Климатические и геохимические аспекты формирования
advertisement
КАРЕЛЬСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ КЛИМАТИЧЕСКИЕ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АСПЕКТ Ы ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ В РЕСПУБЛИКЕ КАРЕЛИЯ Санкт-Петербург 2013 УДК 551.583+550. 551.583+550.4 550.4:504(470.22) ББК 20.1(2Рос 20.1(2Рос. Рос.Кар.) Кар.) Р 93 Авторы: Д. С. Рыбаков, Н. В. Крутских, Т. С. Шелехова, Н. Б. Лаврова, З. И. Слуковский, М. В. Кричевцова, О. В. Лазарева Ответственный редактор: д.б.н., профессор, чл.-корр. РАН А. В. Яблоков Рецензенты: д.г.-м.н., профессор, академик РАЕН Н. В. Шаров д.г.-м.н., профессор, чл.-корр. РАЕН В. В. Гавриленко Рыбаков Д. С. и др. др. Р 93 Климатические и геохимические аспекты формирования экологических рисков в Республике Карелия. СПб.: Изд-во ООО «ЭлекСис», 2013. 130 с. Ил. 36. Табл. 17. Библ. 124. ISBN 978-5-904247-75-1 Изучены климатические и геохимические аспекты формирования экологических рисков в Карелии. Широко использованы открытые климатические данные, большой объём российских и зарубежных источников. Построены статистические модели, осуществлён анализ факторов, влияющих на изменения климата, для района Белого моря дана прогнозная оценка возможной динамики аномалий температур приземного воздуха, приведены данные об изменении количества атмосферных осадков. Выявлены основные элементы-загрязнители снегового покрова, почв и донных осадков урбанизированной территории (на примере г. Петрозаводска), установлены статистические связи между значениями концентраций элементов, построены модели их распределения в изученных средах, оценена связь неорганического загрязнения с состоянием почв, водной и наземной растительности. Книга рассчитана на специалистов в области геоэкологии, климатических изменений, а также лиц, принимающих решения в области экологической политики. ISBN 978-5-904247-75-1 © Коллектив авторов, 2013 © ИГ КарНЦ РАН Содержание Предисловие…………………………………………………………… 4 Введение………………………………………………..……………… 6 Глава 1. Изменения климата в прошлом и настоящем….…………. 8 1.1. Современные представления о глобальных изменениях климата……………………………………………………………….... 9 1.2. Изменения глобальной температуры и их связь с орбитальными и циркуляционными факторами………………….. 14 1.3. Изменения концентраций парниковых газов (CO2, CH4) в атмосфере как фактор влияния на глобальную температуру…..... 21 1.4. Связь глобальной температуры с запылённостью атмосферы... 24 1.5. Влияние солнечной активности на температурные изменения………………………………………………………………. 27 1.6. Особенности региональных климатических изменений и их влияние на колебания уровня Белого моря...……………………….. 29 Глава 2. Современные геохимические факторы воздействия на окружающую среду в Республике Карелия и связанные с ними экологические риски..………………………………………………… 37 2.1. Некоторые общие замечания об экологических рисках............. 37 2.2. Геохимические факторы, влияющие на формирование экологических рисков………………………………………………… 39 Глава 3. Оценка загрязнения урбанизированных территорий (на примере г. Петрозаводска)................................................................... 44 3.1. Пространственные закономерности загрязнения снежного покрова…………………………………………………………………. 48 3.2. Пространственные закономерности загрязнения почв………... 51 3.3. Исследования техногенных ассоциаций химических элементов на закрытой промышленной площадке.…………............ 62 3.4. Реакция наземной растительности на загрязнение………......... 67 3.5. Оценка экологического состояния г. Петрозаводска по данным загрязнения снежного покрова и почв………………..……. 75 Глава 4. Загрязнение водных экосистем и связанный с ним риск изменения разнообразия водной биоты…….……………………….. 79 4.1. Загрязнение донных осадков и состав диатомового комплекса городской реки Лососинки……………..…………………………….. 80 4.2. Сравнительная характеристика влияния загрязнения городской и загородной рек на диатомовые комплексы………....... 106 Заключение………………………………………...………………….. 112 Список использованных источников...…………..………..…........... 120 Предисловие За сложным на первый взгляд названием книги «Климатические и геохимические аспекты формирования экологических рисков в Республике Карелия» стоит интересная попытка подойти к оценке общего экологического риска в масштабах Республики Карелия с нетрадиционных позиций. Этот подход выразился в анализе изменений климата и исследовании загрязнения почв и донных осадков (в том числе, в целом ряде случаев с параллельным изучением состояния элементов наземной и водной растительности). С моей точки зрения, синтеза этих двух направлений в книге не получилось (впрочем, авторы и не ставили такой задачи на данном этапе). Но и в том, и в другом направлении геоэкологии (понимаемой авторами в широком смысле, как интегральной науки экологической направленности, изучающей закономерности функционирования антропогенно изменённых экосистем, а не только географической или геологической экологии) книга, с одной стороны, вводит в научный обиход большой новый и интересный фактический материал (в части особенностей распределения Zn, Cd, Pb, Cr, Co, Ni, Cu, Mo, Sb, V, Mn, W в почвах, снежном покрове и донных осадках на антропогенно изменённых пространствах), и, с другой стороны, «подливает масла в огонь» дискуссий по причинам, направлениям, масштабам и следствиям изменения климата (в части анализа глобального и регионального климата). Несомненно, авторы вышли далеко за рамки поставленной перед собой задачи – представление материалов к формированию комплексной геоэкологической модели развития территории Республики Карелия. Об этом свидетельствует, в частности, немалый объём сделанных математических (статистических) расчётов, схематических картографических построений, на которых главным образом строятся выводы и доказательства в проведённых исследованиях. Содержание книги наглядно показывает, как может быть продуктивен анализ разнообразных экологических рисков для понимания процессов современного этапа антропоцена, не только на глобальном и региональном, но даже и на местном уровне (экосистем города, реки). Несомненный самостоятельный интерес представляют и развитые в книге подходы к совершенствованию системы 4 мониторинга состояния экосистем, с применением не только элементного, но и палинологического (спорово-пыльцевого) и диатомового анализов. Уверен, что книга найдёт немало заинтересованных читателей, и прочно займёт видное место на книжных полках не только прикладных и теоретических экологов, но и биологов, геологов, географов, климатологов, почвоведов, гидробиологов и даже урбанистов. Зам. Зам. Председателя научного совета РАН по проблемам экологии и чрезвычайных ситуаций, ситуаций, советник РАН Алексей Яблоков Введение Изучение проблемы эволюции окружающей среды и климата под воздействием природных и техногенных процессов является одной из важных фундаментальных задач современного естествознания. В рамках проблемы вопросы изменения экосистем планеты в её геологической истории изучаются с целью выявления основных климатических, геологических и техногенных факторов, влияющих на эти изменения. Представляемые исследования, связанные с формированием комплексной геоэкологической модели развития территории Республики Карелия, включают следующие направления: оценку региональных особенностей изменений климата с учётом глобальных тенденций его эволюции; моделирование и прогнозирование трансформаций экологических систем на примере отдельных урбанизированных территорий. Ключевым районом для оценки региональных особенностей изменения климата выбран район Белого моря, для которого имеются данные палеогеографических, палеоклиматических, палеоэкологических и геологических исследований (Колька и др., 2011; Шелехова, Лаврова, 2011; Рыбаков и др., 2012 и др.). Наличие этих данных является определяющим для сравнительной характеристики палео- и современных тенденций влияния климатических изменений на состояние и трансформацию природных объектов и экосистем в целом. Такое сравнение делает возможным вычленение последствий влияния антропогенного фактора изменения климата, практически отсутствовавшего в недавнем геологическом прошлом, но действующего в настоящее время. При этом данная работа не претендует на полный охват всех аспектов климатических изменений как на глобальном, так и региональном уровне. В ней лишь делается попытка на широко известном материале и доступных данных выполнить небольшой анализ связи изменений температуры приземного воздуха с различными факторами, предположительно влияющими на эти изменения, и дать прогнозную оценку возможным тенденциям температурных изменений и их последствий в районе Белого моря. При изучении трансформаций экологических систем, происходящих не только под воздействием климатических изменений, но и других причин (прежде всего, химического 6 загрязнения), понятие «геоэкологическая модель» в настоящем издании связывается с определением геоэкологии как комплексной науки, синтезирующей элементы геологии, географии, почвоведения и биологии. При рассмотрении отдельных компонентов окружающей среды анализируются природные объекты, исследуемые указанными частными науками, например, «поверхностные воды – донные осадки – биота» или «атмосфера – почвы – биота». Таким образом, комплексная геоэкологическая модель развития территории Республики Карелия в целом рассматривается с учётом действия на окружающую среду описанных для региона ранее (Рыбаков, 2006), дополненных и переосмысленных в настоящей работе геолого-геохимических факторов, а также вновь учитываемых климатических факторов и влияния изменённой под действием этих факторов окружающей среды на биоту. Исследования дополняются частными графическими и математическими моделями по отдельным изучаемым объектам. В значительной степени различные компоненты окружающей среды изменяются под действием урбанизации, в том числе процессами, связанными с расположенными в городах промышленными и строительными объектами, транспортными коммуникациями, другими техническими компонентами, включёнными в геотехническую систему «город». В каждом конкретном случае, для каждой конкретной территории могут выявляться специфические особенности негативного воздействия названных процессов на окружающую среду и биоту. По этой причине на основе опубликованных ранее и конкретизированных в настоящей работе классификационных построений и представлений о формировании экологических рисков проведён комплекс эколого-геохимических исследований техногенно загрязнённой урбанизированной территории и некоторых прилегающих районов (на примере г. Петрозаводска и его окрестностей). Для изучения отклика биоты на воздействие химических загрязнений использовались палинологический и диатомовый анализы. Проведённые исследования увязываются с рекомендациями по продолжению климатических и эколого-геохимических, в том числе мониторинговых исследований, а также принятию управленческих решений. ГЛАВА 1. ИЗМЕНЕНИЯ ЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ПРОШЛОМ И НАСТОЯЩЕМ НАСТОЯЩЕМ Изменения климата в прошлом сопровождались крупнейшими трансформациями в природе. Межледниковья под действием различных факторов приходили на смену мощным оледенениям. Условия на Земле менялись от суровых и невыносимых для жизни до оптимальных и комфортных. В современную эпоху в связи с деятельностью человека возникли новые влияющие на окружающую среду процессы, скорость которых постоянно возрастала. Например, такого масштабного сжигания органического топлива в целях роста экономики как в последние десятилетия и, особенно, с начала третьего тысячелетия, планета ещё не испытывала. При этом в соответствии с биогенной теорией углеобразования не подлежит сомнению, что процесс формирования залежей угля, являющегося в мире основным видом топлива (за исключением «газопотребляющих» России и Западной Европы), давно прекратился из-за отсутствия необходимых природных условий. Следует заметить также, что выделяющийся при сжигании органического топлива углерод не может полностью «складироваться» в океане и поглощаться растительностью. Большое количество его остаётся в атмосфере Земли. По этим причинам происходящая в течение 40 тыс. лет смена естественного развития планеты антропогенным наиболее ярко проявилась и проявляется в современную индустриальную эпоху в особенностях изменения климата. Поскольку климат Земли меняется постоянно, важнейшим для возможного комфортного существования человечества и его существования вообще является ответ на вопрос о современных тенденциях изменения климатических параметров, в первую очередь, глобальной температуры, а также скорости этих изменений. Какие из известных факторов определяют названные современные тенденции, какие особенности следует учитывать, в частности, в конкретном исследуемом районе Белого моря в ближайшие годы и десятилетия? Попытке ответов на эти вопросы посвящена настоящая глава. Важное место при рассмотрении поставленных вопросов отводится сопоставлению отличительных особенностей изменений климата в прошлом и настоящем и попытке прогноза этих изменений на будущее. 8 1.1. 1.1. Современные представления о глобальных изменениях климата Ещё в 1896 г. С. Аррениус (Arrhenius, 1896) выдвинул гипотезу о влиянии углекислого газа в воздухе на температуру поверхности Земли. Одновременно он сделал короткое резюме на основании публикаций выдающегося итальянского метеоролога Л. Де Марчи, подробно рассмотревшего различные появившиеся к концу XIX века гипотезы о причинах изменений климата – астрономических, физических, географических. Авторы этих гипотез утверждали, что возникновение «мягких» или же, наоборот, ледниковых эпох должно зависеть от таких обстоятельств как: − температуры места Земли в космическом пространстве; − приходящей к Земле солнечной радиации (солнечной постоянной); − наклона земной оси к эклиптике; − положения полюсов на поверхности Земли; − формы орбиты Земли, особенно её эксцентриситета (гипотеза Кролля); − формы и расширения материков и океанов; − покрытия поверхности Земли (растительности); − направления океанических и воздушных течений; − положения равноденствия. Л. Де Марчи, как указывал С. Аррениус, пришёл к выводу, что все перечисленные гипотезы должны быть отвергнуты, а предпочтение необходимо отдать фактору зависящей от концентрации водяного пара прозрачности атмосферы. Наличие такого фактора очевидно и сегодня. Однако, если речь идёт о нынешней хозяйственной деятельности, то, как отмечается (Оценочный доклад..., 2008а), её вклад в эмиссию водяного пара (преимущественно при ирригации в сельском хозяйстве) составляет менее 1 % по отношению к естественному переносу в атмосферу от поверхности земли. Непосредственная эмиссия в результате сжигания природных топлив ещё меньше. Поэтому влияние водяного пара проявляется опосредованно через потепление климата, обусловленное другими причинами. Обращает на себя внимание мнение о влиянии на изменение климата атомной энергетики. С одной стороны, речь идёт о 9 добавлении атомными станциями в атмосферу того же водяного пара (вода используется для охлаждения ядерных реакторов) и тепла, что особенно важно учитывать на локальном уровне в районах расположения АЭС. Следует оговориться, что в Республике Карелия планировавшаяся ранее АЭС отсутствует изза обоснованного прекращения разработки её техникоэкономического обоснования в 1990 г., и, таким образом, данной проблемы не существует. С другой стороны, деятельность АЭС приводит к выбросам в газоаэрозольной смеси радиоактивного Kr-85, не только названного «тепличным газом» глобального масштаба, но и влияющего на электропроводность атмосферы, что, как предполагается, может сказываться на увеличении числа особо опасных атмосферных явлений по всей планете: тайфунов, смерчей, циклонов (Яблоков, 2001). Возвращаясь к обсуждению «традиционных» представлений об изменениях климата планеты, в качестве обобщения можно перечислить следующие, как, в частности, определяют (Клименко, Клименко, 1998 и др.), существенные факторы, приводящие к этим изменениям: − концентрации парниковых газов в атмосфере; − концентрации тропосферных сернокислотных или сульфатных аэрозолей, образующихся за счёт взаимодействия оксидов серы и атмосферного водяного пара; − тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу тропосферы (солнечная постоянная); − вулканическая активность, являющаяся причиной поступления в атмосферу серосодержащих газов, за счёт чего в стратосфере формируется слой долгоживущего (5–7 лет) сульфатного аэрозоля (для сравнения: время жизни аэрозоля, концентрирующегося в тропосфере, составляет примерно 6 суток); − апериодические колебания в системе атмосфера–океан (явление Эль-Ниньо/Южное колебание); − параметры орбиты Земли (эксцентриситет, прецессия, угол наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики). С середины XVIII века начинается, а затем всё более бурно продолжается развитие промышленности, в котором значительную роль играет сжигание органического топлива. Соответственно, усиливается антропогенная составляющая поступления в атмосферу парниковых газов – углекислого газа, 10 метана, закиси азота, фреонов, озона и других, растёт концентрация в тропосфере сульфатного аэрозоля. Парниковые газы обеспечивают эффект повышения температуры у поверхности планеты, в то время как образующаяся при определённых условиях за счёт аэрозольных частиц как центров конденсации для водяного пара атмосферы облачность вызывает двойной эффект: с одной стороны, она рассеивает и отражает коротковолновое солнечное излучение, а с другой – создаёт экран для теплового излучения атмосферы и подстилающей поверхности и переизлучает поступившую энергию излучения в обратном направлении, создавая дополнительный парниковый эффект (Оценочный доклад…, 2008а). Все остальные факторы являются естественными и, как отмечается (Клименко, Клименко, 1998), их действие в настоящее время направлено на похолодание. С учётом этого средняя скорость роста глобальной температуры прогнозируется только на уровне 1,2 °C в столетие. Это означает, что ожидаемое повышение температуры в XXI веке должно полностью лежать в пределах отметок климатического оптимума, наблюдавшегося 6–5 тыс. лет назад. Вместе с тем, в отношении климата часть исследователей с той или иной степенью предположения и доказательности считает, что он эволюционирует естественным путём, и эта тенденция не претерпевает существенных изменений под воздействием антропогенных факторов (Молдаванов, 1998; Терез, 2004; Кокин, 2008 и др.). Как допущение, тем не менее, рассматривается возможность антропогенного эффекта, который мог спровоцировать климатический сдвиг и вызвать наблюдающийся новый цикл потепления (Терез, 2004). Немецкими и финскими учёными показана (Hilpert et al., 2007) большая вероятность увеличения среднегодовой температуры земной поверхности отдельного региона Балтийского моря с 2000 по 2100 гг. на 3–5 °C, тогда как в XX веке температура в этом регионе поднялась лишь на 1 °С. По данным Л. Е. Назаровой (2008), для территории водосбора Онежского озера за период 1951–2000 гг. характерно повышение годовой температуры воздуха на 0,9 °С. Изменение термического режима проявляется в увеличении продолжительности безлёдного периода. К концу XX века число дней, когда озеро свободно от ледяного покрова, возросло в среднем с 217 до 225 дней. Автор сделала заключение о том, что к 2050 г. увеличение годовой 11 температуры воздуха в районе водосбора Онежского озера может составить 0,5–1,7 °С, а её климатическая норма в среднем по Республике Карелия за следующие 50 лет может возрасти на величину от 1,6 до 2,7–3,0 °С. При этом наибольшее потепление возможно в осенние и зимние месяцы. На основании полученных данных температурных измерений региональный аспект характерен в целом для России. Отмечено (Клименко, 2005), что на всей территории страны региональное потепление за период 1980–1999 гг. (по сравнению с периодом 1911–1930 гг.) выражено в 2-3 раза сильнее, чем в среднем по планете. В. М. Котляков (2001) считает необходимым наряду с рассмотрением наложения антропогенных трансформаций климата на его естественные вариации, масштаб которых, по его мнению, всё ещё сильно превосходит влияния, обусловленные изменением облика поверхности Земли и эмиссией парниковых газов, учитывать также локальные модификации и региональные особенности климатических изменений. Материалы Стратегического прогноза Росгидромета (Материалы…, 2005) также показывают, что в условиях меняющегося климата, его проявления и воздействия на различные отрасли экономики и на условия жизнедеятельности носят ярко выраженный региональный характер. Помимо изменений среднегодовых температур, В. И. Данилов-Данильян отмечает (Климатические изменения…, 2003) возможность роста в каждом конкретном месте амплитуды колебаний локальной температуры, вызванного разбалансировкой всей климатической системы действиями человека. К следствиям такой разбалансировки, помимо потепления, он относит увеличение частоты и силы всевозможных погодноклиматических аномалий – засух, наводнений, ураганов, смерчей, резких выбросов температуры как вверх, так и вниз. Согласно глобальной климатической модели, рассчитанной с учётом перечисленных выше основных факторов, влияющих на климат, а также дополнительно приведённых факторов (Клименко, 2005), действительно, в эпоху современного потепления в XX веке уже имело место неравномерное отклонение средних температур: зимние температуры изменялись в большей степени, чем летние. Вопрос о «пользе» или «вреде» таких изменений остаётся дискуссионным. В качестве примеров 12 стоит отметить два важных опубликованных исследования, показывающих разнонаправленность «полезности» последствий климатических изменений. Так, одним из положительных экономических результатов потепления климата именно для России называется возможное более продолжительное, чем это могло бы быть сейчас, использование освобождающегося от многолетних льдов Северного морского пути. Такое освобождение от паковых льдов прогнозируется не позднее чем через 40–50 лет (Клименко, 2005). С другой стороны, большие потери могут быть связаны с таянием вечной мерзлоты, в условиях которой построены многие экономические, стратегические объекты и населённые пункты на Севере страны. Оттаивание насыщенных льдом пород будет сопровождаться просадками земной поверхности и развитием опасных мерзлотных (криогенных) геологических процессов – термокарста, термоэрозии, солифлюкции. Целые регионы с низкими абсолютными отметками поверхности окажутся затопленными морем. Начнётся массовое разрушение зданий и инженерных сооружений, построенных на мёрзлом грунтовом основании. При оттаивании льда из мерзлотных грунтов будет освобождаться большое количество содержащихся в них газов, особенно метана, который окажется в атмосфере, усиливая парниковый эффект (Павлов, Гравис, 2000 и др.). Проблему соотношения естественных и вызванных человеческой деятельностью климатических изменений нельзя считать решённой. Естественные колебания климата могут маскировать парниковый эффект. Вопрос упирается в степень чувствительности глобального климата к внешним воздействиям, к интенсивности прямых и обратных связей, многие из которых мало исследованы. Отсюда все прогностические модели климата содержат много неопределённостей, избежать которых при нынешнем уровне знаний невозможно (Трухин и др., 2000). Мало того, для климатической системы, из-за действия на неё большого ряда факторов, характерны нелинейность и стохастичность, что заставляет многих специалистов сводить задачу предсказания климата лишь к определению вероятностных функций распределения разных характеристик климатической системы в будущем, а не к прогнозу её эволюции (Оценочный доклад…, 2008а). Другие исследователи, развивающие систему прогнозирования погоды и климата «за пределами 13 детерминистических ограничений», полагают, «что важнейший аспект научного подхода должен заключаться в том, чтобы внимание в большей степени было сконцентрировано на изучении явлений и их развития, т. е. на поиске и восприятии музыки среди шума погодно-климатической системы» (Хоскинс, 2012). Современной наукой зафиксированы разномасштабные по времени колебания фактических и расчётных параметров, связанных с изменениями климата (температуры, концентрации CO2 в атмосфере и др.), полученных разными методами. Ниже приводятся построенные с использованием открытых баз данных известных международных исследовательских центров (названия указываются в тексте и подписях к рисункам) статистические модели с описанием изменений глобальной температуры как в прошлом (данные ледяных кернов), так и в настоящем (данные прямых инструментальных измерений), а также её связей с некоторыми факторами, в той или иной мере определяющими эти изменения. 1.2. Изменения глобальной температуры и их связь с орбитальными и циркуляционными факторами По предложению датского палеоклиматолога В. Дансгора, по содержанию в ледяных кернах стабильных изотопов 2Н и 18О относительно содержания наиболее распространённых изотопов 1 Н и 16О оказалось возможным реконструировать температуру условий образования льда из атмосферных осадков в конкретные моменты геологической истории. Метод подробно описан в 1964 г. (Dansgaard, 1964). Известны два крупных проекта исследования ледяных кернов в Антарктиде на станциях «Восток» (Vostok) и «Конкордия» (EPICA Dome C), охватывающих интервалы от 420 и 800 тыс. лет назад до настоящего времени (н. в.) соответственно (Petit et al., 1999; Jouzel et al., 2007). На рис. 1 в качестве примера приведены отклонения палеотемператур в Антарктике от среднего значения последнего времени, соответствующего относительной концентрации дейтерия –438 ‰ в ледяных кернах, остающейся постоянной на глубинах от 0 до 7 м (возраст льда от 0 до 129 лет). Расчёты выполнены по данным, находящимся в открытом доступе на сайте 14 Национального Климатического Центра Данных, США (National Climate Data Center, NCDC). 4 таTS Дель та TS , o C 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 400 300 200 100 0 Т ыся ч лет до настоя щего в р емени Рис. Рис. 1. Отклонения палеотемператур от современных значений (дельтаTS) по данным Petit et al., 1999 (Vostok): ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/antarctica/vostok/deutnat.txt На представленной диаграмме минимальные значения аномалий температур соответствуют максимумам оледенений (ледниковых эпох), пики наивысших значений относятся к межледниковьям (межледниковым эпохам). Причинами возникновения оледенений являются периодические изменения орбиты Земли – циклы Миланковича (Миланкович, 1939). Вместе с тем, почти все авторы, обсуждающие или развивающие и дополняющие теорию Миланковича, подтверждают, что учёт только орбитальных факторов не даёт полного представления о причинах климатических изменений, в том числе перечисленных выше. В. А. Большаков (2003), указав на «серьёзные противоречия» построений Миланковича эмпирическим данным, предложил новую концепцию для развития орбитальной теории палеоклимата. При этом он, обнаружив недостатки в палеоклиматической теории Миланковича, нашёл способ их устранения, выразившийся в построении орбитально15 климатической диаграммы, суммирующей нормированные значения эксцентриситета, наклона земной оси и взятой со знаком «минус» климатической прецессии. Эта новая версия орбитальной теории, как указывает её автор, требует для своего развития проведения исследований, направленных на получение эмпирических данных, особенно по континентальным отложениям, построение климатических моделей и установление механизмов обратных связей, преобразующих рассматриваемые инсоляционные сигналы в глобальные климатические изменения. Названные «ледяные» модели имеют дело с климатическими циклами продолжительностью в десятки и сотни тысяч лет, которые «разбавляются» более частыми осцилляциями. Показано (Jouzel et al., 2007), что 19 из 25 выделенных осцилляций Дансгора-Эшгера, характерных для самого последнего оледенения плейстоцена (валдайского), зафиксированных при изучении ледяных кернов Гренландии (Greenland Ice Core Project, GRIP), повторяются в «антарктических изотопных максимумах» (Antarctic Isotope Maxima). Отмечено, что значения температурных отклонений событий Дансгора-Эшгера часто составляют более 4 °C (до 16 °C), а антарктических максимумов – не превышают 2 °C. Как полагают М. Бендер и др. (Bender et al., 1994), впервые предложившие синхронизацию больших ледниковых событий Гренландии и Антарктики, эти тысячелетние по масштабу колебания могли быть индуцированы резкими изменениями Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (АМОЦ). Предположительно эти изменения сначала приводят к медленным потеплениям и похолоданиям в Южном океане и Антарктике, а затем к более резким колебаниям в Гренландии. Важность изучения АМОЦ для современного, палео- и будущего климата ещё раз подтверждена недавно Американским Метеорологическим Обществом (Srokosz et al., 2012). Самое большое (по данным ледяных кернов Антарктики до –9,4 °C) отклонение температур от современных значений приходится на 24,4 тыс. лет до н. в. (рис. 1, 2). Примерно через 6 тыс. лет началось постепенное потепление палеоклимата с переходом к межледниковью в конце поздневалдайского (осташковского) оледенения – около 11,5–10,5 тыс. лет назад. Переход от одной эпохи (плейстоцен) четвертичного периода к другой (голоцен) ознаменовался внезапно начавшимся около 16 14,5–14,0 тыс. лет назад похолоданием, максимум которого пришёлся примерно на 12,7 тыс. лет до н. в. (стрелки на рис. 2). При этом гренландский спектр осложнён сразу несколькими нарушающими общую тенденцию роста палеотемператур интенсивными пиками снижения в интервале 14,5–11,4 тыс. лет назад – максимально на 11,2 °C за 500 лет, 7,6 °C за 370 лет, 9,1 °C за 330 лет и 3,6 °C за 150 лет. В Антарктике, судя по представленной на рис. 2 диаграмме, наибольшее падение палеотемпературы в это геологическое время составило 2,2 °C за 460 лет, а некоторые пики просто оказались сглаженными. Причинами таких различий могло быть поступление в Атлантический океан больших масс холодной воды от таявших в Антарктике ледников в условиях противофазы южного и северного полушарий – Антарктический холодный реверс (Blunier et al., 1997). Кроме того, существует гипотеза о том, что похолодание в позднем дриасе вызвано падением на Землю 12,9 тыс. лет назад крупного космического тела (Israde-Alcántara et al., 2012). 10 -30 Гренландия (T, oC) R2 = 0 , 8 5 -40 -50 oC 0 T, Д ел ьтаT S, oC 5 Антарктика (дельтаTS, дельтаTS, oC) -5 -60 R2 = 0 , 9 4 -70 Похолодание в позднем дриасе -10 -80 50 40 30 20 10 0 Т ысяч лет до н аст о ящег о вр емен и Рис. Рис. 2. Отклонения палеотемператур от современных значений в Антарктике по данным Petit et al., 1999 (Vostok) и реконструированные температуры в центральной Гренландии по данным Alley, 2000 (GISP2): ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/greenland/summit/gisp2/isotopes/ gisp2_temp_accum_alley2000.txt 17 Для интервала от 50 тыс. лет назад до н. в. применение полиномов 4-й, 5-й и 6-й степеней даёт уход линии тренда в область уменьшающихся значений температурных параметров с середины голоцена до н. в. (рис. 2). Полиномы 2-й и 3-й степеней, напротив, показывают тенденцию повышения, сохраняющуюся на протяжении времени, начиная от 35–33 тыс. лет назад до н. в. (рис. 3). Однако следует отметить, что полиномиальные линии трендов на рис. 3, несмотря на относительно высокие значения коэффициентов детерминации, слабо отражают, в отличие от аналогичных линий на рис. 2, существование поздневалдайского оледенения (примерно 33–11 тыс. лет назад), а также не отражают изменения в голоцене. Таким образом, сравнивая рис. 2 и 3, можно заключить, что естественный ход эволюции климата, зафиксированный в ледяных кернах в масштабе десятков тысячелетий, сводится в голоцене сначала к росту температурных показателей, а в дальнейшем – к их уменьшению, что видно на рис. 2. 10 -30 -40 R 2 = 0,77 -50 0 -60 T, o C таTS Дель та TS , o C 5 2 R = 0,80 -5 -70 -10 -80 50 40 30 20 10 Т ыся ч лет до настоя щего в р емени 0 Рис. Рис. 3. Применение полинома 3-й степени для сглаживания линий, перенесённых с рис. 2 Температурные модели в масштабе тысячелетий, построенные на рис. 4, демонстрируют, между тем, различие антарктического и гренландского трендов в голоцене. Отличие 18 приведённых на данном рисунке величин коэффициентов детерминации друг от друга связано с разной частотой разброса значений температурных параметров. При этом гренландская модель в целом адекватна описываемым изменениям, поскольку точность аппроксимации в ней является удовлетворительной. Напротив, точность аппроксимации в антарктической модели недостаточна, и, таким образом, эта модель адекватной не является. 5 -30 4 2 -34 -38 R 2 = 0,29 1 -42 T, o C таTS, TS, o C Дель та R 2 = 0,89 Гренландия (T, oC) 3 0 -46 -1 -2 -50 Антарктика (дельтаTS, дельтаTS, oC) -3 -54 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Т ыся ч лет до настоя щего в р емени Рис. Рис. 4. Отклонения палеотемператур в конце плейстоцена – голоцене от современных значений по данным источников, указанных на рис. 2; сглаживание полиномом 6-й степени Имеющийся на рис. 4 в последнем тысячелетии положительный тренд значений аномалий температур Антарктики связан с повышением этих значений в интервале 211–129 лет назад и до н. в. в среднем на 0,35 °C. Исключение из построений всех определений аномалий температур в образцах льда с глубины до 10 м, т. е. с возрастом 190 лет и моложе, приводит к выполаживанию графика полинома (указано стрелкой на рис. 4). В Гренландии в последние 2 тыс. лет наблюдалось общее отчётливое снижение температуры, составившее 2 °C (при этом за последнюю 1 тыс. лет температура понизилась примерно на 0,9 °C). В интервале 200–95 лет назад (последнее значение 19 температуры в Гренландии определено для слоя льда, датированного возрастом 95,1 лет до момента отбора керна) произошло потепление на 0,44 °C. На рис. 2 и 4 при адекватности выбранных моделей в целом хорошо отражается похолодание субатлантического периода. При рассмотрении отдельных отрезков полиномиальных кривых, в интервале начиная примерно от 200 лет до времени отбора ледяных кернов, фиксируется старт повышения температуры приземной атмосферы в индустриальную эпоху. Результаты прогноза изменений глобальной температуры и уровень его неопределённости в статистических моделях, как это видно по рис. 2–4, могут зависеть от выбора интервала времени наблюдений, за который берутся данные. То же самое мы наблюдаем и на рис. 5, на котором эмпирические данные за столетний интервал (1880–1980), в случае аппроксимации кривой фактических отклонений полиномами 5-й и 6-й степеней, казалось бы, должны свидетельствовать о возможном очень значительном и резком росте положительных отклонений температуры в течение нескольких лет. Но такое радикальное увеличение не подтверждается более поздними измерениями, и дальнейший рост, хотя и продолжаясь довольно быстро, тем не менее, «растягивается» на десятилетия (рис. 5). Выборки с бόльшим числом наблюдений снижают коэффициент неопределённости (1–R2), но дают отличающиеся результаты прогноза для кривых аппроксимации полиномами 5-й и 6-й степеней соответственно (рис. 5). В первом случае попрежнему наблюдается тенденция роста, но с уменьшением угла наклона к оси абсцисс, а во втором – понижение вплоть до ухода кривой в область отрицательных отклонений. Таким образом, характер представленных на рис. 5 трендов при их совместном рассмотрении может указывать на замедление темпов современного глобального потепления. В условиях неопределённости прогнозов аномалий глобальной температуры из-за возможного наложения парникового эффекта на процесс естественного похолодания целесообразно привлекать данные об изменении концентраций в атмосфере парниковых газов. Это позволяет, в том числе, выявлять и учитывать эффекты некоторых прямых и обратных связей, приводящих в итоге к наблюдаемым климатическим изменениям. 20 1,1 0,9 o Дельта ДельтаT, T, oC 0,7 0,5 R2 = 0,83 R2 = 0,73 1-3 – тренды полиномов 6-й степени; 1'–3' – тренды полиномов 5-й степени Прогноз на 11 лет вперёд по данным за периоды: 1, 1' – 1880–2011; 2, 2' – 1880–2000; 3, 3' – 1880–1980 R2 = 0,73 3' R2 = 0,88 2' 1' 3 0,3 2 1 0,1 R2 = 0,85 -0,1 -0,3 R 2 = 0,90 -0,5 1880 1900 1920 1940 1960 Годы 1980 2000 2020 Рис. Рис. 5. Варианты прогноза отклонений мировой температуры над сушей и океаном от среднего за 1901–2000 гг. по данным прямых измерений за 1880– 2011 гг. Значения отклонений температуры (дельтаT) представлены NCDC: ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/anomalies/annual.land_ocean.90S.90N.df_19012000mean.dat (на 20.10.2012) 1.3. Изменения концентраций парниковых газов (CO (CO2, CH4) в атмосфере как фактор влияния на глобальную температуру Очень точные соответствия кривых колебаний концентраций CO2 и CH4 в атмосфере и аномалий температур установлены по данным ледяных кернов Антарктики в интервале от 420 тыс. лет назад до н. в. (Petit et al., 1999). Позднее интервал, характеризуемый указанными закономерностями, был расширен до 800 тыс. лет (обобщено Lüthi et al., 2008). Отмечается, что во время тёплых межледниковий максимальные уровни концентраций парниковых газов в интервале от 420 тыс. лет назад по н. в. (исключая современную индустриальную эпоху) достигали 300 объёмных частей на миллион (ppm) СО2 и 780 объёмных частей на миллиард (ppb) СН4. В интервале 800–420 тыс. лет назад максимальное содержание СO2 в атмосфере не 21 превышало 260 ppm, СН4 – 740 ppb (Lüthi et al., 2008; Loulergue et al., 2008 и др.). Все эти значения оказались гораздо ниже современного уровня (конца второго – начала третьего тысячелетий) – 360 ppm СО2 (Petit et al., 1999) и 1770 ppb СН4 (Petit et al., 1999; Loulergue et al., 2008). 0,7 0,5 2011 y = 0,01x - 2,88 R 2 = 0,85 1959 таT, T, o C Дель та 0,3 0,1 -0,1 -0,3 -0,5 310 320 330 340 350 360 CO 2 , p p m 370 380 390 400 Рис. Рис. 6. Линейная связь между концентрацией CO2 в атмосфере за 1959–2011 гг. по данным обсерватории Мауна Лоа, NOAA/ESRL: ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_annmean_mlo.txt и отклонением мировой температуры по данным NCDC как на рис. 5. Во врезке – график Килинга, опубликованный на сайте ESRL: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/#mlo_data В настоящее время глобальная концентрация CO2 в атмосфере, по данным Earth System Research Laboratory (ESRL), ещё более увеличилась и достигла 392 ppm (рис. 6). Скорость накопления CO2 за период 1959–2011 гг. в среднем составила 1,45 ppm/год, за период 2000–2011 гг. – 1,84 ppm/год. Рис. 6 свидетельствует о том, что если в настоящее время имеет место тенденция к замедлению темпов глобального потепления (см. рис. 5 и описание выше), то, очевидно, что это 22 замедление не может быть следствием наблюдаемого быстрого роста концентрации СO2 в воздушном пространстве Земли – это противоположно направленные процессы. Дискуссионной является проблема очерёдности изменений глобальной температуры и концентраций CO2 в атмосфере. Некоторые авторы (Сорохтин, 2001; Monnin et al., 2001; Сорохтин, Ушаков, 2002; Loulergue et al., 2007) на основании изучения «ледяных» спектров, полученных на станции «Восток», посчитали, что кривая концентраций CO2 отстаёт по времени от кривой аномалий температур, хотя Л. Лулерг с соавторами (Loulergue et al., 2007) и заключили, что лаг между этими параметрами 800+600 лет для последней дегляциации (около 18 тыс. лет до н. в.) завышен. Ошибка позиции, позволяющей считать увеличение концентрации CO2 в атмосфере только следствием, а не причиной роста глобальной температуры, может быть связана с различиями возрастов льда (ice age) и пузырьков газа, которые в нём заключены (gas age). Известно, что во втором случае шкала возраста на диаграммах для кривой концентрации CO2 сдвигается в связи с наличием периода замыкания пузырьков воздуха в процессе превращения фирна в лёд (Котляков, 1992). Кроме того, при изучении таких соотношений, по возможности, следует применять модели большего разрешения, нежели применены для CO2-записей (Monnin et al., 2001). Другой версией является признание того, что изотопные (температурные) параметры, полученные из ледяных кернов, носят «местный» (региональный) характер, в то время как концентрации CO2 – глобальный. Новейшие оценки (Shakun et al., 2012) свидетельствуют, что для последнего перехода от оледенения к межледниковью, который начался около 18 тыс. лет назад, имеются различия в соотношениях концентрации CO2 и потепления. И это, как будет видно в дальнейшем, является основанием для возвращения к учёту орбитальных и циркуляционных факторов, которые, согласно данной версии, воздействуя на климат, запускают механизм прямых и обратных связей, и в котором, в конечном итоге, ведущая роль отводится атмосферному CO2. Предполагается, что этот механизм действует следующим образом. Начало потепления не вызвано CO2, а явилось следствием орбитальных изменений, т. е. циклов Миланковича. Это 23 потепление, судя по данным 80 записей, полученных на основании изучения не только кернов льда Гренландии, но и отложений со дна океана и континентальных озёр в разных регионах (Martin et al., 2005), началось около 19 тыс. лет назад в северных средних и высоких широтах. В результате в ледниках северного полушария растаяло некоторое количество льда, что привело к поступлению пресной воды в океаны. Этот поток пресной воды нарушил АМОЦ, что вызвало, в свою очередь, перераспределение тепла между полушариями планеты (известно как эффект «климатических качелей»). Потепление в южном полушарии началось около 18 тыс. лет назад. По мере нагревания Южного океана, растворимость СО2 в воде падала (Stott et al., 2007). Это инициировало дегазацию океана и активное поступление растворённого в нём CO2 в атмосферу, начиная примерно с 17,5 тыс. лет назад до н. в. Увеличение концентрации быстро распределяемого в атмосфере CO2 привело к повышению глобальной температуры. Данные тропических морских отложений показывают потепление в тропиках примерно через 1 тыс. лет после антарктического, что примерно соответствует времени роста уровня СО2 (Stott et al., 2007). В целом более 90 % потепления при входе в текущее межледниковье происходит вслед за повышением уровня СО2 и только в 6 % случаев температура опережает рост его концентрации (Shakun et al., 2012). В дополнение следует отметить, что кроме орбитальных причин на начало процесса потепления могло повлиять осаждение под действием гравитации и вымывание пыли, поступившей в земную атмосферу из вулканических, космических и иных источников. 1.4. Связь глобальной температуры с запылённостью атмосферы Известно, что глобально распространяющаяся в атмосфере Земли космическая, вулканическая, пустынная и техногенная пыль, как и облака, повышают альбедо, что приводит к охлаждению поверхности планеты. Для антарктической станции «Восток» получены данные о содержании пыли в ледяных кернах за интервал 420–4,5 тыс. лет назад (Petit et al., 1999). Эти данные и данные об аномалиях антарктических температур использованы на рис. 7 для 24 5 4 4 0 3 -4 2 -8 1 -12 0 -16 400 300 200 100 та TS , o C Д ел ь таTS К о нцентр ация пы л ии,, p p m построения диаграммы изменений соответствующих параметров. Число определений в выборке должно было совпасть с количеством образцов, использованных для изучения концентраций пыли. Для этого количество представленных в международной базе данных определений аномалий температур предварительно сокращено без ущерба для построения диаграммы и дальнейших расчётов. 0 Т ыся ч лет до настоя щего в р емени Рис. Рис. 7. Отклонения палеотемператур от современных значений (верхний спектр) и концентрация пыли (нижний спектр) в ледяных кернах по данным Petit et al., 1999 (Vostok); использовано по 506 значений каждого параметра Для интервала 208–4,5 тыс. лет назад авторы (Petit et al., 1999) использовали одни и те же образцы (указана одна и та же глубина отбора ледяных кернов) для определения как концентраций дейтерия, так и концентраций пыли. В более поздние интервалы смещения между определениями параметров составили от 50–120 лет (325–208 тыс. лет назад) до 200–270 лет (421,5–330 тыс. лет назад). При всех расчётах и построениях эти незначительные расхождения не повлияли на полученные результаты (рис. 7, 8). Из рис. 7 видно точное соответствие всех максимумов значений концентраций пыли снижениям аномалий температур. В 25 периоды межледниковий, очевидно, запылённость атмосферы была минимальной. 14 409,761-4,509 тыс. лет 208,061-4,509 тыс. лет Степенной (208,061-4,509 тыс. лет) Степенной (409,761-4,509 тыс. лет) таTS дель та TS +10, o C 12 10 Отклонения вблизи максимума М икулинского межледниковья 8 6 y = 1,95x- 0 , 4 0 R 2 = 0,63 4 y = 1,98x- 0 , 3 8 R 2 = 0,63 2 0 0,0 0,5 1,0 Концентр ация пыли, пыли , p p m 1,5 Рис. Рис. 8. Соотношение концентраций пыли и аномалий температур по данным ледяных кернов (Petit et al., 1999); значения аномалий температур увеличены на 10 для ухода от отрицательных значений; кривые степенной функции для представленных интервалов времени практически совпали Связь между концентрациями пыли и аномалиями температур лучше всего описывается степенной функцией (рис. 8). Построенная модель может свидетельствовать о достаточно высокой чувствительности палеотемператур к присутствию в атмосфере взвешенных частиц в области их относительно низких концентраций. Возможно, что попадание больших количеств пыли в земную атмосферу вызвало не только усиление похолоданий – в основном в конце оледенений, но и косвенно повлияло на дальнейшее потепление в силу комбинации обратных связей: осаждение пыли из атмосферы за счёт гравитации приводит к началу нового роста глобальной температуры. Усиливающиеся в результате потепления осадки всё быстрее вымывают пыль из воздушного пространства, в атмосферу из океана поступают дополнительные 26 порции CO2, и рост глобальной температуры продолжается с новой силой. Идёт резкий разгон климатических изменений. Отклонения от общей зависимости наблюдаются, например, вблизи температурного максимума Микулинского межледниковья (129,4–122,3 тыс. лет назад). Однако подобные исключения в целом не нарушают общую закономерность, отражающую важную роль пыли в процессах изменений климата в прошлом. 1.5 1.5. Влияние солнечной солнечной активности на температурные изменения Изменения климата и глобальной температуры в большей или меньшей степени также связывают с вариациями солнечной активности (Hoyt, Schatten, 1997; Bond et al., 2001 и др.). 400 350 числа Вольфа (W) аномалии температуры 0,6 R 2 = 0,90 0,4 Числа Воль фа (W) 0,2 250 0,0 200 R 2 = 0,17 150 -0,2 -0,4 100 -0,6 50 -0,8 0 -1,0 1880 1900 1920 1940 1960 1980 температуры , o C Аномалии температуры, 300 2000 Г оды Рис. Рис. 9. Аномалии глобальной температуры (по данным рис. 5) и вариации солнечной активности (по данным R. A. M. Van der Linden and the SIDC team: http://sidc.oma.be/DATA/yearssn.dat) за 1880–2011 гг.; аппроксимация полиномами 6-й степени Как видно на рис. 9, только некоторые максимумы 11-летних циклов солнечной активности и аномалий глобальной 27 температуры совпадают. Линия температурного тренда примерно с середины 1970-х гг. резко стремится в область бόльших значений, а линия тренда солнечной активности долгое время остаётся субпараллельной оси абсцисс, а потом уходит вниз из-за влияния краевой части интервала наблюдений. В последнем случае точность аппроксимации очень низкая и недостаточна для описания динамики сглаженных индексов солнечной активности в данном временном интервале с выходом на отчётливые солнечные циклы более высокого, чем 11-летние, порядка (например, 80- или 110-летние). Вместе с тем, именно более длиннопериодные циклы на определённых этапах развития климата могут быть ответственны за изменения глобальной температуры. Вероятнее всего, в текущем 24-м солнечном цикле такое влияние будет с известной долей условности подтверждено или опровергнуто. По заключению специальной группы Центра прогнозирования космической погоды Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) интенсивность текущего солнечного цикла будет ниже средней, а максимум числа солнечных пятен составит 90 (http://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle/SC24/index.html). Отсутствие связи между значениями солнечной активности и аномалий глобальной температуры, достаточной для получения адекватной статистической модели для погодовых измерений, показано на рис. 10. При попытке установления такой связи только для максимумов 11-летних циклов в рассматриваемом временном интервале между указанными значениями появляется значимая положительная корреляционная связь (r = 0,62 при rкрит. = 0,58 для P = 95 % и f = 10). Эта корреляционная связь ещё более усиливается в случае исключения из выборки максимума интенсивности 23-го солнечного цикла (2000 г.): r = 0,74 при rкрит. = 0,60 для P = 95 % и f = 9). Исходя из приведённых выше сведений и построений, можно заключить, что в настоящее время статистических данных для вывода о влиянии солнечной активности на наблюдаемое изменение климата Земли недостаточно. С учётом приведённого выше прогноза Центра прогнозирования космической погоды в текущем 24-м солнечном цикле глобальная температура для подтверждения связи этих двух параметров (в значениях максимумов 11-летних циклов) должна понизиться примерно на 0,6 °C. То есть, значение температуры должно вернуться к 28 среднему за 1901–2000 гг., что маловероятно, прежде всего, из-за продолжающегося накопления в земной атмосфере CO2 и других парниковых газов. 1,0 y = 0,00x - 0,04 R2 = 0 , 0 3 Д ел ьтаT , o C 0,6 0,2 -0,2 -0,6 0 40 80 120 160 200 W Рис. Рис. 10. 10. Разброс точек в координатах «числа Вольфа – аномалии глобальной температуры» для временного интервала 1880–2011 гг. В общее потепление климата могут вносить коррективы циркуляционные процессы в атмосфере и океане, а также увеличение запылённости воздушного пространства Земли (Плахина и др., 2007; Mahowald et al., 2010; Астафьева и др., 2012 и др.). Однако соответствующие события, имевшие место в последние три десятилетия (фаза Ла-Нинья Южного колебания в 2011, 2008, 2000 и 1989 гг., пустынные бури в Северной Африке и на Ближнем Востоке/Центральной Азии в 1980-х гг., извержения вулканов Пинатубо в 1991 г., Эль-Чичон в 1982 г. и др.), вызывали лишь временные похолодания. Причём за этот промежуток времени до 2000 г. температура, по сравнению со средними значениями двух независимых от других явлений, кроме изменения концентрации CO2, соседних лет, понижалась на 0,10–0,22 °C, а после 2000 г. – только на 0,07–0,08 °C. 1.6 1.6. Особенности региональных региональных климатических изменений изменений и их влияние на колебания уровня Белого Белого моря Таяние льдов Арктики под влиянием глобального потепления имеет разноплановое значение для климата Северо-Запада 29 России. Арктический ледяной покров является одной из важных составляющих климатической системы, сокращение его площади ведёт к уменьшению альбедо и, соответственно, усилению потепления климата планеты, Северного полушария, арктических и приарктических областей (эффект положительной обратной связи). С другой стороны, поступление в Северный Ледовитый океан холодной воды, образующейся за счёт таяния льда в летний период, может частично компенсировать температуру приходящих в Арктику тёплых течений и сдерживать таким образом процесс потепления или даже вызывать временное похолодание на больших пространствах (эффект отрицательной обратной связи). 2,2 1,8 3 2 R 2 = 0,16 1 Дел ь та таT T гл о б . , o C 0 1,0 -1 0,6 -2 -3 0,2 R 2 = 0,90 -0,2 -4 -5 -0,6 1880 та T " К е м ь - п о р т " , o C Д ел ь таT 1,4 -6 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Годы Рис. Рис. 11. Колебания аномалий температур на станции «Кемь-порт» (верхний спектр) и аномалий глобальной температуры (нижний спектр) относительно средней температуры за 1901–2000 гг.: данные по Карелии по http://www.meteo.ru/climate/temp.php; данные по планете как на рис. 5. Недостающие среднемесячные данные для расчёта среднегодовых температур по станции «Кемь-порт» (январь–февраль 1940, июль–август 1941, апрель, сентябрь 2002 гг.) рассчитаны как средние сумм среднемесячных аномалий температур за 5 предшествующих и 5 последующих лет наблюдений 30 Район Белого моря по данным наблюдений за 1880–2011 гг. отличается от глобальных тенденций бόльшими колебаниями значений аномалий температур (рис. 11) и более быстрыми темпами потепления в последние десятилетия. Так, средние значения аномалий температур за интервал 2002–2011 гг. в районе Белого моря по разным станциям («Кемь-порт», «Онега», «Архангельск») составили 1,1–1,3 °C, по Северному полушарию – 0,68 °C, в целом по планете – 0,60 °C. Между значениями общепланетарных и осреднённых по трём названным станциям беломорских аномалий температур, полученным за период 1887–2011 гг., существует значимая умеренная корреляционная связь (r = 0,33 при rкрит. = 0,18; P = 95 %, f = 123). Для среднегодовых аномалий температур, рассчитанных из среднемесячных их значений для Северного полушария, эта связь немного сильнее (r = 0,37). Разница в темпах потепления района Белого моря и планеты, как сказано выше, может возникать из-за снижения альбедо в результате сокращения ледяного покрова Арктики, что быстрее сказывается на изменениях в северном регионе. Это, вероятно, происходит, несмотря на поступление в океан талой воды, которая могла бы в какой-то степени сдерживать разогревание. В сделанном несколько ранее оценочном докладе об изменениях климата и их последствиях для России (Оценочный доклад…, 2008б) отмечается, что в районе Белого моря в целом хорошо выражен положительный тренд температуры воздуха, климат становится более влажным. Речной сток в море также имеет заметную тенденцию к увеличению. Вследствие современного изменения климата температура поверхности моря повысилась, произошло некоторое опреснение вод, уменьшилась ледовитость моря, увеличилась продолжительность периода с температурой воды выше точки замерзания. Современное повышение среднегодового уровня Белого моря наблюдается с конца 1970-х – начала 1980-х гг. С этого времени оно составило 10–12 см. В отличие от названных последствий текущего глобального потепления, палеогеографические исследования голоцена, наоборот, показывают (рис. 12) быструю регрессию Белого моря во временном интервале 9,5–8,5 тыс. С14-лет назад со скоростью перемещения береговой линии примерно 3,5–10,0 см/год. С 8,5 до 6,0 тыс. С14-лет назад скорость регрессии замедляется и 31 составляет около 0,7 см/год, а затем примерно 6,0 тыс. С14-лет назад вновь резко возрастает до 3 см/год. Позже скорость перемещения береговой линии в исследуемом районе составила примерно 0,3 см/год. Рис. Рис. 12. Кривая относительного перемещения береговой линии Белого моря в районе пос. Кузема по данным изучения донных осадков 8 современных озёр (по: Колька и др., 2011). Сплошная линия – для радиоуглеродного возраста, точки – для калиброванного календарного возраста Резкие колебания, отмеченные в течение рассмотренного времени, как выявлено в предшествующих совместных исследованиях (Колька и др., 2011), могут свидетельствовать о локальном проявлении в районе Белого моря неотектонических движений. Эти движения связываются с гляциоизостазией, характерной почти для всей территории Фенноскандии, эвстатическим понижением уровня моря и собственно тектонической составляющей в тектонически-активном Кандалакшском грабене. Так, по данным А. С. Балуева и др. (2009), тектоническая впадина современного Кандалакшского 32 залива наследует и возрождает рифейский грабен, о чём свидетельствуют активные опускания Онежско-Кандалакшского палеорифта в новейшее время. Современная динамика увеличения объёма воды в Белом море превышает интенсивность зафиксированных в исследуемом районе (Николаев, 1966; Лукашов, 1976; Геология Карелии, 1987; Гидрометеорология…, 1991 и др.) тектонических движений: восходящих (некоторые прибрежные и островные участки) со скоростью за период 1921–1980 гг. в пределах 0,04–0,5 см/год (Гидрометеорология…, 1991) и, вероятно, продолжающихся нисходящих (дно моря, прежде всего, Кандалакшский грабен). Таким образом, наблюдаемый подъём уровня моря связан не с геологическими причинами, а с последствиями изменения климата – повышением температуры воды, таянием ледяного покрова, увеличением водного стока с континента. Ряд авторов (Климат Карелии…, 2004; Белое море…, 2007 и др.) на основании некоторых сценариев предлагали прогнозные расчёты изменения климатических параметров и элементов водного баланса Республики Карелия. По этим сценариям предусматривалось в одном случае удвоение концентрации CO2 в земной атмосфере к 2100 г. (G), в другом – дополнительное влияние на тепловой баланс аэрозолей антропогенного происхождения (GA). Для территории Карелии при реализации указанных сценариев норма годовой температуры воздуха возрастёт в 1,3–1,5 раза, годовое количество осадков по отношению к норме за 1950–1999 гг. увеличится всего на 1–2 %, а суммарное испарение – на 10–13 %. Исходя из данных значений, изменение стока рек Карелии к 2050 г. может уменьшиться на 3–8 %. Для района Белого моря, исходя из дальнейших расчётов по этим же сценариям изменений глобального климата (Белое море…, 2007 и др.), норма температуры воздуха возрастёт к 2050 г. на 1–2°С или в 3–5 раз по сравнению с периодом 1950–2000 гг., годовое количество осадков увеличится на 5–20 %. Вследствие более интенсивного роста суммарного испарения с водосбора Белого моря (на 14–30 %) возможно снижение суммарного притока в море с его водосбора на 30–36 %. К настоящему времени годовое количество осадков вблизи побережья Белого моря увеличивается почти повсеместно. В том числе, в среднем за 2007–2011 гг. по сравнению с периодом 2002– 33 2006 гг. зафиксирован рост по станциям: «Кемь-порт» – на 11,1 %, «Онега» – 8,2 %, «Архангельск» – 5,5 %, «Кандалакша» – 3,9 %, «Мезень» – 3,0 %, «Каневка» – 1,7 %, «Краснощелье» – 1,3 %. Снижение этого показателя наблюдается лишь на границе Белого и Баренцева морей (станция «Канин Нос») – примерно на 23 % (с учётом реконструкции некоторых выпадающих среднемесячных значений за 2002, 2008 и 2010 гг. – 4, 3 и 2 значения соответственно). В упомянутом выше докладе (Оценочный доклад…, 2008б) сказано, что в вековом ходе температуры (1905–2005 гг.), значения которой усреднены по 30 станциям, расположенным севернее 60° с.ш., прослеживается колебание с периодом около 60 лет. Вклад этого колебания в изменчивость среднегодовой температуры максимален в приатлантической Арктике, что указывает на определяющую роль Северной Атлантики в его формировании (Оценочный доклад…, 2008б и др.). Вместе с тем данные для более длительного периода показывают (рис. 13), что на район Белого моря, действительно, могут оказывать влияние колебания с периодом около 60 лет. И если принять во внимание проявление цикла, близкого к 60-летнему, то, возможно, что в ближайшие несколько лет здесь в ряде мест будет наблюдаться некоторое снижение аномалий температур, идущее на фоне общего межвекового потепления. Максимум похолодания к 2020 г. в среднем за десятилетие может составить до 0,1–0,2 °C (по станциям «Кемь-порт» и «Онега»). При сохранении же общей тенденции потепления рассчитанная за 2011–2020 гг. средняя аномалия температуры в районе Белого моря может возрасти на величину от 0,6 °C (по станции «Онега») до 2,0 °C (по станции «Кемь-порт») по сравнению с нынешними значениями. Таким образом, для района Белого моря можно отметить две противоположно направленные тенденции. Первая связана с влиянием общего потепления, снижающего альбедо в результате таяния льдов в Арктике, что приводит к более стремительному повышению температуры, чем это имеет место в целом на планете и в Северном полушарии, вторая – с периодическими колебаниями среднегодовой температуры, замедляющими достаточно высокие темпы регионального потепления и требующими дальнейшей оценки. Поступление холодной воды в результате таяния арктических льдов, по всей видимости, пока 34 имеет не столь определяющее значение. Однако эта талая вода является ещё и пресной, что, как полагают, при определённых обстоятельствах может сказаться на режиме термогалинной циркуляции в районе Северной Атлантики. 1,5 1,15 o C 1,0 таT T 10, oC Дель та R 2 = 0,83 0,5 0,0 R 2 = 0,57 -0,5 -1,0 1870 1900 1930 1960 1990 2020 Годы Рис. Рис. 13. Прогноз изменения аномалий температур на станции «Кемь-порт» методом скользящего среднего с интервалом 10 лет. Данные для расчёта получены из источника, указанного на рис. 11. Сплошная линия – аппроксимация полиномом 6-й степени, пунктирная линия – прямая При дальнейшем изучении проблем, связанных с колебанием уровня моря, необходимо учитывать комплексные прогнозные оценки, включающие все основные параметры, характеризующие изменения температур, элементов водного баланса, динамику ледового покрова. Основной вывод, который вытекает из представленных в настоящей главе климатических исследований, заключается в признании факта отличия климатических тенденций в современную техногенную эпоху от характера изменений климата прошлых тысячелетий. Все естественные процессы, влияющие на 35 состояние климатической системы, в последнее время всё менее и менее определяют состояние этой системы, отдавая пальму первенства антропогенным факторам, прежде всего, концентрации в земной атмосфере парниковых газов. Результаты воздействия естественных процессов и явлений, вносящих коррективы в общую тенденцию потепления и наблюдаемых сегодня, временны и не могут выступать в качестве сдерживающего фактора без серьёзной перестройки самой климатической системы или влияния внешних катастрофических причин. Вместе с тем перестройка климатической системы или отдельных её компонентов (например, высокоширотных ледяных щитов планеты) может и не повлиять на процесс потепления из-за преобладания положительных обратных связей над отрицательными. Поэтому крайне «невыгодным» способом защиты экосистемы планеты остаётся воздействие (природное и социально-политическое) на современную цивилизацию. Природное воздействие заключается в ответной реакции окружающей среды на «давление жизни» в той технооснащённой форме, которая существует в настоящее время, вплоть до исчезновения такой теперь уже составляющей климатической системы как современная цивилизация. Социально-политическое воздействие заключается в поиске цивилизацией способов и мер предотвращения будущей катастрофы при всех необходимых затратах на этот процесс. С теоретических и практических позиций такой поиск должен сводиться к изучению возможностей сокращения поступления в атмосферу Земли парниковых газов с учётом временного характера сдерживающих потепление естественных короткопериодных факторов и невозможности влияния в настоящее время и в обозримой перспективе на изменение климата долгопериодных циклов. Решения на региональном уровне должны приниматься как с учётом изменений климата, так и перестройки под их влиянием экосистем. Например, с современной динамикой Белого моря могут быть связаны дальнейшие шаги по развитию экономики, расселению, сохранению биологического и экосистемного разнообразия. «Деформации» климата становятся серьёзными причинами экологических изменений, которые необходимо изучать и учитывать в числе других факторов экологического риска. ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ГЕОХИМИЧ ЕСКИЕ ФАКТОРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ В РЕСПУБЛИКЕ КАРЕЛИЯ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ Воздействие геохимических факторов на приповерхностные части литосферы создаёт предпосылки для формирования экологических рисков в пределах отдельных районов и территорий, что, несомненно, должно научно оцениваться и прогнозироваться. Настоящая глава посвящена геохимическим аспектам экологических рисков, наиболее характерным для Республики Карелия. Подробнее данная тематика изучалась ранее (Рыбаков, 2006, 2008). Ниже даётся краткий обзор, вносятся некоторые корректировки. Вначале сделаем несколько вводных замечаний об экологических рисках. 2.1. Некоторые общие замечания об экологических рисках исках В настоящей работе принято, что формирование экологических рисков подразделяется на два основных этапа: 1) формирование рисков воздействия неблагоприятных факторов на окружающую среду; 2) формирование рисков воздействия изменённой окружающей среды на биоту, включая риски здоровью человека (рис. 14). «Базовые» риски: 1–1 градостроительные, социальноэкономические, прочие Риски воздействия природных факторов на окружающую среду 2–1 1–2 Риски воздействия антропогенных факторов на окружающую среду Риски воздействия на биоту, включая риски здоровью человека 2–2 Рис. Рис. 14. Принципиальная модель взаимосвязи разнообразных рисков, (по: Рыбаков, 2008, с изменениями и дополнениями): узлы 1–1, 2–1, 1–2, 2–2 отражают моменты возникновения источника опасности 37 В первой группе рисков исследователя, как правило, интересуют воздействия, ведущие к изменению (разрушению) окружающей среды и, как следствие, потере экологического потенциала для живых организмов. Переход на следующий уровень совокупности рисков осуществляется при изучении воздействия изменённой окружающей среды на живые организмы и их сообщества. Это отличие второй группы рисков от первой прямо вытекает из определения экологического риска как вероятности развития у биоты, включая человека, каких-либо отклонений, влекущих за собой ущерб состоянию (здоровью, численности, воспроизведению и т. п.) организма, популяции, вида, сообщества (биоценоза). Как правило, при самостоятельных геологических исследованиях удаётся проводить изучение соответствующих объектов только в пределах первой группы рисков. Переход к группе рисков воздействия на биоту, в том числе человека, в полной мере осуществляется при взаимодействии геологов с другими специалистами, главным образом, биологами и медиками. В частности, необходимость получения данных медицинской статистики обусловлена отнесением к группе экологических рисков также рисков здоровью человека. Экологическое значение данных о загрязнении окружающей среды определяется выявлением конкретных источников загрязнения (природных или техногенных), районов и локальных участков загрязнения, а также возможностью загрязнённой окружающей среды формировать риски для биоты. Понятие «эколого-геохимический риск» (как часть общего понятия «эколого-геологический риск») предлагается для интегрированного подхода к изучению рисков воздействия неблагоприятных геохимических факторов (природных и техногенных) на окружающую среду и рисков последствий этого воздействия для биоты (Рыбаков, 2006). Эколого-геохимические риски связаны с неорганическим химическим загрязнением окружающей среды. Источниками техногенного загрязнения являются, в частности, объекты горных разработок (горные выработки, отвалы, хвостохранилища и др.) и урбанизированных территорий (промышленные предприятия, сети автомобильных и железных дорог, стройплощадки, места складирования твёрдых бытовых и промышленных отходов и др.). 38 Техногенно загрязнённая среда может оказать воздействие на ещё незатронутую человеком часть литосферы и повлечь за собой её загрязнение. Например, искусственно попавшие в почву элементы-загрязнители в дальнейшем вымываются из неё и поступают в донные осадки водных объектов. Наоборот, среда, созданная для хозяйственных нужд (пашня, пастбище и т. п.), может оказаться вблизи природной геохимической аномалии, способной негативно воздействовать на окультуренную территорию. Количество работ в области эколого-геохимического изучения и эколого-геохимической оценки последствий горнодобывающей деятельности и функционирования урбанизированных территорий чрезвычайно велико. В том числе, разработаны соответствующие методические рекомендации (Методические рекомендации…, 1982б, 1986), а также предложения по совершенствованию методологии и технологии эколого-геохимического изучения промышленноурбанизированных территорий в период перехода к рыночным условиям (Пронин, 1996). Отмечено, что эколого-геохимические исследования, в силу динамичности смежных с литосферой сред (атмосферы, гидросферы), носят междисциплинарный характер. Это подтверждает необходимость широкого интегрированного исследования разнообразных рисков, в том числе экологических. Таким образом, возникновение экологических рисков можно определить, с одной стороны, наличием окружающей среды, изменённой путём её загрязнения или потенциально опасной в естественных условиях, с другой – существованием объекта (биоты), на который оказывают воздействие экологически неблагоприятные факторы. 2.2. 2.2. Геохимические факторы, факторы, влияющие влияющие на формирование экологических рисков Выявление и анализ факторов воздействия на окружающую среду суть составные части предварительного этапа работ (формулировки проблемы) по оценке экологических рисков намечаемой или осуществляемой хозяйственной или иной деятельности. В соответствии с концепцией оценки экологических рисков (Guidelines…, 1998), фактором, действующим на окружающую 39 среду, называется любой тип изменения, привносимый в окружающую среду и имеющий антропогенное происхождение. Вместе с тем, для формирования экологических рисков в регионе важными могут быть геохимические факторы природного происхождения, в результате воздействия которых формируются соответствующие геохимические аномалии. В качестве источников экологических рисков они угнетающе действуют на живые организмы, включая человека. Воздействие природного происхождения может проявляться при расселении, организации хозяйственной и иной деятельности, временном пребывании в геопатогенной зоне. Эколого-геохимические факторы оказываются наиболее важными для учёта при принятии экологически обоснованных управленческих решений, если между этими факторами и изменяющимися под их воздействием параметрами окружающей среды и состояния живых организмов будет установлена достаточно отчётливая связь. В классификации геологических факторов, влияющих на формирование экологических рисков в исследуемом регионе (Рыбаков, 2006, 2008), использованы существующие представления и информация: а) о миграции и накоплении токсичных элементов в геохимических ландшафтах; б) об эколого-геохимической специфике урбанизированных территорий; в) о природных и техногенных геохимических аномалиях; г) о распределении минеральных ресурсов; д) о современных геологических процессах и геодинамических аномалиях; е) о радиоактивном загрязнении территории. По сути, речь идёт о возможных причинах возникновения экологических рисков, связанных с изменением геологической среды (литосферы). Первые три из перечисленных позиций определяют эколого-геохимический риск территории для биоты, включая человека, оставшиеся три часто могут быть связаны с предыдущими и между собой. В Республике Карелия установлено наличие следующих эколого-геохимических факторов риска природного происхождения, формирующих состояние изменённой по сравнению с другими (привычными для биоты, прежде всего, для человека) участками и состояниями окружающей среды: − выделение подземных газов по геопатогенным зонам активных разломов и трещиноватости земной коры. Формируют 40 атмогеохимические ореолы, примером которых является содержание Pb и Al, составившее в зоне активного разлома в Карелии за 24 часа с площади потока около 10 см2 порядка 12 и 250 мкг соответственно (Виноградов, Виноградова, 1997; Трофимов и др., 2000); − химическое загрязнение вблизи зон концентрации рудного вещества, в том числе в районах незатронутых разработкой рудных месторождений полезных ископаемых. Каждое рудное месторождение характеризуется собственной ассоциацией элементов, зависящей от типа месторождения. Источниками загрязнения окружающей среды могут быть рудные залежи и первичные ореолы рассеяния рудных и сопутствующих элементов (Методические рекомендации…, 1986). Формируют лито-, гидро-, атмо- и биогеохимические аномалии, примерами которых являются геохимические аномалии Se, As, Cd и других потенциально опасных элементов в Заонежье (Чаженгина, Сальникова, 1985; Оценка…, 2001; Рыбаков, 2004; Экологические проблемы…, 2005 и др.). Следует отметить, что экологический риск, включая риск здоровью человека, может увеличиваться при росте содержания в природных средах биологически доступных форм нахождения указанных элементов; − влияние недостатка важных биогенных элементов, а также возможного дисбаланса элементов (Рыбаков, 2002). Формирует лито-, гидро- и биогеохимические аномалии. Так в юго-западных районах Карелии, как и в некоторых других регионах, установлена связь дефицита Se со снижением устойчивости организма к развитию заболеваний, росту сердечнососудистой патологии, онкологических заболеваний, снижению иммунной реактивности организма и повышению детской смертности (О коррекции…, 2000). Учитывая современные данные об ухудшении экологической обстановки на многих территориях, особенно в наиболее обжитых и освоенных местах, можно говорить о возрастающем приоритете техногенных факторов воздействия на окружающую среду. На территории Карелии к ним относятся или могут относиться: − загрязнение химическими элементами и их ассоциациями на урбанизированных территориях. Формирует техногенные лито-, гидро-, атмо-, сноу- и биогеохимические аномалии. Примером могут служить зоны повышенных концентраций тяжёлых металлов в почвах и речных донных осадках 41 г. Петрозаводска (Рыбаков и др., 2011; Рыбаков, Слуковский, 2012 и др.); − загрязнение химическими элементами и их ассоциациями в районах промышленных центров. Формирует специфические техногенные геохимические аномалии. Например, в районе Костомукши основные факторы риска создаются железорудным производством, включая горно-обогатительный комбинат, в районе Надвоиц – алюминиевым заводом, в районах городов Кондопоги, Сегежи и Питкяранты – целлюлозно-бумажным производством, в г. Петрозаводске – литейным производством и промышленными площадками предприятий, в том числе прекративших работу; − химическое загрязнение в районах разрабатываемых месторождений полезных ископаемых. Формируют лито-, гидро-, атмо-, сноу- и биогеохимические аномалии: − в случае разработки рудных месторождений химическое загрязнение возрастает (рост зависит от объёмов производства, применяемых технологий, наличия перерабатывающего комплекса и т. д.), и, следовательно, возникают новые или усиливаются существовавшие до начала добычи руды риски воздействия на окружающую среду (Оценка…, 2001; Прогнозная оценка…, 2001; Экологические проблемы…, 2005); − разработка нерудных полезных ископаемых также способна оказать влияние на окружающую среду (среду обитания), которая в результате будет формировать экологические риски для живых организмов: например, загрязнение Pb Северного Приладожья (Федорец и др., 1998; Прогнозная оценка…, 2001) частично возможно из-за разработки гранитно-щебёночных карьеров. Для сравнения: средняя концентрация Pb в верхнем (до 10 см) слое почв в районе действующих карьеров равна 40–46 г/т сухого вещества, заброшенных – 21–28 г/т (Прогнозная оценка…., 2001). Экологическими проблемами могут быть полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), содержащиеся в газово-жидких включениях дробящейся породы (Богомолов и др., 1996), а также пыль от взрывных и погрузочно-разгрузочных работ; 42 − выделение летучих форм металлов, наряду с газами и эманациями, вследствие нарушения естественного почвенногрунтового экрана (сплошности литосферы) при проведении строительных, вскрышных и иных видов работ в зонах активных разломов. При проведении вскрышных работ в районе одного из нерудных месторождений в Северном Приладожье концентрация Pb в годичных кольцах сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) возросла со среднего значения 1,9 мг/кг сухой массы за период 1952–1996 гг. (разброс по пятилетиям 0,8–6,3 мг/кг) до 250 мг/кг за период 1997–2001 гг.; − воздействие сельскохозяйственного производства. Формирует различные геохимические аномалии, современное состояние которых практически не изучено, хотя известно, что проблемой является, в частности, попадание в водные объекты P и N (в основном от диффузных источников); − воздействие транспорта вдоль автомобильных и железных дорог, в том числе в пределах населённых пунктов. Главным образом формирует лито-, сноу- и биогеохимические аномалии, при просачивании загрязнённых вод через почву и грунты – гидрогеохимические; − выпадение химических элементов, поступающих с дальними, в том числе трансграничными переносами (Государственный доклад…, 1998; Виноградова и др., 2012). В мире наиболее впечатляющими работами по дальнему переносу тяжёлых металлов являются определения их концентраций в слоях ледяных кернов. Так J. R. McConnell и R. Edwards (2008) связали рост загрязнения льдов Гренландии Cd, Pb и Tl в период с 1860 по 1970 гг. с увеличивавшимся использованием угля в промышленности Северной Америки и Европы. Замена угля другими видами энергетических ресурсов привела к стабильному падению концентраций этих токсикантов. Таким образом, на территории Республики Карелия риски воздействия на окружающую среду могут возникать в результате проявления многочисленных факторов, имеющих геологогеохимическое и геолого-техническое происхождение. При взаимном наложении природных и техногенных процессов воздействие на экосистемы, в том числе на живые организмы, может значительно усиливаться. ГЛАВА 3. ОЦЕНКА З АГРЯЗНЕНИЯ АГРЯЗНЕНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА (НА ПРИМЕРЕ ПРИМЕРЕ г . ПЕТРОЗАВОДСКА) ПЕТРОЗАВОДСКА) Город Петрозаводск с численностью населения 267 тыс. человек характеризуется различными видами техногенного воздействия на окружающую среду: селитебным, промышленным, транспортным, горнодобывающим (добыча, транспортировка и складирование песка), водохозяйственным, агропромышленным. Необходимость проведения геоэкологических исследований в его пределах и на прилегающих к городу участках обусловлена выявлением загрязнённых территорий, оказывающих влияние на состояние биоты и, в частности, человека. В пределах городских агломераций наиболее подвержена трансформации геохимическая функция литосферы. Это связано с вовлечением в производственные циклы разнообразных химических элементов и их соединений, которые с отходами производства поступают в компоненты окружающей среды. В связи с этим оценка состояния среды обитания включает анализ техногенного загрязнения различными химическими элементами снежных выпадений, почв и грунтов. Методика геохимического изучения и оценки состояния снежных выпадений, почв и грунтов природно-техногенной среды Одним из основных факторов техногенного воздействия на окружающую среду является процесс загрязнения. В городских условиях он характерен практически для любых видов техногенных воздействий, имеет повсеместное распространение, протекает в течение времени освоения и использования территории и отражается на всех составляющих природного комплекса (Толстихин, Соколова, 1996). При неорганическом химическом загрязнении основными элементами-загрязнителями в пределах города являются тяжёлые металлы и As. Снеговое опробование в полевых условиях проведено с целью оценки состояния приземного слоя атмосферы на основе определения микроэлементного состава снега. Пробы отбирались из шурфов на всю мощность снежного покрова при помощи пробоотборника для отбора мягких и рыхлых субстанций с ключевых участков методом конверта в марте 2011 г., каждая проба является сборной. Контрольная (фоновая) проба взята на 44 участке вблизи дер. Пиньгуба, расположенном в условиях приближённых к естественным (на расстоянии около 15 км от города). При подготовке проб для исследования получены две фазы – растворённая (растопленный при комнатной температуре снег), прошедшая через бумажный фильтр, и минеральная фаза (пыль), оставшаяся на фильтрах. Всего изучена 21 проба снега. Геохимическое опробование почв и техногенных грунтов г. Петрозаводска проводилось методом конверта на пробных площадках, заложенных на участках с однородным почвенным и растительным покровом, с учётом хозяйственного использования основных почвенных разностей. Пробы отбирались из приповерхностного слоя до глубины не более 10 см, так как именно этот слой является основным барьером на пути миграции элементов и может стать источником вторичного загрязнения приземного слоя атмосферы при вытаптывании и других нарушениях. Отбор проб и их подготовка к анализу проходили с учётом ГОСТ 17.4.4.02-84 (ГОСТ…, 1984). В частности, для подготовки определения химических элементов пробу почвы в лаборатории рассыпали на бумаге и разминали пестиком крупные комки. Затем выбирали включения – корни растений, насекомых, камни, стекло и др. Далее почву просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм и растирали в ступке пестиком до пылеватой фракции на анализ. Лабораторные испытания проб растворённой фазы снежного покрова и проб почв на химический анализ проведены в аналитической лаборатории Института геологии Карельского научного центра РАН методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS). Камеральная обработка геохимических данных проводилась с учётом предельно допустимых концентраций (ПДК), фоновых и кларковых значений. Условные фоновые значения для почв города рассчитывались на основе статистического анализа данных с использованием критерия Стьюдента. Таким образом, за местный фон i-го элемента принята средняя величина концентрации элемента, исключающая аномальные значения. Табличное значение критерия Стьюдента определяется исходя из принятого уровня значимости α = 0,05 и количества членов данной выборки n (Смоленский, 2003). По соответствующей формуле (1) рассчитывается критическое значение отклонения. 45 τ кр. = t (ααn − 2) n − 1 n − 2 + (t (ααn − 2) ) 2 , (1) где t(α, n-2) – табличное значение критерия Стьюдента. Если максимальное относительное отклонение, рассчитанное как τ = δ , где δ = |xmax–xср .|, превышает эту величину, S соответствующее значение концентрации относится к аномальным и отсеивается из выборки. Процедура расчёта продолжается до удовлетворения отклонения требованиям критерия. Полученное для скорректированной выборки среднее значение принимается за значение условного местного фона для данного признака. Классы опасности, фоновые значения, ПДК элементов для снега и почв представлены в табл. 1 и 2. Камеральная обработка материалов включала оценку состояния компонентов природной среды, составление тематических и комплексных карт. Для расчёта загрязнения снежных выпадений использовался суммарный показатель концентраций (СПК), рассчитанный по формуле (2): n СПК = ∑ K c − (n − 1) , (2) i =1 где Кс – коэффициент концентрации, рассчитываемый по формуле Кс = Сi/Сф., где Сi – значения концентраций химических элементов в исследуемом объекте, Сф. – фоновые значения концентраций элементов для данной территории (мг/м3); i – порядковый номер элемента; n – число анализируемых элементов, коэффициент концентрации которых превышает 1. Для снежных выпадений определены средние значения СПК для элементов 2 класса опасности – СПК2, 3 класса опасности – СПК3, а также для всех элементов – СПКобщ.. Для почв фоновые концентрации элементов, как это показано выше, получены для всего города. Поэтому расчёты значений аналогичного геохимического критерия – суммарного показателя загрязнения (Zc) – целесообразно проводить по отдельным критическим территориям (см. разд. 3.3). 46 Таблица 1. Классы опасности, ПДК (Гигиенические нормативы…, 2003) и фоновые концентрации некоторых элементов в снеге Класс опасности ПДК в воде, мг/м3 Контроль (фон), дер. Пиньгуба, мг/м3 Pb 2 10 Zn 3 1000 Cd 2 1 Co 2 100 Ni 2 20 Cu 3 1000 Mo 2 250 Cr 3 50 Sb 2 5 Mn 3 100 V 3 100 W 2 50 Sn 0,54 38,6 0,04 0,01 1,81 7,22 0,03 0,64 0,05 5,96 0,22 0,02 0,21 Таблица 2. Классы опасности, ПДК (Методические указания…, 1992; Предельно допустимые…, 2006), кларки по А. П. Виноградову (Войткевич и др., 1990) и фоновые концентрации некоторых элементов в почвах Класс опасности, ГОСТ 17.4.1.02-83 ПДК, г/т Кларк, г/т Рассчитанный условный фон, г/т Pb Zn As Cd Co Ni Cu Mo Cr Sb Mn V W Sn 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 – 32 16 100 83 2,0 1,7 1,0 0,13 – 55 47 1500 1000 150 90 – – 18 85 58 1,3 2,5 20,6 82,1 2,0 1,4 7,1 19,4 31,5 399,3 62,6 0,75 1,9 – 90 1,1 83 4,5 0,5 0,94 30,4 0,62 Таблица 3. Уровни загрязнения почв и снега химическими элементами Уровень загрязнения Минимальный Низкий Средний Высокий Очень высокий Кпдк по классам опасности элементов 1 класс 2 класс 3–4 классы класс классы <1 <1 <1 1–1,5 1–2 1–3 1,5–2 2–3 3–5 2–3 3–5 5–10 >3 >5 > 10 Zc почв <8 8–16 16–32 32–128 > 128 Zc (СПК) СПК) снежного покрова < 32 32–64 64–128 128–256 > 256 Степень экологоэкологогеохимической опасности Низкая Средняя Высокая Очень высокая Оценка загрязнения снега и почв проводилась с учётом ГОСТ 17.4.1.02-83 (ГОСТ…, 1983) по методике, разработанной ИМГРЭ (Методические…, 1990) (табл. 3). Степень опасности загрязнения для человека и биоты оценивалась согласно методическим рекомендациям Института геоэкологии РАН (Заиканов, Минакова, 2008). На основе выделенных классов при помощи программного обеспечения Surfer методом Криге (Kriging) созданы оценочные интерполяционные модели уровней загрязнения и степени эколого-геохимической опасности для снежного покрова и почв. 3.1. Пространственные закономерности загрязнения снежного снежного покрова Снеговые выпадения, отобранные в конце снежного периода, содержат важную информацию обо всех вредных веществах, попадающих в почвы, грунты, поверхностные и подземные воды из атмосферы. Благодаря доступности и информативности мониторинг загрязнения снежного покрова получил большое развитие и распространение (Голицин, 2007). Анализ сноухимических данных показал, что ведущими загрязнителями, концентрации которых в снежном покрове г. Петрозаводска превышают фоновые значения, являются Zn, Cd, Pb, Cr, Co, Ni, Cu, Mo, Sb, V, Mn, W. СПК2 (Cd, Pb, Co, Ni, Mo, Sb, W) варьирует от 4,2 до 94,1. Среднее значение составляет 30,5. Максимальная нагрузка приходится на северо-северо-восточную прибрежную часть города (рис. 15а). Основной вклад в загрязнение здесь вносят концентрации, превышающие контрольные значения: Co – в 20–50 раз, Pb – в 3,4–6,5 раза. Также в пробе С-14, отобранной в пределах промышленной зоны, выявлено значительное превышение содержания Cd относительно контрольных данных (Кс = 10,1). Кс для Mo изменяются от 0,1 до 9,4 при средних значениях 3,9 (табл. 4). Максимальное значение Кс = 45,9 для Sb зафиксировано в пробе С-2, отобранной в устье реки Неглинки. Среднее значение Кс для W составляет 3,2. Значительные превышения контрольных значений концентраций элементов 2 класса опасности в пределах северо-северо-восточной части города обусловлены расположением объектов промышленности и энергетики и преобладанием западных ветров. 48 а б Рис. Рис. 15. Схема загрязнения снежного покрова г. Петрозаводска элементами: а) второго (по СПК2) и б) третьего (по СПК3) классов опасности 49 Таблица 4. Основные статистические характеристики коэффициентов концентрации элементов 2 и 3 классов опасности Элементы 3 класса Элементы 2 класса опасности опасности Cd Pb Co Ni Mo Sb W Zn Cr Cu V Mn xср. 2,3 2,7 16,5 2,2 3,9 5,7 3,2 1,7 1,9 2,0 6,7 2,1 Me 2,0 1,9 18,7 1,3 3,4 3,8 1,9 1,0 1,8 1,7 3,9 1,7 S 2,0 1,9 11,4 1,8 2,2 9,3 2,8 2,1 0,8 0,8 10,6 0,9 xmin 0,2 0,7 1,0 0,7 0,1 0,0 0,1 0,5 0,8 0,9 1,1 1,0 xmax 10,1 6,8 50,4 7,2 9,4 45,9 10,9 9,9 4,0 4,0 51,4 4,1 n 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 Примечание Примечание. xср. – среднее значение коэффициентов концентрации (Кс), Me – медиана, S – стандартное отклонение, xmin – минимальное значение, xmax – максимальное значение, n – число наблюдений. Элементами 3 класса опасности (Zn, Cr, Cu, V, Mn) снежный покров города загрязнён в меньшей степени (рис. 15б), СПК3 варьирует от 1,8 до 53, при среднем значении 10,3. В микрорайоне Кукковка выявлена зона загрязнения, обусловленная высоким содержанием V в пробе С-8 (Кс = 51,4) и повышенным содержанием Zn в пробе С-7 (Кс = 9,9). Средние значения Кс по городу для V составляют 6,7 и Zn – 1,7. Медианы Кс V и Zn отличаются от их средних значений каждая в 1,7 раза (распределение сдвинуто вправо), что больше по сравнению с другими элементами. Концентрации остальных элементов 3 класса опасности в среднем превышают контроль в 1,9-2,1 раза (см. табл. 4). СПКобщ. для выделенных элементов в среднем равен 39,9 и в соответствии с табл. 3 относится к низкому уровню загрязнения и средней степени экологической опасности. Однако для некоторых зон, расположенных преимущественно вблизи техногенных объектов, уровень загрязнения по СПКобщ. достигает средних и высоких значений. Таким образом, анализ данных загрязнения снежного покрова позволяет выявить основные элементы-загрязнители и обозначить границы текущей максимальной нагрузки на изученную территорию города. Проведённая работа даёт возможность определить сеть наблюдений для дальнейших более детальных эколого-геологических исследований. 50 3.2. Пространственные закономерности загрязнения почв Почвы являются депонирующей средой для поступающих извне компонентов. Часть компонентов накапливается в верхнем почвенном слое, другая часть мигрирует в нижележащие горизонты. Одной из особенностей почвенного покрова является способность к длительному накоплению загрязнения и достаточно медленному процессу самоочищения. Следует отметить два важных обстоятельства. Во-первых, поступление в почвы вредных веществ позволяет оценить качество атмосферного воздуха, поскольку загрязнение чаще происходит через атмосферную эмиссию. Во-вторых, загрязнение почв представляет опасность здоровью человека из-за возможного попадания в организм вместе с воздухом загрязнённой почвенной пыли. В этой связи проведён анализ верхнего слоя почв г. Петрозаводска. В результате техногенного воздействия почвенный покров города в значительной мере изменён и включает следующие морфологические типы почв (Федорец, Медведева, 2005): конструктозёмы – насыпные почвоподобные субстраты, урбанозёмы – почвы, переработанные в результате механических и химических нарушений, культурозёмы и нарушенные урбоподзолистые – почвы с большой мощностью гумусового горизонта, агроподзолистые – почвы огородов. Таблица 5. Классы опасности, статистические характеристики и местный фон (г/т) основных загрязняющих элементов почв V Co Cu Zn As Класс 3 2 2 1 1 опасности Me 66,1 7,92 36,5 84,8 3,38 S 29,5 4,25 61,3 121 15,1 xmin 13,2 0,88 2,01 6,13 0,82 xmax 222 28,3 514 843 156 n 154 154 154 154 145 xф. 62,6 7,05 31,5 82,1 2,0 Примечание. Примечание. xф. – величина местного фона. Cd Sn Sb W Pb 1 3 2 3 1 1,36 0,46 0,07 2,92 148 1,36 2,11 4,00 0,48 45,1 154 1,9 0,75 2,34 0,06 23,5 154 0,62 0,99 6,76 0,06 75,9 154 0,75 25,4 148 1,93 1650 154 20,6 В почвах г. Петрозаводска выявлено несколько основных элементов, концентрация которых часто намного превышает ПДК и условные фоновые значения (табл. 5). Предполагается 51 комплексное поступление данных элементов в почвы: частично это продукт аккумуляции тяжёлых металлов и As в морене и озёрно-ледниковых отложениях, слагающих осадочную толщу разреза, частично – результат антропогенного воздействия. Свинец – широко распространённый элемент-загрязнитель. Загрязнение Pb происходит при сжигании угля, производственных процессах, эксплуатации, обслуживании и ремонте транспортных средств. Этот металл токсичен и относится к 1 классу опасности. Избыток Pb в растениях, вызванный высокой концентрацией в почве, ингибирует дыхание, подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания Cd и снижению поступления Zn, Ca, P и S (Убугунов, Кашин, 2004). Почвенный покров г. Петрозаводска имеет преимущественно низкий и средний уровень загрязнения Pb (рис. 16). Значение фоновой концентрации составляет 20,6 г/т, что не превышает ПДК. Однако имеются высокие значения концентраций, которые зафиксированы преимущественно вблизи полотна железной дороги, автомобильных дорог и промышленных зон. Наиболее крупная зона наблюдается в пределах юго-восточной части города, включающей микрорайон Ключевая. Здесь концентрации Pb превышают 800 г/т. В центральной части, вблизи неэксплуатируемой промышленной площадки Онежского тракторного завода и поймы реки Лососинки также выявлена зона с очень высоким уровнем загрязнения. Содержание Pb здесь выше ПДК более чем в 3-5 раз (100–170 г/т). Небольшие зоны с очень высоким уровнем загрязнения зафиксированы в микрорайоне Кукковка: содержание Pb 186 г/т определено в точке, расположенной рядом с гаражами, 120 г/т – вблизи автозаправочной станции. В северной части города высокие концентрации Pb наблюдаются в пределах ТЭЦ (163 г/т), автозаправочной станции на Шуйском шоссе и железнодорожной станции Товарная (100 г/т). Содержание Pb на уровне местного фона отмечается преимущественно в периферийной части города. Основными антропогенными источниками поступления в окружающую среду цинка являются металлургические предприятия. В центральной части города до двухтысячных годов действовала площадка Онежского тракторного завода, имевшая литейное производство, являвшееся техногенным источником поступления элемента в окружающую среду. 52 Рис. Рис. 16 16. Загрязнение почв г. Петрозаводска Pb Рис. Рис. 17 17. Загрязнение почв г. Петрозаводска Zn 53 В организмах животных и человека Zn оказывает влияние на деление и дыхание клеток, развитие скелета, формирование мозга, заживление ран, воспроизводительную функцию, иммунный ответ, взаимодействует с инсулином. В естественных условиях Zn необходим живому организму. Однако эколого-геохимические аномалии избытка Zn формируют токсикологический эффект. Большинство видов растений обладают высокой толерантностью к его избытку в почвах. При очень высоком содержании этого металла в почвах обычным симптомом цинкового токсикоза является хлороз молодых листьев (Убугунов, Кашин, 2004). В пределах изучаемой территории значительная часть проб определяет высокий и очень высокий уровень загрязнения почв Zn (рис. 17). Большие по площади участки с таким уровнем загрязнения расположены в селитебной зоне в пределах северной и центральной частей города, а также у берега Онежского озера. Низкий уровень загрязнения характерен для проб, отобранных в зонах с небольшой транспортной нагрузкой и в рекреационных зонах. Одной из причин накопления Zn в поверхностных почвенных горизонтах подчинённых ландшафтов может быть его способность сорбироваться минеральными и органическими компонентами. Кадмий является токсичным элементом. Мигрирует в окислительной и восстановительно-глеевой геохимических обстановках. Накапливается на щелочном и сероводородном барьерах. Используется в производстве сплавов, красок, аккумуляторных батарей. В организме человека образует устойчивые потенциально-токсичные комплексы с биосоединениями сульфидной группы. Заболевания, вызванные избытком Cd: боли в мышцах, деформация скелета, нарушения функции лёгких, почек, разнообразные опухоли (Чертко, Чертко, 2008). Рассчитанные местные фоновые значения содержания Cd в почвах г. Петрозаводска (1,36 г/т) выше ПДК (см. табл. 2). Значительная часть городской территории характеризуется низким и средним уровнем загрязнения почв Cd (рис. 18). Участки с высоким уровнем загрязнения зафиксированы преимущественно в пределах зон влияния железнодорожного полотна и автодорог, достаточно обширная зона выделяется в районе действующей площадки ОАО «Петрозаводскмаш». 54 Рис. Рис. 18 18. Загрязнение почв г. Петрозаводска Cd Рис. Рис. 19 19. Загрязнение почв г. Петрозаводска As 55 Мышьяк – редкий токсичный металлоид. Соединения As (III) токсичнее, чем As (V). Геохимический барьер восстановительный сероводородный. Энергичный водный мигрант. В сухих почвах малоподвижен, во влажном климате из почв вымывается. As – важный биоэлемент, но при значительном превышении кларка является сильным ядом (Перельман, 1989). Заболевания, вызванные избытком As: депрессия, расстройство памяти, речи, слуха, зрения, обоняния, внимания, поражение кожи и её придатков, рак гортани, глаз, белокровие, энтероколит, аномалии скелета и мочеполовой системы, замедление роста. Концентраторы: планктон, съедобные грибы. Используется в сплавах, полупроводниках, пестицидах, стёклах (Чертко, Чертко, 2008). Значительная часть изучаемой территории, в том числе центральная часть города, характеризуется высоким и очень высоким уровнем загрязнения почв As (рис. 19). Вместе с тем, в ряде проб его содержание ниже предела обнаружения. Для таких проб в расчётах приняты значения половины этого предела. Высокое и очень высокое содержание As в почвах на севере, юговостоке и западе г. Петрозаводска часто приурочено к ненарушенным ландшафтам. Максимальная концентрация достигает 156 г/т (> 75 ПДК) и отмечена в одной точке в северной части города. Выявленное распределение As говорит о том, что среди важных причин его поступления в почвы может быть не только влияние техногенной среды, но и природный геохимический фактор. Анализ суммарного загрязнения почв города элементами 1 класса опасности показал, что зоны с высоким уровнем загрязнения распространены локально. В периферийных частях урбанизированной территории они обусловлены высоким содержанием в почвах As. Средняя степень опасности выявлена в центральной части города. В пробах, отобранных на этих участках, в частности, обнаружены высокие и очень высокие концентрации Pb и Zn. Сурьма является токсичным элементом 2 класса опасности. Геохимические барьеры Sb: кислородный, сорбционный. Элемент слабо подвижный в любой среде. Заболевания, вызванные избытком Sb: пневмония, фиброз костного мозга, рак лёгких. При острой интоксикации – лихорадка, снижение давления, дерматит, экзема. Основные источники поступления в окружающую среду: 56 металлургические предприятия, производство цемента, кирпича, сжигание угля (Чертко, Чертко, 2008). Уровень загрязнения почв г. Петрозаводска Sb очень низкий (рис. 20). Лишь в нескольких пробах, отобранных на Лесном проспекте, зафиксированы высокие показатели концентрации. Некоторое превышение ПДК наблюдается в районе остановленной площадки Онежского тракторного завода. Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. В значительных количествах многие соединения Cu ядовиты, особенно для низших организмов. Применяется в электротехнике, при производстве труб, в различных сплавах. Содержание Cu в почвах г. Петрозаводска варьирует от 2 до 514 г/т. При этом примерно в 20 % проб превышено значение ПДК. Максимальный уровень загрязнения зафиксирован в пробе, взятой в пределах улицы Пирогова (рис. 21), на которой находится площадка ремонта автотранспорта. Центральная часть города имеет низкий уровень загрязнения и лишь одна точка на склоне, расположенном между площадью Ленина и недействующей промышленной площадкой тракторного завода, характеризуется высоким показателем загрязнения. Также высокий и очень высокий уровень загрязнения фиксируется единичными пробами в районе ТЭЦ, авторемонтной базы на Шуйском шоссе и в микрорайоне Ключевая. Кобальт является одним из жизненно важных микроэлементов. Он входит в состав витамина В12. Co задействован при кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях. Потребность человека в Co 0,007–0,015 мг ежедневно. В теле человека содержится 0,2 мг Co на каждый килограмм массы. При недостатке Co развивается акобальтоз. Однако избыток этого элемента для человека вреден и может вызвать следующие заболевания: гиперкератоз кожи, хронический бронхит, интерстициальный фиброз лёгких; гиперлипидемию, гипотонию, кардиопатию. ПДК пыли Co в воздухе 0,5 мг/м³, в питьевой воде допустимое содержание солей Co 0,01 мг/л. Для почв ПДК не установлены. Используется в керамике, для получения магнитных сплавов, катализаторов, художественных красок, обладает ферромагнитными свойствами (Федорец, Медведева, 2005; Чертко, Чертко, 2008). 57 Рис. Рис. 20. 20. Загрязнение почв г. Петрозаводска Sb Рис. Рис. 21. Загрязнение почв г. Петрозаводска Cu 58 Рис. Рис. 22 22. Загрязнение почв г. Петрозаводска Co Содержание Co в почвах г. Петрозаводска варьирует от 0,9 до 28,3 г/т при фоновой концентрации 7,1 г/т. Повышенные концентрации Co в основном приурочены к промышленным площадкам, а также пересечениям и примыканиям авто- и железных дорог (рис. 22). Для элементов 3 класса опасности характерен низкий уровень загрязнения. Так содержание V варьирует от 13,2 до 222 г/т при фоновом значении 62,6 г/т и ПДК 150 г/т. Повышенное содержание V встречается в единичных точках опробования и приурочено к промышленным территориям. ПДК W для почв не установлены. Диапазон содержания W в почвах города составляет 0,1–75 г/т при значении медианы 1 г/т и стандартном отклонении 6,8. Фоновое значение равно 0,75 г/т. Высокие значения содержания W в почвенном покрове города наблюдаются в центральной части (район закрытой площадки тракторного завода). Распределение значений концентраций элементов в выборках подчиняются логнормальному закону, по их логарифмам проведён линейный корреляционный анализ. Выявлена значимая положительная корреляционная связь между значениями 59 большинства концентраций химических элементов в почвах города (табл. 6). Для выделения ассоциаций химических элементов в почвах дополнительно проведён кластерный анализ методом одиночной связи с использованием в качестве меры близости коэффициента корреляции Пирсона (рис. 23). Получены следующие ряды: 1) Pb-SbSn-Zn; 2) Co-V-Cd-Mn-(Cu-…); 3) Sr-Rb; 4) Cr-Ni-Mo-(Cd-…). Эти ассоциации отражают совместное поступление соответствующих элементов в почвы города и накопление в них. Так, Pb-Sb-Sn-Zn ассоциация, в частности, приурочена к зонам влияния некоторых стационарных (промышленных) источников загрязнения (см. ниже). Co-V-Cd-Mn, Cr-Ni-Mo ряды могут отражать использование указанных элементов в сплавах, применяемых в агрегатах различной техники, которые, подвергаясь истиранию, становятся источниками загрязнения почвенного покрова города. Таблица 6. Значения парных коэффициентов корреляции между логарифмами значений концентраций элементов в почвах г. Петрозаводска Cr Mn Co Ni Cu Zn As Rb Sr Mo Cd Sn Sb W Pb 29 61 87 46 59 39 11 34 47 27 69 19 23 41 24 Cr 100 50 48 81 42 37 08 61 48 62 64 26 31 37 35 100 73 52 53 49 21 43 47 49 67 30 28 38 30 100 50 65 47 03 50 58 29 79 26 26 41 27 100 49 46 29 29 26 78 59 30 36 46 39 100 56 05 28 34 41 55 47 48 47 50 100 –01 26 38 41 47 54 58 47 61 100 –29 –22 41 –02 –03 11 08 04 V Mn Co Ni Cu Zn As Rb 100 81 Sr Mo Cd Sn Sb 08 63 21 15 17 17 100 12 66 22 15 15 19 100 40 21 35 40 37 100 25 26 34 33 100 64 41 62 100 60 80 W 100 46 Примечания. Примечания. 1. rкрит. = 0,16 при P = 95 % и f = 172. 2. Значения коэффициентов увеличены в 100 раз. 3. Полужирным выделены коэффициенты, значения которых > 0,50. 60 Рис. Рис. 23. Дендрограмма кластерного анализа Таким образом, проведённая оценка загрязнения снежного покрова и почв г. Петрозаводска показала, что элементызагрязнители распределяются по городской территории с разной степенью равномерности. Так, значения коэффициентов концентраций Co, Sb и V в снежном покрове варьируют в более широких пределах, чем всех остальных элементов. В среднем превышения контрольных значений концентраций элементов в снежном покрове изменяются от 1,7 (Zn) до 16,6 раза (Co). Обращают на себя внимание уровни содержания в снеге Zn и Cu не только городской территории, но и контрольного участка. Концентрации этих элементов не превышают нормативы ПДК для вод водных объектов хозяйственно-питьевого и культурнобытового водопользования (см. табл. 1), однако выше нормативов ПДК для вод водных объектов рыбохозяйственного назначения (ПДКр.х.), составляющих 10,0 и 1,0 мг/м3 соответственно (Об утверждении…, 2010). Исходя из данных табл. 1, превышение для контрольного (фонового) участка составляет 3,9 раза по Zn и 7,2 – по Cu. Все пробы снега, отобранные в пределах городской 61 территории, загрязнены этими элементами сверх ПДКр.х.. Часто к ним также добавляются V и Mn, реже – W и Ni. Загрязнение As, характерное для почв вне пределов городской застройки, в большей мере может быть связано с природным фактором – содержанием в почвообразующих породах. В то же время, концентрации таких опасных элементов как Pb, Zn, Cd, Cu и др. приурочены, прежде всего, к районам закрытых или действующих промышленных объектов, железным и автодорогам, другим объектам транспортной инфраструктуры. 3.3. Исследования техногенных техногенных ассоциаций химических элементов на закрытой промышленной площадке В предыдущем разделе отмечена связь значительной части загрязнений территории г. Петрозаводска с промышленными объектами. Поэтому изучение производственных площадок – необходимый атрибут эколого-геохимических исследований, позволяющий получить более подробную информацию об экологической ситуации в сравнении с данными по городу в целом. По этим причинам объектом детального исследования содержания химических элементов в почвах и грунтах выбрана бывшая промышленная площадка Онежского тракторного завода. Отбор проб проводился весной 2010 г. по сетке 100х100 м на свободных от производственных корпусов и административных зданий участках на уровнях 0-0,1; 1,0+0,1; 2,0+0,1 и 3,0+0,1 м от поверхности земли. Пробы на глубину отбирались с применением ручного шнекового бурения. Детально методика опробования описана в санитарноэпидемиологических правилах и нормативах «Санитарноэпидемиологические требования к качеству почвы. СанПиН 2.1.7.1287-03» (Санитарно-эпидемиологические…, 2003). Всего отобрано и изучено 163 пробы, в том числе 59 проб – из приповерхностного (до 10 см) слоя почво-грунтов. Методом ICP-MS в аналитической лаборатории Института геологии Карельского научного центра РАН в пробах определены концентрации 50 химических элементов. Для анализа выбрана фракция размерностью < 0,1 мм, как наиболее экологически опасная и информативная с точки зрения 62 выявления максимального количества загрязняющих компонентов. Значения концентраций наиболее опасных загрязнителей, обнаруженных в приповерхностном слое почво-грунтов, приведены в табл. 7. Суммарный показатель загрязнения рассчитывался по формуле: n Z c = ∑ K c − (n − 1), (3) i =1 где Кс – коэффициент концентрации i-го элемента, превышающий единицу (см. табл. 7). Величина Zc для средних значений концентраций приведённых в табл. 7 элементов-загрязнителей, учитываемых при её расчёте, составила 103,2. Согласно табл. 3 по этому показателю уровень загрязнения почв и грунтов на промышленной площадке характеризуется как высокий, а по превышению ПДК по Pb – как очень высокий. По максимальным и аномальным (трёхсигмовым) значениям концентраций Zn, Cu, As, Cd, Ni, V некоторые обследованные участки также харатеризуются очень высоким уровнем загрязнения. В табл. 8 приведены результаты линейного корреляционного анализа, характеризующие взаимосвязи типичных элементов, в том числе загрязнителей, распространённых в почво-грунтах исследуемой промышленной площадки. Сравнивая эти данные с данными по городу (см. табл. 6), можно заключить, что структуры двух корреляционных матриц, несколько отличаясь друг от друга, тем не менее, показывают сходные корреляционные связи между ведущими элементами выделенных однотипных ассоциаций. В результате ассоциации элементов для промышленной площадки выглядят следующим образом: 1) Pb-Sb-Cu-Cr-Zn-…-Sn-…; 2) CoV-Ni-W-Zn-…-Cd-…-Mn; 3) Sr-Rb-V-Zn; 4) Cr-Ni-Mo-Cu-W. Значение в них для оценки сопоставимости имеют элементы, в том числе загрязнители, между значениями концентраций которых и в той и в другой выборке установлены самые сильные корреляционные связи (Pb-Sb, Co-V, Sr-Rb, Cr-Ni-Mo). Все остальные элементы в той или иной мере тяготеют к этим «родоначальникам» выделенных групп. Таким образом, значимая роль промышленности в загрязнении почв г. Петрозаводска может быть подтверждена с достаточной определённостью. 63 Таблица 7. Средние геометрические (xср.), предельные (xmin, xmax) аномальные (х3σ) значения (г/т) и выборочные дисперсии логарифмов (S2lg) концентраций элементов в приповерхностном слое почво-грунтов на промышленной площадке Pb Zn As Cd Co Ni Cu Mo Cr Sb Mn V W Sn 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 – xmin 200 10,3 300 26,7 3,51 0,41 0,57 0,072 13,9 2,98 74,3 11,6 135 19,2 13,7 2,33 147 33,1 5,07 0,39 1230 382 120 20,3 40,0 5,59 7,68 0,74 xmax 1300 1840 16,0 3,12 59,1 568 635 98,3 961 16,3 2910 612 826 61,8 S2lg 0,188 0,111 0,148 0,089 0,061 0,108 0,094 0,128 0,086 0,124 0,033 0,071 0,215 0,140 n 59 59 59 58 56 59 59 57 59 59 55 55 57 58 х3σ(min) – – – < 0,064 1,89 – – – – – 141– 10,8– 188 14,7 – – х3σ(max) – – – – 294– 363 – – 775– 990 – – 6420– 1190– 3160– 10230 1660 3450 ПДК 32 100 2,0 1,0 – 85 55 – – 4,5 1500 150 – – Кларк xфон. 16 83 1,7 0,13 18 58 47 1,1 83 0,5 1000 90 1,3 2,5 20,6 9,71 6,25 82,1 3,65 3,00 2,0 1,76 1,76 1,4 0,41 0,57 7,1 1,96 – 19,4 3,83 0,87 31,5 4,29 2,45 0,94 14,6 – 30,4 4,84 – 0,62 8,18 1,13 399 3,08 0,82 62,6 1,92 0,80 0,75 53,3 – 1,9 4,04 – Класс опасности элемента xср. Ксi = xср./xфон. КПДК = xср./ПДК 267 Таблица 8. Значения парных коэффициентов корреляции между логарифмами значений концентраций элементов в почво-грунтах промышленной площадки V Cr Mn Co Ni Cu Zn As Rb* Sr* Mo Cd Sn Sb W Pb 36 23 78 54 36 74 34 62 56 31 51 39 31 40 17 Cr 100 50 62 80 66 52 36 –02 03 74 47 52 62 63 60 100 40 53 49 34 68 04 04 34 41 33 39 15 44 100 70 65 69 39 51 39 57 52 58 62 70 40 100 72 64 45 19 12 51 60 56 50 49 43 100 61 35 09 –05 58 67 59 79 57 60 100 42 56 52 29 65 49 57 35 51 100 22 26 25 48 18 28 22 31 Mn Co Ni Cu Zn As * Rb 100 * Sr Mo –14 18 15 14 15 00 100 –13 12 10 05 05 15 79 100 43 Cd Sn Sb 47 52 85 40 100 46 46 40 35 100 65 39 39 100 50 73 W 100 32 Примечания. Примечания. 1. rкрит. = 0,28 при P = 95 % и f = 46. 2. Значения коэффициентов увеличены в 100 раз. 3. Полужирным выделены коэффициенты, значения которых > 0,50. 4. Для Rb и Sr принят нормальный закон распределения значений концентраций. При сравнении табл. 6 и 8 отчётливо видна перестройка корреляционных связей значений концентраций As, связанная с влиянием промышленной площадки. На рис. 24 и 25 в качестве примеров представлены схемы распределения Pb и As по уровням глубины в пределах исследованной промышленной площадки. Рис. 24 свидетельствует об очень высоком загрязнении почво-грунтов. При этом с глубиной – на уровне 1 м от поверхности земли – на большей части территории завода оно увеличивается. Только в пределах озеленённых участков концентрации Pb начинают снижаться. На глубине 2 м это снижение ещё заметнее, однако, очень высокий уровень загрязнения сохраняется в центральной зоне. На глубине 3 м загрязнение по-прежнему сохраняется. 65 Очень низкий (< 1 ПДК) Низкий (1–1,5 ПДК) Средний (1,5–2 ПДК) Высокий (2–3 ПДК) Очень высокий (> 3 ПДК: 96–160 г/т) 160–260 г/т 260–320 г/т 320–640 г/т > 640 г/т Рис. Рис. 24. Уровни распределения концентраций Pb по глубине в пределах промышленной площадки Распределение As в пределах изученной промышленной площадки также неравномерно по глубине (рис. 25). Основное загрязнение сосредоточено на уровнях 1 и 2 м. На глубинах 1, 2 и 3 м в нескольких точках наблюдается максимальный уровень загрязнения (> 7,5 ПДК), который частично может быть связан, как и для г. Петрозаводска в целом, с почвообразующими породами, частично – с техногенным фактором. Таким образом, исходя из сказанного в настоящем разделе, подтверждается во многом индустриальная специфика загрязнения территории г. Петрозаводска. Часть выявленных техногенных аномалий можно отнести к объектам прошлого (накопленного) экологического ущерба. 66 Очень низкий (< 1 ПДК) Низкий (1–1,5 ПДК) Средний (1,5–2 ПДК) Высокий (2–3 ПДК) Очень высокий (> 3 ПДК: 6–10 г/т) 10–15 г/т > 15 г/т Рис. Рис. 25. Уровни распределения концентраций As по глубине в пределах промышленной площадки 3.4 3.4. Реакция наземной растительности на загрязнение Наземная растительность активно реагирует на изменения главных природных компонентов своего окружения. Из почвы и атмосферного воздуха различные загрязняющие вещества проникают в растительные организмы, где и оказывают, как правило, своё негативное воздействие как на физиологические, так и на генетические процессы. Состояние репродуктивной системы – чувствительный показатель адаптации растительного организма к среде обитания. В условиях дестабилизации среды растения продуцируют много тератоморфных и стерильных пыльцевых зёрен. Чем хуже экологическая обстановка, тем 67 больше дефектной и стерильной пыльцы продуцируется растениями. Поэтому пыльца растений может использоваться в качестве биоиндикатора. Кроме того, при интегрированных исследованиях получаемые значения тератоморфности и стерильности могут быть сопоставлены с количественными данными по загрязнению мест обитания конкретных изучаемых видов растений и территории в целом. Морфологическая изменчивость пыльцевых зёрен зависит от воздействия таких антропогенных факторов, как пожары, радиация, повышенная концентрация тяжёлых металлов, пестицидов и других вредных веществ. Отмечено, что количество изменённых пыльцевых зёрен значительно увеличивается вблизи и на территории крупных промышленных центров. Однако наблюдения и их обработка в течение одного года не дают полной картины, так как важна динамика процессов загрязнения окружающей среды. Возрастающий с каждым годом автомобильный парк городов, поступление в атмосферу, почвы, грунтовые и поверхностные воды огромного количества загрязняющих веществ – всё это является причинами реакции растений на внешние факторы, выражающиеся ухудшением качества пыльцевых зерён. Исследование пыльцы на предмет её изменения под действием неблагоприятных факторов доступны и не требуют большого количества реактивов. Благодаря палиноиндикации можно давать сравнительную оценку загрязнённости как разных регионов, так и отдельных зон в пределах региона. Пыльца растений служит также для установления экологической опасности для генеративной сферы человека и животных. Как показали исследования, гаметопатогенный риск в условиях экологического неблагополучия существует не только для растений, но и для животных и человека, при этом растения раньше чем животные реагируют на смену условий среды обитания (Дзюба, 2006). В 2009 г. в пределах площадок некоторых детских садов города или в непосредственной близости от них одновременно с отбором проб почвы в тех же точках в начале цветения собраны мужские соцветия берёзы пушистой (Betula pubescens Ehrh.). В 2010 и 2011 гг. на территории города также синхронно с образцами почв отобраны образцы пыльцы шиповника морщинистого (Roza rugosa Thunb.). Эти виды имеют повсеместное распространение, встречаются как в искусственных, 68 так и в естественных насаждениях, их биология хорошо изучена. Для берёзы проведён анализ стерильности-фертильности пыльцы, для шиповника, кроме того, дополнительно изучена тератоморфность пыльцевых зёрен. Пробы фиксировались в пробирках с раствором Карнуа (6 частей этилового спирта: 3 части формалина: 1 часть ледяной уксусной кислоты). Материал помещался в холодильник и хранился в растворе Карнуа до проведения теста. Мужские соцветия отбирали на высоте примерно 1,5 м с 3–4 стоящих рядом деревьев для формирования образца пыльцы данного участка. Тест на определение стерильной/фертильной пыльцы проводился по ацетокарминовой методике (Паушева, 1974). Ацетокарминовый метод основан на дифференциальной окраске фертильных и стерильных пыльцевых зёрен. Внутреннее содержимое фертильных пыльцевых зёрен после обработки ацетокармином полностью и равномерно окрашивается в яркий малиновый или тёмно-красный цвет. Стерильные зёрна не окрашиваются совершенно или их внутреннее содержимое окрашивается неравномерно. Изучалось 2000–2500 образцов каждой пробы. Количественные показатели исследуемых объектов определялись как частота встречаемости стерильных или фертильных пыльцевых зёрен, выражаемая в процентах от общего количества исследуемой пыльцы. Ранее характеристики пыльцы Betula pubescens изучались Н. А. Елькиной (2008) с целью сравнения качества пыльцевых зёрен берёзы из разных районов города. По этим данным доля фертильной пыльцы варьирует от 46 до 92 %. Самое низкое качество пыльцы наблюдается в образцах, отобранных вблизи крупнейших промышленных предприятий города, в частности, ОАО «Петрозаводскмаш» и ООО «Севербуммаш», а также прохождения оживлённых автомобильных трасс и железной дороги. Это район проспекта Октябрьский, верхняя часть улицы Чапаева, Ключевское шоссе, улица Судостроительная, проспект Комсомольский. В пробах пыльцы из районов, расположенных вблизи проспекта Ленина, улицы Гоголя (центральные части города), Лососинского шоссе (периферийный район) количество фертильных пыльцевых зёрен было выше. В микрорайоне Зарека (граничит с центральной частью города) и посёлке Соломенное (периферийный район) количество фертильной пыльцы 69 превышает 90 % и близко к контрольному образцу из экологически благоприятного района озера Сямозеро, где отмечено наиболее высокое содержание фертильной пыльцы – около 95 % (Елькина, 2008). На фоне такого большого разброса предшествующих данных, значения фертильности/стерильности пыльцы, полученные в результате наших исследований, весьма близки между собой, имеют «сглаженный» характер. Это обусловлено разным подходом к отбору проб: Н. А. Елькиной пробы пыльцы отбирались на участках, находящихся в непосредственной близости от автомобильных дорог, нами же собиралась пыльца с деревьев, расположенных в пределах территорий детских площадок или вблизи них, как правило, в глубине кварталов. То есть фактор влияния автомобильного транспорта максимально минимизировался. Таблица 9. Показатели качества пыльцы Betula pubescens вблизи игровых площадок детских дошкольных учреждений Расположение и номера учреждений Количество Количество Содержание исследованных стерильных фертильных пыльцевых пыльцевых пыльцевых зёрен, зёрен, зёрен, зёрен, ед. ед. зёрен, ед. ед. зёрен, % Улица Зелёная, № 110 2759 459 83,4 Улица Калевалы, № 104 2386 386 83,8 Проспект Октябрьский, № 107 2165 165 92,4 Улица. Сегежская, № 115 2477 277 88,8 Улица Сусанина, № 35 2482 381 84,6 Улица Сыктывкарская, № 108 2158 158 92,7 Улица Интернационалистов, № 118 2126 126 94,1 Улица Кирова, № 26 2482 282 88,6 Улица Железнодорожная, № 34 2238 238 89,4 Улица Шотмана, № 93 2281 281 87,7 Улица Сортавальская, № 99 2183 183 91,6 Среднее значение 88,8 70 Для пыльцы берёзы в изученных образцах характерны незначительные колебания показателя фертильности относительно среднего значения, равного 88,8 % – от 83,4 до 94,1 % (табл. 9). При этом контрольная проба, отобранная в экологически чистом районе (Елькина, 2008), содержит 94,9 % фертильной пыльцы. При таких относительно близких значениях можно отметить некоторые различия: наименьшее количество фертильной пыльцы обнаружено вблизи детских площадок, расположенных в микрорайоне Перевалка (улица Зелёная), улицы Калевалы (район вблизи завода ОАО «Петрозаводскмаш»), микрорайоне Ключевая (улица Сусанина) – 83–85 %, несколько больше – в районах улиц Сегежской, Железнодорожной, Шотмана, Кирова – до 88–89 %. Наиболее высокое качество пыльцы установлено вблизи детских площадок на улицах Сыктывкарской, Интернационалистов (непромышленный микрорайон Древлянка) и проспекте Октябрьском (район улицы Московской). В 2010 г. на территории г. Петрозаводска проведён палинологический анализ пыльцы Rosa rugosa. Отобрано 23 образца и образец из экологически чистой зоны (контрольный в табл. 10). В 2011 г. проведён повторный отбор образцов в тех же точках, отсутствует проба по улице Коммунистов, 50 ввиду утери (сноса) исследуемого объекта. Методика отбора образцов и их обработки сохранена, кроме используемого консерванта – вместо 70 % спирта в 2011 г. использован раствор Кларка (смесь 96 % спирта и уксусной ледяной кислоты), что, в принципе, совершенно не влияет на результаты анализа и может быть использовано в дальнейшем. Отмывание образцов производилось 70 % спиртом, образцы сливались через сито 0,25 мм, что позволило удалить ненужные для просмотра крупные объекты, и центрифугировались. Это существенно упростило подсчёт пыльцевых зёрен и дало возможность усреднить полученные результаты. Производился подсчёт более 500 пыльцевых зёрен каждой пробы в случайно выбранных полях зрения. Результаты представлены в табл. 10. В целом по городу отмечено, что за год среднее количество стерильных зёрен не изменилось – 13,7 и 13,3 % (p(lg) > 0,05), тератоморфных – значимо увеличилось с 5,8 до 10,8 % (p < 0,01). Наиболее высокое качество пыльцы по данным двух лет наблюдений выявлено на участках, соседствующих с 71 естественными (лесными) территориями (жилые районы города, располагающиеся в отдалении от автодорог, предприятий и центра города) – 2,3–14,5 % стерильных зёрен. Высокое содержание стерильной пыльцы выявлено вдоль автомобильных дорог с большой пропускной способностью, а также вблизи авторемонтного предприятия и железной дороги – превышение средних значений до 6,8 раза. Высок уровень тератоморфности пыльцы шиповника в пробах, отобранных вблизи железной дороги, а также в некоторых селитебных районах города. Максимальное отклонение от средних значений для этих проб составляет 2,4 раза. Таблица 10. Данные палинологического анализа за 2010–2011 гг. Местонахождение образца Улица Антикайнена, 2 Улица Антикайнена, 30 Улица Красноармейская, 46 Проспект Ленина, 15 Улица Красная, 47 Улица Разина, 3 У моста через реку Неглинку по улице Антикайнена Проспект Первомайский, 10 Улица Московская, 11 Улица Кирова, 46 Улица Островского, 6 Улица Путейская, 3 Улица Матросова, 3 Улица Коммунистов, 50 Улица Кооперативная, 8 Улица Мерецкова, 3 Проспект Карельский, 18 Улица Питкярантская, 2 Улица Ровио, 1 Улица Сыктывкарская, 25 Количество Содержание Содержание исследуемых ледуемых стерильных исс тератоморфных пыльцевых пыльцевых зёрен, зёрен, % зёрен, зёрен, зёрен, ед. ед. зёрен, % 2010 715 1183 846 1723 760 716 2011 2010 2011 762 9,7 7,4 590 95,0 75,8 824 6,2 9,0 746 7,0 4,4 782 9,1 6,3 773 11,0 5,7 1155 510 3,5 887 1198 1361 802 743 1608 790 974 1253 770 946 1104 670 665 736 682 652 817 811 13,3 8,1 34,0 19,3 27,0 60,0 19,2 15,5 11,8 14,5 8,6 11,5 11,5 72 – 568 588 598 700 508 883 2010 0,8 1,4 11,8 2,0 3,0 1,3 2011 1,8 14,1 16,5 20,5 5,1 8,3 15,1 5,6 6,9 10,5 11,8 12,6 13,3 26,1 81,6 10,3 5,5 2,8 12,0 11,8 1,1 13,8 4,0 6,0 10,3 15,0 4,1 3,9 18,0 14,3 14,1 19,0 13,5 4,9 – 25,2 31,3 13,4 6,7 11,8 9,3 – 13,4 17,7 8,0 14,3 4,3 1,7 Окончание табл. 10 Местонахождение образца Проспект Лесной, 11 Шоссе Соломенское, 16 Улица Сусанина, 30 Средние значения Стандартное отклонение/ стандартный множитель Минимальные значения Максимальные значения Контрольный образец, пос. Ледмозеро Количество исследуемых пыльцевых зёрен, зёрен, ед. ед. 2010 2011 823 770 1267 803 521 665 Содержание Содержание стерильных х тератоморфных тератоморфны пыльцевых зёрен, зёрен, % зёрен, зёрен, % 2010 2011 2010 2011 2,3 4,2 3,0 11,2 9,3 4,1 1,5 1,1 95,0 75,2 11,1 9,9 992 702 13,7 13,3 6,2 10,8 302 104 2,54 2,48 4,6 5,8 521 1723 508 883 2,3 95,0 4,1 81,6 0,8 15,0 1,1 20,5 556 679 1,7 2,5 3,78 4,4 2010 г. по сравнению с 2011-м был более сухим и тёплым, что, очевидно, нашло своё отражение в значениях показателя стерильности пыльцы, а увеличившаяся её тератоморфность может быть связана с поступлением в атмосферу и почвы загрязняющих веществ в результате увеличения выбросов автомобильного транспорта. Так в точке опробования на перегруженном автотранспортом проспекте Ленина, имевшем большое количество дефектов в дорожном покрытии, тератоморфность возросла более чем на 900 % (см. табл. 10). Установлено, что корреляционная связь между значениями показателя стерильности пыльцы произрастающей в городе Betula pubescens и содержания Pb в сопряжённом верхнем почвенном горизонте (13–61 г/т) не является статистически значимой (r = 0,51 при rкрит. = 0,71; P = 95 %, f = 6). Это может свидетельствовать о недостижении предельных в отношении фитотоксичности концентраций данного металла на обследованных участках. Значения коэффициентов корреляции (r) выше уровня значимости зафиксированы между показателем стерильности и содержанием: Cu (0,78), Be (0,76), Sr (0,76), хотя концентрации этих элементов в почвах довольно «спокойные» (не выше 39, 1,3 и 260 г/т соответственно). Для показателя стерильности пыльцы Rosa rugosa отмечена значимая положительная корреляционная связь со значениями 73 концентраций ещё большего числа элементов, в том числе (при rкрит. = 0,41; P = 95 %, f = 21): Cu (0,55), Co (0,48), Sr (0,47), Ti (0,47), Sc (0,47), V (0,46), Yb (0,46), Y (0,44). В этом ряду, как и в случае Betula pubescens, обращает на себя внимание Cu. Её максимальная концентрация в данном случае достигает 78 г/т. Этот элемент рассматривается как сильно токсичный для растений. Таким образом, изучение реакции пыльцевых зёрен широко распространённых в пределах г. Петрозаводска древесных растений (Betula pubescens и Rosa rugosa) показало очевидное влияние процесса загрязнения на показатели её фертильности и тератоморфности. Выявлено три основных обстоятельства: 1) фертильность пыльцы Betula pubescens несколько повышается в районах, в меньшей степени подверженных антропогенному воздействию (удалённых от промышленных предприятий и транспортных коммуникаций); 2) в течение 1 года (2010–2011) тератоморфность пыльцы Rosa rugosa, произрастающего в г. Петрозаводске, значимо увеличилась, вероятно, из-за возросшей нагрузки вредными выбросами автотранспорта, в то время как изменение показателя стерильности могло быть компенсировано более благоприятными климатическими условиями 2011 г.; 3) отмечена корреляционная связь между показателями стерильности пыльцы обоих изученных растений и значений концентраций ряда тяжёлых металлов в почвах в местах их произрастания (при этом выделяется Cu, обычно сильно токсичная для растений). Особое внимание уделялось изучению территорий детских дошкольных учреждений. Большинство игровых площадок детских садов расположено в окружении дворовых территорий, и почва здесь, как правило, защищена зданиями от вредных выбросов проходящего по городу автотранспорта. Загрязнение в этих местах обусловлено главным образом выбросами автотранспорта, сосредоточенного на дворовых стоянках, и аэрозольным загрязнением. Для уменьшения вредного воздействия загрязняющих веществ целесообразно окружать детские игровые площадки зелёными насаждениями, выполняющими важнейшие средозащитные и средообразующие функции, размещать автотранспорт в отдалении от этих площадок. 74 3.5. Оценка экологического состояния г. Петрозаводска по данным загрязнения снежного покрова и почв Районирование территории г. Петрозаводска по её экологическому состоянию проводилось с целью выявления районов, нуждающихся в мероприятиях, направленных на изменение негативного состояния, а также рационального градостроительного использования. Учёт степени экологической опасности и экологического риска территорий позволяет на различных участках оценить масштаб загрязнения природных сред, которое приводит к ухудшению здоровья населения или создаёт опасность для жизнедеятельности биоты. Мероприятия, направленные на уменьшение риска воздействия опасных процессов на население, должны проводиться как с позиции уменьшения степени опасности (рекультивация территорий, контроль выбросов предприятий, ликвидация экологически вредных предприятий), так и увеличения защищённости человека (постоянный медицинский контроль, профилактические мероприятия и т. д.) (Москва…, 1997). Рис. Рис. 26. Схема эколого-геохимического состояния и палинологический анализ территории г. Петрозаводска 75 На рис. 26 дана геохимическая оценка экологической опасности территории г. Петрозаводска, проведённая на основании учёта загрязнения снежного покрова и почв (см. разд. 3.1–3.3), а также оценки состояния наземной растительности (см. разд. 3.4). В основу схемы положено районирование территории по категориям уровня загрязнения основных депонирующих сред. Территория города разбита на участки преимущественно по их функциональному использованию, которым в соответствии с табл. 11 присваивались баллы. Участки, в пределах которых нет точек наблюдения, оценивались в соответствии с интерполяционными данными и по аналогии с подобными близлежащими участками. По полученным баллам территория разделяется на зоны с низкой (0–3 баллов), средней (4–6 баллов) и высокой экологической опасностью (7–9 баллов). Палинологические данные за 2010 г., наложенные на схему экологической опасности, хорошо сопоставляются с полученными результатами. Таблица 11. 11. Баллы для геохимической оценки экологической опасности Уровень загрязнения загрязнения Уровень загрязнения почв снега Суммарно Суммарно Pb Zn As Cd Cu Sb 1 класс 2 класс опасности опасности 0 баллов Низкий Низкий 1 балл Средний Средний 2 балла Высокий Высокий 3 балла Очень высокий Очень высокий Зоны с низкой экологической опасностью занимают примерно 35 % городской территории. Главным образом они подходят для организации рекреационной деятельности и создания охраняемых природных территорий. При соблюдении природоохранных мер допустимо гражданское строительство, в основном жилищное, и строительство экологически безопасных промышленных объектов. Для предотвращения экологической опасности на данных участках следует проводить комплексный мониторинг по разреженной сети с определением возможных приоритетных загрязнителей. К зонам со средней экологической опасностью относятся участки со средним и высоким уровнем загрязнения почв и снега 76 по отдельным компонентам. Такие участки занимают около 60 % территории города и выявлены в пределах Северной промзоны, микрорайона Перевалка и улицы Чапаева, центра города, микрорайонов Зарека и Ключевая. В периферийных частях – это территории с повышенным содержанием As в почвах. В центральных частях увеличивается содержание технофильных элементов. Эти участки можно использовать под гражданское строительство с определёнными ограничениями, а также под строительство промышленных предприятий при условии строгого нормирования сбросов и выбросов, проведении природоохранных мероприятий, а также при условии их размещения не в центральных частях города. Основными рекомендациями по предотвращению увеличения экологической опасности на данных территориях являются меры по обеспечению контроля организованных и неорганизованных выбросов, снижение выбросов автотранспорта, ликвидация несанкционированных свалок. Особое внимание в данных зонах необходимо уделить изучению распределения As в почвах и почвообразующих породах. Густоту сети мониторинга и периодичность наблюдений на этих территориях целесообразно не разрежать. К зонам с высокой экологической опасностью относятся примерно 5 % территории города, характеризующиеся высоким уровнем загрязнения почв и снега. Такие территории выявлены в пределах улиц Ватутина–Чкалова, территории Ветлечебницы. В основном эти зоны сформированы за счёт высокого содержания в почвах As. Загрязнение участков в пределах промзон в районе улиц Антонова – Судостроительной, а также бывшей площадки Онежского тракторного завода – улиц Луначарского и «Правды» сформированы за счёт повышенных концентраций Pb, Sb, Cu и некоторых других элементов в почвах. В пределах данных участков в настоящее время не рекомендуется строительство новых жилых, социальных и промышленных объектов без проведения специальных работ по ликвидации загрязнения. К мероприятиям, направленным на предотвращение или уменьшение дальнейшего загрязнения окружающей среды, относятся: ликвидация источников загрязнения или уменьшение их влияния, в том числе рекультивация загрязнённого грунта и его утилизация в соответствии с действующими нормативами, сокращение выбросов от автотранспорта, озеленение территории, ликвидация несанкционированных свалок. Мониторинг на этих 77 территориях следует проводить по сгущённой сети наблюдательных пунктов. Перечень контролируемых компонентов должен быть максимально широким для выяснения всего спектра загрязняющих веществ. Таким образом, изложенные в настоящей главе научные данные свидетельствуют о различных путях поступления в окружающую среду г. Петрозаводска загрязняющих химических элементов, а также неравномерном характере их распределения по территории города. Загрязнение природного происхождения может быть связано с наличием зон, в том числе не затронутых интенсивной хозяйственной деятельностью, с высоким содержанием в почвах As. Техногенное загрязнение такими элементами как Pb, Sb, Zn, Sn, Cd, Cu, Cr, Mo, W, Co, V Mn приурочено к зонам влияния промышленности и объектов транспортной инфраструктуры. Данные исследования снежного покрова свидетельствуют о продолжающемся загрязнении атмосферы города всеми перечисленными тяжёлыми металлами. Некоторые из них, прежде всего Zn и Cu, образуют в снежном покрове города источник повышенной экологической опасности для водных объектов рыбохозяйственного назначения. К таким объектам относятся Онежское озеро (Петрозаводская губа) и озеро Логмозеро. В ходе дальнейших палинологических исследований для контроля динамики растительности в условиях загрязнения рекомендуется проведение наблюдений состояния пыльцы растений ежегодно на протяжении длительного интервала времени (нескольких лет). Эти наблюдения целесообразно проводить в комплексе с получением данных по загрязнению почв и самой растительности. В прикладном плане основное внимание при ведении городского хозяйства и строительстве должно быть обращено на безопасную утилизацию загрязнённого снега, рекультивацию техногенно загрязнённых участков, обезвреживание загрязнённых в результате производственной деятельности почво-грунтов. При ведении земляных работ любого назначения, сопровождающихся перемещением грунта, необходим контроль как техногенного, так и природного загрязнения. ГЛАВА 4 . ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ Э КОСИСТЕМ И СВЯЗАННЫЙ СВЯЗ АННЫЙ С НИМ РИСК ИЗМЕНЕНИЯ РАЗНООБРАЗИЯ ВОДНОЙ ВОДНОЙ БИОТЫ БИОТЫ Экологический риск может возникать в результате загрязнения водных экосистем, являющихся приёмниками как водного, так и химического стока с прилегающих водосборов. По этой причине не вызывает сомнений важность исследований в загрязнённых районах химических характеристик водных объектов для дальнейшей оценки риска воздействия на водную биоту. Потоки загрязняющих веществ на пути в конечные водоёмы стока (моря и океаны) с разной степенью интенсивности перехватываются континентальными водными экосистемами. В результате колебаний химического состава среды обитания происходят изменения сообществ водных организмов. В качестве важнейших индикаторов загрязнения при исследовании таких изменений часто используются микроводоросли, в том числе диатомовые комплексы (Кучерова, 1969; Саут, Уиттик, 1990; Галицкая и др., 2002; Комулайнен, Чекрыжева, 2009). Следует отметить, что микроводоросли (фитопланктон) располагаются в основании трофической пирамиды и, соответственно, определяют состояние экосистем водных объектов, в которых они обитают. С. С. Баринова и др. (2006), основываясь на данных отечественной и зарубежной литературы, составили большой перечень видов водорослей-индикаторов органического загрязнения, закисления и засоления водоёмов и водотоков. Всего в представленной авторами базе данных собрано около 7 тыс. видов водорослей, в том числе диатомовых, характеризующих различные показатели среды обитания, включая солёность, кислотность и сапробность водной среды. Со своей стороны, неорганическое химическое загрязнение водных объектов может быть важным дополнительным фактором, воздействующим на диатомовые комплексы, требующим своего изучения для более полного понимания процессов, происходящих в техногенно изменённых водных системах. В значительных концентрациях загрязняющие вещества могут накапливаться в донных осадках, в том числе небольших рек и водохранилищ. Донные осадки принято считать интегральным индикатором техногенной нагрузки на водные 79 объекты (Трофимов и др., 2000). Отмечается экологическая опасность возможного вторичного загрязнения вод в результате поступления токсикантов из загрязнённых донных осадков при изменении условий водного объекта (Кондратьева, 2000). Возможен перенос тяжёлых металлов с глинистым и органическим материалом на пойменные почвы в результате наводнений (Middelkoop, 2000). Преимущество донных осадков как объекта исследования загрязнения окружающей среды подтверждено многими работами на Северо-Западе России (Белкина, 2001 и др.; Даувальтер, 2005; Петрова, 2005; Иванская, 2006). Донные осадки являются, в отличие от водной среды, относительно инертной системой, несущей важную информацию как о загрязнении экосистем, так и о развитых в них диатомовых комплексах. В связи с этим в настоящей работе ставится задача определения реакции комплексов современных диатомовых водорослей, створки которых участвуют в процессе текущего осадконакопления совместно с другим осадочным материалом, на загрязнение некоторыми химическими элементами. В качестве примеров рассматриваются особенности загрязнения экосистем рек Лососинки, протекающей по урбанизированной территории г. Петрозаводска, и Шуи – на участке течения в нескольких километрах от городской черты. Рассмотрены вопросы связи микроэлементного состава донных осадков рек и состояния диатомовых комплексов как важной составной части водных экосистем. 4.1. Загрязнение донных осадков и состав диатомового комплекса городской реки Лососинки Река Лососинка – типичный городской водоток, принимающий загрязнённые стоки урбанизированной территории. В своей нижней части она включает небольшое водохранилище и зону перехода от руслового гидрологического режима к режиму с относительно замедленным водообменом (далее – переходная зона). Водохранилище и переходная зона расположены между двумя автодорожными мостами, один из которых совмещён с плотиной бывшей малой ГЭС (рис. 27). Расстояние от верхней точки переходной зоны до плотины составляет 460 м, между берегами – от 20–45 м в переходной зоне 80 и до 170 м в средней и нижней частях водохранилища. Протяжённость переходной зоны около 170 м, однако, при регулировании стока на гидротехнических сооружениях, происходит смещение её нижней границы в связи с изменениями скорости течения воды в верховой части водохранилища. Условные обозначения: – условные границы частей водохранилища – автодорожные мосты ◙ – выпуски ливневой канализации ▲ – место забора воды для фонтана ▓ – фундамент фонтана ● – точки отбора проб Рис. Рис. 27. 27. Схема отбора проб донных осадков, условные границы частей водохранилища (В – верховая, С – средняя, Н – нижняя части), П – переходная зона от речного гидрологического режима к режиму водохранилища, ЩБ – местоположение щелочного гидрохимического барьера Вода через быстроток в нижней части водохранилища сбрасывается в Петрозаводскую губу Онежского озера. В весенний период принимаются меры по контролю прохождения паводковых вод и поддержанию нормального гидрологического режима. Небольшой сброс с целью сохранения уровня водохранилища осуществляется летом. Значительный выпуск воды производится в конце летнего – начале осеннего периодов. При этом регулирование стока приводит к существованию открытых участков илисто-глинистого дна в течение всего осеннего периода. 81 Рассматриваемая водная система подвергается значительному загрязнению городскими сточными водами. Загрязняющие вещества, прежде чем попасть в водохранилище, поступают с водосбора в реку на протяжении 5 км (3 км – по интенсивно застроенной территории), в том числе из 15 контролируемых выпусков необорудованной очистными сооружениями ливневой канализации. Существуют и неконтролируемые выпуски. Два выпуска, в том числе один контролируемый, имеется в нижней части водохранилища. На этом же участке расположен водозабор для фонтана, установленного на фундаменте в средней части водохранилища (рис. 27), способный при сезонном функционировании в определённой степени перераспределять поступающие загрязнители (локальный и временный фактор взмучивания осадка). Ежегодно в воде реки фиксируются (Государственный доклад…, 2009) концентрации тяжёлых металлов (Fe, Cu), превышающие предельно допустимые, принятые санитарными нормами и правилами. А. В. Горохов и Л. П. Марченко (2004) в ходе многолетних наблюдений отмечали концентрации Mn до 20 ПДКр.х. и Zn до 15 ПДКр.х., а также некоторый рост содержания Cu и Pb в воде в устьевой части реки Лососинки. Полученные данные они связывали с антропогенным воздействием в результате локального переноса загрязняющих компонентов внутри техногенного купола урбанизированной территории. В таких условиях целесообразность изучения донных осадков на тех же самых участках очевидна. Пробы взяты из приповерхностного (0–3 см) слоя донных осадков в сентябре 2007 г. Для исследования выбраны свободные от воды участки дна. Отсутствие воды на них обеспечило исключение потерь осадка при пробоотборе. Часть проб отобрана по всей протяженности мелководной зоны водной системы на расстоянии от 0,5 до 15 м от границы зоны затопления. Шаг отбора проб параллельно береговой линии 40–80 м (рис. 27). Другая часть проб отобрана в точках профилей, пересекающих зону аккумуляции иловых наносов в средней части водохранилища. Наибольшая глубина обследованной части зоны аккумуляции достигает 2+0,5 м в расчёте на условия поддержания нормального подпорного уровня. Материал образцов – глинистоалевритовый иловый в некоторых случаях с примесью более 82 крупных частиц песчаного аллювия, развитого по правому берегу водохранилища (зона пляжа). Отбор и предварительная обработка осуществлялись согласно опубликованным рекомендациям (Методические рекомендации…, 1982а). Для анализа микроэлементов взято 49 проб, для 16 из них также выполнен диатомовый анализ. В каждой из проб с помощью стандартного сита выделена глинисто-алевритовая фракция (частицы размером < 0,1 мм), взаимодействующая со всей толщей воды реки и водохранилища при переносе во взвешенном состоянии. С другой стороны, сорбирующие свойства глинисто-илового материала фракции также способствуют накоплению химических элементов, включая потенциально опасные, в донных осадках при их взаимодействии с придонными водами и содержащимися в них химическими компонентами. Таким образом, гранулометрическая фракция < 0,1 мм способна адекватно характеризовать загрязнение донных осадков потенциально опасными элементами, являясь наименьшим из возможных компромиссов между самым полным определением всех загрязнений и экспрессностью подготовки проб к анализу. Размеры створок диатомей (до 0,1 мм) также предполагают их сосредоточение в выделенной гранулометрической фракции. Всего использовались валовые концентрации 20 элементов (Bi, Ti, V, Li, Be, P, Cd, Zn, As, Sb, Hf, Zr, Pb, Rb, Cs, Sr, Cr, Ni, Mn и Cu), определённые в глинисто-алевритовой фракции донных осадков (далее – донных осадках) методом ICP-MS в аналитической лаборатории Института геологии Карельского научного центра РАН. Для трёх проб в лаборатории лесного почвоведения и микробиологии Института леса Карельского научного центра РАН получены концентрации подвижных (доступных биоте) форм тяжёлых металлов (Zn, Cu, Ni, Cd, Pb). Три пробы донных осадков, отобранные на примыкающем к водохранилищу участке с русловым гидрологическим режимом, послужили для получения условных фоновых концентраций элементов (рис. 28). Схема отбора проб на диатомовый анализ приведена на рис. 28. В ходе анализа применялся электронный сканирующий микроскоп (микрозонд TESCAN). В качестве параметров, проверяемых на изменение под воздействием загрязнённой тяжёлыми металлами и As среды обитания, использовались: 83 численность створок группировок и отдельных видов и разновидностей диатомовых водорослей (в %), относительное количество таксонов в пробах, индексы разнообразия Симпсона и Маргалефа. Условные обозначения: ● – точки отбора проб на диатомовый анализ в зоне аккумуляции ○ – точки отбора проб на участке с русловым гидрологическим режимом Рис. Рис. 28. 28. Схема отбора проб донных осадков на диатомовый анализ и контрольных проб, части водохранилища (В – верховая, С – средняя, Н – нижняя части), П – переходная зона от речного гидрологического режима к режиму водохранилища Для получения корректных значений средних и дисперсий с помощью показателей асимметрии (KA) и эксцесса (KE) осуществлялась проверка гипотез о нормальности распределения концентраций химических элементов и численности диатомей. Получаемые выборки проверялись на однородность с помощью F- и t-критериев. Между значениями концентраций элементов, логарифмов концентраций, количественными показателями состава диатомового комплекса рассчитывались парные коэффициенты корреляции, статистическая значимость которых устанавливалась при P = 95 % и соответствующем числе степеней свободы (f). Для расчётов и графических построений применялся пакет «Анализ данных» программы Microsoft Excel. Для определения значений pH воды реки и жидкой фазы донных осадков вблизи границы переходной зоны с 84 водохранилищем использовался pH-тестер PCE-pH20S (точность +0,07 pH в диапазоне 5…9 pH). Замеры сделаны в послепаводковый период в конце второй декады мая 2012 г. у левого и правого берегов водохранилища при максимальном подпорном уровне воды. Загрязнение донных осадков Исследованы три выборки значений концентраций микроэлементов в донных осадках: для проб, отобранных на мелководье прибрежной зоны (n1 – у правого берега, n2 – у левого берега) и отобранных в глубинной части зоны аккумуляции иловых наносов в средней части водохранилища (далее – зона аккумуляции) – n3. Их сравнительная характеристика дана в табл. 12. Поскольку в донных осадках зоны аккумуляции выявлены статистически аномально высокие и аномально «низкие» концентрации Cd (3,6 и 1,84 г/т соответственно), Hf (5,96–7,09 и 3,22 г/т) и Zr (295 и 109 г/т), из табл. 12 исключены три «аномальные» пробы, а объём выборки составил n3 = 26. Проверка однородности выборок, характеризующих мелководные условия правого и левого берегов рассматриваемой водной системы, показала значимость различий выборочных дисперсий для Ti, Ni, Sb, Hf, lgV и Bi (p < 0,05). Для других изученных элементов различия дисперсий и средних значений незначимы (p > 0,05). Указанные соотношения для Ti, Sb, Hf, lgV и Bi связаны лишь с одной пробой, отобранной в нижней части водохранилища. Особенностями этого участка являются: искусственная нестабильность скорости движения воды в связи с близостью к регулирующим механизмам плотины, нахождение вблизи места сброса ливневых стоков, наличие места забора воды для фонтана, примыкание к откосу автодороги (рис. 27). Донные осадки в этом месте характеризуются высоким содержанием (г/т): V (218), Ti (9650), Cd (2,94) и Hf (6,68), в минимальных количествах в них содержатся (г/т): Li (10,4), P (911), Pb (21,8), Rb (39,2), Cs (0,68), Bi (0,088) и Mn (1375). Исключение данной «аномальной» пробы из расчётов позволило получить для объединения однородные выборки, в которых дисперсии и средние концентрации (логарифмы концентраций) по 19 элементам отличаются статистически незначимо (p > 0,05). 85 Элементы Таблица 12. 12. Средние значения концентраций элементов в донных осадках, выборочные дисперсии, значения F- и t-критериев Мелководье, Мелководье, Мелководье, Мелководье, правый берег левый берег (n1 = 10) (n2 = 10) xср. ср. S2 (S2lg) xср. ср. S2 (S2lg) Мелководье, Мелководье, оба берега (n1–2 = 19) xср. ср. S2 (S2lg) Зона аккумуляции (n3 = 26) 26) xср. ср. F t S2 (S2lg) Bi 0,172 0,0010 0,179 0,0038 0,180 0,0019 0,202 0,0015 1,32 1,77 Cd 2,50 0,039 2,50 0,039 2,46 (0,0021) 2,52 (0,0006) 3,32 – Sb 3,94 4,968 3,82 1,055 3,55 (0,0298) 3,09 (0,0040) 7,49 – As 11,0 10,82 11,5 10,09 11,5 Hf 5,20 0,262 5,18 1,151 5,06 (0,0036) 4,64 (0,0006) 5,60 9,08 12,4 5,93 1,53 1,04 Mn 4390 (0,072) 4120 (0,066) 4510 (0,0554) 3680 (0,0172) 3,22 Pb 40,4 76,44 43,6 180,4 43,1 107,5 50,3 13,94 7,71 Zn 208 1725 208 2358 211 1880 228 396,9 4,74 P 2080 267984 1940 388906 2070 263477 2310 51809 5,09 Cu 78,5 (0,0047) 83,5 (0,0040) 81,4 (0,0045) 86,3 (0,0018) 2,54 V 120 (0,0024) 130 (0,0098) 121 (0,0031) 117 (0,0004) 7,41 Ti 5570 1074708 5950 6192599 5380 (0,0117) 4610 (0,0025) 4,66 – – – – – – – – – Zr 182 680,3 189 2080 180 (0,0058) 172 (0,0011) 5,13 Cr 64,6 47,99 70,4 155,2 67,1 (0,0043) 75,3 (0,0046) 1,06 2,50 Ni 39,6 16,48 44,0 91,81 – Sr 262 667,5 235 1041 248 1065 Li 17,3 13,35 16,6 20,33 17,3 Be 1,13 0,008 1,10 0,012 1,12 Rb 51,2 22,38 49,6 49,17 50,7 (0,0022) 55,1 (0,0003) 6,27 – – – – 1,22 0,070 1,24 0,140 1,26 – Cs 50,37 3,06/ –/ 1,82 0,32 240 220,3 4,83 14,48 20,3 2,09 6,93 0,009 1,21 0,002 5,28 p < 0,01 43,1 0,087 1,39 0,018 4,82 Примечания. Примечания. 1. xср – среднее значение концентраций (г/т): арифметическое для нормального и геометрическое для логнормального распределений, S2 – дисперсия, S2lg – дисперсия значений логарифмов. 2. Для Sb n3 = 25 ввиду наличия статистически аномального значения 6,77 г/т (участок загрязнения в зоне пляжа). 3. F и t – критерии проверки однородности выборок n1–2 и n3; критические значения: Fт. = 2,14 и 2,04; tт. = 2,02 (p ≤ 0,05). 4. Для Ni приведены значения F- и t-критериев отдельно по выборкам n1–n3 и n2–n3: Fт. = 2,89 и 2,28; tт. = 2,03 (p ≤ 0,05). 5. Результаты двухвыборочного t-теста приведены для одинаковых дисперсий. 86 Выборочные дисперсии имеют значимые различия только по Ni (p < 0,01), кларк концентрации (KK) которого мал и варьирует по всей прибрежной зоне мелководья от 0,5 до 1,1. Оценка сопоставимости данных по прибрежной зоне мелководья и зоне аккумуляции показывает значимость различий выборочных дисперсий почти для всех изученных элементов (см. табл. 12). Эти различия свидетельствуют о более существенных колебаниях концентраций в донных осадках прибрежной зоны водной системы по сравнению с опробованной зоной аккумуляции. Степень различий снижается по мере убывания величины F-критерия с 7,71 до 2,54 при Fт. = 2,14 и 2,04 в ряду: Pb>Sb>V>Li>Rb>Hf>Be>Zr>P>Sr>Cs>Zn>Ti>Cd>Mn>Cu. Для As, Bi и Cr различия дисперсий незначимы (F = 1,53–1,06), но имеется значимое различие средних концентраций Cr (p < 0,05). В донных осадках водохранилища происходит относительное по сравнению с примыкающим участком с русловым гидрологическим режимом накопление Pb, P, Zn, As, Cr, Ni (табл. 13). При этом различия средних концентраций Pb, P, Zn, Crlg и Ni (так же как и Rblg, Li и Cs) статистически значимы (p < 0,05) при незначимых различиях дисперсий (p > 0,05), для As также значимо различие дисперсий (p < 0,05). Для Mn, Zr, Cdlg, Hf и Cu все различия статистически незначимы (p > 0,05). В водохранилище статистически значимо меньше чем в русловой части накапливается V и Ti. Для донных осадков предельно допустимые или ориентировочно допустимые концентрации (ПДК/ОДК) не разработаны, поэтому в табл. 13 для оценки их загрязнения приведены значения ПДК/ОДК для почв (Предельно допустимые…, 2006; Ориентировочно допустимые…, 2009) и кларков по А. П. Виноградову (Войткевич и др., 1990). Почти во всех случаях пробы изученных донных осадков загрязнены Zn, Pb, Cu, Ni, Mn, As и Cd сверх норматива. Содержание V и Sb ниже ПДК/ОДК. Содержание Cd, As, Sb, Hf, Mn, Pb, Zn, P, Cu и V превышает кларки во всех исследованных пробах. Концентрации Zr выше кларка в 50 % случаев, Cr – в 12 % и Ni – в 6 %. Не превышают кларковых значений ни в одном случае концентрации редких литофилов Li, Rb, Cs и Sr. В табл. 14 и 15 приведены результаты линейного корреляционного анализа данных о концентрациях (логарифмах 87 концентраций) химических элементов в выборках, характеризующих донные осадки мелководной зоны (табл. 14) и зоны аккумуляции (табл. 15). Таблица 13. Отличие значений средних (xср.) и пределов (xmin–xmax) концентраций химических элементов в донных осадках зоны аккумуляции реки Лососинки от значений фоновых концентраций, кларков и ПДК/ОДК xmin–xmax, xср. ПДК,, ОДК*, *, ср., ларк,, г/т ПДК ОДК xф., г/т Кларк Элемент г/т г/т г/т Li 20,3 16,9– –23,1 11,7 32 – P 2310 1800– –2670 1370 930 – V 117 105– –127 155 90 150 Ti 4610 3840– –5600 8140 4500 – Cr 75,3 60,4– –116 56,1 83 – Mn 3680 1780– –6100 3630 1000 Ni 43,1 35,6– –62,3 33,6 58 Niподв. подв. 1,36 1,22– –1,54 – Cu 86,3 65,7– –102 80,2 Cuподв. подв. 6,52 6,47– –6,58 – Zn 228 181– –260 156 Znподв. подв. 44,8 42,2– –46,5 – – 23,0 As 12,4 7,92– –18,7 8,3 1,7 2,0 Sr 240 209– –266 278 340 – Zr 172 149– –201 188 170 – Cd 2,52 2,33– –3,00 2,28 0,13 0,5– –2,0* Cdподв. подв. 0,35 0,33– –0,39 – – 0,2 Sb 3,09 2,43– –4,15 3,30 0,5 4,5 Rb 55,1 51,4– –62,4 42,7 150 – Cs 1,39 1,09– –1,64 0,84 3,7 – Hf 4,64 4,18– –5,32 5,05 1,0 – Pb 50,3 41,1– –56,6 28,6 16 32 Pbподв. подв. 3,27 1,86– –4,72 – – 6,0 – 47 – 83 1500 20– –80* 4,0 33– –132* 3,0 55– –220* Примечания. Примечания. 1. Количество проб в выборке nвал. = 26 (валовые концентрации), nподв. = 3 (концентрации подвижных форм). 2. xф. – средние концентрации элементов на участке с русловым гидрологическим режимом (по 3 точкам). 88 Таблица 14. 14. Корреляционные связи между концентрациями (логарифмами концентраций) химических элементов в донных осадках мелководной прибрежной зоны водной системы приустьевой части реки Лососинки L lgTi V Li Be P lgCd Zn As lgHf lgZr Pb Rb Cs Sr lgMn Cu Bi lgSb lgTi –55 100 V –58 82 100 Li 59 –65 –45 100 Be 28 –54 – 48 82 100 P lgCd Zn 28 33 27 –38 –25 –46 –28 –46 –24 77 –19 85 72 –23 71 100 –11 82 100 –22 100 As lgHf lgZr 11 14 10 –35 00 07 –18 –26 –12 63 –55 –58 67 –50 –59 79 –51 –56 –12 86 80 78 –63 –61 100 –45 –47 100 95 100 Pb 35 –66 –45 86 74 70 –24 85 68 –62 –64 100 Rb 60 –68 –54 96 87 67 –14 74 56 –45 –50 80 100 Cs 54 –65 –42 98 79 77 –19 88 71 –5 6 –58 90 93 100 Sr lgMn Cu –33 –14 09 49 07 –17 22 15 20 –67 22 66 –37 18 47 –46 57 56 16 –15 –46 –73 58 77 –58 68 70 47 –42 –70 41 –37 –64 –71 38 62 –54 04 56 –76 28 73 100 –36 –72 100 43 100 Bi lgSb Cr 33 –02 41 –64 –16 –64 –45 –16 –63 55 –17 23 39 –17 27 35 00 03 –03 22 56 38 –15 10 16 16 25 –29 27 38 –32 19 34 67 –08 33 57 –16 35 56 –11 30 –31 12 –30 –15 14 –10 23 –29 –01 100 –07 26 100 11 Примечания. Примечания. 1. L – расстояние точек отбора проб от верхней точки опробования по направлению вдоль береговой линии (м). 2. Значения коэффициентов корреляции увеличены в 100 раз. 3. Полужирным шрифтом выделены статистически значимые коэффициенты корреляции (rкрит. = 0,46 при P = 95 %, f = 17). Таблица 15. Корреляционные связи между концентрациями (логарифмами концентраций) химических элементов в донных осадках зоны аккумуляции наносов водохранилища в приустьевой части реки Лососинки V 38 100 Li –14 62 100 Be –17 41 54 100 P lgCd Zn –02 45 –12 72 35 62 90 08 96 51 01 48 100 17 89 100 14 100 As 01 24 59 06 42 –17 61 100 Ti V Li Be P lgCd Zn As Hf Zr Pb lgRb Cs Sr Mn Cu Bi Sb lgCr Примечание. Примечание. rкрит. = 0,39 при P = 95 %, f = 24. Hf 42 09 –31 –02 –16 76 –26 –58 100 Zr 31 –15 –28 –17 –30 42 –26 –21 51 100 Pb lgRb Cs –08 –13 –26 61 57 55 88 86 98 38 46 56 79 78 86 03 21 06 90 81 96 57 37 56 –29 –14 –33 –26 –30 –34 100 68 86 100 86 100 Sr 18 04 –41 –09 –21 25 –44 –67 62 15 –45 –03 –44 100 Mn 02 06 44 05 26 14 51 69 –35 09 42 21 46 –79 100 Cu 28 70 73 29 70 17 75 59 –14 00 73 58 66 –33 48 100 Bi –14 46 70 26 51 –08 67 56 –46 –25 66 58 68 –47 41 50 100 Sb 46 05 –30 –29 –38 –07 –22 22 –04 03 –19 –28 –32 –01 00 06 06 100 lgCr 28 15 –09 –14 –18 –11 –06 44 –30 01 –04 –30 –13 –50 33 21 30 57 100 Ni 22 05 07 01 –09 –04 13 52 –25 09 09 –21 06 –67 54 32 29 48 84 Для ряда элементов наблюдается статистически значимая зависимость их концентраций от удалённости по направлению от верхней точки переходной зоны обследованной водной системы к нижней точке водохранилища. Так, для V и Ti эта корреляционная зависимость является обратной и обеспечивается, прежде всего, резким и закономерным снижением концентраций этих элементов в донных осадках переходной зоны (рис. 29). В средней части водохранилища содержание V и Ti стабилизируется, что отражается также на корреляционных связях в выборке, характеризующей зону аккумуляции (см. табл. 15), а в нижней – заметен относительно небольшой разброс концентраций. 12000 180 160 10000 R2(V)=0,79 140 120 100 6000 80 V , г /т Ti, г / т 8000 60 4000 R2(Ti)=0,86 40 2000 Ti V 20 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Р асстоя ние от в ер хней точк и опр обов ания , м Рис. Рис. 29. Распределение Ti и V в донных осадках мелководной прибрежной зоны водохранилища Для Rb, Li и Cs корреляционная зависимость концентраций от удалённости от верхней точки переходной зоны является прямой (см. табл. 14). Представленные на рис. 30 в качестве примеров тренды концентраций Li, Rb и Cs показывают закономерный рост содержания редких литофилов в донных 91 осадках вплоть до средней части водохранилища, в которой изменения концентраций оказываются минимальными и далее резко снижаются. В нижней части водохранилища вновь наблюдается рост концентраций. 60 2,0 R2(Rb)=0,65 2 R (Rb)=0,91 50 1,5 R2(Cs)=0,88 R2(Cs)=0,84 30 1,0 Cs , г / т Li, Rb , г / т 40 20 R2(Li)=0,76 2 0,5 R (Li)=0,88 10 Li Rb Cs 0 0,0 0 100 200 300 400 500 600 700 Р асстоя ние от в ер хней точки опр обов ания , м Рис. Рис. 30. 30. Распределение Li, Rb и Cs в донных осадках мелководной прибрежной зоны водохранилища В целом, как следует из табл. 14, в донных осадках прибрежной зоны Li сопутствуют (по убыванию значений коэффициентов корреляции): Cs>Rb>Pb>Zn>P>Cu>As и др. Все закономерные изменения концентраций элементов в переходной зоне объясняются механической дифференциацией осаждающихся и накапливающихся в донных осадках частиц при замедлении скорости речного потока. Вариации концентраций в нижней части водохранилища могут быть связаны с искусственными непостоянными причинами (например, сезонным регулированием стока). Причиной резкого снижения концентраций Li и сопутствующих ему элементов в некоторых пробах донных осадков средней и нижней частей водохранилища может быть присутствие во фракции < 0,1 мм относительно повышенного 92 количества алевритовых частиц ранее сформировавшегося по правому берегу водохранилища речного аллювия (зона пляжа). На некоторых локальных участках различия в степени осаждения взвешенных частиц, а, следовательно, в накоплении разного количества соответствующих химических компонентов, могут определяться наличием островов, частично экранирующих течение воды. В донных осадках зоны аккумуляции (см. табл. 15, рис. 31) по уровню тесноты связи с Li элементы распределились в следующем порядке: Cs>Zn>P>Pb>Rb>Cu>V>As>Mn и т. д. При этом для Zn и Cu получены концентрации подвижных (доступных биоте) форм выше ПДК, а для Pb – ниже норматива (см. табл. 13). 0,88 0,88 0,90 Критическоезначение значение rr=0,39 Критическое = 0,39 при P=95% и f=24 при P = 95% f = 24 0,44 0,6 0,59 0,62 0,73 0,8 0,96 1 0,98 1,2 Cs Zn P Pb Co Cu V As M n Cdlg Ni -0,41 -0,31 -0,4 -0,30 Критическое значение r=0,39 Критическое значение r = 0,39 при при P=95% P = 95%и иf=24 f = 24 -0,28 -0,2 Crlg Zr M olg Hf Sr -0,09 0 0,07 0,2 0,08 r (Li) 0,4 -0,6 Рис. Рис. 31. Гистограмма величин парных коэффициентов корреляции между значениями концентраций (логарифмов концентраций) Li и других элементов в донных осадках зоны аккумуляции реки Лососинки – r(Li) 93 Приведённые взаимоотношения указывают на то, что экологически опасные в связи с их повышенными концентрациями P, Zn, Pb, Cu, As, частично Mn и V, вслед за «безопасными» Li, Rb, Cs, накапливаются в донных осадках, главным образом, с лёгкими фракциями. В большей степени это происходит в зоне аккумуляции согласно «правилу пелитовой фракции». В целом, несмотря на отмечаемую повсеместную связь Li с глинами (Гавриленко, Сахонёнок, 1986; Перельман, 1989) и кларк 32 г/т (Войткевич и др., 1990), его количество в изучаемых донных осадках невелико – средние значения составляют от 16,6 до 20,3 г/т (см. табл. 12). Последнее обстоятельство обусловлено как малым привносом Li с водосбора, так и выносом части глинистой фракции во взвешенном состоянии в Онежское озеро. Данные таблиц 14 и 15 не позволяют относить полностью или частично такие элементы, как Cd, Hf, Zr, Mn, Cr, Sb к ассоциациям элементов – индикаторам механической дифференциации твёрдого вещества донных осадков. Так, на рис. 32 для сопоставления приведены графики распределения в донных осадках мелководных прибрежных участков изучаемой водной системы концентраций Pb и Cd. Полиномиальные Pb- и Cd-тренды, судя по значениям коэффициента детерминации, слабо описывают распределение концентраций элементов. Вместе с тем, хорошо видно, что в верхней и средней частях водохранилища эти элементы ведут себя несколько по-разному: Cd проявляет относительную стабильность содержания, а концентрации Pb возрастают, практически повторяя тренды литофильных элементов. Слабая аппроксимация в случае Pb объясняется в основном его относительно пониженными концентрациями в пробах, отобранных вблизи правого берега водохранилища в интервале от 200 до 500 м, где происходит перемешивание материала глинистых илов и песчаного аллювия (зона пляжа), и особенностями распределения гидрологических условий в нижней части водохранилища. Распределение Cd также зависит от гидрологических условий, но имеет противоположную Pb-тренду тенденцию в нижней части водохранилища (рис. 32). По данным таблиц 14 и 15 выделяется «сквозная» ассоциация Cd-Hf-Zr, в которой наиболее потенциально опасным токсикантом, судя по очень высокому содержанию в донных 94 осадках, в том числе его подвижных форм (см. табл. 12, 13), является Cd. В. В. Гавриленко и В. В. Сахонёнок (1986), обобщая данные многих исследователей, отмечали приуроченность Hf и Zr в природных условиях к алевритовой фракции терригенных осадков. По А. И. Перельману (1989) Hf и Zr могут лишь частично мигрировать в щелочной среде, в то время как Cd хорошо мигрирует в кислых водах окислительной и глеевой обстановок и обычно осаждается на щелочном барьере вместе с Zn, Cu, Ni и Pb. 160 4 Pb 140 Cd R2(Cd)= 0,62 120 3 80 2 Cd, г / т P b, г / т 100 60 40 1 R2(Pb)= 0,66 20 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Р асстоя ние от в ер хней точки опр обов ания , м Рис. Рис. 32. Распределение Pb и Cd в донных осадках мелководной прибрежной зоны водохранилища Особенностью изученных донных осадков является также отсутствие значимой корреляционной связи между значениями концентраций Cdlg и Zn (см. табл. 14, 15). Необычные взаимоотношения Cd с другими элементами могут объясняться его привносом в исследуемую водную систему в качестве загрязнителя из самостоятельного источника (источников). Действительно, хорошо известно повсеместное техногенное распространение Cd, в том числе на 95 урбанизированных территориях (Волков, 2001; Boehme, Panero, 2003 и др.). Загрязнение Cd может быть связано с процессами использования кадмиевых красителей, покрытий, сплавов, порошков, сбросами гальванических отходов, горением поливинилхлорида, разложением выброшенных химических источников тока (свалки), движением автотранспорта. 18000 350 Mn Sr 16000 300 14000 250 10000 200 8000 150 S r, г / т M n, г / т 12000 6000 100 4000 50 2000 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Р асстоя ние от в ер хней точк и опр обов ания , м Рис. Рис. 33. Распределение Mn и Sr в донных осадках мелководной зоны водохранилища Концентрации Sr в переходной зоне снижаются закономерно, а в пределах мелководной зоны водохранилища наблюдается значительный их разброс (рис. 33) за счёт разницы уровней концентрации Sr в донных осадках прибрежной зоны средней части водохранилища левого и правого берегов: средние значения 197 и 283 г/т соответственно (p < 0,01). Со своей стороны, заметный антагонизм Mn и Sr в донных осадках зоны аккумуляции (см. табл. 15) может свидетельствовать о пространственно-временных колебаниях значений pH вод водохранилища, влияющих на растворимость соединений 96 химических элементов согласно теоретическим представлениям А. И. Перельмана (1989). Наиболее значительные концентрации Mn в донных осадках (15515 и 11440 г/т) фиксируются на границе переходной зоны и водохранилища – на расстоянии от верхней точки опробования 140 м по правому берегу и 200 м – по левому (рис. 27 и 32). Донные осадки в этом месте приобретают характерные золотистожёлто-коричневую и тёмно-красновато-коричневую окраски. На данном участке по левому берегу зафиксировано локальное повышение значений pH воды до 7,15–7,22 по сравнению с расположенным выше по течению участком переходной зоны – 7,01, что может указывать на существование здесь щелочного гидрохимического барьера, примерное расположение которого показано на рис. 27. По более мелководному правому берегу изменения кислотности также имеют место, но они менее заметны – pH 6,95 (переходная зона) – 7,03–7,06 (граница с водохранилищем). На данном участке также относительно повышены концентрации (г/т): As (15,5–13,6), Zn (232–220) и P (2560–2230). As, как элемент, подвижный в щелочной среде, скорее всего, удерживается ниже границы вода–дно благодаря более кислой (pH 6,68), по сравнению с водой реки, реакции жидкой фазы донных осадков, а непосредственно на контакте с водой – за счёт сорбции. В зоне аккумуляции Mn ассоциируется с As, а также, частично, с Ni, Cu, Cs, Li, Pb, Zn, Bi (см. табл. 15). Обращают на себя внимание концентрации Sb в донных осадках зоны пляжа, достигающие 5,6–8,9 г/т (выше ПДК в 1,2– 1,9 раза), что может свидетельствовать о прошлом специфическом загрязнении некоторых участков на водосборе. Такой участок с уровнем загрязнения почв 1–2 ПДК, в частности, показан на рис. 20. В зоне аккумуляции Sb ассоциируется с Cr, Ti и Ni. Сильная корреляционная связь установлена между значениями концентраций Crlg и Ni. Так, для выборок n1 и n2, характеризующих мелководные условия прибрежных участков водохранилища, соответствующие парные коэффициенты корреляции имеют значения: r1_lgCr-Ni = 0,89 и r2_Cr-Ni = 0,98 при rкрит. = 0,63 (P = 95 % и f = 8). В выборке, характеризующей донные осадки зоны аккумуляции (см. табл. 15), Nilg и Cr также статистически значимо связаны (r = 0,84). Эти отношения указывают на совместное поведение Cr и Ni в донных осадках. 97 При этом содержание подвижных форм Ni ниже нормативных значений (см. табл. 13). Из сказанного выше следует, что наибольшую потенциальную опасность для биоты изученной водной экосистемы ввиду повышенных валовых концентраций, а также концентраций подвижных форм некоторых элементов, могут представлять Zn, Cu, Mn, As, P, а также Cd, не ассоциирующийся с этими элементами. Кроме того, опасность представляют суммарные концентрации Mn и V, для которых ПДК (1000+100 г/т) превышены во всех случаях. Состав диатомового комплекса Диатомовый анализ выявил в пробах 211 видов, разновидностей и форм диатомовой флоры. Из общего числа установленных таксонов: 23 – планктонные и планктоннолиторальные, 106 – донные и 82 – обрастатели. В отдельных образцах одновременно отмечено от 41 до 61 таксона, в том числе: донные – от 15 до 34, обрастатели – от 12 до 30, планктонные – от 5 до 11 и один планктонно-литоральный вид Melosira varians Ag., определённый во всех пробах. Среди донных диатомей в составе комплекса постоянно присутствуют (% от общего количества всех подсчитанных створок в пробах) виды родов Navicula Bory (2,8–21) и Nitzschia Hass (2–14), среди обрастаний – виды Cocconeis placentula Ehr. (4,9–24), Cymbella ventricosa Kütz. (0,8–8), Tabellaria flocculosa (Roth.) Kütz. (0,4–6), виды родов Diatoma Bory (0,4–6,8), Gomphonema Agardh. (0,4–8,7), Meridion Agardh. (0,8–5,2). Наибольшим разнообразием отличается род Navicula, представленный 31 таксоном рангом ниже рода. В его составе преобладают виды N. rhynchocephala Kütz., N. cryptocephala Kütz. и N. vulpina Kütz., во многих случаях к ним добавляется вид N. viridula (Kütz.) Ehr. Далее следуют род Nitzschia, а также менее распространённый по численности индивидов род Pinnularia Ehr. – по 19 видовых и внутривидовых таксонов. Анализ указывает на бурное развитие на некоторых участках планктонных видов рода Aulacoseira Thw., представленного преимущественно A. italica (Ehr.) Kütz., A. distans (Ehr.) Kütz., реже A. granulata (Ehr.) Sim., в некоторых случаях A. ambiqua (Grun.) Sim. и Aulacoseira islandica (O. Mull.) Sim. Такой рост 98 отмечен как в центральной части водохранилища, так и ближе к берегу на участках с вогнутой береговой линией. В сумме количество индивидов рода Aulacoseira в указанных частях водоёма насчитывает 30,3–68,3 % от общей численности диатомей, в то время как на других участках – 6,4–22,8 %. Вид Melosira varians, численность которого варьирует от 3,6 до 25,9 %, максимально развит в условиях с сокращающейся численностью рода Aulacoseira, о чём свидетельствует отрицательная корреляционная связь между значениями численности представителей этих таксонов (r = –0,63). Вариация общего количества таксонов рангом ниже рода (от 41 до 61 в отдельных пробах) в диатомовом комплексе определяется изменением числа таксонов донных диатомей (r = 0,68) и обрастателейlg (r = 0,59). Для планктонных видов такой связи с разнообразием всего комплекса не наблюдается (r = 0,07). Значимых корреляционных связей между числом таксонов в группировках диатомей, выделенных по признаку местообитания, не отмечается: планктонные – донные (r = –0,39), планктонные – обрастателиlg (r = 0,25), донные – обрастателиlg (r = –0,15). Для численности створок диатомей самая сильная отрицательная связь наблюдается для пары планктонные – обрастатели (r = –0,82), далее – планктонные – донные (r = –0,56), и, наконец, корреляционная связь не является значимой для пары донные – обрастатели (r = 0,15). Большую долю выявленной в донных осадках диатомовой флоры с известной характеристикой по отношению к галобности (184 таксона) составляют индифференты (30–80 % по числу створок индивидов), среди которых определяющими являются виды рода Aulacoseira. Довольно велико содержание галофилов (Melosira varians, Cocconeis placentula, Navicula rhynchocephala, N. cryptocephala и др.) – в сумме с мезогалобами до 50 % (мезогалобов – до 4,4 %), что несвойственно рекам Карелии. Незначительно участие галофобов (2,8–12 %), не переносящих минерализованных вод. Из них наиболее развиты виды Tabellaria flocculosa (до 6 %), Meridion circulare (Grev.) Ag. (до 5,2 %), в меньшей степени – Meridion circulare var. constricta (Ralfs) V. H. (до 1,6 %) и Tabellaria fenestrata (Lyngb.) Kütz. (до 2 %). Всего определено 20 известных таксонов галофобов рангом ниже рода (от 3 до 7 в отдельных пробах), 26 – галофилов (от 5 до 12), 9 – мезогалобов (от 0 до 3) и 129 – индифферентов (от 22 до 39). 99 Неизвестные формы составили 1,6–11 % численности комплекса (1–7 таксонов в отдельных пробах). По отношению к pH выявлено 180 таксонов с известной характеристикой рангом ниже рода. Количество алкалибионтов (9 таксонов) варьирует в пределах 1,6–9,2 % численности створок, алкалифилов (86) – 56–68 %, индифферентов (54) – 6,4–18 %, ацидофилов (31) – 5,6–23 %. В отдельных пробах найдено: алкалибионтов – от 1 до 5 таксонов с известной характеристикой, алкалифилов – от 17 до 28, индифферентов – от 7 до 16, ацидофилов – от 4 до 10. Суммарная численность представителей с неизвестной характеристикой составила 2–11 % общей численности диатомей (1–8 таксонов в отдельных пробах). В целом анализ отношения к галобности и pH показал, что диатомовая флора изученной водной экосистемы развивается преимущественно в условиях щелочной среды и повышенного содержания в воде различных химических элементов, в то время как таксономический состав диатомового комплекса крайне непостоянен по всем известным характеристикам. По отношению к загрязнению органическими веществами выявлено 136 видовых и внутривидовых таксонов-индикаторов, составляющих 84–95 % общей численности диатомей. Обращает на себя внимание часто значительное присутствие представителей родов Navicula и Nitzschia, в том числе α-мезосапробов Navicula cryptocephala, N. rhynchocephala, N. viridula, Nitzschia palea (Kütz.) W. Smith. Реже в этой группе обнаруживается донный вид Hantzschia amphioxis (Ehr.) Grun. и планктонный Stephanodiscus hantzschii Grun. Общая численность выявленных α-мезосапробов в комплексе колеблется от 1,2 до 16 %. Доля α-β-, β-α-, o-β-, β-o- и β-мезосапробов варьирует в пределах 38–64 %. Среди них следует выделить многие таксоны рода Aulacoseira, планктонно-литоральный вид Melosira varians, постоянно или часто встречающиеся обрастатели Cocconeis placentula, Cymbella ventricosa, Diatoma vulgare Bory и другие. Донный α-β-мезосапроб Amphora ovalis Kütz. обнаружен не во всех пробах, максимальная его численность не превышает 2,4 %. Другие донные представители этой выделенной по сапробности группы встречаются в отдельных пробах преимущественно единично. Количество створок диатомей с широким диапазоном сапробности (χ-β-, χ-α- и o-α-мезосапробы) варьирует в пределах 100 0,8–7,6 %. Среди них следует отметить виды Synedra ulna Ehrb. (0–4,1 %), Diploneis elliptica (Kütz.) Cl. (0–3,2 %) и Navicula dicephala (Ehr.) W.Sm. (0–1,2 %). Суммарная численность известных χ-, χ-o-, o-χ- и o-сапробов колеблется от 17 до 34 % при среднем арифметическом значении 24 %. Разнообразие видовых и внутривидовых таксонов изученного диатомового комплекса характеризуется значениями индексов Симпсона (D) и Маргалефа (d). Значения индекса доминирования D варьируют в пределах 0,044–0,174 (хср.(геом.) = 0,080; S2lg = 0,0192). Исходя из этого показателя, в качестве основных наиболее многочисленных видов на разных участках выделяются пары Aulacoseira italica – A. distans (иногда А. italica – A. ambiqua) и Melosira varians – Cocconeis placentula (с преобладанием первого вида над вторым или наоборот). Значения d изменяются в пределах 16,7–25,0 (хср. = 20,3; S2 = 6,16). Связь показателей состава диатомового концентраций химических элементов комплекса и Проведённый линейный корреляционный анализ показал (табл. 16), что для выборки, характеризующей диатомовый комплекс в целом, значения lgD уменьшаются с ростом в донных осадках концентраций Mn и, в меньшей степени, Zn. При этом в осадках с минимальным содержанием Mn (2400–2600 г/т) максимально присутствуют и начинают доминировать планктонные виды Aulacoseira italica и A. distans (35,2–55,6 % при хср.(геом.) = 15,3 % и S2lg = 0,082 для полной выборки n = 16). Между значениями d и концентраций Mn отмечена прямая корреляционная связь (r = 0,89 при rкрит. = 0,55; P = 95 %, f = 11). Графически эта линейная связь показана на рис. 34. На её ослабление (r = 0,52 в табл. 16) могут влиять, с одной стороны, высокие концентрации в донных осадках Mn – 0,59–0,65 масс. % (рис. 34), Pb – 57–58 г/т, а также других токсикантов, достигающих в пробах максимальных значений (г/т): Zn – 278, Cu – 107, As – 15,4 (в ассоциации с Li – до 23,3 г/т), с другой – выпадение из-за локальных особенностей условий формирования диатомового комплекса многих истинно планктонных видов, замещающихся планктонно-литоральной Melosira varians, с одновременным активным вытеснением видами Cocconeis 101 placentula, Meridion circulare, Cymbella ventricosa, Gomphonema sp. других видов-обрастателей, в том числе, например, до полного исчезновения представителей рода Fragilaria Lyngb. Изменение индекса доминирования Симпсона, хотя и в меньшей степени, но также зависит от этих факторов (рис. 34). Таблица 16. Парные коэффициенты корреляции между показателями разнообразия диатомового комплекса и концентрациями некоторых элементов в донных осадках зоны аккумуляции реки Лососинки Комплекс Донные Обрастатели lgD d lgD d lgD d lgD lgD lgD lgD 1 1 1 lgD d 1 1 1 –0,56 –0,52 –0,55 Zn 0,20 0,05 0,05 0,28 –0,14 –0,52 Mn 0,52 –0,09 0,54 0,16 –0,10 –0,63 As 0,16 –0,04 0,62 –0,56 –0,16 –0,16 Cu 0,13 –0,12 0,23 –0,30 –0,10 –0,17 lgCd 0,33 –0,49 0,12 –0,54 –0,07 0,03 Pb 0,12 –0,23 0,53 –0,37 –0,17 –0,36 Cr 0,20 –0,36 –0,15 –0,28 0,19 –0,15 V 0,17 –0,44 0,01 –0,06 –0,17 –0,22 lgNi 0,06 0,25 –0,11 –0,07 –0,05 –0,34 U 0,21 –0,10 0,05 0,20 –0,04 –0,46 Li 0,15 0,10 0,03 0,23 –0,16 –0,44 Примечания Примечания. rкрит. = 0,50 при P = 95 %, f = 14. Планктонные lgD d lgD 1 0,21 1 0,01 0,40 0,01 –0,16 0,41 –0,17 0,27 –0,11 0,07 –0,10 0,09 –0,04 0,07 0,08 0,29 –0,12 0,09 –0,01 0,11 0,32 0,05 0,35 Отмечена статистически значимая связь уровней концентрации в осадках Mn и суммарной, выраженной в процентах, численности створок донных видов и разновидностей (r = 0,70). В данной зависимости корреляционная связь значительно усиливается (r = 0,83 при rкрит. = 0,51; P = 95 %, f = 13) после исключения из выборки одной пробы с максимальными из всех наблюдений концентрациями Ni – 61 г/т и Cr – 89 г/т, высокими концентрациями Mn – 0,59 масс. %, Pb – 57, Zn – 253, Cu – 98, As – 14,4 г/т. Менее сильная корреляционная связь между значениями концентраций Mn и индекса Маргалефа, рассчитанного для группы донных диатомей (значение d варьирует в интервале 8,5–16,3 при хср. = 11,7), изменяется не столь заметно (от rMn-d = 0,54 в табл. 16 до rMn-d = 0,58 при исключении указанной пробы). 102 30 0,1 R2 = 0,80 -0,1 R2 = 0,27 25 -0,3 20 -0,7 15 d lg D -0,5 -0,9 10 -1,1 5 -1,3 R2 = 0,49 R2 = 0,39 -1,5 2000 0 3000 4000 5000 6000 7000 M n, г / т Рис. Рис. 34. 34. Связь разнообразия диатомового комплекса с концентрациями Mn в донных осадках; закрашенные значки – логарифмы значений индекса Симпсона (D), светлые значки – значения индекса Маргалефа (d); треугольники – снижение разнообразия при высоких концентрациях, ромбы – выпадение части видов (см. текст); пунктирные линии – тренды для полной выборки; сплошные линии – тренды с исключением наблюдений (ромбы и треугольники) Между значениями концентраций (логарифмов концентраций) представленных в табл. 16 элементов и логарифма индекса Симпсона, рассчитанного для группы донных диатомей, значимые корреляционные связи отсутствуют: r колеблется от –0,34 (для lgNi) до 0,17 (для V). Намечается отрицательное влияние Cd на выраженное индексом Маргалефа разнообразие донных видов и разновидностей (см. табл. 16), наибольшее количество которых встречено в наименее загрязнённых Cd осадках (минимальное статистически аномальное значение – 1,84 г/т). В пробе, характеризующей эти осадки, также выявлены наименьшие из 103 всех количества: Cu – 67, Pb – 45, V – 102 и Ni – 34 г/т. Только в слабо загрязнённых осадках в единичных находках обнаружены: Nitzschia navicularis (Breb.) Grun., N. vitrea Norm., N. acidoclinata L.-B., N. sigmoidea (Ehr.) W. Sm., Neidium affine var. amphirhynchus (Ehr.) Cl., Surirella birostrata Hust. В то же время, воздействие Cd на численность донных диатомей, рассчитанную относительно их общего количества в каждой пробе, статистически незначимо (r = –0,38). В осадках с максимальными концентрациями Cd (3–3,6 г/т) наблюдается развитие вида Diatoma elongatum (Lyngb.) Ag. (до 2,4 % численности). Из отдельных видов на пределе статистической значимости со значением lgCd коррелируют значения численности планктонных Aulacoseira islandica (r = 0,52), Tabellaria fenestrata (r = –0,51) и донной Navicula rhynchocephala (r = –0,51). Донная микроводоросль Pinnularia hemiptera (Ehr.) Cl. впервые появляется в единичных находках в осадках с самыми высокими концентрациями Cd. Для обрастателей статистически значимы (см. табл. 16) корреляционные связи между значениями индекса Симпсона и концентраций As и Pb, а также индекса Маргалефа и концентрации As. В этой группе в основном представлен вид Cocconeis placentula (до 50,6 % при хср.д. = 35,6 %, S = 9,46). Коэффициент корреляции между значениями численности этого вида в данной группе и концентрации As равен 0,56 (в комплексе в целом эта величина составляет 0,52). В группе планктонных видов значимых корреляционных связей между значениями концентраций элементов и изученных показателей её разнообразия не установлено. Корреляционные связи между концентрациями элементов и параметрами разнообразия групп диатомей, выделенных по признаку галобности, в целом достаточно неопределённы. Отмечается, что рост концентрации As сопровождается увеличением численности створок галофилов (rAs-Гл = 0,54), а Cdlg – численности их таксонов (r = 0,53). Для Mn наблюдается обратная картина – сокращение численности таксонов галофилов при увеличении концентрации элемента в донных осадках (r = –0,53). Суммарная численность створок алкалифилов и алкалибионтов из всех местообитаний положительно коррелирует 104 с концентрацией в донных осадках Nilg (r = 0,66), Cu (r = 0,64), Pb (r = 0,59), а также As (r = 0,58). По данным Л. Л. Смирновой и др. (2009), виды рода Amphora устойчивы к воздействию As при его концентрации в морских грунтах, не превышающей 4 мкг/г, т. е. в среднем примерно в 3 раза ниже, чем в донных осадках реки Лососинки (см. табл. 13). В изученных донных осадках происходит одновременное накопление ряда микроэлементов и створок немногочисленного донного вида, индифферента по солёности и алкалифила Amphora ovalis, обнаруженного в 56 % проб (в скобках приводятся значения коэффициентов корреляции между значениями численности вида и концентраций микроэлементов): Zn (0,70), Li (0,58), Mn (0,57), Pb (0,53), As (0,52), Cu (0,51). Присутствие Li в этом ряду объясняется приуроченностью развития вида Amphora ovalis к донным осадкам с наибольшим содержанием мелкодисперсных фракций, насыщенных токсичными элементами. Положительна корреляционная связь между значениями концентрации As и численностью найденного в 50 % проб донного индифферента (по солёности и pH) Pinnularia mesolepta (Ehr.) W. Sm. (r = 0,61), а также – концентрации Mn и численности редко встречающегося в изученных осадках (25 % проб) обитателя дна Gyrosigma acuminatum (Kütz.) Rabh. (r = 0,57). Некоторые авторы (Саут, Уиттик, 1990) относят виды рода Nitzschia к типичным для альгофлоры водотоков, загрязнённых Zn. Однако в изученных донных осадках не установлено статистически значимой корреляционной связи между концентрацией Zn и численностью наиболее представленных в диатомовом комплексе видов этого рода (соответственно до 4,8 и 6,6 %) Nitzschia palea (r = –0,28) и Nitzschia sp. (r = –0,30), а также рода Nitzschia в целом (r = –0,29). То же касается всех остальных элементов, для которых коэффициенты корреляции варьируют от –0,35 (Cu – род Nitzschia) до 0,42 (lgCd – Nitzschia palea). Численность вида Meridion circulare, считающегося индикатором олигосапробных вод, имеет отрицательную корреляционную связь со значениями концентраций Cr (r = –0,56) и Nilg (r = –0,51), а к изменению концентраций Zn, Mn, As, Cu, Cdlg, Pb и Li относится в целом индифферентно (r от –0,18 до 0,11). Другой индикатор «чистоты» по отношению к органическому загрязнению (Sladecek, 1986) – Tabellaria 105 flocculosa – не проявляет статистически значимой корреляционной связи ни с одним из перечисленных элементов: от rPb-T.fl. = –0,48 до rAs-T.fl. = 0,12. Между значениями численности Aulacoseira lacustris (Grun.) Kramm. (всего 0–2,4 % от числа створок) и lgNi устанавлена статистически значимая обратная связь (r = –0,60). При концентрации Ni выше 40–45 г/т створки этой планктонной формы в пробах не обнаруживаются. Таким образом, неорганическое загрязнение речных экосистем, подвергающихся воздействию городских стоков и отражающееся в микроэлементном составе донных осадков, с одной стороны, ведёт к перестройке разнообразия таксонов диатомовых водорослей, являющихся частью экосистемы, с другой стороны – выборочно воздействует на соотношение численности их отдельных групп, видов и разновидностей. При этом максимальное воздействие на экосистемы оказывается в зонах аккумуляции наносов – небольших русловых водохранилищ, созданных путём строительства гидротехнических сооружений (плотин). Донные осадки реки Шуи, протекающей за пределами городской территории, характеризуются своими особенностями связи загрязнения водной экосистемы с состоянием развитого в ней диатомового комплекса, по сравнению с донными осадками городской реки. 4.2. 4.2. Сравнительная характеристика влияния загрязнения городской и загородной рек на диатомовые диатомовые комплекс комплексы Для сравнения влияний различного по степени загрязнения водных экосистем на диатомовые комплексы дополнительно исследованы 22 пробы донных осадков, отобранных с помощью дночерпателя у уреза воды в нижнем течении реки Шуи на протяжении порядка 60 км вплоть до устья (впадения в озеро Логмозеро). Ближайшая к г. Петрозаводску точка опробования находится в дельте реки на расстоянии около 3,5 км от его северной границы. Основными источниками загрязнения в районе являются сельскохозяйственные объекты, авто- и железные дороги. Анализ донных осадков выполнен методом ICP-MS, результаты представлены в табл. 17. Те же пробы подверглись 106 диатомовому анализу. В качестве материала использовалась выделенная гранулометрическая фракция размером < 0,1 мм. Средние значения концентраций большинства представленных в табл. 17 элементов ниже или находятся на уровне кларков. Несколько превышают нормативы (для почв) концентрации: Mn (в 1,1 раза – среднее, в 20 раз – максимальное значения), As (в 2,0 и 9,7 раза соответственно), Pb (в 1,2 раза – только максимальное значение). Концентрации Cd значительно выше кларка. Таблица 17. Характеристика микроэлементного состава донных осадков реки Шуи Элемент xср. ср., г/т xmin–xmax, г/т S2 (S (S2lg) Кларк, Кларк, г/т ПДК, ПДК, ОДК*, ОДК*, г/т Li 13,9 8,51–17,6 7,36 32 – V 65,6 44,0–73,7 62,87 90 150 Cr 48,5 32,6–55,9 41,1 83 – Mn 1710 404–30000 (0,243) 1000 Ni 23,3 14,0–32,0 17,18 58 20–80* Cu 19,2 10,6–75,1 (0,045) 47 33–132* Zn 82,4 33,4–131 839,0 83 55–220* As 4,10 < 3,6–19,5 (0,095) 1,7 2,0 Sr 266 234–330 614,9 340 – Zr 145 125–182 222,6 170 – Mo 0,646 0,276–1,71 0,147 1,1 – Cd 1,64 1,18–2,06 0,062 0,13 0,5–2,0* Sb 0,353 0,146–1,52 (0,051) 0,5 4,5 Cs 1,48 0,748–1,97 0,111 3,7 – Hf 5,16 4,32–6,43 (0,0014) 1,0 – Pb 20,9 11,0–37,7 44,54 16 32 1500 Содержание основных потенциальных загрязнителей в донных осадках реки Шуи ниже их содержания в донных осадках зоны аккумуляции городской реки Лососинки (см. табл. 12, 13). При этом различия выборочных дисперсий и средних для всех представленных в табл. 17 элементов 107 статистически значимы (p < 0,05), за исключением дисперсий lgCr и Zr, для которых значимы только различия средних. Для Cs при статистической значимости различий дисперсий (p < 0,05) различия средних значений незначимы (p > 0,05). На рис. 35 показаны результаты линейного корреляционного анализа, выявившего значимые положительные корреляционные связи между значениями концентраций ряда элементов и значениями концентраций Li в донных осадках реки Шуи. 0,90 0,30 0,24 0,19 0,2 0,34 0,53 0,61 0,4 0,35 Sr Aslg Cs -0,2 V Cd Cr Culg Zn Pb Ni Sblg M nlg Hflg M o Zr Критическое значение r = 0,42 при P = 95% и f = 20 -0,13 0 -0,01 r (Li) 0,6 0,61 0,62 0,8 0,43 Критическое значение r = 0,42 при P = 95% и f = 20 0,78 1 0,96 1,2 -0,4 -0,6 Рис. Рис. 35. Гистограмма величин парных коэффициентов корреляции между значениями концентраций (логарифмов концентраций) Li и других элементов в донных осадках реки Шуи По уровню тесноты связи с Li элементы распределились в следующем порядке: Cs>V>Cd>Cr>Cu>Zn>Pb>Ni и т. д. По всей видимости, идущие в этом ряду за Cs тяжёлые металлы накапливаются в большей мере в мелкодисперсной (глинистой) 108 фракции донных осадков. В отличие от городской реки Лососинки, в ассоциацию с Li в данном случае вошли, помимо прочих элементов, также Cd, Cr и Ni, но не вошли As и Mn. Кроме того, имеется сильная положительная корреляционная связь между значениями концентраций Cd и Zn (r = 0,82), что не отмечалось для донных осадков городской реки. Самые высокие концентрации Mn, Ba и As обнаружены в одной точке в меандре реки Шуи. Несколько повышено содержание Cu, Zn, Cd, Pb вблизи посёлков, автомобильных и железнодорожных мостов, в местах отдыха в самой близкой к устью точке. Для диатомового комплекса, изученного в донных осадках реки Шуи, в отличие от обследованного участка реки Лососинки, характерна тесная корреляционная связь между значениями численности обнаруженных в пробах створок донных диатомей и обрастателейlg (r = 0,96; rкрит. = 0,42 при P = 95 % и f = 20). Это предполагает совместное присутствие представителей этих двух групп диатомовых исключительно в составе бентоса (отличием обследованного на реке Лососинке руслового водохранилища является, например, наличие искусственных сооружений, которые могут служить дополнительным местом обитания для диатомовых обрастаний). Планктонные виды в экосистеме реки Шуи развиваются в неблагоприятных для бентоса условиях, что отражается в отрицательных корреляционных связях со значениями численности донных видов (r = –0,74) и обрастателейlg (r = –0,78). Разнообразие видововых и внутривидовых таксонов диатомового комплекса реки Шуи оценивалось по значениям индексов Симпсона (D) и Маргалефа (d). Значения индекса доминирования D варьируют в пределах 0,043–0,197 (хср. = 0,100; S2 = 0,0023; хср.(геом.) = 0,090; S2lg = 0,0450). Исходя из этого показателя, в качестве основных наиболее многочисленных видов на разных участках выделяются Melosira varians (35,5–41,8 % при D = 0,158 и 0,185–0,197) или Navicula cryptocephala (30,6–38,6 % при D = 0,139 и 0,172), Aulacoseira distans (27,8–30,8 % при D = 0,110–0,136), A. distans – A. ambiqua (по 20,2 % каждого вида при D = 0,095). С уменьшением значения индекса Симпсона, разнообразие диатомового комплекса растёт, и уровень доминирования отдельных видов нивелируется. 109 Значения d изменяются в пределах 9,61–26,7 (хср. = 18,8; S = 19,8). При наибольшем значении индекса в образце донных осадков наблюдается присутствие следующих основных видов: Cocconeis placentula (17,9 % от общего количества створок диатомей), Navicula cryptocephala (7,14 %), Tabellaria flocculosa (6,35 %), Fragilaria construens v. venter (E.) Grun. (5,56 %), F. brevistriata Grun. (5,16 %), F. intermedia Grun. (5,16 %) и других представителей рода Fragilaria Lyngb. Парный коэффициент корреляции между значениями индексов разнообразия Симпсона и Маргалефа равен 0,82. В целом диатомовый анализ донных осадков реки Шуи показал, что в настоящее время в отдельных точках наблюдается повышение содержания галофильных и алкалифильных видов: Melosira varians, Cocconeis placentula, Navicula cryptocephala, N. rhynchocephala и N. viridula, а также появление Rhoicosphenia curvata (Kütz.) Grun., Diatoma vulgare, Gomphonema parvulum, Epithemia sorex (Kütz.) и других, что указывает на признаки эвтрофирования. С помощью линейного корреляционного анализа установлено, что лучше всего в выборке (n = 22), характеризующей рассматриваемый диатомовый комплекс, значения индекса d связаны со значениями концентраций Mnlg (r = –0,68) и Aslg (r = –0,63). Указанные взаимоотношения свидетельствуют о сокращении разнообразия видов диатомей при повышении в донных осадках концентраций этих элементов. Корреляционная связь для индекса D слабее или вообще незначима при выбранном уровне надёжности: Aslg (r = 0,44), Mnlg (r = 0,28). При этом устанавливается прямая корреляционная связь между значениями концентраций Mnlg в донных осадках и количества в них створок донных диатомей (r = 0,66; rкрит. = 0,42 при P = 95 % и f = 20), что определяет сходство с донными осадками городской реки Лососинки. Кроме того, положительная связь устанавливается между значениями концентраций Mnlg и логарифмов численности створок обрастателей (r = 0,61), отрицательная – логарифмов численности створок планктонных диатомей (r = –0,47). Для диатомового комплекса донных осадков реки Шуи в целом фактически отсутствует корреляционная связь между 2 110 значениями индексов разнообразия и концентраций Cd (rD = –0,02; rd = –0,11) и Pb (rD = –0,10; rd = 0,15). Таким образом, основными отличиями загородной реки Шуи от обследованной части городской реки Лососинки являются: 1) меньшая загрязнённость донных осадков тяжёлыми металлами и As; 2) иной состав в них природно-техногенных ассоциаций микроэлементов; 3) более однородные условия для существования в диатомовом комплексе донных видовых и внутривидовых таксонов и обрастателей. Откликом диатомовых на вариации эколого-геохимической обстановки и в том и в другом случае на уровне диатомового комплекса является изменение разнообразия таксонов. Относительная численность донных диатомовых водорослей возрастает в донных осадках обоих изученных водотоков с ростом концентрации Mn. Однако увеличение концентраций Mn может сопутствовать как увеличению разнообразия таксонов диатомового комплекса (отмечается в донных осадках реки Лососинки), так и его сокращению (как это показано на примере реки Шуи). Во втором случае фиксируемые изменения могут быть вызваны влиянием других элементов, находящихся в ассоциации с Mn, например, As. Заключение Исследования, результаты которых представлены в настоящем издании, направлены на создание основ геоэкологической модели развития территории Республики Карелии. Эта модель содержит в себе многочисленные аспекты воздействий на живые организмы, включая человека, связанные, в том числе с климатом и различными видами загрязнения окружающей среды. В связи с этим первое направление исследований заключалось в оценке продолжительных глобальных изменений климата и их отражения на региональном уровне. В ходе оценки на основании большого количества отечественных и зарубежных источников составлен обзор глобальных изменений климата, с использованием открытых международных данных построены статистические модели изменения климатических параметров. Характер временных трендов значений параметров мировой температуры зависит от величины анализируемого интервала времени и выбора вида статистической модели. Минимальная статистическая неопределённость установлена для аномалий антарктической температуры, изменение значений которых описаны полиномами 6-й степени за интервалы от 50 и 30 тыс. лет назад до н. в. (R2 = 0,94–0,96). Однако если в первом случае в ближайшие 2–3 тыс. лет прогнозируется уменьшение значений аномалий температуры, то во втором – их увеличение. Для значений температуры гренландских кернов наблюдается та же тенденция, но неопределённость моделей несколько выше (R2 = 0,85 и 0,87 соответственно). В настоящее время скорость процесса глобального потепления, несмотря на его продолжение, имеет признаки уменьшения, что не обязательно может совпадать с региональными трендами. Это уменьшение не объясняется изменениями концентраций парниковых газов в атмосфере, поскольку рост их в ней продолжается, например, для CO2 – согласно графику Килинга. Между значениями аномалий температур и концентраций пыли, определёнными в слоях антарктических льдов в интервале 420–4,5 тыс. лет назад, существует степенная зависимость (R2 = 0,65). Возможно, что попадание космической или вулканической пыли в земную атмосферу вызвало не только 112 усиление похолоданий – в основном в конце оледенений, но и косвенно повлияло на дальнейшее потепление за счёт сочетания обратных связей: осаждение пыли из атмосферы за счёт гравитации приводит к началу нового роста температуры. Усиливающиеся осадки всё быстрее вымывают пыль из воздушного пространства, в атмосферу из океана поступают дополнительные порции CO2, и рост глобальной температуры продолжается с новой силой. В районе западного и южного побережий Белого моря отклонение температуры воздуха от средневековых значений в сторону потепления в 2 раза выше, чем общемировое. Эта разница может увеличиваться с дальнейшим таянием льдов Арктики, приводящим к уменьшению альбедо и, соответственно, более быстрому отражению влияния этого фактора на изменениях климата прилегающих районов. Вместе с тем, на процесс потепления могут повлиять короткопериодные, вероятно, североатлантические колебания с периодом 60 лет, которые в ближайшие несколько лет будут способствовать некоторому снижению температуры в арктическом регионе. Проведённое по опубликованным данным сопоставление тенденций изменения уровня Белого моря в настоящее время и на протяжении голоцена показало, что наблюдаемое повышение уровня моря связано с последствиями текущего глобального потепления, а именно: ростом количества осадков, увеличением водного стока с материка, повышением температуры воды в Арктике, сокращением ледяного покрова. В конце плейстоцена – голоцене на основе палеогеографических и палеоэкологических данных, напротив, отмечается отступление береговой линии моря, причинами которого явились гляциоизостатические и собственно тектонические процессы. В ходе реализации второго направления исследований систематическое выделение факторов эколого-геохимического риска природного и техногенного происхождения для территории карельской части умеренного климатического пояса позволяет целенаправленно проводить геоэкологическое изучение региона в части его загрязнения из природных и техногенных источников. На примере г. Петрозаводска осуществлено комплексное исследование по одному из важнейших направлений – выявление и изучение техногенных геохимических аномалий (зон загрязнения) урбанизированных территорий и прилегающих к 113 ним районов и воздействия изменённой окружающей среды на биоту. Выявление основных элементов-загрязнителей снегового покрова и почв позволяет дать оценку эколого-геохимического состояния урбанизированной территории и опасности текущего и прошлого загрязнений. Участки с очень высокой степенью загрязнения почв в периферийных частях города обусловлены высоким содержанием в почвах As. В некоторых центральных частях г. Петрозаводска очень высокая степень загрязнения почв связана с накоплением в них Pb и Zn. Частично выявленное загрязнение – продукт природной аккумуляции химических элементов (As) в почвообразующих породах, частично – результат индустриального и транспортного воздействия (Pb, Zn и др.). Самыми распространёнными загрязнителями по результатам изучения снеговых проб являются Zn, Cd, Pb, Cr, Co, Ni, Cu, Mo, Sb, V, Mn, W. Следует отметить, что снег повсеместно загрязнён Zn, Cu, а иногда и другими тяжёлыми металлами и представляет серьёзную угрозу водоёмам рыбохозяйственного назначения. Для изучения донных осадков водных объектов целесообразно использование экологически значимой гранулометрической фракции < 0,1 мм, позволяющей выявить достаточно полный набор определений концентраций элементовзагрязнителей. Обычно донные осадки городских рек загрязнены Cd, As, Mn, Zn, реже Cu, Sb, Pb, Ag. В них больше концентрируется перечисленных опасных элементов по сравнению с донными осадками пригородных водотоков. Такие элементы как Zn, P, Pb, Cu, Bi, As, отчасти V и Mn, связанные прямыми корреляционными отношениями с Li, Cs и Rb, концентрируются в глинисто-алевритовой фракции в зонах накопления иловых наносов речных водохранилищ, расположенных в пределах города. Менее загрязнённые донные осадки пригородного речного участка включают в ассоциацию с названными редкими литофилами также и другие металлы – Cd, Cr, Ni, но не включают Mn и As. Сквозным элементом-загрязнителем донных осадков является Cd, концентрации которого превышают кларк в 9–25 и более раз. Максимальные количества Mn и повышенные количества Zn обнаружены в зоне смешения слабокислонейтральных вод руслового потока с нейтрально114 слабощелочными водами речного водохранилища. К этим же участкам тяготеет As, удерживаемый ниже границы вода–дно благодаря более кислой, по сравнению с водой реки, реакции жидкой фазы донных осадков. Ключевые участки посезонного эколого-геохимического мониторинга рекомендуется размещать: 1) в зонах аккумуляции наносов в пределах речных водохранилищ; 2) на границе зон перехода от руслового режима речной системы к режиму с замедленным водообменном (водохранилища). Эколого-ориентированные исследования не являются полноценными без оценки влияния вредного воздействия на биоту. Показательными и удобными для такой оценки являются методы, исследующие состояние наземной (палинологический анализ) и водной (диатомовый анализ) растительности. Оценка воздействия на биоту природно-техногенной среды по данным палиноиндикации показывает, что в условиях экологического неблагополучия растения продуцируют большое количество стерильных и тератоморфных пыльцевых зёрен. Изучение в 2010–2011 гг. на территории г. Петрозаводска пыльцевых зёрен Rosa rugosa показало, что за год среднее количество стерильных зёрен на одних и тех же участках не изменилось (возможно, благодаря благоприятным климатическим условиям 2011 г.), тератоморфных – значимо увеличилось. Для Betula pubescens установлено, что корреляционная связь между показателем стерильности пыльцы и содержанием Pb в сопряжённом верхнем почвенном горизонте статистически незначима. Значения коэффициентов корреляции выше уровня значимости зафиксированы между показателем стерильности и содержанием: Cu, Be и Sr. Для Rosa rugosa отмечена значимая положительная корреляционная связь со значениями концентраций Cu, Co и некоторых других элементов. Как и в случае Betula pubescens, обращает на себя внимание Cu, рассматриваемая как сильно токсичный элемент для растений. Эколого-геохимическое районирование урбанизированной территории позволяет выделить зоны с различной степенью экологической опасности, дать рекомендации по мерам сокращения загрязнения и ведения градостроительной деятельности в каждой зоне. В г. Петрозаводске на зоны с низкой экологической опасностью приходится примерно 35 % территории. К зонам со 115 средней экологической опасностью, занимающим около 60 % территории, относятся районы со средним и высоким уровнем загрязнения почв и снега. К зонам с высокой экологической опасностью в связи с высоким уровнем загрязнения почв и снега, отнесено 5 % территории города. В основном эти зоны сформированы за счёт высокого содержания в почвах As, а также – в пределах промышленных зон и отдельных предприятий – за счёт повышенных концентраций в них Pb, Cd, Cu. С полученными результатами районирования сопоставляются данные палинологических исследований. Интегрированное исследование геохимических особенностей и состава диатомовых комплексов донных осадков водных объектов позволяет получать как общую, так и детальную (на уровне отдельных таксонов) информацию о связи микроэлементного состава осадков с количественными параметрами, характеризующими численность и разнообразие диатомей. Разнообразие видов диатомовых водорослей, характеризуемое индексами Симпсона и Маргалефа, растёт с повышением в донных осадках городской реки концентраций Mn, в меньшей степени Zn. При этом в осадках с наименьшими концентрациями Mn стремление к доминированию проявляют планктонные виды Aulacoseira italica и A. distans. В донных осадках водотоков за пределами города наблюдается обратная тенденция – с ростом концентрации в донных осадках Mn, а также As, разнообразие выявленных таксонов сокращается. Эти противоположные тенденции могут быть связаны с различием во взаимоотношениях элементов в водных экосистемах. Вместе с тем, повсеместно выявляется приуроченность донных диатомей по их численности в диатомовом комплексе к осадкам, обогащённым Mn. Изучение донных осадков городской реки (на примере Лососинки) показало, что наибольшее количество донных видов и внутривидовых таксонов диатомовых водорослей фиксируется в осадках с минимальным содержанием Cd. В осадках с максимальными его концентрациями наблюдается развитие в целом немногочисленного в диатомовом комплексе вида Diatoma elongatum. Алкалифилы и алкалибионты накапливаются в осадках, обогащённых Ni, Cu, в меньшей степени Pb и As. 116 Наиболее нечувствителен и устойчив к загрязнению Zn, Mn, Pb, As, Cu немногочисленный донный вид Amphora ovalis, приуроченный к насыщенным токсикантами мелкодисперсным осадкам, к загрязнению As – также малораспространённая донная Pinnularia mesolepta и наиболее распространённый обрастатель Cocconeis placentula. Исследования пригородного участка реки Шуи выявили всплески в донных осадках галофильных и алкалифильных видов Melosira varians, Cocconeis placentula, Navicula cryptocephala, N. rhynchocephala, N. viridula, а также появление Rhoicosphenia curvata, Diatoma vulgare, Gomphonema parvulum, Epithemia sorex и др., что указывает на признаки эвтрофирования. Установлено, что откликом диатомовых на загрязнение на уровне сообщества является снижение разнообразия видов. В дальнейших исследованиях, связанных с вопросами изучения региональной геоэкологической модели, к климатическим и геохимическим аспектам формирования экологических рисков следует отнести следующие предположения и выводы: − существуют различия в условиях изменения уровня Белого моря на протяжении голоцена и в настоящее время. Начиная с 10,5 тыс. лет назад регрессия моря обусловлена локальными неотектоническими движениями. Причинами этих движений могут быть гляциоизостатические, эвстатические и собственно тектонические явления (Колька и др., 2011). Современное поднятие уровня моря превышает скорость зафиксированных (Николаев, 1966; Геология Карелии, 1987) восходящих тектонических движений и связано с последствиями изменения климата – повышением температуры воды в Арктике, сокращением ледяного покрова, увеличением водного стока с континента; − современное изменение климата в регионе Карелия обусловлено как повышением глобальной температуры, основной причиной которого является стремительный рост концентрации парниковых газов в атмосфере, так и неустойчивым влиянием колебаний в Северной Атлантике и Арктике; − техногенные загрязнения, которыми затронуты все компоненты природной среды, сосредоточены на урбанизированных территориях и в промышленных центрах. Их специфика и влияние на биоту связаны с особенностями 117 хозяйственной деятельности, степенью создаваемого на той или иной территории экологического риска и эффективностью решения природоохранных проблем. Экологический риск увеличивается за счёт опасности загрязнения природного происхождения, а также физического (механического) воздействия на компоненты природной среды (вытаптывание почв, дноуглубительные работы в руслах рек, уничтожение растительности и т. п.); «Базовые» Базовые» риски: риски: градостроительные, градостроительные, социальносоциальноэкономические, экономические, прочие Принятие управленческих решений о начале деятельности Реализация деятельности Реализация деятельности Риски воздействия природных факторов на окружающую среду Принятие управленческих решений по снижению рисков Управленческие решения (законодательные, административные и др.), влияющие на все риски Риски воздействия антропогенных факторов на окружающую среду Принятие управленческих решений по снижению рисков Риски воздействия на биоту, биоту, включая риски здоровью человека Принятие управленческих решений (финансовых, медикосанитарных и др.) по прекращению текущих вредных воздействий, о зонах экологического бедствия и чрезвычайных ситуациях Рис. Рис. 36. 36. Принципиальная модель взаимосвязи разнообразных рисков и управленческих решений 118 − связь климатических и геохимических аспектов формирования экологических рисков может быть реализована через: 1) увеличение поверхностного водного и химического стока с загрязнённых территорий; 2) уменьшение концентраций CO2 в воде водных объектов вследствие повышения её температуры и сокращение фотосинтеза водными растениями; 3) стимулирование перехода в растворённое состояние тяжёлых металлов также из-за повышения температуры; 4) рост продуктивности водных объектов и изменения в экосистемах в целом; 5) компенсацию или усиление вредных воздействий загрязнения за счёт климатических факторов. Важно отметить, что результаты геоэкологических исследований позволяют вырабатывать и реализовывать рекомендации по управлению качеством окружающей среды, выявлению экологических рисков, включая риски здоровью человека, организации геоэкологического (экологогеохимического) мониторинга. На рис. 36 представлена принципиальная схема взаимосвязи экологических и других разнообразных рисков, сопряжённая с точной системой принятия управленческих решений. Эта модель показывает, что в основе экологически безопасного подхода к решению хозяйственно-экономических задач лежит, прежде всего, недопущение экологически ошибочных решений, обосновывающих начало и продолжение деятельности, способной повлиять на окружающую среду и живые организмы. Ошибочные решения ведут к затратам на устранение экологических рисков и ликвидацию возникающих вредных последствий на этапах реализации хозяйственной и иной экологически значимой деятельности. Система экологической безопасности, включающая рассмотренные в настоящей книге вопросы, должна способствовать недопущению таких последствий и затрат. Список использованных источников Астафьева Н. М., Онищенко О. Г., Раев М. Д. Эль-Ниньо – ЛаНинья и колебания центров действия атмосферы Южного полушария / Конкурс науч. работ Ин-та косм. иссл. РАН 2011–2012 гг.: http://www.iki.rssi.ru/comp/2012/Astaf_Onishenko.htm Балуев А. С., Журавлёв В. А., Пржиялговский Е. С. и др. Тектоника и глубинное строение земной коры Белого моря и прилегающих территорий // Геология полярных областей Земли. М-лы XLII Тектонического совещания. 2009. Т. 1. С. 37–41. Баринова С. С., Медведева Л. А., Анисимова О. В. Биоразнообразие водорослей-индикаторов окружающей среды. ТельАвив: PiliesStudio, 2006. 498 с. Белкина Н. А. Роль донных отложений в процессах трансформации органического вещества и биогенных элементов в озёрных экосистемах // Труды КарНЦ РАН. № 4. Водные проблемы Севера и пути их решения. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. C. 35–41. Белое море и его водосбор под влиянием климатических и антропогенных факторов / Ред. Н. Н. Филатов, А. Ю. Тержевик. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2007. 335 с. Богомолов О. Н., Бушев А. Г., Кудрин В. С. и др. Токсичные органические вещества в рудах твёрдых полезных ископаемых и их влияние на экологическую обстановку // Геоэкология. 1996. № 3. С. 113–123. Большаков В. А. Новая концепция орбитальной теории палеоклимата. М.: МГУ, 2003. 256 с. Виноградов В. В., Виноградова В. Н. Геохимические источники дискомфортности геопатогенных зон // Международный семинар по прикладной геохимии стран СНГ. М., 1997. С. 140–141. Виноградова А. А., Замбер Н. С., Кутенков С. А., Шевченко В. П. Источники тяжёлых металлов, накапливающихся в кустистых эпифитных лишайниках Карелии // Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования». 2012. № 5: www.science-education.ru/105-6962. Войткевич Г. В., Кокин А. В., Мирошников А. Е., Прохоров В. Г. Справочник по геохимии. М.: Недра, 1990. 480 с. Волков С. Н. Геохимия кадмия в урбанизированной среде и проблемы изменения состояния металлов при урбанизации: Автореф. … докт. геол.-минер. наук. М., 2001. 50 с. Галицкая И. В., Махорина Е. И., Просунцова Н. С. Геоэкологические проблемы рекреационных территорий на малых 120 реках // Сергиевские чтения. Вып. 4. М-лы годичн. сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Москва, 21–22 марта 2002). М.: ГЕОС, 2002. С. 190–195. Гавриленко В. В., Сахонёнок В. В. Основы геохимии редких литофильных металлов. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986. 172 с. Геология Карелии / Институт геологии Карельского фил. АН СССР. Л.: Наука, 1987. 231 с. Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Утв. пост. Главн. госуд. санит. врача РФ от 30.04.2003, № 78. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. II. Белое море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Ред. Б. Х. Глуховский. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 240 с. Голицын А. Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды. М.: Изд-во «Оникс», 2007. 336 с. Горохов А. В., Марченко Л. П. Распределение тяжёлых металлов в водах реки Лососинки // Экосистемы малых рек: биоразнообразие, биология, охрана: Тез. докл. Всерос. конф. 16-19 ноября 2004 г. Борок, 2004. С. 17. ГОСТ 17.4.4.02-84 Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. Госстандарт. М., 1984. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. Госстандарт. М., 1983. Утв. и введ. в действ. Пост. Гос. ком. СССР по стандартам от 17.12.1983 № 6107. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Республики Карелия в 1997 году. Петрозаводск: Гос. ком. охраны окруж. среды по РК, 1998. 220 с. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Карелия в 2008 г. Петрозаводск: Мин-во сельского, рыбного хоз-ва и экологии РК, 2009. 288 с. Даувальтер В. А. Оценка экологического состояния водоемов по химическому составу донных отложений // Геология, геохимия и экология Северо-Запада России. М-лы I Междунар. науч. конф. СПб., 2005. С. 94–96. Дзюба О. Ф. Палиноиндикация качества окружающей среды. СПб.: Недра, 2006. 198 с. 121 Диатомовые водоросли СССР (ископаемые и современные) / Ред. А. И. Прошкина-Лавренко. Т. 1. Л.: Наука, 1974. С. 55–59, 259–267. Диатомовый анализ.. Кн. 1. Общая и палеоботаническая характеристика диатомовых водорослей / Сост.: А. П. Жузе, А. И. Трошкина-Лавренко, В. С. Шешунова. М.; Л.: Госгеолиздат, 1949а. 240 с. Диатомовый анализ.. Кн. 2. Определитель ископаемых и современных диатомовых водорослей. Порядки Centrales и Mediales / Сост. А. П. Жузе, И. А. Киселёв, В. С. Порецкий и др. М.; Л.: Госгеолиздат, 1949б. 288 с. Елькина Н. А. Состав и динамика пыльцевого спектра воздушной среды г. Петрозаводска: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. СПб., 2008. 25 с. Забелина М. М., Киселёв И.А., Прошкина-Лавренко А.И., Шешукова В.С. Определитель пресноводных водорослей СССР. М., 1951. Вып. 4. С. 72–570. Заиканов В.Г., Минакова Т. Б. Методические основы комплексной геоэкологической оценки территорий. Институт геоэкологии РАН. М.: Наука, 2008. 81 с. Иванская Т. Б. Эколого-геохимическая характеристика почв и донных осадков юго-запада Ленинградской области: Дис. ... канд. геол.-минер. наук. СПб., 2006. 194 с. Климат Карелии: изменчивость и влияние на водные объекты и водосборы / Ред. Н. Н. Филатов. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2004. 224 с. Климатические изменения: взгляд из России / Ред. В. И. Данилов-Данильян. М.: ТЕИС, 2003. 416 с. Клименко В. Глобальный климат: вчера, сегодня, завтра. Лекция. http://www.polit.ru/lectures/2005/11/02/climate.html: 2.11.2005. Клименко А. В., Клименко В. В. Виновато ли человечество в глобальном изменении климата? // Россия в окружающем мире. Аналитический ежегодник. М.: Изд-во МНЭПУ, 1998. С. 53–66. Кокин А. В. Потепление климата: непонятая реальность. Ростовна-Дону: РТА, 2008. 22 с. Колька В. В., Корсакова О. П., Лаврова Н. Б. и др. Относительное перемещение уровня Белого моря в позднем плейстоцене-голоцене по данным изучения донных осадков озёр (район посёлка Кузема, Карелия) // Квартер во всём его многообразии. Т. 1. М-лы VII Всерос. совещ. по изучению четвертичного периода. Апатиты, 2011. С. 282–284. 122 Комулайнен С. Ф., Чекрыжева Т. А. Структура альгоценозов в водоёмах озёрно-речной системы реки Кенти, Республика Карелия // Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге. М-лы докл. II Всерос. науч.-практ. конф. (Сыктывкар, 5-9 октября 2009 г.). Сыктывкар, 2009. С. 90–93. Кондратьева Л. M. Вторичное загрязнение водных экосистем // Водные ресурсы. 2000. Т. 27, № 2. С. 221–231. Котляков В. М. Глобальные изменения природы в «зеркале» ледяного керна // Природа. 1992. № 7. С. 59–68. Котляков В. М. Глобальные изменения климата: антропогенное влияние или естественные вариации? // Экология и жизнь. 2001. № 1 (18). С. 44–48. Кучерова З. С. Влияние меди на развитие диатомовых обрастаний // Биологические исследования Чёрного моря и его промысловых ресурсов. М.: Наука, 1969. С. 143–147. Лукашов А. Д. Новейшая тектоника Карелии. Л.: Наука, 1976. 108 с. Материалы Стратегического прогноза изменений климата Российской Федерации на период до 2010–2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России. М.: Росгидромет, 2005: http://climatechange.narod.ru/DOCS/Strategic_prediction_Rus.pdf Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения поверхностных водотоков химическими элементами. М.: ИМГРЭ, 1982а. 74 с. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. М.: ИМГРЭ, 1982б. 112 с. Методические рекомендации по геохимическим исследованиям рудных месторождений при проведении геологоразведочных работ для оценки воздействия на окружающую среду горнодобывающих предприятий. М.: ИМГРЭ, 1986. 100 с. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населённых пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. Утв. Главн. госуд. санитарн. врач. СССР 15.05.1990 № 5174-90. М.: ИМГРЭ, 1990. Методические указания по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. Утв. Зам. Министра сельского хозяйства РФ 10.03.1992. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М.; Л.: ГОНТИ, 1939. 207 с. 123 Молдаванов Д. Глобальное потепление и озоновые дыры – наукообразные мифы. Беседа с профессором А. П. Капицей // Вестник. 13.10.1998. № 21 (202). Москва: Геология и Город / Ред. В. И. Осипов, О. П. Медведев. М.: МО «Московские учебники и картолитография», 1997. 400 с. Назарова Л. Е. Изменчивость гидрологических характеристик водосбора Онежского озера под влиянием климатических воздействий: Автореф. дис. … канд. геогр. наук. СПб., 2008. 24.с. Николаев Н. И. Поздний этап неотектонических движений Скандинавии, Карелии, Кольского полуострова // ДАН СССР. 1966. Т. 167, № 6. С. 1358–1361. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. Приказ Федерал. агентства по рыболовству от 18.01.2010 г. № 20. О коррекции качества питьевой воды по содержанию биогенных элементов. Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 11.07.2000 г. № 5. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2511-09. Утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 18 мая 2009 г. № 32. Оценка радиоэкологического состояния Онежского рудного района. Объяснит. записка к карте м-ба 1 : 200 000 листов Р-36-XVII (57, 58) и Р-36-XVIII (59, 60). Отчёт Рег. Геоэкол. центра ф-ла ГП «Невскгеология». СПб., 2001. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 1. Изменения климата. М.: Росгидромет, 2008а. 228 с. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 2. Последствия изменения климата. М.: Росгидромет, 2008б. 288 с. Павлов А. В., Гравис Г. Ф. Вечная мерзлота и современный климат // Природа. 2000. № 4. С. 10–18. Паушева З. П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1974. 288 с. Перельман А. И. Геохимия: Учеб. для геол. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1989. 528 с. Петрова Е. А. Закономерности распределения и формы нахождения тяжёлых металлов в донных осадках Ладожского озера: Автореф. … канд. геол.-минер. наук. СПб., 2005. 18 с. 124 Плахина И. Н., Махоткина Е. Л., Панкратова И. В. Вариации аэрозольной оптической толщины атмосферы на территории России в 1976–2003 гг. // Метеорология и гидрология. 2007. № 2. С. 19–29. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041-06. Утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 19.02.2006 г. № 1. Прогнозная оценка экологической устойчивости территории в условиях развития горнорудного комплекса Республики Карелия // Эколого-экономическая оценка ресурсов Республики Карелия. Отчёт Института геологии КарНЦ РАН. Книга 2. Петрозаводск, 2001. 203 с. Пронин А. П. Предложения по совершенствованию методологии и технологии эколого-геохимического изучения промышленноурбанизированных территорий России // Геоэкологические исследования и охрана недр. Науч.-техн. информ. сб. АОЗТ «Геоинформмарк». Вып. 3. М., 1996. С. 3–9. Рыбаков Д. С. Ландшафтно-геохимическое картографирование территории Республики Карелия // Сергеевские чтения. Вып. 4. М-лы годичн. сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Москва, 21–22 марта 2002). М.: ГЕОС, 2002. С. 573–577. Рыбаков Д. С. Соотношение мышьяка и макроэлементов в почвах Заонежья // Биокосные взаимодействия: жизнь и камень. М-лы II междунар. симпоз. СПб., 2004. С. 251–254. Рыбаков Д. С. Геологическая классификация факторов экологического риска в регионе Карелия // Геология и полезные ископаемые Карелии. Вып. 9. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2006. C. 167–170. Рыбаков Д. С. Критерии оценки экологических рисков на примере Республики Карелия. Отчёт о НИР по теме № 148. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2008. 73 с. Рыбаков Д. С., Крутских Н. В., Лазарева О. В. и др. Оценка состояния природно-техногенных геосистем в пределах города Петрозаводска и прилегающих территорий // Геология Карелии от архея до наших дней. М-лы докл. Всерос. конф., посвящ. 50-летию ИГ КарНЦ РАН. Петрозаводск, 24–26 мая 2011 года. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. C. 213–218. Рыбаков Д. С., Крутских Н. В., Шелехова Т. С. и др. Геоэкологическая модель развития территории Республики Карелия: геохимические и климатические аспекты формирования экологических рисков // Основные результаты научных 125 исследований ИГ КарНЦ РАН по программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008– 2012 гг. VII. Науки о Земле. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2012. С. 84–89. Рыбаков Д. С., Слуковский З. И. Геохимические особенности загрязнённых донных осадков зарегулированной городской реки // Учёные записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2012. № 4. С. 67–73. Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы. СанПиН 2.1.7.1287-03. Утв. пост. Главн. госуд. санит. врача РФ от 17.04.2003 № 53 (с изменениями от 25.04.2007 № 20). Саут Р., Уиттик А. Основы альгологии. М.: Мир, 1990. 597 с. Смирнова Л. Л., Андреева Н. А., Антонова Л. С. Стратификация морских микроводорослей в перифитоне и донных отложениях микрокосмов под действием мышьяка // Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге. М-лы докл. II Всерос. науч.-практ. конф. 5-9 октября 2009 г. Сыктывкар, 2009. С. 308–311. Смоленский В. В. Статистические методы обработки экспериментальных данных. СПб., 2003. 101 с. Сорохтин О. Г. Парниковый эффект: миф и реальность // Вестник РАЕН. 2001. Т. 1, № 1. С. 8–21. Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. М.: МГУ, 2002. 506 с. Специализированные массивы для климатических исследований. Температура воздуха (месячные данные): http://www.meteo.ru/climate/temp.php. Терез Э. И. Устойчивое развитие и проблемы изменения глобального климата Земли // Учёные записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. 2004. Т. 17(56). № 1. С. 181–205. Толстихин Д. О., Соколова В. И. Функциональное зонирование городской территории. Геоэкологическое обоснование // Геоэкология урбанизированных территорий. Сб. тр. Центра Практической Геоэкологии / Под ред. В.В. Панькова, С.М. Орлова. 1996: http://ecoguild.narod.ru/trudycpg/oglav.htm Трофимов В. Т., Зилинг Д. Г., Барабошкина Т. А. и др. Экологические функции литосферы. М.: МГУ, 2000. 432 с. Трухин В. И., Показеев К. В., Куницын В. Е., Шрейдер А. А. Основы экологической геофизики. М.: Физический факультет МГУ, 2000. 292 с. 126 Убугунов В. Л., Кашин В. К. Тяжёлые металлы в садовоогородных почвах и растениях г. Улан-Удэ. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2004. 128 с. Федорец Н. Г., Дьяконов В. В., Литинский П. Ю., Шильцова Г. В. Загрязнение лесной территории Карелии тяжёлыми металлами и серой. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 1998. 50 с. Федорец Н. Г., Медведева М. В. Эколого-микробиологическая оценка состояния почв города Петрозаводска. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. 96 с. Хоскинс Б. Предсказуемость за пределами детерминистических ограничений // Бюллетень ВМО. 2012. Т. 61 (1). С. 33–36. Чаженгина Е. А., Сальникова Р. Д. Селен в углеродсодержащих породах Карелии // Микроэлементы в биосфере Карелии и сопредельных районах: Межвузовский сборник. Петрозаводск, 1985. С. 8–31. Чертко Н. К., Чертко Э. Н. Геохимия и экология химических элементов: Справочное пособие. Минск: Издательский центр БГУ, 2008. 140 с. Шелехова Т. С., Лаврова Н. Б. Донные отложения озёр Карелии: палеоэкологические и палеоклиматические реконструкции // Геология Карелии от архея до наших дней. М-лы докл. Всерос. конф., посвящ. 50-летию ИГ КарНЦ РАН. Петрозаводск, 24–26 мая 2011 года. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. C. 204–212. Экологические проблемы освоения месторождения Средняя Падма / Авторы: Е. П. Иешко (отв. ред.), Н. А. Белкина, Г. С. Бородулина и др. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. 110 с. Яблоков А.В. Миф об экологической чистоте атомной энергетики. М.: Учебно-метод. коллектор «Психология», 2001. 136 с. Alley R. B. The Younger Dryas cold interval as viewed from central Greenland // Quaternary Science Reviews. 2000. Vol. 19, Iss. 1–5. P. 213–226. Arrhenius S. On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground. Philosophical Magazine and Journal of Science. Series 5. Vol. 41. 1896. P. 237–276. Bender M., Sowers T., Dickson M. et al. Climate Correlations between Greenland and Antarctica during the Past 100,000 Years // Nature. 1994. Vol. 372. P. 663–666. Blunier T., Schwander J., Stauffer B. et al. Timing of the Antarctic cold reversal and the atmospheric CO2 increase with respect to the Younger Dryas Event // Geophys. Res. Lett. 1997. Vol. 24, N 21. P. 2683–2686. Boehme S. E., Panero M. A. Pollution prevention and management strategies for cadmium in the New York / New Jersey Harbor. A Report 127 from the Harbor Consortium of the New York Academy of Sciences. New York, 2003. 65 p. Bond G., Kromer B., Beer J. et al. Persistent Solar Influence on North Atlantic Climate During the Holocene // Science. 2001. V. 294(5549). P. 2130–2136. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation // Tellus. 1964. Vol. 16, N 4. P. 436–468. Guidelines for ecological risk assessment. Federal Register 63(93):26846-26924. 1998. Washington, DC: Risk Assessment Forum, U.S. Environmental Protection Agency. EPA/630/R-95/002F: http://www.epa.gov/osainter/raf/publications/pdfs/ECOTXTBX.PDF Hilpert K., Mannke F., Schmidt-Thome P. Towards Climate Change Adaptation Strategies in the Baltic Sea Region. Espoo: Geological Survey of Finland, 2007. 55 p. Hoyt D. V., Schatten K. H. The Role of the Sun in Climate Change. Oxford University Press, New York, 1997. 279 p. Israde-Alcántara I., Bischoff J. L., Domínguez-Vázquez G. et al. Evidence from central Mexico supporting the Younger Dryas extraterrestrial impact hypothesis // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012. Vol. 109, N 13. P. 738–747. Jouzel J., Masson-Delmotte V., Cattani O. et al. Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years // Science. 2007. Vol. 317 (5839). P. 793–797. Krammer K., Lange-Bertalot H. Bacillariophiceae. 1. Teil: Naviculaceae // Sǘßwasserflora von Mittelflora, Bd 2/1/Veb Gustav Fischer Verlag, Jena, 1986. 876 p. Loulergue L., Parrenin F., Blunier T. et al. New constraints on the gas age-ice age difference along the EPICA ice cores, 0–50 kyr. Clim. Past. 2007. 3. P. 527–540. Loulergue L., Schilt A., Spahni R. et al. Orbital and millennial-scale features of atmospheric CH4 over the past 800,000 years // Nature. 2008. Vol. 453. P. 383–386. Lüthi D., Le Floch M., Bereiter B. et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000-800,000 years before present // Nature. 2008. Vol. 453. P. 379–382. Mahowald N. M., Kloster S., Engelstaedter S. et al. Observed 20th century desert dust variability: impact on climate and biogeochemistry // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2010. Vol. 10. P. 12585–12628. Martin P., Archer D., Lea D. W. Role of deep sea temperature in the carbon cycle during the last glacial // Paleoceanography. 2005. Vol. 20, PA2015, doi:10.1029/2003PA000914. 128 McConnell J. R., Edwards R. Coal burning leaves toxic heavy metal legacy in the Arctic // Proc. Natl. Acad. Sci. 2008. Vol. 105, N 34. P. 12140–12144. Middelkoop H. Heavy-metal pollution of the river Rhine and Meuse floodplains in the Netherlands // Geologie en Mijnbouw / Netherlands Journal of Geosciences. 2000. 79 (4). P. 411–428. Molder K., Tynni R. 1967-73. Uber Finnlands rezente und subfossile Diatomeen I-VII. Bull. Geol. Soc. Finland 39: p. 199–217 (1967); 40: p. 151–170 (1968); 41: p. 235–251 (1969); 42: p. 129–144 (1970); 43: p. 203–220 (1971); 44: p. 141–149 (1972); 45: p. 159–179 (1973). Monnin E., Indermuhle A., Dallenbach A. et al. Atmospheric CO2 Concentrations over the Last Glacial Termination // Science. 2001. 291. P. 112–114. Petit J. R., Jouzel J., Raynaud D. et al. Climate and Atmospheric History of the Past 420,000 years from the Vostok Ice Core, Antarctica // Nature. 1999. Vol. 399. P. 429–436. Shakun J.D., Clark P.U., He F. et al. Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation // Nature. 2012. Vol. 484. P. 49–54. Sladecek V. Diatoms as indicators of organic pollution // Acta Hydrochim. Hydrobiol. 1986. Vol.14, N 5. P. 555–566. Srokosz M., Baringer M., Bryden H. et al. Past, Present and Future Changes in the Atlantic Meridional Overturning Circulation // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2012. 93. P. 1663–1676. Stott L., Timmermann A., Thunell R. Southern Hemisphere and DeepSea Warming Led Deglacial Atmospheric CO2 Rise and Tropical Warming // Science. 2007. Vol. 318 (5849). P. 435–438. Tynni R. 1975-1980. Uber Finnlands rezente und subfossile Diatomeen VIII-XI // Geol. Surv. Finl. Bull. 1975. 274. P. 1–55; 1976. 284. P. 1–37; 1978. 296. P. 1–55; 1980. 312. P. 1–93. Van der Linden R. A. M. and the SIDC team, online catalogue of the sunspot index: http://sidc.oma.be/html/sunspot.html
