CC BY
62
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 1
УДК 504.05(98) DOI 10.23683/0321-3005-2019-1-86-94
ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РЕЧНЫХ ВОД ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ*
© 2019 г. О.С. Решетняк1'2, М.Ю. Кондакова1, А.О. Даниленко1, Л.С. Косменко1, В.Н. Решетняк2
1Гидрохимический институт Росгидромета, Ростов-на-Дону, Россия, 2Институт наук о Земле Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, Россия
TRENDS IN THE CHEMICAL COMPOSITION IN THE RIVER WATERS OF THE EUROPEAN PART OF THE ARCTIC ZONE, RUSSIAN FEDERATION
O.S. Reshetnyak1'2, M. Yu. Kondakova1, A.O. Danilenko1, L.S. Kosmenko1, V.N. Reshetnyak2
1Hydrochemical Institute, Rostov-on-Don, Russia, 2Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
Решетняк Ольга Сергеевна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт Росгидромета, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия; доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле Южного федерального университета, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: olgare1@mail.ru
Кондакова Мария Юрьевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт Росгидромета, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: vesna-dm@mail.ru
Даниленко Алеся Олеговна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт Росгидромета, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: aldanilenko@gmail.com
Косменко Людмила Семеновна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт Росгидромета, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: l.kosmenko@gidrohim.com
Решетняк Виктор Николаевич - магистрант, Института наук о Земле Южного федерального университета, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: vnresh3@gmail. com
Olga S. Reshetnyak - Candidate of Geography, Senior Researcher, Hydrochemical Institute Roshydromet, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia; Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: ol-gare1@mail.ru
Maria Yu. Kondakova - Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Hydrochemical Institute Roshydromet, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: vesna-dm@mail. ru
Alesia O. Danilenko - Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Hydrochemical Institute Roshydromet, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: aldanilenko @gmail. com
Lyudmila S. Kosmenko - Candidate of Chemistry, Senior Researcher, Hydrochemical Institute Roshydromet, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: l.kosmenko@gidrohim.com
Viktor N. Reshetnyak - Magistrant, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: vnresh3@gmail.com
Представлены результаты исследования основных тенденций изменения содержания химических веществ в речных водах европейской части арктической зоны Российской Федерации (АЗ РФ). На основе рангового коэффициента корреляции Кендалла проведена оценка тенденций временной изменчивости за 30-летний период.
Среди статистически значимых тенденций по главным ионам преобладают возрастающие. Отмечается динамика роста содержания гидрокарбонатов, магния и кальция на фоне снижения хлоридов. В изменчивости концентраций биогенных и органических веществ в реках европейской части АЗ РФ среди обнаруженных тенденций преобладают убывающие тренды по аммонийному азоту и органическим веществам и возрастающие - по содержанию нитратов и нефтепродуктов. Для исследуемых речных экосистем АЗ РФ проявляются тренды роста концентраций соединений железа и марганца на фоне снижения меди за многолетний период.
Результаты анализа тенденций позволили оценить состояние экосистем рек европейской части АЗ РФ по степени изменчивости компонентного состава воды. Более половины исследуемых речных экосистем являются
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-05-60165.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 1
относительно благополучными и относятся к градации здоровых экосистем, треть находятся в переходном состоянии. Полученные результаты имеют промежуточный характер, а выявленные тенденции требуют дальнейшего осмысления и выяснения причин, их вызывающих.
Ключевые слова: речные экосистемы, арктическая зона России, тенденции, химический состав, главные ионы, биогенные вещества, органические вещества, тяжелые металлы, состояние экосистем.
It is presented the results of the study of the main trends in the chemical composition in the river waters of the European part of the Arctic zone, Russian Federation (AZ RF). The tendency of temporal variability over a 30-year period was estimated based on the Kendall rank correlation coefficient.
The increasing trends prevail among the statistically significant ones in the main ions. The growth dynamics of bicarbonate, magnesium and calcium content is noted against the background of decreasing chlorides. Decreasing trends in ammonium nitrogen and organic matter and increasing trends in the content of nitrates and petroleum products prevail among the trends found in the variability of concentrations of biogenic and organic substances in the rivers of the European part of the Russian Arctic. Trends of growth in the concentrations of iron and manganese compounds are observed against the background of a decrease in copper over a long-term periodfor the studied river ecosystems of the Russian Arctic.
The results of the trend analysis made it possible to assess the state of the ecosystems of the rivers of the European part of the AZ RF by the degree of variability of the composition of water. More than half of the studied river ecosystems are relatively prosperous and relate to the gradation of healthy ecosystems, and one third are in a transitional state. The obtained results are intermediate, and the identified trends require further reflection and clarification of the reasons for their arising.
Keywords: river ecosystems, Arctic zone of Russia, trends, chemical composition, main ions, biogenic substances, organic substances, heavy metals, state of ecosystems.
Введение
В последние годы широко исследуется и обсуждается проблема влияния климатических изменений на процессы формирования и особенности химического состава природных вод, а также рассматриваются вопросы, связанные с изменением качества воды и возможными последствиями таких преобразований. Ряд авторов отмечают влияние потепления климата на солевой состав и содержание карбонатов, нитратов, органических веществ в воде [1—5]. Оценки последствий повышения температуры воды как основного показателя климатических изменений для природных вод неоднозначны. Характер влияния температуры определяется изменением гидрологических условий формирования вод и биогеохимических циклов. При потеплении и увеличении количества осадков происходит более интенсивное насыщение почвы влагой, изменяются процессы адсорбции и десорбции веществ, разложения органических веществ в почвах и воде, что может приводить к вымыванию основных катионов в водотоки [4, 5].
Ретроспективный анализ изменения химического состава воды озер (на примере Кольского Севера) показал, что положительный рост аномалий среднегодовых температур способствовал увеличению содержания органического вещества в воде, снижению значений рН (за счет роста содержания анионов органических кислот) и усилению выноса в водные экосистемы металлов, а также росту содержания фосфатов и увеличению трофности экосистем [4]. Аналогичных масштабных исследований по речным водам, к сожалению, практически нет. В силу дина-
мичности речных вод отследить последствия влияния климатических изменений на их химический состав достаточно сложно.
Климатические вариации также влияют и на процессы, происходящие на водосборах рек. При потеплении может происходить изменение условий миграции элементов, смещение кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий. Все эти изменения влияют на химический состав речных вод за счет усиления таких процессов, как закисление или подщелачивание водной среды, эвтрофирование, биоаккумуляция элементов и др.
К происходящим глобальным процессам, которые и обусловливают трансформацию химического состава речных вод, наиболее чувствительными и уязвимыми являются арктические экосистемы. Климатические изменения в большинстве случаев усугубляют антропогенное воздействие и являются самостоятельным источником негативных изменений экосистем арктической зоны РФ (АЗ РФ) [6].
Специфика Арктического региона такова, что серьезные локальные загрязнения могут при определенных условиях приобретать региональный и даже циркумполярный характер, оказывая влияние на экологическую ситуацию Арктики в целом, в том числе на глобальное изменение климата. Этот огромный регион, который до недавнего времени рассматривался как незагрязненный, за последние несколько десятилетий стал объектом загрязнения из локальных и удаленных источников [6].
К числу наиболее важных для Арктики загрязняющих веществ относят тяжелые металлы, нефтяные продукты, диоксиды серы и оксиды азота, органиче-
ские загрязнители. Наблюдается неоднородность пространственного распределения в водных объектах Российской Арктики соединений железа и цинка, минеральных форм азота, органических веществ и нефтепродуктов [7].
Всё вышеперечисленное обусловливает важность изучения основных тенденций изменчивости химического состава воды рек в условиях климатических изменений, что позволит дать прогнозную оценку изменения химического состава и качества воды при различных вариантах проявления климатических вариаций, а также в условиях продолжающегося техногенного воздействия на водные объекты.
Цель настоящего исследования - выделить основные тенденции изменения содержания химических веществ в речных экосистемах европейской части АЗ РФ и оценить их состояние по степени трансформации химического состава за многолетний период наблюдений. Это позволит в дальнейшем установить причинно-следственные связи изменения химического состава речных вод АЗ РФ под влиянием природных и антропогенных факторов.
Материалы и методика исследования
Важным этапом анализа временных рядов гидрохимических данных является исследование закономерностей трансформации компонентного состава водной среды, т.е. обнаружение и характеристика основной тенденции содержания исследуемых компонентов в водной среде.
Появление основной тенденции в продолжительном временном ряду гидрохимических данных может быть обусловлено действием ряда факторов, неоднородных по силе и направлению воздействия на компонентный состав. В общем виде эти факторы можно разделить на глобальные, вызывающие однонаправленные изменения на обширных территориях, и локальные, действующие на отдельные водные объекты или территориально близко расположенные группы водных объектов.
Для количественной оценки основных тенденций временной изменчивости гидрохимических показателей за 30-летний период был рассчитан ранговый коэффициент корреляции Кен-далла, характеризующий меру линейной связи между датой отбора и концентрацией вещества в пробе. Для расчета ранговых коэффициентов корреляции и уровня доверительной вероятности, при котором эти коэффициенты могут считаться статистически значимыми, использован программный пакет БТЛТТБТГСЛ 13.3. В качестве независимой переменной выступали данные о дате отбора проб, преобразованные в числовой
формат и ранжированные в порядке возрастания, в качестве зависимой переменной - данные о концентрациях химических веществ, измеренных в день отбора. Наличие статистически значимой прямой связи говорит о том, что более ранним датам соответствуют более низкие концентрации вещества в пробах, при обратной связи более ранним датам соответствуют более высокие концентрации. Соответственно, отрицательная величина рангового коэффициента корреляции указывает на постепенное снижение во времени (за 30 лет) значений концентраций, положительная -об их постепенном возрастании.
Учитывая неравномерность сроков отбора проб и сильную внутригодовую вариацию концентраций химических веществ, трактовка тесноты связи по линейному коэффициенту корреляции осуществлялась по следующим критериям: г = 1,00 - функциональная связь; 0,75 < г < 1,00 - очень сильная связь; 0,50 < г < 0,75 - связь тесная (сильная); 0,25 < г < < 0,50 - связь средняя (умеренная); 0,00 < г< 0,25 -связь слабая.
В качестве объектов исследования выбраны реки или их участки в пределах европейской части АЗ РФ:
- в пределах зон тундры и лесотундры реки Те-риберка, Печенга, Ура, Печора, Уса, Колва, Адзьва и Сула (9 пунктов наблюдений на 8 реках);
- в таёжной зоне реки Лотта, Патсо-йоки, Ко-лос-йоки, Нама-йоки, Кола, Акким, Печенга, Кица, Вирма, Поной и Уса (12 пунктов на 11 реках).
Исходные данные - многолетняя (1985-2015 гг.) режимная гидрохимическая информация Государственной наблюдательной сети (ГНС) Росгидромета о состоянии и загрязнении окружающей среды в части поверхностных вод суши. Исследование выполнено по таким гидрохимическим показателям, как хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты, кальций, азот аммонийный и нитратный, растворенный в воде кислород, БПК5, ХПК, нефтепродукты, соединения железа, меди, цинка и марганца.
Результаты и их обсуждение
Основные тенденции изменчивости концентраций главных ионов в реках европейской части АЗ РФ. Для речных экосистем европейской части АЗ РФ всего выявлено 53 статистически значимых тенденции в изменчивости концентраций главных ионов, из которых 20 характерны для рек тундровой и лесотундровой зон, 33 - для таёжной. Более чем в половине выявленных случаев тенденции характеризуются как возрастающие (33 случаев из 53), причем большая часть приурочена к речным экосистемам таёжной зоны.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 1
Для концентраций гидрокарбонатов в большинстве случаев (71,4 %) обнаружена статистически значимая возрастающая тенденция, по хлоридам -убывающая (76,2 %). Для магния и кальция характерно отсутствие тренда в 66,7 % случаев. И только по сульфатам - возрастающие, убывающие тенденции и отсутствие тренда распределены равномерно (табл. 1).
Закономерность снижения содержания сульфатов в поверхностных водах Кольского региона отмечалась в ряде исследований, где в качестве основной причины указана тенденция снижения эмиссии кислотообразующих веществ на водосборы [4, 5]. Однако нами за 30-летний период четкой тенденции снижения концентраций сульфатов в воде рек не выявлено.
Таблица 1
Значения рангового коэффициента корреляции Кендалла между датами отбора проб и измеренными концентрациями главных ионов / Kendall rank correlation coefficient values between sampling dates and concentrations of main ions
Пункт наблюдений Ранговый коэффициент ко] рреляции г (Кендалла) |
Номер* Река Ионы магния Ионы кальция Хлориды Сульфаты Гидрокарбонаты
Тундровая и лесотундровая зоны
1 Териберка 60 км Серебрянской автодороги | -0,06 1 -0,01 1 -0,21 1 -0,03 | 0,2
2 Печенга ст. Печенга 0,26 0,23 0,19 0,2 2
3 Ура с. Ура-Губа -0,06 0,00 -0,15 0,11 2
4 Печора г. Нарьян-Мар -0,04 -0,09 -0,08 -0,28 -0,03
5 Уса ст. Сейда 0,06 -0,12 0,0001 0,11
6 Уса с. Адзьва 009 0,05 -0,13 -0,05 0,08
7 Колва с. Хорей-Вер 0,05 0,05 -0,09 -0,24 3
8 Адзьва д. Харута 0,08 0,09 0,02 -0,12 4
9 Сула д. Коткино 0,0001 0,04 0,09 -0,23 2
Примечание. Статистически значимые ранговые коэффициенты корреляции при р<0,05 и выше выделены цветом: светлосерый цвет означает убывающую тенденцию, темно-серый - возрастающую.
Обращает на себя внимание преобладание возрастающих трендов по гидрокарбонатам. С одной стороны, рост концентрации углекислого газа в атмосфере (при климатических изменениях) может приводить к дополнительному поглощению этого газа водной средой. Далее происходит смещение карбонатно-кальциевого равновесия в экосистеме и могут наблюдаться подкисление водной среды и снижение концентрации гидрокарбонат-ионов. Но, с другой стороны, потепление климата и увеличение водности северных рек могут приводить к усилению процессов вымывания гидрокарбонатов и основных катионов (магния и кальция) из горных пород. Это вполне согласуется с нашими данными: наличие возрастающих трендов по гидрокарбонатам (для подавляющего
большинства исследуемых речных экосистем) и основным катионам (для отдельных водных объектов -трети исследуемых речных экосистем).
Также стоит отметить те водные объекты, для которых практически по всем главным ионам, кроме хлоридов, выявлены статистически значимые возрастающие тренды - это реки Печенга (ст. Пе-ченга, пос. Корзуново), Кола (исток) и Нама-йоки (пгт Луостари). Это, в свою очередь, может быть связано с возрастанием локальной антропогенной нагрузки на водосборах.
Таким образом, в целом по главным ионам выявлены тренды снижения хлоридов в воде и возрастания содержания гидрокарбонатов, магния и кальция при неоднозначной ситуации по сульфатам.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 1
Основные тенденции изменчивости концентраций минеральных форм азота, растворенного кислорода и органических веществ в реках европейской части АЗ РФ. За 30-летний период наблюдений для речных экосистем европейской части АЗ РФ всего выявлено 71 статистически значимая тенденция в изменчивости концентраций растворенного кислорода, биогенных и органических веществ, из которых 27 характерны для рек тундровой и лесотундровой зон, 44 - для таёжной. Убывающая временная динамика выявлена в большинстве случае (42 тренда), что составило 59 %. Распределение убывающих тенденций по зонам достаточно равномерно в отличие от возрастающих тенденций. В таёжной зоне
европейской части арктической зоны - 20 возрастающих трендов из 29 (табл. 2).
Для концентраций нефтепродуктов в речных водах в 67 % случаев выявлена статистически значимая возрастающая тенденция, по легкоокисляе-мым органическим веществам (по БПК5) - убывающая (63,2 %). Для азота аммонийного, кислорода и трудноокисляемых органических веществ (по ХПК) характерно отсутствие тренда в большинстве случаев (52-62 %). В изменчивости концентрации азота нитратного возрастающие, убывающие тенденции и отсутствие тренда распределены следующим образом - 43, 19 и 38 % (табл. 2).
Таблица 2
Значения рангового коэффициента корреляции Кендалла между датами отбора проб и измеренными концентрациями растворенного кислорода, биогенных и органических веществ / Kendall rank correlation coefficient values between sampling dates and concentrations of dissolved oxygen, biogenic and organic substances
Ранговый коэффициент корреляции г (Кендалла)
№ ВО Река Пункт Ионы Нитрат- Растворенный Органическое вещество Нефте-
аммония ионы кислород по БПК | по ХПК | продукты
Тундровая и лесотундровая зоны
1 Териберка 60 км Серебрянской автодороги 0,03 -0,06 0,06 -0,11 -0,05 0,28
2 Печенга ст. Печенга 0,05 0,05 -0,12 -0,03 0,23
3 Ура с. Ура-Губа -0,02 -004 0,0001 -0,07 [ -0,07 | El -0,02 |
4 Печора г. Нарьян-Мар -0,04 0,0001 -0,09 0,05 -0,07 0,17
5 Уса ст. Сейда -0,36 0,17 -0,03 м.д.* -0,23 -0,60
6 Уса с. Адзьва -0,30 0,07 м.д. -0,18 -0,45
7 Колва с. Хорей-Вер -0,47 0,21 -0,06 -0,11 -0,12 -0,45
8 Адзьва д. Харута -0,25 -0,10 -0,17 0,0001 -0,34
9 Сула д. Коткино -0,22 0,31 -0,19 -0,04 0,0001 -0,13
| Таежная зона |
10 Лотта Устье 0,02 -0,22 -0,19 -0,02 -0,01 0,30
11 Патсо-йоки Борисоглебская ГЭС -0,08 -0,09 -0,06 -0,10 0,10 0,30
12 Кола Исток -0,08 | -0,15 0,11 -0,06 -0,09 0,30
13 Кола г. Кола -0,18 -0,05 0,20 | -0,18 0,0001 0,25
14 Акким п. Приречный -0,01 -0,09 -0,20 0,03 0,06
15 Печенга п. Корзуново 0,05 0,24 \ 0,02 -0,07 -0,07 0,27
16 1 1 Кица Устье -0,11 -0,15 0,17 -0,20 л 0 1 0,0001 0,30
1/ 18 Нама-йоки Вирма пгт Луостари с. Ловозеро 0,16 -004 0,17 -0,21 -0,23 -0,08 0,23 0,27
19 Колос-йоки пгт Никель -0,09 0,08 -0,02 -0,08 -0,33 0,26
20 Поной с. Краснощелье 0,0001 -0,20 м.д. -0,15 0,12 0,18
21 Уса с. Усть-Уса -0,40 0,31 -0,18 -0,42 0,03 -0,32
Примечание. * - мало данных для анализа; статистически значимые ранговые коэффициенты корреляции при р<0,05 и выше выделены цветом: светло-серый цвет означает убывающую тенденцию, темно-серый - возрастающую.
Обращает на себя внимание преобладание убывающих тенденций по легко- и трудноокисляемым органическим веществам на фоне доминирования возрастающих трендов по нефтепродуктам. Это может быть связано в первую очередь с низкой скоростью
трансформации нефтяных углеводородов в суровых природно-климатических условиях Арктического региона или с активной их добычей. Динамика прироста нефтепродуктов со временем характерна для всех речных экосистем таёжной зоны, кроме
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
р. Уса (с. Усть-Уса), причем выявленная статистически значимая связь характеризуется средней силой.
Сравнение временной динамики изменения концентраций ионов аммония и нитратов показало их разнонаправленный характер. Так, для ряда речных участков выявлено уменьшение содержания азота аммонийного на фоне возрастающего тренда содержания нитратов в воде (это характерно для исследуемых рек бассейна Печора - Усы, Колвы, Адзьвы и Сулы в пределах тундровой и лесотундровой зон).
Поскольку одним из наиболее значимых источников биогенных веществ являются внутриводоем-ные процессы и поступление с речным стоком [8, 9], наблюдаемое увеличение концентраций нитратного азота может быть обусловлено сдвигом окислительно-восстановительных процессов в сторону окисления вследствие изменения климата.
Повышение температуры и увеличение количества выпадающих осадков могут также способствовать повышению содержания нитратов в воде за счет дополнительного их выноса из почвенного покрова и увеличения периода нитрификации (дольше работают
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 1
нитрифицирующие бактерии в почве и водной среде). Эти же процессы могут приводить к снижению содержания азота аммонийного в речных водах.
Таким образом, в целом по биогенным и органическим веществам выявлены убывающие тенденции по аммонийному азоту и органическим веществам и рост содержания во времени нитратов и нефтепродуктов.
Основные тенденции изменчивости концентраций соединений тяжелых металлов в реках европейской части АЗ РФ. Для речных экосистем европейской части АЗ РФ всего выявлено 45 статистически значимых тенденций в изменчивости концентраций соединений тяжелых металлов, из которых 17 характерны для рек тундровой и лесотундровой зон и 28 - для таёжной. Распределение основных тенденций по направленности примерно равномерное - в воде рек европейской части АЗ РФ обнаружено 20 убывающих и 25 возрастающих тенденций. Из числа выявленных тенденций в зонах тундры и лесотундры преобладают возрастающие, а в речных экосистемах зоны тайги количество обратных и прямых зависимостей одинаково (табл. 3).
Таблица 3
Значения рангового коэффициента корреляции Кендалла между датами отбора проб и измеренными концентрациями соединений тяжелых металлов / Kendall rank correlation coefficient values between sampling dates and concentrations of
heavy metal compounds
№ ВО Река Пункт Ранговый коэффициент корреляции г (Кендалла) для соединений
железа меди цинка марганца
Тундровая и лесотундровая зоны
1 Териберка 60 км Серебрянской автодороги -0,03 -0,09 0,12 0,06
2 Печенга ст. Печенга -0,13 0,15 0,08 0,21
3 Ура с. Ура-Губа 0,31 -0,01 м.д.* 0,14
4 Печора г. Нарьян-Мар 0,12 -0,13 0,03 0,24
5 Печора ст. Сейда 0,08 -0,19 м.д. н.д.**
6 Печора с. Адзьва -0,06 м.д. м.д. м.д.
7 Колва с. Хорей-Вер 0,40 -0,33 м.д. н.д.
8 Адзьва д. Харута 0,18 -0,18 м.д. н.д.
9 Сула д. Коткино 0,49 -0,02 м.д. н.д.
Таежная зона
10 Лотта Устье 0,32 -0,09 -0,17 0,15
11 Патсо-йоки Борисоглебская ГЭС -0,15 0,08 0,04 0,13
12 Кола Исток -0,18 -0,21 0,01 -0,14
13 Кола г. Кола 0,05 -0,14 0,03 0,06
14 Акким п. Приречный 0,25 -0,10 м.д. 0,23
15 Печенга п. Корзуново -0,12 0,21 м.д. 0,21
16 Кица Устье 0,03 -0,23 -0,06 0,06
17 Нама-йоки пгт Луостари -0,05 0,24 0,07 0,21
18 Вирма с. Ловозеро 0,25 -0,13 -0,21 0,26
19 Колос-йоки пгт Никель -0,19 0,21 0,05 0,04
20 Поной с. Краснощелье 0,38 -0,18 м.д. 0,18
21 Уса с. Усть-Уса 0,39 -0,35 м.д. м.д.
Примечание. * - м.д. - мало данных для анализа; ** - н.д. - нет данных; статистически значимые ранговые коэффициенты корреляции при р<0,05 и выше выделены цветом: светло-серый цвет означает убывающую тенденцию, темно-серый - возрастающую.
Концентрации соединений железа и меди за период с 1985 по 2015 г. были измерены в воде всех исследуемых участков, соединений цинка - только в 11, соединений марганца - в 15. Для железа, меди и марганца статистически значимые возрастающие и убывающие тенденции их концентраций выявлены в большинстве контролируемых водных объектов. По соединениям цинка преобладают случаи (64 %) отсутствия статистически значимого тренда (табл. 3). Для концентраций марганца в воде в большинстве случаев (66,7 %) обнаружена статистически значимая возрастающая тенденция, для меди - убывающая (60 %). Для железа возрастающие, убывающие тенденции и отсутствие тренда распределены примерно равномерно (43 - 24 - 33 %).
Преобладание возрастающих трендов в изменчивости концентраций железа и марганца может быть связано с повышенным природным содержанием данных металлов в речных водах Кольского Севера [10, 11] и высокой антропогенной нагрузкой со стороны горно-металлургических предприятий.
Таким образом, в целом для речных экосистем европейской части Арктического региона России выявлены тенденции возрастания концентраций соединений железа и марганца на фоне снижения содержания меди в воде большинства исследуемых рек.
Оценка силы связи. В большинстве случаев обнаруженная статистически значимая связь для биогенных и органических веществ, тяжелых металлов и главных ионов (65, 78 и 85 % соответственно) имеет слабую силу. В отдельных водных объектах она возрастает до умеренной (средней), а более тесная (сильная) статистически значимая связь выявлена в единичных случаях. Это обусловлено природой гидрохимических данных, использованных для анализа. Теснота связи возрастает при параллельном характере вариации двух рядов, т.е. если гладкая и периодическая составляющие трендов обоих рядов данных будут одинаковы, связь станет функциональной. Однако в сложившихся условиях именно периодическая составляющая тренда концентраций химических веществ, зависящая от сезонных колебаний их содержания, маскирует совпадение вариации гладких составляющих трендов времени и концентрации.
Ранжирование речных экосистем. Анализ выявленных тенденций химического состава речных вод, выполненный по 12-15 гидрохимическим показателям за многолетний период (с 1985 по 2015 г.), позволил сгруппировать речные экосистемы по количеству выявленных трендов:
1) от 4 до 7 трендов выявлено для участков рек Ура, Териберка, Уса, Колос-йоки и Поной (соответственно от 36 до 46 % показателей характеризуются наличием тренда);
2) от 8 до 10 трендов - для участков рек Печора, Уса (ст. Сейда), Колва, Адзьва, Сула, Лотта, Патсо-йоки, Кола, Акким, Кица и Вирма (от 53 до 67 % показателей имеют значимый тренд);
3) по 11 трендов выявлено для участков рек Пе-ченга (ст. Печенга, пос. Корзуново) (73 и 79 %) и Нама-йоки (73 % показателей имеют значимый тренд).
По доле параметров, имеющих тренды за многолетний период, можно оценить состояние экосистем рек европейской части АЗ РФ по степени изменчивости компонентного состава воды. Этот методический подход изложен в работе [12], где авторы классифицировали экосистемы на здоровые - это такие экосистемы, у которых тренды имеют менее 50 % показателей, нарушенные - более 75 % - и переходные - от 50 до 75 % показателей с трендами.
Таким образом, по данным о наличии трендов гидрохимических показателей можно сказать, что большинство исследуемых речных экосистем европейской части АЗ РФ относятся к градации здоровых (52,4 %) и переходных (33,3 %) экосистем. Только отдельные участки рек Печенга и Нама-йоки находятся в нарушенном состоянии, и дополнительное антропогенное воздействие может усилить трансформацию химического состава их водной среды.
Заключение
Проведенные исследования позволили на основе рангового коэффициента корреляции Кендалла выявить и оценить основные тенденции временной изменчивости гидрохимических показателей за 30-летний период для речных экосистем европейской части АЗ РФ.
Всего выявлено 53 статистически значимые тенденции в изменчивости концентраций главных ионов, из которых более чем в половине случаев тенденции характеризуются как возрастающие. Выявлена динамика снижения хлоридов, возрастающие тренды содержания гидрокарбонатов, магния и кальция при неоднозначной ситуации по сульфатам.
В изменчивости концентраций биогенных и органических веществ в реках европейской части АЗ РФ тенденции обнаружены в 71 случае с преобладанием убывающих трендов. За многолетний период формируются убывающие тенденции по аммонийному азоту и органическим веществам и возрастающие - по содержанию нитратов и нефтепродуктов.
Для исследуемых речных экосистем выявлено 45 статистически значимых тенденций в изменчивости концентраций соединений тяжелых металлов, распределение которых по направленности примерно равномерное. В целом для речных экоси-
стем европейской части АЗ РФ проявляются тренды роста концентраций соединений железа и марганца на фоне снижения меди в воде большинства исследуемых рек.
По всем химическим веществам в большинстве случаев обнаруженная статистически значимая связь (65-85 %) имеет слабую силу, и только в отдельных водных объектах она возрастает до умеренной (средней силы).
Анализ выявленных тенденций химического состава речных вод позволил оценить состояние экосистем рек европейской части АЗ РФ по степени изменчивости компонентного состава воды. Более половины исследуемых речных экосистем являются относительно благополучными и относятся к градации здоровых экосистем, треть находятся в переходном состоянии.
Полученные результаты имеют промежуточный характер, выявленные тенденции требуют дальнейшего осмысления и выяснения причин, их вызывающих. Тем не менее это может быть использовано при решении таких актуальных задач, как прогноз качества воды в условиях происходящих климатических вариаций; разработка региональных критериев оценки современного качества воды и состояния водных экосистем; прогнозирование изменения химического состава речных вод; разработка экологически обоснованных водоохранных мероприятий, направленных на сохранение и восстановление речных экосистем Арктического региона.
Литература
1. Маккавеев П.Н. Растворенный неорганический углерод в океане и климат // Геология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2012. № 3. С. 197-204.
2. Моисеенко Т.И., Дину М.И. Феномен нарастания органических кислот в природных водах и их влияние на закисление вод // Докл. АН. 2015. Т. 460, № 5. С. 574-578.
3. Lehn G.O., Jacobson A.D., Douglas T.A., McClelland J.W., Barker A.J., Khosh M.S. Constraining seasonal active layer dynamics and chemical weathering reactions occurring in North Slope Alaskan watersheds with major ion and isotope (534Sso4, 513Cdic, 87Sr/86Sr, 544/40Ca, and 544/42Ca) measurements // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2017. Vol. 217. Р. 399-420. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.gca.2017.07.042 (дата обращения: 12.11.2012).
4. Моисеенко Т.И., Гашкина Н.А. Формирование химического состава вод озёр в условиях изменения окружающей среды. М.: Наука, 2010. 268 с.
5. Гашкина Н.А. Пространственно-временная изменчивость химического состава вод малых озер в
современных условиях изменения окружающей среды : дис. ... д-ра геогр. наук. М., 2014. 207 с.
6. Диагностический анализ состояния окружающей среды арктической зоны Российской Федерации / отв. ред. Б.А. Моргунов. M.: Научный мир, 2011. 200 с.
7. Никаноров А.М., Брызгало В.А., Косменко Л.С., Даниленко А.О. Реки материковой части Российской Арктики. Ростов н/Д.: Изд-во Южн. фед. ун-та, 2016. 276 с.
8. Никаноров А.М., Брызгало В.А., Косменко Л.С., Решетняк О.С. Роль химического речного стока в антропогенной трансформации состояния водной среды Енисейской устьевой области // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 4. С. 434-444.
9. Брызгало В.А., Решетняк О.С., Косменко Л.С., Кондакова М.Ю. Изменчивость экологического состояния и транспорт загрязняющих веществ по длине р. Печоры // Вестн. Сев. (Арктического) ун-та. Естеств. науки. 2015. № 3. С. 5-14.
10. Никаноров А.М., Соколова Л.П., Косменко Л.С., Решетняк О.С. Оценка состояния гидробиоценоза на участках водных объектов Кольского Севера с высокой степенью загрязненности воды соединениями меди и никеля // Метеорология и гидрология. 2009. № 11. С. 69-80.
11. Решетняк О. С., Даниленко А.О., Кондакова М.Ю., Косменко Л.С. Природные концентрации химических веществ и гидрохимические аномалии в речных водах европейской части России в пределах природно-территориальных комплексов // Водные ресурсы: новые вызовы и пути решения: сб. науч. тр. Новочеркасск: Лик, 2017. С. 421-426.
12. Dobiesz N.E., Becky R.E., Johnson T.B., Sarvala J., Dettmers J.M., Lehtiniemi M., Rudstam L.G., Madenjian C.P., Witte F. Metrics of ecosystem status for large aquatic systems - A global comparison // J. of Great Lakes Research. 2010. Vol. 36. P. 123-138.
References
1. Makkaveev P.N. Rastvorennyi neorganicheskii uglerod v okeane i klimat [Dissolved inorganic carbon in the ocean and climate]. Geologiya. Inzhenernaya geologiya. Gidrogeologiya. Geokriologiya. 2012, No. 3, pp. 197-204.
2. Moiseenko T.I., Dinu M.I. Fenomen narastaniya organicheskikh kislot v prirodnykh vodakh i ikh vliyanie na zakislenie vod [The phenomenon of the rise of organic acids in natural waters and their influence on acidification of waters]. Dokl. AN. 2015, vol. 460, No. 5, pp. 574-578.
3. Lehn GO., Jacobson A.D., Douglas T.A., McClelland J.W., Barker A.J., Khosh M.S. Constraining seasonal active layer dynamics and chemical weathering reactions occurring in North Slope Alaskan watersheds with major ion and isotope (534SSO4, 513CDIC, 87Sr/86Sr, 544/40Ca, and 544/42Ca) measurements. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2017, vol. 217, pp. 399-420. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.gca.2017.07.042 (accessed 12.11.2012).
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 1
4. Moiseenko T.I., Gashkina N.A. Formirovanie khimicheskogo sostava vod ozer v usloviyakh izmeneniya okruzhayushchei sredy [Formation of the chemical composition of lake waters in the changing environment]. Moscow: Nauka, 2010, 268 p.
5. Gashkina N.A. Prostranstvenno-vremennaya iz-menchivost' khimicheskogo sostava vod malykh ozer v sovremennykh usloviyakh izmeneniya okruzhayushchei sredy: dis. ... d-ra geogr. nauk [Spatio-temporal variability of chemical composition of waters of small lakes in modern conditions of environmental change]. Moscow, 2014. 207 p.
6. Diagnosticheskii analiz sostoyaniya okruzhayushchei sredy arkticheskoi zony Rossiiskoi Federatsii [Diagnostic analysis of the state of the environment of the Arctic zone of the Russian Federation]. Ed. B.A. Morgunov. Moscow: Nauchnyi mir, 2011, 200 p.
7. Nikanorov A.M., Bryzgalo V.A., Kosmenko L.S., Danilenko A.O. Reki materikovoi chasti Rossiiskoi Arktiki [Rivers of the mainland of the Russian Arctic]. Rostov-on-Don: Izd-vo Yuzhn. fed. un-ta, 2016, 276 p.
8. Nikanorov A.M., Bryzgalo V.A., Kosmenko L.S., Reshetnyak O.S. Rol' khimicheskogo rechnogo stoka v antropogennoi transformatsii sostoyaniya vodnoi sredy Eniseiskoi ust'evoi oblasti [The role of chemical river runoff in the anthropogenic transformation of the state of aquatic environment in the Yenisei estuary area]. Vodnye resursy. 2010, vol. 37, No. 4, pp. 434-444.
9. Bryzgalo V.A., Reshetnyak O.S., Kosmenko L.S., Kondakova M.Yu. Izmenchivost' ekologicheskogo sos-toyaniya i transport zagryaznyayushchikh veshchestv po dline r. Pechory [Variability of the ecological state and the transport of pollutants along the length of the Pechora river]. Vestn. Sev. (Arkticheskogo) un-ta. Estestv. nauki. 2015, No. 3, pp. 5-14.
10. Nikanorov A.M., Sokolova L.P., Kosmenko L.S., Reshetnyak O.S. Otsenka sostoyaniya gidrobiotsenoza na uchastkakh vodnykh ob"ektov Kol'skogo Severa s vysokoi stepen'yu zagryaznennosti vody soedineniyami medi i nikelya [Assessment of hydrobiocenosis status in the areas of water bodies of the Kola North with a high degree of water pollution by copper and nickel compounds]. Meteor-ologiya i gidrologiya. 2009, No. 11, pp. 69-80.
11. Reshetnyak O.S., Danilenko A.O., Kondakova M.Yu., Kosmenko L.S. [Natural concentrations of chemicals and hy-drochemical anomalies in river waters of the European part of Russia within natural-territorial complexes]. Vodnye resursy: novye vyzovy i puti resheniya [Water resources: new challenges and solutions]. Collection of scientific papers Novocherkassk: Lik, 2017, pp. 421-426.
12. Dobiesz N.E., Hecky R.E., Johnson T.B., Sarvala J., Dettmers J.M., Lehtiniemi M., Rudstam L.G., Maden-jian C.P., Witte F. Metrics of ecosystem status for large aquatic systems - A global comparison. J. of Great Lakes Research. 2010, vol. 36, pp. 123-138.
Поступила в редакцию /Received
20 ноября 2018 г. /November 20, 2018
