разнотипные ДО водоемов различного генезиса. Содержание органического вещества (ОВ) рассчитывали по формуле: ОВ (%) = 0.5ППП (%) (1).
Аналогичный поправочный коэффициент (0.5) был эмпирически получен рядом авторов при исследовании ДО разнотипных водных объектов.
В составе природных органических соединений, присутствующих в почвах и ДО, содержится 58% органического углерода (Аринушкина, 1961), поэтому для вычисления доли элемента в общей массе ОВ обычно используют коэффициент 0.58. Таким образом, пересчетная формула для определения доли органического углерода Сорг в составе ДО озер будет выглядеть так: Сорг (%) = 0.5ППП 0.58 = 0.29ППП (2).
Функция распределения ОВ в ДО озер ЧР отличается от нормальной (рис. 5.5), поэтому при оценках средних величин и сравнении выборок данных использовалась медиана вариационного ряда, а при установлении различных зависимостей – непараметрические критерии.
Основной диапазон концентраций углерода в ДО озер Чувашии находится в пределах от 2 до 4%: это почти 2/3 анализируемой выборки (табл. 5.7). В водоемах республики преобладают минеральные типы отложений. Наиболее часто встречающиеся концентрации органического углерода находятся в диапазоне от 3.0 до 3.6% (в среднем 3.3%) на сухую массу в осадках водоемов Приволжской возвышенности и до 14.5-26.0% в органогенных осадках озер Заволжья (табл. 5.7). Это определенным образом отличает исследуемые водоемы от озер Республики Татарстан, где среднее содержание углерода в осадках установлено на уровне 2% (Иванов и др., 2011а).
Различия содержания Сорг в отложениях водоемов двух географических провинций Чувашии связаны, как уже отмечалось, с генезисом и особенностями морфометрии озер и с характером проявления продукционно-деструкционных процессов в них. Для котловин озер Заволжья характерна преимущественная аккумуляция автохтонного ОВ, продуцируемого высшей водной растительностью, а также аллохтонной органики, формирующейся за счет лесного опада. Благодаря защитной функции лесных насаждений здесь практически отсутствует поверхностный смыв почв, поэтому вкладом тирфогенного органического вещества в накопление органического углерода в заволжских озерах, по сути, можно пренебречь.
Глубина водоема не только определяет показатели скорости аккумуляции отложений на отдельных участках акватории, но и формирует определенные диапазоны содержания в осадках различных органических и минеральных веществ. В результате седиментации и трансседиментации в относительно глубокие участки ложа поступает взвешенное вещество, прошедшее размерную и качественную сортировку, поэтому концентрации углерода в таких относительно однородных по составу и структуре осадках обычно варьируют в довольно узких пределах. Содержание Сорг было выше в глубоководных озерах с мощным эпилимнионом (r=0.45, p 0.003). В эпилимнионе происходит развитие планктонного сообщества, которое в планктотрофных водоемах играет ведущую роль в продуцировании ОВ. Осадки профундали водоемов Предволжья совсем несущественно, как это можно было предположить, отличаются по накоплению углерода от отложений литорали (рис. 5.6): по медиане эта разница не превышала 0.6% и статистически недостоверна (p 0.05). Во многих из исследованных водоемов Предволжья, где средняя глубина близка к 2 метрам, граница (переходная зона) между литоралью и профундалью весьма условна. Поступающие извне и формируемые непосредственно в водоемах взвеси распределяются в их ложе достаточно равномерно, поэтому не всегда классическая механическая и геохимическая дифференциация осадков в пределах этих зон находит свои проявления.
Об этом свидетельствуют подтвержденные статистически единые уровни содержания углерода в поверхностных отложениях профундали озер Приволжской возвышенности и сопряженных водораздельных почвах (рис. 5.6). Величина накопления Сорг была выше в ДО тех водоемов, на территории водосборов которых снижается доля пашни в структуре угодий (r=0.35, p 0.02) и увеличивается лесистость (r=0.62, p 0.001). Как следствие, это ведет к сокращению числа проявлений линейной эрозии и, напротив, к относительному усилению плоскостного смыва гумусовых горизонтов почв, обогащенных ОВ.
Совершенно иное геохимическое распределение углерода в системе водосбор-озеро было характерно для водоемов Низменного Заволжья, где кратность отношения его содержания в осадках профундали и литорали близка к 40 (рис. 5.6). Причина столь выраженных различий заключается в том, что котловины и прибрежные территории озер указанной провинции сложены песчаными отложениями и сформированными на них почвами. Почвенный покров водосборов беден гумусом, а вынос тирфогенного ОВ в подчиненные элементы ландшафта в условиях равнинного рельефа и хороших фильтрационных свойств грунтов крайне незначителен.
Автохтонный детрит, в значительной мере представленный в заволжских озерах остатками трудноразлагаемой болотной растительности, слабо закрепляется в прибрежной зоне и выносится ветроволновыми течениями в центральные части преимущественно неглубоких водоемов, где и происходит его аккумуляция.
Общие закономерности круговорота углерода, азота и фосфора в водоемах Чувашской Республики
В отечественных и зарубежных исследованиях, ориентированных на выяснение закономерностей функционирования и развития озерных экосистем, пожалуй, наиболее полно и всесторонне показатели поступления и аккумуляции углерода, азота и фосфора в ДО были рассмотрены в работах М.В. Мартыновой, М.Я. Прытковой, В.Г. Драбковой, Э.С. Бикбулатова Р. Фолленвайдера, П. Дилона и Ф. Риглера и др. Они отмечали заметные различия в аккумулирующей способности отложений в отношении указанных элементов, обусловленной их неодинаковой геохимической подвижностью и разными источниками поступления на дно. На основании обобщения немногочисленных данных наблюдений за процессами седиментации, осадконакопления и обмена веществами в системе «ДО -вода» предпринимались попытки связать величины поступления и накопления C, N и P с величинами продуктивности водоемов, уровнем внешней нагрузки, химическим составом водных масс и ДО, гидрологическими параметрами и т.д. В рамках настоящего исследования такого рода цели не ставились, однако количественные данные, полученные нами на репрезентативном региональном материале, также позволяют сделать некоторые обобщения, связанные с судьбой изученных элементов после их осаждения на дно, которые могут существенно дополнить и расширить уже известные представления.
Расчеты показывают, что в результате различного рода преобразований, которым подвергаются органические и минеральные взвеси, оказавшиеся в результате седиментации на дне озер, доля соединений углерода и азота, вовлекаемая во внутриводоемные циклы, существенным образом разнится в пространственном отношении (рис. 5.27).
Всего лишь 6% С и 8% N, присутствующих в составе осадочных масс озер Заволжья, возвращается в водную среду, и, соответственно, более 90% от этого количества прочно фиксируется и депонируется в отложениях, формируя иммобилизованую часть запаса биогенных веществ в экосистеме водоема. Низкие показатели минерализации, определяющие столь незначительные объемы переходящих в воду из отложений соединений углерода и азота, объясняются генезисом органических соединений в озерах этой провинции Чувашии, а именно абсо-лютным преобладанием макрофитного детрита, более стойкого к деструкции, над планктонным ОВ, разрушение которого в водной среде обычно протекает не только с максимальными скоростями, но и максимально полно.
Физико-химические условия, складывающиеся в ДО озер Предволжья, благоприятствуют эффективному окислению поступающего на дно ОВ и выходу минеральных соединений углерода и азота в водные массы. В результате в среднем до 55% С и 77% N высвобождается из ДО и пополняет их резервы в водной среде. Относительная высокая миграционная активность азота по отношению к углероду объясняется соответствующими геохимическими свойствами его минеральных соединений, аммонийных и нитратных ионов, образующихся при разложении ОВ. Однако такой интенсивный круговорот азота в системе вода-дно фактически не влияет на трофический статус водоемов: величина индекса Карлсона TSI не обнаруживала корреляций с показателями скорости накопления азота в отложениях.
В отличие от азота, трофический статус модельных водоемов напрямую зависел от величины поступлений фосфора (рис. 5.28), что только подтверждает роль Р как ведущего эвтрофирующего агента в водных экосистемах. При скорости поступления фосфора в ДО 0.003-0.02 гР/(м2сут.) трофический уровень модельных объектов соответствовал мезотрофному и переходному от мезотрофному к эвтрофному (TSI 40-60). Эвтрофные озера характеризовались поступлением соединений фосфора от 0.02 до 0.06 гР/(м2сут.) и TSI 60-75.
В пространственном же отношении показатели поступления общего фосфора были, по сути, одинаковы для озер северной и южной провинций Чувашии, а именно 7.4 гР/(м2год), что является довольно неожиданным результатом, для которого пока нет очевидного объяснения. Следует заметить, что и скорости осадконакопления в озерах сравниваемых провинций находились в среднем на одном уровне, однако пока это нельзя рассматривать как закономерность. В любом случае, половина фосфора, оседающего на дно озер, подвергается регенерации и вновь вовлекается во внутриводоемный цикл круговорота. Причем процессы, которые приводят к мобилизации различных химических соединений, содержащих фосфор, судя по полученным нами данным, протекают достаточно быстро и охватывают только верхний и наиболее активный 10-см слой иловых отложений. Ниже этой глубины происходит замедление или даже полное прекращение всех процессов, ведущих к растворению терригенных и аутигенных соединений фосфора и формируются условия для его депонирования.
Потоки углерода, азота и фосфора со дна водоемов тесно связаны друг с другом и являются частью единого процесса преобразования вещества и энергии. Ведущим механизмом, формирующим внутренние потоки биогенных элементов в водоемах Чувашии, является деструкция автохтонного ОВ. Характерно, что даже в отношении наблюдаемых потерь C и N за счет минерализации (рис. 5.26) имеется определенная пропорция: и в отложениях Низменного Заволжья, и в осадках Приволжской возвышенности потери азота ровно в 1.3 раза превышают потери углерода. Важно и то, что убыль азота в отложениях за счет минерализации не зависит от исходного отношения C/N во взвешенном материале, которое, например, в заволжских озерах было в 1.5 раза выше, чем в водоемах Предволжья.
Следует согласиться с М.В. Мартыновой (2010), что в озерах расходная статья баланса фосфора в отложениях складывается в основном за счет аутигенного минерального фосфора, связанного с железом. Это положение в большей мере относится к озерам заволжской части республики. В минеральных осадках озер Предволжья дополнительный, но значительно менее весомый вклад в выделение фосфора вносят его апатитовые соединения терригенной природы, приобретающие подвижность в кислой среде ДО. Скорость перехода в растворимое состояние апатитового Р значительно замедленнее, чем показатели минерализации органического азота. Не исключено, что низкая удерживающая способность минеральных тонкодисперсных ДО озер Приволжской возвышенности в отношении фосфора, уравнивающая их по показателям аккумуляции с озерами Заволжья, служит следствием внешней биогенной нагрузки антропогенного характера. С пашни, доля которой в структуре земельных угодий Предволжья составляет 45% (Атлас…,2007), может вымываться от 0.5 до 1.8 кг/га подвижных фосфатов в год, а при внесении фосфорных удобрений – до 1-2.5 кг/га (Расчет …, 1989). Количественно подтверждающие данное предположение основания могут быть получены на основе расчета внешней биогенной нагрузки.