Тяжелые металлы в компонентах ландшафта Азовского моря

Тяжелые металлы в компонентах ландшафта азовского моря
Анна Владимировна Михайленко

Ирина Владимировна Доценко

Юрий Александрович Федоров

Монография посвящена исследованию закономерностей распределения уровней концентраций ряда приоритетных тяжелых металлов в воде, взвешенном веществе, донных отложениях Азовского моря и почвах его бассейна. Проведен анализ и обобщение данных по температуре воды, солености, содержанию кислорода, значениям Eh и рН в поверхностном и придонном слое воды на станциях мониторинга в периоды ветровой активности и стагнации водных масс. Работа представляет интерес для широкого круга ученых и специалистов в области географии, геохимии, океанологии, гидрохимии, экологии и охраны окружающей среды, марикультуры, промысловой океанографии. Полученные результаты могут быть положены в основу разработки стратегии мониторинга за загрязнением акватории Азовского моря с учетом гидрометеорологической обстановки. Она будет полезна преподавателям, бакалаврам, специалистам, магистрам и аспирантам, обучающимся по направлениям и специальностям в области естественных наук, в качестве учебного пособия.

А. В. Михайленко, Ю. А. Федоров, И. В. Доценко

Тяжелые металлы в компонентах ландшафта Азовского моря

У берегов,
Где крепь кремней,
Где солнце кинуло поводья, -
Атакой взмыленных коней
Своё ты гонишь половодье.

И в шуме волн, где бьёшься ты,
Взрывая грудь,
Вздымая смерчи, -
Скользнули водные пути
От Мариуполя до Керчи.

    Петр Шамов, 1929

Введение

Природные условия в Азовском море всегда были исключительно благоприятны. Климатические условия в регионе, мелководность водоема, обилие питательных веществ и другие характеристики делали Азовское море одним из самых биологически продуктивных и богатых рыбными ресурсами водоемов в мире. Однако современный этап его развития отличается сокращением биоресурсов, снижением биоразнообразия. В комплексе причин, обусловливающих эти процессы, не последнюю роль играет снижение качества водной среды, связанное в частности с ее загрязнением.

К числу наиболее значимых в экологическом отношении поллютантов, поступающих в акваторию Азовского моря, относятся тяжелые металлы (ТМ). Эти элементы активно участвуют в биогеохимических процессах изучаемой экосистемы и во многом их контролируют. В своей основной массе они имеют как природное, так и антропогенное происхождение. В содержаниях, не превышающих ПДК (предельно допустимые концентрации в растворенной форме), они не представляют угрозы для существования гидробионтов. В случае превышения этого порогового значения находящиеся в воде ТМ могут оказать токсическое воздействие на водные организмы. Для оценки воздействия на гидробионты важно знать не только концентрации металлов, но и преимущественные формы их нахождения и миграции. В свою очередь последние тесно связаны с соленостью и физико-химической обстановкой на границе раздела вода – донные отложения, которые контролируются динамикой водных масс, содержанием взвешенного вещества, а также скоростью седиментации и ресуспензирования верхнего слоя осадков.

Сгонно-нагонные ветры восточных и западных румбов, характеризующиеся быстрой изменчивостью во времени и по акватории, ураганы, приводящие к штормовой обстановке, изменению уровня моря, поступлению микроэлементов из донных отложений при их взмучивании, а также при развитии береговой и донной абразии могут существенно ухудшить экологическую ситуацию в Азовском море. Наводнения, возникающие при штормовых нагонах, нередко приводят к затоплению обширных участков побережья и причиняют серьезный ущерб хозяйственным комплексам. При сгонах уменьшаются глубины в портах, на барах и судоходных каналах, что осложняет навигационную обстановку. Знание режимных характеристик уровня необходимо при проектировании и эксплуатации гидротехнических, портовых и береговых сооружений, проведении геологической разведки и других видов изысканий в прибрежной зоне и в открытом море. Кроме того, определенную роль в процессе изменения экологической обстановки могут играть пыльные бури на прилегающих территориях, которые зачастую имеют исключительную силу и переносят на дальние расстояния большие объемы твердых частиц.

Важность изучения распределения, миграции, трансформации и осаждения тяжелых металлов была подчеркнута в работах сотрудников кафедры физической географии, экологии и охраны природы Института наук о Земле ЮФУ (бывший РГУ), Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Южного научного центра РАН, Азовского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и др. В настоящее время актуальность подобных исследований не только сохраняется, но и постоянно растет. Следует отметить, что ранее, несмотря на обширные и разносторонние исследования известных российских ученых, синхронных и комплексных исследований Азовского моря при различной гидрометеорологической обстановке не проводилось. В то же время учет особенностей распределения и поведения тяжелых металлов во время сгонно-нагонных явлений, может внести коррективы в существующую методику мониторинга Азовского моря. В основу монографии положены результаты по комплексному изучению воды, взвешенного вещества, донных отложений и почв, физико-химических условий и уровней концентраций приоритетных тяжелых металлов (ртуть, медь, цинк, кадмий, свинец) в компонентах ландшафта Азовского моря.

Целью работы явилось изучение распределения и поведения тяжелых металлов в компонентах ландшафта Азовского моря. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

Установление особенностей изменения физико-химических параметров в поверхностном и придонном слоях воды Азовского моря при различной ветровой обстановке.

Изучение закономерностей пространственного распределения концентраций тяжелых металлов в воде и взвешенном веществе Азовского моря.

Исследование распределения различных миграционных форм ТМ в воде и взвешенном веществе как компонентах ландшафта Азовского моря.

Анализ распределения ТМ по площади акватории, а также по вертикальному разрезу донных отложений.

Изучение почв дельты реки Дон как источника поступления ТМ в донные отложения.

Была применена комплексная методика изучения компонентов ландшафта Азовского моря, включающая определение физико-химических характеристик, синхронный отбор проб воды, взвешенного вещества, донных отложений с последующим определением в них содержания тяжелых металлов; выявлено изменение окислительно-восстановительного потенциала и водородного показателя на границе раздела компонентов ландшафта «вода – донные отложения» и дано объяснение их асинхронному поведению; впервые разработана и реализована модель, демонстрирующая поведение объемного содержания ТМ во взвешенном веществе и их удельных концентраций в зависимости от содержания взвеси в воде Азовского моря; доказано существование тесной связи между содержанием ртути и органического вещества в донных отложениях Азовского моря.

Работа содержит оригинальный фактический материал, полученный в результате ряда комплексных экспедиционных работ, проводимых сотрудниками кафедры физической географии, экологии и охраны природы Института наук о Земле Южного федерального университета (бывший РГУ), в том числе авторами. Работы проводились в период с 1995 по 2014 гг. Использованы результаты анализов проб воды, донных отложений и взвешенного вещества на содержание таких микроэлементов, как ртуть, медь, свинец, кадмий, хром, никель, марганец и цинк. Обобщено более 2500 данных, проведено 2250 оригинальных определений содержания тяжелых металлов, органического вещества и физико-химических параметров.

Авторы выражают глубокую благодарность доц., к.г.н. А. Н. Кузнецову, к.г.н. Д. Н. Гарькуше., с.н.с, д.г.-м.н. Л. Л. Деминой, к.г.н. В. О. Хорошевской за ценные советы и полезную дискуссию, преп. М. Е. Трофимову за ряд предоставленных фотографий. Авторы признательны всем участникам комплексных экспедиций 2006 г., в особенности проф., д.г.н., В. В. Сапожникову, а также всему коллективу кафедры физической географии, экологии и охраны природы Института наук о Земле Южного федерального университета.

Глава 1. Обзор физико-географических и экологических особенностей азовского Моря

Азовское море – одно из самых небольших из всех морей мира, относящееся к системе Средиземного моря Атлантического океана. Расположено на юге Европейской территории России, между 45°17` и 47°17` с. ш. и 34°49` и 39°18` в. д. При относительно небольшой длине (360 км) и наибольшей ширине по меридиану (175 км) занимает площадь около 38 тыс. км

. Общий объем моря – 290 км

. Оно является полузамкнутым внутренним водоемом, в своей южной части сообщающимся с Черным морем через Керченский пролив. Протяженность береговой линии составляет 1530 км. Для этого моря характерны небольшие глубины, так максимальная – 14 м, а средняя – около 7 м (Гидрометеорология…, 1991). Азовское море подразделяется на две основные части – собственно море, его еще называют открытым, и Таганрогский залив или эстуарий площадью 5600 км?. Длина залива составляет 140 км, а ширина в зоне смешения с открытой часть собственно моря – 31 км. Средняя глубина эстуария – 4,9 м, а его объем – 25 км?.

Будучи одним из внутриконтинентальных морей Понто-Каспийской группы, оно оставалось практически полностью изолированным от Мирового океана со времени исчезновения океана Тетис. А это, в совокупности с другими природными особенностями (малыми размерами, мелководностью, большим притоком терригенного материала), определило формирование уникальной экосистемы, во многом непохожей на другие (Хрусталёв, 1989).

1.1. Геолого-геоморфологическое строение

Азовское море расположено в зоне контакта Русской и Скифской платформ, а также Азово-Кубанского предгорного прогиба. Это обусловило небольшие глубины и пологий рельеф дна водоема. В северной части моря в пределах Русской платформы, в качестве элемента первого порядка, выделяется южный склон Украинского щита (Собакарь, 1964; Лебедев, Собакарь,1962). Частью его является Азовский выступ, который расположен на востоке водоема. Скифская платформа занимает большую часть основания моря, в ее пределах выделены следующие структуры: Азовский вал, Северо-Азовская депрессионная зона, Сивашская депрессия, а также южный склон эпигерцинской платформы (Маловицкий, 1964). На юге данная платформа переходит в молодую геологическую структуру – Индоло-Кубанский прогиб.

На востоке и юго-востоке Азовского моря береговая линия пересекает Азово-Кубанский предгорный прогиб, переходящий к югу в мегантиклинорий Большого Кавказа. В рельефе она представлена низменной равниной, поэтому восточное побережье является низким. Подводный береговой склон здесь формируют отложения песка, ила и детрита (Хрусталёв и др., 2000).

В северо-восточной части Азовского моря располагается самая мелководная его часть – Таганрогский залив. Его северные и южные берега являются абразионными. На многих их участках развиваются оползневые процессы. Клифы северного побережья сложены неогеновыми глинами и известняками-ракушечниками, южного – четвертичными глинами и суглинками. Зона прибоя у их основания покрыта узкими пляжами (до 10 – 15 м в ширину) из ракуши, песка и гравия. Местами встречаются бенчи, лишённые осадочного чехла (Хрусталёв, 1989). Для Таганрогского залива, как и Азовского моря в целом, характерно наличие песчаных кос, в числе которых Петрушинская, Кривая, Беглицкая, Ляпина (на севере), Очаковская, Чумбурская, Сазальницкая, Глафировская, Ейская, Долгая (на юге). Глафировская и Ейская косы обособляют очень мелкий Ейский лиман, в котором глубины не превышают 1 м. На северном побережье залива в результате затопления морем устья реки Миус образовался Миусский лиман. Для дельты Дона, простирающейся на 340 км

, характерны песчано-илистые и аллювиальные отложения.

В пределах акватории Азовского моря выделяются следующие типы Новоазовских донных отложений: пелитовые (глинистые) и мелкоалевритовые илы, крупные алевриты, мелкозернистые пески, ракуша.

Наибольшее распространение получили терригенные отложения от крупнозернистых песков до пелитовых илов. Биогенные осадки имеют ограниченное развитие. Особенно большую роль они играют в восточной и северо-восточной частях собственно Азовского моря, где отмечаются максимальные для водоема значения биомассы и продуктивности биоценозов. Преобладающие по площади распространения пелитовые илы занимают глубоководную часть моря (более 10 м), представляющую собой область активной аккумуляции тонкодисперсного материала. В виде локальных пятен эти илы встречаются и на меньших глубинах, на участках, защищенных от активного волнового воздействия аккумулятивными формами, а также в глубоководной части Таганрогского залива. Мелкоалевритовые илы кольцом опоясывают акваторию Азовского моря, пространственно тяготея к области со слабой аккумуляцией. Крупные алевриты, в основном, накапливаются на взморье Дона. Донные отложения практически повсеместно в виде примеси содержат обломки раковин моллюсков (Шнюков и др., 1976; Хрусталев, 1989; Федоров и др., 1998; Экологический атлас…, 2011).

В Таганрогском заливе преобладают пелитовые илы, занимающие всю восточную и центральную части залива в интервале глубин 4,5 – 6,5 м. В районах кос в них увеличивается содержание раковинного материала, который местами образует ракушечные отложения. Подводный склон залива в интервале глубин 2,5 – 4,5 м выполнен крупными алевритами и мелкоалевритовыми илами. По периметру залива от уреза до глубин 1,5 – 2,5 м отлагаются мелкозернистые пески. На отдельных участках граница распространения песков опускается до глубины 4,5 – 5,0 м, по-видимому, благодаря активному размыву придонными течениями. В западной части залива, наряду с пелитовыми илами, значительное место занимают мелко-алевритовые илы. Такие литологические особенности обусловлены спецификой гидродинамических процессов в прибрежной и в мористой частях залива. В прибрежной зоне преобладающим является вдольбереговое перемещение наносов. В меньшей степени, вероятно, локально проявляется поперечное движение взвешенного материала. В прибрежных миграциях участвует практически весь гранулометрический спектр наносов от песков до самых тонких фракций. В процессе прибрежной переработки отложений происходит их дифференциация с накоплением песчаных отложений в верхней части подводного склона. В удалённых от берега частях залива преобладает перемещение тонких фракций терригенного материала во взвешенном состоянии под влиянием формирующихся ветровых, а также компенсационных потоков, связанных со сгонно-нагонными процессами. Локальные перемещения материала, возможно, связаны с придонными течениями в основном компенсационного характера. Эти процессы, несомненно, контролируются формами мезо- и микрорельефа дна, определяющими увеличение интенсивности осадконакопления в понижениях рельефа (Шнюков, 1974; Хрусталев, Щербаков, 1974).

1.2. Климатические и метеорологические особенности моря

Азовское море расположено в области умеренно-континентального климата. Важное значение играет солнечная радиация: годовое количество суммарной солнечной радиации увеличивается от Таганрогского залива к Темрюкскому от 4850 МДж/м

до 5250 МДж/ м

. Доля рассеянной радиации составляет порядка 25 % от общей, а поглощенной – свыше 50 %, на испарение расходуется около 25 % (Гидрометеорология…,1991; Спичак,1964). Зима здесь довольно мягкая и сухая. Среднемесячная январская температура составляет -2 – -4°C. Преобладают сильные северо-восточные и восточные ветры. Весной циркуляционная система несколько меняется, и с приближением лета всё сильнее проявляются её местные особенности. В этот сезон при сохранении прежних доминирующих направлений существенную роль начинают играть западные ветры. Лето в районе Азовского моря жаркое (среднемесячная температура июля изменяется от +23,5 до +25°C) и, несмотря на выпадение основной части осадков, сухое в силу высокой испаряемости. Среднегодовая температура воздуха изменяется от 8,5 до 11,5°C, увеличиваясь с северной части моря к южной. Самые низкие температуры отмечаются в январе, а высокие в июле и августе в прибрежных районах и над открытым морем соответственно. Годовое количество осадков составляет 312 мм на западе моря и 430 – 528 мм на востоке и юго-востоке с максимальным (60 – 67 %) выпадением в тёплый период года (с апреля по октябрь). Наибольшее их количество приходится на июнь и август (Гидрометеорологический справочник …, 1962; Гидрометеорология…, 1991). В холодное время года выпадают преимущественно твердые осадки, однако в периоды потепления могут быть и дожди.

Как показал Ю. М. Гаргопа (2000), уровень биоресурсов моря увеличивается в период развития западной формы атмосферной циркуляции (W) и, наоборот, снижается, когда возрастает повторяемость восточной (E). Воздействие северной формы (C) неоднозначно. Он также продемонстрировал, что водный баланс и соленость тесно связаны с формами атмосферной циркуляции. Так, с середины 1960-х до второй половины 1990-х гг. доминировала форма циркуляции E. Со второй половины 1990-х гг. в ближайшие и последующие годы, видимо, существенное влияние на экосистему моря оказывает западный тип макропроцессов. Это предположение нашло подтверждение в работах (Латун и др., 2010; Латун, 2005).

Отмечено увеличение доли ветров западной четверти от 70– 80?х гг. XX в. к настоящему времени. Начиная с 1997 г. и по настоящее время над Таганрогским заливом фиксируется устойчивое преобладание западного переноса воздушных масс (более 50 % в год), за исключением 1999, 2003 и 2007 гг., когда преобладали ветры восточных румбов. Эта особенность ветровой динамики позволяет предположить, что наблюдаемое в течение последнего десятилетия возрастание повторяемости ветров западной четверти может продолжиться и в ближайшие годы. Анализ данных показал, что в данном регионе произошла коренная перестройка флуктуации и скорости ветра (Латун, 2005). Максимальные скорости в 2003–2007 гг., отмечаются не в феврале (как раньше), а в период с марта по май. Второй максимум, наблюдавшийся обычно с октября по декабрь, не фиксируется. В летний период динамика скорости ветра соответствует среднемноголетней. Полученные результаты свидетельствуют также об уменьшении средних скоростей ветра в последние годы.

Это подтверждается параллельными результатами исследований Ю. Ю. Ткаченко (Ткаченко, 2010). На основании анализа изменений параметров ветра в районе исследований он отметил, что вместо ожидаемого увеличения числа дней с большими скоростями ветра отмечается их снижение, причем на фоне уменьшения средней многолетней скорости ветра. За последние 10 лет средняя многолетняя скорость ветра не превышала 2 м/с.

Во второй половине ХХ в. интенсивная циркуляция воздушных масс наряду с распашкой степей часто приводила к развитию в регионе «пыльных бурь» или «чёрных бурь». В результате ветровой эрозии разрушался верхний слой почвы глубиной до 20 см, а в районах затухания силы ветра наблюдались своего рода «почвенные волны» из чернозёма высотой до 2 м. Масштабы эрозионного разрушения почв и переноса дисперсного почвенного материала колоссальны. Так, в результате только одной средней по интенсивности пыльной бури в 1984 г. на акваторию Азовского моря поступило 11,1 млн т терригенного материала. Характерно, что роль эолового фактора в осадконакоплении в Азовском море снижается, и с конца 1980-х гг. ХХ в. ежегодное поступление эолового вещества на акваторию водоема не превышает 4 млн т (Хрусталев и др., 1988).

1.3. Гидродинамические особенности моря

Важную роль в формировании гидрологического режима Азовского моря играют реки, самые крупные из них – Дон и Кубань (Лурье, 2002; Лурье и др., 2005), площади водосбора которых составляют 422,5 и 57,9 тыс. км