Формирование биотопов устьевой области Волги под влиянием природных факторов и хозяйственной деятельности

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Формирование биотопов устьевой области Волги под влиянием природных факторов и хозяйственной деятельности

Кузин Алексей Владимирович

Астрахань 2009

Работа выполнена на кафедре географии Астраханского государственного университета

Научный руководитель доктор географических наук, профессор Алексеевский Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Коронкевич Николай Иванович

кандидат географических наук Горшкова Асия Тихоновна

Ведущая организация: Институт экологии Волжского бассейна РАН

Защита состоится «12» декабря 2009 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.04 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, д.1. ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Текст автореферата диссертации размещен на официальном сайте Астраханского государственного университета: http:// www.aspu.ru.

Автореферат разослан «11» ноября 2009г.

Отзыв на автореферат (2 экземпляра заверенных печатью) просим направлять по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, д. 1, АГУ, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.009.04. Факс (8512) 44-02-24, E-mail: miolin76@mail.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент М.М. Иолин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Устьевая область Волги - уникальный водный объект, приемный водоем с быстро изменяющимся уровнем воды, на территории которого взаимодействуют разнообразные компоненты азональных ландшафтов дельты и устьевого взморья. Поступающий к вершине дельты сток интегрирует влияние изменчивости природных факторов в бассейне реки и хозяйственной деятельности, основанной на использовании разнообразных ресурсов Волги и ее водосбора. Под воздействием рассредоточения речного стока по дельтовым водотокам, короткого или длительного заливания дельтовой равнины в период максимального стока, сложных динамических процессов на устьевом взморье реки возникает большое разнообразие экологических условий существования водных и наземных биоценозов. Следовательно, выделение характерных биотопов устьевой области Волги, анализ влияния относительно однородных по абиотическим факторам биотопов на условия существования популяций различных видов организмов (растительных и животных) - актуальная научная, методическая и практическая задача.

Устьевая область Волги изучена намного лучше по сравнению с устьями других рек России. Гидрология, гидрохимия и гидробиология устьевой области Волги активно изучается учеными Астраханского государственного и Технического университетов, Астраханского государственного заповедника, Астраханского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (АЦГМС), Географического факультета МГУ, Государственного гидрологического института (ГГИ), Государственного океанографического института (ГОИН), Института водных проблем РАН, Каспийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства (КаспНИРХ), других организаций.

Геоморфологические особенности устьевой области Волги изучены наиболее детально благодаря исследованиям Л.С. Берга, Е.Н. Бадюковой, Е.Ф. Белевич, М.М. Жукова, В.Н. Коротаева, О.А. Леонтьева, С.А. Лукьяновой, К.А. Рачковской, Г.И. Рычагова, Г.В. Русакова, Г.А. Сафьянова, А.А. Свиточа, Т.А. Яниной и др. Влияние хозяйственной деятельности на гидрологическое состояние и режим устьевой области изучено в работах Г.Ю. Винникова, Н.А. Власова, Г.В. Воропаева, Д.Н. Катунина, А.Г. Кузьмина, А.Ф. Лексуткина, В.Н. Михайлова, В.Ф. Осадчих, В.Ф. Полонского, Н.А. Скриптунова, И.А. Шикломанова и др. Закономерности устьевых процессов детально рассмотрены в многочисленных обобщениях, выполненных Д.Н. Айбулатовым, Н.И. Алексеевским, С.С. Байдиным, Е.Ф. Белевич, В.В. Ивановым, В.Н. Коротаевым, В.Н. Михайловым, В.Ф. Полонским, М.М. Роговым, В.С.Рыбаком, Л.Г. Синенко, Н.А. Скриптуновым и другими специалистами. Абиотические факторы развития водных и прибрежных биоценозов анализировались в трудах С.С. Байдина, Н.В. Галушкиной, Д.Н. Катунина, Д.В. Кашина, Е.А. Кравченко, Г.Ф. Красножона, Е.Э.Ковалева, В.Н. Михайлова, Б.М. Насибулиной, В.Ф. Полонского, Г.В. Радованова, В.С. Рыбака, И.В. Самойлова, Л.Г. Синенко, Н.А. Скриптунова и др. Гидробиологическое состояние устьевой области Волги постоянно находилось в поле зрения в основном астраханских ученых: А.К. Горбунова, К.В. Горбунова, Т.Ф. Курочкиной, О. Е. Мироненко, Е.Н. Лабунской, Ю.С. Чуйкова и др.

Относительно меньше внимания уделялось изучению комплекса абиотических факторов, определяющих экологическое состояние биотопов устьевой области Волги, реакции биоценозов дельтовых водотоков и водоемов на конкретные количественные изменения определяющих условий на речной и морской границах устьевой области, а также в дельте реки. В значительной мере это связано с отсутствием типизации биотопов, сложностью их изучения в условиях междисциплинарных барьеров, проблемами организации исследований на стыке наук и дефицитом гидрометеорологической, водохозяйственной и гидробиологической информации.

Цель исследования заключается в выделении, типизации и характеристике биотопов, отличающихся по реакции компонентов экосистемы на пространственно-временную изменчивость абиотических факторов в устьевой области Волги.

Задачи исследования:

- выделение абиотических факторов среды, определяющих экологическое состояние водных и наземных биоценозов в устьевой области Волги; экологический биоценоз устьевой волга

- создание базы геоэкологической информации для характеристики пространственно-временной изменчивости абиотических факторов и состояния характерных биоценозов устьевой области;

- разработка типизации биотопов устьевой области реки на основе учета изменчивости характерных абиотических факторов;

- анализ пространственно-временной изменчивости абиотических факторов, характерных для биотопов устьевой области реки;

- оценка влияния характерного набора абиотических факторов на состав и биомассу планктонных организмов в разных биотопах устьевой области реки.

Материалы и методы исследований. При подготовке диссертации использован комплекс геоэкологических (ландшафтных, гидрологических, биологических) методов сбора, обработки и анализа натурной информации. Для характеристики изменчивости климатических и гидрологических условий в устьевой области Волги проведена статистическая обработка данных по 4 метеостанциям и 16 гидрологическим постам АЦГМС за период с 1942 по 2006 гг. Она позволила выполнить анализ изменчивости стока воды и наносов, химических веществ, биологических субстанций и тепла. Метод картографических обобщений оказался эффективным при анализе пространственной изменчивости ландшафтных особенностей дельты Волги, выявленных на основе опубликованных и фондовых материалов КаспНИРХа, АЦГМС, Астраханского биосферного заповедника, МГУ, ИВП РАН, ГОИНа. Основным методом изучения экологических отличий биотопов устьевой области реки стал сравнительный анализ результатов полевых исследований автора в составе экспедиций КаспНИРХа, АЦГМС и Астраханского биосферного заповедника в 2001 - 2005 гг. Стандартные гидробиологические методы использованы для обработки проб и характеристики содержания в воде фитопланктона и зоопланктона на 50 станциях, характеризующих разные типы биотопов устьевой области реки.

Объект исследования - биотопы устьевой области р. Волги, гидробиоценозы и процессы их взаимодействия с абиотическими факторами и хозяйственной деятельностью в бассейне и в устьевой области реки.

Предметом исследования являются:

- типы биотопов в устьевой области Волги;

- состав и специфика воздействия лимитирующих факторов эволюции растительных и животных сообществ в биотопах дельты и устьевого взморья;

- результаты анализа пространственной и временной изменчивости абиотических факторов трансформации экологического состояния биотопов в устьевой области Волги;

- оценка влияния природной и техногенной изменчивости составляющих речного стока (воды, наносов, химических веществ, тепла) на изменчивость планктонных организмов в биотопах дельты и устьевого взморья реки.

Научная новизна работы заключается в комплексном изучении биологического разнообразия биотопов устьевой области Волги. На новой информационной основе в работе уточнены данные по пространственной и временной изменчивости абиотических факторов в вершине дельты и в различных биотопах устьевой области. Впервые предложена типизация биотопов дельты и устьевого взморья Волги. Установлены количественные диапазоны изменения абиотических факторов, характерные для каждого отдельного типа биотопов устьевой области. Изучена реакция планктонных организмов водотоков и водоемов дельты, морских заливов и устьевого взморья Волги на изменение гидравлических, гидрологических и ландшафтных факторов, составляющих речного стока и хозяйственной деятельности.

Практическое значение исследования состоит в обосновании типов устьевых биотопов, создающих объективную основу для планирования экологических исследований в характерных объектах дельты и устьевого взморья Волги, оптимизации системы гидрологического и экологического мониторинга в многорукавных дельтах, для создания специализированных баз гидробиологической информации.

Оценки гидролого-гидрохимического состояния водных объектов устьевой области, полученные в рамках исследования, использованы в годовых научных отчетах КаспНИРХа в 2001-2005 гг. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационного исследования, вошли в состав научных отчетов по проектам РФФИ № 03-05-64306 «Генетический анализ гидроэкологических изменений в водных объектах» и № 06-05-64306 «Климатические изменения опасных гидрологических процессов». Оценки влияния природной изменчивости стока и хозяйственной деятельности на водные биоценозы в устьевой области Волге учтены при выполнении темы «Влияние морфодинамических процессов на Нижней Волге на безопасность населения, хозяйства и экосистем» специалистами географического факультета МГУ. Работа выполнялась по заказу Института водных проблем РАН и Агентства водных ресурсов России.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 6 научных конференциях: на XVIII пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Курск, 2003), VIII международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2005), на IV Всероссийском семинаре молодых ученых по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов» (Волгоград 2006), IX международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Водные ресурсы Волги: настоящее и будущее, проблемы управления» (Астрахань, 2007), II Международной научно-технической конференции «Туризм и рекреация: инновации и ГИС-технологии» (Астрахань, 2009).

Публикации. Результаты и выводы диссертационного исследования изложены в 5 статьях (1 статья - в научном журнале из перечня ВАК) и 9 тезисах. Они использованы при подготовке учебных пособий «География Астраханского края» (Астрахань, 2007) и «Природа, прошлое и современность Астраханского края» (Астрахань, 2008).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; изложена на 196 страницах машинописного текста, включающего 63 рисунка и 60 таблиц. В список использованной литературы вошли 144 отечественных и иностранных источника.

Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю благодарность руководителям и сотрудникам АЦГМС (Л.Г. Синенко, Л.М. Вознесенской) за ценные советы и помощь в обработке гидрометеорологических данных. Автор признателен руководству и сотрудникам КаспНИРХа (к.г.н. Д.Н. Катунину) за помощь в организации и проведении полевых гидробиологических работ в устьевой области Волги, ценные советы и рекомендации, оказавшиеся полезными при обработке и интерпретации натурных данных. Особую признательность автор выражает проф. Н.И. Алексеевскому за плодотворное научное сотрудничество.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации, в нем определены основные задачи исследования, рассмотрена научная новизна и практическое значение изучения биотопов устьевой области Волги.

В первой главе изложены представления о биотопах, как о самостоятельных структурных элементах экосистем в устьевых областях рек, которые отличаются между собой по набору абиотических факторов среды и, следовательно, по составу и биомассе гидробионтов (например, планктонных организмов). Состояние гидробионтов в биотопе зависит от расхода и объема стока воды (WQ), мутности и стока наносов (WR), концентрации химических веществ, температуры воды, скорости течения, изменяющихся под влиянием природных условий и уровня хозяйственной деятельности. Роль абиотических факторов зависит от масштаба их влияния на водные биоценозы, продолжительности воздействия на гидробионтов.

На основе учета изменчивости абиотических факторов в устьевой области Волги выделены характерные типы биотопов (рис. 1): наземные, аквальные и биотопы периодического заливания (Кузин, 2006; Алексеевский, Кузин, 2006).

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 1 Биотопы устьевой области Волги

К наземным отнесены биотопы незатопляемых территорий и биотопы территорий кратковременного затопления. Биотопы незатопляемых территорий - участки земной поверхности с отметками высот, превосходящими уровень максимального затопления дельтовой равнины речными водами в период половодья. Такие биотопы не испытывают прямого воздействия речного стока, а взаимодействуют с водными объектами лишь через грунтовые воды. Биотопы территорий кратковременного затопления (местное название - «полои») - пониженные участки суши, занятые водой в период половодья и паводков. Время их существования превышает продолжительность половодья.

Аквальные биотопы испытывают постоянное (круглогодичное) воздействие речных вод. К ним относятся биотопы постоянных водоемов и водотоков, отличающиеся друг от друга по происхождению, размеру, глубине, гидрологическому, гидрохимическому и тепловому режимам. Постоянные и пересыхающие водоемы в дельте Волги называются "ильменями" (Белевич, 1958). Постоянные водотоки образуют русловую сеть дельты и отличаются между собой по водоносности (размеру). К аквальным биотопам относится и устьевое взморье. Этот биотоп подразделяется на биотопы заливов морского края дельты («култуков»), каналов и межканальных пространств.

Биотопы пересыхающих водоемов и пересыхающих водотоков возникают в условиях периодического заливания местности речными водами. Это временно существующие водные объекты, обеспечивающие поступление воды в депрессии дельтовой равнины - в биотопы кратковременного затопления. Этот тип биотопов встречается повсеместно. Однако по мере приближения к морскому краю дельты количество биотопов периодического заливания многократно увеличивается (Рогов, 1986).

Биотопы зон периодического заливания занимают промежуточное положение между аквальными и наземными биотопами. К этой группе биотопов отнесены водоемы и водотоки, начинающие функционировать с момента выхода речных вод на пойму во время половодья. Отличие данной группы биотопов от биотопов территорий кратковременного затопления состоит в том, что они существуют более короткий период времени.

Условия существования экосистем выделенных биотопов тесно связаны с величиной и продолжительностью воздействия на них стока воды, наносов, химических веществ, тепла (табл. 1). Даже наземные биотопы испытывают воздействие водного стока, влияющего на уровенный и химический режим подземных вод, а содержание влаги в зоне аэрации неизбежно сказывается на составе наземной растительности. Другие типы биотопов существенно отличаются между собой по доле составляющих речного стока, влияющей на состояние соответствующих гидробионтов.

Таблица 1 Отличия биотопов устьевой области Волги по степени влияния речного стока, по глубине водных объектов (h), скорости течения воды (v), а также продолжительности воздействия абиотических факторов (T)

Водные биоценозы Волги в районе вершины дельты, например, формируются под влиянием всего объема стока воды (бв = 1). Гидробионты в меньших по водоносности водотоках развиваются в условиях бв < 1. Если поступление речных вод к биотопам незатопляемых территорий равно нулю, то в биотопы территорий кратковременного затопления речные воды поступают лишь в период половодья, а доля поступающего в них стока воды не превышает 0,03WQ (3 % от среднего многолетнего объема стока воды в вершине дельты).

Развитие гидробионтов в дельтовых водоемах зависит от времени существования водообмена между ними и дельтовыми водотоками. В среднем за многолетний период в водоемы поступает от 0,7 до 2 % стока воды в вершине дельты. Водоносность дельтовых рукавов зависит от их размера и тенденции развития (Полонский и др., 1992; Полонский, 1995; Русловые процессы…, 1997; Устьевая область…, 1998). В период межени доля стока воды в небольших пересыхающих водотоках может быть ничтожно мала - 0,05, а в крупных дельтовых рукавах водотоках превышать 30% от WQ . Биоценозы устьевого взморья испытывают воздействие всего волжского стока воды, уменьшающегося на 3,3 % к морскому краю дельты вследствие интенсивного испарения (Рыбак, 1973).

На условия существования биоценозов в устьевой области Волги большое влияние оказывает сток взвешенных наносов и мутность воды. Для биотопов периодического заливания абиотическая функция стока наносов зависит от доли стока воды, выходящей на дельтовую равнину в период половодья, и соотношения между мутностью во время половодья sн и средней многолетней мутностью волжских вод в вершине дельты s0. Биотопы дельтовых водоемов испытывают воздействие стока взвешенных частиц в основном в период половодья. Доля наносов бн, поступающих в водоемы, зависит от интенсивности их водообмена с водотоками дельты и в среднем изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,04 WR. Доля стока наносов в дельтовых водотоках изменяется в зависимости от фазы гидрологического режима реки и тенденций их развития (Алексеевский и др., 1998). Наименьшие значения бн характерны для биотопов заиливающихся водотоков в период межени, а наибольшие - для активизирующихся водотоков. Из общего объема стока взвешенных наносов в вершине дельты в среднем около 80% достигает устьевого взморья (Алексеевский и др., 1998).

Развитие биоценозов устьевой области Волги зависит от характеристик стока и минерализации речной воды. Доля стока химических веществ бх = бв(сп/с0) в конкретном биотопе прямо пропорциональна их содержанию в воде во время половодья сп и обратно пропорциональна их среднегодовому содержанию с0. Биотопы периодического заливания развиваются в условиях поступления и удержания в них около 0,8 % стока химических веществ в вершине дельты Волги. Примерно такое же поступление (0,2 - 0,5%) характерно и для дельтовых водоемов. В пересыхающие водотоки поступает не более 0,08 % волжского стока химических веществ, а в руслах постоянных водотоков в период половодья доля стока химических веществ многократно больше. В условиях засушливого климата и интенсивного испарения содержание в воде растворенных веществ возрастает. Поэтому биотопы устьевого взморья существуют в условиях повышенной минерализации волжской воды по сравнению с вершиной дельты.

Отличия биотопов устьевой области Волги в значительной мере связаны с их тепловым режимом. Наземные биотопы развиваются в условиях высоких летних и низких зимних температур воздуха. В биотопы периодического заливания весной поступает вода с температурой 3-100С, которая быстрее прогревается по сравнению с относительно холодными водами дельтовых водотоков. В водоемах дельты вода испытывает продолжительное нагревание, и ее температура оказывается выше по сравнению с водотоками. Эта ситуация сохраняется и в период охлаждения водных объектов. Температура воды в дельтовых водотоках зависит от сезона года и их размера. В осенний период года биоценозы относительно небольших водотоков развиваются в условиях более быстрого понижения температур воды по сравнению с гидробионтами крупных водотоков. В весенний период рассредоточение стока воды по рукавам дельты приводит к повышению температуры воды от морского края дельты к ее вершине, что связано с отличием малых и крупных водотоков в отношении реакции температуры воды в их руслах на одинаковое поступление солнечной радиации. Поэтому на устьевое взморье поступают относительно более теплые воды по сравнению с условиями в вершине дельты. Наоборот, осенью этот процесс сопровождается общим снижением температуры воды, поступающей из дельты в пределы устьевого взморья.

Специфика биотопов в устьевой области Волги в значительной мере связана с их отличиями по глубине водных объектов. Интервал глубин, в которых существуют и развиваются популяции организмов в биотопах устья Волги, весьма широк. Наименьшие глубины характерны для биотопов периодического заливания - 1-1,5 м. Глубина дельтовых водоемов обычно больше, хотя некоторые из них пересыхают. Для постоянно существующих водоемов глубина изменяется в зависимости от фазы водного режима Волги и достигает 3,5 м. Для биотопов водотоков характерно изменение глубины от 0 до 20 м. Более узкий диапазон изменения глубин наблюдается на устьевом взморье Волги, занятом пресной водой - 1-10 м (табл. 1).

Скорость движения воды - один из основных абиотических факторов, определяющих состав организмов и растительных сообществ в устьевой области Волги. На периодически заливаемой поверхности дельты Волги отсутствуют явные признаки ее размыва временными водными потоками. Следовательно, скорость движения воды в пределах этого биотопа меньше неразмывающей скорости (для характерных типов почв в дельте она не превышает 0,8 м/с). Для дельтовых водоемов характерен очень узкий интервал скоростей перемещения воды (от 0 до 0,1 м/с), обусловленный наличием стоковых или дрейфовых течений. Скорость движения воды в руслах дельтовых водотоков изменяется в более широких пределах. В руслах пересыхающих водотоков и в межень она приближается к нулевым значениям. В постоянных водотоках и в период половодья скорость водных потоков может возрастать до 1,5 м/с. Скорость движения воды на устьевом взморье изменяется в пределах 0,03-0,7 м/с. В каналах скорости движения воды составляют 0,2 м/с в межень и достигают 0,95 м/с в период половодья. В межканальных пространствах скорости течения уменьшаются соответственно до 0,03 и 0,15 м/с (табл. 1).

Продолжительность воздействия составляющих водного стока на состояние биотопов - важное экологическое условие существования биоценозов устьевой области Волги. После заполнения Волгоградского водохранилища средняя многолетняя продолжительность половодья уменьшилась до 86, а продолжительность межени возросла до 279 дней. В этих условиях биоценозы периодически заливаемых территорий (полоев) испытывают влияние речного стока в течение 86-140 дней. Максимальная продолжительность воздействия стока соответствует периоду времени от начала заливания местности до полного пересыхания полоев. Для биотопов пересыхающих водоемов и водотоков это воздействие существует в течение всего половодья, а для постоянных водных объектов - в течение всего года. Круглогодичное влияние речного стока испытывают и биотопы устьевого взморья (табл. 1).

Во второй главе выполнен геоэкологический анализ природных условий существования популяций организмов в устьевой области Волги и влияния техногенных нагрузок на их развитие.

Обобщение опубликованных материалов и собственных данных позволило установить, что особенности биоценозов устьевой области в значительной мере обусловлены климатическими характеристиками района исследований. Для ее территории характерна большая сумма положительных температур, а отношение зональной годовой испаряемости к сумме осадков превышает 3, что соответствует условиям засушливого климата (Вознесенская, Бесчетнова, 2002). Климатические условия существования одинаковых биотопов в разных частях устьевой области Волги неодинаковы. С северо-запада на юго-восток континентальность климата убывает, что отражается на изменении абиотических условий существования популяций растительных и животных сообществ. В теплое время года климатическая дифференциация дельты реки обусловливает преимущественное сосредоточение биотопов пересыхающих водоемов и водотоков в ее периферийных юго-восточных районах.

Геологические и геоморфологические особенности устьевой области Волги (Нижняя Волга, 2002; Рачковская, 1951; Рогов, 1986; Русаков, 1990; Свиточ, Янина, 1994; Эстуарно-дельтовые.., 2007 и др.) определяют орографические, гидрографические и литологические условия существования растительных и животных сообществ этого уникального природного объекта. Они изменяются в зависимости от рельефа местности, объема и состава дельтовых отложений, числа и густоты дельтовых водотоков, скорости миграции морского края дельты и колебаний уровня Каспийского моря. В результате возникают азональные типы ландшафтов, специфика почвенного покрова территории, особые условия существования наземных и аквальных биоценозов в устье Волги. Они отличаются для стародельтовой, центральной и приморской зон в пределах дельтовой равнины. В частности, специфика почв и их комбинаций в дельте реки оказывает существенное влияние на развитие растительности и гидробионтов, а также химический состав вод в наземных биотопах устьевой области Волги (Тарасов, Бесчетнова, 1987; Шарова, 1999).

Экосистема устьевой области испытывает прямое и (или) косвенное влияние со стороны большого числа видов техногенных нагрузок (табл. 2), которые влияют на величину и изменчивость составляющих речного стока, а также разнообразные гидрологические процессы, изменяющие состояние биотопа и условия существования водных биоценозов.

Таблица 2 Типизация антропогенных нагрузок на биотопы устьевой области Волги

Наиболее мощный фактор изменения абиотических условий в устьевой области связан с гидротехническим строительством (Горбунов, 1968, 1976; Катунин, Кузин, 2005; Чуйков и др., 1996) и началом эксплуатации Волгоградского гидроузла, влияющей на сток наносов, химических веществ, тепла и на водный режим. Создание Волжского вододелителя - фактор техногенного изменения абиотических условий в западной и восточной частях дельты (Катунин и др., 1971; Михайлов, 1997). Изъятие стока для орошения достигало максимума в 80-е годы ХХ в., когда объем безвозвратного водопотребления достигал 3,0 км3/год (Шарова,1999). В настоящее время, по данным отдела водных ресурсов Астраханской области, он не превышает 0,93 км3/год. Орошаемое земледелие тяготеет к малым водотокам, куда сбрасываются возвратные воды с сельскохозяйственных угодий. Они оказывают негативное влияние на качество волжских вод.

Состояние биотопов постоянных водотоков и судоходных каналов на устьевом взморье зависит от интенсивности и масштабности их обвалования и углубления с целью улучшения условий судоходства (Кузин, 2005). В 1985 г. объемы дноуглубительных работ только в пределах рукава Бахтемир достигли 3,2 млн. м3, в 1994 г. они не превышали 0,083 млн. м3, а в 1996 г. составили 1,7 млн. м3 (Катунин и др., 2003; Русловые..., 1997). Созданные в условиях уменьшения водоносности Волги и падения уровня Каспийского моря каналы-рыбоходы за последние десятилетия утратили роль фактора увеличения интенсивности водообмена, улучшения условий существования водных биоценозов. Увеличение притока воды и наносов, повышение уровня моря в 1978-1995 гг. изменили гидрологический режим каналов-рыбоходов вследствие их заиления и занесения минеральными частицами. Поддержание каналов-рыбоходов в рабочем состоянии требовало выполнения дноуглубительных работ в объеме 5,0-13,0 млн. м3/год (до 1994 г.). В 1998 г. дноуглубление Кировского, Кулагинского, Гандуринского и Иголкинского каналов производилось в объеме 405,0 тыс. м3 отложений (Катунин и др., 2003). Одновременно с дноуглублением выполнялся выкос водной растительности, что отражалось на естественном состоянии макрофитов в пределах устьевого взморья. Однако решающее влияние на биоценозы устьевого взморья и дельты оказала природная и техногенная изменчивость речного стока.

Третья посвящена детальному анализу пространственно-временной изменчивости гидрологических факторов устьевой области Волги.

На основе обобщения данных Астраханского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды установлено, что средний многолетний объем стока воды в вершине дельты не обнаруживает трендов, связанных с изменением природных условий в бассейне реки или хозяйственной деятельностью, что подтверждает выводы, полученные ранее (Круглова и др., 1994; Устьевая область.., 1998).

За период 1940-2005 гг. средний многолетний расход воды Волги у Верхнего Лебяжьего составил 7654 м3/с (WQ = 241 км3/год). В период естественного стока (1881 - 1955 гг.) объем стока воды был равен 245 км3/год. После заполнения водохранилища Волжской ГЭС (1961 г.), расположенного в 450 км выше вершины дельты Волги биоценозы устьевой области Волги развивались в условиях ежегодного поступления в дельту 247 км3 воды (Алексеевский и др., 2004). В 1994-2005 гг. оно возросло до 261 км3/год (табл.3).

Таблица 3 Изменчивость стока воды в вершине дельты Волги (Устьевая область…, 1998 с дополнениями автора за 1994-2005 гг.)

Регулирование стока в большей степени обусловило изменение внутригодового распределения стока (рис. 2), трансформацию стока и продолжительности весенне-летнего половодья (табл. 3).

Объем стока воды за половодье уменьшился, а за период межени - возрос. Продолжительность половодья сократилась в среднем в 1,6 раза. Одновременно произошло перераспределение водного стока в пределах дельтовой равнины (Полонский и др., 1992; Устьевая область.., 1998) в пользу системы водотоков Бузана (влияние вододелителя) и Бахтемира (результат дноуглубительных работ).

Системы других водотоков отличает уменьшающееся во времени количество волжского стока, что находит отражение в составе и продуктивности планктонных организмов в водных объектах устьевой области реки.

Рис. 2 Сопоставление естественного (1941-1955 гг.) и современного (1996-2006 гг.) внутригодового распределения средних месячных расходов воды в вершине дельты Волги

Анализ временной изменчивости поступления взвешенных наносов в дельту Волги показал, что после начала работы Волжской ГЭС их сток сократился с 13,6 млн. т. (1950-1955 гг.) до 4,5 млн. т. (1971-1977 гг.) (Алексеевский, Полонский, 1998). В 1978 -1999 гг. он уменьшился до 7,6 млн. т. взвешенных наносов. В 1956-1960 гг. величина мутности s была равна 49 г/м3, а в 1961-1970 гг. - 32 г/м3. Средняя годовая мутность воды в 1978-1993 гг. была равна 30,5, а в 1978-1999 гг. - 31,0 г/м3. После 1999 г. мутность речных вод возрастает вследствие увеличения интенсивности размыва речных отложений ниже Волгоградского водохранилища. Рассредоточение стока воды в дельте реки сопровождается изменением мутности воды, зависящим от сезона года, размера дельтовых водотоков и направленности русловых процессов в их пределах. Часть взвешенных наносов и все влекомые частицы накапливаются на поверхности дельтовой равнины, в водоемах и водотоках дельты, влияя, в частности, на развитие макрофитов в биотопах устьевой области реки. На устьевое взморье поступает около 0,8WR, где WR - сток взвешенных наносов в вершине дельты. Гидробионты устьевого взморья развиваются при мутности воды около 10 г/м3. В зоне смешения речных и морских вод мутность уменьшается до 4-5 г/м3 вследствие разбавления речных вод и аккумуляции взвешенных частиц (Скриптунов, 1986).

Условия существования разнообразных биоценозов устьевой области Волги в существенной степени зависят от химического состава речных вод, который влияет на трофический статус водных объектов и качество речных вод. Содержание в волжской воде химических веществ связано с естественными процессами формирования химического стока в пределах бассейна реки и с поступлением в водотоки сточных вод. К вершине дельты ежегодно поступает от 55 до 76 млн. т солей в год. Средний сток солей в 1951-1975 гг. составил около 63 млн. т. Антропогенное происхождение имели около 14 млн. т солей (Максимова, 1991). Сток органических веществ составлял примерно 3,2 млн.т (Михайлов, 1997). Средняя минерализация волжских вод в 1946-1980 гг. достигала 291 мг/л (Никаноров, 2001). Содержание минерального фосфора в среднем было равно 0,02 мг/л; органического азота - 0,12 мг/л, нитратного азота - 0,34 мг/л.

До регулирования стока Волги максимальная минерализация наблюдалась зимой (402-496 мг/л). Весной талые воды уменьшали минерализацию до 180-200 мг/л. Летом и осенью содержание в воде химических веществ возросло до 280-390 мг/л. После начала эксплуатации Волгоградского водохранилища диапазон внутригодовых колебаний минерализации уменьшился, а максимум минерализации стал приходиться на период наибольших расходов воды.

Качество волжской воды определено наличием в составе загрязняющих веществ: нефтепродуктов, фенолов, тяжелых металлов, СПАВ, соединений азота и фосфора (Кирьянов, 1998; Тарасова, Бесчетнова, 1987; Чуйков и др., 1996; Шарова, 1999). На фоне возросшего стока воды в 1977-1993 гг. произошло увеличение их поступления в устьевую область Волги. По этому набору ингредиентов волжская вода в 1990-2005 гг. соответствовала статусу «загрязненной». Поступающий в дельту сток загрязняющих веществ распределяется по основным системам дельтовых водотоков в соответствии с их водоносностью и спецификой внутридельтовых процессов. Эти факторы обусловливают меньшее поступление загрязняющих веществ в водотоки восточной части устьевой области по сравнению с водотоками ее западной части (рис.3). В основном это обусловлено повышенной антропогенной нагрузкой на водные объекты западной части устьевой области в водотоках западной (1) и восточной (2) части дельты Волги в 1995-2004 гг.

Рис. 3 Сопоставление стока некоторых загрязняющих веществ

Скорость биохимических реакций, структура и продуктивность популяций гидробионтов, продолжительность вегетационного периода, условия перемещения проходных рыб на нерест зависят от температуры волжской воды и теплового стока. Особое значение имеет распределение температуры воды по пространству дельты в весенний и осенний период, поскольку эта характеристика является фактором усиления или ослабления биологической активности водных и наземных экосистем. Средний многолетний сток тепла в вершине дельты равен 0,4·1015 Дж (Кузин и др., 2007). В 1976-2000 гг. тепловой сток возрастал вследствие увеличения стока воды и климатического повышения температуры воздуха. Тепловые условия биотопов устьевой области заметно изменились после заполнения Волгоградского водохранилища. Средняя величина стока тепла уменьшилась почти на 16 %. Регулирование стока Волги привело к уменьшению доли теплового стока в теплый период года на 6-8 %. Наибольшее его уменьшение характерно для июля. При переходе от вершины к морскому краю дельты величина теплового стока увеличивается. Эта закономерность стала особенно заметна в последние 10-15 лет (Кузин и др., 2007), когда в пределах устьевой области тепловой сток возрос на 22-24 %, что способно существенно изменить условия обитания гидробионтов устьевого взморья реки.

В четвертой главе изучены отличия биотопов устьевой области Волги по структуре и продуктивности планктонных организмов, выявлены закономерности сезонных и многолетних изменений биомассы фито-, зоо-, бактериопланктона в различных водных объектах дельты и устьевого взморья под влиянием природных факторов и хозяйственной деятельности.

На основе опубликованных данных (Волошко, 1971; Живогляд, 1992; Кудрявцев и др., 1984; Лабунская, 1995, 1996, 1998; Определение…, 2002; Особенности…, 2003; Русаков и др., 1991; Структурные…, 2003; Чуйков и др., 1996 и др.) установлено, что современный таксономический состав водорослей устьевой области Волги формируют 252 вида. Они в разной степени представлены в водных объектах дельты и устьевого взморья (табл. 4). В биотопе постоянных водотоков, пересыхающих водотоков, кратковременного затопления, постоянных водоемов, пересыхающих водоемов, в заливах и на открытом пространстве устьевого взморья развиваются соответственно 246, 69, 137, 131, 72, 52 и 61 таксон водорослей. Зоопланктон постоянных водотоков дельты включает 265 видов беспозвоночных. В биотопах кратковременного затопления развивается 164, а в водоемах дельты - 268 видов беспозвоночных. Видовое разнообразие фито- и зоопланктона существенно сокращается от вершины дельты к устьевому взморью вследствие последовательной бифуркации русла на все более мелкие водотоки.

Таблица 4 Отличия биотопов устьевой области Волги по числу таксонов водорослей

Многолетняя изменчивость состава фитопланктона проявилась в уменьшении числа таксонов водорослей и почти трехкратном сокращении видов зеленых водорослей после заполнения Волгоградского водохранилища. Существенное сокращение видов зеленых водорослей связано, в основном, с уменьшением стока воды за период половодья на 8 %. Относительное снижение июньских температур воды ниже плотины гидроузла привело к появлению в составе зоопланктона более холодолюбивых видов беспозвоночных (Чуйков и др., 1996). Оценка трансформации состава зоопланктона для биотопов устьевого взморья показала, что в 70-е годы ХХ в. в условиях мелководности и сильной зарастаемости устьевого взморья в биотопах преобладали фитофильные беспозвоночные (Структурные изменения…, 2003). Речные виды встречались преимущественно в биотопах каналов. В 90-е годы прошлого века, в условиях увеличения речного стока и повышения уровня моря, доля истинно планктонных форм: коловраток, ветвистоусых и веслоногих ракообразных заметно возросла. Одновременно увеличилась доля видов каспийского солоноватоводного комплекса, некоторые из которых, по данным Астраханского биосферного заповедника, раньше лишь иногда встречались в самой южной части устьевого взморья.

Гидробиологическое состояние биотопов устьевой области Волги в максимальной степени характеризует изменчивость биомассы планктонных организмов. Основные закономерности ее пространственно-временной изменчивости связаны с рассредоточением речного стока по системам водотоков и различиями теплового режима различных биотопов устьевой области (рис. 4).

Рис. 4. Сопоставление биотопов устьевой области Волги по биомассе фитопланктона Биотопы: 1-водотоков, 2-периодического затопления, 3-водоемов, 4-заливов устьевого взморья, 5-каналов, 6-межканальных пространств

Биомасса фитопланктона максимальна в водоемах (8,5 мг/л). При переходе к территориям периодического затопления она уменьшается на 46 %. Наименьшая концентрация фитопланктона (0,15 мг/л) характерна для биотопов каналов на устьевом взморье Волги. Биомасса беспозвоночных организмов максимальна в биотопах периодического затопления (табл. 5). Несколько меньше содержание зоопланктона в водоемах дельты. В руслах постоянных водотоков и в заливах устьевого взморья оно в среднем не превышает 0,3 мг/л. Бактериопланктон в основном сосредоточен в межканальных пространствах устьевого взморья реки. Биомасса бактерий здесь достигает 1,14 мг/л, что в 1,3 раза больше по сравнению с биотопами постоянных водотоков. В заливах морского края дельты и островов устьевого взморья бактериопланктон относительно беден (Горбунов, 1976).

Таблица 5 Сопоставление биотопов устьевой области Волги по биомассе (мг/л) планктона

Межгодовая изменчивость водоносности реки и теплового стока является главной причиной увеличения или уменьшения биомассы фитопланктона в целом в устьевой области реки (рис. 5). Основное значение эти факторы имеют в весенний период (Горбунов, 1976). Осенью средняя биомасса фитопланктона находится в пределах 0,03-0,64 мг/л независимо от водности года. Межгодовая изменчивость летней биомассы относительно слабо зависит от гидрологических условий конкретного года. Анализ данных Е.Н. Лабунской (1996,1999) показывает, что в 1984-2004 гг. максимальная биомасса фитопланктона за весенний сезон года наблюдалась в теплые годы с повышенным стоком воды. Максимумы биомассы не связаны с техногенным изменением химического состава вод. Влияние этого фактора в большей степени прослеживается в общем сезонном уменьшении биомассы фитопланктона после 1989 г. (см. рис. 5). После весеннего максимума биомассы фитопланктона в 1989 г. содержание водорослей в волжской воде не превышало 0,5 мг/л. Сток воды и тепловой сток в эти годы в целом возрастали (факторы повышенной интенсивности вегетации). Биомасса при этом уменьшалась, по-видимому, вследствие уменьшения содержания в воде биогенных и органических веществ в условиях спада промышленного производства и сокращения использования минеральных удобрений в сельском хозяйстве.

До регулирования стока биомасса зоопланктона в вершине дельты составляла 0,98 мг/л (Чуйков и др., 1996). В первые годы после заполнения Волгоградского водохранилища (1960-1967 гг.) произошло увеличение содержания в воде зоопланктона. С 1968 по 1972 гг. наблюдался спад в развитии зоопланктона (в среднем на 85 %). Новое увеличение численности зоопланктона произошло после 1972 г., что вероятно, связано с усилением биогенного пресса на водные объекты устьевой области Волги и увеличением водности реки. Содержание зоопланктона в биотопах рыбоходных каналов и межканальных пространств достигает максимума в годы с относительно небольшим объемом воды за период половодья и более сильным прогревом воды на устьевом взморье Волги. В дельтовых водотоках эта закономерность сохраняется на фоне большего содержания в воде зоопланктонных организмов. Биомасса бактериопланктона в постоянных водотоках нелинейно возрастает при увеличении среднего годового стока воды (Горбунов, 1976) и зависит от теплового стока. Содержание бактериопланктона в биотопах устьевого взморья практически не изменяется в годы с повышенным или пониженным тепловым стоком (прочие условия равны).

Рис. 5 Межгодовая изменчивость сезонного содержания фитопланктона в биотопах дельты Волги (обработка данных работы (Лабунская, 1999))

Биомасса фитопланктона в водных объектах устьевой области Волги испытывает сезонные изменения (рис. 6). Наибольшие значения биомассы фитопланктона наблюдаются весной и характерны для территорий кратковременного затопления и постоянных водотоков (3,5 и 2,1 мг/л соответственно). В биотопах открытого устьевого взморья биомасса достигает своего максимума летом, что связано с особенностями гидролого-гидрохимического и термического режимов этого биотопа. К осени биомасса водорослей уменьшается во всех биотопах устьевой области. Наименьшее содержание водорослей (0,23 мг/л) характерно для биотопов постоянных водотоков. Зимой все биотопы устьевой области Волги одинаково бедны фитопланктоном, который представлен исключительно представителями диатомовых водорослей (Волошко, 1969, 1971, 1972; Лабунская 1995, 1996 и др.).

Рис. 6 Сезонное изменение биомассы фитопланктона в биотопах устьевой области Волги Биотопы: 1 - постоянных водотоков; 2 - заливов устьевого взморья; 3 - открытого устьевого взморья; 4 - территорий кратковременного затопления

Максимальное содержание организмов зоопланктона в водотоках дельты характерно для лета. Во второй половине мая - первой половине июня биомасса зоопланктона возрастает до 0,86-2,67 мг/л. Во второй половине июня - августе содержание и биомасса зоопланктона в водотоках дельты уменьшается и находится в пределах 0,08-1,0 мг/л. В октябре-ноябре зоопланктон обедняется за счет исчезновения теплолюбивых видов. Биомасса зоопланктона снижается до 0,01-0,03 мг/л (Чуйков и др., 1996). В биотопах кратковременного затопления биомасса зоопланктона находится в пределах 0,172-0,458 мг/л. К концу мая она снижается до 0,165-1,37 мг/л. Начало массового развития зоопланктона в биотопах устьевого взморья приходится на более ранние даты по сравнению с аналогичными датами в других биотопах устьевой области Волги. Особенно четко эта особенность прослеживается в биотопе межканальных пространств. Весной в мелководной зоне устьевого взморья быстрое прогревание воды приводит к увеличению содержания в воде зоопланктона. Увеличение биомассы зоопланктона продолжается до июля-августа, а затем она уменьшается до предзимнего минимума (Чуйков и др., 1996).

Отличия биотопов постоянных и временных водотоков по размеру (водоносности) влияют на величину биостока

БС = rQT,

где r - биомасса планктона, кг/м3, Т - период времени, с, Q - расход воды, м3/с. Главной причиной колебаний биостока является изменение биомассы и расхода воды (Горбунов, 1976). Соответствие между переменными не является абсолютным, но демонстрирует наличие достаточно тесной связи между ними. Величину биостока определяют и тепловые условия конкретных лет. Соответствие между биостоком и суммой активных температур *. описывается нелинейной функцией БС = 0,0002(*.)2 - 0,088*. + 14,8,

которая характеризует тенденцию увеличения биостока в условиях лет с большей суммой положительных температур воды. Увеличение суммы положительных температур на 30% приводит к возрастанию биостока на 73%.

Выделенные в диссертации биотопы отличаются между собой по роли, которую они играют в системах трофических цепей, характерных для водных биоценозов. Это связано с характерным для них набором абиотических факторов, спецификой формирования и изменения биомассы и стока планктонных организмов. В результате возникают особые условия местообитания и развития представителей ихтиофауны и водных животных. Для проходных, полупроходных и туводных видов ихтиофауны устьевой области Волги биотопы постоянных и пересыхающих водотоков, периодически затапливаемых территорий, постоянных и пересыхающих водоемов, устьевого взморья выполняют отличающиеся функции в отношении нереста, ската молоди, адаптации к условиям приемного водоема, нагула и последующего нереста. Не меньше их значимость для развития водных животных, например, для раков (Калмыков, 2003; Колмыков, Янченко, 2005). Максимальные запасы раков характерны для биотопов межканальных пространств устьевого взморья, где гидрологический режим, состав донных отложений, обилие макрофитов, высокое содержание кислорода, комфортный режим температуры воды, наиболее благоприятно влияют на их концентрацию (Сокольский и др., 2001; Калмыков, 2003; Колмыков, Янченко, 2005). Лишь на 7,5 % меньше запасы раков в биотопах постоянных водоемов, так как гидролого-гидрохимический режим здесь не подвергается значительным изменениям, в отличие от биотопов периодического затопления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие теоретические, методические и прикладные результаты:

1. Разнообразие водных и наземных биоценозов в устьевой области Волги - результат уникального сочетания ландшафтных условий территории, большого стока волжских вод, поступающих в дельту и занимающих мелководное устьевое взморье, а также морских факторов, соответствующих приемному водоему с быстро изменяющимся уровнем воды. Заметное влияние на экосистемы устьевой области реки оказывает хозяйственная деятельность на водосборе реки и в пределах устьевой области. Оно проявляется в направленном изменении речного стока, гидрологического режима и качества воды.