ВВЕДЕНИЕ
Водные ресурсы бассейна р. Кеми, первой по величине среди озерно-речных систем Республики Карелия, в настоящее время широко используются различными отраслями народного хозяйства, осваивающими природные богатства края. До середины 50-х годов прошлого века северо-западная часть бассейна р. Кеми представляла собой малонаселенный, труднодоступный и, вследствие этого, малоисследованный район. Освоение природных богатств края, за исключением лесных ресурсов, было крайне ограниченно: по рекам и озерам проводился сплав древесины, был развит водный транспорт, осуществлялся промысел рыбы, водопользование ограничивалось нуждами местного населения, что не оказывало ощутимого влияния на флору и фауну водоемов.
В последние десятилетия 20-го века в связи с созданием каскада гидроэлектростанций на р. Кеми и разработкой Костомукшского железорудного месторождения, открытого в 1945 г., этот регион стал интенсивно осваиваться и обживаться. Построенный на его базе современный горно-обогатительный комбинат, вырабатывающий свыше 10 млн. т железорудных окатышей в год, выросший в девственной тайге город Костомукша с населением около 30 тыс. человек, с его разветвленной инфраструктурой, коренным образом изменили веками сложившиеся природные комплексы. Началось интенсивное загрязнение вод, воздушного бассейна, почвенно-растительного покрова. Интенсивное освоение и использование природных богатств района неизбежно сопровождается возрастающим антропогенным воздействием на окружающую среду, изменением состава и ухудшением качества речных и озерных вод для различных типов водопользования.
4
По объему водопотребления в карельской части бассейна Белого моря Костомукшский промузел занимает в настоящее время второе место после Сегежского. В Государственном докладе о состоянии окружающей природной среды Республики Карелия в 2000 г. в качестве приоритетных природоохранных проблем на ближайшее время выделена проблема загрязнения озерной системы Куйто сточными водами Костомукшского промузла. Основные источники загрязнения - техногенные воды Костомукшского ГОКа и прошедшие биологическую очистку сточные воды г. Костомукши.
Техногенные воды многокомпонентны, характеризуются повышенной минерализацией (свыше 500 мг/л) и содержанием ионов К+ (до 125 мг/л), а также аномальным соотношением основных катионов, что существенно отличает их от природных вод (Поверхностные воды ..., 2001). Поступая в водоемы, они оказывают комбинированное негативное влияние на водные экосистемы в целом и бентоценозы в частности. Направленность и скорость процессов трансформации видового состава и таксономической структуры бентоценозов ультрапресных водоемов под влиянием сточных вод подобного типа мало изучены.
Город Костомукша и его предприятия полностью охвачены системой канализации. Сточные воды собираются городским коллектором и подаются на канализационные очистные сооружения. После обработки на станции биологической очистки и обеззараживания сточные воды сбрасываются через ряд крупных озер в р. Кемь, усиливая тенденции к эвтрофированию с адекватной реакцией биоценозов на всех трофических уровнях.
Вместе с тем в непосредственной близости к промузлу находится государственный заповедник "Костомукшский" созданный в 1983 году. Ядром
5
заповедной территории является озеро Каменное, до настоящего времени не подверженое существенному, в отличие от остальных водных объектов, антропогенному влиянию и поэтому может выступать своеобразным эталоном при изучении биоразнообразия флоры и фауны данного региона.
Основой для выявления направленности происходящих в водоемах процессов природного и антропогенного характера послужили фоновые материалы, полученные Западно-Карельской комплексной экспедицией Карельского филиала АН СССР в 50-х годах, а также данные комплексных исследований проведенных Институтом водных проблем Севера (в то время Отделом водных проблем) в начале 70-х годов, когда велись изыскательские работы в связи с планируемой разработкой железорудного месторождения, строительством горнообогатительного комбината и города Костомукши.
Цель исследования. Изучить современное состояние макрозообентоцено-зов водоемов бассейна р. Кеми (Северная Карелия) - видовой состав, таксономическую структуру, количественные параметры и проследить основные тенденции их изменения в зависимости от типа и интенсивности антропогенной нагрузки, характерных в настоящее время для региона, в сравнении с фоновыми показателями.
Задачи исследования:
- провести ретроспективный анализ таксономической изученности фауны донных беспозвоночных водоемов бассейна р. Кеми и на его основе оценить современное состояние вопроса;
- по имеющимся в наличии первичным натурным материалам сформировать базу данных по макрозообентосу озер бассейна р. Кеми;
6
- дать характеристику видового разнообразия, таксономической структуры и
количественного развития биоценозов макрозообентоса озер зоны северной тайги на первых этапах хозяйственного освоения региона (фоновые характеристики);
- проследить основные тенденции изменений в структуре бентоценозов под влиянием различных типов антропогенной нагрузки - высокоминерализованных вод хвостохранилища Костомукшского ГОКа и биологически очищенных хозяйственно-бытовых сточных вод.
Теоретическое значение и научная новизна. Впервые получены современные данные о биологическом разнообразии и таксономической структуре бентоценозов водоемов бассейна р. Кеми, как подверженных антропогенному воздействию различного типа, так и находящихся в естественном состоянии.
Значительно расширены списки видов организмов, населяющих бенталь водоемов бассейна р. Кеми. Показаны тенденции в трансформации таксономической структуры сообществ донной фауны ультрапресных водоемов зоны северной тайги под влиянием различных по характеру и интенсивности типов антропогенной нагрузки.
Практическое значение. Результаты проведенных исследований использованы при разработке комплексных программ экологического мониторинга водоемов Республики Карелия, ряда международных проектов по инвентаризации и охране редких и исчезающих видов и сохранению биоразнообразия флоры и фауны приграничных районов РК, а также при разработке регламента функционирования хвостохранилища Костомукшского ГОКа, при подготовке предложений по организации заповедника "Костомукшский" и Калевальского национального парка. Полученная информация может быть широко использована
7
при санитарно-гидробиологической оценке качества поверхностных вод, разработке практических рекомендаций по повышению рыбохозяйственной ценности внутренних водоемов и организации товарного рыбоводства.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на: 21-й научной конференции по изучению и освоению водоемов Прибалтики и Белоруссии (Псков, 1983), 3-й республиканской конференции по проблеме рыбохозяйственных исследований внутренних водоемов Карелии (Петрозаводск, 1983), 5-м и 6-м съездах ВГБО (Куйбышев, 1986; Казань, 1996), всесоюзной конференции «Биоиндикация и биотестирование природных вод» (Ростов-на-Дону, 1986), российско-финляндском симпозиуме «Acidification of inland waters» (Joensuu, 1990), российско-финляндском семинаре по итогам исследований в международном парке "Дружба" (Kuhmo, 1994), международной конференции «Экологические проблемы севера европейской территории России» (Апатиты, 1996), российско-финляндском симпозиуме «Biodiversity of Fennoskandia» (Петрозаводск, 1997), всероссийском совещании «Антропогенное воздействие на природу Севера и его экологические последствия» (Апатиты, 1998), международной конференции «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (Петрозаводск, 1999), юбилейной научной конференции, посвященной 275-летию Российской академии наук «Важнейшие результаты научных исследований Карельского научного центра РАН» (Петрозаводск, 1999), международной конференции «Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура» (Архангельск, 2000).
8
Личный вклад. В основу работы положены материалы собственных исследований, проведенных автором на водоемах бассейна р. Кеми в период с 1980 по 2001 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 2 коллективных монографии, 4 работы находятся в печати.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы. Рукопись содержит 36 таблиц, 14 рисунков и 4 табличных приложения. Список литературы включает 188 источников.
Автор выражает благодарность всем сотрудникам Института водных проблем Севера Кар. НЦ РАН за большую практическую и консультационную помощь, оказанную при подготовке диссертации.
9
Глава 1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
Географическое положение. Территория бассейна р. Кеми, занимающая восточную часть Балтийского кристаллического щита, относится к древней холмистой области со следами интенсивной тектонической деятельности (Лазаревская, Попенко, 1959). Рельеф местности сложный, особенно в районе оз. Каменного, что проявляется в строении котловин озер, очертаниях береговой линии и типах берегов. Абсолютные высоты в пределах водосбора 250-300 м (Бискэ, 1959), понижения местности заняты болотами: средняя заболоченность района - 22% (Елина и др., 1984), что существенным образом сказывается на гидрохимических параметрах озер и рек.
В северном озерном районе, где расположены наиболее крупные водоемы бассейна р. Кеми (озера Куйто, Нюк). В районе Куйтозерской впадины, представляющей слабовогнутую в центре равнину, они снижаются до 100-120 м над уровнем моря. При перемещении к Белому морю местность понижается и переходит в Прибеломорскую низменность с высотами 10-20 м над уровнем моря (Бискэ, 1959).
Климат. Территория Карелии расположена в атлантико-арктической зоне умеренного пояса. Климат на территории бассейна р. Кеми связан с западным переносом атлантических воздушных масс и характеризуется продолжительной мягкой зимой и коротким относительно прохладным летом, повышенной влажностью воздуха, усиленной циклонической деятельностью, значительной облачностью и большим количеством осадков в течении года.
10
Средний радиационный баланс для территории бассейна р. Кеми составляет 28-32 ккал/см2 в год. Период с положительным радиационным балансом длится от третьей декады марта до второй декады октября. Наибольших значений он достигает в мае - июле, составляя 50-60% суммарной радиации, наименьший - в декабре - январе.
Среднегодовая температура воздуха на территории бассейна - от 0 до +1°С. За начало весны принимается устойчивый переход средней суточной температуры воздуха через нуль. На территории бассейна р. Кеми он осуществляется в конце второй - начале третьей декады апреля. Продолжительность периода с отрицательными температурами составляет в среднем около 6 месяцев (со середины октября до середины апреля). Вегетационный период (количество дней с устойчивой средне-суточной температурой выше +5°С ), составляет 120-130 дней. Самый теплый месяц - июль, среднемесячная температура его колеблется от 13.5°С до 16.0°С. В августе она падает до 12.7-13.7°С, в сентябре до 7.3-8.1°С. Сумма температур - климатический параметр, определяющий среднее количество градусодней, который в свою очередь характеризует продукционные возможности популяций донных беспозвоночных. Сумма температур за вегетационный период в районе исследования составляет в среднем около 1400-1600°С. (Ресурсы поверхностных..., 1972; Справочник по климату СССР, 1965; Salo, 1997).
Почвы. В северной части Карелии, где расположен бассейн р. Кеми, основной почвообразующей породой являются ледниковые наносы, грубые по механическому составу. Характерно распространение подзолов с железистыми и гумусово-железистыми иллювиальными горизонтами, а также скелетных почв на выходах коренных пород. В минеральной части почв мало обменных оснований.
11 Чрезвычайно широкое распространение болот и заболоченных земель
обусловливает широкое распространение почв болотно-подзолистого и болотного ряда. Почвы в основном сильно кислые, со слабонасыщенным поглощающим комплексом, богатые полуторными окислами и подвижным алюминием. При отмирании растительности образуется большое количество органического вещества, разложение которого идет медленно, с образованием в условиях Карелии слабоконденсированных гумусовых веществ, главным образом, группы фульвокислот, которые легко вымываются в водоемы. Геологические и почвенные условия определяют состав донных отложений озер и характер их распространения.
Гидрография. Своеобразие водной сети республики Карелия состоит в том, что в ее современной естественной гидрографической структуре наиболее важным элементом являются озера. Они определяют тип водных систем региона, которые представлены в основном не обычными реками с эрозионной долиной, а озерно-речными и озерными системами. Среди малых систем (площадь бассейна менее 1000 км2) преобладают речные. С увеличением площади водосбора увеличивается озерность, водные системы становятся преимущественно озерно-речными и озерными.. Среди рек с площадью бассейна более 1000 км2 они составляют 74% (Литинская, 1976).
По данным СП. Китаева (1984), на территории Карелии расположено 61835 озер. Их суммарная водная поверхность достигает 33185 км2, или 19.2% ее площади (11.1% - без учета зеркала Ладожского и Онежского озер в пределах административных границ республики). Озера площадью до 1 км составляют 97.4% от общего числа водоемов, из них 80% - бессточные (Покровский, Новиков, 1959).
12 Разнообразие типов карельских озер очень велико. Малые бессточные
водоемы, широко представленные по всей территории, относятся чаще всего к типу дистрофных или ацидотрофных. Крупные озера принадлежат преимущественно к олиготрофному типу (Топозеро, Пяозеро, Сегозеро и др.). Они характеризуются малым удельным водосбором, незначительным поступлением органических веществ с бассейна. Согласно "Каталогу озер Карелии" (Григорьев, Грицевская, 1959), величина удельного водосбора колеблется от единиц ( Маслозеро - 3) до нескольких тысяч (Поросозеро - 2800).
Река Кемь - крупнейшая озерно-речная система Карелии (рис. 1.1). Площадь ее водосбора составляет 28396 км . Бассейн расположен в северной части Карельского гидрографического района (6.8% цлощади водосбора расположено на территории Финляндии). Рельеф бассейна холмисто-равнинный, имеет форму амфитеатра, открытого в сторону Белого моря (Старцев, Фрейндлинг, Пальшин, 1989). Наиболее приподнятый участок - западно-карельская возвышенность, многочисленные холмы, гряды чередуются с узкими, вытянутыми в северозападном направлении впадинами, занятыми озерами, порожистыми речками, болотами. Основные крупные озера (озера Куйто, Нюк) имеют преимущественно тектоническое происхождение и представляют собой остатки послеледниковых водоемов.
На востоке р. Кемь пересекает Прибеломорскую низменность, имеющую небольшой уклон к морю. Она представляет собой заболоченную, слаборасчлененную равнину, сложенную морскими глинистыми отложениями.
13
Рис. 1.1. Карта-схема района исследований (бассейн р. Кеми)
14
Абсолютные высоты достигают в ней 60 м. Среди заболоченных пространств разбросаны невысокие (до 10-15 м) холмы, сложенные кристаллическими породами или сортированным песчано-галечно-валунным материалом.
В западной части бассейна преобладают дерново-подзолистые почвы, в восточной - торфяно-подзолисто-глеевые. Заболоченность бассейна равна 10%.
Протяженность р. Кеми от истока (р. Куржма) до устья составляет 357.6 км (Берсонов, 1960). Полное падение реки на этом участке 220 м. На всем ее протяжении в нее впадает свыше 1500 рек и ручьев, общей длиной 8294 км. Главный приток - р. Чирка - Кемь с площадью бассейна 8220 км2 впадает на 173 км от устья и дает почти треть ее стока. Все реки представляют собой характерные для карельского региона озерно-речные системы. Сток р. Кеми полностью зарегулирован в настоящее время пятью ГЭС начиная от верховий (Юшкозерская ГЭС) до устья (Морская ГЭС).
В бассейне насчитывается 11531 водоем с площадью акватории свыше 1 га (Григорьев, Грицевская, 1959), из них 9217 не имеют видимого стока. Крупнейшие озера - Нюк, Каменное, Кимасозеро, Лувозеро, Верхнее, Среднее и Нижнее Куйто. Последние два в настоящее время зарегулированы и превращены в Юшкозерское водохранилище. Суммарная площадь водной поверхности всех озер составляет 16% от общей по Карелии. По общей численности озер бассейн р. Кеми занимает первое место в регионе. Средний коэффициент озерности равен 9.6% (по Карелии - 10%). Преобладающее количество озер (9707) имеет площадь менее 10 га.
Гидрология. Река Кемь имеет смешанное питание с преобладанием снегового. Распределение снегового, дождевого и грунтового стока находится в прямой зависимости от физико-географических факторов: рельефа, характера
15
почвогрунтов, озерности водосборов и распределения озер по длине реки. На сток и уровень значительное влияние оказывает их искусственное регулирование. ГЭС выполняют суточное, сезонное и недельное регулирование стока, а лесосплавные плотины оказывают влияние на весенне-осенний.сток.
Озера бассейна существенно различаются по гидрологическим показателям. Самое крупное - оз. Нюк с площадью 220 км2. Наиболее глубоководными являются оз. Каменное, оз. Нюк, озера Куйто средняя глубина которых находится в пределах 7.9 до 10.4 м, максимальная достигает 40.0 м (оз. Нюк). Рельеф дна озерных котловин разнообразный, наиболее сложное его строение у оз. Каменное, для которого характерно чередование относительно глубоких (18-28 м) впадин с поднятиями дна в виде подводных плато, каменистых луд, отдельных скальных образований. Основные морфометрические и гидрологические параметры исследованных озер (Каталог озер..., 2001; Материалы инвентаризации..., 1998; Природные воды..., 1985; Семенов, 1989; Поляков, Фрейндлинг, 1989) приведены в таблице 1.1.
Термический режим. Озера Карелии в целом, по характеру нагревания их водных масс, делятся на два типа (Фрейндлинг, 1962). К первому относятся водоемы, нагревающиеся летом в условиях гомотермии, с периодически сменяющейся, незначительно выраженной стратификацией температур. Это преимущественно неглубокие малые озера с низкими берегами, не препятствующими развитию ветро-волнового воздействия на водную поверхность. Термический режим их в значительной степени определяется метеорологическими условиями района. Поверхностные слои воды за лето прогреваются до 25-26°С,
16
Таблица 1.1. Основные гидрографические и гидрологические характеристики некоторых озер бассейна р. Кеми
Водоем № по каталогу Площадь Водосбора, км2 Площадь зеркала, км2 Длина, км Ширина, км Средняя глубина, м
В. Куйто 395 7150 198.0 42.0 19.6 8.7
С. Куйто 462 9470 257.0 42.0 30.0 10.4
Н. Куйто 492 10200 141.0 30.0 7.5 9.4
Каменное 542 662.9 101.3 24.4 12.1 7.9
Хукка 548 - 1.10 - - -
Лувозеро 549 1266.1 13.02 13.1 2.3 5.9
Кимасозеро 554 2458.9 33.8 21.0 2.6 3.3
Нкж 559 3300.0 214.0 39.9 22.5 8.6
Контокки 550 26.1 5.18 3.8 2.5 3.5
Травяное б/н - 0.38 - - -
Курккоярви б/н - 0.79 - - -
Айтоярви б/н - 0.46 - - -
Окунево б/н 160.0 0.30 1.1 0.5 2.6
Куроярви 475 170.0 1.20 3.0 0.6 2.8
Поппалиярви 476 196.8 1.67 2.6 1.1 4.3
Юриккаярви 477 218.3 2.36 4.3 1.4 3.0
Койвас 478 424.5 19.65 9.3 4.3 4.0
Кенто 480 676.6 27.36 10.9 6.6 3.8
Ломозеро 482 785.0 3.44 4.5 1.7 4.6
Юлиярви 485 902.0 5.79 3.3 2.3 3.5
Алаярви 461 949.0 7.35 . 6.7 1.9 3.5
Хапкиярви б/н - - - - -
Пуштосьярви 503 - 5.0 - - -
Хапярви 498 10648.0 9.07 5.3 3.0 2.4
Юляярви 499 11811.0 2.18 2.7 1.5 2.0
Юшкоярви 506 20050.0 5.94 4.4 2.2 2.5
Куроярви 573 20101.0 5.89 4.8 2.0 5.5
Аланъярви 572 - 1.90 - - -
Пералампи 571 - 1.54 - - -
Роппомо 605 238.0 3.48 5.2 1.1 2.6
Панозеро 609 23554.0 3.39 4.6 1.4 -
Судно 410 358.0 13.60 - - -
Марья-Шелека 411 1100.0 8.60 - - -
В. Ладво 416 10.1 1.30 - - -
С. Ладво 417 18.8 1.03 - - -
Н. Ладво 418 26.0 1.30 - - -
Средняя Важа б/н 21.1 0.71 ¦ - - -
Примечание: - - информация отсутствует.
17
придонные - до 18-20°С. Нагревание происходит в условиях малой устойчивости водных масс и незначительных градиентов температур. Второй тип — озера, нагревающиеся в состоянии устойчивой стратификации температур.К нему относятся глубокие водоемы со сложным строением подводного рельефа котловины, в большинстве случаев - сложной или удлиненной формы (озера Куйто, Каменное, Нюк). Берега их высокие, покрытые лесом, препятствующие ветровому воздействию на водные массы. Поверхностные температуры в этих озерах в период летнего нагревания повышаются на юге Карелии до 24-25°С, на севере до 18-19°С.. Придонные температуры в них сохраняются низкими: на юге около 8-9°С, на севере 5-6°С. Отчетливо выражен слой металимниона с градиентом температур до 5-7°С/м.
Донные отложения озер бассейна р. Кеми представлены преимущественно серо-зелеными илами, встречаются темно-зеленые, а иногда (оз. Каменное) и черные. Илы занимают от 46% (оз. Каменное) до 85% (оз. Лувозеро) площади дна. Иногда илы содержат до 80-90% минеральных частиц, чем отличаются от илов Русской равнины, в которых содержание органических веществ значительно больше.
Значительное распространение в озерах Карелии имеют песчано-илистые отложения и озерные руды. В зависимости от структурного строения железистые отложения приобретают вид горошин (диаметром до 0.8 см), корки (толщиной до 1 см) или плотных больших сростков и лепешек, и на ряде водоемов (озера Куйто, Каменное, Кимасозеро) покрывают значительные его участки. Так в озере Нижнее Куйто 2/3, а в Среднее Куйто 3/4 площади дна покрыты рудными образованиями (Семенов, 1989). Мощность иловых отложений- превышает 1 м. Иногда отмечены глинистые отложения, подстилающие илы (Фрейндлинг, Поляков, 1985). |
