1 Аналитический обзор
1.1 История изучения почвенной альгофлоры
Первой подробной почвенно-альгологической работой, которая взяла свою основу из микробиологической методики, является работа по флоре синезелёных водорослей в почвах Северной Африки Ф. Эсмарха [Цит. по: Голлербах М.М., Штина Э.А., 1969].
Подлинным же началом существующей на данный момент почвенной альгологии принято считать планомерные и разносторонние исследования, которые проводила Муриэл Бристоль [Вristоl-Roach, 1928] на всемирно известной Ротамстедской научно-опытной станции. Она проводила работы по исследованию альгосинузий с 1915 по 1928 гг., и эти работы оказали колоссальное влияние на последующее развитие и разработку методик исследований почвенных водорослей.
В бывшем СССР одним из первых направлений в почвенной альгологии считаются работы по учёту массовых разрастаний альгофлоры и выявлению их роли в формировании агроценозов. Почвенные водоросли были исследованы в полупустынях и сухих степях [Келлер, 1926], найдены поселения альгосинузий в сыпучих песках полупустыни [Засухин, 1930]. В 20–30-х гг. прошлого века активные исследования почвенных водорослей проводили альгологические школы Москвы, Ленинграда, Киева и многие другие. Идеи всех этих научных направлений в альгологии создали главную основу для изучений формирования почвенной флоры в бывшем СССР [Матвиенко, 1958; Новичкова-Иванова, 1980; Гецен, 1987; Зенова, Штина, 1990; Приходькова, 1992].
Альгологические исследования с использованием микробиологических методик начали проводится почти одновременно в трёх центрах: Московском университете, где С. Мейер изучал водоросли болотных почв долины
р. Яхромы, его работа была опубликована в 1937 г., в Саратовском университете, где в 1928 г. была опубликована работа А.А. Рихтера и
К.И. Орловой о альгофлоре окрестностей города Саратова, и в Ботаническом институте АН СССР, где было проведено очень подробное исследование водорослей в различных почвах Ленинградской области и создан первый свод накопленных к тому времени знаний о альгологии [Цит. по: Голлербах М.М., 1936].
Независимо от всех остальных альгологических исследований эколого-ценологическое направление, взятое своё первоначальное отражение в работах Р. Франса и его школы активно развивалось вначале своего пути. На протяжении последних 30 лет это направление, однако, уже на иной методике стало одним из главных в изучении почвенных водорослей. Основное место заняли исследования М.М. Голлербаха [1936] и Э.А. Штины [1953, 1955, 1963], исследовавших группы водорослей на различных участках почвы, включая данные исследований о структуре ценозов водорослей, о развитии и росте отдельных видов и их сезонной динамике. Такими же вопросами занимались В.В. Мельникова [1953], Л.Н. Новичкова [1955], Н.В. Сдобникова [1956],
Т.И. Алексахина и Э.А. Штина [1984] и др. Цикл работ посвящён взаимоотношениям водорослей и высших растений в биоценозах [Мельникова, 1954, 1957; Сдобникова, 1959, 1960; Лысенко, 1963].
Важным разделом этого направления являются исследования чисто биоэкологического плана, рассматривающие влияние разных экологических, антропогенных факторов на развитие почвенных альгосинузий [Ваулина, 1957; Штина, 1957; Балезина, 1964; Болышев, Штина, Коннова, 1965; Платонова, 1968].
Индикаторная и экологическая роль альгофлоры почв описаны в работе Э.А. Штины [1990]. В этой работе рассматриваются основные экологические группы водорослей, проявляющие индицирующее свойства на различные виды загрязнения почв. В методике, которую предложили Г.Г. Кузяхметов и
И.Е. Дубовик [2001], были описаны ключевые методы изучения альгологии, а так же методы их использования, внедрения для биоиндикации и наблюдения за состоянием изменения, в том числе и влияние антропогенной нагрузки на окружающую среду. Так же был предложен и введён способ оценки состояния почв при природно-антропогенном загрязнении агроценозов, где размерно-морФологические показаТели водорослей служат в роли биоиндикаторов разнообразных типов загрязнений почв [Москвич, 1973; Кабиров, 1985; Рудкова, 1985; Кабиров, ХалиулиНа, 1987].
С.Б. Криворотов и К.А. Доценко изучали почвенные водоросли агроценозов центральной зоны Краснодарского края на Северо-Западном Кавказе [1996]. Они проводили исследоВания по изучению почвенных водорослей на разных типах почв, уровней плодородия, а так же минерального питания, при различных системах сохранения растений, применения высоких доз удобрений (пестицидов) и использования различных технологий возделывания озимой пшеницы и свёклы [Криворотов, 1996; Криворотов, Пикушова, Доценко, 2000].
Биоиндикаторная роль почвенных водорослей г. Краснодара описана в работах "Влияние экологических факторов на почвенные водоросли" [Гармаш, Букарева, Ганьков, 2013], "Оценка экологического состояния почв
г. Краснодара с помощью альгоиндикации" [Букарева, Лукьянчикова, 2014].
1.2 Альгоиндикация почв
При использовании альгофлоры в качестве биоиндикаторов почв, работу можно разделить на несколько направлений:
1) о характере и степени природно-антропогенного воздействия судят по структуре сообщества почвенных водорослей;
2) использование определённых видов водорослей в качестве тест-объектов в условиях лабораторного опыта [Биология и химия сегодня,
2012–2013].
Один из самых главных показателей при использовании почвенных водорослей, в качестве биоиндикаторов почвенных условий и природно – антропогенных изменений, является её видовой состав. По доминированию разных систематических групп на разных участках почвы можно судить о различных её свойствах: загрязнении тяжёлыми металлами, о гранулометрическом составе, влажности, о наличии нитритов, нитратав, радионуклидами, кислотности, и др. Система индикации развивалась так, что сначала было замечено появление или исчезновение определённых видов в конкретных условиях почвенной среды. Поэтому, в качестве биоиндикатора условий почвенной среды, использовалась система: присутствует вид или группа видов или отсутствует она на данном участке исследования почвы. Система такой индикации развивалась по направлению расширения списка видов-биоиндикаторов, которые позднее стали объединяться в группы по наиболее ярко выраженным характеристикам условий. Количественные характеристики обилия видов были включены в систему индикации позднее, сначала это была балльная система, а затем уже в долевой форме [Биология и химия сегодня, 2012–2013].
Индикационные методы на основе альгосообществ и обилия видов водорослей дают обширную оценку природно-антропогенных процессов, оказывающих своё влияние на почву. Альгоиндикация по видовому составу водорослей – недорогой и чувствительный к загрязнениям и изменениям почвенной среды метод, в то время, как химические анализы могут быть очень трудоёмкими и дорогостоящими. Кроме этого, преимущество водорослей заключается в том, что они первыми из растительных организмов реагируют на загрязнение, не успевая накапливать в предельных концентрациях загрязнители [Биология и химия сегодня, 2012–2013].
Реакцией на различные природно-антропогенные изменение условий почвенной среды является изменение видового состава и обилия организмов, при этом смена сообщества водорослей может происходить достаточно быстро при изменениях условий среды. Почвенные водоросли различают по степени устойчивости к воздействию природно-антропогенного фактора. Об устойчивости вида можно оценивать по особенностям его распространения в почвах различной степени воздействия загрязнителей. Виды которые исчезают при воздействии на почвы загрязнителей различного характера, относят к группе неустойчивых. Виды которые встречаются в почвах, испытывающие слабое воздействие природно-антропогенного комплекса, относят к группе слабо устойчивых. Водоросли, встречающиеся в почвах, испытывающие сильное воздействие загрязнителей, но при этом сильно на них не реагируют – к группе устойчивых. Исчезновение неустойчивых и слабоустойчивых видов указывает на начальные стадии природно-антропогенного воздействия, появление устойчивых видов – указывает на более сильное изменение почвенной среды [Биология и химия сегодня, 2012–2013].
Почвенные водоросли в процессе эволюции приспосабливаются к определённым условиям местообитания, что позволяет им противостоять длительному изменению почвенной среды путём возникновения устойчивых форм вида. В результате этого образуются экологические популяции, различающиеся устойчивостью к тем или иным факторам, влияющим на изменение среды, при этом очень важное значение имеет характеристика популяций, такая как возрастная структура альгосинузий. Популяции, имеющие в своем составе особей, которые находятся на разных стадиях своего жизненного цикла, по-разному реагируют на воздействие различных факторов среды [Биология и химия сегодня, 2012–2013].
Почвенные водоросли являются одним из важных компонентов в создании устойчивости экосистем. Любая экологическая система пытается создать и затем поддерживать свою особую внутреннюю среду, которая позволяет снизить уровень воздействия на систему внешних факторов среды, в том числе и антропогенного воздействия. В этом процессе участвуют и почвенная альгофлора. Они синтезируют и выделяют в окружающую среду разнообразные вещества, изменяют рН почвенного раствора, улучшают водный режим и аэрацию почвы, препятствуют её эрозии. Через дифференцированное поглощение и накапливание в своих клетках отдельных химических элементов, в том числе и радиоактивных, влияют на солевой баланс и видовой состав микроорганизмов в почве [Биология и химия сегодня, 2012–2013].
В поддержании стабильности экосистемы важную роль играют механизмы обратных связей, когда часть сигналов с "выхода" поступает на
"вход" и усиливает отклонение от стабильного состояния системы – "положительная обратная связь", либо уменьшает отклонение – "отрицательная обратная связь". Почвенные водоросли занимают одну из ячеек во взаимоотношениях живых организмов экосистемы и с помощью механизмов обратных связей вносят свой вклад в поддержание устойчивости экосистем. Так же существует механизм устойчивости системы под названием
"конгенерического гомотаксиса". Процесс работы такого механизма состоит в том, что одни функциональные элементы могут заменяться на другие. Такой процесс позволяет системе реагировать на воздействие различных факторов среды и сохранять стабильность экосистемы [Биология и химия сегодня, 2012–2013].
В условиях современного технического прогресса происходит большой антропогенный прессинг на почву, снижая её плодородность, загрязняя тяжёлыми металлами, пестицидами и др. Роль почвенных водорослей, как биоиндикаторов загрязнения почв, возрастает, что находит своё применение в экологическом мониторинге изменений состояния природных ландшафтов, подверженных влиянию предприятий, агрокомплексов, автомобильных дорог и др., наряду с физико-химическими методами индикации влияния на почвы антропогенного фактора [Биология и химия сегодня, 2012–2013].
2 Физико-географическая характеристика района исследования
2.1 Границы района исследования
Краснодарский край, расположенный на юге Российской Федерации, в юго-западной части Северного Кавказа, входит в состав Южного федерального округа и омывается водами Азовского моря с северо-запада и Чёрного с юго-запада. Территориально граничит с двумя субъектами РФ Ростовской областью и Ставропольским краем на северо-востоке и на востоке соответственно, а также с Абхазией на юге [Горшенёв, 1983].
Город Краснодар расположен в центральной части Краснодарского края на Прикубанской низменности на правом берегу реки Кубань, с расположенным выше по течению реки Краснодарским водохранилищем, на высоте 35 м над уровнем моря. На юге столицы Кубани прходит граница с Республикой Адыгея. ПроТяжённосТь города с севера на юг город 20,6 км, с востока на запад – 30,1 км. Общая площадь – около 339,31 км?. Краснодар имеет выгодное экономико-географическое ПОложение благодаря Недалеко расПОложенным МОрям, расстояние до ЧёрНОго около 100 км, до Азовского – 120 км [Горшенёв, 1983].
Территория города разделена на 4 внутригородских округа: Карасунский, Западный, ПрикубаНский, ЦеНТральный. ЗаПадный внутригородской округ, наименьший по площади, занимает 4 % территории (западная часть города). Граница с Республикой Адыгеей проходит по реке Кубань с южной и юго-западной стороны округа, соединяясь с ней через Яблоновский и Тургеневский мосты [Горшенёв, 1983].
Карасунский округ и подчиняющиеся к нему территории Старокорсунского и сельских Пашковского округов вдоль побережья Краснодарского водохранилища заняли восточную часть Краснодара [Горшенёв, 1983].
Прикубанский округ и подчиняющиеся территории Берёзовского, Елизаветинского и Калининского сельских округов заняли северо-западную и северную части города [Горшенёв, 1983].
Южную часть Краснодара занимает Центральный округ, граничащий с Западным, Прикубанским и Карасунским округами и Республикой Адыгея по реке Кубань [Горшенёв, 1983].
В состав муниципального образования город Краснодар входят посёлки: Белозёрный, Берёзовый, Дорожный, Дружелюбный, Зеленопольский, Знаменский, Индустриальный, Колосистый, Краснодарский, Краснолит, Лазурный, Лорис, Плодородный, ПОбедитель; хутора Восточный, Копанской, Ленина, Новый, Октябрьский, Черников, а также станица Елизаветинская и СТарокорсунская [Горшенёв, 1983].
2.2 Особенности геологического строения и рельефа
ТерриТОрия города находится в зоне Скифской эпигерцинской молодой плиты, имеющей двухъярусное строение: герцинское складчатое основание и осадочный чехол отложений кайнозоя и мезозоя [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Отложения мезозойской эры распространены на территории равнины. Из них залегающие на глубине 2000 м юрские отложения – это, по большей части, осадочные морские породы: песчаники, гипсы, глинистые сланцы, известняки, глины. Занимающее территорию всей Кубанской равнины море мелового периода оставило мощную толщу таких отложений, как флиша – это чередование слоёв песчаника, глинистого сланца и известняка. Совокупный объём таких отложений на Кубанской равнине до 2500 м [Нагалевский, Чистяков, 2003].
?алеогеновые отложения – песчаники, мергель, глинаы и толща терригенного флиша. СОВОкупный объём – до 1850 м [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Неогеновые отложения подразделены на две части: осадки плиоцена и миоцена. Отложения лагунно-дельтового, морского и континентального происхождения были сформированы в плиоцене. Их мощность около 1250 м. В миоцене отложения формировались следующим образом: первый период – глинистые отложения, второй – мергелисто-глинистые и известковые, третий – песчано-глинистые. Их мощНОсть около 1000 м [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Континентальные и морские осадочные толщи представляют четвертичные отложения. Их мощность может достигать 100 м. Верхний слой этих ОТложений составляют лёссовидные суглинки [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Между геологическим строением и рельефом территории просматривается чёткая взаимосвязь. Скифская платформа – главная тектоническая структура, определяющая крупные черты рельефа [Нагалевский, Чистяков, 2003].
2.3 Гидрология
Водные объекты – важный компонент экосистемы города Краснодара, в который входят Карасунская озёрная система, Краснодарское водохранилище, а также участок реки Кубань и др.
Краснодарское водохранилище или "Кубанское море" – это, имеющий искусственное происхождение, водоём на реке Кубань. Оно является самым большим на Северном Кавказе с площадью – 420 км2, объёмом от 2,0 км3 до
3,1 км3 (уровень воды регулируется и колеблется на отметке в 8 м). Длина составляет 40 км, а ширина – 15 км. Главная цель создания данного водного объекта – организация чекового рисоводства и борьба с сезонными наводнениями в низовьях реки. Из-за обмеления, произошедшего в результате речных наносов, характерное первоначально судоходство по водохранилищу в данный момент прекращено. В "Кубанское море" впадают левые притоки Кубани – реки Белая, Пшиш, Марта, Апчас, Шундук, Псекупс (с запада на восток) [Горшенёв, 1983].
На данный момент времени в зоне водохранилища отмечаются повышение влажности воздуха, подъём грунтовых вод, деградации почв, снижение содержания гумуса. Мощную техногенную нагрузку на территорию, прилегающую к Краснодарскому водохранилищу, создаёт оно само, так как предстаёт в роли накопителя тяжёлых металлов, пестицидов, нефтепродуктов, фенолов и азотных соединений. Техногенная нагрузка приводит к изменению в геоэкологической среде: загрязнение грунтовых и нижележащих артезианских вод, зоны аэрации, что наблюдается при изменении санитарно-гигиенического состояния территории [Горшенёв, 1983].
Озеро Старая Кубань, находящееся в черте Краснодара и являющееся водоёмом-охладителем Краснодарской ТЭЦ, образовалось на месте старого русла р. Кубань и связано с ней в своей южной части. Его акватория занимает площадь около 3 км2. Оно разделено на две ветки: тёплую, образованную сбрасываемой ТЭЦ нагретой водой, и холодную, из которой производят водозабор [Горшенёв, 1983].
Карасун, являющийся в прошлом рекой, на данный момент времени представляет цепь озёр, расположенных на территории Краснодара. Раньше река Карасун протекала по территории Азово-Кубанской низменности в пределах её равнинного рельефа, являя собой, скорее всего, единственный правый приток Кубани в её среднем и нижнем течении. Долина реки, протяжённостью около 45 км и шириной окОло 200 м, врезалась в отложения второй надпойменной террасы Кубани. Глубина вреза составляла 1–3 м в верховьях и в среднем и нижнем течении до 8 м. Река брала начало у станицы Старокорсунской и текла на запад, в последующем впадая в реку Кубань. На сегодняшних день русло реки, расположеННОе у станицы высохло и распахано. На данный момеНТ времени на территории Краснодара находится пятнадцать озёр: два Покровских озера (у стадиона "Кубань", разделены улицей Дмитриевская дамба), два у администрации Карасунского округа(разделены улицей Старокубанской), три озера Калининской балки (расположенные между улицами Селезнёва и Ставропольской), одно за зданием КубГУ, десять Пашковских озёр (в действительности – русло реки, разбитое на озёра дамбами). Русло выше Пашковских озёр почти не прослеживается [Горшенёв, 1983].
Своё начало река Кубань берёт на западном склоне горы Эльбрус. Горные реки Уллукам и Учкулан дают начало реке Кубань. Площадь бассейна Кубани – 57,9 тыс. км2. ПитаНие смешанное: ледниково-снежное, грунтовое, дождевое. Несколько раз в год на ней происходят паводки, наибольший характерен для июня, когда таяние ледников совпадает с ливневыми дождями. В среднем ежегодно река выносит свыше 13 км3 воды. За год река выносит в море около 8 млн. т наносов [Нагалевский, Чистяков, 2003].
2.4 Климат
Климат формируется под воздействием множества комплексов физико-географических условий, из которых наиболее важными условиями являются инсоляция, циркуляция и движение воздушных масс, а также подстилающая поверхность [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Расположение города в пределах 45°02' с. ш. определяет большие высоты солнцестояния над горизонтом. В Краснодаре от 68°33' в полдень 22 июня и до 21°31' – 22 декабря. От высоты нахождения солнца зависят угол падения солнечных лучей и температура нагревания земной поверхности. Благодаря южному местоположению территория города получает очень много солнечного тепла. Годовое количество составляет около 120 ккал/см2. В летний период суммарная солнечная радиация составляет 48 ккал/см2, а зимой до 12 ккал/см2. Во все другие периоды, кроме зимнего периода, имеет место положительный тепловой баланс, более 45 ккал/см2. Высота солнца зимой, обычно, не превышает 30°, с марта по сентябрь – более 45° [Нагалевский, Чистяков, 2003].
В Краснодаре средняя продолжительность солнцестояния (ПСС) за год 2174 ч, при этом годовой максимум составляет в июле – 323 ч, а минимум приходится на декабрь – 574 ч [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Территория в течение года находится под воздействием сильных воздушных масс самого различного происхождения. При этом господствуют то одни, то другие воздушные массы. В основу этих воздушных масс составляют ветра умеренных широт. С запада и северо-запада Атлантического океана поступают морские умеренные воздушные массы, приносящие за собой облачную погоду и большое количество осадков, вызывая зимой потепление и дождь вперемешку со снегом, а летом – понижение температуры и дожди. Континентальные умеренные воздушные массы поступают с востока со стороны сибирского антициклона (Азиатского максимума) и из Средней Азии. Зимой они приносят за собой ясную холодную погоду, а летом – жару и сухость. Иногда возможно вторжение трансформированных арктических воздушных масс, которые несут зимой морозы, а весной – они возвращают холода на территорию города. Совсем редко вторгаются морские и континентальные тропические воздушные массы. Из Средней Азии приходит континентальный тропический воздух, а морской – со стороны Средиземного моря. Вторжение тропических воздушных масс в зимний период вызывает оттепель, так называемые "февральские окна", летом – жару, весной и осенью – умеренную теплую ясную погоду. Господствующими является воздушные массы умеренных широт [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Краснодар расположен в умеренном климатическом поясе. Климат Краснодара – умеренно-континентальный, что связано с большой удаленностью от океанов, и это определяет так называемую "континентальность" климата города. "Континентальность"выражается, прежде всего, в величине колебания температуры воздуха в течение года, т. е. в разнице температур самого тёплого и самого холодного месяца (амплитуда), а также выпадающих за год осадков [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Среднегодовое атмосферное давление в Краснодаре приближено к нормальному, что составляет 760 мм рт. ст. В течение всего года на территории являются господствующими ветра следующих направлений: западного (15 %), восточного (22 %), северо-восточного (20 %). Повторяемость ветров других румбов, как правило, ограничивается 5–10 % [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Для города Краснодара одним из основных показателей, который даёт общее представление о термическом режиме, является годовая и средняя месячная температура воздуха. В течение всего года температура воздуха в городе Краснодаре изменяется от минус 1,6 °C в январе (самый холодный месяц) и до 23,3 °C в июле (самый тёплый месяц). Амплитуда среднемесячных температур воздуха составляет 24,9 °C. Наиболее отрицательные средние месячные температуры воздуха наблюдаются в январе и феврале, а в остальных месяцах – в основном температуры положительные. Средняя годовая температура воздуха в городе Краснодар составляет 11,1 °C [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Наибольшая относительная влажность воздуха наблюдается в зимние месяцы – в декабре и в январе (84 %), а с февраля месяца она постепенно уменьшается, и достигает минимума (64 %) в летние месяцы – в июле и в августе, а с сентября вновь увеличивается. Влажным считается тот день, в котором в 13 ч. относительная влажность воздуха равна или же выше 80 %. Такие дни в городе наблюдаются в холодное время года с ноябрь по февраль. Их среднее число за месяц колеблется от 11 до 17, достигая максимума в январе. В летнее время влажных дней бывает намного меньше, в среднем 1–2 за месяц [Нагалевский, Чистяков, 2003].
В городе Краснодаре в среднем за год выпадает около 686 мм осадков. Годовой ход характеризуется увеличением осадков вначале лета – в июне, а уменьшение в начале осени – в сентябре. В тёплый период выпадает в среднем 393 мм, в холодный – 293 мм, что соответствует 57 % и 43 % их годовой суммы. По агрегатному состоянию осадки делятся на три вида: твёрдые, жидкие и смешанные. В Краснодаре даже зимой преобладают жидкие осадки – за год 546 мм, твёрдые – 73, а смешанных меньше всего, они составляют
67 мм. Зимний максимум объясняется длительными обложными осадками, а летний максимум – кратковременными ливнями. Общая продолжительность осадков в Краснодаре составляет около 800 ч. В день с осадками их средняя продолжительность составляет от 2 ч летом до 8 ч зимой [Нагалевский, Чистяков, 2003].
Одной из главных черт климата Краснодара является неустойчивость снежного покрова. Она определяется тёплым термическим режимом города. Обеспечивают небольшие высоты снежного покрова и его неустойчивый характер залегания частые оттепели зимой, связанные с прохождением атлантических циклонов, и большая их повторяемость. В Краснодаре в 70 % зим отсутствует устойчивый снежный покров, снег выпадает, но быстро растаивает. Средняя многолетняя продолжительность снежного покрова 39 дней [Нагалевский, Чистяков, 2003].
2.5 Почвенный покров
По почвенно-климатическим условиям территорию Краснодарского края можно разделить на пять зон: Южно-предгорная, Черноморская, Северная, Центральная, Западная. Центральная зона – территории Краснодара, Динского, Тимашевского, Калининского, Кореновского, Усть-Лабинского, Приморско-Ахтарского, Брюховецкого, Кавказского, Красногвардейского, Гулькевичского, Новокубанского, Курганинского, Выселковского и Тбилисского административных районов края. Эта зона имеет наилучшие почвенно-климатические условия в крае для большинства возделываемых культур.
