Использование метода главных компонент при интерпретации данных диатомового анализа голоценовых осадков озера Птичье (Южное Приморье)

Полный текст

Введение

В последнее время для повышения объективности результатов интерпретаций данных при реконструкции условий осадконакопления широко применяются различные методы статистической обработки, позволяющие выявлять и количественно представлять модели развития бассейнов формирования осадков с учетом взаимосвязей, определяющих их функционирование. Одним из наиболее эффективных и наиболее часто используемых методов является факторный анализ и его разновидность – метод главных компонент, или PCА (Principal Component Analysis), который, как и другие методы многомерного анализа, опирается на исследования корреляционной матрицы [1]. Метод главных компонент позволяет найти гипотетические переменные (компоненты), на которые приходится наибольшая часть дисперсии многомерных данных [2, 3]. Эти новые переменные являются линейными комбинациями исходных переменных. Другими словами, данный метод аппроксимирует n-размерное облако наблюдений до эллипсоида (тоже n-мерного), полуоси которого и будут являться будущими главными компонентами. И при проекции на такие оси (снижении размерности) сохраняется наибольшее количество информации.

Метод главных компонент широко используется в биоинформатике, нейробиологии, океанологии, геологии, существует ряд работ, посвященных его использованию для морфометрических исследований в микропалеонтологии, гораздо больше для экологических целей [4–10].

PCA становится особо актуальным при проведении палеогеографических исследований, поскольку указывает на доминирующие закономерности временной и пространственной изменчивости палеоиндикаторов среды и позволяет идентифицировать определенные климатические периоды [10, 11].

Осадки водоемов, находящихся в контактной зоне суши и моря, являются наиболее информативными объектами исследования для выявления особенностей трансгрессивно-регрессивных циклов в разных регионах. И здесь важную роль в предоставлении сведений о состоянии водоемов на определенных этапах этой ритмики играют диатомовые водоросли, чутко реагирующие на изменения таких экологических факторов, как соленость, глубина обитания, гидрологическая активность и др. Известно, что период среднего голоцена характеризовался не только максимальным потеплением, но и повышением уровня моря до 2–2,5 м [12–14], поэтому изменения в палеосообществах диатомей из осадков озера, расположенного на побережье моря, могут фиксировать смену состояний озерной экосистемы. Таким подходящим объектом для изучения трансгрессивно-регрессивных циклов является оз. Птичье (см. рис. 1). Это самое крупное солоноватое озеро в Хасанском районе и второе по величине в Приморском крае (глубины не превышают 1,5–2 м) [15]. Оно расположено в междуречье рек Болотная и Туманная. Водоем отделен от моря песчаной косой и сообщается с ним системой проток, благодаря чему вода в оз. Птичье имеет солоноватый вкус. Береговая линия сильно изрезанная и заболоченная, имеются два небольших островка и два больших залива. Во время половодий водоем обменивается водой с р. Туманная [15].

 

Рис. 1. Расположение изученной колонки Тб-5: оз. Птичье в Южном Приморье

 

Целью данной работы было проанализировать возможность применения метода главных компонент для интерпретации данных диатомового анализа среднеголоценовых отложений оз. Птичье, расположенного на южном побережье Приморского края.

Материалы и методы

Материалом для исследования послужила колонка Тб-5 (42°31′37″N; 130°44′27″E, длина – 1350 см), пробуренная в северной части оз. Птичье (7,5 км от береговой линии) (рис. 1). Вскрытые отложения представлены синевато-черными глинами алеврито-пелитового состава и глинистыми песками (верхние 2,5 м) с включением раковин моллюсков.

Из осадков скважины методом диатомового анализа изучено 40 проб. Техническая обработка проводилась по стандартной методике с использованием перекиси водорода и обогащением тяжелой жидкостью с плотностью 2,6 [16]. Определение видового состава водорослей и подсчет створок в препарате проводили с помощью светового микроскопа ZEISS Axio Lab. A1 с иммерсионной жидкостью при увеличении ×1000, а микрофотографирование створок – на микроскопе Carl Zeiss EVO 40 в Центре коллективного пользования Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН. Возрастная модель скважины, пробуренной в центральной части озера, была построена на основе данных радиоуглеродного датирования по раковинам моллюсков [17].

В осадках скважины встречены как целые створки диатомей, так и их обломки. В каждом изученном препарате с покровным стеклом 18 × 18 мм, было подсчитано не менее 300 створок, для набора которых просмотрено от 1 до 17 горизонтальных рядов. Количество рядов использовано для оценки обилия диатомей в препарате. Для идентификации и таксономического положения видов диатомей использована программа AlgaeBase [18]. Эколого-географические характеристики таксонов взяты из монографии С.С. Бариновой с соавторами [19] и некоторых других публикаций [20–22].

Изученная диатомовая флора представлена 135 видами и внутривидовыми таксонами, но основой для РСА послужила таблица процентного содержания видов, которое превысило 2% хотя бы в одной пробе по разрезу. Таким образом, матрица включила 36 таксонов, встреченных в отложениях. Статистический анализ выполнялся с помощью программы PAST. Так как все проанализированные переменные имеют одни и те же единицы измерения, была использована матрица дисперсии-ковариации, которая позволила с помощью алгоритма сингулярного разложения значений РСА найти ее собственные значения и векторы или компоненты. Собственные значения дают оценку дисперсии, приходящейся на соответствующие компоненты. Нагрузки описывают, какой вклад вносит таксон в определенную главную компоненту. Большая нагрузка указывает на то, что у таксона есть сильная связь с определенной главной компонентой.

Результаты и обсуждение

В результате проведенного анализа были получены три главные компоненты, оказавшие наибольшее влияние на пространственно-временное распределение диатомей по разрезу. Суммарный вклад главных компонент составил 78% суммарной дисперсии для корреляционной матрицы. Первой, второй и третьей компоненте соответствуют 57, 12 и 9% вариаций соответственно (рис. 2).

 

Рис. 2. Результаты анализа главных компонент (PCA), примененного к матрице процентного содержания диатомовых водорослей из голоценовых отложений оз. Птичье. Компонента 1 соответствует оси х, компонента 2 соответствует оси у

 

Максимальную информацию об изменчивости системы признаков несет первая главная компонента (рис. 3), для которой высокие положительные нагрузки имеет вид бореальный неритический Actinoptychus senarius Ehrenberg (Ehrenberg) – 0,931, предпочитающий хорошо прогреваемые прибрежные морские воды [23]. Высокую отрицательную нагрузку обеспечил морской сублиторальный бентический Diploneis smithii (Brébisson) Cleve (–0,318) (рис. 4).

 

Рис. 3. Распределение нагрузок таксонов, полученных с помощью РСА для трех главных компонент

 

 

Рис. 4. Виды диатомей с высокими положительными нагрузками в результате PCA: 1 – Thalassiosira angulata (Gregory) Hasle; 2 – Thalassiosira aculeata Proshkina-Lavrenko; 3 – Tryblionella compressa (Bailey) Poulin; 4, 6 – Aulacoseira praegranulata (Jousé) Simonsen; 5 – Epithemia adnata (Kützing) Brébisson; 7–9 – Chaetoceros ssp.; 10 – Actinoptychus senarius Ehrenberg (Ehrenberg); 11 – Diploneis smithi (Brébisson) Cleve; 12 – Odontella aurita (Lyngbye) Agardh; 13, 14 – Melosira nummuloides Agardh. Масштабная линейка – 10 мкм

 

Высокие положительные нагрузки для компоненты 2 определили D. smithii (0,825) и Tryblionella compressa (Bailey) Poulin (0,164). Эти виды относятся к эпипелитам, обитающим на илистых грунтах. Они предпочитают морские прибрежные воды, подвергающиеся приливно-отливному воздействию, при котором возможно изменение солености среды, а с повышением уровня воды увеличивается и соматическое давление на створки диатомей [21]. В группу с положительными нагрузками для РС-2 входит также планктонный сублиторальный вид Odontella aurita (Lyngbye) Agardh (0,096). Данный вид предпочитает прибрежные участки северных и дальневосточных морей России, а также опресненные бухты и эстуарии рек, впадающих в эти моря [20, 24], в то время как представители планктонных холодноводных спор рода Chaetoceros имеют высокие отрицательные нагрузки (–0,263). Данные значения второй компоненты, скорее всего, отражают состояние сообществ диатомовых водорослей, характерное для условий повышения уровня моря (рис. 5).

 

Рис. 5. Распределение представителей экологических групп, виды, имеющие значимые нагрузки по компонентам, и распределение собственных значений трех главных компонент с линией тренда, полученных по колонке Тб-5. Условные обозначения, литология: 1 – пески; 2 – пески мелкозернистые алевритовые; 3 – глина алевритопелитовая; 4 – раковины моллюсков (а) и их обломки (б). МН – морские неритические виды, МСП – морские сублиторальные планктонные, МСБ – морские сублиторальные бентосные

 

Высокие положительные нагрузки для компоненты 3 имеет морской сублиторальный бентосный вид T. сompressa (0,928), в то время как морские неритические виды Chaetoceros ssp. (–0,176), A. senarius (–0,088), а также морские сублиторальный бентосный D. smithii (–0,198) и планктонный мезогалобный O. aurita (–0,084) имеют отрицательные нагрузки. Хотя вклад РС-3 был низким (9%), тем не менее эта компонента оказалась весьма информативной, поскольку бентосная T. сompressa предпочитает прогреваемые морские мелководья. Можно предположить, что третья компонента отражает условия, характерные для тепловодных прибрежных морских обстановок.

Полученные результаты РСА согласуются с данными диатомового и литологического анализов (рис. 5) [25, 26]. Для tDZ 1 (1330–1005 см) в целом характерны низкие собственные значения корреляционной матрицы первой компоненты (до –20), положительные значения второй и третьей варьируют от 1 до 20. В диатомовых палеосообществах зафиксировано преобладание сублиторальных таксонов (до 52,9%) с доминирующим видами D. smithii (до 25,4%) и T. compressa с процентным участием до 29,7%, которые по результатам РСА имеют максимальные положительные нагрузки для РС-2 и РС-3 соответственно. Осадки данной зоны представлены пелитовой фракцией.

Подзона tDZ 1.1 (1330–1190 см) характеризуется низкими собственными значениями РС-1 и РС-3 и относительно высокими второй компоненты. Для осадков, охарактеризованных комплексом этой подзоны, отмечена самая высокая концентрация створок в изученных отложениях. Данная подзона характеризуется преобладанием сублиторальных таксонов (до 52,9%) с доминантом D. smithii (до 25,4%). Палеоэкологическая обстановка, существовавшая во время формирования подзоны tDZ 1.1 с доминированием группы сублиторальных бентосных диатомей, в которой наиболее разнообразен род Diploneis, а также присутствием холодноводных спор рода Chaetoceros из морской неритической группы, указывает на формирование осадков во время еще не самого высокого стояния уровня моря в период трансгрессии и более прохладного климата.

Подзона tDZ 1.2 (1190–1005 см) характеризуется все еще низкими собственными значениями РС-1 (от –20 до –2), но уже с появлением положительного пика этой компоненты (3), относительно высокими значениями РС-3 (до 20) и максимальными РС-2 (10). Именно в этой подзоне происходит резкий рост видового богатства (49 таксонов) и численности отдельных представителей пресноводной группы (до 38,2%). Еще одним признаком подзоны является увеличение обилия переотложенных видов (до 19,3%), что свидетельствует об интенсивности разливов р. Туманная. В экологической структуре диатомовых палеосообществ происходили изменения – в доминирующей сублиторальной группе на ведущие позиции выходит T. compressa (до 29,7%), которая имеет максимальные положительные нагрузки для РС-3. Численность D. smithii остается на прежнем уровне. В интервале подзоны зафиксировано увеличение численности планктонной сублиторальной O. aurita (до 7,3%) и A. senarius (21,0%), имеющих положительные нагрузки для РС-2. В морской неритической группе сокращается обилие спор рода Chaetoceros. Данный род имеет отрицательные нагрузки по всем трем компонентам, тем не менее является очень информативным показателем активного перемешивания прибрежных вод [27, 28]. В современном Японском море представители рода Chaetoceros ssp. доминируют в зимне-весеннем фитопланктоне [29, 30]. Максимальные отрицательные нагрузки для данного рода характерны для второй компоненты, значения которой увеличиваются на границе подзон tDZ 1.1 и tDZ 1.2. В подзоне tDZ 1.2 отмечается разнообразие неритических и сублиторальных таксонов, это указывает на то, что произошло потепление климата, но уровень моря еще не стал максимальным.

Зона tDZ 2 (1005–460 см) характеризуется максимальными собственными значениями первой компоненты (до 42) и низкими РС-2 и РС-3 (рис. 3). Самые высокие показатели обилия таксонов морской неритический группы (до 70,2%) определяет A. senarius (59,3%), имеющий высокие положительные нагрузки для РС-1. Численность представителей сублиторальной группы снижается (до 50,8%), а вот численность сублиторальных планктонных таксонов возрастает до 13,1%. До 12,9%, увеличивается также обилие представителей солоноватоводных планктонных видов. Отмечается сокращение частоты встречаемости таксонов пресноводных и переотложенных форм (~9 и ~3,8% соответственно). Диатомовый комплекс указывает на активную гидродинамику. Осадки данной зоны характеризуются алевритами.

Особенностью подзоны tDZ 2.1 (1005–780 см) являются высокие собственные значения первой (до 20) и второй компонент (до 12) и низкие – третьей (до –8). Подзона отражает рост численности неритической группы (до 54,8%), особенно A. senarius (до 34,6%), имеющей высокие положительные нагрузки для РС-1, и уменьшение участия сублиторальных бентических таксонов (до 50,8%), в частности D. smithii (до 32,5%), определяющей низкие нагрузки для РС-1, и T. compressa (до 13,5%). Также необходимо отметить увеличение обилия солоноватоводных планктонных видов (до 10,6%). Отмечается рост численности таксонов сублиторальной планктонной группы (до 9,2%), в которой высокими оценками обилия характеризуется мезогалобная O. aurita (до 9,2%), имеющая высокие положительные нагрузки для РС-2. Отмечено снижение численности пресноводной и переотложенной групп до 12,6 и до 4,6% соответственно.

Для подзоны tDZ 2.2 (780–460 см) характерны высокие собственные значения корреляционной матрицы первой компоненты (до 42) и низкие – второй (до –12) и третьей (–10) компонент. В данной подзоне зафиксировано максимальное увеличение (до 70,2%) таксонов неритических видов, особенно A. senarius (59,3%). Стоит отметить появление в комплексе данной подзоны океанических таксонов из пелагической группы, а также значительное увеличение численности сублиторальных планктонных видов, среди которых выделяется O. aurita с показателем до 13,0%. До 23,9% увеличивается обилие представителей пресноводной группы, также возрастает доля переотложенных таксонов до 16,3%, что может свидетельствовать о влиянии реки, размывающей древние, миоценовые отложения. Комплекс диатомей фиксирует доминирование сублиторальных видов, но главная компонента, которая дает положительные нагрузки, определяется неритическими таксонами. Это может указывать на условия формирования осадков в активной фазе трансгрессии в теплых климатических условиях в голоцене и повышении уровня моря выше современного (около 1–1,5 м), что согласуется с результатами исследований коллег [13, 17, 31].

Зона tDZ 3 (460–165 см) характеризуется низкими собственными значениями корреляционной матрицы первой (до –19) и третьей (до –17) компонент, а также отдельным положительным пиком второй компоненты (5). Отмечается снижение количества таксонов морской неритической группы (до 51,9%) и увеличение обилия морской сублиторальной бентосной группы (до 48,8%). Вновь возрастает численность D. smithii (до 26,5%) и T. compressa (до 7,7%). Постепенно снижается обилие таксонов пресноводной (до 21,7%) и переотложенной групп (до 11,7%). Полученные данные комплексного анализа отложений данной зоны свидетельствуют о постепенном понижении уровня моря и обмелении бухты. Более того, снижение количества таксонов морской неритической группы и увеличение обилия сублиторальной бентосной группы в осадках горизонтов, для которых зафиксированы высокие показатели РС-2, может говорить об увеличении воздействия речного стока (рис. 5). Слои осадков представлены мелкозернистым алевритовым песком с ракушечным детритом.

Необходимо отметить, что в интервалах (1030–1055; 715–720; 625–630; 505–510; 445–450; 310–115; 250–255; 235–240) обнаружены единичные створки диатомей. Бедность осадков диатомеями в данных интервалах может свидетельствовать об активной гидродинамике, а также о высоких скоростях осадконакопления, во время которого происходило образование изученной толщи отложений, о чем говорят и незначительные изменения в видовом составе диатомей. К сожалению, низкая концентрация створок в препаратах данных интервалов является ограничением использования статистических методов, в том числе РСА.

Заключение

Результаты проведенного исследования показали целесообразность использования метода главных компонент (РСА) в качестве инструмента для установления изменений диатомовых палеосообществ и на этой основе поиска экологических факторов, вызвавших эти трансформации. Результаты PCA упрощают работу исследователя по выявлению главных компонент, указывающих, по сути, на определенные параметры среды или ситуационное состояние экосистемы в конкретный временной промежуток. РСА позволяет представить модель распределения диатомовых водорослей с учетом взаимосвязей, присущих анализируемой системе, а также указать основные тренды изменений палеоусловий и оценить значимость факторов среды, влияющих на эти изменения.

Суммарный вклад главных компонент по результатам анализа диатомей из голоценовых отложений оз. Птичье составил 78% суммарной дисперсии для корреляционной матрицы, что, несомненно, демонстрирует высокую значимость результатов. Полученные данные позволили выявить закономерности изменения палеосообществ диатомовых водорослей в условиях трансгрессивно-регрессивного цикла, соответствующего оптимальной фазе голоцена:

1. Увеличение собственных значений РС-2 (до 10) и РС-3 (до 20), для которых положительные нагрузки обеспечили сублиторальные виды T. сompressa и D. smithii, зафиксировало начальный этап повышения уровня моря в условиях климатического потепления.
2. Максимальные значения РС-1 (до 42), для которой высокие положительные нагрузки определил бореальный неритический вид A. senarius, отразили самое высокое стояние уровня моря.
3. Низкие собственные значения РС-1 (до –19) и PC-3 (до –17) и увеличение значений РС-2 (до 5), которые поддержал максимальными нагрузками вид D. smithii, отметили начало регрессии.

Об авторах

Екатерина Александровна Элбакидзе

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: ekato21@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-3241-4420

младший научный сотрудник

Россия, Владивосток

Александра Владимировна Романова

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Email: sandra_ru@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2884-1197

кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

Россия, Владивосток

Список литературы

Дополнительные файлы