Известия Русского географического общества, 2021, T. 153, № 6, стр. 90-98

ВВЕДЕНИЕ

Донные отложения (ДО) озерного генезиса широко используются для палореконструкций экологических событий в позднем голоцене. Это связано с тем, что озерные осадки обычно содержат кремнеземные панцири диатомей, по которым возможна достоверная реконструкция событийных рядов прошлого, с весьма высоким временным разрешением. При реконструкции палеоклиматических событий наиболее перспективными объектами считаются малые озера (площадь <1 км²). Это обусловлено тем, что для многих из них характерна простота очертаний, отсутствие сложной дифференциации рельефа дна, низкие темпы осадконакопления и наличие единой точки интегральной седиментации [5, 13].

При оценке палеоэкологических и палеоклиматических трансформаций, происходящих в озерных экосистемах, широко применяется анализ диатомовых комплексов. Диатомовые водоросли (класс Bacillariophyceae, отдел Ochrophyta) включены в приоритетную биоиндикационную группу, поскольку их створки хорошо сохраняются в донных осадках благодаря наличию кремнеземного панциря [1, 4, 6].

Цель работы − провести оценку степени информативности метода графического анализа (МГА) для диатомовых комплексов из донных отложений оз. Большое Дзитаку.

Для осуществления этой цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести послойный анализ диатомовых комплексов из осадков донных отложений оз. Большое Дзитаку.

2. На основании полученных данных выполнить построения в линейной и логарифмической системах координат, согласно МГА.

3. Исходя из полученных данных, установить наличие (или же отсутствие) признаков переотложения в ДО и сделать вывод о дальнейших перспективах работы с объектом исследования.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Озеро Большое Дзитаку (43°45′17″ с.ш., 40°23′09″ в.д.) расположено на территории Кавказского государственного биосферного заповедника, в долине Дзитаку. Озеро находится на высоте 1913 м над ур. м. и его очертания имеют выпукло-вогнутую форму (рис. 1). Длина озера 195 м, ширина 190 м, максимальная глубина более 10 м. На юго-восточном берегу озера расположен вал лавинного происхождения [15].

Рис. 1.

Географическое расположение оз. Большое Дзитаку. Fig. 1. Geographical location of the lake Bolshoe Dzitaku.

Экспедиционные исследования проводились сотрудниками Института географии РАН и Института водных проблем РАН. Донные осадки отбирались в юго-восточной части озера, в июле 2012 г., в точке, где отмечены наибольшие глубины (11.5 м).

Поверхностные осадки отбирали стратометром ударно-замыкающего типа с закрывающейся диафрагмой, снаряженным ударными трубками различной длины (от 25 до 40 см). Пробы отбирали двумя способами. На первом этапе пробы отбирали с надувной лодки. Стратометр опускали на дно и после вхождения ударной трубки в грунт и срабатывания замыкающего механизма, стратометр медленно поднимали. Когда он оказывался недалеко от поверхности воды, резиновой пробкой закрывали его нижнюю часть, чтобы при прохождении границы двух сред (вода-воздух) нижняя часть колонки ДО не вывалилась. После подъема стратометра на поверхность ударную трубку отделяли от него и замыкали резиновой пробкой сверху.

Образцы на диатомовый анализ отбирались с интервалом 1 см, за исключением верхнего интервала 0–2 см (обводненный и неконсолидированный слой осадка). Каждый образец помещали в пластиковый бюкс и плотно закрывали.

Для выдавливания колонки ДО использовался специальный штоковый поршень. Перед этой операцией, из верхней части трубки удаляли придонный слой воды, попавший в нее вместе с осадком. Придонный слой воды сливали в отдельные пластиковые бюксы.

Если результат отбора колонок ДО при помощи стратометра был удовлетворительным (по гранулометрическому составу осадка), то проводился повторный отбор. Для этого использовали надувной катамаран и размещенный на нем бур типа “бур Несье” [16]. Поскольку верхняя неконсолидированная часть осадка (полужидкий сапропель) могла быть потеряна при бурении, образцы с глубины 0–250 мм дополнительно отбирали с помощью ящичного пробоотборника (box-corer) [13].

При такой методике отбора, колонки ДО не разрезали на берегу, а перевозили в специальных пластиковых контейнерах (длиной 100–150 см и диаметром 100 мм) для дальнейшей послойной дифференциации колонки на отдельные образцы в лабораторных условиях. На сегодняшний день, анализ этих колонок ДО не проведен.

Обработка проб, изготовление постоянных препаратов, подсчет и идентификация створок диатомей проводились по стандартным методикам [1, 6, 17]. При подсчете створок в препаратах оценивалась только их относительная численность. Помимо традиционных форм диатомового анализа в работе был применен МГА.

МГА состоит в ранжировании таксономических пропорций в диатомовых комплексах. Таксоны ранжируются по показателю относительной численности. При этом по оси абсцисс откладывается число идентифицированных таксонов видового и более низкого рангов (далее в тексте – таксонов), а по оси ординат – их относительная численность.

В результате, в линейной системе координат строится исходная гистограмма (рис. 2а, 2б) [10]. При отсутствии внешнего негативного воздействия на экосистемы водоема для построенных гистограмм характерно нелинейное распределение таксономических пропорций. Обычно это соответствует одной из двух нециклических форм зависимостей, возникающих в экосистемах при ответных реакциях на внешнее воздействие [14]. Ранее, при анализе переотложенных комплексов, была выделена (идентифицирована) третья форма распределения таксономических пропорций, которая имеет линейные очертания [10].

Рис. 2.

Методика графического анализа в линейной и логарифмической системе координат (по [10], с сокращениями). Fig. 2. The method of graphical analysis in a linear and logarithmic coordinate system (according to [10], with abbreviations).

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 (рис. 2в, 2г). Кроме того, при анализе в логарифмической системе координат, построенные результирующие линии образуют определенные устойчивые совокупности или генерации.

Было выявлено три типа генераций [9, 10]. В первом случае образуется устойчивая генерация результирующих линий с единым центром или областью их локализации. Во втором случае также образуется единый центр локализации, но, по сравнению с первым типом, центр локализации заметно смещен “вправо”, на едином графике, на котором построены результирующие линии. В третьем случае образуется генерация, в которой результирующие линии располагаются на графике параллельно. Для малых озер (<1 км²) характерен первый тип генерации результирующих линий.

Следует упомянуть, что в линейной системе координат у полученных графиков или гистограмм всегда образуется “хвост”, состоящий из показателей редких и случайных таксонов, имеющих незначительную относительную численность в диатомовых комплексах.

В отличие от доминирующих и сопутствующих таксонов, представляющих собой некую устойчивую, экологически адаптированную совокупность, в хвостовой части гистограммы располагается “хаотизированная” часть диатомового комплекса. Это представители таксонов, присутствие или отсутствие которых в каждом биотопе имеет спорадический или случайный характер. Общая совокупность этих таксонов полностью попадает под определение “статистический шум”.

Доминирующие и сопутствующие таксоны составляют около 2/3 от общей относительной численности в комплексе [2]. Это приблизительно соответствует 2σ (где σ – стандартное отклонение при нормальном распределении).

Поэтому, в логарифмической системе координат результирующие линии строились двумя способами: с учетом всего спектра таксонов (чтобы не потерять часть информации) и только с учетом доминирующих и сопутствующих таксонов. В последнем случае треть от общей относительной численности, т.е. “хвост” гистограммы, не учитывалась.

Во всех случаях, в логарифмической системе координат, для результирующих линий рассчитывался коэффициент детерминации (R²), позволяющий оценить статистическую достоверность проводимых графических построений.

Достоверность оценивается по коэффициенту корреляции (r), который считается удовлетворительным (достоверным), если он более 0.75 (соответственно R² > 0.57). Кроме того, был проведен расчет минимального корреляционного ряда n_α при котором с вероятностью Р = 1 – α можно утверждать, что ρ ≠ 0 при данном r [3].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для диатомового анализа были изготовлены постоянные препараты по 24 интервалам апробации, с учетом придонного слоя воды, приповерхностного слоя осадков, и верхнего интервала неконсолидированного слоя ДО (рис. 3а). Общее число идентифицированных в препаратах таксонов составило более 110.

Рис. 3.

Таксономическая структура диатомовых комплексов из донных отложений оз. Большое Дзитаку в линейной (a) и логарифмической (б) системе координат. Fig. 3. Taxonomic structure of diatom complexes from the lake Bolshoe Dzitaku bottom sediments in linear (a) and logarithmic (б) coordinate systems.

В группу таксонов, доминирующих по всему разрезу колонки, входят: Achnanthidium minutissimum (Kützing) Czarnecki, Aulacoseira ambigua (Grunov) Simonsen, Aulacoseira subarctica (Otto Müller) E.Y. Haworth, Fragilaria construens var. subsalina (Hustedt) N.A. Andersen, E.F. Stroemer & R.G. Kreiss, Punctactriata glubokoensis Williams, Chudaev et Gololobova.

После расчета относительной численности (%) всех идентифицированных таксонов, дальнейший анализ первичного материала проводился в рамках МГА. Еще в процессе подсчета относительной численности таксонов в препаратах сформировалось предположение, что формы полученных в дальнейшем гистограмм не будут соответствовать экспоненциальной форме распределения таксономических пропорций. Раннее, в ходе многочисленных исследований было установлено, что экспоненциальная форма распределения присуща подавляющему числу малых озер, если они не подвергаются внешнему негативному воздействию [7–12].

Было сделано предположение, что наиболее вероятное внешнее воздействия связано с регулярным сходом лавин на акваторию озера. Это предположение не подтвердилось. Все полученные гистограммы имели нелинейные, пропорциональные очертания (рис. 3а).

В случае выраженного воздействия лавинного генезиса на уже консолидированные в осадке диатомовые комплексы, распределение таксономических пропорций приобрело бы, в той или иной степени, линейные очертания. Это так же было неоднократно продемонстрировано при анализе таксономической структуры диатомовых комплексов в других горных озерах [7, 11].

Полученные гистограммы имеют смешанные очертания между экспоненциальной и логистической формой распределения таксономических пропорций. Подобные очертания гистограмм характерны для более крупных, средних озер (площадь 1–4 км²), а оз. Большое Дзитаку относится к категории малых (<1 км²).

Данное несоответствие размеров озера и очертаний гистограмм объясняется совмещением двух ассоциаций диатомовых комплексов в зоне интегральной седиментации. Озеро является проточным и поступающие из впадающего ручья створки диатомовых водорослей видоизменяют исходные очертания таксономических пропорций в диатомовых комплексах. Если озеро было бы непроточным, то экспоненциальные очертания полученных гистограмм преобладали.

То, что в первую очередь, рассматривалось внешнее воздействие лавинного генезиса, определялось его выраженностью в виде вала, расположенного на юго-восточном берегу озера (см. рис. 1).

Анализ в логарифмической системе координат подтвердил отсутствие внешнего негативного воздействия. Полученные результирующие линии образуют генерацию с выраженным центром локализации, вокруг которого и происходит модуляция результирующих линий во времени (рис. 3б). Такой тип генерации результирующих линий характерен для малых озер. Это, косвенным образом, подтверждает отсутствие сильного внешнего воздействия проточного генезиса, даже с учетом весеннего паводка.

Остается открытым вопрос, каким образом происходит воздействие лавинного генезиса на акваторию озера и формирование донных отложений. На сегодняшний день отсутствуют опубликованные наблюдения за сезонностью сходов лавин. Сходят ли лавины в сезоны открытой воды или в сезоны ледяного покрова на акватории озера? Какова мощность и динамика этого воздействия на водные толщи озера?

Косвенным признаком отсутствия выраженного воздействия на глубинные водные толщи озера служит выявленное послойное формирование осадков в зоне интегральной седиментации на максимальных глубинах, где были отобраны колонки ДО. Это было достоверно подтверждено при помощи МГА, как в линейной, так и в логарифмической системе координат (рис. 3а, 3б). В то же время, присутствие в осадке из колонки ДО грубообломочных включений косвенным образом свидетельствует о воздействии лавинных масс на поверхностные слои водной толщи на значительной площади акватории озера.

Окончательные ответы и заключения будут получены при проведении комплексного анализа (геохимического, гранулометрического, изотопного, диатомового и др.) более длинных колонок ДО, отобранных в ходе экспедиционных исследований сотрудниками Института географии РАН.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования диатомовых комплексов позволяют сделать вывод о значимой информативности МГА.

2. Анализ таксономической структуры диатомовых комплексов не выявил процессов переотложения в зоне интегральной седиментации ДО.

3. Верхний, исследованный слой ДО указывает на перспективность использования оз. Большое Дзитаку в качестве модельного водоема для палеоэкологических и палеоклиматических реконструкций.

Работа выполнена в рамках Госзадания ИВП РАН, тема № 0147-2019-0004, п. 4.2.