CC BY
18
Донные отложения озер бассейна реки Суна Bottom sediments Suna river basin
УДК 551.312 : 556.51 (470.22) DOI 10.24411/2658-3569-2019-14017
Исследование выполнено в рамках государственного задания ИВПС КарНЦ РАН при поддержке гранта РФФИ 18-45-100002_р Белкина Наталья Александровна, кандидат географических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9928-022X, Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск, [email protected]
Belkina Natalia Aleksandrovna, Ph.D., Associate Professor, Senior Researcher, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9928-022X, Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre of Russian Academy of Sciences, Petrozavodsk, [email protected]
Аннотация. Изучение озер бассейна р. Суны (третьего по величине притока Онежского озера) позволило оценить особенности формирования их донных отложений. В статье обсуждаются различия химического состава донных отложений озер верхнего и нижнего течения реки в зависимости от заболоченности водосбора, гидрологического режима водоема и состава пород водосборной территории. Донные отложения большинства озер бедны органическим веществом. Выявлено, что в осадках озер Верхней Суны преобладают аллохтонные гумусовые вещества. В илах много железа и мало фосфора. В водоемах Нижней Суны превалируют автохтонные гумусовые вещества, мало железа и относительно много фосфора.
Summary. The results of the research allowed to assess the features of the formation of bottom sediments in the lakes of the Suna river basin (the third largest tributary of Lake Onego). The differences in the chemical composition of bottom sediments of lakes of the upper and lower reaches of the river are discussed in the artical depending on the swampiness of the catchment, the hydrological regime of the lake, and the composition of the rocks in the catchment area. The bottom sediments of most lakes are poor in organic matter. It was revealed that allochthonous humus substances prevail in sediments of the Upper Suna lakes. Silts are rich in iron and low in
phosphorus. Autochthonous humus substances prevail in the Lower Suna lakes. The sediments are low in iron and relatively high in phosphorus.
Ключевые слова: донные отложения, химический состав, гидрологический режим. Key words: bottom sediments, chemical composition, hydrological regime.
Введение
Гидрологическая изученность бассейна Онежского озера - одна из наиболее высоких на Европейском Севере России. Суммарный среднемноголетний годовой речной сток в Онежское озеро равен 17.3 км3. Река Суна является третьим по величине притоком, с объемом 2.27 км3 и площадью водосбора 6.79 км2 [1]. Поверхность водосбора р. Суны покрыта преимущественно подзолистыми, подзолисто-глеевыми и заболоченными почвами. На большей части бассейна (кроме нижнего участка) почвы образованы на кислой морене и бедны основаниями, а повышенная кислотность (рН 3-5) приводит к вымыванию из почв вместе с органическим веществом кальция, магния и железа поверхностными почвенными водами. В этих условиях формируются донные отложения водоемов бассейна [2]. Существенную роль также играет заболоченность водосборной площади. Верхняя и средняя части бассейна сильно заболочены (до 30-40 %), в нижнем районе заболоченность не превышает 5-10 %.
В бассейне р. Суны хозяйственная деятельность связана в основном с лесоразработками и гидроэнергетикой. Строительство каскада Сунских ГЭС привело к изменению гидрографии нижнего участка реки. Направление основной части Сунского потока по новому руслу нарушило гидрологический режим озер Палье и Сандал. Бассейн р. Суна неплохо изучен в гидрологическом и гидрохимическом отношениях. Значительно меньший материал имеется по донным отложениям, а их химический состав практически не изучался.
Целью исследования является оценка особенностей формирования донных отложений и их химического состава в озерах бассейна р. Суны.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являются 7 озер верхнего течения р. Суна (выс. н.у.м. 164-178 м): Лубоярви (63°00'; 31°56'), Вонгозеро (62°57'; 31°58'), Мярат (62°55'; 32°04'), Суккозеро (63°11'; 32°14') Ройк-Наволоцкое (63°02'; 32°10') Гимольское (62°59'; 32°18') Кудомгубское (62°52'; 32°29') и 3 озера нижнего участка р. Суна (выс. н.у.м. 60-70): Сундозеро (62°23'; 33°52'), Сандал (62°23'; 34°09'), Палье (62°35'; 33°47') (рис.). Гидрологические характеристики исследованных озер представлены в таблице 1. В работе анализируются данные химического состава донных отложений из коллекции ИВПС
КарНЦ РАН за 1970-2010 гг. Отбор проб производился дночерпателями (Экмана — Берджа и Либерсена), а также трубкой ГОИН. Содержание органических веществ (ОВ), органического углерода (Cорг), гуминовых (Сгк) и фульвовых (Сфк) кислот, органического (Nорг) и минерального (Nмин) азота и фосфора общего (?общ) и легкоподвижного (?лаб), потерей при прокаливании (ППП), Eh, pH определялись общепринятыми методами [4]. Растительные пигменты экстрагировали из свежего грунта 90 % ацетоном с последующим определением на спектрофотометре [5]. Содержание металлов определяли методом РФА.
Рис. Объекты исследования
Таблица 1
Гидрологические характеристики озер бассейна р. Су на [3]
Озеро Площадь -зеркала. Глубина, ы Объем водной массы, KW" Площадь Водосборного бассейна, км2 Период условного водообмена, год
средняя наиоолыоая
Зонгозеро 21.60 17.3 5.S 0.1250 236.0 1.40
Лубоярви 22.00 S.7 1.7 0.0376 147 0.64
!\1ярат 14. SO 14.9 4.3 0.063S 431.0 0.41
Суккозеро 36.90 2S.4 5.4 0.19S0 291.0 1.74
Ройк- Наво л оке кое 25.10 21.5 2.5 0.0640 14S5.0 0.12
Гиьшольское SO.50 30.0 3.3 0.2650 2590.0 0.29
Кудамп'б ское 12.40 2.5 16 0.0195 2770.0 0.02
Палье озеро 100.20 74.0 1S.0 1.S000 6110.0 0.97
Сандал 1S5.00 5S.0 9.7 1.8000 6620.0 0.S9
Сундо-зеро 55.00 41.5 9.1 0.5000 380.0 4.56
Результаты и обсуждение
Озера Лубоярви, Вангозеро и Мярат расположены в северо-западной части водосбора р. Суна и входят в озерно-речную систему р. Чеборы, являющейся притоком оз. Ройк-Наволоцкого и вытекающей из озера Мярат. Площади водосборов этих озер небольшие, и они представляют группу стареющих водоемов. Основаниями для того служат повсеместные признаки обмеления и усыхания, особенно оз. Лубоярви, где около половины всей площади зеркала озера находится в стадии зарастания. Берега этих озер довольно разнообразны, но наибольшее распространение имеют низкие и отлогие. Подводный рельеф сильно расчленен, с множеством луд, подводных и надводных камней и отмелей [6].
Озеро Лубоярви — самое мелководное из всей группы и отличается спокойным рельефом дна. Озеро Вангозеро наиболее глубокое, с увеличением глубин от северо-запада к юго-востоку, а Мярат отличается чрезвычайной расчлененностью рельефа: по всей площади озера встречаются многочисленные луды, часто чередующиеся с ямами. Ледниковый генезис озер и признаки их старения указывают на мощные залежи донных осадков, которые представлены в основном илами зеленого, серого и бурого цветов. Чистые глины отмечены только в западной части оз. Лубоярви. Каменистые отложения (валуны, галька, гравий), являющиеся продуктами разрушения пород, слагающих берега водоемов, наиболее распространены в оз. Мярат. В Лубоярви и Вангозере они встречаются также как и пески, в литоральной зоне, на лудах и отмелях. Рудные отложения в виде корок, наилков, прослоек — гороховидных и комковатых конгломератов встречены на всех озерах, но наиболее значительные площади дна покрыты рудой в водоемах Лубоярви и Мярат. В прошлом все три озера играли большую роль как рудоносные, а оз. Мярат в течение нескольких лет было источником железной руды для Валаамского чугуноплавильного завода.
В формировании химического состава донных отложений существенное значение здесь имеет заболоченность водосборной площади (до 40 %) с преобладанием верховых болот, воды которых содержат большое количество органических веществ. Их концентрации в осадках этой группы озер колеблются в широких пределах: от 10.6 (Лубоярви) до 22.1 % (Мярат, табл. 2). В органическом веществе озер доминируют гуминовые кислоты. Судя по величине отношения С^ (8.6-9.6) и гуминовуму коэффициенту (55.1 - 60.3 %), отражающему процентное содержание гуминовых веществ в составе ОВ. ОВ можно охарактеризовать как легкоокисляемое, со сравнительно высоким содержанием азота (табл.2). Легкоподвижного фосфора мало, особенно в илах оз. Вангозеро (0.002 %). Мало в донных отложениях и минерального азота, его суммарные количества колеблются от 0.002 до 0.081 %. Нитриты отсутствуют, а нитраты определены в очень незначительных концентрациях (до 0.0005 %). Отличительной особенностью илов оз. Мярат является высокое содержание в них аммонийного азота (0.007-0.02 %), что указывает на активную трансформацию органических веществ, наибольшее количество которых, как было указано выше, отмечено в этом озере. Содержание железа превышает кларковые значения в полтора (Лубоярви) и почти в два раза (оз. Вангозеро). По справочным данным [3] в воде озер количество железа, особенно закисного высокое и в придонных горизонтах достигает 0.8-1 мг/л. Вероятно железо в водоемы поступает с поверхностными и почвенными водами.
Оз. Суккозеро расположено в северо-восточном ареале водосбора верхней части р. Суны. Берега преимущественно каменистые, склон дна крутой. Это озеро является водоемом запрудного типа. Через него протекают река Суккозерка, впадающее в озеро Гимольское. Озеро неглубокое, дно неровное со впадинами и поднятиями, образующими подводные луды и ямы. Высшая водная растительность развита слабо. Донные отложения представлены илами темно-зеленого и темно-коричневого цветов, встречаются железистые конкреции и корки.
Таблица 2
Содержание органического вещества и биогенных элементов в
донных отложениях озер Верхней Суны (в % от воздушно-сухого веса)
Озеро Сорг Сгк Сфк Nopr Рлаэ Ре
ЛуО ОЯРЕИ 2.7-9.1» 4.6-1 5.7 1.7-4.7 0.3-2.1 D.55-O.S5 0.001-0.003 0.012-0.015 1.2-1.6
6.1 10.6 3.4 1.3 0.75 0.002 0.013 1.4
Вонгоз еро 6.1-lO.S 10.5-1S.7 2.7-5.5 1.1-3.0 D.S6-0.96 O.OOB-O.Ol 0.001-0.002 1.7-3.1
S. 1 14.1 3.7 1.8 0.93 О.ООВ 0.002 2.4
!VLapaT 9.3-19.0 16.4-32.7 5.7-7.6 3.4-4.6 0.91-1.5 0.007-0.02 0.01-0.01 1-1.3
12.7 22.1 6.6 з.а 1.2 О.ООЭ 0.01 1.1
Суккозгро 3.2-10.5 5.5-1S.2 2.3-4.5 0.4-3.1 0.36-1.14 0.003-0.009 0.0 15-0.12 0.4-0.7
S. 1 13.9 4.3 1.S 0.55 0.004 0.07 0.6
Р ойк-Наволокское 2.7-5.5 4.7-9.6 не огЕр. не опр. 0.06-О.З 5 0.002-0.004 0.001-0.00S 0.S-2.1
4.1 7.1 0.23 0.004 0.001 1.4
Гиыольское 0.8-4.5 1.3-7.3 0.5-2.4 0.1-0.9 0.14-0.55 0.001-0.016 0.003-0.013 0.08-4
3.0 5.1 1.6 О.З О.З 7 О.ООВ 0.007 2.3
Кудоыг>:сское 1.7-3.4 3.0-5.9 0.7-1.9 0.2-0.8 0.33-0.53 0.002-0.004 0.001-0.002 0.9-3
2.5 4.4 1.3 0.5 0.41 О.ООЗ 0.001 1.В
Примечание: над чертой пределы колебаний, под чертой среднее значение.
По содержанию органических веществ в илах (18.2 %) данный водоем почти аналогичен оз. Вонгозеру (табл.2), но по качественному его составу наблюдаются различия. В Суккозере выше концентрации гуминовых кислот и отношение Сгк:Сфк составляет 3.3 против 2.1. Очевидно, в данный водоем поступает больше болотного гумуса. Высокий гуминовый коэффициент (в среднем 61.8 %), указывает на замедленные процессы трансформации органических веществ в донных отложениях. Максимальные значения ОВ определены в темно-зеленых илах центральной, наиболее глубоководной зоны озера. Илы бедны азотом как органическим, так и минеральным (табл. 2). Из минеральных форм преобладающей является аммонийная (0.027-0.094 %), нитритов нет, а нитратов крайне мало (0.0002-0.0007 %) с максимумом в отложениях северо-восточной губы озера. В илах этого водоема, особенно центрального плеса, отмечено высокое содержание (0.072-0.12 %) легкогидролизуемых соединений фосфора (табл. 2), их показатели почти на порядок выше, чем в озерах Чебинской группы. В отличие от названных выше озер железа в осадках значительно меньше (табл. 2) и его количество ниже кларков.
В верховье Суна протекает через ряд больших озер, таких как Ройкнаволоцкое, Гимольское и Кудомгубское. Как уже указывалось, первое озеро принимает сток с группы озер (Лубоярви, Мярат, Вонгозеро) притока реки Чебора, а Гимольское — с рек Вотта, Мотко, Таросозерка, Суккозерка. Все водоемы характеризуются высокой проточностью, местами наблюдаются ясно выраженные течения. Коэффициент условного водообмена озера Гимольское равен 3.25, т.е. вода в нем меняется в течение одного года более 3 раз. В оз. Ройкнаволоцком коэффициент водообмена 7.1, вдвое выше, чем в Гимольском, а в оз. Кудомгубском он равен 47, т.е. озеро еженедельно меняет свой объем.
Однообразие химического состава вод притоков восточной и западной частей водосбора указывает на идентичность условий их формирования и слабую трансформирующую способность озер. Названные водоемы мелководные, прогреваемые до дна. В них хорошо развита высшая водная растительность, особенно в заливах, губах и устьях притоков, а также у островов. Берега оз. Ройкнаволоцкого, в основном, возвышенные, покрыты лесом; встречаются низкие болотистые, а Гимольского и Кудамгубского — большей частью низкие, заболоченные, реже каменистые и песчаные отмели.
Донные отложения представлены, в основном, илами, глинистыми илами и глиной. Цвет ила серый, серо-зелёный. Рудные отложения отмечены на всех озёрах в виде корок, гороха и наилков.
Несмотря на заболоченность бассейна, высокую окисляемость и цветность воды, в донных отложениях не происходит накопления органических веществ. Содержание его в осадках низкое (табл. 2) и генезис не ясен. В органическом веществе, как и в вышеуказанных озёрах, преобладают гуминовые кислоты (Сгк:Сфк= 2.8 - 3.3). Вероятно, они образуют с кальцием малорастворимые соли-гуматы, тем самым задерживая трансформацию органических веществ в воде, а высокий водообмен и проточность обусловливают их вынос в виде мелкодисперсных взвесей из водоёмов.
Максимальные концентрации органического азота (0,41% , табл. 2) определены в илистых осадках оз. Кудомгубского, наименьшие - в Ройк-Наволокском. Мало в илах и азота минерального. Основной формой его является аммонийная. Азот нитритный практически отсутствует, а нитратный колеблется от 0.0002 % (оз. Кудомгубское) до 0.0005 % (оз. Гимольское). Немного в осадках легкоподвижного фосфора (табл. 3), его количество почти на порядок ниже, чем в Чебинских озерах. Донные отложения этих водоемов относительно богаты железом, и его содержание превышает кларковые значения в 1.5-2 раза. Источником поступления являются болотные и грунтовые воды, вымывающие растворимые формы железа из почв и моренных отложений. Хорошая аэрация и невысокое содержание органических веществ в водах этих озер способствуют выпадению железа из раствора, осаждению и накоплению его на дне.
В нижнем участке р. Суны сосредоточены самые большие озера бассейна — Пальеозеро, Сандал и Сундозеро. Поверхностные и грунтовые воды здесь имеют нейтральную и слабощелочную реакцию по сравнению с кислыми водами верхней Суны (Грицевская, 1959), заболоченность водосбора незначительна. В связи со строительством Кондопожской ГЭС и постройкой плотины, сунские гумусные воды были направлены по искусственно созданному каналу в Пальеозеро и оттуда через р. Ниву в оз. Сандал. Поступление сунских вод вызвало изменение гидрохимического режима оз. Пальеозеро и сказалось на его гидрологии и фауне. Из светловодного олиготрофного озера оно превратилось в мезотрофное с гумифицированной водной массой водохранилище.
Основной рельеф дна озер Пальеозеро, Сандал и Сундозеро имеет плавные очертания, берега сложены преимущественно из твердокаменных пород, мало поддающихся эрозии, что является одной из причин слабого процесса осадконакопления. Эти озера относятся к группе со средними глубинами, а Палье к глубоким. Водная растительность развита слабо и простирается узкой полосой по берегам заливов. Площадь дна озер большей частью (6070 %) покрыта илами серо-зеленого и коричневого цветов. На Сундозере и Сандал встречаются отложения озерной руды. У берегов распространены песчаные и каменистые
осадки. Донные отложения озер этого района характеризуются высокими значениями Eh (+347; +450), рН колеблется от 5.74 (Пальеозеро) до 7.1 (Сундозеро, табл.4). Характерной особенностью илов оз. Сандал являются высокие показатели потери при прокаливании (23.9-50.3 %) на фоне сравнительно небольших величин гумуса и углерода (табл. 3), что указывает на богатство осадков карбонатами, в связи с наличием здесь в породах доломитизированнных известняков. Органических веществ в донных отложениях этих озер сравнительно небольшое количество. Самые низкие их концентрации наблюдаются в донных отложениях оз. Сундозеро (2.25 %). Органическое вещество во всех озерах хорошо гумифицировано с доминированием гуминовых кислот (^к^ф^О — 1.8), но общее содержание гуминовых веществ в этом районе бассейна значительно ниже, чем в водоемах участка верхней Суны. Растительные пигменты в органическом веществе составляют 0.10.2 %. Отсутствие хлорофилла "с" и превалирование феофитина указывают на активную минерализацию растительных пигментов в воде и донных отложениях. Судя по косвенным показателям (С^, гуминовым веществам и составу растительных пигментов), ОВ в илах этих озер биохимически стойкое, оно сравнительно бедно органическим азотом, за исключением оз. Сандал, где его количество в шесть раз выше, чем в Сундозере и Палье. Азот минеральный колеблется от 0.015 (оз. Сундозеро) до 0.06 % (оз. Сандал, табл. 3) и его величины на порядок выше таковых параметров в водоемах верхней Суны. Донные отложения озер сравнительно богаты фосфором, как общим, так и минеральным (табл.4), особенно илы оз. Сундозеро (Робщ=0.13 %). Вероятно, обогащение осадков этого озера фосфором происходит за счет поступления в него стока из оз. Пялозеро (эвтрофного водоема) в котором, ряд лет наблюдаются сравнительно высокие концентрации этого элемента в воде и донных отложениях. Марганца немного, и только в илах оз. Сундозеро его содержание превышало кларк. В этом же водоеме обнаружены в повышенных количествах тяжелые металлы — такие, как V, Н и Zn (табл. 4).
Таблица 3
Химический состав донных отложений озер нижнего участка р. Суны
Озеро Eh рН 1 Hill | Ссрг | ГЧ-mvc | Спс | Сфк | tntc-рг | i posm | рянн Пнгмен1ы
IvxB п'а е. С. н. мкг.-т
Сундозеро 450 7.1 14.8 1.3 2.2 0.05 0.03 0.1 0.015 0.095 0.032 3.48
Сандал 357 6.8 37.1 7 12 0.2 0.16 0.57 0.045 0.091 0.043 15.82
Паль еозеро - 5.7 12.4 3.6 6.2 1.1 1.27 0.12 0.032 0.088 0.021 7.58
Таблица 4
Металлы в донных отложениях озер нижнего участка р. Суны
Озеро Ti ZVLti Tsii Со Сг V Си РЬ Zn
°--t> >.1ЬСг/г
Сундозеро 0.34 2.40 2.8 1.7 6.3 9 8.5 2.6 7
Сандал 0.21 0.08 2.0 1.5 5.1 5.6 4.8 2.0 9
Пальеозеро 0.29 0.07 2.8 1.4 5.2 6.5 4.8 1.7 6
Заключение
Анализ данных химического состава донных отложений озер бассейна р. Суны позволяет выявить некоторые отличия по сравнению с другими озерами Карелии, что связано с характером их гидрологического режима и геоморфологическим строением. Озера Верхней Суны характеризуются высокой проточностью и большим водосбором. Заболоченность территории, широкое распространение кислых горных пород — все это в совокупности отразилось на особенностях формирования донных отложений и их химического состава. Донные отложения большинства озер сравнительно бедны органическим веществом. В озерах Верхней Суны, имеющих поверхностное питание, преобладают аллохтонные гумусовые вещества. В илах много железа, концентрации которого повсеместно превышают кларковые значения, а легкоподвижного фосфора мало. В водоемах Нижней Суны с доминированием грунтового питания превалируют автохтонные гумусовые вещества. Здесь в донных отложениях мало железа и относительно много фосфора.
Список использованной литературы
1. Крупнейшие озера — водохранилища Северо-Запада европейской территории России: современное состояние и изменение экосистем при климатических и антропогенных воздействиях //под. ред. Филатова Н.Н., Калинкиной Н.М., Куликовой Т.П., Литвиненко А.В., Лозовика П.А. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2015. 375 с
2. Бахмет О.Н. Структурно-функциональная организация органопрофилей почв лесных экосистем Северо-Запада России Автореф. дис. ... докт. биол. наук: 03.02.08, Петрозаводск. 2015. 49 с.
3. Озера Карелии. Справочник. / Под ред. Н.Н. Филатова, В.И. Кухарева. Петрозаводск, изд-во: КарНЦ РАН, 2013. 464 с.
4. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1982. 490 с.
5. ГОСТ 17.1.04.02-90 Методика спектрофотометрического определения хлорофилла а. 20 с.
6. Васильева Е.П., Поляков Ю.К Каталог озер Карелии донные отложения. Петрозаводск, 1992. 154 с.
References
1. The largest lakes-reservoirs of the north-west European part of Russia [Krupnejshie ozera — vodokhranilishha Severo-Zapada evropejskoj territorii Rossii: sovremennoe sostoyanie i izmenenie ehkosistem pri klimaticheskikh i antropogennykh vozdejstviyakh] / Ed. Filatov N.N.,
Kalinkina N.M., Kulikova T.P., Litvinenko A.V., Lozovik P.A.. Petrozavodsk: KRC RAS, 2015. 375 p.
2. Bakhmet O.N. The structural-functional organization of the organo-profiles of soils of forest ecosystems of the North-West of Russia Abstract of the dissertation of the doctor of biological sciences: 03.02.08 [Strukturno-funktsional'naya organizatsiya organoprofilej pochv lesnykh ehkosistem Severo-Zapada Rossii Avtoreferat dissertatsii doktora biologicheskikh nauk: 03.02.08] Petrozavodsk, 2015. 49 p.
3. Lakes of Karelia. Directory. [Ozera Karelii. Spravochnik.] / Ed. N.N. Filatov, V.I. Kukharev. Petrozavodsk: KRC RAS, 2013. 464 p.
4. Arinushkina E.V. Chemical Soil Analysis Guide [Rukovodstvo po khimicheskomu analizu pochv]. M: MGU, 1970. 487 p.
5. GOST 17.1.04.02-90 Methods for spectrophotometric determination of chlorophyll a [Metodika spektrofotometricheskogo opredeleniya khlorofilla a] 20 p.
6. Vasil'eva E.P., Polyakov YU.K Catalog of Karelia lakes, bottom sediments [Katalog ozer Karelii, donnye otlozheniya]. Petrozavodsk: KRC RAS,1992. 154 p.
