CC BY
33DOI: 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
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 ••—
- 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)
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
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.
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.
