CC BY
39
Труды Карельского научного центра РАН №9. 2015. С. 76-80 DOI: 10.17076/lim47
УДК 581.526.325
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА ОЗЕР КАЗАХСТАНА
Г. Т. Фрумин, Ю. В. Крашановская
Российский государственный гидрометеорологический университет
Разработана методика прогнозирования трофического статуса озер поданным мониторинга в зимний период. Методика базируется на подходе А. Г. Волохонского, согласно которому значения минимальных энергетических затрат, вычисленных для виртуальной модели процесса вовлечения элементов минерального питания в клетки фитопланктона, являются универсальными критериями обеспеченности фитопланктона этими элементами. Выявлена статистически значимая однопа-раметрическая линейная зависимость между средними за год концентрациями фосфора общего (Робщ) и значениями минимальных энергетических затрат (Е), характеризующими содержание фосфора минерального в феврале. Разработана классификация трофического статуса озер Казахстана в зависимости от значений минимальных энергетических затрат фосфора минерального в феврале.
Ключевые слова: озера Казахстана; евтрофирование; минимальные энергетические затраты; фосфор минеральный; фосфор общий; прогнозирование.
G. Т. Frumin, Y. V. Krashanovskaya. PREDICTING THE TROPHIC STATUS OF SOME LAKES OF KAZAKHSTAN
A method for predicting the lake trophic status relying on wintertime monitoring data was developed. The technique is based on A. G. Volokhonskii's approach, according to which the values of the minimum energy costs calculated for the virtual model of the process of involving mineral nutrients in phytoplankton cells are universal criteria of these nutrients' availability to phytoplankton. Statistically significant one-parameter linear dependence between the average annual concentration of total phosphorus (Pt) and the values of minimum energy costs (Ep), which characterize mineral phosphorus levels in February, was detected. A classification of the trophic status of lakes of Kazakhstan depending on the values of the minimum energy costs of mineral phosphorus in February was developed.
Keywords: lakes of Kazakhstan; eutrophication; minimum energy costs; mineral phosphorus; total phosphorus; forecasting.
Согласно Водному кодексу Республики Казахстан (с изменениями и дополнениями по состоянию на 29.12.2014 г.), «Государственный мониторинг водных объектов представляет собой систему регулярных наблюдений за гидрологическими, гидрогеологическими,
гидрогеохимическими, санитарно-химически-ми, микробиологическими, паразитологичес-кими, радиологическими и токсикологическими показателями их состояния, сбор, обработку и передачу полученной информации в целях своевременного выявления негативных
0
процессов, оценки и прогнозирования их развития, выработку рекомендаций по предотвращению вредных последствий и определению степени эффективности осуществляемых водохозяйственных мероприятий».
Следует отметить, что, как правило, на практике реализуются только две составляющие мониторинга (наблюдения и оценка).
Среди современных проблем водной экологии центральное место занимает проблема евтрофирования [Хендерсон-Селлерс, Марк-ленд, 1990] (синонимы: евтрофикация, эвтро-фирование, эвтрофикация). Согласно ГОСТу 17.1.1.01-77, «евтрофированием называется повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления биогенных элементов под действием антропогенных или естественных факторов». Международная организация по стандартизации предлагает иное определение: обогащение воды биогенными веществами, особенно азотом и фосфором, что ускоряет рост водорослей и высших форм растительной жизни.
Поскольку евтрофирование водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой, по линии ЮНЕСКО проводятся работы по мониторингу внутренних вод, контролю за евтрофированием водоемов земного шара.
В связи с изложенным цель данного исследования заключалась в разработке методики прогнозирования трофического статуса озер по данным мониторинга в зимний период.
Материалы и методы исследования
Разработанная методика базируется на подходе А. Г. Волохонского, согласно которому значения минимальных энергетических затрат, вычисленных для виртуальной модели процесса вовлечения элементов минерального питания в клетки фитопланктона, являются универсальными критериями обеспеченности фитопланктона этими элементами [Волохон-ский, 1973].
На основании достаточно строгого термодинамического (энтропийного) анализа А. Г. Во-лохонским получено следующее выражение для расчета энергетической меры обеспеченности фитопланктона одним из элементов минерального питания (для элемента, находящегося в первом минимуме):
Е1 = -1,34 х \gß3
(1)
Величина Е (ккал/моль) выражает количество энергии, необходимое для организации 1 моля элемента. Эта величина зависит не только от отношения концентраций
элемента в клетке и в среде, но и от содержания в среде других более или менее дефицитных элементов.
Величина Ьэ рассчитывается из следующего выражения:
ß- = CKJCr:
(2)
где С^ - концентрация элемента в клетке; Со -концентрация элемента в среде.
Эти величины количественно характеризуют наличие соответствующего элемента в среде по отношению к клеткам фитопланктона определенного состава и могут служить мерой обеспеченности. Если ßg < 1, данный элемент находится в среде заведомо в избытке. Так как ß для водорода и кислорода всегда меньше 1, эти элементы из рассмотрения исключены. Тот элемент, для которогоßg наибольшее, является наиболее дефицитным (первый минимум).
Для практических расчетов на основании данных А. П. Виноградова был принят следующий средний состав клеток: вода - 82 %, зола -11 % сухого веса; состав органического вещества: углеводы - 54 %, липиды - 10 %, белки - 36 %, что соответствует Сс = 8 х Ю4 мг/л; С, = 1 х Ю4 мг/л; Ср= 1 х 103 мг/л [Волохон-ский, 1973].
Величина Е имеет смысл количественного критерия обеспеченности любыми элементами минерального питания фитопланктона любых сред - как природных, так и синтетических. В первом случае (водоемы) критерий Е должен увязываться с характеристикой трофического статуса. Решающее значение для природных сред имеют критерии обеспеченности основными элементами минерального питания - углеродом, азотом и фосфором. Причем за исходные концентрации в расчетах следует принимать содержание этих элементов в период максимального развития минерализации органического вещества в водоеме (период с января по март).
В работе [Фрумин, Хуан, 2013] подход А. Г. Волохонского был использован для оценки трофического статуса акваторий Псковско-Чудского озерного комплекса и озера Тайху, расположенного в Китае.
Для оценки трофического статуса озер была использована классификация, разработанная OECD [Galvez-Cloutie, Sanchez, 2007] (табл. 1).
Первичные данные для анализа были заимствованы из ежегодников химической лаборатории государственного предприятия «Центр гидрометеорологического мониторинга» РГП Казгидромет, входящего в состав Министерства экологии и охраны окружающей среды Республики Казахстан (табл. 2). В этой
Таблица 1. Классификация трофического статуса озер по среднему за год содержанию фосфора общего
Трофический статус Концентрация фосфора общего, мкг/л Трофический статус Концентрация фосфора общего, мкг/л
Ультраолиготрофный <4 Евтрофный 35-100
Олиготрофный <10 Гипертрофный >100
Мезотрофный 10-35 - -
Таблица 2. Распределение концентраций минерального и общего фосфора в некоторых озерах Казахстана
Озеро Год Р , МГХДМ 3 мин' " Р , , мкг/л общ' ' £, кДж/моль
Копа 2012 0,012 69,5 -27,57
Бурабай 2012 0,005 25,0 -29,71
Улькен Шабакты 2012 0,006 21,5 -29,29
Шортан 2012 0,008 25,3 -28,58
Зеренда 2012 0,007 38,5 -28,91
Карасу 2012 0,010 32,6 -28,03
Майбалык 2012 0,061 169 -23,64
Султанкельды 2012 0,010 49,7 -28,03
Копа 2011 0,025 77,0 -25,82
Улькен Шабакты 2011 0,007 20,0 -28,91
Майбалык 2011 0,083 184 -22,89
Султанкельды 2011 0,042 113 -24,52
Зеренда 2011 0,012 33,0 -27,57
Киши Шабакты 2011 0,010 62,0 -28,03
Боровое 2010 0,006 24,0 -29,29
Улькен Шабакты 2010 0,009 21,0 -28,28
Шортан 2010 0,014 30,0 -27,20
Копа 2009 0,008 36,0 -28,58
Боровое 2009 0,007 12,0 -28,91
Улькен Шабакты 2009 0,004 10,0 -30,25
Шортан 2009 0,004 13,0 -30,25
Малое Чебачье 2009 0,011 23,0 -27,78
Копа 2008 0,005 26,0 -29,71
Копа 2006 0,009 34,0 -28,28
Боровое 2006 0,010 12,0 -28,03
Улькен Шабакты 2006 0,006 12,0 -29,29
Копа 2005 0,010 44,0 -28,03
Боровое 2005 0,009 19,0 -28,28
Шортан 2005 0,011 23,0 -27,78
же таблице приведены величины Е1 рассчитанные по формулам (1) и (2). При этом формула (2) была преобразована нами таким образом, чтобы размерность величины Е была выражена вкДж/моль(1 ккал = 4,184 кДж):
Е1 = -5,607 х 1д/Зэ = -5,607 х |д (1000/Со) (3)
Для последующего анализа были использованы концентрации минерального фосфора в феврале и средние за год концентрации фосфора общего.
Результаты и их обсуждение
По данным, приведенным в таблице 2, выявлена статистически значимая однопараметри-ческая линейная зависимость между средними за год концентрациями фосфора общего и значениями минимальных энергетических затрат,
характеризующими содержание фосфора минерального в феврале (см. также рис. 1):
р0бщ = 668,2 + 22,32 х£ (4)
п = 29; г = 0,91; г2 = 0,83; оУ(Х)= 18,1;
Рр = 132,9; Р,. = 4,2; ^/^ = 31,6.
Здесь п - количество наблюдений; г - коэффициент корреляции, характеризующий тесноту связи между переменными; г2 - коэффициент детерминации, характеризующий объяснимую долю разброса; оУ(Х) - стандартная ошибка; Рр и Рт - расчетное и табличное (при уровне значимости 95 %) значения критерия Фишера.
Согласно шкале Чедцока [Макарова, Трофи-мец, 2002] приведенное значение коэффициента корреляции свидетельствует о весьма высокой тесноте связи между Ро6щ и Е. Кроме того, как следует из приведенных статистических
<1ЛЛ
о О.
-28 -26 -24 -22
Е, кДж/моль
Рис. 1. Зависимость средних за год концентраций фосфора общего от величин минимальных энергетических затрат
Рис. 2. Алгоритм прогнозирования трофического статуса озер Казахстана
Таблица 3. Классификация трофического статуса озер Казахстана
Трофический статус Е , кДж/моль Рмин, мг/л (в феврале)
Ультраолиготрофный < -29,75 <0,005
Олиготрофный -29,75 -г- -29,48 0,005-0,006
Мезотрофный -29,48 -г- -28,36 0,006-0,009
Евтрофный -28,36 -г- -25,45 0,009-0,029
Гипертрофный > -25,45 >0,029
характеристик, аналитическое уравнение (4) адекватно (Fp > FT) и может быть использовано для предсказания средних за год концентраций фосфора общего, так как Fp/ FT > 4 [Дрейпер, Смит, 1973].
На основе таблицы 1 и формулы (4) была разработана классификация трофического статуса озер Казахстана в зависимости от значений минимальных энергетических затрат фосфора минерального в феврале (табл. 3).
Из данных, приведенных в таблице 3, следует, что если в феврале концентрации фосфора минерального меньше 0,005 мг/л, то прогнозируемый трофический статус озера будет олиготрофным. Если в феврале концентрации
фосфора минерального будут варьировать от 0,009 до 0,029 мг/л, то прогнозируемый трофический статус озера будет евтрофным.
Прогнозирование трофического статуса озер Казахстана проводится на основе алгоритма, приведенного на рисунке 2.
Вывод
Линейная зависимость между средними за год концентрациями фосфора общего и значениями содержания фосфора минерального в феврале может быть использована для краткосрочного прогнозирования трофического статуса озер Казахстана.
Литература
Волохонский А. Г. Структурные и энергетические аспекты проблемы дефицитности биогенных элементов // Экология. 1973, № 2. С. 5-11.
Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973.392 с.
Макарова Н. В., Трофимец В. Я. Статистика в Excel. М.: Финансы и статистика, 2002. 252 с.
Фрумин Г. Т., Хуан Ж.-Ж. Термодинамическая оценка состояния водных объектов // Общество. Среда. Развитие. 2013, № 1. С. 232-235.
Хендерсон-Селлерс В., Маркленд X. Р. Умирающие озера. Причины и контроль антропогенного ев-трофирования. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 279 с.
Galvez-Cloutier R., Sanchez M. Trophic Status Evaluation for 154 Lakes in Quebec, Canada. Monitoring and Recommendations //Water Qual. Res. J. Canada, 2007. Vol. 42, No 4. P. 252-268.
Поступила в редакцию 17.12.2014
References
Dreiper N., Smit G. Prikladnoi regressionnyi analiz [Applied regression analysis], Moscow: Statistika, 1973. 392 p.
Frumin G. T., Khuan Zh.-Zh. Termodinamicheskaya otsenka sostoyaniya vodnykh ob'ektov [Thermodynamic assessment of the water bodies], Obshchestvo. Sreda. Razvitie [Society. Environment. Development]. 2013, No 1. P. 232-235.
Makarova N. V., TrofimetsV. Ya. Statistika v Excel [Statistics in Excel], Moscow: Finansy i statistika, 2002. 252 p.
Volokhonskii A. G. Strukturnye i energeticheskie aspekty problemy defitsitnosti biogennykh elemen-tov [Structural and energetic aspects of the problem of
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Фрумин Григорий Тевелевич
профессор кафедры экологии, д. х. н.
Российский государственный гидрометеорологический
университет
Малоохтинский проспект, 98, Санкт-Петербург,
Россия, 195196
эл. почта: [email protected]
Крашановская Юлия Викторовна
аспирант кафедры экологии
Российский государственный гидрометеорологический университет
Малоохтинский проспект, 98, Санкт-Петербург, Россия, 195196
эл. почта: [email protected]
deficiency of biogenic elements], Ekologiya [Ecology], 1973, No 2. P. 5-11.
Khenderson-Sellers B., Marktend Kh. R. Umirayu-shchie ozera. Prichiny i kontrol' antropogennogo evtro-firovaniya [Dying lakes. The causes and control of anthropogenic eutrophication], Leningrad: Gidrometeoiz-dat, 1990. 279 p.
Galvez-Cloutier R., Sanchez M. Trophic Status Evaluation for 154 Lakes in Quebec, Canada. Monitoring and Recommendations. Water Qual. Res. J. Canada, 2007. Vol. 42, No 4. P. 252-268.
Received December 17, 2014
CONTRIBUTORS:
Frumin, Grigory
Russian State Hydrometeorological University 98 Maloohtinsky Pr., 195196 St. Petersburg, Russia e-mail: [email protected]
Krashanovskaya, Yulia
Russian State Hydrometeorological University 98 Maloohtinsky Pr., 195196 St. Petersburg, Russia e-mail.: [email protected]
