Особое место при изучении водных экосистем занимает оценка баланса органического вещества, который включает в себя разнородные и сложные биотические процессы, протекающие в водоеме. Загрязнение, обусловленное интенсификацией использования водосборов озер и сбросом сточных вод, приводит к нарушению устойчивого равновесия между образованием органического вещества и его деструкцией. Первичная продукция как первоисточник энергии для гетеротрофных организмов и основание трофической пирамиды является главным критерием продуктивности водных экосистем [2]. Отношение валовой первичной продукции к суммарной деструкции планктона является важной характеристикой состояния водоемов для оценки качества их воды [3]. Малые озера Архангельской области, часто являющиеся единственным источником водоснабжения для расположенных вокруг них населенных пунктов, представляются весьма уязвимыми системами, подверженными возрастающему хозяйственному влиянию, а также процессам глобального изменения климата, наиболее проявляемого в высоких широтах. Но, несмотря на значительный запас водных ресурсов в регионе и их активное использование населением, исследованию состояния экосистем малых озер уделяется достаточно мало внимания. Целью представленной работы было изучение продукционно-деструкционных процессов в малых озерах Архангельской области.
Район исследований
На территории Архангельской области условно можно выделить два озерных района: западный, расположенный в бассейне реки Онеги, и восточный, охватывающий тундровую полосу от Мезенской губы до Полярного Урала. Озера Кенозерского национального парка (Масельгское, Вильно) и Ротковецкая группа озер (Святое, Узловское, Белое) находятся в юго-западной части Архангельской области [1]. Представленные ниже результаты получены в ходе экспедиционных работ в 2005-2007 гг.
Материал и методика полевых работ, обработки и анализа данных
В ходе исследований проводились измерения: электропроводности, мкСм/см (с помощью портативного кондуктометра HANNA HI 8733), рН (с помощью портативного рН-метра HANNA HI8314), содержания биогенных элементов (нитритов (NO2-), фосфатов (РO43-), кремния (Si), общего фосфора (Робщ)) с использованием стандартных методов [9].
Интенсивность продукционно-деструкционных процессов определялась методом Винберга в кислородной модификации Винклера [7]. Измерение концентрации растворенного кислорода проводилось электрохимически (оксиметр) и титриметрически (йодометрия). Немедленно после отбора проб проводилось фильтрация через мембранные фильтры ацетата целлюлозы 0,22 микрон. Во всех фильтрованных пробах, проводились измерения растворенного органического углерода с использованием автоматического анализатора Shimadzu TOC 5000.
Рис. 1. Карта-схема расположения озер
Гидрологическая характеристика озер
Особенности формирования гидролого-гидрохимического режимов озер обусловлены факторами, связанными с их морфометрическими и гидрографическими характеристиками. Исследуемые озера отличаются между собой размерами, сложностью рельефа котловины, степенью открытости, стратификацией вод и условиям водообмена. Кенозерский национальный парк (КНП) охватывает территории, уникальные по-своему местоположению и природным характеристикам. Здесь проходит граница Балтийского кристаллического щита и Русской платформы, водораздел между бассейнами Белого и Балтийского морей, с чем связано своеобразие гидрологической сети и распространение гидробионтов. Исследуемые озера южной части КНП (Вильно, Масельгское) с площадью зеркала от 2,7 до 3,44 км3 и максимальными глубинами от 6 до 20 м являются маловодообменными, то есть в них преобладают внутриводоемные гидрохимические процессы. Сложным рельефом дна отличается оз. Масельгское. Ротковецкие озера представлены водоемами с различной степенью антропогенного воздействия. Озера Ротковецкой группы с площадью зеркала от 0,13 до 2,1 км3 и максимальными глубинами от 3,7 до 16,0 м по показателю условного водообмена являются сильно- и средневодообменными [6]. Сложный рельеф дна характерен для самого большого в группе оз.Святого. По значению удельного водосбора исследуемые озера относятся к озерам с малым удельным водосбором (< 10) [4, 5].
Гидрохимическая характеристика озер
В результате исследований озер в 2005-2007 гг. установлено, что воды озер Святое, Узловское и Белое относятся к среднеминерализованным (126,2–197,5 мкСм/см), Масельгское и Вильно - к маломинерализованным (35,0-73,8 мкСм/см), гидрокарбонатного класса кальциевой группы. Средние величины рН озер варьировали в пределах 7,3–7,7. Кислородный режим их является в основном благоприятным для функционирования гидробионтов, за исключением периодов летней и зимней стагнации, когда содержание растворенного кислорода снижалось до 1% насыщения на глубоководных станциях. Исследуемые озера характеризуются более высокими концентрациями биогенных элементов в придонном горизонте по сравнению с поверхностным, что обусловлено процессами минерализации растительных остатков и активными процессами химического обмена, происходящими на границе водораздела вода-дно (слой иловых масс). Лишь озеро Узловское, подвергающееся антропогенному прессингу в виде хозяйственно-бытовых стоков, характеризовалось в период исследований более высоким содержанием биогенных элементов в поверхностном горизонте. В сезонной динамике биогенных элементов во всех озерах отмечена тенденция накопления их в условиях подледного режима и снижения их содержания в течение вегетационного периода (в Ротковецких озерах средние значения содержания фосфатов в поверхностном горизонте варьировали в пределах 11,61–27,59, в придонном – 20,85–29,15 мкг/л; общего фосфора в поверхностном горизонте в пределах 41,23–50,04, придонном – 42,35–54,27 мкг/л); для озер КНП содержание общего фосфора, фосфатов 1,5-2 раза ниже. Величины содержания неорганического азота во всех озерах были примерно сопоставимы (средние значения аммонийного азота составили 44,3-54,6 мкг/л; содержание нитритов минимально (1,2-1,7 мкг/л); величины концентраций нитратов варьировали в пределах 53,4-57,5 мкг/л).
Характеристика продукционно-деструкционных процессов в озерах
В Архангельской области исследования продукционно-деструкционных процессов не проводились. Сезонная динамика продукционно-деструкционных процессов изучалась на примере Ротковецких озер. Величины первичной продукции, близкие к нулю, отмечены в условиях подледного режима, когда подо льдом и покрывающим его слоем снега фотосинтез планктона практически прекращается. Деструкция органического вещества планктоном также подвержена сезонным изменениям. Максимальные показатели дыхания планктона зафиксированы в августе 2006 года во всех озерах (10,6 мг С/(м3×сут) в оз.Святое, 149,1 мг С/(м3×сут) в оз.Узловское и 89,0 мг С/(м3×сут) в оз.Белое). Поскольку данный период характеризовался массовым развитием водорослей, как следствие, усиливались процессы аэробной деструкции органического вещества, образованного при фотосинтезе.
В августе 2006 года при условиях массового развития фитопланктона, отражающего уровень прироста первичной продукции, определялись основные закономерности скорости образования органического вещества и его деструкции в зависимости от глубины. Фитопланктон в большей степени подвержен влиянию температуры воды, что подтверждается корреляционным анализом. Повышение температурных показателей влечет за собой повышение интенсивности развития фитопланктонных сообществ, оказывающих влияние на значения рН воды (r=0,730, p<0,01). Изучение взаимосвязей между показателями валовой первичной продукции, деструкции органического вещества и чистой первичной продукции Ротковецких озер и основными абиотическими факторами, выявило положительные корреляционные зависимости валовой первичной продукции с температурой и рН воды (r=0,598, p<0,01; r=0,729, p<0,01); чистой первичной продукции - с температурой воды.
Исследования продукционно-деструкционных процессов в период развития фитопланктона в озере Святое (август 2006 г.) позволили выявить суточную динамику интенсивности фотосинтеза фитопланктона и деструкции органического вещества планктонными сообществами. Так, результаты пяти экспозиций в течение суток, указывают на наиболее интенсивное образование первичной продукции в период с 15.00 по 19.00 час. Показатели деструкции органического вещества планктоном минимальны в утренние часы (3,1 мг С/(м3×сут)). Повышение данных показателей отмечено в период с 15.00-19.00 час., за счет интенсификации микробиологических процессов [10]. До полуночи отмечен спад скорости деструкционных процессов, после чего в период с 00.00 по 8.00 часов зафиксирован максимум показателей деструкции органического вещества наряду с отсутствием продукционных процессов. По данным В.И. Романенко [8] в умеренных широтах летом на рассвете прирост органического вещества происходит медленно – за 2 часа он равен 2,5% от суточной величины. После 6 часов в солнечные дни интенсивность фотосинтеза достигает максимальных величин между 8–12 и 14–18 часами. Следовательно, максимальный прирост первичной продукции вещества в малых озерах среднетаежной подзоны происходит во второй половине дня, когда факторы, определяющие развитие фитопланктона, наиболее благоприятны.
Для сравнительной характеристики интенсивности продукционно-деструкци-онных процессов исследовали озера, относящиеся к одному водосборному бассейну, но достаточно удаленные друг от друга. Так, озера Вильно и Белое, характеризующиеся небольшими глубинами и сходными гидрологическими характеристиками, близки по валовой первичной продукции (рис. 2). Однако величины чистой продукции (ЧП) и деструкции (Д) органического вещества выше в озере Белое, где происходит накопление органического вещества и дальнейшая бактериобентосная деструкция в иловом слое. Можно предположить более сильную сельскохозяйственную нагрузку на оз.Белое (на берегу озера располагались сельскохозяйственные угодья) по сравнению с оз.Вильно, располагающемся в Национальном парке. На это указывает и то, что содержание общего фосфора и легкоокисляемого органического вещества по БПК5 в озере Белом почти в 2 раза выше, чем в озере Вильно. Содержание нитратов в озере Белом на порядок ниже (4,38 мкг/л), чем в озере Вильно (33,91 мкг/л), содержание аммонийного азота выше в 1,8 раза, что, возможно, указывает на то, что из-за высокого содержания органического вещества процессы нитрификации не протекают, происходят процессы аммонификации.
Рис. 2. Соотношение показателей валовой первичной продукции (ВП), чистой первичной продукции (ЧП) и деструкции органического вещества в малых озерах водосборного бассейна Белого моря в летний период 2006 года
В озере Святое первичная продукция в период развития фитопланктона характеризовалась максимальными значениями (1102 мг С/м3·сут), в то время как деструкция была минимальна среди исследованных озер. Подобный дисбаланс можно объяснить антропогенной нагрузкой (маслозавод), проявляемой в северной, мелководной части озера с замедленным водообменом.
С целью установления взаимосвязи между ПП и химической, и гидрологической стратифицированностью экосистем озер, было изучено вертикальное распределение продукционно-деструкционных параметров в озерах Масельгское и Вильно. В оз.Масельгское, характеризующемся хорошо выраженной вертикальной стратификацией, продукционные процессы ограничены глубиной фотического слоя, о чем свидетельствует рисунок 3. Скорость образования органического вещества фитопланктоном уменьшается с глубиной с некоторыми вариациями в фотическом слое в силу наличия переходной зоны, контролирующей вертикальное распределение биологических и химических параметров.
| | |
| озеро Масельгское (водосборный бассейн Балтийского моря) | озеро Вильно (водосборный бассейн Белого моря) |
Рис. 3. Вертикальное распределение показателей валовой продукции и деструкции органического вещества в малых озерах южной части КНП (июль 2007 г.)
Аэробная деструкция органического вещества несколько повышается в нижнем горизонте фотического слоя. В мелководном оз.Вильно в летний период 2007 года в условиях массового развития фитопланктона отмечено некоторое увеличение валовой продукции в придонном горизонте. Суточные наблюдения за ходом основных гидрохимических показателей позволили достоверно зафиксировать более высокие значения растворенного кислорода и биомассы фитопланктона в придонном горизонте по сравнению с поверхностным. Очевидно, в силу мелководности озера, придонный горизонт является активной составляющей фотического слоя, куда проникает солнечная энергия и содержание биогенных элементов несколько выше по сравнению с поверхностным.
Изучение распределения концентраций растворенного органического углерода (РОУ) в озерах Кенозерского национального парка (июль, 2007 год), выявило максимальные концентрации в озере Масельгское, содержание которого варьировало по глубине столба в пределах 14-21 мг/л. В мелководном озере Вильно содержание данного показателя практически не изменялось и составило 9,0 в поверхностном и 9,1 мг/л в придонном горизонтах, что согласуется с квазипостоянным распределением биомассы. На стратифицированной станции озера Святое содержание растворенного органического углерода увеличивалось с поверхностного горизонта к придонному от 5,8 до 16,6 мг/л; в озере Белое данный показатель составил 15,6-16,1 мг/л.
Вариации концентраций растворенного неорганического углерода (НСО3-) между исследуемыми озерами (Вильно и Масельгское - 0,00043 М < Святое - 0,0013 М < Белое - 0,0019 М) отражают различное влияние литологии подстилающих пород и не связаны напрямую со степенью трофности водоемов. Можно предположить, что озера Святое и Белое в большей степени подвержены влиянию водосборов рек (ручьев), дренирующих карбонатные породы (известняки, мергели). Воды, питающие озера Масельгское и Вильно, контактируют с силикатными породами (гранитной мореной). В то же время, повышенное содержание бикарбонат-ионов в оз.Белое по сравнению с оз.Святое, дренирующим одни и те же породы, может быть связано с более интенсивными процессами бактериальной деструкции в первом.
По трофическому статусу, исходя из средних показателей величин суточной первичной продукции, исследованные озера можно определить как мезотрофные [3].
Заключение
Максимальная скорость образования первичной продукции во всех озерах отмечена в период массового развития фитопланктона во второй половине лета, минимальная – в зимний период. Выявлена взаимосвязь продукционно-деструкци-онных показателей с основными абиотическими параметрами среды. Изучение суточной динамики интенсивности продукционно-деструкционных процессов показало, что максимальный прирост первичной продукции органического вещества происходит во второй половине дня, когда факторы, определяющие развитие фитопланктона, наиболее благоприятны. Распределение показателей первичной продукции и деструкции органического вещества по вертикали в фотической зоне характеризуется усилением деструкционных и ослаблением продукционных процессов с глубиной. РОУ, биомасса фитопланктона и первичная продукция подвержены наименьшим вариациям по глубине водного столба в мелководных озерах Вильно и Белое, несмотря на контрастность в содержании РОУ, бикарбонат-ионов и биогенов. Стратифицированные озера Масельгское и Святое демонстрируют уменьшение ПП, биомассы фитопланктона и РОУ в придонном слое по сравнению с поверхностным, причем относительное уменьшение последнего показателя в оз.Святое в два раза выше. Это согласуется с более интенсивными процессами бактериальной деструкции в оз. Святое и более сильной эвтрофированностью оз.Масельгское. Соотношение продукционно-деструкционных процессов свидетельствует об идущих процессах самоочищения в озерах, однако не все экосистемы способны к полной деградации образованного органического вещества, что указывает на эвтрофирование озерных систем. Таким образом, исследованные озера Архангельской области, как показали результаты исследований продукционно-деструкционных процессов, относятся к водоемам различной степени трофности, что обусловлено гидрологическими особенностями экосистем, литологией пород, составом вод питающего бассейна и различное степенью антропогенной нагрузки. Контрастные озера стационара Ротковец представляются наиболее интересными объектами для количественной оценки антропогенной нагрузки и ее временной трансформации в экосистеме водоема. Представляется, что комплексная оценка влияния удобрений, наземного и водного транспорта, водозабора для хозяйственных нужд, и локальных сбросов сточных вод напрямую связана с промышленно-хозяйственной и демографической эволюцией примыкающего региона. Для установления систематических временных трендов в эволюции химического состава, гидрологических характеристик и продукционно-деструкционных биологических процессов и их связи с изменением промышленно-хозяйственной ситуации, либо с наличием глобальных климатических трендов требуется комплексная работа специалистов различных областей знаний, которая необходима для получения непрерывного ряда многолетних наблюдений.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Фонда содействия отечественной науке; грантов Уральского отделения РАН и администрации Архангельской области;РФФИ (№ 08-05-98810 «Биогеохимические процессы циклов углерода и серы в экосистемах малых озер таежной зоны северо-запада России (на примере Архангельской области)».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Агроклиматический справочник по Архангельской области. – Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 220 с.
2. Бульон В.В. Первичная продукция и рыбопродуктивность водоемов: моделирование и прогноз // Биология внутренних вод. 2006. №1. С. 48-56.
3. Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов. - Минск, 1960. 329 с.
4. Григорьев С.В. О некоторых определениях и показателях в озероведении. – Тр. Карельск. фил. АН СССР, 1959, в. 18, с. 29-45.
5. Драбкова В.Г., Сорокин И.Н. Озеро и его водосбор – единая природная система. Л., "Наука", 1979, 195 с.
6. Климов С.И., Широкова Л.С., Забелина С.А., Воробьева Т.Я., Морева О.Ю. Особенности формирования термической структуры озер Ротковецкой группы // Современные проблемы науки и образования. 2008, №3, С. 9-14.
7. Методы определения первичной продукции в водоемах / В.М.Хромов, В.А. Семин; Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова, Биол. фак. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1975. 123 с.
8. Романенко В.И., Распопов И.М., Гак Д.З. Микроорганизмы и процессы продукции и деструкции органического вещества в озерах и водохранилищах // Гидробиологический журнал, том 18, 1982. №4. С. 3-12.
9. Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана. – М.: Изд-во ВНИРО, 2003. 202 с.
10. Широкова Л.С., Воробьева Т.Я., Забелина С.А. Структура бактериопланктона озера Святое Ротковецкой озерно-речной системы // Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий. Тезисы докладов на Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 2005. С.117.
Библиографическая ссылка
Широкова Л.С., Воробьева Т.Я., Забелина С.А., Морева О.Ю., Климов С.И. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКЦИОННО-ДЕСТРУКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ МАЛЫХ ОЗЕР АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2008. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=1107 (дата обращения: 19.04.2024).