CC BY
62
Труды ИБВВ РАН, 2018, вып. 81(84)
УДК 556.55.6:581.132
Transactions of IBIW RAS, 2018, issue 81(84)
СОДЕРЖАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПИГМЕНТОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВОДОХРАНИЛИЩ ВОЛГИ
Л. Е. Сигарева, Н. А. Тимофеева
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: [email protected]
Представлены новые данные по содержанию растительных пигментов в донных отложениях, полученные спектрофотометрическим методом для 7 водохранилищ волжского каскада в сжатые сроки (август 2015 г.). Средние для водохранилища концентрации хлорофилла с феопигментами уменьшались вниз по течению Волги от значений гипертрофной категории в Иваньковском (232±60), к эвтрофной -Угличском (97±33), Рыбинском (111±54), Горьковском (85±26) и мезотрофной - Чебоксарском (50±28), Куйбышевском (39±6.7), Саратовском (28±16 мкг/г сухого грунта). Анализировали зависимость концентрации пигментов от типологических характеристик грунтов и глубины на станциях. Установили, что для всего массива данных, полученных в 2015 г., существует тесная зависимость концентрации осадочных пигментов от влажности (R2=0.84) и воздушно-сухой объемной массы (R2=0.77) донных отложений. Общая для исследуемых водохранилищ связь пигментов с глубиной не была выявлена, но по данным для отдельных водохранилищ показано сильное ослабление связи в направлении от Верхней Волги к Нижней (коэффициент детерминации R2 для уравнения степенной зависимости составил в Иваньковском 0.90, Горьковском - 0.39 и Саратовском - 0.26). Концентрации хлорофилла с феопигментами в верхнем слое донных отложений в волжском каскаде близки к ранее полученным, и только в Иваньковском водохранилище - существенно выше, чем в предшествующий период (1991-2001 гг.). В целом, результаты показали, что условия, наиболее благоприятные для накопления и сохранения растительных пигментов в донных отложениях, содаются в водохранилищах Верхней Волги, а наименее благоприятные - в водохранилищах Нижней Волги. Содержание хлорофилла а (с феопигментами) в водохранилищах волжского каскада в пересчете на условную биомассу водорослей составляет незначительное количество (0.5-1.4%) от первичной продукции планктонных водорослей.
Ключевые слова: растительные пигменты, донные отложения, трофическое состояние, водохранилища Волги.
DOI 10.24411/0320-3557-2018-1-0008
ВВЕДЕНИЕ
Изучение растительных пигментов в донных отложениях как интегральных показателей трофического состояния водоемов стало одним из направлений гидроэкологии. Сведения о содержании и распространении осадочных пигментов и, прежде всего, хлорофилла а, отражают итог взаимодействия пелагической и донной подсистем. По концентрации хлорофилла в донных отложениях можно получить информацию не только о продукционных свойствах бентали, но и о новообразовании органического вещества в планктоне. Для получения представлений о продуктивности экосистемы на основе растительных пигментов необходимо учитывать закономерности их распределения в разных экологических условиях и зависимости содержания пигментов от комплекса биотических и абиотических факторов. Однако превалирующая часть исследований по осадочным пигментам была выполнена на озерах [Trifonova, Davydova, 1983; Swain, 1985; Leavitt, Findlay, 1994; Ostrovsky, Yacobi, 1999; Buchaca, Catalan, 2007; Reuss et al., 2010; и др.].
Волжский каскад водохранилищ - главная водная артерия РФ, одна из уникальных
экосистем, имеющая протяженность 3530 км и расположенная в разных природных зонах (от лесной зоны до пустыни). Широкий диапазон условий внешней среды в пределах единой водной экосистемы дает основание использовать ее в качестве модельной системы для решения ряда научных и практических задач. Первые сведения о содержании растительных пигментов в донных отложениях водохранилищ Волги были получены, в основном, эпизодически в разные годы, что затрудняет сравнительный анализ и обобщение результатов [Номоконова, 1989 (Nomokonova, 1989)]. Возможности использования осадочных пигментов в экологическом мониторинге водохранилищ раскрываются в ряде публикаций [Сига-рева, 2012 (Sigareva, 2012); Сигарева и др., 2013, 2016 (Sigareva а; а1., 2013, 2016)]. Цель настоящей работы - определить содержание растительных пигментов в верхнем слое донных отложений в максимально сжатые сроки, и на основе пигментных характеристик сравнить трофические свойства дна в водохранилищах каскада Волги.
МАТЕРИАЛЫ Материалы получены в комплексной экспедиции ИБВВ РАН и ИО РАН. Пробы донных отложений собирали с 12 по 31 августа 2015 г. коробчатым дночерпателем из верхнего 5-сантиметрового слоя на 62 станциях 7 водохранилищ Волги. Растительные пигменты анализировали спектрофотометрическим методом в общем экстракте 90% ацетоном на спектрофотометре Lambda-25 (Perkin Elmer, США). Хлорофилл а и продукты его распада -феопигменты рассчитывали по уравнениям Лоренцена [Lorenzen, 1967] и выражали на массу сухого грунта - мкг/г и на единицу площади дна (1 м2) и толщину слоя 1 мм сырого
И МЕТОДЫ
грунта - мг/(м2мм). Влажность грунта определяли после высушивания образцов при 60оС. Воздушно-сухую объемную массу грунта рассчитывали по составленной ранее формуле [Сигарева, 2012 (Sigareva, 2012)]. Статистический анализ выполняли на ПК по стандартным программам. Первичная продукция фитопланктона волжских водохранилищ за год, использованная для оценки степени ее утилизации, рассчитана на основании среднесуточных значений за период открытой воды по данным Н.М. Минеевой [Минеева, 2009 (Mineeva, 2009)].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Водохранилища волжского каскада различаются параметрами основных абиотических факторов, регулирующих первичную продукцию (интенсивности падающей на поверхность воды солнечной радиации, температуры воды и концентрации элементов минерального питания) в связи со сменой климатических условий в природных зонах на территории р. Волги и ее бассейна [Минеева и др., 2008 (Mineeva et al., 2008)]. В период наблюдений 2015 г. температура, цветность и прозрачность воды были близкими к характерным значениям соответствующих показателей для волжских водохранилищ в летний период [Минеева и др., 2008 (Mineeva et al., 2008)]. Вниз по каскаду увеличивались глубина водной толщи и прозрачность воды, а также уменьшалась ее цветность. Содержание кислорода в воде чаще всего превышало порог насыщения и распределялось по глубине равномерно, и только в отдельных местах отмечалось уменьшение его концентрации в нижних слоях воды.
Показатели илонакопления и осадкообразования в целом по каскаду отражают восходящий тренд массы и толщины отложений от водохранилищ Верхней Волги к Средней и Нижней [Законнов, Законнова, 2008 (Zakonnov, Zakonnova, 2008)]. Наибольшие скорости аккумуляции взвеси отмечены для водохранилищ озеровидного типа - Рыбинского и Куйбышевского. В каждом водохранилище отмечается возрастание интенсивности осадконакопления от места выклинивания подпора к плотине, а также в направлении от речных участков к озеровидным [Законнов, Законнова, 2008 (Zakonnov, Zakonnova, 2008)].
Донные отложения на исследуемых станциях были характерными для волжских водохранилищ. Основные типы грунтов: песок
(иногда с гравием), илистый песок (иногда с гравием), песчанистый ил, торфогенный ил, глинистый ил (табл. 1). В направлении от Верхней к Средней и Нижней Волге увеличивается встречаемость песчаных грунтов, характеризующихся относительно низкой влажностью и высокой воздушно-сухой объемной массой. С этими типологическими свойствами донных отложений связано содержание растительных пигментов. В песках, как правило, растительных пигментов гораздо меньше, чем в илах. Низкие концентрации пигментов (<1 мкг/г сухого грунта) отмечены в донных отложениях Средней и Нижней Волги, высокие (>200 мкг/г сухого грунта) характерны для Верхней Волги (табл. 1).
Трофическое состояние бентали. Концентрации хлорофилла с феопигментами в донных отложениях водохранилищ Волги соответствуют разным трофическим уровням. Если принять градацию [Möller, Scharf, 1986], в которой к олиготрофной категории относятся величины <13, мезотрофной - 13-60, эвтроф-ной - 60-120 и гипертрофной >120 мкг/г сухого грунта, то в волжском каскаде на долю величин, соответствующих этим категориям трофии, приходится 25.8, 32.3, 14.5 и 27.4% всего числа данных. Средние концентрации осадочных пигментов для всех станций каждого из водохранилищ уменьшаются вниз по каскаду от величин гипертрофной категории (в Иваньковском) к эвтрофным (в Угличском, Рыбинском, Горьковском) и мезотрофным (в Чебоксарском, Куйбышевском, Саратовском) (табл. 2).
Таблица 1. Характеристика донных отложений и фонда осадочных пигментов на станциях водохранилищ Волги в августе 2015 г.
Table 1. Characteristics of bottom sediments and sedimentary pigments at the stations of the Volga River reservoirs in August 2015
Станции Глубина, Тип грунта Влаж- Объемная мас- Хлорофилл д+фсопигмснты. Феопиг- Е48О/Е665 Е480/
№ Месторасположение м ность,*/^ са, г/смЗ мкг/г сухого грунта мг/м2мм менты, % 1-7Е665к
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Иваньковское вдхр.
1 Липня 17 глинистый ил 84.2 0.18 361.2 63.5 68.6 1.71 1.22
2 Уходово 14 глинистый ил 79.5 0.24 292.7 69.0 64.6 1.79 1.32
3 Корчева 13 глинистый ил 80.4 0.22 301.8 67.5 66.1 1.71 1.25
4 Мошковичский залив 2 илистый песок 23.9 1.47 7.7 11.3 73.5 1.96 1.36
5 Устье р.Созь 14 песчанистый ил 80.1 0.23 277.2 63.0 72.4 1.76 1.24
6 Свердлово 13 глинистый ил 78.5 0.25 361.7 90.1 69.1 1.37 0.98
7 Шошинский залив 2 илистый песок 25.6 1.41 10.1 14.2 81.5 1.55 1.03
8 Выше р. Шоша 9 песчанистый ил 57.5 0.58 115.3 67.0 70.5 1.56 1.11
9 оз. Видогощь 18 глинистый ил 82.9 0.19 625.9 119.8 74.2 1.71 1.18
10 Городня 10 песчанистый ил 64.5 0.46 159.9 73.1 86.2 1.56 1.01
11 Горохово 10 илистый песок 38.9 1.00 41.1 41.0 82.7 1.50 0.99
Угличское вдхр.
12 Устье Грехова ручья 21 глинистый ил 61.9 0.50 132.5 66.5 79.5 1.99 1.34
13 г. Калязин 12 глинистый ил 70.6 0.36 135.0 48.8 70.3 2.05 1.46
14 Ниже устья р. Нерль 13 песчанистый ил 73.2 0.32 240.4 77.7 73.0 1.84 1.28
15 Устье р. Медведица 9 песчанистый ил 44.9 0.85 45.9 38.8 70.1 1.72 1.22
16 Белый городок 9 илистый песок с гравием 25.6 1.41 25.3 35.6 76.4 1.94 1.33
17 Кимры 8 илистый песок 21.7 1.55 9.6 14.8 82.3 2.14 1.42
18 Ниже устья р. Дубна 9 песчанистый ил 58.7 0.56 87.6 48.9 86.1 2.51 1.62
Рыбинское вдхр.
19 Мышкин 7 песчанистый ил 58.7 0.56 76.2 42.6 88.7 2.57 1.63
20 Глебово 14 глинистый ил 77.9 0.26 267.3 68.6 58.6 2.26 1.71
21 Еремейцево 5 илистый песок 35.3 1.09 14.3 15.6 83.5 2.71 1.78
22 Крутец 7 илистый песок 33.9 1.14 23.8 27.0 80.7 2.12 1.41
23 Волково 16 торфогенный ил 81.8 0.21 173.7 35.8 75.4 3.25 2.24
Горьковское вдхр.
24 г. Рыбинск, ниже очистных 6 песок 16.4 1.78 0.8 1.4 97.4 1.77 1.06
25 Выше г. Ярославль 5 песчанистый ил 27.3 1.35 12.4 16.6 77.1 2.43 1.66
26 Ниже г. Ярославль (Туношна) 6 илистый песок 17.4 1.73 3.2 5.6 82.1 2.28 1.51
27 Красный Профинтерн 11 песчанистый ил 32.0 1.19 21.2 25.3 79.7 2.47 1.66
28 Костромское расширение, русло 9 илистый песок 19.2 1.65 4.3 7.1 81.9 1.99 1.32
29 Там же, левый берег 5 песчанистый ил 71.5 0.35 84.1 29.3 83.5 2.94 1.93
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
30 Ниже г. Кострома 8 илистый песок 30.3 1.25 22.4 27.9 74.0 2.96 2.06
31 г. Волгореченск 11 илистый песок 32.0 1.19 19.5 23.2 80.5 2.63 1.76
32 Ниже г. Плес 11 песчанистый ил 74.2 0.31 128.5 39.5 84.1 3.37 2.20
33 Наволоки 9 глинистый ил 73.4 0.32 118.0 37.7 81.1 2.32 1.54
34 Ниже г. Кинешма 14 глинистый ил 79.7 0.23 155.6 36.2 83.5 2.43 1.59
35 г. Юрьевец 12 песчанистыйил 64.6 0.46 79.4 36.2 70.7 1.94 1.37
36 г. Пучеж, середина расширения 17 глинистый ил 79.2 0.24 267.1 64.0 68.6 2.02 1.45
37 В/б Нижегородской ГЭС 12 глинистый ил 85.3 0.16 269.9 43.6 73.8 2.53 1.76
Чебоксарское вдхр.
38 г. Н.Новгород, устье р. Ока 5 песок 18.6 1.68 6.9 11.6 90.3 1.38 0.87
39 Ниже Кстово 6 песок 15.0 1.84 0.9 1.6 76.2 1.30 0.89
40 Лысково-Макарьев 6 песок 19.1 1.66 7.6 12.7 75.6 1.26 0.87
41 Васильсурск 9 илистый песок 30.3 1.25 35.0 43.7 77.4 1.95 1.33
42 г. Козьмодемьянск 10 глинистый ил 76.4 0.28 190.1 52.7 82.6 3.23 2.13
43 Ильинка 15 песчанистый ил 27.2 1.35 12.8 17.3 91.8 2.38 1.48
44 В/б Чебоксарской ГЭС, левый берег 14 глинистый ил 77.6 0.26 94.6 24.7 93.1 2.03 1.25
Куйбышевское вдхр.
45 Ниже Звенигово 20 песок 16.4 1.77 0.4 0.8 60.6 1.51 1.14
46 Ниже Свияжска 20 илистый песок 30.2 1.25 10.7 13.4 84.2 2.63 1.72
47 Шеланга 16 песчанистый ил 36.9 1.05 26.5 27.8 88.0 3.22 2.05
48 Выше п. Камское устье 22 глинистый ил 55.7 0.62 26.6 16.4 87.8 2.69 1.72
49 устье р. Кама 12 глинистый ил 65.3 0.44 48.9 21.7 90.0 3.46 2.18
50 Против Атабаево, р. Кама 16 глинистый ил 71.3 0.35 57.5 20.2 92.1 2.48 1.54
51 Затон им. Куйбышева 9 глинистый ил 66.2 0.43 80.5 34.6 92.2 3.75 2.33
52 Выше п. Тетюши 19 глинистый ил 65.3 0.44 23.6 10.5 96.2 2.59 1.57
53 Против с. Кременки 23 глинистый ил 64.5 0.46 43.4 19.9 93.7 2.69 1.65
54 Ниже г. Новоульяновск 16 глинистый ил 75.6 0.29 56.1 16.2 95.5 1.97 1.20
55 Против устья р. Б. Черемшан 24 глинистый ил 62.7 0.49 46.9 22.9 78.5 2.68 1.81
56 В/б Самарской ГЭС 23 глинистый ил 75.8 0.29 50.4 14.4 95.0 2.48 1.51
Саратовское вдхр.
57 Нижний бьеф Самарской ГЭС 8 песок 18.4 1.69 0.7 1.2 100.0 2.22 1.31
58 о. Тушинский, 1749 км 14 песчанистый ил 35.5 1.09 41.7 45.5 93.9 2.54 1.56
59 Нижнепечерское, 1825 км 12 песок 18.5 1.68 0.5 0.9 100.0 1.75 1.03
60 Ниже г. Сызрань 12 песок с гравием 14.7 1.85 1.0 1.9 91.9 1.02 0.63
61 Разлив у Приволжья 11 песчанистый ил 66.2 0.43 92.1 39.6 92.6 2.76 1.71
62 Выше г. Хвалынск 16 песчанистый ил 53.1 0.67 30.9 20.6 89.9 2.37 1.49
Рис. 1. Концентрация хлорофилла а в сумме с феопигментами в донных отложениях всех типов (а) и илов (б) в водохранилищах Волги в 2015 г. И, У, Р, Г, Ч, К, С - Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское, Куйбышевское, Саратовское водохранилища, соответственно.
Fig. 1. The concentrations of the sum of chlorophyll a and silts of the Volga River reservoirs in 2015. И, У, Р, Г, Ч, К boksary, Kuybyshev, and Saratov reservoirs, respectively. Аналогичное распределение (по каскаду) концентраций пигментов отмечено для илов (рис. 1). Илистые грунты аккумулируют пигментов больше, чем песчанистые, поэтому именно с долей илов в грунтовом комплексе и изменениями в них концентраций пигментов (и, соответственно, органического вещества) связаны вариации трофического потенциала бентали.
Сравнение в многолетнем аспекте показало, что концентрации хлорофилла с феопигментами в верхнем слое отложений волжского каскада сходны по данным съемок 2015 г. и предшествующего периода (1991-2001 гг.). Однако в Иваньковском водохранилище они стали почти в 2 раза выше [Сигарева, 2012 (Sigareva, 2012)]. Так, концентрации пигментов в Иваньковском водохранилище по данным съемок 1996-1998 гг. (126±18 мкг/г сухого грунта) относились к границе перехода между эвтрофной и гипертрофной категориями, а в настоящее время являются типично ги-пертрофными (232±60 мкг/г).
Состояние пигментного фонда. Растительные пигменты в донных отложениях глубоководной зоны волжских водохранилищ, как правило, находятся в разрушенном состоянии. Суммарное содержание хлорофилла а с феопигментами в донных отложениях водохранилищ волжского каскада представлено преимущественно продуктами деградации хлорофилла - от 59 до 100%, по данным отдельных проб, и от 74 до 95%, по средним величинам для водохранилищ (табл. 2). Минимальный вклад дериватов хлорофилла отмечен в Иваньковском водохранилище, максимальный - в Саратовском.
pheopigments in (a) all types of bottom sediments and (6) , С correspond to Ivan'kovo, Uglich, Rybinsk, Gorki, Che-
Другой показатель состояния пигментного комплекса - соотношение между концентрациями желтых и зеленых пигментов. Для оценки этого соотношения использовали индексы: Е48о/Е665 и Е480/1.7Е665к. Первый - реальное отношение оптических плотностей экстрактов в максимумах поглощения света каро-тиноидами (480 нм) и суммой хлорофилла а с феопигментами (665 нм), второй - рассчитанное отношение с учетом вклада феопигментов, у которых коэффициент экстинкции меньше, чем у хлорофилла а, в 1.7 раза. Все исходные значения этих индексов и средние для водохранилищ заметно >1.0 (табл. 2), они свидетельствуют о значительной степени разрушения пигментного фонда в донных отложениях, причем преимущественно за счет зеленых пигментов, которые обесцвечиваются быстрее каротиноидов. В целом по каскаду пигментные индексы для донных отложений выше, чем для функционирующего фитопланктона, что также подтверждает сильную степень деградации фонда растительных пигментов в накопленных осадках.
Зависимость концентрации растительных пигментов от типа грунта. Тип грунта -основной фактор содержания и распределения пигментов в донных отложениях волжских водохранилищ [Сигарева, 2012 (Sigareva, 2012); Сигарева и др., 2013, 2016 (Sigareva et al., 2013, 2016)]. Результаты показали, что связь между содержанием хлорофилла с феопигментами и типологическими свойствами отложений нелинейная. Степенная и экспоненциальная связь осадочных пигментов с влажностью и воздушно-сухой объемной массой характеризуются высокими коэффициен-
тами детерминации (рис. 2). Аналогичный тип лавском водохранилище на р. Висле в Польше
зависимости был показан на других водоемах [Sigareva et al., 2011], малой реке Ильд - при-
- оз. Плещеево в Ярославской области [Сига- токе Рыбинского водохранилища [Тимофеева
рева и др., 2000 (Sigareva et al., 2000)], Влоц- и др., 2015 (Timofeeva et al., 2015)].
Таблица 2. Содержание растительных пигментов в донных отложениях водохранилищ Волги в августе 2015 г.
Table 2. The content of plant pigments in bottom sediments of the Volga River reservoirs in August 2015
Водохранилище Хлорофилл а+феопигменты Феопигменты, % Е480/Е665 Е480/1.7Е665к
мкг/г сухого грунта мг/м2мм
Иваньковское 7.7-626 11.3-120 65-86 1.4-2.0 1.0-1.4
232±60 (81) 61.8±9.9 (50) 74±2.2 (10) 1.65±0.05 (10) 1.15±0.04 (12)
Угличское 9.6-240 15-78 70-86 1.7-2.5 1.2-1.6
97±33 (83) 47±8.4 (44) 77±2.5 (8) 2.03±0.10 (13) 1.38±0.05 (10)
Рыбинское 14-267 16-69 59-89 2.1-3.3 1.4-2.2
111±54 (97) 38±10 (52) 77±5.8 (15) 2.58±0.22 (17) 1.76±0.15 (17)
Горьковское 0.8-270 1.4-64 67-97 1.8-3.4 1.1-2.2
85±26 (110) 28±4.7 (60) 80±2 (9) 2.43±0.12 (18) 1.63±0.08 (18)
Чебоксарское 0.9-190 1.6-53 76-93 1.3-3.2 0.9-2.1
50±29 (140) 24±7.5 (79) 84±3.2 (9) 1.93±0.29 (37) 1.26±0.19 (36)
Куйбышевское 0.4-80 0.8-35 61-96 1.5-3.8 1.1-2.3
39±6.7 (57) 18.2±2.6 (47) 88±3 (11) 2.68±0.18 (22) 1.70±0.11 (21)
Саратовское 0.5-92 0.9-45.5 90-100 1-2.8 0.6-1.7
27.8±16 (130) 18.3±9.1 (90) 95±1.9 (4.5) 2.11±0.28 (30) 1.29±0.18 (31)
Все вдхр. 0.4-626 0.8-120 59-100 1-3.8 0.6-2.3
96±15.4 (125) 33.7±3.2 (74) 82±1.3 (12) 2.2±0.1 (27) 1.5±0.0 (25)
Примечание. Над чертой - пределы, под чертой - среднее вариации, %.
Связь концентрации осадочных пигментов с глубиной. Глубина - одна из основных морфометрических характеристик водоема, обусловливающая свойства его экосистемы и, прежде всего, параметры фотосинтезирующей зоны. От глубины зависит время оседания взвеси и состояние растительных пигментов, поступающих на дно. Исследования показали, что связь растительных пигментов в донных отложениях с глубиной в водоеме и в каскаде неоднозначная. Для всех полученных данных в каскаде связь пигментов с глубиной (и линейная, и нелинейная) характеризовалась крайне низкими коэффициентами детерминации (табл. 3, рис. 3). В то же время, в отдельных водохранилищах Верхней и Средней Волги эта связь была достаточно сильной. Рассматриваемая зависимость (концентрации растительных пигментов в донных отложениях от глубины на станции) ослабевает в водохранилищах нижней части каскада (рис. 3). Предположим, что фактор, нивелирующий влияние глубины на накопление и сохранение пигментов в отложениях водохранилищ - скорость течения, усиление которой в Нижней Волге препятствует осаждению взвеси. В южной части каскада интенсивные деструкционные процессы в водной толще, очевидно, приводят к более полной утилизации органического вещества (и соответственно растительных пигментов), синтезированного фитопланктоном.
со стандартной ошибкой, в скобках - коэффициент
Концентрации растительных пигментов в донных отложениях можно рассматривать как остаточное количество новообразованного органического вещества после взаимодействия продукционных и деструкционных процессов в водоеме, а также как показатель утилизации первичной продукции в трофических цепях экосистемы. Оценка этого показателя ранее выполнялась на озерах и водохранилищах волжского бассейна по алгоритму: пересчет среднегодовой концентрации хлорофилла в сумме с феопигментами в отложениях в углерод условной биомассы водорослей и сравнении его количества с первичной продукцией водоема за год, выраженной в единицах углерода [Сигарева, 2012 (Sigareva, 2012)]. Рассчитанное содержание углерода условной биомассы водорослей в донных отложениях, как правило, <1% первичной продукции. По данным, полученным в 2015 г., рассматриваемый показатель составил 0.5-1.4% (среднее - 1.0%). Почти все новообразованное при фотосинтезе органическое вещество (более 98% первичной продукции) утилизируется в экосистеме водохранилищ волжского каскада.
мкг/г с. о. 700
600
ИЕГ/Г С. О.
500 400 300 200 100
а
* *
* V
*
••
■
■9 ' S
* 1 m 2
Ai к4 о 5 Аб
□ 7
20 40
60 80 100 Влажность, %
0.5 1.0 1.5 2.0 Объемная масса, г/см3
Рис. 2. Зависимость суммарной концентрации хлорофилла с феопигментами в донных отложениях от влажности грунта (а) и воздушно-сухой объемной массы (б) в водохранилищах Волги. Водохранилища: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 — Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское, Куйбышевское, Саратовское, соответственно.
Fig. 2. Relationship of the sum of sedimentary chlorophyll a and pheopigments with (a) water content and (б) air-dry volumetric mass of bottom sediments in Volga River reservoirs: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 correspond to Ivan'kovo, Uglich, Rybinsk, Gorki, Cheboksary, Kuybyshev, and Saratov reservoirs, respectively.
Таблица 3. Коэффициенты детерминации (R2) для связи концентрации растительных пигментов в донных отложениях с глубиной в водохранилищах Волги в августе 2015 г.
Table 3. Coefficients of determination (R2) for relationship between concentrations of sedimentary pigments and water
Водохранилище Глубина, м R2 для линейной регрессии R2 для степенной регрессии
минимум максимум среднее с ошибкой Cv, %
Иваньковское 2 18 11.Ш.7 48 0.78 0.91
Угличское 8 21 11.6±1.9 39 0.30 0.47
Рыбинское 5 16 8.8±2.8 56 0.92 -
Горьковское 5 17 9.8±1 37 0.52 0.39
Чебоксарское 5 15 9.3±1.6 43 0.12 0.39
Куйбышевское 9 24 18.3±1.4 25 0.23 0.08
Саратовское 8 16 12.2±1.2 22 0.03 0.26
Все водохранилища 2 24 12.0±0.7 44 0.07 0.11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлена последовательность водохранилищ Волги по уровню содержания растительных пигментов в донных отложениях на основе анализа материала, собранного в кратчайшие сроки. Результаты показали, что условия, наиболее благоприятные для накопления и сохранения растительных пигментов в донных отложениях, создаются в водохранилищах Верхней Волги, а наименее благоприятные - в водохранилищах Нижней Волги. Для донных отложений Иваньковского водохранилища характерны концентрации осадочных пигментов
гипертрофной категории Угличского, Рыбинского, Горьковского - эвтрофной, Чебоксарского, Куйбышевского и Саратовского - мезо-трофной. Современный уровень содержания пигментов в донных отложениях близок к отмечаемому в конце XX века во всех водохранилищах, кроме Иваньковского, где средняя концентрация возросла. Распределение содержания пигментов в отложениях волжского каскада водохранилищ согласуется со структурой грунтового комплекса, формирующейся в зависимости от условий в соответствующих
природных зонах. Во всех водохранилищах содержание растительных пигментов в среднегодовом слое осадконакопления невелико, что свидетельствует об эффективном функциони-
мкг/'г сухого грунта.
800
600
400
200
Рис. 3. Связь концентрации хлорофилла а с феопигментами в донных отложениях с глубиной на станциях
Иваньковского (1), Горьковского (2) и Саратовского (3) водохранилищ.
Fig. 3. Relationship between the sum of chlorophyll a and pheopigments in bottom sediments and water depth in the
Volga River reservoirs: (1-3) correspond to Ivan'kovo, Gorki, and Saratov reservoir
Авторы выражают благодарность Р.А. Ложкиной за сбор проб донных отложений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Законнов В.В., Законнова А.В. Географическая зональность осадконакопления в системе водохранилищ Волги // Изв. РАН. Сер. геогр. 2008. № 2. С. 105-111.
Минеева Н.М. Первичная продукция планктона в водохранилищах Волги. Ярославль: Принтхаус. 2009. 279 с.
Минеева Н.М., Сигарева Л.Е. Паутова В.Н., Номоконова В.И. Природные и антропогенные факторы функционирования фитопланктона зарегулированной Волги // Изв. Самар. НЦ РАН. 2008. Т. 10, № 5/1. С. 216-227.
Сигарева Л.Е. Хлорофилл в донных отложениях волжских водоемов. М.: Товарищество научных изданий КМК. 2012. 217 с.
Сигарева Л.Е., Законнов В.В., Шарапова Н.А. Оценка экологического состояния оз. Плещеево по пигментным характеристикам донных отложений // Проблемы региональной экологии. 2000. № 6. С. 100-113.
Сигарева Л.Е., Пырина И.Л., Тимофеева Н.А. Межгодовая динамика растительных пигментов в воде и донных отложениях Рыбинского водохранилища // Труды ИБВВ РАН. Ярославль: Филигрань, 2016. Вып. 76 (79). С. 119-130.
Тимофеева Н.А., Сигарева Л.Е., Законнов В.В. Растительные пигменты в донных отложениях как показатели трофического состояния малой реки // Вода: химия и экология. 2015. № 7. С. 18-24.
Номоконова В.И. Седиментация фитопланктона и его содержание в донных отложениях // Экология фитопланктона Куйбышевского водохранилища. Л.: Наука, 1989. С. 237-249.
Buchaca T., Catalan J. Factors influencing the variability of pigments in the surface sediments of mountain lakes // Freshwater biology. 2007. Vol. 52. P. 1365-1379.
Leavitt P.R. A review of factors that regulate carotenoid and chlorophyll deposition and fossil pigment abundance // J. Paleolimnol. 1993. № 9. P. 109-127.
Leavitt P.R., Findlay D.L. Comparison of fossil pigments with 20 years of phytoplankton data from eutrophic Lake 227, Experimental Lakes Area, Ontario // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1994. Vol. 51. P. 2286-2299.
Lorenzen C.J. Determination of chlorophyll and phaeo-pigments: spectrophotometry equations // Limnol. Oceanogr. 1967. Vol. 12, № 2. P. 343-346.
Moller W.A.A., Scharf B.W. The content of chlorophyll in the sediment of the volcanic maar lakes in the Eifel region (Germany) as an indicator for eutrophication // Hydrobiologia. 1986. Vol. 143. P. 327-329.
Ostrovsky I., Yacobi Y.Z. 1999. Organic matter and pigments in surface sediments: possible mechanims of their horizontal distributions in a stratified lake // Can. J. Fish. Aquat. Sci. Vol. 56. P. 1001-1010.
Reuss, N., Leavitt P.R., Hall R.I., Bigler C., Hammarlund D. 2010. Development and application of sedimentary pigments for assessing effects of climatic and environmental changes on subarctic lakes in northern Sweden // J. Paleolimnol. Vol. 43. P. 149-169.
ровании экосистемы волжского каскада. Причины многолетних изменений концентраций осадочных пигментов в каскаде водохранилищ требуют дальнейшего изучения.
Глубина, м
Sigareva L.E., Zakonnov V.V., Gerszhevskiy P. Content and Distribution of the Plant Pigments in the Bot-tom Sediments of The Eutrophic Wloclawek Reservoir // Hydrobiological Journal. 2011. Vol. 47, № 3. P. 57-66.
Trifonova I.S., Davydova N.N. 1983. Diatoms in the plankton and sediments of two lakes of different trophic type // Hydrobiologia. Vol. 103. P. 265-268.
REFERENCES
Buchaca T., Catalan J. 2007. Factors influencing the variability of pigments in the surface sediments of mountain lakes // Freshwater biology. Vol. 52. P. 1365-1379.
Leavitt P.R. 1993. A review of factors that regulate carotenoid and chlorophyll deposition and fossil pigment abundance // J. Paleolimnol. № 9. P. 109-127.
Leavitt P.R., Findlay D.L. 1994. Comparison of fossil pigments with 20 years of phytoplankton data from eutrophic Lake 227, Experimental Lakes Area, Ontario // Can. J. Fish. Aquat. Sci. Vol. 51. P. 2286-2299.
Lorenzen C.J. 1967. Determination of chlorophyll and phaeo-pigments: spectrophotometric equations // Limnol. Oceanogr. Vol. 12, № 2. P. 343-346.
Mineeva N.M. 2009 [Plankton primary production in the Volga River reservoirs]. Yaroslavl: Print House. 279 p. [In Russian]
Mineeva N.M., Sigareva L.E. Pautova V.N., Nomokonova V.I. 2008. [Natural and anthropogenic factors of phytoplankton functioning in the regulated Volga] // Izvestiya Samarskogo Nauchnogo Tsentra Rossiyskoy Akademii Nauk. Vol. 10, № 5/1. P. 216-227. [In Russian]
Möller W.A.A., Scharf B.W. The content of chlorophyll in the sediment of the volcanic maar lakes in the Eifel region (Germany) as an indicator for eutrophication // Hydrobiologia. 1986. Vol. 143. P. 327-329.
Nomokonova V.I. 1989. [Sedimentation of phytoplankton and its content in bottom sediments]. Phytoplankton Ecology in the Kuibyshev Reservoir. Leningrad: Nauka. P. 237-249. [In Russian]
Ostrovsky I., Yacobi Y.Z. 1999. Organic matter and pigments in surface sediments: possible mechanims of their horizontal distributions in a stratified lake // Can. J. Fish. Aquat. Sci. Vol. 56. P. 1001-1010.
Reuss, N., Leavitt P.R., Hall R.I., Bigler C., Hammarlund D. 2010. Development and application of sedimentary pigments for assessing effects of climatic and environmental changes on subarctic lakes in northern Sweden // J. Paleolimnol. Vol. 43. P. 149-169.
Sigareva L.E. 2012. [Chlorophyll in bottom sediments of the Volga water bodies]. Moskow: KMK Scientific Press. 217 p. [In Russian]
Sigareva L.E., Pyrina I.L., Timofeeva N.A. 2016. [Interannual dynamics of chlorophyll content in plankton and bottom sediments of the Rybinsk reservoir] // Trudy IBVV RAN. Vypusk 76 (79). Yaroslavl': Filigran'. P. C. 119-130. [In Russian]
Sigareva L.E., Zakonnov V.V., Gerszhevskiy P. Content and Distribution of the Plant Pigments in the Bottom Sediments of The Eutrophic Wloclawek Reservoir // Hydrobiological Journal. 2011. Vol. 47, № 3. P. 57-66.
Sigareva L.E., Zakonnov V.V., Sharapova N.A. 2000. [Estimation of ecological state of the lake Pleshcheevo using pigment characteristics of bottom sediments] // Problemy regional'noy ekologii. № 6. P. 100-113. [In Russian]
Timofeeva N.A., Sigareva L.E., Zakonnov V.V. 2015. [Plant pigments in bottom sediments as indicators of the trophic state of a small river] // Voda: khimiya i ekologiya. № 7. P. 18-24. [In Russian]
Trifonova I.S., Davydova N.N. 1983. Diatoms in the plankton and sediments of two lakes of different trophic type // Hydrobiologia. Vol. 103. P. 265-268.
Zakonnov V.V., Zakonnova A.V. 2008. [Geographical Zonality of Sedimentation in Volga River Reservoirs] // Izvestiya RAN. Seriya Geogr. № 2. P. 105-111. [In Russian]
CONTENT OF PLANT PIGMENTS IN BOTTOM SEDIMENTS OF THE VOLGA RIVER
RESERVOIRS
L. E. Sigareva, N. A.Timofeeva
Papanin Institute for Biology ofInland Waters Russian Academy of Sciences Borok, Nekouzskii raion, Yaroslavl oblast, 152742 Russia, e-mail: [email protected]
This paper presents new data on contents of sedimentary pigments in cascade of the Volga River dam reservoirs obtained in August 2015. The pigment concentrations were determined by spectrophotometric method. The dependence of pigment concentrations on characteristics of bottom sediments and water depth are analyzed. The average concentrations of chlorophyll a + pheopigments in bottom sediments are shown to decrease from the Upper Volga toward the Lower Volga. Their values correspond to hypertrophic category in Ivan'kovo reservoir (232±60) and eutrophic category in Uglich (97±33), Rybinsk (111±54), and Gorki (85±26) reservoirs, while these are typical of mesotrophic waters in Cheboksary (50±28), Kuybyshev (39±6.7), and Saratov (28±16 ^g/g dry matter) reservoirs. On the data set, the close relationships between the concentrations of sedimentary pigments and water content (R2=0.84), as well as air-dry volumetric mass (R2=0.77) of bottom sediments were revealed. The relationship between contents of sedimentary pigments and water depth was found for the separate reservoirs, however it was not revealed for the entire cascade. It was shown that the strength of this relation reduce from the Upper Volga toward the Lower Volga (the coefficients of determination of power regression were
equal to 0.90, 0.39, and 0.26 for Ivan'kovo, Gorki, and Saratov reservoirs, respectively). The concentrations of chlorophyll a together with pheopigments in surface bottom sediments are similar to those obtained in 1991— 2001 for all of Volga River reservoirs except of Ivan'kovo reservoir, where these have significantly increased. In the Upper Volga, conditions for accumulation and preservation of sedimentary pigments are the most favorable, whereas these are more favorable in the Middle Volga than in the Lower Volga. The annual accumulation of pigments in bottom sediments equivalent to assumed algal biomass amounted a small part of primary phyto-plankton production (0.5-1.4%) in the Volga River reservoirs.
Keywords: plant pigments, bottom sediments, trophic state, the Volga River reservoirs
