Диатомовые комплексы и химизм воды термокарстовых озер Юкэчинского полигона

НАУКА И ОБРАЗОВАНИИ, 2007. №2

УДК 551.343.481.1

Диатомовые комплексы и химизм воды термокарстовых озер Юкэнииского полигона*

Л.А. Пестрякова, Н.П. Босиков, М.И. Ксенофонтова

Приведены лимнологические и гидрохимические характеристики озер по стадиям развития озерного термокарста (дюёдя-тымпы-зрелый алас) на примере Юкэчинского полигона. Описан процесс образования озерного термокарста в зависимости от климата. Даются таксономический состав и эколого-географическая характеристика диатомовых комплексов поверхностных осадков этих озер.

Limnologycal and hydrechemical characteristics of lakes from different states of lakes pemiofrost development (duede - tumpu - alas) in Ukechinsky polygon area are provided in the paper. The authors discuss the dependence of permofrost lake evolution from climate change. Furthermore, ecological and geographical aspects of diatom species composition of lake surface sediments is provided.

Материалом для данной статьи послужили предварительные результаты полевых работ, проведенные в июле 2005 г. в рамках совместного российско-германского проекта между Якутским госуниверситетом и Институтом полярных и морских исследований им. А. Вегенера (Потсдам, Германия) на тсрмокарстовых озерах Юкэчинского полигона, расположенного на Лено-Амгинском междуречье, в 14 км к северо-востоку от с. Майя Мегино-Кангаласского улуса Республики Саха (Якутия). Для исследования нами выбраны следующие озера: Б-4, Б-5 и Б-6, соответствующие по стадии развития озерного термокарста к дюёдя; «X» - тымпы; Юкэчи -зрелому аласу (рис. 1).

Для каждого озера измерены лимнологические переменные (табл.1).

Отобраны пробы воды на химический и гидробиологический анализы. Самый верхний слой донных отложений (0-2 см) отобран с глубоководных частей озер грунтовой трубкой ÜWITEC на диатомовый анализ, образцы готовились по общепринятой методике [11.

Типичные аласы развиты в Центральной Якутии на междуречных плоских равнинах, сложенных лессовидными суглинками с подземными льдами.

Под термином «алас» понимается замкнутая или полузамкнутая безлесная, остепненная озер-но-луговая тсрмокарстовая котловина среди

ПЕСТРЯКОВА Людмила Агафьевна - к.б.н., доцент каф. ЯГУ; БОСИКОВ Николай Петрович - к.г.н.. с.н.с. лаб. ИМЗ СО РАН; КСЕНОФОНТОВА Марта Ивановна - аспират ЯГУ.

* Статья принята к печати 26 декабря 2006 г.

бореальных лесов. Образование аласных ландшафтов обусловлено засушливым климатом -недостаточное увлажнение территории приводит к иссушению термокарстовых озер.

Рис. 1. Карта-схема Юкэчинского полигона: 1 — водоемы; 2 - аласные луга; 3 - хвойный лес; 4 - пашни

Существует мнение, что из-за засушливости климата (дефицита влаги) развитие озерного термокарста на территории Лсно-Амгинского междуречья практически не наблюдается |2, 3].

С целью установления динамики развития тсрмокарстовых форм рельефа на межаласных пространствах Центральной Якутии Институтом мерзлотоведения СО РАИ ведутся режимные наблюдения за развитием провальных форм

ПЕСТРЯКОВА. БОСИКОВ, КСЕНОФОН'ГОВА

Таблица !

Лимнологические характеристики водоемов Юючинского полигона

Показатель дюеля тымпм алас

Б-4 Б-5 Б-6 «X» Юючи

05-Уак-01 05-Уак-02 05-Уак-03 05-Уак-05 05-Уак-04

Координаты 61°45' с ш 61°45'с ш 61°45' с ш 61°46' с III 61°45'с ш

130°28' в д 130°28' вд 130°28' в д всгв'вд 130°28' в д

Высота над у м . м 227 227 227 221 228

Площадь зеркала, км2 0.002 0.012 0,006 0.019 0,015

Длина, км 0.05 0.10 0.08 0.20 0.20

Ширина, км 0.04 0.08 0,08 0.096 0,06

Максимальная глубина, м 1.8 3.5 4.6 4.6 1.8

Прозрачность, м не нзм 0.9 1.5 1.1 1.0

Температура. °С 24,3 26.3 26.1 24.4 24.2

рН 8.54 9.11 8.71 9.05 8.08

Растворенный О. мг/л % 3.88 9.5 6.5 9.13 7.63

46 122 85 114 94

Двуокись кислорода, мг/л н/о и/о н/о н/о 8.8

Жесткость 7.4 12 5.84 11.8 4.8

Минерализация, мг/л 994 2000 791 2294 788

Электропроводность, мС/см 1,63 2,38 0,82 1,99 0,91

Щелочность, ммоль 9.20 20,80 9.20 26.20 7.80

Катионы, мг/л Са!* 35,27 40.08 17.64 208,42 17.64

Мг" 68.47 121,4 60.21 16,99 47.59

Ка*+К* 161.00 360.12 110.06 403.59 141.02

N14/ 1.1 2.01 0,5 2,01 0.71

Ре" 0,005 0.002 0.001 0.003 0.13

Б.4' 3,6 7,2 3,6 10,4 5.2

Анионы, мг/л НСО, 530.7 1183.4 536.8 1464 457.5

С1 113,42 215,5 42,53 174,39 85.06

эо,1 80,00 70,00 20.00 14.00 33.00

Р043 0 0 0 0.06 0

N0, 0.53 0.013 0.013 0.075 0,007

рельефа в различных нриродно-территориальиых комплексах. На Юкэчинском полигоне эти наблюдения ведутся с 1975 г. В геоморфологическом отношении участок полигона относится к Абалахской эрозионно-аккумулятивной равнине [4]. Вокруг аласа Юкэчи мсжаласные пространства сложены буровато-ссрыми лессовидными суглинками мощностью до 40-60 м, включающими линзовидные, поясковые криогенные текстуры и мощные сингснстичсские повторно-жильные льды. На 1 м2 площади приходится около 2,6 м3 льда. Глубина залегания верхнего плеча ледяных жил от дневной поверхности 1,5— 2 м. На заброшенных пашнях поверхность жильных льдов часто совпадает с глубиной сезонного протаивания [5]. Юкэчинский полигон по степени чувствительности (просадочности) поверхности к техногенным воздействиям относится к

сильно чувствительным районам |6]. Для этих ландшафтов при тсрмокарстовых нарушениях характерны весьма существенные изменения в их структуре, вплоть до образования новых при-родно-территориальных комплексов. На Юкэчинском полигоне, как в ненарушенных, так и в нарушенных ландшафтах, к которым относятся пашни, наблюдаются многочисленные термокар-сговые просадки, большинство которых развиты до стадии дюедя (рис. 1).

Термометрические наблюдения за развитием талика дюёдя «Ф» на полигоне Юкэчи начались с 28 март а 1989 г. К этому времени глубина воды в озере была 1,7 м. В зиму 1988-1989 гг. озерко не промерзло до дна, что привело к круглогодичному росту подозерного талика. До той зимы оно промерзало до дна. В те годы под пересыхающим озерком существовал, вероятно, перс-

ДИАТОМОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ И ХИМИЗМ ВОДЫ

зимок. Результаты бурения скважины глубиной 25 м в средней части озера показали, что до глубины 5 м от поверхности льда встречаются талые грунты, состоящие из заиленного суглинка. Далее до глубины 10 м был вскрыт повторно-жильный лед, который по рисунку и насыщенности криогенных текстур, вероятно, продолжался до глубины 14,5 м. Этот факт указывает на то, что место зарождения озерного термокарста содержит столько же льдов на единицу площади, что и протаявшие грунты в аласной котловине Юкэчи [7].

Пространственно-временной анализ развития озерного термокарста на Юкэчинском полигоне показал, что зарождение и наиболее интенсивное расширение термокарстовых озер совпадают с годами повышенного увлажнения территории, когда наблюдается положительный водный баланс в термокарстовых западинах [5]. Наблюдения показали, что скопление талых вод в понижениях из года в год приводит к просадке грунта, вызывающей их накопление, позволяя водоему сохраниться до зимнего ледостава. Наличие воды на поверхности почвы, как правило, способствует более глубокому протаиванию грунтов, которое приводит к интенсивному таянию подземных льдов.

Изменения уровня воды, просадки грунта и роста талика тсрмокарстового озера по годам приведены на примере дюсдя «Ф». При достижении глубины воды 2 м (или уровня залегания подземных льдов) термокарстовос озеро начинает интенсивно питаться от таяния подземных льдов (рис. 2).

При этом стабильный водный режим озера обеспечивается, если протаивающие запасы подземного льда в ледовом комплексе занимают более 35% от общего объема пород. При таянии такого количества подземного льда происходит саморазвитие термокарстового озера независимо от гидрометеорологических условий отдельных лет. В этом случае дальнейшее развитие озерного термокарста лимитируется количеством подземного льда и дренажными условиями местности. В случае образования дренажной канавки, по которой вытекает вода из термокарстового озера, уровень воды резко падает, что приводит к временной стабилизации берегов водоема. Рост тсрмокарстового озера резко замедляется [8]. Результаты режимных наблюдений озерного термокарста Юкэчинского полигона показали, что скорость роста подозерного талика в начальный период развития составляет около 0,5 м/год [7].

1 унтснь ла пи лнЫи

75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 годы

Рис. 2. Рост озерного термокарста по годам на примере дюёдя «Ф»

Химизм воды термокарстовых озер и его динамика находятся в прямой зависимости от химического состава льдосодержащих пород, при протаивании которых они сформировались. Немаловажную роль также играет гидрологический режим водоема, связанный с особенностями климата территории, в целом как для всей Центральной Якутии, определяющего весьма интенсивное испарение воды летом, глубокое промерзание зимой и слабую восполняемость озер атмосферными осадками [9]. Также на формирование химического состава озерных вод оказывают интенсивно протекающие в донных отложениях биохимические процессы и подземные воды в озерах, где развиты сквозные талики [10].

Большинство термокарстовых озер Лсно-Амгинского междуречья сравнительно невелики и неглубоки [11]. Глубина многих озер, как правило, не превышает 1-3 м. Обследованные озера Юкэчинского полигона также имеют малые размеры (табл. 1). По ионному составу и содержанию отдельных компонентов они существенно различаются в зависимости от стадии развития озерного термокарста.

Газовый режим зависит от морфологии озер и интенсивности биологических, биохимических процессов, протекающих в них. Содержание растворенного кислорода в период исследования колеблется от 6,5 до 9,5 мг/л, кроме Б-4, где отмечено низкое содержание - 3,8 мг/л. Свободной двуокиси в молодых озерах не зафиксировано, кроме оз. Юкэчи, где отмечено её содержание (8,8 мг/л).

Величина рН воды - один из важнейших показателей качества вод. Концентрация ионов водорода имеет большое значение для химических и биологических процессов. В Юкэчинском полигоне рН воды в озерах стадии дюсдя щелочная (8,54-9.05), оз. Юкэчи - слабощелочная (8,08).

ПЕСТРЯКОВА, БОСИКОВ, КСННОФОНТОВА

По степени минерализации озера стадии дюе-дя (Б-4. Б-6) относятся к водам повышенной минерализации; Б-5 и «X» - высокоминсрализо-ванным, а Юкэчи - к водам повышенной минерализации. Озера стадии дюёдя относятся к гидрокарбонатным водам с преобладанием катионов натрия и калия, стадии алас - к гидрокар-бонатно-магниевым.

Биогенные вещества связаны своим происхождением с жизнедеятельностью водных организмов. Из них содержание азота аммонийного в обследованных водоемах меняется в широких пределах: от 0,5 мг/л (Б-6) до 2,01 мг/л (Б-5 и «X»). Нитриты, находящиеся в растворенном виде в исследованных водах, варьируют от 0,007 мг/л (Юкэчи) до 0,53 мг/л (Б-4). Повышенное содержание, зафиксированное в начальных стадиях развития озерного термокарста - дюёдя, вероятно, указывает на усиление процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления нитритов в нитраты. Концентрация ионов кремния в воде незначительна (3,6-10,2 мг/л). Во всех обследованных озерах в период исследования отмечен дефицит содержания фосфатов в воде, кроме тымпы «X», где зафиксировано 0,06 мг/л. Железо также является одним из важнейших биогенных элементов, воздействующих на интенсивность развития фитопланктона и на качественный состав микрофлоры в водоеме. Общее железо в незначительных количествах зафиксировано в молодых

озерах (до 0,005 мг/л), а в оз. Юкэчи его значение значительно выше (до 0,52 мг/л).

Предварительные результаты изучения диатомовых водорослей поверхностного слоя озерных отложений показали относительную бедность флоры, представленной всего 55 видами, относящимися к 24 родам, 12 семействам, 4 порядкам и 2 классам. Ведущими семействами являются Иахчайасеае и Fragilariaceae. В пропорциях флоры насыщенность семейств родами очень низкая, доля одно-, двувидовых родов составляет 58 %. Сравнительно высокая видовая насыщенность отмечена только у родов Fragi-1апа и СотрИопета (по 6 видов). Подобная таксономическая структура характерна для водоемов с нестабильным гидрологическим режимом. Из обследованных озер относительным богатством таксономического разнообразия выделяются Б-4 (25 видов) и Юкэчи (21). В остальных озерах этот показатель колеблется незначительно (от 15-19 видов).

Численность диатомей в конкретных озерах распределяется неравномерно и колеблется в широких пределах. Наименьшее значение характерно для оз. Юкэчи, где количество створок в 1 г осадка равно 0,39 млн. Исключительно продуктивным является дюёдя Б-6 (86,39 млн. ств./г.).

Число массовых видов в обследованных озерах 14. Однако их сочетание и доля участия в диатомовом комплексе конкретного водоема различные (табл. 2).

Таблица 2

Доминирующие комплексы лиатомей в обследованных озерах

Озеро Доминанты Доля, % Субдоминанты Доля. %

Б-4 Fragílaria consiruens el fo. venler 18 Cocconeis placentula = Ehr. 8

Stephanodiscus hanlzschii= Grun. 18 Navícula radiosa = Kutz. 7

Navícula rhynchocephala= Külz, 18 Epithemia adnata= (Kutz.) Breb. 6

Б-5 Epithemia adnata= (Külz.) Breb. 27 Stephanodiscus hantzschii= Grun. 5

Cocconeis placentida = Ehr. 25

Cyclotella meneghiniana= Külz. 13

Б-6 Stephanodiscus hantzschii= Grun. 39 Fragilaria capucina- Desm. 9

Epithemia adnata= (Külz.) Breb. 16

Amphipleura pellucida=Kulz 12

Navícula radiosa = Külz. 12

«X» Epithemia udnata- (Külz.) Breb. 35 Cvmbella cislula =(Ehr.) Kirch. 8

Stephanodiscus hanlzschii= Grun. 21 Cratícula cuspidata= (Kutz ) Mann 6

Fragilaria ulna- (Nitzsch.) L.-B. 14 Cyclotella meneghiníana= Kutz. 5

Юкэчи Fragilaria consiruens et fo. venler 48

Hippodonta capitata= Ehr. 15

Cocconeis placentida = Ehr. 14

ДИАТОМОВЫК КОМПЛЕКСЫ и химизм воды

Выявленный видовой состав диатомовых водорослей охарактеризован по географическому распространению и следующим экологическим параметрам: отношению к минерализации воды, к активной реакции среды (рН). приуроченности к местообитанию, уровню органического загрязнения (табл. 3).

Анализ экологического спектра створок диатомовых комплексов, встреченных в поверхностном слое донных отложений озер, по отношению к местообитанию показал не одинаковое соотношение отдельных групп.

Состав диатомей имеет пресноводный генезис. Во всех озерах абсолютно преобладают индифференты, предпочитающие минерализацию воды в пределах 0,2-0,3 %с. Исключение составляет озеро Б-5, где доля индифферентов и галофилов почти равная. Как отмечалось выше, озеро имеет наибольшую минерализацию (табл. 1). Сопоставление данных удельной электропроводности воды обследованных озер и численности диатомей галофилов выявило прямую зависимость этих показателей (рис. 3).

Сведения по отношению к рН имеются для 88 % таксонов. Как и в целом для диатомовой

В частности, в трех озерах (Б-5, «X» и Юкэчи) преимущественно преобладают эпифитные формы, указывающие на наличие в водоеме многочисленных мелководных участков. В комплексе озера Б-4 наблюдается почти равная доля всех трех форм диатомей с небольшим преимуществом донных видов (до 42 %), свидетельствующих о высокой прозрачности воды. Из всех обследованных озер значительно выделяется Б-6, где более половины численности диатомей относятся к планктонным формам (53,3 %) при равной доле участия остальных форм.

флоры Якутии, во всех пяти озерах отмечено доминирование алкалифилов, развивающихся при рН=7,0 с оптимумом распространения при рН более 7,0. Менее характерны нейтрофилы и ацидофилы. Доля участия диатомей алкалибион-тов, предпочитающих воду только с рН более 7,0, больше в озерах Б-5 и Юкэчи. Сравнение значений щелочности воды озер и доли участия алкалибионтов показало их прямую зависимость (рис. 4).

Географический анализ состава диатомовых водорослей озер Юкэчинского полигона выявил абсолютное преобладание космополитов (61-83 %),

Таблица 3

Эколого-географическая характеристика диатомовых комплексов озер

Озеро дюёдя тымпы алас

Б-4 Б-5 Б-6 «X» Юючи

Полевой номер 05-Уак-01 05-Уак-02 05-Уак-03 05-Уак-05 05-Уак-04

По отношению к местообитанию:

планктонные 21 19 53 27 2

опнфитные 37,3 67,1 21,6 64.5 71.8

донные 41,5 14 25,1 8.7 26,2

По отношению к солености:

галофилы 16.1 49,3 8,6 6 30,5

нндифференты 78.1 48.9 91,4 94 69,5

галофобы 5,8 1,8

По отношению рН:

алкалибионты 5,8 ЗОЛ 16.1 38 3.9

апкалнфилы 76,2 60.7 71,8 61.6 90,7

нейтрофилы 15.1 5,5 12,2 0.4 5.4

ацидофилы 2,9 3.7

Биогеографическая характеристика:

арктоальпийскис 2 0.9 0.7

бо реальные 30.4 36.5 16.5 20,9 38.6

космополиты 67.6 62,6 83.5 79.1 60.7

Органическое загрязнение:

индекс сапробности 2.06 1.70 2,10 1.98 1.56

ПЕСТРЯ КОВ А, БОСИКОВ. КСЕНОФОНТОВА

60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

49

16

1'6И 2,4 0,8 i

Б-4

Б-5

Б-6

6

Юкэчи

40 35 30 25 20 15 10 5 0

Я Электропроводность, мСм ВГалофилы, %

Рис.3. Удельная электропроводность воды озер и доля диатомей-галофилов

____38

21

30

Ш

т.

ш..

ш

16

Í:íííí Ш:

26

Б-4

Б-5

Б-6

Юкэчи

Щелочность, ммоль ИАлкалибионты, %

Рис. 4. Щелочность воды озер и доля диатомей алкалибионтов

широко распространенных видов. Им значительно уступают борсальные формы (16-39 %). Доля участия обитателей чистых и холодных вод почти нет. Показатель индекса сапробности озер, высчитанный по методу Пантле-Букка в модификации Сладечека, колеблется от 1,56 (Юкэчи) до 2,1 (Б-6), что соответствует бета-мезосапроб-ной зоне, а воды характеризует как III класса качества, умеренно (слабо) загрязненные.

Литература

1. Общие закономерности возникновения и развития озер. Методы изучения истории озер. (Серия: История озер СССР). - Л.: Наука, 1986. - 254 с.

2. Вельлшна H.A. Особенности гидрогеологии мерзлой зоны литосферы: Криогидрогеология. - М.: Недра, 1970.-326 с.

3. Гпаве H.A., Суходровский B.JI. Рельефообра-зующие процессы области вечной мерзлоты и принципы их предупреждения и Офаничения на осваемых территориях // III Международная конференция по мерзлотоведению. Т. I. - Оттава, 1978. - С. 468-472.

4. Иванов М.С. Криогенные строение четвертичных отложений Лсно-Алданской впадины. - Новосибирск: Наука, 1984. - 125 с.

5. Босиков Н.П. Интенсивность разрушения пашен на межаласных ландшафтах // Гео1рафия и природные ресурсы. - 1989. - №4. - С. 83-86.

6. Босиков И.П., Васильев И.С., Федоров А.Н. Мерзлотные ландшафты зоны освоения Лено-Алданского междуречья / ИМЗ СО РАН. - Якутск, 1985.- 124 с.

7. Босиков Н.П. Активность термокарста на Ленно-Амгинском междуречье // Материалы третьей конференции геокриологов России. - М.: Изд-во МГУ, 2005. -С. 17.

8. Арэ Ф.Э.. Балобаев В.Т., Босиков H.II. Особенности переработки берегов термокарстовых озер Нейтральной Якутии // Озера криолитозоны Сибири. - Новосибирск: Наука, 1974. - С. 39-53.

9. Анисимова Н.П. Общая характеристика химического состава озер // Аласные экосистемы: Структура, функционирование, динамика. - Новосибирск: Наука, 2005.-С. 32-40.

10. Анисимова Н.П. Формирование химического состава подземных и поверхностных вод таликов на примере Центральной Якутии. - М.: Наука, 1971. -195 с.

11. Пестрякова Л.А. Диатомовые водоросли в осадках озер Верхней Татты // Аласные экосистемы: Структура, функционирование, динамика. - Новосибирск: Наука, 2005. - С. 101-107.