CC BY
2
Садыкова Татьяна Вячеславовна
Изучение сукцессии малых озер водной системы Селигер
Study of the Succession of Small Lakes of the Seliger Water System
Аннотация. Работа посвящена изучению сукцессии в малых озерах озерной системы Селигер. В исследовании применен сравнительный подход к изучению сукцессии в озерах одного возраста. В рамках работы было сделано морфометрическое описание озер и окружающих их ландшафтов, построены профили дна их котловин, проанализировано содержание некоторых ионов, померены рН и жесткость воды, определены содержание кислорода, величины валовой и чистой продукции и деструкции. Показано, что характер озерных котловин и береговой линии указывает на возможное зарастание и эвтрофикацию озер, что подтверждается величинами чистой продукции и деструкции органического вещества в озерах. Озеро Стройное охарактеризовано как олиготроф-ное с переходом к мезотрофному, озеро Святица — как мезотро-фное с переходом к эвтрофному, озеро Блюдце как мезотрофное с переходом к дистрофному. Таким образом, исследуемые озера находятся на разных стадиях сукцессии.
Ключевые слова: сукцессия, трофность, серии сукцесии, мор-фометрия озерных котловин, первичная продукция, деструкция, Селигер
Abstract. The paper is devoted to the study of succession in small lakes of the Seliger lake system. A comparative approach was applied to study succession in lakes of the same age. The research includes descriptions of morphometric characteristics of the lakes and their surrounding landscapes, profiles of the bottom of their basins, analysis of the content of some ions, measurements of pH and water hardness, determination of oxygen content, gross and net production and destruction. It is shown that the nature of lake basins and shoreline indicates possible overgrowth and eutrophication of lakes, which is confirmed by the values of net production and destruction of organic matter in lakes. Lake Stroynoye is characterized as oligotrophic with a transition to mesotrophic, Lake Svyatitsa—as mesotrophic with a transition to eutrophic, and Lake Blyudtse as mesotrophic with a transition to dystrophic. Thus, the lakes under the study are at different stages of succession.
Keywords: succession, trophic state, succession series, morphometry of lake basins, primary production, destruction, Seliger
Лаптев
Сергей,
ученик 11-го класса ЧОУ СОШ «Полис-лицей» г. Дубна Московской области
Ермакова
Елизавета,
ученица 11-го класса ЧОУ СОШ «Полис-лицей» г. Дубна Московской области
Журавлева
Пелагея,
ученица 9-го класса ЧУОО «Новая школа «Юна», г. Дубна Московской области
Гапонова
Ника,
ученица 9-го класса МБОУ «Лицей «Дубна», г. Дубна Московской области
Научный руководитель:
Лаптева
Таисия Александровна,
кандидат биологических наук, учитель биологии ЧОУ СОШ «Полис-лицей», г. Дубна Московской области
e-mail: [email protected]
Sergey
Laptev,
Student of the 11th grade, Private School "Polis-Lyceum", Dubna, Moscow Oblast
Elizaveta
Ermakova,
Student of the 11th grade, Private School "Polis-Lyceum", Dubna, Moscow Oblast
Pelagya
Zhuravleva,
Student of the 9th grade, Private School "New School Tuna'", Dubna, Moscow Oblast
Nika
Gaponov,
Student of the 9th grade, Dubna Lyceum, Dubna, Moscow Oblast
Scientific supervisor:
Taisiya Lapteva,
Ph. D. in Biology, Teacher of Biology at Private School "Polis-Lyceum", Dubna, Moscow Oblast
Введение
Сукцессия (от лат. succesio — преемственность, наследование) — последовательная смена одного биологического сообщества другим. Например, озеро превращается в болото. Сукцессия оз. Блюдце была предметом нашего прошлогоднего исследования. Экологическая сукцессия протекает через ряд этапов, при этом биотические сообщества сменяют друг друга в рамках одного биотопа — озера, леса, болота. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами [Сукачев, 1973]. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в конкретном районе, называется серией. Разные стадии экологической сукцессии озера отличаются друг от друга уровнем накопления кормовой базы — трофностью (от греческого «трофе» — пища). Скорость изменения трофности водоема зависит от происхождения озерной котловины, морфологии ее дна, подстилающих пород и окружающего рельефа. Эти параметры обуславливают химический состав воды и предрасположенность к зарастанию [Черевичко, 2017]. Основным методологическим подходом для изучения экологической сукцессии служит сравнение озер одного возраста, но находящихся на разной стадии сукцессии [Абросов, 1982]. Именно его мы и реализовали в своей работе.
Озерная система Селигер является уникальным природным объектом и состоит из многих плесов и малых озер, соединенных между собой протоками и подземными водами. Все эти водоемы образовались в одно время — при таянии Валдайского ледника 20 000 лет назад, поэтому их возраст примерно одинаков. Однако это не означает, что все малые озера этой системы находятся на одной стадии экологической сукцессии. Мы предположили, что малые озера системы Селигер отличаются друг от друга скоростью сукцессии. Целью нашего исследования было изучить интенсивность сукцессионных процессов путем сравнения трех малых водоемов системы Селигер. В рамках заданной цели были поставлены следующие задачи:
1. Описать окружающий озера ландшафт.
2. Провести морфометрическое описание озер.
3. Определить некоторые гидрохимические параметры озер.
4. Рассчитать уровень продукции и деструкции органического вещества.
Объектами нашего исследования были озера Святица, Стройное и Блюдце, различающиеся между собой по внешнему виду и расположению в окружающем ландшафте.
Садыкова Татьяна Вячеславовна
Методы исследования
Морфометрическое исследование озер
Для изучения озер мы оплывали водоемы на байдарке, измеряли глубину не менее, чем в 10 точках, измеряли ширину и длину озер по трем линиям. Точки и треки измерения фиксировали с помощью приложения A-GPSTracker и переносили на карту с помощью приложения Яндекс Карты. Значения глубин заносили в электронные таблицы в MSExel для построения профиля дна.
Гидрохимическое описание воды
Жесткость, рН и примерное содержание некоторых ионов в воде определяли с помощью тест-полосок WaterTest 16 т 1. Содержание кислорода в воде определяли методом Винклера, в основе которого лежит перманганатная окисляемость воды с последующим йодометрическим титрованием (Рисунки 1, 2).
Расчет продуктивности озера
Продуктивность озера определяли методом Винберга [Винберг, 1962]. Это очень удобный в полевых условиях метод. В его основе лежит тот факт, что согласно общей схеме фотосинтеза, количество образовавшего кислорода соответствует количеству новообразованных углеводов
со2 + н2о ^ СН2О + О2,
а количество углеводов это и есть мера продуктивности любой экосистемы.
Поэтому, определяя содержание кислорода в пробе, мы можем оценить продукцию биоценоза. Сравнивая содержание кислорода в начальный момент времени и после экспозиции на свету (т. е. во время фотосинтеза), мы определяем чистую продукцию водоема.
Р = (V —Ун)Д, где:
V — содержание кислорода после экспозиции на свету; Vн — начальное содержание кислорода;
Т — время экспозиции (ч).
Сравнивая содержание кислорода в начальный момент времени и после экспозиции в темноте, мы можем определить траты кислорода на дыхание. D = ^н -Уг)Л, где:
VI — содержание кислорода после экспозиции на свету; Vн — начальное содержание кислорода;
Т — время экспозиции (ч).
Суммируя эти величины, мы рассчитываем валовую продукцию водоема — количество вновь образованных углеводов
Рисунок 1. Отбор проб для гидрохимического анализа воды (А) и определение содержания ионов с помощью тест-полосок (Б)
Рисунок 2. Определение содержания кислорода в воде путем оценки пер-манганатной окисляемости
Рисунок 3. Отбор проб для определения кислорода и расчета первичной продукции
Рисунок 4. Внешний вид озера Стройного
Рисунок 5. Внешний вид озера Святица
без их трат на окисление и метаболизм организмов, населяющих озеро [Кондакова, 2015].
Для реализации этого метода, мы отбирали в каждом озере по три пробы в сосуды с притертыми крышками и определенного объема (250 мл): в первой — фиксировали кислород с помощью реактивов Винклера сразу на месте, во второй — заворачивали в светонепроницаемую ткань и оставляли на сутки в таком виде на суше, в третьей — плотно закрывали и оставляли на сутки в водоеме. Все пробы отбирали в центре озер. Перед взятием пробы сосуды ополаскивали водой из водоема и отбирали воду таким образом, чтобы в них не попал воздух, на глубине около 10 см закрывали сосуды под водой так, чтобы при поднятии из воды в них не попал атмосферный воздух. После экспозиции в каждой пробе определяли кислород по Винклеру в тройной повторности (Рисунок 3).
Результаты
Морфометрическое описание озер
Озеро Стройное находится в глубине лесного массива, рядом проходят грунтовые дороги с малой интенсивностью движения автотранспорта, озеро слегка вытянуто с юго-запада на северо-восток, имеет изрезанную береговую линию. Берега крутые, покрытые сосновым лесом. Площадь озера — 14,6 га, максимальная длина — 0,7 км, максимальная ширина — 0,3 км, средняя глубина — 4,2 м, максимальная глубина — 8 м. Степень зарастания высшей водной растительностью — 10 %. Дно песчаное. Такой тип озерных котловин характерен для озер ледникового происхождения. Внешний вид озера не предполагает интенсивное зарастание и накопления органики в нем (Рисунок 4).
Озеро Святица находится рядом с проезжей частью, вытянуто с севера на юг, степень изрезанности береговой линии — средняя, берега пологие, на которых расположен сосновый лес. Площадь водного зеркала 2,5 га, Площадь водного зеркала 2,5 га, максимальная длина — 647 м, максимальная ширина — 214 м, средняя глубина — 1,7 м, максимальная глубина — 3 м. Степень зарастания высшей водной растительностью — 40 %. Дно илистое. Характер береговой линии озера говорит о том, что оно ледникового происхождения, но его глубина свидетельствует о накоплении в нем органического вещества в виде ила, и поэтому озеро имеет тенденцию к зарастанию (Рисунок 5).
Озеро Блюдце находится в глубине лесного массива, имеет форму близкую к овальной, береговая линия ровная. Берега холмистые, покрытые лесом со сфагновыми мхами в травянистом ярусе. Имеет хорошо выраженную сплавину, ширина которой колеблется от 9 до 19 м. Площадь водного зеркала — 0,18 га. Максимальная ширина зеркала 86 м, максимальная длина зеркала 127 м. Средняя глубина 2,5 м, максимальная — 5 м. Вода имеет
Садыкова Татьяна Вячеславовна
коричневый цвет. Дно илистое. По характеру и глубине озера можно было ожидать низкий уровень трофности в нем. При этом цвет воды и наличие сплавины говорят о том, что этот водоем дистрофный, т. е. в нем нарушен баланс между образованием и разрушением органического вещества (Рисунок 6).
Анализ морфометрии дна озер (Рисунок 7) показывает, что их котловины существенно отличаются друг от друга. Озеро Стройное имело чашеобразную котловину с ярко-выраженным пиком глубины. Такой тип котловин характерен для карстовых озер, которые встречаются в системе озер Селигер. Озеро Святица имело котловину с колебаниями глубин от 1 м до 3 м. Это может быть связано с неравномерным накоплением илистых отложений в разных участках озера. Озеро Блюдце имело чашеобразную котловину с резким увеличением глубины у берегов. Это связано с тем, что вдоль берега на этом озере сформирована сплавина, а чистая вода начинается с глубин 2-2,5 м.
Таким образом, мы видим, что морфометрические показатели озер указывают на то, что эти озера находятся на разных стадиях экологической сукцессии. Чтобы подтвердить это, мы провели гидрохимический анализ этих озер. Исследование химических показателей позволяет сравнивать озера, относящиеся на одной стадии трофности (олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные), но имеющие разную степень ее проявления и оценить динамику их состояния, что очень актуально в современной экологической ситуации.
Рисунок 6. Внешний вид озера Блюдца
2 Э 4 5 6 7 5 9 10 11 12
) г Э Л 5 9 7 9 9 1С 11 1!
В
Рисунок 7. Профили дна озер Стройного (А), Святица (Б), Блюдца (В)
Гидрохимический анализ воды
Мы проанализировали 16 химических показателей воды в озерах, в том числе, рН, жесткость, содержание карбонатов по стандартизированным тест-полоскам (Таблица 1). Полученные данные говорят об отсутствии загрязняющих веществ в воде. Следовательно, мы можем исключить сукцессию, вызванную деятельностью человека, и описываемые нами явления носят естественный характер.
А
Б
Таблица 1. Химический состав воды в озерах
Хим. вещество Оз. Святица Оз. Стройное Оз. Блюдце
pн 7,6 6 6,2
Жесткость 250 250 250
Циануровая кислота 0 250 0
Общий хлор 0 0 0
Свободный хлор 1 0 0
Бром 1 0 0
Нитраты 0 0 0
Нитриты 0 0 0
Железо 5 0 0
Хром 1 0 0
Свинец 0 0 0
Медь 0 0,2 0
Ртуть 0 0 0
Фториды 0 0 0
Карбонаты 0 0 0
Общая щелочность 100 80 20
Наибольшим рН был в оз. Святица и составлял 7,6, в оз. Стройном — 6,0, в оз. Блюдце — 6,2. Согласно литературным данным [Другов, Родин, 2009], чем выше рН, тем выше уровень накопления органического вещества. Т. е на оз. Святица мы можем ожидать самый высокий уровень продукции органического вещества. Жесткость воды была везде примерно одинакова и составляла 250 мг/л.
Кроме того, нами было определено содержание кислорода по способности озерной воды к окислению марганца (2) до марганца (4). Считается, что, количество образовавшегося осадка гидроксида марганца эквивалентно количеству кислорода в воде. Содержание кислорода было максимально в озере Стройное и составляло 51,2 мг О2/л. Такие значения характерны для олиготрофных (молодых) озер. В других озерах оно было около 29 мг О2/л, что соответствует эвтрофным (стареющим) озерам (Таблица 2).
Садыкова Татьяна Вячеславовна
Таблица 2. Содержание кислорода в воде
Озеро Перманганатная окисляемость, Мг О2/л
Стройное 36,8
Святица 29,2
Блюдце 29,6
Продуктивность озер
Знание об изменении содержания кислорода в течение определенного времени в изолированной пробе воды, позволяет судить об образовании и разрушении органических веществ. Такой подход называется продукционно-биологическим или балансовым. Он основан на соотношении величин продукции и деструкции, и был предложен советским гидробиологом Винбергом еще в 30-е годы XX века. Метод Винберга позволяет рассчитать валовую продукцию (все органическое вещество, произведенное в водоеме), деструкцию (количество окисленного органического вещества, в основном за счет дыхания) и чистую продукцию (органическое вещество, которое остается после трат на дыхание и составляет кормовую базу водоема — трофность).
Согласно нашим данным, самые большие величины валовой и чистой продукции, а также деструкции были в озере Святица (Диаграмма 1). Такая картина характерна для озер с устоявшимися трофическими связями. Численные значения продукции позволяют отнести это озеро к группе мезотрофных с тенденцией к переходу к эвтроф-ным. Это согласуется с данными по гидрохимическому анализу и мор-фометрическому описанию озера. Значения чистой продукции и высокое содержание кислорода в озере Стройном говорят о том, что оно находится в стадии перехода от оли-готрофного озера к мезотрофному. При сравнении валовой продукции озер Стройное и Блюдце, видим, что она была примерно одинакова, но уровень окисления органики был выше в озере Блюдце примерно в два раза. Т. е., несмотря на то, что в данный момент мы можем охарактеризовать его как мезотрофное, в этом озере наблюдается тенденция к дистрофикации.
Валовая продунцип Деструкция Чистая продукция
■ Стройное ■ Святица Блюдце
Диаграмма 1. Первичная продукция малых озер системы Селигер
Выводы
На основе полученных результатов мы пришли к следующим выводам:
1. Окружающий озера ландшафт определяет их тенденцию к зарастанию: более высокие берега и бедные почвы снижают уровень накопления органики, пологие берега и лесные почвы — повышают этот уровень.
2. В глубоком озере Стройном скорость экологической сукцессии ниже, чем в мелком озере Святица.
3. рН воды в озере Святица говорит о высоком уровне накоплений органики в нем.
4. Содержание кислорода в озере Стройном позволяет отнести его к группе олиготрофных озер, а озера Святица и Блюдце к эвтрофным.
5. Соотношение величин валовой и чистой продукции, а также деструкции характеризует озеро Святица как ме-зотрофное с переходом к эвтрофному, озеро Стройное как олиготрофного с переходом к мезотрофному, а озеро Блюдце — как мезотрофное с чертами дистрофикации.
Заключение
Исследованные нами три озера: Святица, Стройное и Блюдце появились в одно и то же геологическое время: после таяния Валдайского ледника. Нами было показано, что уровень их трофности отличается друг от друга. Это предполагает, что скорость накопления органики в них различается. Таким образом, скорости экологической сукцессии у них также различные и определяются их расположением, окружающим ландшафтом и глубиной озерной котловины. Наша гипотеза подтвердилась. ш
Литература:
Абросов, 1982 — Абросов В. Н. Зональные типы лимногенеза. Л.: Наука. Ленингр. отделение, 1982. 144 с.
Винберг, 1962 — Винберг Г. Г. Первичная продукция озерного планктона, изученная тремя методами: кислородным, радиоуглеродным и хлорофильным // Биология внутр. водоемов Прибалтики / Тр. 7-й науч. конф. по изуч. внутренних водоемов Прибалтики (Петрозаводск). Л.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 186-192.
Другов, Родин, 2009 — Другов Ю. С., Родин А. А. Мониторинг органических загрязнений природной среды. 500 методик: практ. руководство. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 896 с.
Кондакова, 2015 — Кондакова Г. В. Большой практикум. Продукция фотосинтеза. Ярославль: ЯрГУ, 2015. 64 с.
Констанстинов, 1975 — Констанстинов А. С. Общая гидробиология. М. Высшая школа, 1986. 469 с.
Одум, 1975 — Одум Ю. Основы экологии. М. Мир, 1975. 740 с.
Сукачев, 1973 — Сукачев В. Н. Болота, их образование, развитие и свойства // Избранные труды. Т. 2. Проблемы болотоведения, палеоботаники и палеогеографии. Л.: Наука, 1973. С. 97-188.
Черевичко, 2017 — Черевичко А. В. Сукцессия зоопланктона заболоченных озер и болот озерного происхождения // Труды ИБВВ РАН, 2017, вып. 79(82). 297 с.
