Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Лимногенез соленых озер

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Содержание диссертации, доктора географических наук, Егоров, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1: МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЛЕНЫХ ОЗЕР

1.1. Содержание и методы исследований

1.2. Исследование озер Средней Азии и Казахстана

1.3. Исследование озер Монголии

1.4. Соленые озера Боливийских Анд

1.5. Соленые озера Китая

ГЛАВА 2 : СОЛЕНЫЕ ОЗЕРА КАК ОБЪЕКТ ЛИМНОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Современное состояние изученности проблемы лимногенеза соленых озер

2.2. Классификация соленых озер

2.3. География соленых озер

2.3.1. География соленых озер Мира

2.3.2. География соленых озер СНГ

2.4. Особенности экосистем соленых озер

ГЛАВА 3: ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

И ОСОБЕННОСТИ АБИОТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОЛЕНЫХ ОЗЕР

3.1. Зональные и азональные факторы формирования водного режима соленых озер

3.2. Особенности формирования химического состава соленых озер

3.2.1. Соленакопление в континентальных соленых озерах

3.2.2. Химический состав соленых озер и его пространственное распределение

3.2.3. Минерализация соленых озер и индикация климатических изменений

3.3. Годовой термический цикл и "парниковый" эффект в соленых озерах

3.3.1. Термический режим соленых озер

3.3.2. "Парниковый" эффект в соленых озерах и его география

3.3.3. Термодинамическая структура соленого озера с "парниковым" эффектом

3.4. Донные отложения соленых озер как индикаторы изменений внешней среды

3.5. Влияние абиотических факторов соленых озер на видовое разнообразие гидробионтов

3.5.1. Факторы формирования видового разнообразия

- 3 гидробионтов

3.5.2. Распределение видового разнообразия гидробионтов в пространстве

ГЛАВА 4: ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ СОЛЕНЫХ ОЗЕР И СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИХ ЭКОЛОГИИ

4.1. Структура и география природных ресурсов соленых озер

4.1.1. Минеральные ресурсы соленых озер. Особенности пространственного распределения

4.1.2. Соленые озера как источники пресной воды

4.1.3. Энергетический потенциал соленых озер и его расчет

4.1.4. Важнейшие аквакультуры соленых озер, особенности их экологии и практического применения. География артемийных озер СНГ

4.2. Современные проблемы экологии соленых озер и устойчивость их экосистем к загрязнению

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Лимногенез соленых озер"

Актуальность исследования:

В условиях современного глобального ухудшения состояния экосистем окружающей среды, снижения порогов их устойчивости под суммарным воздействием естественных и антропогенных факторов и истощения природных ресурсов возрастает значение естественнонаучных дисциплин в изучении условий формирования и функционирования современной среды обитания, одной из актуальных задач которых является развитие новых нетрадиционных направлений исследований, имеющих ресур-сЬсберегающие и природоохранные акценты. В связи с этим важнейшая роль отводится изучению процессов лимногенеза, под которым понимается:'*. взаимообусловленная связь и развитие всех природных компонентов озера и природной среды, которые определяют характер круговорота вещества и энергии в водоемах в различных географических зонах. . " (Богданов, 1967).

Как показывет история развития лимнологии, ее становление как науки, основные ее достижения и успехи связаны с исследованиями пресноводных водоемов. В то же время, среди водных объектов нашей планеты широко распространены и наименее изучены соленые озера с различной степенью минерализации. Соленые озера встречаются, практически, на всех континентах. Так, из 253 крупнейших озер Мира (с площадью водного зеркала не менее 500 кмЛ к соленым относится 64 (Henderdorf, 1 9 8 2) . Только в географической зоне соленых озер СНГ насчитывается более 30 бессточных бассейнов современного соленакоп-ления, к отдельным котловинам которых приурочено формирование соленых озер. На долю пресных озер и рек приходится 0,009% всего объема вод Земного шара, а на долю соленых озер - 0,008% (Wetzel, 1975). Без учета стока рек очевидно, что масса сосредоточенных в соленых озерах вод превышает объем пресных озерных вод.

Изучение лимногенеза соленых озер позволяет выявить новые аспекты лимнологии как комплексной, фундаментальной науки, имеющей широкое прикладное значение, учитывая, что около 600 млн. человек на Земном шаре живут в условиях аридных и семиаридных зон.

Исследования соленых озер важны для таких дисциплин как экология (например, вопросы бедности видового состава гидробионтов, упрощенные трофические связи и т.д.), физиология водных организмов и проблема их адаптации к экстремальным условиям, эволюционная биология (например, проблемы ферментативного воздействия на галофилы) , гидрофизика и гидрохимия (закономерности и особенности формирования термохалиннои структуры) , разработка ресурсосберегающих технологий и охрана окружающей среды.

Соленые озера являются уникальным природным объектом для пале-олймнологии. Наиболее выраженная, по сравнению с пресноводными водоемами, стратиграфия донных отложений дает большую информацию о роли климатических условий в эволюции флоры и фауны от прошлого к настоящему. В значительной степени это обусловлено тем, что соленые озера, благодаря особенностям своей физико-химической и биологической структуры, быстрее , чем пресные озера, реагируют на изменения внешних условий, приводящих к "мгновенному" (для естественных условий) формированию нового химического состава, изменению уровня воды, накоплению автохтонного и аллохтонного материала, что позволяет рассматривать их как удобные индикаторы внешних естественных и антропогенных изменений.

Практический интерес к соленым озерам до настоящего времени ограничивался, в основном, содержащимися в них минеральными ресурсами, предпринимаются отдельные попытки освоить биологические и бальнеологические ресурсы. Но даже такой, сугубо утилитарный подход к соленым озерам не исчерпывает на сегодняшний день всех возможностей использования широкого спектра их природных богатств. Особенно это относится к России, в которой с распадом СССР и отходом многих соледобывающих регионов к территориям Казахстана, бывших республик Средней Азии и Украины возникла проблема переоценки природных ресурсов соленых озер, обладающих широким спектром: минеральными (различные соли, цеолиты, уран, литий, бром, йод и т.д.), энергетическими (возможности преобразования тепловой энергии в электрическую) , биологическими (культивация и добыча отдельных водорослей Spirulina , Dunaliella, и важнейшей кормовой аквакультуры - рачка Artemia salina) бальнеологическими (целебные грязи) и рекреационными .

Интенсивное изучение соленых озер (в основном, как источников минерального и химического сырья) в советский период пришлось на первую половину XX века, когда исследования минеральных озер проводились на огромном пространстве: от Черного и Азовского морей до степей Селенгинскои Даурии, а с 50-х годов исследование соленых озер было связано, в основном, с изучением минерально-сырьевой базы таких известных озер как Индер, Кучук, Эльтон, Баскунчак, залива Кара-Богаз-Гол. Поэтому следует отметить, что актуальность представляемого к защите исследования связана, кроме прочего, с недостаточной изученностью закономерностей формирования взаимообусловленных природных и антропогенных процессов в соленых озерах и их бассейнах, особенностей функционирования их экосистем и формирования нетрадиционных природных ресурсов в различных географических зонах. Решение этих проблем позволит развивать новые направления в лимнологии и уменьшить диспропорцию между изученностью лимногенеза пресных и соленых озер.

Осознавая необходимость изучения, рационального использования и сохранения природы соленых озер по итогам V Международного симпозиума по изучению соленых озер (Боливия, 1991 г. ) , участником которого был автор, был принят Манифест: В связи с тем, что соленые озера имеют вирокое распространение в Мире, являются важными и ценными природными объектами для экономики, культуры, рекреации и научных исследований, но при этом:

- в некоторых регионах Мира соленые озера интенсивно деградируют

- не являются объектами активного сохранения в той степени, которою они заслуживают благодаря своим уникальным ресурсам

Мы, участники 5-го Международного симпозиума по изучению соленых озер, собравшиеся в Ла-Пасе (Боливия) 18-22 марта 1991 г. под эгидой Международного лимнологического общества вынуждены обратиться к национальным и Международным организациям с призывом к более активным действиям в деле охраны природы соленых озер; с целью финансового обеспечения этих действий Мы, одновременно, вынуждены обратиться к Фондам с просьбой поддержать более активные научные исследования этих важных природных объектов".

По поручению участников Симпозиума: Dr. P.Ashton

Южная Африка) , Dr. А.Nissenbaum (Израиль)

Манифест был разослан в Международные и национальные организации: SIL, IVCN, IWRB, UNEP, Экологический комитет при Верховном Совете СССР.

К Манифесту прилагался список соленых озер, нуждающихся в незамедлительном принятии мер по охране их природы: Uru-Uru и Рооро (Боливия), Laguna Colorado (Боливия), озера Балхаш, Арал, Каспий (СНГ), Alchichica и La Presiosa Lake и assosiated Lagunas (Чили), Salar de Punta Negra и assosiated Lagunas (Чили), Saltón Sea (США), Pyramid Lake, Nevada (США).

Целью работы является выявление на основе комплексного лимнологического подхода основных пространственно-временных закономерностей и особенностей лимногенеза соленых озер различных географических районов Земли, что позволяет в рамках общей лимнологии выделить новое самостоятельное научное направление, связанное с изучением соленых озер. В работе основное внимание уделяется небольшим и средним (площадь зеркала до 500 кмл) по размеру континентальным озерам, которые наиболее распространены в природе. Крупные соленые озера, такие как Иссык-куль и Аральское море представлены в диссертации отдельными сведениями в рамках рассматриваемой проблемы, в получении которых соискатель принимал непосредственное участие (см.главу 1) . При этом следует учесть, что по проблемам озер Иссык-куль, Аральское море, Балхаш и Каспий в отечественной литературе представлено достаточное количество материалов исследований.

Для достижения поставленной в работе цели сформулированы следующие основные задачи:

1. Оценить современное состояние изученности лимногенеза соленых озер.

2. Наметить классификационные признаки соленых озер, синтезировать признаки понятия "соленое озеро" . Рассмотреть показатели пространственной изменчивости соленых озер.

3. Дать анализ информационной значимости и особенности экосистем соленых озер для лимнологического исследования.

4. Выявить характерные черты гидрофизики и гидрохимии соленых озер различных географических районов и факторы их формирования .

5. Оценить роль соленых озер как индикаторов изменения внешних условий.

6. Определить основные черты структуры природных ресурсов соленых озер, выделить среди них и дать анализ нетрадиционных видов ресурсов, оценить основные современные проблемы их геоэкологии в различных географических рйонах.

Ограниченное число поставленных задач определяется их масштабом и сложностью решения, но при этом, они отвечают современным направлениям в исследованиях соленых озер, сформировавшихя в последнее десятилетие в рамках международного научного содружества: International Consortium for Sait Lake Research (под руководством профессора W . D.Williams , Австралия) , со-директором которого соискатель был с 198 9 г.

Научная новизна и теоретическая значимость определяется результатами, полученными при решении поставленных задач и вынесенными на защиту:

1. Впервые проведен критический анализ изученности проблемы лимногенеза соленых озер с позиций общей лимнологии. На основе анализа различных критериев определено понятие "соленое озеро". Отмечено, что наиболее адекватными физической сущности процессов, происходящих в соленых озерах и отвечающих принципам географической зональности являются класифи-кации соленых озер, созданные Н.С.Курнаковым, М.Г.Валяшко и уточненные А.И.Дзенс-Литовским. Показана особенность экосистем соленых озер, широта их географического распространения на Земном шаре, вообще, и на территории России, в частности. Установлена необходимость выделения в структуре лимнологии самостоятельного раздела науки о соленых озерах, объекты и методы исследований которой являются отличными от лимнологии пресных вод.

2. Впервые, на основе анализа собственных данных многолетних наблюдений и литературных данных обобщены известные и выявлены новые черты гидрофизики соленых озер: л

- на примере соленых озер различных географических районов Мира проанализированы морфометрические особенности строения озерных котловин и их влияние на формирование абиотических и биотических процессов.

- на основе изучения донных отложений соленых озер установлена эволюция их водного режима в зависимости от изменения климатических условий в голоценовый период в различных регионах Земного шара.

- впервые определены особенности формирования годового термического цикла в соленых озерах с различными морфометри-ческими характеристиками, вскрыты физические особенности возникновения "парникового эффекта" в соленых озерах Мира и география озер с "парниковым эффектом".

- на основе натурных наблюдений, полученных соискателем. впервые приводится теоретическое объяснение формирования уникальной термодинамической структуры соленого озера с "парниковым эффектом".

3. Проанализирована структура природных ресурсов соленых озер, особенности их формирования, возможности их использования, что позволило:

- установить пространственно-временные особенности формирования ионного состава озер и минеральных ресурсов.

- впервые оценить перспективность ряда регионов России для развития экономики на базе научных исследований расположенных там соленых озер, с уникальной биотой: рачком Ar-temia salina, водорослями Spirulina, Dunaliella, имеющих большую кормовую и фармакологическую ценность .

- впервые количественно оценен энергетический потенциал соленых озер и установлена возможность использования "парникового эффекта" для получения электрической энергии, что является принципиально новой возможностью получения электрической энергии экологически безопасным, нетрадиционным и ресурсосберегающим способом, что, в свою очередь, будет содействовать развитию социально-экономической инфраструктуры в малообжитых, труднодоступных районах аридных зон.

- впервые, на примере соленых озер Монголии рассмотрено современное состояние экосистем соленых озер и их водосборов и проблема их устойчивости к загрязнениям.

Поставленная в работе цель исследования, основные задачи и научная новизна их решения позволяют сформулировать предмет защиты:

Выявление на основе комплексного лимнологического подхода пространственно-временных закономерностей и особенностей формирования и эволюции круговорота вещества и энергии в соленом озере и окружающей его природной среде различных географических районах Мира в условиях H3MeH4HBt>cTH естественных и антропогенных процессов. Решение этой проблемы позволяет определить особенности лимногенеза соленых озер по сравнению с пресноводными водоемами.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов связана с :

- необходимостью более оптимального использования всех природных ресурсов соленых озер, актуального в условиях нового формирования территориального образования России

- необходимостью и возможностью использования в медицине, сельском хозяйстве и пищевой промышленности таких аквакуль-тур как водоросли Dunaliella и Spirulina и рачка Artemia sa-1 i n a

- возможностью использования энергетических ресурсов соленых озер для получения электрической энергии на основе использования природного феномена и ресурсосберегающих нетрадиционных методов.

Проблема использования соленых озер как нетрадиционных источников получения электрической энергии представляет интерес для Министерства топлива и энергетики РФ и Отдела ресурсосберегающих технологий администрации Республики Алтай, перспективное сотрудничество с которыми находится в стадии становления.

Апробация работы; Основные результаты и положения диссертации были доложены на семинарах и заседаниях Ученого Совета Института озероведения РАН в период 1984-99 г.г. Зоологического института РАН в 1995 г. Кроме того, были сделаны доклады на симпозиумах и конференциях:

- VII Всесоюзном гляциологическом симпозиуме (г.Москва, 1980)

- VII съезде географического общества СССР (г.Ленинград, 1980)

- конференции "Круговорот вещества и энергии в водоемах" (г.Иркутск, 1985)

Всесоюзном совещании по геотермии (г.Москва,1988 )

- Международной конференции "Экология и природопользование в МНР" (г.Улан-Батор, 1990) - 2 доклада

- Международнме совещании "Методологические вопросы оценки состояния природной среды МНР" (г.Пущине, 1990) - 2 доклада

- Vth International Sumposium on Saline Lakes (La Paz, 1991)

- VIth International Sumposium on Saline Lakes (Beijing, 1994)

- 5 Солевое международное совещание (С.Петербург, 1995)

Фактический материал и личный вклад автора в работу: Диссертация является результатом 30-летних исследований автора в области общей лимнологии, среди которых 19 лет были связаны с полевыми и камеральными исследованиями соленых озер. При написании работы были использованы материалы, собранные автором как в полевых условиях , так и при изучении большого количества литературных данных. Опыт полевых и камеральных исследований приобретался на пресных озерах Северо-Запада ЕТС (Онежское, Кубенское, Воже, Лача, Белое) , пресных и соленых озерах Тувы, водоемах Северного Кавказа, озерах полуострова Таймыр, соляных месторождений Пермской области,пресных и соленых озерах Тянь-Шаня и Восточного Памира, Монголии, Боливии. Данные по гидрологическому режиму, некоторым метеорологическим параметрам, показателям окружающей озера среды данным были получены лично автором. Гидрохимические пробы воды и колонки донных отложений отбирались как лично автором (пресные озера, озеро Иссык-Куль, озера Тувы и Боливии) , так и под руководством д.г.н,Д.В,Севастьянова (озера Средней и Центральной Азии) . Полевые исследования озер проводились автором как в должности рядового сотрудника, так и в качестве начальника отряда (озера Вологодской области) и экспедиции (озера Таймырского полуострова).

После 5-го Международного симпозиума по изучению соленых озер, состоявшегося в марте 1991 г. в Боливии ( на оз.Титикака) для членов симпозиума была организован научный экскурс на соленые озера, расположенные на вулканическом плато Альтиплано в Андском массиве на высоте более 4 0 00 тыс.м. в, так назывемом, Sur Lipez region.

При обследовании этих озер в марте 1991 г. были отобраны пробы воды на химический и биологический анализы, измерены некоторые физические параметры, данные о которых приводятся в таблице 2 диссертации .

Публикации: Всего автором опубликовано 42 работы, имеющих отношение к теме диссертации. Из них одна монография: "Озера МНР и их минеральные ресурсы" и одна коллективная монография: "Лимнология и палеолимнология Монголии".

Структура и объем работы: Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и списка литературы. Объем работы 246 стр. машинописного текста через 2 интервала. 56 рисунков и 37 таблиц.Список литературы состоит из 2 92 наименований, 145 из которых на русском языке и 137 на иностранном.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Егоров, Александр Николаевич

Выводы

1. Современные экологические проблемы соленых озер формируются под воздействием естественных и антропогенных изменений внешних условий. Причем, наиболее пагубное влияние на экосистемы соленых озер оказывают случаи наложения негативных последствий небрежного отношения к охране окружающей среды на отрицательные климатические изменения (уменьшение увлажненности климата, повышение температуры воздуха и т.д.).

Основной эффект антропогенного воздействия на экосистемы соленых озер и окружающей их среды - отрицательный.

2. Неблагоприятные тенденции естественного и антропогенного происхожденния приводят к деградации экосистем соленых озер, основные признаки которой сводятся к следующим: снижаются уровни воды озер, сокращаются их площади, увеличивается мутность и общая минерализация воды, уменьшается количество растворенного в воде кислорода, увеличивается концентрация органического вещества и биогенных элементов в воде и донных отложений озер, увеличивается содержание тяжелых металлов и опасных токсикантов, увеличивается общая числе-ность бактерий в воде, возрастает активность микробиологических процессов и роль гетеротрофных бактерий, уменьшается видовое разнообразие гидробионтов

3. Для оценки устойчивости аквасистем в первом приближении нами была проведена оценка их буферной емкости. По величине корреляции между буферной емкостью проб воды и содержанием основных ионов они могут быть ранжированы следующим образом: 2

НСОз > к+ >80 4 > ме2+ > Ыа+ > С!" > Са2+

4. Буферная емкость исследованных проб воды некоторых соленых озер Монголии в наибольшей степени определяется содержанием в этих пробах бикарбонат-иона и в несколько меньшей степени от иона калия. Последний результат представляется несколько неожиданнным, так как принято считать, что в природных водах щелочность, которая определяется количеством сильной кислоты, необходимым для замещения анионов слабых кислот, зависит, в основном, от присутствия гидрокарбонатов щелочноземельных металлов и в меньшей степени щелочных. Выявленный эффект требует дальнейших натурных наблюдений.