Научная статья на тему 'ПОДЛЕДНОЕ ЦВЕТЕНИЕ ФИТОПЛАНКТОНА В МОЖАЙСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ'

ПОДЛЕДНОЕ ЦВЕТЕНИЕ ФИТОПЛАНКТОНА В МОЖАЙСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ Текст научной статьи по специальности «Геофизика»

CC BY
16
2
Поделиться

Похожие темы научных работ по геофизике , автор научной работы — Ерина Оксана Николаевна, Пуклаков Валерий Владимирович, Соколов Дмитрий Игоревич, Гончаров Александр Валентинович,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «ПОДЛЕДНОЕ ЦВЕТЕНИЕ ФИТОПЛАНКТОНА В МОЖАЙСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ»

DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10037 О.Н. ЕРИНА, В.В. ПУКЛАКОВ, Д.И. СОКОЛОВ, А.В. ГОНЧАРОВ

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

ПОДЛЕДНОЕ ЦВЕТЕНИЕ ФИТОПЛАНКТОНА В МОЖАЙСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ

Продукционные процессы в водоемах в период ледостава гораздо менее изучены по сравнению с вегетационным периодом по ряду причин. В зимний период при низких температурах воды скорости протекания химико-биологических реакций существенно замедляются. Кроме этого, наличие ледяного, и в первую очередь снежного покровов ограничивает проникновение света в водную толщу, и тем самым лимитирует развитие даже холодолюбивых видов фитопланктона. Проблематика борьбы с цветением в зимний период в водоемах умеренной зоны, характеризующихся устойчивым ледовым покровом в течение нескольких месяцев, не является актуальной для водопользователей. Однако, в последние годы в мировой литературе больше внимания стало уделяться зимнему режиму водоемов в связи с глобальными изменениям климата. Сроки установления и разрушения ледостава стали значительно сдвигаться, а зимы - характеризоваться многочисленными оттепелями. В результате в течение периода ледостава в водохранилище попадает больше питательных веществ для водорослей, которое может становиться стимулом для развития холоднолюбивых видов.

Активное развитие фитопланктона в зимний период приводит к дополнительной продукции органического вещества, на утилизацию которого затрачивается дополнительный кислород, что в условиях отсутствия поступления кислорода из атмосферы в сочетании со стратификацией водной толщи в это время будет приводить к ускоренному истощению запасов кислорода в водоемах. Таким образом, подледное цветение водорослей может являться не только индикатором климатических изменений, но и приводить к ухудшению качества воды в водоемах зимой и даже формированию заморных явлений. Поэтому изучение механизмов формирования данного явления и его динамики представляет как научный, так и практический интерес, особенно если водные объекты используются для водоснабжения, так как водоподготовка в условиях низких температур воды требует использования большего количества реагентов ввиду их низкой растворимости, и очистки воды от дополнительного органического вещества автохтонного происхождения.

Материалами для данного исследования послужили наблюдения, проводимые на Можайском водохранилище, расположенном в Московской области и являющимся наиболее крупным из водохранилищ системы водоснабжения г. Москвы. Это эвтроф-ный водоем долинного типа, в котором ежегодно возникает плотностная стратификация и в летний, и в зимний периоды, которая способствует истощению запасов кислорода в гиполимнионе в связи с его потреблением на дыхание биоты и деструкцию органического вещества. В зимний период единственным источником поступления кислорода в водоем служат плотностные течения, которые распространяют речные воды с более высоким содержанием О2 по водоему, тем самым несколько пополняя его запасы в придонных слоях. Однако к концу периода ледостава содержание растворенного кислорода может опускаться до 2-4 мг/л, формируя таким образом неблагоприятные условия для существования гидробионтов.

© 2019 Ерина Оксана Николаевна, oxana.erina@geogr.msu.ru; Пуклаков Валерий Владимирович, puklakov@mail.ru; Соколов Дмитрий Игоревич, Dmitriy.Sokolov@yandex.ru; Гончаров Александр Валентинович, gonch2@rambler.ru

В период ледостава 2015-2016 гг. сотрудниками Красновидовской учебно-научной базы МГУ имени Ломоносова проводились ежедневные наблюдения на рейдовой вертикали в центральном районе водохранилища (станция IV) за распределением температуры, электропроводности и растворенного кислорода, а также толщиной снежного и ледяного покрова. Также в конце зимы, когда содержание растворенного кислорода в подледном слое по данным этих наблюдений достигало 150% насыщения, была проведена комплексная съемка всего водохранилища по стандартной сетке из 18 станций, равномерно разнесенных по длине водоема, в которой кроме измерения температуры и содержания растворенного кислорода отбирались пробы воды для определения содержания биогенных элементов и фитопланктона. Содержание биогенных элементов определяли в аналитической лаборатории Красновидовской УНБ согласно стандартным методикам, изложенным в (Аналитические..., 2017; Руководство..., 2003). Пробы воды 0,5 л для определения фитопланктона отбирали из подледного слоя с глубины 0,3 м, консервировали формалином, концентрировали фильтрованием через мембранные фильтры (фирмы «Сынпор», с диаметром пор 0,8 мкм). Водоросли подсчитывали под световым микроскопом Микмед-6 в камере Нажотта в количестве около 400 клеток (колоний) всех видов. Биомассу определяли по средним размерам клеток каждого вида в пробе с использованием таблиц В.Г. Кузьмина (1984). Идентификацию водорослей производили с помощью общепринятых определителей (Определитель пресноводных водорослей СССР, 1951-1986).

Зимний период 2016 года характеризовался несколькими продолжительными оттепелями, которые привели к существенному истощению снежного покрова. Так, в результате первой крупной оттепели 27 января - 4 февраля 2016 г, среднесуточная температура во время которой достигала 2 °С, высота снежного покрова на снегомерной площадке метеостанции Можайск за неделю уменьшилась с 22 до 8 см (рис. 1). После этого в феврале наблюдалось еще несколько подобных синоптических циклов продолжительностью 3-5 дней, в результате чего минимальная толщина снега достигла 4 см. Обильные осадки в период с 23 февраля по 5 марта обеспечили увеличение высоты снежного покрова до 30 см, однако после этого температура воздуха опять превысила отметку 0 °С и вновь активизировалось таяние снега на водосборе. В результате к началу половодья 29 марта снег на водосборе практически полностью отсутствовал.

Рис. 1. Колебания расхода воды р. Москвы в створе д. Барсуки Q (м3/с); данные метео-

станции г. Можайск: суточный слой атмосферных осадков X (мм), высота снежного покрова Б (см), среднесуточная температура воздуха Т (°С) в период ледостава 2016 г.

Что касается самого водохранилища, то по данным наблюдений на рейдовой вертикали в центральном районе уже в результате первой оттепели произошло полное стаивание снега (рис. 2), и с 17 февраля содержание растворенного кислорода в подледном слое начинает превышать 100% насыщения. В период до 20 марта содержание кислорода изменялось в незначительном диапазоне, уменьшаясь до 90-95% насыщения после выпадения снега и снижения интенсивности продукционных процессов в резуль-

тате уменьшения освещенности подледных слоев воды, и увеличиваясь до 120% насыщения в периоды отсутствия снега на льду. В последнюю декаду марта начинается интенсивный рост концентрации растворенного кислорода вверхнем двухметровом слое воды. Максимальное пересыщение воды кислородом наблюдалось 28 марта, когда его содержание в подледном слое составило 24,01 мг/л или 167% насыщения. В дальнейшем, после начала весеннего половодья, поступления в водохранилище талых речных вод и таяния ледяного покрова водоема содержание кислорода стало резко уменьшаться и к 7 апреля составляло всего 8 мг/л, что соответствовало 55% насыщения. Таким образом, общая продолжительность периода, в который наблюдалось пересыщение поверхностных слоев воды кислородом, составила около 1,5 месяцев, а наиболее активного развития фитопланктона - около 10 дней.

17 02 22 02 2" 02 03.03 08 03 13.03 18 03 23.03 28 03 02 04 07 04

Лед.см Снег,см О2,°онас .......02,мг,л

Рис. 2. Динамика толщины снежного и ледяного покрова, а также содержания растворенного кислорода на глубине 1 м на рейдовой вертикали Можайского водохранилища

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

в районе д. Красновидово (ст. IV)

Гидролого-гидрохимическая съемка, проведенная на пике подледной фотосинтетической активности фитопланктона, позволила оценить пространственную неоднородность интенсивности продукционных процессов и обусловленную ими трансформацию химического состава водной толщи водохранилища.

По результатам обследования было зафиксировано повышенное содержание растворенного кислорода в верхнем трехметровом слое воды в центральном и нижнем районах водохранилища - на всех станциях, расположенных на удалении 35 и менее км от плотины. Максимальные концентрации О2 в подледном слое достигали 220% насыщения, что соответствовало 31,4 мг/л. Очаг активного развития водорослей, выявленный по максимальным концентрациям растворенного кислорода, располагался на удалении 20-35 км от плотины (рис. 3). В этом районе наблюдалось и увеличение величины рН до 9,0-9,2 единиц, тогда как в районах с содержанием кислорода менее 100% насыщения наблюденные значения рН не превышали 8,5.

Вегетация фитопланктона повлияла на распределение и других гидрохимических характеристик водоема. Так, в местах наиболее активного фотосинтеза наблюдалось снижение концентраций минерального кремния, потребляемого водорослями. Если в речной водной массе его концентрация составляла 3,5-4,0 мг/л, то на расстоянии 2035 км от плотины в поверхностных слоях наблюдалось уменьшение содержания кремния до 2-2,5 мг/л.

Распределение содержания валового фосфора (ТР) в водохранилище также хорошо отражает пространственную неоднородность продукционных процессов. В результате роста водорослей общее содержание фосфора в местах их наиболее активного развития превышало 0,2 мг/л, тогда как ниже слоя фотосинтеза оно составляло 0,050,1 мг/л. Что касается соотношения минеральной и органической форм, то в местах наиболее высокой активности фитопланктона доля минерального фосфора уменьша-

лась до 10-35% от общего его содержания, тогда как в речных водах и придонной водной массе она составляла 70-85%.

Таким образом, рассмотрение пространственной неоднородности гидрохимических характеристик водохранилища позволило выявить места наиболее активного фотосинтеза в подледный период, где происходило потребление минеральных веществ и их трансформация в органические в процессе жизнедеятельности фитопланктона.

а)

175170 165

160 мЕС

Расстояние от плот ин ы. км 30 25 20 15

25 20

ч___ »

Щг

. Vs ••—

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- 5 ,

45

- -10 т -5----

б)

175170 165-

160 мЕС

40

Расстояние от плотины, км 35 30 25 20 15 10

Щ -

Ь:

75 Ч ■50 -

R0-

■--75 — —-50' -

Г

В)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Расстояние от плотины, км 45 40 35 30 25 20 15 10

Г)

Расстояние от плотины, км 45 40 35 30 25 20 15 10

175170 165-

160 мЕС

- г

ъ --

■ Ъ.ь -

г -

2,5 —

3 Я

О.-,

Щу

175170 165-

160 мЕС

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 3. Распределение растворенного кислорода, мг/л (а) и % насыщения (б), минерального кремния, мг/л (в) и валового фосфора, мг/л (г) в Можайском водохранилище по результатам гидролого-гидрохимической съемки 26-27.03.2016 г.

Анализ фитопланктона в подледном слое воды показал, что максимальная биомасса наблюдалась в центральном районе на удалении 17-20 км от плотины (станции 28 и IV) и превышала 3 мг/л, а численность водорослей - 15000 кл/мл (рис. 4). Доминирующим видом, формирующим биомассу фитопланктона, являлся Stephanodiscus sp. При этом в приплотинном районе (станция V) с аналогичной видовой структурой аль-гофлоры общая биомасса составляла всего 0,05 мг/л. На станции III, расположенной в 31,7 км от плотины, преобладал отряд зеленых водорослей, однако их общая численность и биомасса здесь невелика - 2295 кл/мл и 0,44 мг/л соответственно. При этом содержание кислорода на данной станции достигает 180% насыщения, то есть активность фотосинтеза фитопланктона здесь тоже высока.

Информация об активном зимнем развитии данного представителя отряда диатомовых как в условиях ледостава, так и при его отсутствии, встречается как в работах исследователей российских озер (Babanazarova et al., 2013), так и европейских и азиатских водоемов и водотоков (Kiss et al., 1993; Kyong Ha et al., 2003). Для Можайского водохранилища, однако, подобные значения биомассы являются весьма необычным явлением, которое могло сформироваться лишь при сочетании комплекса гидрометеорологических факторов, описанных выше.

Таким образом, в результате регулярных наблюдений на Можайском водохранилище в зимний период удалось зафиксировать уникальное для данного водоема явление активной вегетации зимних видов фитопланктона, происходившей в течение полутора месяцев и достигнувшей пика в центральном и приплотинном районах водохранилища в конце марта перед началом половодья.

II

о? ш ш ш

а) Ш "х И ' б)

Рис. 4. а) Численность (кл/мл) и б) биомасса (мг/л) фитопланктона в подледном слое воды в разных районах Можайского водохранилища 30.03.2016 г.

Ввиду учащения зимних оттепелей в последние годы стаивание снега с ледяного покрова водоемов становится частым явлением, поэтому можно ожидать более частого возникновения зимнего цветения водорослей в водоемах умеренной зоны.

При этом для водоемов, служащих источниками водоснабжения, учащение повторяемости данного явления в период ледостава может повлечь за собой существенное увеличение затрат при водоподготовке ввиду необходимости очистки от дополнительного спродуцированного фитопланктоном органического вещества.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 18-05-01066 а и 19-05-00087 а).

Список литературы

Аналитические, кинетические и расчетные методы в гидрохимической практике / Под ред. П.А. Лозовика, Н.А. Ефременко. СПб.: Нестор-История, 2017. 272 с.

Кузьмин Г.В. Таблицы для вычисления биомассы водорослей. Магадан, 1984. 48 с.

Определитель пресноводных водорослей СССР. Л.: Наука, 1951-1986.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана / Под ред. В.В. Сапожникова. М.: ВНИРО, 2003. 202 с.

Babanazarova O., Sidelev S., Schischeleva S. The structure of winter phytoplankton in Lake Nero, Russia, a hypertrophic lake dominated by Planktothrix-like Cyanobacteria // Aquat Biosyst. 2013. Vol. 9. Pp. 18-28.

Kiss K.T., Genkal S.I. Winter blooms of centric diatoms in the River Danube and in its side-arms near Budapest (Hungary) // Hydrobiologia. 1993. Vol. 269. Pp. 317-325.

Kyong Ha, Min-Ho Jang, Gea-Jae Joo. Winter Stephanodiscus bloom development in the Nakdong River regulated by an estuary dam and tributaries // Hydrobiologia. 2003. Vol. 506. Pp. 221-227.