4.2 Стратиграфия донных отложений методом диатомового анализа
Диатомовый анализ относится к палеоботаническим методам изучения озёрных, озёрно-болотных и озёрно-старичных отложений. непосредственными объектами исследований являются ископаемые и современные озёрные экосистемы. основа построений и выводов заключается в наблюдении изменений систематического и экологического составов микрофитоценозов диатомовых водорослей на уровне родовых, видовых и внутривидовых таксонов. При изучении неоплейстоценовых отложений повсеместно применяется спорово-пыльцевой метод. Сравнение диатомовых и спорово-пыльцевых данных по разрезам отложений позволяет проводить их причинно-следственную интерпретацию, то есть обосновывать взаимообусловленность событий, происходящих на водосборных бассейнах и в водоёмах [12].
Диатомовый анализ является одним из частных методов в экосистемном подходе в стратиграфии. Это основа решения вопросов палеогеоэкологии и экологии. Он позволяет проводить стратиграфическую, преимущественно экологическую корреляцию неоплейстоценовых отложений [13].
В результате проведения диатомового анализа строятся диатомовые диаграммы. Они графически демонстрируют процесс сукцессии диатомовой флоры и эволюции озёрных экосистем. В результате проведения спорово-пыльцевого анализа также создаются соответствующие диаграммы. Сравнение диатомовых и спорово-пыльцевых по разрезам озёрных отложений позволяет увязывать эволюцию отдельных озёрных экосистем с процессами, происходящими на водосборах и с общими палеогеографическими перестройками геосистемы региона в целом. Проведенные исследования позволяют утверждать, что микрофитоценозы диатомовых водорослей и флора и растительность на водосборных площадях, то есть биота, развивающаяся в водных и в субаэральных условиях, реагируют на общеклиматические изменения практически одновременно [14,15].
Восстановление эволюции диатомовой флоры и озёрных экосистем в неоплейстоцене и в современную эпоху подтверждает чёткую взаимообусловленность природных и антропогенных процессов. Значение подобных построений трудно переоценить. Они позволяют обосновать проведение биоиндикационного мониторинга двух типов-ретроспективного и современного. Ретроспективный мониторинг озёрных экосистем является прослеживанием связи общих палеогеографических построек на водосборных площадях [14]. Тип современного мониторинга включает в себя восстановление условий осадконакопления в голоцене и в современных водных экосистемах.
Исследования трансформаций диатомовых комплексов проводился методом графического анализа, разработанного автором [15,16]. При построении графиков по оси абсцисс откладывается число идентифицированных таксонов видового и более низкого рангов (далее в тексте - таксонов), а по оси ординат - их относительная численность. Таксоны ранжируются по показателю относительной численности в сторону его уменьшения. По относительной численности таксоны разделяют на группы: доминирующие (обычно не менее 8-10% от комплекса), сопутствующие (более 1-2%) и редкие (обычно менее 1%).В результате, в линейной системе координат строится исходный график или гистограмма. Анализ полученных графиков (гистограмм) проводится в линейной и логарифмической системе координат. В логарифмической системе координат анализируются не сами графики, а их тренды, представленные результирующими прямыми линиями.
В линейной системе координат были выделены два типа графиков естественной, ненарушенной структуры таксономических пропорций в диатомовых комплексах [1,2]. Первый из них по своим очертаниям близок к экспоненциальной зависимости и характерен для малых озер. Для озер среднего размера форма полученных графиков имеет определенное подобие с логистической зависимостью [9]. При изменении абиотических параметров среды оба типа графиков трансформируются. При анализе в логарифмической системе координат для озер малого и среднего размера был получен ряд основополагающих закономеростей, объяснимых с позиций теории самоорганизации [10]. Были выделены три основных сценария пространственно-временной трансформации. Для озер малого размера характерен первый из выявленных сценариев трансформации диатомовых комплексов.
Рисунок 7 - Методика анализа таксономической структуры диатомовых комплексов.
При увеличении негативной нагрузки происходит «вращение» результирующих линий вокруг некой точки или локальной области (рисунок 7). Этот процесс происходит до определенного предела, после чего результирующие линии перемещаются из области гипотетического «вращения», что соответствует стадии деградации биоценоза в озере.
Попробуем выразить в математической форме полученные графические закономерности (рисунок 8).
Рисунок 8 - Обобщенная модель трансформации диатомовых комплексов из озер малого размера.
В общей форме две прямые можно описать следующими уравнениями:
y = a1x + b1
y = a2x + b2
Если у этих прямых есть общая точка пересечения (в нашем случае это точка или локальная область разворота), то для её конкретных координат (xo, yo) уравнения примут вид:
y0 = a1 x2 + b1
y0 = a2 x0 + b2
Преобразуем полученные уравнения:
b1 = y0 – a1 x0
b2 = y0 – a2 x0
Подставим полученные для b1 и b2 значения в исходные уравнения:
y = a1x + y0 – a1 x0
y = a2x + y0 – a2 x0
Проведем дальнейшие преобразования:
y = a1(x – x0) + y0
y = a2(x – x0) + y0
В общей форме это можно записать следующим образом:
y = ai(x – x0) + y0
Однако наши прямые построены в логарифмической системе координат. Следовательно:
y = lnY
x = lnX
Преобразуем полученное конечное уравнение:
lnY- lnY0 = ai (lnX – lnX0)
   
 ; 
Обозначим  , как ki , тогда в окончательной форме выражение примет вид:  .
Итак, в логарифмической системе координат была получена зависимость между значениями Х и У через два коэффициента: .
Первый из них, аi определяется линейным параметром расстоянием до источника генерации абиотического воздействия (природного или антропогенного). Коэффициент аi выражает уровень совокупного негативного воздействия на сообщества биотопа (озера). Поэтому зависимость имеет степенной характер, т.к. при продвижении к источнику воздействия его сила будет расти нелинейно.
Второй коэффициент ki имеет композиционную структуру. Его линейный компонент имеет двойственный и одновременно взаимообусловленный смысл. Это численное значение на оси ординат соответствующее точке «вращения» или минимальная процентная численность для любого доминирующего таксона, позволяющая сохранить трофо-метаболическую целостность биотопа (озера). В обобщенном понимании, это число таксонов и их пропорций, которое характеризует минимальный размер озера, как элементарной, дискретной, целостной, единицы в иерархической структуре для анализируемой ландшафтно-климатической области. Все остальные озера: средней и большой размерности, простой или сложной структуры, можно всегда «разложить» на эти элементарные экологические единицы - малые биотопы.
Для озер среднего размера характерен второй из выделенных сценариев трансформации диатомовых комплексов. При анализе всего спектра таксонов в логарифмической системе координат трансформация выражена в виде веерообразного разворота вокруг некой общей области.
В обобщенном варианте, начальный и конечный этап трансформации ограничен результирующими линиями, которые образуют некий сектор. Внутри этого сектора расположены графики характеризующие биотопы, в которых деградация не приобрела необратимый характер (рисунок 9). Таким образом, трофо-метаболическая целостность озер среднего размера поддерживается не только доминирующим комплексом (вращение вокруг локальной области), но и группой сопутствующих видов (веерообразный разворот).
Рисунок 9 - Обобщенная модель трансформации диатомовых комплексов из озер среднего размера.
Была получена зависимость между порядком каждого таксона (x) и его относительной численностью (y) через два коэффициента:   .
Первый из них, аi определяется линейным параметром: расстоянием до источника генерации негативного воздействия. Зависимость имеет степенной характер, т.к. при продвижении к источнику генерации, сила негативного воздействия будет расти нелинейно.
Второй коэффициент ki имеет композиционную структуру. Его линейный компонент содержит численные значения х0 и у0, соответствующие координатам точки «вращения». В обобщенном понимании, это необходимое число доминирующих таксонов (х0) и допустимый нижний порог их относительной численности (у0), который может обеспечить трофо-метаболическую целостность малого озера (рисунок 8). При отсутствии негативных нагрузок эти значения отражают минимальный размер озера, как элементарной, дискретной единицы в структуре изучаемой водной экосистемы. В этом случае понятие «малое озеро» сопоставимо с понятием «биотоп». Все остальные озера: средней и большой размерности, простой или сложной структуры, можно всегда «разложить» на эти элементарные экологические единицы - малые озера (биотопы).
Для озер среднего размера характерен второй из выделенных сценариев трансформации, который на начальном этапе выражен в форме веерообразного «разворота» вокруг некой общей области. В обобщенном варианте, этот этап трансформации ограничен результирующими линиями, которые образуют в логарифмической системе координат некий сектор. В этом случае, трофо - метаболическая целостность озер среднего размера поддерживается не только доминирующим комплексом («вращение» вокруг локальной области), но и группой сопутствующих видов (веерообразный «разворот»). Внутри этого сектора расположены графики характеризующие биотопы, в которых деградация не приобрела необратимый характер (рисунок 9).
При увеличении негативной нагрузки в озере среднего размера происходит фазовый переход, и дальнейшая трансформация происходит по сценарию характерному для озера малой размерности (рисунок 9). Озеро среднего размера состоит из нескольких биотопов. Каждый из них, по типу отклика на внешнее негативное воздействие сопоставим с озером малого размера. На каком-то этапе все, кроме одного (последнего) биотопа будут испытывать ощутимое давление антропогенного пресса. Вследствие большей удаленности от источников негативного воздействия, этот биотоп будет еще некоторое время содержать ненарушенный спектр диатомовых водорослей. Поэтому, трансформация в этой фазе будет проходить по первому сценарию («вращение» вокруг локальной области). Большая часть трансформаций в малых и средних озерах соответствует одному из двух описанных сценариев. В качестве иллюстрации можно привести два примера: трансформации во времени таксономической структуры диатомовых комплексов оз. Борое, которое относится к категории малых озер, и трансформации в пространстве структуры диатомовых ассоциаций из озер среднего размера, расположенных на территории Кольского п-ва. (рисунок 10 а, б).
Рисунок 10 - Примеры пространственно-временных трансформаций в конкретных озерах: а - трансформация диатомовых комплексов во времени в малом озере
(оз. Борое); б - пространственная трансформация диатомовых ассоциаций из озер среднего размера (Кольский п-в).
Существует третья модель (сценарий) трансформации, которую нельзя свести к двум первым - параллельное расположение линий. Такое расположение результирующих линий было впервые выявлено вдоль температурного градиента подогретых вод поступающих из сбросового канала Кольской атомной электростанции (оз. Имандра). Аналогичное явление было отмечено для группы озер с разным показателем рН [17]. Кроме того, параллельное расположение результирующих линий характерно для озер, в которых протекают процессы быстрого обмеления: оз. Галичское (Костромская обл.) и оз. Хмелевское (Краснодарский край) [18,19]. Во всех перечисленных случаях речь не идет о внешних факторах воздействия - меняются свойства самой среды обитания (toC, pH, глубина водоема). В результате проведенных исследований были выявлены три сценария трансформации структуры диатомовых комплексов: - «вращение», которое отражает трансформацию диатомовых комплексов в малых озерах; - «разворот», который присущ озерам среднего размера; - параллельное «перемещение» результирующих линий, которое отмечалось в озерах любого размера, при изменении свойств гидросреды. Эти сценарии достоверно описывают и характеризуют возможные формы негативного воздействия абиотических факторов на озерные экосистемы. В результате сопоставления ископаемых и рецентных комплексов диатомей появилась возможность охарактеризовать состояние водных систем в в условиях антропогенного воздействия и выделить среди низших водорослей (диатомовых) виды-индикаторы загрязнения, а также прогнозировать модели их дальнейшего развития, в том числе и глобальные. Современнный мониторинг показывает тотально неблагополучие состояния среды водных экосистем.
|
