CC BY
157
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2009, том 15, № 3 (39), с. 34-45
^ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ—==—
УДК 574.5:550.4(470.46)
ВЫСШАЯ ВОДНАЯ РАСТИТЕЛЬНОСТЬ И НАКОПИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДЕЛЬТЕ Р. ВОЛГИ
© 2009 г. В.Ф. Бреховских*, З.В. Волкова*, А.В. Савенко**
*Институт водных проблем Российской академии наук Россия, 119333 Москва, ул. Губкина, д. 3, E-mail: [email protected], [email protected] **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Россия, 119991 Москва, Воробьевы горы, МГУ, Географический факультет,
E-mail: [email protected]
Реферат. Исследовано содержание тяжелых металлов (ТМ) в воде, донных отложениях (ДО), высшей водной растительности (ВВР) водотоков дельты р.Волги. Рассмотрены особенности их накопления в ДО и ВВР в различных рукавах дельты и устьевом взморье. Показано, что в целом ВВР по разному отреагировала на снижение антропогенной нагрузки в бассейне за последние годы. В частности, уровень содержания Cu и Zn во всех видах растений снизился, тогда как для Co, Ni, Cd и Pb наблюдалась обратная картина. Ключевые слова: тяжелые металлы, высшая водная растительность, донные отложения, дельта р. Волги.
Характеристика объекта исследований
Устьевая область р. Волги аккумулирует значительное количество минеральных, органических и загрязняющих веществ, поступающих в нее с территории бассейна, в котором проживает около 25% населения Европейской территории России и производится около 40% промышленной и сельскохозяйственной продукции России. Большое количество загрязняющих веществ, поступающих в Волгу со сточными водами (организованные и неорганизованные стоки) аккумулируется каскадом волжских водохранилищ. Между тем, значительная часть растворенных и взвешенных веществ (тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, биогенные элементы, органические вещества и др. соединения) сбрасываются из Волгоградского водохранилища и поступают в дельту и устьевое взморье Волги. Седиментация загрязняющих веществ и процессы массообмена вод и ДО привели на ряде участков Нижней Волги к значительному загрязнению вод и ДО соединениями тяжелых металлов, нитритным азотом, фенолами, нефтепродуктами и др..
Нижняя Волга от плотины Волгоградского гидроузла до устьевого взморья может быть разделена на 3 участка, имеющих существенные отличия в прохождении процессов накопления и трансформации загрязняющих веществ: участок 1 - речной, характеризующийся наиболее значительным влиянием сбросов Волгоградского водохранилища и достаточно однородной формой русла, глубина реки составляет 10-15 м, а средние скорости течения в летнюю межень равны 0.8-1 м/с, участок П - многорукавная дельтовая область реки, где происходит значительная аккумуляция наносов (обычно около 50%), способствующая накоплению ТМ, выносимых речным стоком, в ДО, ВВР и гидробионтах. Ниже устьев дельтовых протоков начинается култучная зона, где наиболее интенсивно аккумулируются наносы, образуя аллювиальные дельтовые острова. Высокая зарастаемость этих участков ВВР способствует отложениям илистого материала (Доброхотова, 1940). Участок Ш - авандельта, отмелая зона устьевого взморья, расположена вдоль култучной зоны. Она представляет собой обширное мелководное плато заросшее ВВР,
с большим числом каналов и более мелких водотоков. На устьевом участке скорости падают до 0.3-0.5 м/с. В протоках между островами и куртинами ВВР они составляют около 0.15 м/с, а в зарослях ВВР - 0.02 м/с. В этой зоне на седиментационные процессы помимо ВВР существенное влияние оказывают соленость вод и ветро-волновое перемешивание (Бреховских и др., 2008). П и Ш зоны выполняют важную барьерную роль для ТМ, выносимых в Северный Каспий.
Из речных объектов дельты выделяют рукава, протоки, ерики, банки. Рукава представляют собой крупные водотоки, непосредственно отделяющиеся от Волги. Протоки -крупные артерии, образующиеся в результате дробления рукавов. Ерики - мелководные протоки шириной до 3 м, банки - выходящие в море участки крупного протока, имеющие на общем мелководье взморья продолжение русла, выработанного речным течением с глубиной до 2 м.
Русловые отложения Нижней Волги состоят в основном (более 90%) из песка и эоловых частиц. Плотность мелких и средне заиленных песков, преобладающих в их составе, равна 1.2-1.3 г/см3, а их средний диаметр - 0.11-0.15 мм. Илы мощностью 1-20 см занимают верхний слой ДО почти по всей территории нижней части дельты и отсутствуют лишь в районе ВКК и развитых стоковых течений (Устьевая область ..., 1998). Содержание органического вещества в ДО Нижней Волги достаточно низкое в связи с невысоким содержанием его в речной воде и ускоренным оборотом в системе вода - ДО - ВВР. На верхнем русловом участке русло сложено песками, иногда с включением слоев трудно размываемых глин. Около 60% донных отложений составляют фракции размером менее 0.25 мм. На устьевом участке доля частиц размером менее 0.25 мм в рукавах и протоках дельты возрастает до 76%, преобладают фракции 0.1-0.25 мм (45%). Средние значения водно-физических показателей донных отложений на характерных участках Нижней Волги свидетельствуют о значительных различиях в составе грунта, удельном его весе на заросших участках по сравнению с незаросшими (Бреховских и др., 2006). Гранулометрический состав ДО для русловой части (слабое зарастание) и устья (сильное зарастание) заметно различается, особенно для частиц мелких и средних размеров, имеющих более высокое содержание в устьевой зоне (Бреховских и др., 2005).
ВВР оказывает влияние на седиментационные процессы за счет снижения скоростей течения, поглощение загрязняющих веществ из воды и ДО, вынос загрязняющих веществ в воду при отмирании и разложении ВВР, изменение содержания в воде растворенного кислорода, окислительно-восстановительные условия, газовый режим и другие биогеохимические процессы.
Дельта Волги является идеальным объектом для изучения трансформации загрязняющих веществ в условиях естественных биоплато, поскольку дельтовые водотоки и устьевое отмелое взморье, характеризуются малыми глубинами (1.5-2.5 м) и высокой степенью зарастаемости ВВР (за исключением водотоков, используемых для судоходства: Волго-Каспийский и Белинский каналы, где ведутся дноуглубительные работы и проводится выкашивание растений). Согласно данным (Красножон, Ковалев, 2004) площади зарастаний на участках устьевого взморья составляют от 15.1% (371.94 км2) для района ВКК (Волго-Каспийский канал) до 47.3% (510.92 км2) для района Гандуринский канал. В среднем участки с зарастанием ВВР составляют 31.9% (3246 км2) общей площади устьевого взморья (10187.39 км2).
В нижней части дельты Волги 50-70% стока проходит по плоской поверхности межканальных пространств (МКП), в связи с чем обводненность и проточность последних играет решающую роль для формирования биопродукции и накопления ТМ в ВВР. Поступление воды по широкому мелкому плато, в основном с песчанистыми донными отложениями, характерному для этих водотоков, с обильным зарастанием макрофитами
приводит к осаждению большей части взвесей, биогенных элементов, тяжелых металлов и других ЗВ. С началом вегетации макрофитов гидравлическое сопротивление МКП плоскому потоку возрастает, и тем сильнее, чем выше удельная биомасса растений и ниже уровень воды. Это приводит к перераспределению стока с МКП в каналы. Сами МКП превращаются в малопроточную, непригодную, как правило, для рыбохозяйственных целей экосистему типа болота (Эйнор, 1992) .
Заросли макрофитов обладают способностью выполнять три основные функции: 1 -фильтрационную - задерживать взвешенные вещества; 2 - поглотительную и накопительную; 3 - минерализующую и окислительную. Кроме того, они защищают берег от волнения и разрушения, способствуют вторичному загрязнению вод после отмирания ВВР в конце вегетации. Существуют различия между зонами с макрофитами в закрытых заливах, вода которых мало доступна для смешения, с заросшими зонами открытых пространств. В первом случае образуются застойные участки, где по многим параметрам качество воды неудовлетворительное. Здесь образуются сплавины и происходит заболачивание территории, могут развиваться ядовитые растения (например, цикута). На относительно закрытых от волнения участках, заросших макрофитами, при условии их хорошей проточности макрофиты выполняют роль биофильтров. На открытых пространствах важную роль играют ветро-волновые процессы; здесь, как правило, отмечаются заросли более жесткой растительности, такие как тростник, камыш, манник, рогоз, которые способны более успешно противостоять волнению (Казмирук и др., 2004). Следует отметить, что распространенные в устьевых областях рек заросли высшей водной растительности представляют собой не только гидродинамический, но и сезонно изменяющийся геохимический барьер, участвующий в трансформации материкового стока растворенных веществ. В период вегетации растения концентрируют микроэлементы в своих тканях; после отмирания часть макрофитов выносится в открытое море, другая - подвергается деструкции в отмелой зоне. Следовательно, дельта р. Волги является полигоном для выявления роли ВВР, поскольку представляет собой естественное биоплато с наличием большого разнообразия гидрологических, гидрохимических, гидробиологических, морфологических и др. условий (Емелина и др., 1986).
Высшая водная растительность Нижней Волги насчитывают более 500 видов, которые объединяются в 3 характерные для ВВР эколого-биологические группы (Катанская, 1981). Они включают растения погруженные в воду, которые подразделяются на: а) не укореняющиеся (безкорневые), свободно плавающие (взвешенные) в толще воды или прикрепленные погруженными в ил нижними частями стебля и б) укореняющиеся; плавающие растения, среди которых выделяют: 1) не укореняющиеся, свободно плавающие на поверхности воды и 2) укореняющиеся с плавающими листьями; надводные (воздушно-водные, земноводные) растения со стеблями, возвышающимися над водой.
Во флоре Нижней Волги преобладают виды, имеющие широкий географический ареал. Это космополиты, встречающиеся на всех континентах, а также виды, широко распространенные в пределах Европы и Азии. Наиболее массовыми видами ВВР являются: Сем. Typhaceae (Рогозовые), Typha latifolia L. - рогоз широколистный Typha lakmanii ЬерееЬ - рогоз Лаксмана, Сем. Lemnaceae (Рясковые), Сем. Cyperaceae (Осоковые), Сем. Poaceae (Злаковые), Сем. Hydrocharitaceae (Водокрасовые), Сем. Butomaceae (Сусаковые), Сем. Poligonaceae (Гречишные), Сем. Sparganiaceae (Ежеголовниковые) и др.
Доминанты ВВР, как правило, являются видами эдификаторами, т. е. видами, создающими среду обитания для других организмов и определяющими облик данного биоценоза. К таким видам для Нижней Волги можно отнести тростник южный (Phragmites australis (Сау.) Тли ех Б1еиё.), рогоз широколистный (Typha latifolia Ь), рдест гребенчатый
(Г. pectinatus Ь), рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus Ь), уруть колосистая (Myriophyllum spicatum Ь), роголистник погруженный (Ceratophyllum demersum Ь.).
Наиболее широко ВВР распространена в дельте и в отмелой зоне устьевого взморья (Михайлов, 1997). В верхней и средней частях дельты преобладают заросли тростника и рогоза. В нижней части дельты (култучная зона) и на островах взморья кроме густых зарослей тростника встречаются также рогоз, водяной орех, кубышка, кувшинка, нимфейник и лотос.
На устьевом взморье вблизи морского края дельты господствуют гелофиты (тростник, рогоз, сусак, лотос, ежеголовник) и некоторые гидрофиты (водяной орех, нимфейник, кувшинка), которые мористее постепенно сменяются погруженными гидрофитами (рдесты, валлиснерия, роголистник, наяда). В целом на устьевом взморье доминируют сообщества рдестов, валлиснерии и роголистника (>50%); значительны площади зарослей ежеголовника (~10%) и сообществ тростника, рогоза и лотоса (Русанов, 1983). Густота растительного покрова на взморье изменяется в течение года: вегетация начинается после прохождения пика половодья (в конце мая - начале июня), максимальное накопление фитомассы отмечается в августе-сентябре, а в октябре большая часть растений отмирает.
Зольность растений также значительно изменяется от русловой части к устьевому взморью. В проточных водотоках она составляет 10-20%, в авандельте - 17-58%, в слабопроточных ериках - 50-60%, в култучной зоне - 89%. Средняя зольность растений максимальна в слабопроточных ериках, при этом для нее характерна малая вариабельность в связи с однородностью условий среды. Наибольшей изменчивости подвержена зольность в култуках и авандельте, что возможно связано со сложным распределением взвешенного материала в этих зонах, а также высоким накоплением биогенных элементов в ДО (Лычагина и др., 1998).
Изменение уровня воды неблагоприятно для макрофитов, особенно для погруженной растительности; полупогруженная, особенно жесткая растительность страдает меньше при снижении или повышении уровня воды (Эйнор, 1992), что объясняется развитием корневой системы. В случае ее глубокого укоренения в грунт и выполнения ею поглотительной функции растения оказываются выносливыми к изменениям уровня воды. По степени устойчивости к изменениям уровня воды, как и по противостоянию волнобою, растения можно расположить а следующий условный ряд: камыш - тростник - рогоз - манник -водяной рис - погруженная растительность (рдесты, элодея и т.д.). Наиболее неблагоприятные воздействия изменения уровня прослеживаются весной в стадию активного вегетативного роста (Ореховский, 1982).
Целью данной работы было изучение современного уровня загрязнения вод, ДО и ВВР тяжелыми металлами на различных участках дельты р. Волги и устьевом взморье.
Материалы и методы исследований
При анализе содержания ТМ в воде, ДО и ВВР Нижней Волги были использованы материалы наблюдений ИВП РАН, полученные в 1997-2007 гг. и опубликованные данные других организаций (МГУ, КаспНИИРХа, ГОИНа и др.). Значительное внимание уделялось оценке современного состояния загрязнения вод и ДО дельты Волги, ее наиболее крупных водотоков (Бахтемир, Камызяк, Кировский канал, Рыча, Бузан, Ахтуба), а также накоплению ТМ в ВВР. На участках с ВВР рассматривалось содержание ТМ в отдельных видах растений и в ДО под корнями растений. С целью анализа содержания ТМ в ВВР в августе 2004 г. были отобраны образцы макрофитов на 13 участках акваторий Белинского и Кировского банков, в низовье рукава Бахтемира, Волго-Каспийского канала, а также о. Мал. Жемчужного и в
северо-восточной части устьевого взморья, отличающихся по условиям проточности, состава ДО и фитоценозов.
Образцы водных растений включали в себя следующие виды: а) гелофиты - тростник обыкновенный (Phragmites australis (Cav.) Trin. exsteud.), рогоз узколистный (Typha angustifolia L.), ежеголовник прямой (Sparganium erectum L.), сусак зонтичный (Butomus umbellatus L.); б) гидрофиты - кубышка желтая (Nuphar lutea (L.) Smith.), водяной орех плавающий (Trapa natans L. s.l.), рдесты плавающий, пронзеннолистный и блестящий (Potamogeton spp. (incl. P. natans L., P. perfoliatus L., P. lucens L.)), наяда малая (Caulinia minor (All.) Coss. (Najas minor All.)), водокрас лягушачий (Hydrocharis morsus-ranae L.), сальвиния плавающая (Salvinia natans (L.) All.), роголистник темно-зеленый (Ceratophyllum demersum L.), валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis L.), водоросль бурая (Phaeophyta fam. gen. sp.).
Концентрацию микроэлементов в пробах воды определяли методом атомной абсорбции с электротермической атомизацией в графитовой печи с использованием атомно-абсорбционного спектрометра МГА-915.
Содержание тяжёлых металлов в ДО определялось двумя методами: 1) - с использованием атомно-абсорбционных спектрометров С-115-М-1 и МГА-915 (ЭТА), 2) -рентгенофлюоресцентным спектрометрическим методом на приборе «ЫХ-2000» с помощью калибровочных графиков, построенным по стандартным образцам различных типов грунтов и компьютерной программы.
Подготовку образцов макрофитов для определения содержания тяжелых металлов проводили по методике ЦИНАО (Методические указания ..., 1993). Концентрации тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Co, Ni, Mn, Fe) в полученных растворах и холостых пробах, содержащих кислоты, определяли атомно-абсорбционным методом.
Для оценки уровня загрязнения вод использовались величины ПДК, ДО - данные глобального фона по Р.Р. Брукс (1982) и фоновые значения концентраций элементов в ДО для водотоков Астраханской области (Богданов, 2005).
Результаты и обсуждение
Известно, что содержание в воде растворенных и взвешенных веществ Нижней Волги характеризует степень загрязнения водного объекта в данный момент, отличается высокой изменчивостью и зависит от состава поступающих вод из Волгоградского водохранилища, а также от сбросов местных промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных сточных вод. Донные отложения являются интегральным показателем загрязнения речного бассейна, поскольку аккумулируют загрязняющие вещества за длительные промежутки времени (годы, десятилетия). Водные растения в большей степени, чем вода и ДО, отражают сезонное состояние загрязнения водного объекта, так как они подвержены сезонной динамике в своем развитии.
Как показал анализ данных для выделенных районов Нижней Волги характерны закономерные изменения в содержании ТМ в воде, ДО и ВВР, обусловленные различиями морфологии дельтовых водотоков, проточностью, и местными условиями сброса загрязняющих веществ.
Содержание растворенных форм большинства из изученных микроэлементов в воде рукавов дельты удовлетворяет рыбохозяйственным требованиям (исключением являются ионы меди и свинца). В настоящее время для большинства изученных ТМ наблюдается тенденция к снижению их концентраций в воде. Как показывают данные мониторинговых наблюдений, в водотоках дельты р. Волги (Ахтуба, Бузан, Кривая Болда, Камызяк-Кизань) отмечается снижение концентраций цинка и меди в воде к 2006-2007 гг., причем наиболее
ярко эта тенденция проявляется для цинка. Различия в среднегодовых концентрациях для рассматриваемых водотоков дельты весьма значительны и составляют 1.5-2 раза. Таким образом, характер пространственно-временной изменчивости содержания ТМ в воде рассматриваемых водотоков указывает на неоднородность миграции элементов в водотоках дельты Волги, что, по-видимому, обусловлено как различием объема стока этих водотоков, так и местными условиями сброса сточных вод. В связи со снижением стока ТМ в море по сравнению с серединой 90-х годов, произошло также снижение уровня содержания ТМ в ВВР. Так, сравнение концентраций ТМ в различных видах ВВР для периода 1993-1995 гг. и 2004 г. показало существенное изменение содержания цинка, меди, марганца, железа и др. элементов в растениях (табл. 1). Наиболее существенное снижение концентраций почти для всех рассматриваемых ТМ отмечается для сальвинии, водокраса, чилима, роголистника. В меньшей степени этот эффект выражен для ежеголовника, рогоза, тростника, кубышки и рдеста. Особенности уменьшения концентраций в различных видах ВВР связаны с закономерным ростом накопления ТМ от жестколистных прибрежных гелофитов (тростник, рогоз, ежеголовник) к погруженным гидрофитам (роголистник), а также от крупнолистных видов гидрофитов (кувшинка, кубышка) к мелколистным (водокрас, сальвиния). Поэтому в первую группу растений, где снижение концентраций выражено лишь для отдельных элементов (2п, Си, Мп, иногда Бе) входят: рогоз, ежеголовник, тростник, рдест -жестколистные прибрежные гелофиты, а также крупнолистные гидрофиты (кубышка). Между тем, как во вторую группу растений, отражающих снижение концентраций почти всех элементов, входят водокрас и сальвиния (мелколистные), а также чилим, роголистник (погруженные гидрофиты). Таким образом, при оценке тенденции снижения концентраций ТМ в ВВР необходимо учитывать специфику растений в накоплении ТМ, связанную с ее биохимическими особенностями и способностью извлекать ТМ из воды и ДО.
Содержание ТМ в ДО зависит от механического состава ДО и морфологических особенностей участка. В иловых отложениях и застойных зонах концентрации практически всех изученных микроэлементов существенно выше, чем в песчаном грунте. В целом содержание ТМ в поверхностном слое существенно ниже их кларкового уровня в осадочных породах (Брукс, 1982). Содержание ТМ в ДО основных водотоков дельты Волги (ВКК, рукава Бузан, Ахтуба, Кизань, Болда) относительно коренного русла Волги свидетельствует о накоплении ТМ в ДО водотоков (за исключением Ахтубы). Концентрации большинства элементов (за исключением молибдена, кадмия и хрома) во всех рукавах превышают содержание ТМ в ДО русловой части Волги, особенно в рукавах Бузан, Болда и Кизань.
Местные условия и морфологические особенности накладывают свой отпечаток на содержание ТМ в ДО различных водотоков. Концентрации ТМ в ДО крупных рукавов и банков для различных элементов существенно различаются. Высокая пространственная неравномерность распределения элементов характерна для Мп, 2п, Со, РЬ. Более однородно распределены Сг, N1. Так, для меди диапазон колебаний составляет 14.32-23.06 мг/кг, для цинка 37.09-61.44 мг/кг, для свинца 7.12-17.21 мг/кг. В слабопроточных и отмирающих ериках, где происходит интенсивная аккумуляция ила и органических веществ в ДО, а также осаждение тонкодисперсных фракций взвесей на макрофитах, отмечаются более высокое накопление ТМ в растениях. По данным (Лычагина и др., 1998) средние концентрации ТМ в водных растениях здесь в 1.5-2.0, а максимальные - в 3-5 раз выше, чем в растениях активных водотоков. Концентрации большинства ТМ в отмирающих ериках и особенно в устьях слабопроточных ериков в 2-3 раза выше, для слабоподвижных элементов (Сг, N1, Сё) и в 1.3-1.5 раза для подвижных элементов (Си, 2п), чем в култуках и авандельте. Это обусловлено отсутствием или слабым течением, осаждением тонкодисперсного материала, наиболее обогащенного ТМ, которые легко извлекаются из него растениями.
В култучной зоне дельты Волги, где также происходит интенсивное осаждение взвесей,
приносимых водотоками происходит активная сорбция ТМ ДО и ВВР. Поскольку гранулометрический состав взвесей, выносимых в култуки водотоками более грубодисперсный, чем осаждающийся в отмирающих ериках, то содержащиеся в нем ТМ менее доступны для водных растений. Поэтому концентрации ТМ в ВВР култуков ниже, чем в ВВР ериков. Концентрации ТМ в ВВР авндельты несколько ниже, чем в ВВР култуков. Это связано с тем, что донные отложения в авандельте представлены в основном тонко зернистыми песками и алевритами, хорошо промытыми потоками волжских вод и морских течений, сгонов-нагонов. Промытость взвесей и донных отложений снижает поступление ТМ из ДО и взвесей в ВВР. Кроме того, процессы соосаждения, сорбции и биофильтрации на этом участке приводят к преобладанию растворенных форм ТМ над взвешенными.
Таблица 1. Средние концентрации тяжелых металлов в различных видах водных растений. Table. 1. Mean heavy metals concentrations in different macrophyte species.
Вид Местоположение, Число Cu Zn Pb Cd Co Ni Mn Fe
год проб 10-4%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Тростник устье Волги, 2004 11 0.24 5.37 0.50 6.85 0.84 7.39 0.004 0.01
то же, 1993-1995 36 1.70 13.30 0.20 0.04 0.30 0.90 0.03 0.01
Рогоз устье Волги, 2004 13 0.88 8.95 0.72 7.11 1.53 5.31 0.03 0.07
то же, 1993-1995 14 3.80 14.8 0.20 0.04 0.04 0.04 0.03 0.01
Ежего- устье Волги, 2004 6 1.20 6.72 0.62 7.17 1.79 7.80 0.02 0.04
ловник то же, 1993-1995 12 3.00 12.5 0.10 0.04 0.04 0.07 0.02 0.01
Кубышка устье Волги, 2004 2 0.70 6.30 0.50 - 1.00 8.50 0.03 0.01
то же, 1993-1995 10 1.80 16.40 0.30 0.04 0.60 1.10 0.05 0.03
Водяной устье Волги, 2004 2 2.40 9.60 1.80 - 0.70 0.90 0.06 0.22
орех то же, 1993-1995 23 5.40 16.60 3.10 0.18 2.20 6.90 0.10 0.30
Рдест устье Волги, 2004 10 1.69 13.90 3.09 10.56 4.20 10.13 0.03 0.87
то же, 1993-1995 21 5.70 21.40 2.30 0.12 1.60 8.00 0.08 0.27
Водокрас устье Волги, 2004 2 1.50 10.50 1.30 - 0.90 8.00 0.02 0.21
то же, 1993-1995 1 18.0 41.80 5.50 0.29 7.10 30.70 0.35 0.16
Саль- устье Волги, 2004 2 8.42 14.80 3.23 14.73 2.42 17.00 0.11 0.41
виния то же, 1993-1995 26 11.7 44.50 4.50 0.41 6.00 23.70 0.33 1.27
Рого- устье Волги, 2004 7 3.25 8.11 1.33 7.70 4.33 16.60 0.18 0.34
листник то же, 1993-1995 28 8.80 23.60 2.40 0.48 6.30 33.20 0.54 0.64
На границе река-море в авандельте происходит осаждение большей части ТМ из взвешенных веществ. Однако, выявить связь содержания ТМ в ДО и ВВР с использованием этих данных не представляется возможным из-за большого числа факторов, воздействующих на накопление ТМ в ДО. С этой целью было рассмотрено содержание ТМ в ДО, извлеченных из под корней растений на различных участках дельты Волги. Полученные данные, однако, мало различаются от осредненных по рукавам, в частности в расстановке элементов в ряду. Ряд накопления ТМ в ДО, извлеченных из под корней растений для трех рассматриваемых районов имеет вид: Бе>Мп>2п>№>Си> РЬ> Сё, т.е. аналогичный осредненному для рукавов
дельты. Различия проявляются в величинах концентраций.
Как показали данные, в содержании ТМ для различных растений отмечается большой разброс на всех рассмотренных станциях (табл. 2). Так, содержание железа изменяется в районе Белинского банка от 58 (рогоз узколистный) до 1041 мг/кг сухого веса (водокрас), в районе Рытого банка: от 39 (тростник обыкновенный) до 4580 (сальвиния) и в районе о. Искусственный (ВКК) - от 65 (тростник обыкновенный) до 7740 мг/кг сухого веса
Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в воде (мкг/л), ДО (мг/кг) и ВВР (мг/кг сухого веса) в дельте и отмелой зоне устьевого взморья р. Волги в 2004 г. Table 2. Heavy metals in the water (^G/l), bottom sediments (mg/kg) and macrophyte species (mg/kg of dry weight) of the Volga delta and estuarial sea shore shallow zone in 2004.
Место отбора проб Описание проб Fе Mn Zn Ni Co Cu Pb Cd
Белинский банк Вода 59.8 12.1 6.70 6.00 0.01 1.90 0.07 0.58
ДО, илистый песок 17060.0 379.0 40.40 18.00 15.40 9.40
Тростник обыкновенный 76.0 38.0 4.40 11.50 6.40 0.20 0.50 0.40
Рогоз узколистный 58.0 282.0 11.10 0.80 2.50 0.40 0.50 0.10
Рогоз широколистный 455.0 1020.0 15.30 0.80 2.00 1.40 0.50 0.60
Ежеголовник прямой 671.0 292.0 9.40 4.70 5.20 2.40 1.20 0.80
Рдест блестящий 357.0 310.0 26.00 0.80 20.50 2.00 6.20 1.30
Водокрас 1041.0 131.0 11.50 1.00 1.70 4.80 0.50 0.10
Рытый банк Вода 15.2 23.0 14.90 8.50 0.01 2.80 0.08 3.30
ДО, ил 29767.0 338.0 48.00 45.00 26.20 12.70 4.70
Тростник обыкновенный 39.0 78.0 2.10 3.50 0.20 0.20 0.50 1.10
Рогоз узколистный 56.0 310.0 5.50 7.10 1.70 0.40 0.50 0.60
Рдест блестящий 973.0 730.0 6.50 6.20 0.60 1.00 0.50 1.00
Роголистник темнозеленый 4800.0 4490.0 13.30 20.60 4.70 3.10 3.40 1.70
Сальвиния 4510.0 1550.0 14.10 11.60 0.20 3.30 0.50 1.30
Район о. Искусственный Вода 3.6 21.0 12.10 5.70 0.01 2.60 0.16 1.13
ДО, ил с остатками растительности 28700.0 389.0 60.80 43.00 36.30 20.20 8.50
Тростник обыкновенный 92.0 26.0 5.60 10.20 0.20 0.35 0.50 0.85
Рогоз узколистный 90.0 186.0 4.70 0.50 1.20 0.40 0.50 1.40
Рогоз широколистный 6240.0 205.0 20.00 24.30 5.90 2.00 3.40 1.30
Ежеголовник прямой 363.0 66.0 9.50 14.30 1.00 0.80 0.50 1.30
Водокрас 3320.0 446.0 10.80 8.00 3.50 1.60 3.40 1.80
Сальвиния 7740.0 459.0 22.70 35.40 5.40 3.20 8.70 2.80
(сальвиния). Увеличение разброса концентраций к югу (ВКК) может быть связано с возрастанием тонкодисперсного материала, наиболее обогащенного ТМ, которые легко извлекаются из него растениями. Более однородные величины концентраций отмечаются для меди, свинца и цинка. Например, для свинца во всех рассмотренных районах минимальные концентрации отмечаются для тростника обыкновенного (0.5 мг/кг), а максимальные меняются в диапазоне от 3.4 мг/кг (роголистник темно зеленый) до 8.7 мг/кг (сальвиния). Ряд накопления ТМ в ВВР (осредненные данные по всем растениям) имеет вид: Бе > Мп> 2п> №> Сё> Си> Со> РЬ. Ряды накопления ТМ в различных растениях отличаются. Первые 3
места для всех растений занимают железо, марганец, цинк (или никель), за исключением чилима (на 3 месте кадмий). Три последние места в различных сочетаниях для рассматриваемых растений занимают Со, Си, РЬ, для чилима - Си, Со, N1. Различия в расстановке элементов в ряду для рассматриваемых видов растений обусловлены главным образом особенностями в накоплении элементов различными видами растений. Диапазон изменения концентраций ТМ в растениях для всех элементов большой, что отражает физиологические особенности различных видов растений к поглощению ТМ из воды и ДО. Это подтверждает также избирательную способность растений к поглощению различных веществ, позволяет использовать их в качестве индикаторов загрязнения вод и ДО. Однако, растения проявляют значительную устойчивость к кратковременным вспышкам загрязнения и могут накапливать химические элементы в тканях в больших количествах без видимых функциональных изменений.
Для Нижней Волги характерно групповое концентрирование ТМ в ДО и ВВР, определяющееся главным образом видовой специализацией. Наиболее многообразными биологическими функциями обладает Бе, Си, Со, 2п, Мп, N1. По значениям ПДК наиболее токсичными среди металлов являются Сг, Мп, Со, N1, Си (1 и П классы опасности), менее токсичными - 2п (Иванов, 1996; Катунин, Островская, 1999). По высокой величине гидротоксифильности выделяются Бе, Мп, Си, по атмотоксифильности - N1, Си, по почвотоксифильности - Бе, а также 2п, Си, Сг, Со, Мп. Содержание этих элементов, даже обычное, часто очень велико и иногда приближается к принятым гигиеническим нормам в соответствующих природных средах. Ряд биологического поглощения (накопления) рассматриваемых элементов по А.И. Перельману имеет вид: 2п>>Си ~ Мп ~ N1 ~ Со >Бе>Сг. В целом, следует отметить, что на первых местах в этом ряду находятся жизненно необходимые элементы (Иванов, 1996).
Содержание тяжелых металлов в изученных видах водных растений, отобранных в устьевой области Волги, представлено на рисунке 1. Наиболее низкие концентрации всех изученных микроэлементов характерны для тростника обыкновенного, рогоза узколистного и ежеголовника прямого. Кубышка близка к ним по содержанию микроэлементов, за исключением N1, содержание которого в несколько раз выше. Водяной орех, рдест и водокрас отличаются на порядок более высокими концентрациями Бе, которые достигают 0.21-0.24%, и некоторым увеличением содержания 2п и Мп. Для сальвинии и роголистника темнозеленого отмечаются максимальные концентрации Мп (0.11-0.18%) на фоне общего увеличения накопления металлов по сравнению с другими растениями. Среди прикрепленных растений - гидрофитов с плавающими листьями (чилим, рдесты, кубышка желтая) достаточно хорошо выражено концентрирование Бе, Мп, N1, Со, РЬ, Сг. Полученные нами данные о содержании ТМ в ВВР дельты р. Волги подтверждают закономерное увеличение концентраций тяжелых металлов от жестколистных прибрежных растений-гелофитов (тростник, рогоз, ежеголовник) к погруженным гидрофитам (роголистник), а также от крупнолистных видов гидрофитов (кувшинка, кубышка) к мелколистным (водокрас, сальвиния), установленное для ВВР аквальных ландшафтов Астраханского заповедника (Лычагина и др., 1998).
Таким образом, выполненные исследования свидетельствуют о большом разнообразии условий Нижней Волги. Для решения задач, связанных с прогнозом формирования качества воды и ДО на Нижней Волге и устьевом взморье необходимо выделение типовых участков биоплато, позволяющие оценить влияние этих участков с ВВР на формирование качества вод и ДО. Полученные данные показали необходимость при их выделении учитывать следующие факторы: - проточность; - гранулометрический состав и загрязнение ДО ТМ, биогенными элементами и органическим веществом; - фракционный состав и загрязнение взвешенных веществ ТМ и другими поллютантами; - содержание растворенных и взвешенных форм ТМ
Рис. 1. Средние концентрации тяжелых металлов в растениях разных экологических групп дельты р. Волги в 2004 г.: Mn, Fe в %; Zn, Ni, Cu, Pb, Co, Cd в 10-4 %. Fig. 1. Mean heavy metals concentrations in macrophyte species of different ecological groups of the Volga delta in 2004: Mn, Fe - %; Zn, Ni, Cu, Pb, Co, Cd - 10-4 %.
в воде; - глубина участка и степень открытости ветровому и волновому воздействию; -характеристики ВВР: видовой состав фитоценоза, площадь проективного покрытия, фитомасса, содержание ТМ в растениях, сроки вегетации и др.
Выводы
Анализ многолетних данных наблюдений свидетельствует о снижении концентраций ТМ в воде и ДО Нижней Волги, связанном со спадом производства в бассейне Волги в 90е-2000 гг. Установлено, что ВВР по разному отреагировала на снижение концентраций ТМ в воде и ДО за последние годы. В частности, уровень содержания Си и 2п во всех видах растений снизился, тогда как для Со, N1, Сё и РЬ наблюдалась обратная картина.
Накопление ТМ в ВВР существенно зависит от вида растений. Наибольшая аккумулирующая способность в накоплении ТМ характерна для сальвинии, рдеста блестящего, водокраса. Малая поглотительная способность характерна для тростника обыкновенного, рогоза узколистного. Заросшие участки дельты Волги и устьевого взморья (биоплато) выполняют барьерную роль в выносе загрязняющих веществ в Каспийское море.
Особенности в содержании ТМ в воде, ДО и ВВР для рассматриваемых районов могут быть использованы при выделении типовых участков биоплато для русловой части Нижней Волги, рукавов дельты, протоков, ериков, банков и других речных объектов дельты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Богданов Н.А. 2005. Экологическое зонирование: научно-методические приемы.
Астраханская область. М.: Едиториал УРСС. 176 с. Бреховских В.Ф., Казмирук В.Д., Вишневская Г.Н. 2008. Биота в процессах массопереноса в
водных объектах. М.: Наука. 315 с. Бреховских В.Ф., Волкова З.В., Островская Е.В. 2005. Особенности накопления загрязняющих веществ в донных отложениях дельты Волги // Природно-ресурсные, экологические и социально-экономические проблемы окружающей среды в крупных речных бассейнах. М.: Медиа-Пресс. С. 109-119. Бреховских В.Ф., Островская Е.В., Катунин Д.В., Волкова З.В. 2006. О влиянии стока на распределение тяжелых металлов в ее устьевом взморье // Метеорология и гидрология. № 2. С. 88-97. Брукс Р.Р. 1982. Химия окружающей среды. М.: Химия. 371 с.
Доброхотова К.В. 1940. Ассоциации высших водных растений как фактор роста дельты
Волги // Труды Астраханского государственного заповедника. Вып. 3. С. 13-78. Емелина С.Ф., Фильчаков В.А., Живогляд А.Ф. 1986. Изменение растительности, зарослей и донной фауны авандельты Волги в условиях антропогенной трансформации водных экосистем // V Съезд ВГБО. Куйбышев. Ч. I. С. 187-188. Иванов В.В. 1996. Экологическая геохимия элементов. Кн. 4. М.: Экология. 409 с. Казмирук В.Д., Казмирук Т.Н., Бреховских В.Ф. 2004. Зарастающие водотоки и водоемы:
динамические процессы формирования донных отложений. М.: Наука. 310 с. Катанская В.М. 1981. Высшая водная растительность континентальных водоемов СССР. Л.: Наука. С. 187.
Катунин Д.Н., Островская Е.В. 1999. Тяжелые металлы в донных отложениях Нижней Волги
// Рыбохозяйственные исследования на Каспии. Астрахань. С. 44-48. Красножон Г.Ф., Ковалев Е.Э. 2004. Оценка гидролого-экологического состояния устья Волги по данным космических фотосъемок // Аридные экосистемы. Т. 10. № 21.С. 7081.
Лычагина Н.Ю., Касимов Н.С., Лычагин М.Ю. 1998. Биогеохимия макрофитов дельты Волги. М.: Геогр. ф-т МГУ. 84 с.
Методические указания по определению тяжелых металлов в кормах и растениях и их подвижных соединений в почвах. М.: ЦИНАО. 1993. 40 с.
Михайлов В.Н. 1997. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М.: ГЕОС. 413 с.
Ореховский А.Р. 1982. Защитный эффект полуводных растений // Гидротехника и мелиорация. № 7. С. 32-37.
Русанов Г.М. 1983. Состояние природных угодий предустьевого пространства взморья Волги и перспективы их дальнейших изменений // Бюллетень Московского общества испытателей природы (МОИП). Отд. биол. Т. 88. Вып. 5. С. 10-21.
Устьевая область р. Волги: гидролого-морфологические процессы, режим загрязняющих веществ и влияние колебаний уровня Каспийского моря. 1998. М.: ГЕОС. 280 с.
Эйнор Л.О. 1992. Макрофиты в экологии водоема. М.: ИВП РАН. 256 с.
HIGHER AQUATIC VEGETATION AND ACCUMULATION PROCESSES IN THE
DELTA OF RIVER VOLGA
© 2009. V.F. Brekhovskikh*, Z.V. Volkova*, A.V. Savenco**
*Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences Russia, 119991 Moscow , Gubkin str., 3, E-mail: [email protected], [email protected] **Moscow State M.V. Lomonosov University, geographical faculty Russia, 119991 Moscow, Leninskie gori, MGU, E-mail: [email protected]
Abstract. Microelements concentrations in water, bottom sediments and macrophytes in the river Volga delta have been evaluated. Some peculiarities of their accumulation in bottom sediments and aquatic plants have been studied in several parts of the delta. It was shown that these plants responded differently to the decrease of heavy metals concentrations in water and bottom sediments during last years. So the content of some elements (Cu and Zn) has decreased in all macrophyte species, while for other elements (Co, Ni, Cd and Pb) the tendency was quite opposite.
Key words: heavy metals, macrophytes, sediments, delta of the river Volga.
