Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственно-временной анализ зарастания Волгоградского водохранилища

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временной анализ зарастания Волгоградского водохранилища"

На правах рукописи

КОЧЕТКОВА Анна Игоревна

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ ЗАРАСТАНИЯ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

11 АПР 2013

Борок, 2013

005051700

005051700

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, профессор Папченков Владимир Гаврилович

Петросян Варос Гарегинович

доктор биологических наук, ФГБУН Институт проблем экологии и эволюции А.Н. Северцова РАН, г.н.с„ заведующий кабинетом биоинформатики и моделирования биологических процессов.

Ефремов Андрей Николаевич

кандидат биологических наук, ЗАО «Проектный институт реконструкции и строительства объектов нефти и газа», начальник группы камеральной обработки отдела экологических изысканий.

ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет»

Защита диссертации состоится « 16 » мая 2013 г. в 14® ч. на заседании диссертационного совета ДМ 002.036.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте биологии внутренних вод им. И.Д. Па-панина Российской академии наук по адресу: 152742, Ярославская область, Некоузский район, пос. Борок, тел./факс (48547) 24042.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук, с авторефератом - в сети Интернет на сайте ВАК РФ и ИБВВ РАН по адресу: 1і«р:/\¥\у\у.іЬілу.ги.

Автореферат разослан: «/¿»Л/ 1/1СЫ,(Я2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Л.Г. Корнева

доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Волгоградское водохранилище замыкает сеть гидротехнических сооружений Волжско-Камского каскада и вследствие этого испытывает природно-антропогенное воздействие всей этой сети. При достаточно хорошей изученности растительного покрова Волгоградского водохранилища в пределах Саратовской области (Седова, 2007; Маевский и др., 2010) отсутствуют современные данные по разнообразию флоры и растительности этого водоёма в пределах Волгоградской области. На Волгоградском водохранилище зарастание отмелей и кос, образующихся на выходе из заливов, часто приводит к их отделению от основной акватории и, следовательно, к уменьшению мест для нереста рыб. Для выявления проблемных в этом отношении участков необходимо провести типизацию зарастающих мелководий. Заиление и последующее зарастание мелководий, барьерная роль водных растений, участие их зарослей в накоплении и трансформации тяжёлых металлов и взвешенных веществ недостаточно изучены. Необходим прогноз динамики зарастания путем синтеза материалов научных публикаций и данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса.

Исходя их вышеперечисленного, целью данной работы является выявление особенностей динамики зарастания Волгоградского водохранилища с использованием методов ДЗЗ и оценка влияния водной растительности на состояние его экосистемы.

Задачи, направленные на достижение поставленной цели:

1. Изучение разнообразия растительного покрова Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области.

2. Изучение процессов зарастания мелководий с момента формирования Волгоградского водохранилища до настоящего времени.

3. Выявление различных типов зарастающих мелководий.

4. Выявление возможности использования водной растительности для индикации геодинамических процессов на Волгоградском водохранилище.

5. Исследование барьерной роли высшей водной растительности для тяжёлых металлов и взвешенных веществ на Волгоградском водохранилище.

6. Выявление закономерностей накопления тяжёлых металлов высшими водными растениями с расчётом коэффициентов биологического поглощения.

Предметом защиты диссертации являются выявленные особенности и закономерности зарастания Волгоградского водохранилища и влияния высшей водной растительности на экосистему водоёма.

Защищаемые положения.

1. Зарастание Волгоградского водохранилища носит пульсирующий характер, оно неоднородно во времени по скорости, направлению и пространственному положению.

2. Характер зарастания определяется режимом уровня воды, темпами абразии и формирования абразионно-аккумулятивной отмели.

Научная новизна выполненных исследований. Впервые с использованием методов ДЗЗ была произведена оценка динамики зарастания Волгоградского водохранилища с момента его наполнения по настоящее время. С применением ГИС была создана база данных, включающая картосхемы зарастания водохранилища и произведена каталогизация гербарных образцов высших водных и прибрежных растений, собранных на мелководьях водоёма. На основе спутниковых снимков Landsat 4-5 (ТМ) и Landsat 7 (ЕТМ+) с учётом динамики зарастания за период с 1986 г. по 2010 г. произведена типизация зарастающих мелководий.

Практическая значимость работы. Результаты исследования могут быть использованы: 1) для оценки экологического состояния Волгоградского водохранилища и разработки природоохранных мероприятий; 2) для комплексной оценки биологического разнообразия водных объектов Волгоградской области; 3) для решения задач рационального природопользования и охраны природной среды в зоне антропогенно-изменённого крупного водного объекта; 4) в подготовке образовательных курсов для студентов, обучающихся по направлению «Экология и природопользование» в ВУЗах Волгоградской области; 5) для создания электронной базы данных гербарной коллекции высших растений в ВГИ (филиале) ВолГУ.

Апробация работы. Материалы и основные положения диссертации докладывались на научных конференциях международного, регионального и местного уровней: «Использование геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования Земли при решении пространственных задач» (Пермь, 2011); «VIII Региональная научно-практическая конференция» (Волжский, 2011); «Экологическая оптимизация регионального хозяйства: круглый стол» (Волгоград, 2011); «XVI Региональная конференция молодых

исследователей Волгоградской области» (Волгоград, 2011); «Современные проблемы географии, экологии и природопользования» (Волгоград, 2012); «Экологическая безопасность и природопользование: наука, инновации, управление» (Москва, 2012); «Бассейн Волги в XXI-веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ» (Борок, 2012). Дважды основные результаты исследования были заслушаны на заседании Учебно-методического семинара кафедры природопользования, геоинформационных и наноэкономических технологий Волжского гуманитарного института (филиала) Волгоградского государственного университета.

Публикации. Результаты исследований изложены в 18 научных работах, 2 из которых опубликованы в журналах рекомендованных высшей аттестационной комиссией.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 226 страницах и состоит из введения, 5 глав, выводов. Список цитируемой литературы 301 наименований. Текст иллюстрирован 130 рисунками и 21 таблицей.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю д.б.н. В.Г. Папченкову за огромную помощь на всех этапах написания работы; директору ВГИ (филиала) ВолГУ д.э.н. М.М. Гузеву, заведующему кафедрой природопользования, геоинформационных и наноэкономических технологий д.э.н. A.B. Плякину, заведующему учебно-научной лаборатории экологических и социальных исследований ВГИ (филиала) ВолГУ к.г.н. О.В. Филиппову за содействие и полезные советы; генеральному директору к.ф.-м.н. В.Е. Гершен-зону и руководителю отдела геодезии и картографии ИТЦ «СКАНЭКС» к.г.н. М.В. Зимину за бесценные консультации в обработке космических снимков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы по изучению растительного покрова с использованием ГИС и методов ДЗЗ из космоса

В главе проанализировано состояние изученности и возможности использования геоинформационных технологий и методов ДЗЗ в оценке растительного покрова. Последние методы в зависимости от поставленной задачи исследования могут базироваться на концепции вегетационных индексов (NDVI, IVI, VCI, IVCI) или дешифрировании различных типов растительности путём сопоставления их спектральной яркости на снимке с материалами нолевых наблюдений.

Глава 2. Физико-географическая характеристика Волгоградского

водохранилища

На основе литературных данных в главе дана характеристика геологического строения и рельефа, климата, почв, растительности и гидрологического режима Волгоградского водохранилища. Описаны непосредственно влияющие на динамику зарастания факторы: глубина, гранулометрический состав донных отложений, прозрачность, скорость течений и уровенный режим.

Глава 3. Материалы и методы исследования 3.1. Полевые методы

Материалы для исследования были получены в ходе экспедиций по проекту «Волжского плавучего университета», осуществляемому ВГИ ВолГУ в научно-исследовательских и учебных целях с 1998 г. и ФГУ «Управление эксплуатации Волгоградского водохранилища».

Полевые методы включали в себя картирование и геоботаническое описание растительности с гербаризацией растений, отбором проб растений для определения надземной воздушно-сухой биомассы, зольности и донных отложений для лабораторных анализов на тяжёлые металлы.

Картирование растительности проводилось с лодки маршрутным методом с 2009 по 2012 гг. на 17-ти участках Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области. Исследовались заливы по устьям рек и участки мелководий на выходе из заливов. При описании зарастания последних участков мы использовали термин «устье заливов», означающий входной створ, отделяющий акваторию заливов от водохранилища.

Отбор проб растений и донных отложений для лабораторных анализов осуществлялся в 2006-2008 гг. Пробы растений тщательно промывались от взвесей, высушивались и заворачивались в крафт-бумагу. Образцы проб донных отложений отбирались с помощью дночерпателя Петерсена ДЧ-0,025 и помещались в предварительно подготовленные полиэтиленовые контейнеры.

3.2. Аналитические методы

База данных по зарастанию Волгоградского водохранилища была создана в программе ArcView GIS 3.2. Работа по классификации и тематической обработке космических снимков выполнена в программе ScanEX Image Processor 3.6.8 в модуле Thematic Pro.

Для мониторинга зарастания использовали космические снимки Landsat 5 и Landsat 7 разрешением 15-30 м. Снимки обеспечивают надежное определение распространения водных растений, потому могут служить источником для картографирования и выявления многолетних изменений (Лабутина, Балдина, 2009). Был создан архив снимков за июль месяц с 1986-2010 гг. Для анализа мозаик снимков использовали неуправляемую классификацию ISODATA (Кравцова, Шуматиев, 2005).

В программе ArcView GIS 3.2 производилось соединение точек растительных группировок в полигоны и произведена каталогизация гербарных образцов высших водных и прибрежно-водных растений. Каждый полигон после обработки стал обозначать либо ассоциацию, либо комплекс сообществ. Выделение ассоциаций производилось на основе доминанто-детерминантного подхода (Папченков, 2003).

Пробоподготовку осуществляли в учебной экологической лаборатории ВГИ (филиала) ВолГУ. Взвешивание проб надземной воздушно-сухой биомассы водных растений проходило после сушки их вначале на воздухе до полного высушивания и последующей досушки в сушильном шкафу при 65°С до постоянного веса (Папченков, 2001). Для определения зольности и массы сорбированных взвешенных веществ поверхностью листьев и стеблей и известковых отложений на листьях служили пробы промытых и непромытых водных растений, которые подвергались сжиганию в муфельной печи сухим методом до полного сгорания органического вещества при температуре 400-450 °С.

В результате проделанной работы были получены формулы для расчета процента взвеси в непромытых растениях Ceratophyllum demersum L. (1) и Potamogeton perfoliatus L. (2):

y=20.691n(x)-59.725, R2=0.68 (1) y = 0,0076x2, R2=0.57 (2) где x - зольность непромытых растений (%), R - коэффициент детерминации.

Применение формул (1) и (2) позволяет рассчитать реальную зольность непромытых растений, необходимую для расчета количества органического вещества и калорийности растений.

Определение валового содержания тяжёлых металлов, таких как Cu, Zn, Pb, Cr, Ni, Со, Fe, Mn было реализовано на базе лаборатории «Мониторинга водных систем» МГУ им М.В. Ломоносова на портативном рентгенофлуо-

ресцентном кристалл-дифракционном сканирующем спектрометре «Спектро-скан».

Глава 4. Характеристика растительного покрова Волгоградского

водохранилища

4.1. Флора водохранилища в пределах Волгоградской области

Флора нижней части водохранилища насчитывает 159 видов растений из 85 родов, 46 семейств и 4 отделов. О.В. Седовой (2007) для этого водоёма в пределах Саратовской области приведен 161 вид из 90 родов, 44 семейств и 3 отделов и отмечено уменьшение разнообразия флоры водохранилища с севера на юг. Самые насыщенные видами семейства: Asteraceae (14 видов), Суре гас еае (18), Gramineae (14), Lamiaceae (6), Potamogetonaceae (5), Polygona-ceae (11), Ranunculaceae (5), Salicaceae (12), Typhaceae (10). Из родов с большим разнообразием видов можно отметить Bidens (5 видов), Сагех (5), Persicaria (10), Potamogetón (5), Salix (9), Scirpus (7), Typha (10).

Видовое богатство различных экотипов растений с продвижением по Волгоградскому водохранилищу с севера на юг различно и это связано со сменой природных зон, в которых меняется отношение осадков к испаряемости (Малышев, 1992). Так, для лесостепи показатель составляет 0,85, степи - 0,77, су-хостепи - 0,41 и полупустыни - 0,33 (Кретинин, 2011). С уменьшением этих показателей понижается разнообразие растений переувлажненных и сырых мест обитаний (гигрогелофитов и гигрофитов) и повышается доля гигромезо-фитов и мезофитов, появляются мезоксерофиты и ксерофиты.

Нестабильные гидрологические условия на Волгоградском водохранилище, находят свое отражение в особенностях уровенного режима, изменении ширины отмели и абразионных процессах. Под действием этих факторов появляются новые свободные местообитания, которые так необходимы для распространения и закрепления разнообразных, в том числе и новых заносных растений и образовавшихся гибридов (Папченков, 2001). Во флоре Волгоградского водохранилища было найдено 14 гибридов, относящихся к разным экотипам. К гелофитам относится 4 гибрида (Scirpus lacustris L. * S. tabernaemontani (C.C. Gmel) Palla, Typha angustifolia L. x T. laxmannii Lepech., T. x glauca Godron, Т. x smirnovii E. Mavrodiev), гигрофитам - 9 гибридов (Bidens connata Muehl. ex Willd. * B. frondosa L., B. frondosa L. x В. x garumnae Jeaniean et Debray, Carex x toezensis Simonk., Persicaria * brauniana (S.F. Schultz) Soják, Р. x tntercedens (Beck) Soják, Р. x lenticularis (Beck.)

Soják, Salix * alopecuroides Tausch, S. * rubens Schrank, S. x undulata Ehrh.), мезофитам - 1 гибрид (Populus x canadensis Moench.).

При проведении флористических исследований нами обнаружено несколько видов редких для флоры Волгоградской области и ранее не отмеченных для нее (Мавродиев, 1999; Голуб и др., 2002; Флора Нижнего 2006). К числу последних относятся Bidens radiata Thuill, Persicaria hypanica (Klok.) Tzvel., P. tomentosa (Schrank) Bicknell., Typha elata Boreau., Veronica pseudo-scardica Papch. и гибриды: Bidens connata x В. frondosa, Carex x toezensis, Persicaria x brauniana, P. x intercedens, P. x lenticularis, Salix x alopecuroides, S. x undulata, Scirpus lacustris x S. tabernaemontani.

4.2. Растительность водохранилища в пределах Волгоградской области

Растительный покров исследуемого участка Волгоградского водохранилища описывается 64 ассоциациями относящимся к 37 формациям. Наибольшим разнообразием выделяется настоящая водная растительность, представленная 32 ассоциациями (50 % от общего числа ассоциаций), которые входят в 16 формаций, т.е. на одну формацию в среднем приходится 2 ассоциаций. Воздушно-водная растительность характеризуется 20 ассоциациями 14 формаций (1,4 ассоциации на формацию); гигрогелофитная -всего 12 ассоциациями 7 формаций (1,7 ассоциации на формацию). Наиболее разнообразными в синтаксономическом отношении являются формации Ро-tameta perfoliati и Typheta angustifoliae — соответственно 6 и 4 ассоциаций.

Более половины (54 %) растительных сообществ одноярусны и монодоминантны, у 42 % два доминанта, формирующих два яруса, и лишь в 4 % сообществ, имеющих также двуярусную структуру, доминируют 3 вида, при этом увеличение состава доминантов происходит за счет плавающих на поверхности воды растений (рясок, многокоренника, водокраса).

Наибольшее распространения имеет группа формаций воздушно-водной растительности и формация гидрофита рдеста пронзённолистного. В зарастание водохранилища наиболее существенный вклад привносят фитоценозы Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud., Ph. alíissimus (Benth.) Nabile, Typha angustifolia L., Potamogeton perfoliatus. Последние имеют массовое распространение и занимают значительные площади на предустьевых, как правило, участках заливов.

По материалам ДЗЗ в 2010 г. площадь зарастания водохранилища составила 37 тыс. га, из которых на долю зарослей тростника приходилось 48 %. Комплексы сообществ рогоза и тростника давали 40 % зарослей, сообщества истинно водных растений - 20 %. Тростниковые фитоценозы (без учёта комплексов из сообществ тростника и рогоза) занимают площадь около 18 тыс. га и образуют воздушно-сухую биомассу в количестве 215 тыс. т.

4.3. Характер зарастания различных типов мелководий Волгоградского

водохранилища

Изучение высшей водной растительности Волгоградского водохранилища началось с момента его наполнения в 1961 г. и продолжается по настоящее время. Материалы по растительному покрову и зарастанию водохранилища отражены в ряде научных публикаций (Экзерцев, Экзерцева, 1962; Экзерцев, 1961, 1963, 1966, 1973, 1978; Лисицына, Экзерцев, 1984, 1989; Лисицкий, 1974; Небольсина, 1974а, 19746, 1980; Закора, 1983; Закора, Синицына, 1983; Седова, 2007; Шашуловский, 2006; Шашуловский, Мосияш, 2010).

1 1

8

■5 Энрйстанне — средний ход уровмй ВОДЫ

Рис. 1. Динамика зарастания Волгоградского водохранилища в виде гистограммы (источники: 1972 г. - Экзерцев, Лисицына (1984); 1981 г. - Закора, Синицына (1983); 2003 г. - Шашуловский, Мосияш (2010); 1991, 1995,2000, 2007, 2010 - данные автора) и ход уровней воды в виде графика В целом зарастание Волгоградского водохранилища носит пульсирующий характер (рис. 1), для которого характерно чередование медленной и быстрой фаз (Папченков, 2006). В первую из них (наблюдалась в 1972-1981 гг.) зарастание шло едва заметно и достигло 0,9 % акватории водохранилища. Начиная с 1981 г. по 1991 г. площадь зарастания резко увеличивается до 7,5 % и находится на этом уровне до 2003 г. С 2003 г. по 2007 г. процессы зарас-

тания несколько активизировались и степень зарастания достигла 10,5 %. В 2007-2010 гг. снова наблюдалась медленная фаза развития растительного покрова (рис. 1).

Такой темп зарастания во многом объясняется нестабильным уровенным режимом на Волгоградском водохранилище. В период с 1962 г. по 1990 г. наблюдались значительные и частые колебания уровня воды от 13,8 м БС до 14,9 м БС. Зарастание водохранилища было затруднено и не превышало 1 % от всей акватории. Лимитировали этот процесс факторы отсутствия зачатков водных растений (Экзерцев, Лисицына, 1984) и сильные абразионные процессы на озерном участке. Незначительные колебания уровня в период с 1991 г. по 2005 г. и резкое его понижение в 2005-2011 гг. с 14,91 м БС до 14,39 м БС в целом благоприятно повлияли на зарастание мелководий (рис. 1).

Зарастание Волгоградского водохранилища также определяется процессом формирования абразионно-аккумулятивных отмелей (рис. 2) и темпами абразии. Ширина отмели с 1962 г. по 1990 г. сильно менялась с резким её приростом. Так, на левобережье за этот период она в среднем увеличились с 50 м до 213 м. С 1991 г. по 2010 г. прирост отмели значительно уменьшился и ширина ее за это время стала больше всего на 56 м. В этот временной промежуток темпы абразии также снизились по сравнению с первым периодом. Было достигнуто гидродинамическое равновесие, позволяющее водным растениям закрепляться на мелководьях и образовывать густые заросли (рис. 2).

ЖШШНШШМШ» ШШ81!ШШ1ШШ18Ш!Ш£111Ш111ШШН

остров Молчанов*»

участок Новоникольское, левый берег

участок Нижний Балыкпеи, левый берег

— участок Ушаков бугор, правый берег

— -среднее >начение ширины отмели для левобережных участков озерной части водохранилища

Рис. 2. Динамика зарастания Волгоградского водохранилища (источники по рис. 1) и ход формирования отмелей

Пульсирующий характер зарастания водохранилища, таким образом, обусловлен внешними факторами, вызывающими флуктуационные изменения в его ходе. Первые значительные флуктуации зарастания, отмечены нами в 1991 г. и связаны они с замедлением темпов формирования абразионно-аккумулятивных отмелей. Последующие изменения в зарастании определял в основном уровенный режим. В период с 1996 г. по 2001 г. уровень воды постепенно повышался с 14,5 м БС до 14,94 м БС приводя к затоплению и последующему отмиранию ранее сформировавшихся на мелководьях фитоценозов и, следовательно, к уменьшению зарастания водоёма в целом. С резким его понижением в 2005-2011 гг. образовались огромные площади обсыхающих мелководий, которые стали активно занимать прибрежно-водные растййи^гаетом скорости зарастания, его направления и пространственного расположения, гидрологических и морфометрических особенностей мелководных участков проведена их типология. Выделены следующие типы зарастающих мелководий:

1. Очень глубокие заливы (до 18-21 м), образованные в устьях малых рек (заливы Пичуга, Ерзовка, Песковатка, Даншовка, Другалка). Самым динамичным участком залива по отношению к зарастанию является верховье. Увеличение темпов зарастания началось с 1991 г. К 2010 г. площадь зарослей увеличилась приблизительно на 12 тыс. м2. Вектор зарастания направлен от верховья к устью.

2. Верховья крутых глубоководных заливов, сформировавшихся на месте затопленных долин приустьевых участков притоков (Ерусланский, Ка-мышинстй, Бапыклейский). Наиболее динамично зарастает верховье залива. Здесь зарастание идёт в направлении от верхней части верховья к его вершине. Особенностью зарастания мелководий данного типа является цикличность. Так, например, в заливе Камышинский в 1995 г. площадь зарастания верховья составляла 71 тыс. м2, в 2000 г. - 26 тыс. м\ 2007 г. - 59 тыс. м2, 2010 г.-38 тыс. м2.

3. Закрытые глубоководные заливы с амплитудой колебания максимальных глубин на различных участках от 4 м до 7 м (Мостовой, Большой, Балка Крестищенская, Бориков, Каранчев и т.д.). Несмотря на замедленный водообмен в заливах зарастание происходит крайне медленно. Наиболее интенсивно зарастают отделённые пересыпью устья заливов.

4. Мелководные заливы (1-4 м) по устьевым участкам рек (Б. Иргиз, Терешка, Курдюм, Б. и М. Караман, Тарлык и т.д.). Для данного типа мелководий зарастание локализировано в верховье залива. Здесь создаются благоприятные условия для намыва мелководий, которые с 2007 по 2010 гг. значительно разрослись и стали обособленными островами. С образованием первых мелководных участков связано появление пионерных группировок водных растений. Рост мелководий и их зарастание идут против течения рек. В период быстрой фазы (2003-2007 гг.) зарастания Волгоградского водохранилища самая высокая скорость была достигнута в заливах по рекам Терешка -14,6 га/год и Курдюм — 2 га/год. Устьевые участки рек Большой Иргиз и Большой и Малый Караман не представлены в виде заливов, поэтому зарастают крайне слабо.

5. Относительно мелководные (4-12 м) заливы правобережья по балкам и оврагам (Нижний Ураков, Горноводяное, Нижняя Добринка, Камышеваха и т.д.). Мелководья верховья залива являются наиболее активно зарастающими по сравнению с другими его участками. Зарастание идет от верховья к устью залива и происходит быстрее, чем в верховьях глубоководных заливов. Здесь можно выделить два периода с высокой скоростью зарастания: с 1991 г. по 1995 г., когда площадь зарослей увеличилась на 14 тыс. м2, и с 2000 г. по 2007 г. с увеличением площади на 9 тыс. м2.

6. Мелководья Y-образных заливов правобережья (заливы Жилой, Ду-бовка, В. и Н. Ураков). Их особенностью является более сильное зарастание нижних (южных) отрогов по сравнению с верхними.

7. Закрытые мелководные заливы с глубинами до 3 м (залив Томатный и др.). Как правило, зарастание таких заливов носит импульсивный характер. Первый существенный скачок в зарастании залива Томатный, например, имел место в период с 1995 г. по 2000 г., тогда зарасгание достигло 15 % акватории залива. Следующий скачок произошел в промежуток с 2000 г. по 2007 г. с изменением степени зарастания от 20 % до 85 %. С 2007 г. по 2010 г. зарастание вступило в медленную фазу и изменялось с 85 % до 87 %. Такие заливы нередко зарастают на 90-100 % прибрежно-водными растениями.

8. Относительно протяженные (от 1,2 км до 5 км) заливы левобережья (Карагачёв, Мордовский, Карагачёва Балка, Терновый и др.). Зарастание такого типа мелководий наиболее активно происходит в устье заливов. В целом оно носит пульсирующий характер с чередованием быстрых и медлен-

ных фаз. Так, быстрая фаза с резким приростом площади зарослей была в период с 1995 по 2000 гг. Степень зарастание в этот период увеличилась с 16 % до 24 % акватории заливов. С 2000 г. по 2007 г. начинается медленная фаза с незначительным приростом площадей зарослей, доля которых возросла с 24 % до 24,4 %. Далее, с 2007 г. по 2010 г. опять началась быстрая фаза, и степень зарастания изменилось с 24,4 % до 29,4 %.

9. Открытые мелководья с равномерным зарастанием гидрофитов (о. Молчановка, о. Пролейский, о. Бурты, мелководья Нижний Ураков и Пичуга). Данный тип зарастания характерен для участков водохранилища с низкими темпами абразии (ОД-1,8 м/год) и сформировавшейся отмелью. Здесь погруженная растительность распределяется по всей отмели мозаично или поясами.

10. Открытые мелководья с зарастанием гидрофитами по внешней кромки отмели (Бережновка, Новоникольское, Нижний Балыклей). Данный тип характерен для участков с активной абразией (4,4-5,9 м/год). В связи с неблагоприятными условиями произрастания распределение сообществ погруженной растительности имеет мозаичный характер.

11 .Автогенные отмели (Красноярско-Черебаевские, Ровенско-Черебаевские, Квасниковско-Узморские, Анисовскне, Красноярские, Кошеле-во-Чардьшскне, Волго-Иргизские). Зарастание автогенных отмелей в основном происходит в защищенных от внешних воздействий участках и, как правило, положительная её динамика проявляется за островами. В период значительного скачка в зарастании Волгоградского водохранилища с 2000 г. по 2007 г. скорость зарастания отдельных участков Квасниковско-Узморских автогенных отмелей составляла 6,3 га/год и для Красноярских — 4 га/год. Наиболее динамично зарастают Красноярские автогенные отмели с увеличением площади зарослей с 1986 по 2010 гг. до 60 %.

Глава 5. Роль высшей водной растительности в функционировании экосистемы Волгоградского водохранилища

Зарастание при чрезмерном его развитии может оказывать негативное воздействие на экосистему водохранилища. Заросли водных растений оказывают гидравлическое сопротивление водному потоку, снижая его энергию и увеличивая скорость осаждения взвешенных веществ, активизируя процесс заиления водоёма. В результате кумулятивного действия факторов заиления и зарастания некоторые заливы водохранилища отделяются от основной акватории, что приводит к уменьшению мест для нереста рыб. Макрофиты, наряду

14

с донными отложениями играют важную роль в балансе геоэкологических процессов. Имея высокую продуктивность, они способны к аккумуляции веществ по безбарьерному принципу (Бурдин, 1998; Лычагина и др., 1999). Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в высших водных растениях

Волгоградского водохранилища

Вид' Параметры2 Си Zn Ni Pb Со Fe Мп Сг Sr

ТО (20) 1 1001 248 65 27 7 5775 3944 104 518

2 16 18 2 1 1 2420 923 43 156

3 251,3 159,8 18,6 20,3 4,3 4086,8 1930,23 62,4 420,2

4 115,5 34,3 87,7 54,9 49,3 34,3 40 25,6 22,1

РУ (15) 1 1201 185 9 НП НП 6150 6339 61 730

2 30 101 2 НП НП 345 538 40 326

3 263,5 131,9 6,14 НП НП 3288,8 2919,6 55,1 610,3

4 161,2 23,1 36,3 НП НП 65 61,5 12,8 27,2

УМ (11) 1 280 173 67 30 16 16205 9647 135 965

2 44 39 11 4 5 1066 488 47 294

3 122,8 93,2 34,4 17,5 11,3 4668 3871,5 72,6 650,8

4 56,3 37,6 40,7 53,3 32 88 64,2 28,6 36,3

РТ-3 (12) 1 319 194 89 28 16 16590 17703 71 949

2 59 27 10 4 8 825 1001 57 453

3 184,4 75,3 46,9 11,5 11,7 6718,9 3973 65,4 613,1

4 46,3 58,8 39,5 83,5 28,3 75,5 119,7 6 28,2

РП (28) 1 229 225 79 63 16 12030 8093 120 1356

2 7 26 10 1 1 104 243 39 658

3 96 90,9 32,4 14,6 6,5 4814,7 1607 60,4 1039

4 58,3 46,5 50,8 126,4 59,5 69 100,8 19,5 20,3

РБ (12) 1 153 148 35 24 13 8806 4852 86 -

2 21 35 7 12 2 103 311 44 -

3 74 72,9 19,7 18,8 7,4 4286,6 1628,1 56,9 -

4 61,6 46,3 51,3 23,6 42,5 74,9 87,2 22,5 -

РК (14) 1 326 109 52 19 15 11351 3073 72 -

2 127 63 15 8 2 1007 524 36 -

3 192,8 86,3 27 12 9 4482 1902,8 54,5 -

4 40,7 19,4 54,5 41,4 59,5 92,9 52,5 24,6 -

ЭК (19) 1 - 63 36 5 - 8923 1774 68 1037

2 - 32 2 2 - 3475 725 58 21

3 39 42,5 18,8 3,5 - 5736 1426 63,6 592,7

4 - 28,5 65,2 42,9 - 38,3 28,9 5,8 71

'Вид: ТО - Phragmites australis; РУ - Typha angustifolia; УМ - Myriophyllum

verticillatum L.; PT-3 - Ceratophyllum demersum; РП - Potamogeton perfoliatus; РБ -Potamogeton lucens L.; PK - Potamogeton crispus L.; ЭК - Elodea canadensis Michx. 2Параметры - концентрации, мг/кг: 1 - максимальная, 2 - минимальная, 3 - средняя; 4 - коэффициент вариации (V), %; НП - ниже предела обнаружения; ( ) количество проб.

Высшие водные растения Волгоградского водохранилища характеризуются высокой вариабельностью содержания тяжёлых металлов, следовательно, их химический состав сильно зависит от концентраций тяжёлых металлов в среде (табл. 1). В общем виде ряд накопления тяжёлых металлов в макрофитах Волгоградского водохранилища (табл. 1) можно представить следующим образом: Fe>Mn>Sr>Cu>Zn>Cr>Ni>Pb>Co.

В исследуемых растениях были выявлены различные уровни связи между тяжёлыми металлами. К первому уровню относятся связи с сильной корреляцией Fe-Cr (r=0,9), Fe-Co (г=0,83), Со-Mn (г=0,83), ко второму - со средней корреляцией Fe-Ni (r=0,74), Fe-Mn (r=0,61), Zn-Cu (r=0,75), Zn-Pb (r=0,75) и к третьему - со слабой Ni-Cr (0,56).

Высокий коэффициент вариации (V) металла в высших водных растениях наряду со слабыми его корреляционными связями с другими элементами указывает на отсутствие биологического регулирования данного тяжёлого металла макрофитом (Лычагина и др., 1999). Синтезируя данные показатели мы получили следующие виды-индикаторы загрязнения акваландшафта: Elodea canadensis (Sr с V=71), Phragmites australis и Typha angustifolia (Си с V=115,5; V=161,2 соответственно), Ceratophyllum demersum (Zn с V=58,8; Pb с V=83,5) и Potamogeton perfoliatus (Pb с V=126,4).

Таблица 2. Диапазон коэффициента биологического накопления (КБ) для системы «водные растения - донные отложения» Волгоградского водохранилища, 2007 г.

тм Си Zn Мл Ni Pb Со Сг Fe

Кб 0,156,94 0,266,18 0,3517,11 0,044,5 0,011,85 0,050,1 0,30,84 0,0350,7

Для оценки интенсивности вовлечения тяжёлых металлов в биогеохимические циклы миграции для высших водных растений были рассчитаны коэффициенты биологического накопления (КБ), численно равные отношению содержания элемента в золе макрофита к его содержанию в донных отложениях, отобранных в корнеобитаемом слое растений. С увеличением КБ элементы более активно переходят из окружающей среды в растения (Перельман, 1966). Полученные данные дают основание полагать, что в исследуемых заливах в системе «растение - донные отложения» элементы Ре, РЬ, Со, Сг преимущественно переходят в донные отложения, где прочно связываются и мало вымываются, тогда как такие металлы как Мп, Си, Ъп в основном аккумулируются тканями растений (табл. 2).

Количество взвесей на растениях прямо или косвенно связанно с мутностью воды (объемно-массовая характеристика количества взвешенных наносов в воде), что определяет её относительную прозрачность. Мутность в открытой части Волгоградского водохранилища колеблется в основном от единицы до десятков граммов на кубический метр и может достигать во время шторма 300-500 г/м3 (Филиппов, 2004). Средняя величина прозрачности для озерного участка водохранилища составляет 2,2-2,8 м (Филиппов, 2004).

При сравнении полученных данных с результатами анализов тех же видов растений, взятых из других водоёмов, можно заметить, что колебания содержания зольной фракции у растений значительны. Зольность Potamogeton рег/оПаШ из Волгоградского водохранилища в среднем составляет 20,2 %. В условиях других водоёмов она колеблется от 10,5 % на Киевском водохранилище до 21,4 % в водоёмах и водотоках Среднего Поволжья (Папченков, 2001). Средняя зольность произрастающего на Волгоградском водохранилище СеШорИуИит Летепит составляет 26,3 %. Она близка к данным по Среднему Поволжью (22,8 %) (Папченков, 2001) и Горьковскому водохранилищу (26,6 %) (Довбня, 1972).

Для сопоставления данных по массе взвесей, сорбированных исследуемыми видами высших водных растений нами был произведен их перерасчет на воздушно-сухую биомассу растений 100 г/м2. Эти данные методом статистической группировки дифференцируются на три кластера с произвольным интервалом: от 8-20 г, 21-30 г, 31-46 г (табл. 3).

Таблица 3. Количество проб (%) при различной массе взвеси на поверхности растений с надземной воздушно-сухой биомассой 100 г/м2

Вид Масса взвеси на поверхности водных растений, г

8-20 21-30 31-46

Potamogeton рег/оНаШ 11,54 11,54 76,92

СегШоркуПит йетегьит 13,3 40 46,7

Количество взвеси, сорбированной высшими водными растениями, обуславливается экологическими условиями произрастания Potamogeton рег/оНаШз и Сега1орНу11ит ёетегхит. Первое растение относится к экогруппе погруженных укореняющихся гидрофитов, произрастающих в стоячей и текущей воде, а также в прибойной зоне. Второе относится к экогруппе гидрофитов, свободно плавающих в толще воды с предпочтением глухих заливов

водохранилищ с малоподвижной водой (табл. 4) (Папченков, 2003; Лисицына и др., 2009).

Таблица 4. Надземная воздушно-сухая биомасса Сегаїоріїуііит сіетегвит и Potamogeton рег/оІіаШя (г/м2) и средняя скорость потока воды в их зарослях (м/с)

Вид Классы проективного покрытия, % (Папченков, 2001) Средняя скорость движения воды (Казмирук и др.,2004)

до 30 31-60 61-90 91-100

С. сіетекит 20 60 140 340 0,05

Р. рег/оІіШш • 95 250 450 0,12*

* скоростные характеристики течений в зарослях Р. рег/оІіаШя приняты по данным для сообществ Р. Іисет.

На Волгоградском водохранилище экологически пластичный вид Р. рег/оИаШэ встречается на всех мелководьях с глубиной до 6 м и довольно значительной скоростью течения. Сообщества Р. реф>Имиз занимают большие площади в устьях заливов, образуют протяженные полосы зарослей на открытых мелководных участках, незащищенных от ветро-волнового воздействия, имеющих высокую скорость течения, что способствует переносу значительных объёмов взвешенных веществ (табл. 3 и 4). Очевидно этим обусловлен такой высокий процент проб (76,9 %) с содержанием взвеси и известковых отложений в пределах 31-46 г. Очевидно, обстановка для сорбирования взвеси поверхностью растений С. йетекит менее благоприятна. Это показывают и наши данные, согласно которым у роголистника масса взвеси и отложений от 31 до 46 г была отмечена лишь в 46,7 % проб.

По данным В.А Шашуловского площадь зарастания Волгоградского водохранилища в 2003 г. составила 24 тыс. га, или 7,5 % от всей акватории водоёма (Шашуловский, Мосияш, 2010). На большинстве волжских водохранилищ наиболее распространённым гидрофитом является Р. рег/оИаШз (Папченков, 2002). Например, в условиях залива Рыбинского водохранилища и подпорного участка по рекам Юхоть и Улейма, которые по морфологии и гидрологическим условиям могут быть моделью Волгоградского водохранилища, этот рдест занимает 40 % площади зарастания водоёма (Папченков, 2011). Интерпретируя эти данные, можно подсчитать, что на Волгоградском водохранилище заросли Р. рег/оНаш.ч занимают площадь около 9600 га и аккумулируют в себе 14,1 тыс. т взвешенных веществ, что составляет приблизительно 0,6 % среднего годового стока наносов с бассейна водосбора водо-

хранилища. Расчёт производился по среднему арифметическому значению надземной воздушно-сухой массы P. perfoliatus, составляющей 450 г/и2. Но это только воздушно-сухая масса веществ и взвесей, которые накапливают растения на своей поверхности. Вместе с тем, хорошо известно, что растительность оказывает существенное сопротивление движению воды, способствуя осаждению взвешенных веществ на поверхность растений и дно водоёма до 10 % от годового твердого стока реки (Казмирук и др., 2004).

ВЫВОДЫ

1. Зарастание Волгоградского водохранилища носит пульсирующий характер с чередованием медленной (1972-1981 и 1991-2003 гг.) и быстрой (1981-1991 и 2003-2007 гг.) фаз зарастания.

2. Характер зарастания определяется динамикой уровня воды, абразией и формированием абразионно-аккумулятивной отмели, скоростью изоляции заливов от акватории водохранилища и трансформацией природных комплексов и экосистем.

3. Динамика зарастания Волгоградского водохранилища характеризуется неоднородностью по участкам, большим разнообразием скорости зарастания и пространственного расположения фитоценозов, на основании чего выделено 11 типов зарастающих мелководий.

4. Наиболее высокая скорость зарастания характерна для заливов по устьям рек Терешка - 14,6 га/год, Курдюм - 2 га/год и Квасниковско-Узморским - 6,3 га/год, и Красноярским автогенным мелководьям - 4 га/год, тогда как заливы по оврагам и балкам зарастают медленно - от 0,04 га/год до 0,7 га/год.

5. Растительный покров Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области отличается невысоким уровнем разнообразия (159 видов растений 85 родов и 46 семейств, 64 ассоциации 37 формаций) и упрощением структуры растительности, снижением числа растений сырых мест обитаний, повышением доли видов умеренно увлажнённых и сухих экотопов по мере усиления аридности территории.

6. В качестве видов-индикаторов загрязнения тяжёлыми металлами акваландшафта Волгоградского водохранилища следует использовать Elodea canadensis для Sr, Phragmites australis и Typha angustifolia для Си, Ceratophyllum demersum для Zn и Potamogeton perfoliatus для Pb.

7. В исследованных заливах Волгоградского водохранилища коэффициент биологического накопления Fe находиться в диапазоне 0,035-0,7, Ni - в диапазоне 0,04-4,5, РЬ - 0,01-1,85, Со - 0,05-0,1, Сг - 0,3-0,84, которые преимущественно переходят в донные отложения, где прочно связываются и мало вымываются, тогда как Мп (0,35-17,11), Си (0,15-6,94), Zn (0,26-6,18) в основном аккумулируются в тканях растений.

8. На Волгоградском водохранилище наиболее высокой аккумулирующей способностью обладают заросли Potamogeton perfoliatus, которые занимают площадь около 9600 га и аккумулируют в себе 14,1 тыс. т взвешенных веществ, что составляет приблизительно 0,6 % среднего годового стока наносов с водосбора водохранилища.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кочеткова А.И. О некоторых закономерностях накопления тяжёлых металлов высшей водной растительностью на Волгоградском водохранилище II Вестник ВолГУ. Серия 3 «Экономика. Экология». 2012. № 1 (20). С. 305-309.

2. Кочеткова Л.И. Особенности накопления взвешенных веществ водными растениями Potamogeton perfoliatus L., Ceratophyllum demersum L. Волгоградского водохранилища // Вода: химия и экология. 2012. № 8 (август). С. 64-68.

Другие научные работы:

3. Кочеткова А.И. Особенности накопления тяжёлых металлов высшей водной растительностью Волгоградского водохранилища // Экологические и экономические составляющие устойчивого развития региона: материалы круглого стола. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2008. С. 149-156.

4. Зволинский В.П., Черных Н.А., Новиков В.В., Кочеткова А.И. Некоторые особенности накопления тяжёлых металлов" макрофитами Волгоградского водохранилища // Экологические проблемы и социально-экономические аспекты обустройства и развития аридных территорий Российской Федерации: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Аридное землепользование - способы и технологии интенсификации». М.: Изд-во «Вестник РАСХН», 2009. С. 113-117.

5. Кочеткова А.И., Полякова Ю.М. Пространственные особенности биогеохимической специализации эколого-морфологических групп растений

// XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Волгоград: ГОУ ВПО ВолГАСУ, 2009. С. 70-74.

6. Новиков В.В., Воробьев Е.Б., Кочеткова А.И., Маркова H.H., Объед-кова O.A. О содержании некоторых загрязняющих веществ в экосистем Волгоградского водохранилища // Проблемы комплексного исследования Волгоградского водохранилища. Волгоград: Волгогр. науч. изд-во, 2009. С. 142-155.

7. Черных H.A., Новиков В.В., Объедкова O.A., Козырева В.Н., Кочеткова А.И. О накоплении макрофитами Волгоградского водохранилища тяжёлых металлов // Экология речных бассейнов: тр. 5-й Междунар. науч.-практ. конф. Владимир: Изд-во ВООО ВОИ ПУ «Рост», 2009. С. 294-299.

8. Кочеткова А.И., Объедкова O.A. Содержание ортофосфатов в воде Волгоградского водохранилища и исследование их взаимодействия с макрофитами в экспериментальных условиях // Экономическая модернизация: макро-, мезо- и микроуровни. Проблемы и перспективы устойчивого развития региона: материалы регион, науч.-практ. конф. Волгорад: Изд-во ВолГУ, 2010. С. 155-163.

9. Кочеткова А.И., Павликова O.A. Особенности зарастания некоторых заливов Волгоградского водохранилища // Эколого-экономические проблемы южного макрорегиона: материалы круглого стола. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2010. С. 232-237.

10. Кочеткова А.И., Полякова Ю.М. Биоэкологическая роль высшей водной растительности в трансформации тяжёлых металлов в водных экосистемах Волгоградского водохранилища // Молодые ученые и студенты к 55-летию города Волжского: XV межвузов, науч.-практ. конф. молодых ученых и студентов. Волгоград: Волгогр. науч. изд-во, 2010. С. 124-125.

11. Кочеткова А.И. Геоинформационный подход к исследованию процессов зарастания высшей водной растительностью мелководий Волгоградского водохранилища // Вестник факультета естественных и гуманитарных наук. Волжский, 2011. Вып. 1. С. 13-18.

12. Кочеткова А.И. Динамика зарастания высшей водной растительностью Волгоградского водохранилища // Проблемы и перспективы устойчивого развития региона: VIII Регион, науч.-практ. конф. Волгоград: Волгогр. науч. изд-во, 2011. С. 91-96.

13. Кочеткова А.И. Картирование высшей водной растительности на Волгоградском водохранилище с применением геоинформационных техно-

логий II Использование геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования Земли при решении пространственных задач: сб. науч. тр. Пермь, 2011. С. 17-24.

14. Кочеткова А.И. Разработка биоиндикационного метода исследования абразионных процессов Волгоградского водохранилища // Экологическая оптимизация регионального хозяйства: материалы кругл, стола. Урюпинск: Урюпинский филиал ГОУ ПО ВолГУ, 2011. С. 138-140.

15. Кочеткова А.И. Возможности использования материалов космической съемки и геоинформационных технологий для изучения зарастания высшей водной растительности Волгоградского водохранилища // Бассейн Волги в XXI - веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ. Ижевск: Издатель Пермяков С.А., 2012. С. 148-152.

16. Кочеткова А.И. О возможности использования высшей водной растительности для очистки поверхностного и ливневого стоков в г. Волжском // XVI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Волгоград: ВолгГАСУ, 2012. С. 11-13.

17. Кочеткова А.И. Роль зарослей Рогато^оп рефПШия Ь. и СегШорИуПит йетекит Ь. в осадконакоплении на Волгоградском водохранилище // Современные проблемы географии, экологии и природопользования: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2012. С. 350-353.

18. Кочеткова А.И. Типология зарастающих мелководий Волгоградского водохранилища // Экологическая безопасность и природопользование: наука, инновации, управление»: Сб. работ всероссийского конкурса экологических проектов молодых учёных и специалистов. Москва, 2012. С. 83-88.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кочеткова, Анна Игоревна, Борок

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кочеткова Анна Игоревна

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ ЗАРАСТАНИЯ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Специальность: 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Папченков Владимир Гаврилович

Борок - 2013

Содержание

Введение........................................................................................................................3

Глава 1. Обзор литературы по изучению растительного покрова с использованием геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования Земли из космоса................................................................................8

Глава 2. Физико-географическая характеристика Волгоградского водохранилища..........................................................................................................30

2.1. Общая характеристика Волгоградского водохранилища и его основных притоков............................................................................................................................30

2.2. Геологическое строение и рельеф...........................................................................33

2.3. Климат........................................................................................................................37

2.4. Почвы.........................................................................................................................41

2.5. Растительность водосбора Волгоградского водохранилища................................42

2.6. Основные характеристики гидрологического режима Волгоградского водохранилища.................................................................................................................43

Глава 3. Материалы и методы исследования.........................................................59

3.1. Полевые методы исследования................................................................................59

3.2. Аналитические методы исследования....................................................................63

Глава 4. Характеристика растительного покрова Волгоградского водохранилища..........................................................................................................75

4.1. Флора Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области.... 75

4.2. Растительность Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области..............................................................................................................................86

4.3. Характер зарастания различных типов мелководий Волгоградского водохранилища...............................................................................................................104

Глава 5. Роль высшей водной растительности в функционировании экосистемы Волгоградского водохранилища...........................................................................174

Выводы.....................................................................................................................194

Список литературы.................................................................................................196

Введение

Волгоградское водохранилище - водоем рыбохозяйственного и питьевого назначения, играющего важнейшую роль для всего Волжского бассейна ниже Балаков-ской ГЭС. Оно замыкает сеть гидротехнических сооружений Волжского каскада и вследствие этого находиться под суммарным природно-антропогенным воздействием всей сети.

Высшая водная растительнбсть - один из главных компонентов аквального ландшафта, поддерживающего геоэкологическое равновесие в нем. Она играет важную средообразующую роль, участвуя в процессах формирования качества воды, обеспечивает в процессе фотосинтеза новообразование органического вещества (Ореховский, 1965; Ковальский и др., 1970; Музафаров, Таубаев, 1971; Францев, 1972; Пашкевич, Юдин, 1978).

Изучение водной флоры и растительности на Волгоградском водохранилище началось с момента его заполнения и продолжается по настоящее время. В этом отношении достаточно хорошо изучена акватория в пределах Саратовской области (Седова, 2007; Маевский и др., 2010). Фактически отсутствуют современные публикации по описанию разнообразия флоры и растительности Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области.

Для прогноза зарастания водохранилищ необходим ретроспективный анализ данных. В работе В.А. Шашуловского, С.С. Мосияша (2010) «Формирование биологических ресурсов Волгоградского водохранилища в ходе сукцессии его экосистемы» достаточно подробно охарактеризована роль зарастающих мелководий для экосистемы водохранилища. Проведен анализ зарастания с использованием данных за 1972 г. (Экзерцев, Лисицына, 1984), 1981 г. (Закора, Синицына, 1983) и 2003 г. (Шашулов-ский, Мосияш, 2010).

Столь малое число временных точек позволяет судить лишь о тенденции развития процесса зарастания, но не отражает его ритм. Для получения более подробных результатов по динамике зарастания, необходимо дополнить этот ряд промежуточными значениями, например за 1991 г., 1995 г., 2000 г., 2007 г., 2010 г.

Пространственно-временной анализ зарастания возможен только с применением картографического метода исследования. Существуют различные подходы, при-

меняемые при картировании распределения прибрежно-водной растительности: традиционный по В.М. Катанской (1981), связанный с прокладкой профилей и трансект на водоёме; визуальный по В.Г. Папченкову (1979, 1982, 2003 б, 2006 а), основанный на визуальной оценке площади зарастания акватории; и современный с применением технологий геоинформационный систем (ГИС) и методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса. Последний подход значительно повышает эффективность работы при сборе, обработке, хранении и графической визуализации пространственных данных, а также повышает точность измерения объектов исследования (Ла-бутина, Серапинас, 2000; Кузьмин и др., 2005; Кочеткова, 2011 б; Высоцкий и др., 2012; Кочеткова, 2012 а).

Зарастание может оказывать и негативное воздействие на экосистему водохранилищ при чрезмерном его развитии. На Волгоградском водохранилище зарастание отмелей и кос, образующихся на выходе из заливов, часто приводит к их отделению от основной акватории и, следовательно, к уменьшению мест для нереста рыб.

В настоящее время для решения проблемы зарастающих мелководий целесообразно провести их типизацию. Полученный материал позволит выявить проблемные интенсивно зарастающие участки на Волгоградском водохранилище, на которых необходимо провести мелиоративные мероприятия.

Существуют работы по выявлению вклада высшей водной растительности и в целом мелководий в процессы самоочищения и самовосстановления экосистемы Волгоградского водохранилища (Шашуловская, 2009, 2010). В них сделан уклон на выявление закономерностей накопления тяжелых металлов Сё, РЬ и Си донными отложениями и водными растениями в зависимости от степени защищенности мелководий от течений и их зарастания.

Логическим дополнением работы Е.А. Шашуловской (2009, 2010) будет являться выявление видов растений, которые могут выступать индикаторами геохимической обстановки на Волгоградском водохранилище. Это позволит обнаружить наиболее подверженные и тем самым уязвимые места экосистемы по отношению к тяжелым металлам Волгоградского водохранилища.

Немаловажным для зарастания является процесс аккумуляции взвешенных веществ мелководьями. Заросли прибрежно-водных растений оказывают гидравлическое сопротивление водному потоку, с одной стороны снижают его энергию, а с дру-

гой увеличивают скорость осаждения взвешенных веществ, активизируя процесс заиления акватории (Кокин, 1982; Филиппов, 2009). Это направление недостаточно изучено.

Исходя их вышеперечисленного, целью данной работы является выявление особенностей динамики зарастания Волгоградского водохранилища с использованием методов ДЗЗ и оценка влияния водной растительности на состояние его экосистемы.

Задачи, направленные на достижение поставленной цели:

1. Изучение разнообразия растительного покрова Волгоградского водохранилища в пределах Волгоградской области.

2. Изучение процессов зарастания мелководий с момента формирования Волгоградского водохранилища до настоящего времени.

3. Выявление различных типов зарастающих мелководий.

4. Выявление возможности использования водной растительности для индикации геодинамических процессов на Волгоградском водохранилище.

5. Исследование барьерной роли высшей водной растительности для тяжелых металлов и взвешенных веществ на Волгоградском водохранилище.

6. Выявление закономерностей накопления тяжелых металлов высшими водными растениями с расчётом коэффициентов биологического поглощения.

Предметом защиты диссертации являются выявленные особенности и закономерности зарастания Волгоградского водохранилища и влияния высшей водной растительности на экосистему водоёма.

Защищаемые положения.

1. Зарастание Волгоградского водохранилища носит пульсирующий характер, оно неоднородно во времени по скорости, направлению и пространственному положению.

2. Характер зарастания определяется режимом уровня воды, темпами абразии и формирования абразионно-аккумулятивной отмели.

Научная новизна выполненных исследований. Впервые с использованием методов ДЗЗ была произведена оценка динамики зарастания Волгоградского водохранилища с момента его наполнения по настоящее время. С применением ГИС была создана база данных, включающая картосхемы зарастания водохранилища и произведена каталогизация гербарных образцов высших водных и прибрежных растений, со-

бранных на мелководьях водоёма. На основе спутниковых снимков Landsat 4-5 (ТМ) и Landsat 7 (ЕТМ+) с учётом динамики зарастания за период с 1986 г. по 2010 г. произведена типизация зарастающих мелководий.

Практическая значимость работы. Результаты исследования могут быть использованы:

1) для оценки экологического состояния Волгоградского водохранилища и разработки природоохранных мероприятий;

2) для комплексной оценки биологического разнообразия водных объектов Волгоградской области;

3) для решения задач рационального природопользования и охраны природной среды в зоне антропогенно-измененного крупного водного объекта;

4) в подготовке образовательных курсов для студентов, обучающихся по направлению «Экология и природопользование» в ВУЗах Волгоградской области;

5) для создания электронной базы данных гербарной коллекции высших растений в ВГИ (филиале) ВолГУ.

Апробация работы. Материалы и основные положения диссертации докладывались на научных конференциях международного, регионального и местного уровней: «Использование геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования Земли при решении пространственных задач» (Пермь, 2011); «VIII Региональная научно-практическая конференция» (Волжский, 2011); «Экологическая оптимизация регионального хозяйства: круглый стол» (Волгоград, 2011); «XVI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области» (Волгоград, 2011); «Современные проблемы географии, экологии и природопользования» (Волгоград, 2012); «Экологическая безопасность и природопользование: наука, инновации, управление» (Москва, 2012); «Бассейн Волги в XXI-веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ» (Борок, 2012). Дважды основные результаты исследования были заслушаны на заседании Учебно-методического семинара кафедры природопользования, геоинформационных и наноэкономических технологий Волжского гуманитарного института (филиала) Волгоградского государственного университета.

Публикации. Результаты исследований изложены в 18 научных статьях, 2 из которых опубликованы в журналах рекомендованных высшей аттестационной комиссией.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 226 страницах и состоит из введения, 5 глав, выводов. Список цитируемой литературы 301 наименование. Текст иллюстрирован 130 рисунками и 21 таблицей.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю д.б.н. Владимиру Гавриловичу Папченкову за огромную помощь на всех этапах написания работы; директору ВГИ (филиала) ВолГУ д.э.н. М.М. Гузеву, заведующему кафедрой природопользования, геоинформационных и наноэкономических технологий д.э.н. A.B. Плякину, заведующему учебно-научной лаборатории экологических и социальных исследований ВГИ (филиала) ВолГУ к.г.н. О.В. Филиппову за содействие и полезные советы; генеральному директору к.ф.-м.н. В.Е. Гершензону и руководителю отдела геодезии и картографии ИТЦ «СКАНЭКС» к.г.н. М.В. Зимину за бесценные консультации в обработке космических снимков.

Глава 1. Обзор литературы по изучению растительного покрова с использованием геоинформационных систем и методов дистанционного зондирования Земли из космоса

В настоящее время изучение состояния растительного покрова с применением геоинформационных систем и методов дистанционного зондирования Земли из космоса реализуется, в основном, для ландшафтов активно вовлекающихся в природопользование (Финкелыитейн, Деев, 2006), либо находящихся под охраной (особо охраняемые природные территории).

В первом случае это ГИС и зондирование сельскохозяйственных угодий (пашен, выпасов, сенокосов) (Выгодская, Горшкова, 1987; Гарбук, Гершензон, 1997; За-карин и др., 1999; Каличкин, Ким, '2004; Кулик, 2004; Султангазин и др., 2004; Барта-лев и др., 2006; Повх и др., 2006, 2007; Акаткин, Темников, 2007; Брыскин, Евтюш-кин, 2007; Брыксин и др., 2007; Муратова, Терехов, 2007; Терехов, Кауазов, 2007; Щебенко, 2007; Повх, Шляхова, 2008; Шипигина, 2008; Степанов, Есбатырова, 2009; Савин и др., 2010; Жуков, 2011; Клещенко и др., 2011; Рукович, 2011; Терехов, 2011) и лесных ресурсов (Guellec, 1980; Жирин, 1984; Данюлис и др., 1989; Häme, 1991; Kuntz, Klein 1993; Coppin, Bauer, 1996; Гарбук, Гершензон, 1997; Сухих, 2001; Копылов и др., 2004; Барталев и др., 2005; Сухих, 2005, 2008; Щепин, 2005; Хамедов и др., 2006; Девятова и др., 2007; Елсаков, 2007; Ершов, 2007; Никитина, 2007; Сухих и др., 2007; Атрошенко и др., 2008; Елсаков и др., 2009; Зимин, 2009; Сочилова и др., 2009; Черепанова и др., 2009; Кравцова, Лошкарева, 2010; Кондранин и др. 2011). Во втором - памятников природы, заказников, природных парков, биосферных резерватов и заповедников (Кобяков, Зайцева, 2000; Кушель и др., 2000; Петров и др., 2000; Руд-ский и др., 2000; Моисев и др., 2004; Полежаева, 2004; Пузаченко и др., 2004; Алексе-енко, Баженова, 2006; Елсаков и др., 2006; Лопанцева и др., 2006; Архипова и др., 2009; Немцева, 2010; Лабутина, Балдина, 2011).

В последние 10-20 лет технологии ДЗЗ всё чаще начинают рассматривать как часть ГИС (Свириденко и др., 2006; Чандра, Гош, 2008). Тенденции интеграция картографии, геоинформатики и аэрокосмического зондирования появились одновременно во всех отраслях знаний о Земле и смежных с ними экологических и социаль-

но-экономических науках. Это коснулось традиционных полевых исследований (таких, например, как геологические и ландшафтные) и преимущественно камеральных работ (например, морфометрических или экономико-статистических) (Берлянт, 2003).

Разработка геоинформационных технологий связана с развитием программного обеспечения для обработки и интерпретации геолого-географических данных. Реализация программного обеспечения щла по пути создания отдельных программ (19601961 гг.), систем программ (1970-1980 гг.) и автоматизированных систем обработки геоданных (конец 70-х - начало 80-х годов прошлого столетия). Существенный прогресс в развитии программного обеспечения связан с появлением географических информационных систем (начало 90-х годов XX века) (Де Мерс, Майкл, 1999).

С точки зрения фундаментальной науки, ГИС представляют собой реализованное с помощью компьютерных средств хранилище системы знаний о пространственных объектах и явлениях. Они интегрируют фактографическую и процедурную части, позволяющие в совокупности выполнять функции накопления и обработки пространственной информации (Панасюк, 1984, 1986).

ГИС позволяют с единой методической позиции повысить эффективность сбора, хранения, обработки, анализа, передачи и графической визуализации как пространственных (географических) данных, так и атрибутивных (описательных) характеристик различных объектов, процессов и явлений, которые привлекательны не только из-за быстроты и точности выполнения картометрических работ и расчётов, но и тем, что позволяют исключить случайные ошибки измерений при их выполнении (Clarke, 1986; Берлянт, 1997; Орлова, 2008; Иванов и др., 2008). Кроме того, ГИС -это инструмент для управления территорией, позволяющий оперативно и верифика-ционно проводить её эколого-экономическую оценку с целью оптимизации (рационализации) деятельности на ней (Тябаев, 2005; Чандра, Гош, 2008).

В качестве примера можно упомянуть ГИС поверхностных вод «Водохозяйственные карты Калмыкии», позволяющую оперативно осуществлять мониторинг состояния водных ресурсов и прилегающих территорий и представлять его в картографическом виде. Данная ГИС содержит информацию о современном состоянии гидрологических объектов: выделены сети водотоков (постоянные и временные), сети водоемов (природного и антропогенного происхождения), границы водосборных бассейнов рек и озер; показаны характеристики поверхностного слоя стока, площади во-

доемов в годы минимальной и максимальной водности, оросительные системы, сеть водотоков, каналов; минерализация водоемов, водотоков, оросительных систем. Кроме перечисленного набора векторных слоев, в нее вошли данные