CC BY
9УДК 556.114.6
зависимость содержания органического вещества и биогенных элементов от гидрологических условий в рыбинском водохранилище*
© 2015 г. А.С. Аитвинов, и.Э. Степанова
ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук», пос. Борок, Ярославская область
Ключевые слова: Рыбинское водохранилище, температура воды, водный сток, органическое вещество, биогенные элементы.
А.С. Литвинов И.Э. Степанова
Проанализированы гидрологические условия, уровень биогенных элементов и органического вещества в Рыбинском водохранилище за 20012012 гг. Оценена степень влияния гидрологического режима водоема на биогенные элементы и органические вещества. Отмечено, что гидрологический режим определяющим образом сказывается на их содержании как в сезонном, так и межгодовом аспектах.
В мезотрофных и эвтрофных водоемах умеренных широт, не подверженных интенсивному антропогенному прессу, температура воды служит доминирующим фактором, определяющим межгодовую изменчивость развития популяций фитопланктона, динамику содержания и соотношение форм неконсервативных компонентов природных вод, а также уровень показателей органического вещества (ОВ). Обширный экспериментальный материал по биогенным элементам (БЭ) и жизнедеятельности водных организмов, полученный в течение 2001-2012 гг. в Рыбинском водохранилище, дает возможность установить качественные и количественные закономерности изменения биогенных элементов и органического вещества в зависимости от температуры воды и объема водного стока во внутригодовом и межгодовом аспектах. Климатические изменения и обусловленные ими различия термических условий в водоеме могут разрывать трофические
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 14-05-00346
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
водное хозяйство России
связи в его экосистеме, что необходимо учитывать при анализе временной динамики. В работе выполнены оценки связи между гидрологическим режимом в Рыбинском водохранилище, пространственными и временными вариациями содержания основных форм биогенных элементов и показателей органического вещества в период потепления.
материалы и методы исследования
Водный баланс Рыбинского водохранилища и климатические условия в его бассейне приведены на основании материалов, полученных в Рыбинской гидрометеорологической обсерватории ФГБУ «Ярославский центр по метеорологии мониторингу окружающей среды».
Исследование уровней биогенов, ОВ и температурного режима водной массы водохранилища проводилось в течение вегетационного сезона в период с 2001 по 2012 гг. на шести стандартных станциях: Коприно (1), Мо-лога (2) - Волжский плес, Наволок (3), Измайлово (4), Средний Двор (5), Брейтово (6) - Центральный плес [1] (рис. 1). На каждой станции измеряли температуру воздуха, облачность, скорость и направление ветра, состояние поверхности водоема, температуру воды и электропроводность, прозрачность и гидрохимические показатели (уровень БЭ, содержание ОВ). Измерения температуры воды и электропроводности проводили термо-каппометром по вертикали через каждый метр глубины. Пробы воды для химических анализов отбирали батометром с горизонта 0,5 м. Неорганические соединения азота и фосфора определяли стандартными методиками [2] в аттестованном Аналитическом центре Института биологии внутренних вод РАН. Органические формы углерода, фосфора и азота переводили в минеральные формы с помощью персульфата калия и определяли, соответственно, в виде диоксида углерода, ортофосфата и нитрата [3-5].
результаты и обсуждение
Водный баланс 2000-2013 гг.
Основную роль в приходной части водного баланса Рыбинского водохранилища за анализируемый период играет поверхностный приток -32,84 км3 (93,3 %). Осадки на зеркало водохранилища - 2,35 км3 (6,7 %). В расходной части сток через плотину и ГЭС составляет 32,73 км3 (95,48 %), испарение - 1,55 км3 (4,5 %). Несмотря на определенную устойчивость, речной сток непрерывно изменяется во времени в зависимости от климатических факторов и увлажненности территории. За 2000-2013 гг. приток изменялся от 18,73 (2002 г.) до 45,17 км3 (2004 г.) при средней величине 32,8 км3. В 2000-2003 гг. объем притока был ниже среднего, с 2004 г. превышал его за исключением 2006 и 2008 гг. Различия в объеме притока между экстремальными годами (2002 и 2004 гг.) составили 26,44 км3. Сток из водохранилища изменялся от 18,55 до 45,50; составляя в среднем 32,73 км3.
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
Череповец
р. Волга Рыбинск
Рис. 1. Картосхема расположения стандартных станций на водохранилище: 1 - Коприно, 2 - Молога, 3 - Наволок, 4 - Измайлово, 5 - Средний Двор,
6 - Брейтово.
За анализируемый период среднегодовой уровень наполнения водохранилища составил 100,56 м, максимальный среднемесячный - 101,83 м в мае 2008 г. Наибольших различий между годами отметки уровня достигали в октябре - декабре. В эти месяцы в многоводные 2004 и 2012 гг. уровень был на 2,42-3,08 м выше, чем в самом маловодном 2002 г.
В связи со значительной внутригодовой изменчивостью элементов водного баланса Рыбинского водохранилища велика и внутригодовая изменчивость его водообмена. В среднем максимальных значений водообмен достигал в апреле. Это обусловлено уменьшением объема воды в водохранилище в результате зимней сработки и резким увеличением притока в период весеннего половодья. Температура водной массы
Оценка реакции термического режима Рыбинского водохранилища на региональные изменения климата показала, что за 2000-2012 гг. в течение
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
всего вегетационного периода значения температуры были выше климатической нормы. Межгодовые различия для теплых и холодных лет особенно заметны. Наибольшая разница между максимальными и минимальными температурами воды в мае и июне составляет 5,0 °С, наименьшая в сентябре - 3,0 оС. Особенности межгодовых температурных условий в водохранилище можно проследить по аномалиям, рассчитанным относительно принятой климатической нормы (1961-1990 гг.). Максимальные аномалии (+2,7 оС) наблюдались в 2010, 2011 гг. Отмечен сдвиг периода максимального прогрева водохранилища на третью декаду июля - 1 августа. В период максимального прогрева среднедекадная температура воды была на 2,4-2,6 оС выше нормы. Экстремально высокие температуры воды наблюдались летом 2010 г., а наиболее низкие - летом 2008 г.
Ранние сроки окончания ледостава в водохранилище за анализируемый период приводили к более раннему установлению летней термической стратификации и к большему прогреву эпилимниона (табл. 1). Биогенные элементы
В результате математического анализа данных по шести стандартным станциям в период открытой воды не обнаружено высоких коэффициентов корреляции между среднемесячными концентрациями аммония, нитритов, нитратов, общего и органического азота, фосфатов и общего фосфора со среднемесячной температурой воды в поверхностном и придонном слоях. Этот вывод касается как внутригодовых, так и межгодовых показателей. В то же время построенные по среднемесячным данным графики зависимости отдельных химических показателей от температуры наглядно указывают на существование определенных тенденций в распределении исследуемых параметров. Следовательно, сезонный ход температуры воды отражается на распределении различных форм биогенных элементов (рис. 2, 3).
Весной соотношение минерального и органического азота на стандартных станциях Главного плеса примерно одинаково. Волжские воды (табл. 2) значительно отличаются от весенних вод других плесов как по содержанию общего азота, так и по соотношению его форм. Они заметно богаче биогенными элементами, в т. ч. и соединениями фосфора. В мае на ст. Коприно уровень аммонийной формы азота в 1,5-3,0 раза выше, чем на других станциях, нитритов и нитратов в 1,5-3,5 и 1,8-3,5 раз соответственно. Минеральные формы преобладают над органическими, составляя от 65 до 78 %. Максимальные концентрации фосфатов до 0,041 мгР/л отмечены также в волжских водах, что превышало концентрации в Главном плесе в 2,0-3,5 раза.
К концу весны содержание неорганических форм биогенных элементов (аммония, нитратов, фосфатов) постепенно снижается, что связано с потреблением биоэлементов первичными продуцентами. Летом концентрация
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
Таблица 1. Летняя температура воды (оС) в Главном плесе водохранилища
Годы Дата Горизонт Средняя по
поверхность дно глубине
7 VI 13,8 12,0 12,9
22 VI 16,4 14,5 15,0
2004 8 VII 21 VII 18,5 20,0 18,3 19,9 18,4 19,9
4 VIII 22,3 20,8 21,6
18 VIII 18,0 17,4 17,6
23 VI 16,6 16,6 16,6
2005 19 VII 21,7 17,7 19,9
17 VIII 18,8 18,7 18,7
8 VI 14,3 13,7 13,6
2006 28 VI 10 VII 21,9 23,2 17,3 18,2 20,5 19,7
25 VII 18,7 18,3 18,9
31 V 19,4 11,6 15,7
14 VI 17,3 16,7 16,9
2007 26 VI 10 VII 17,2 18,5 16,8 18,3 17,0 18,4
19 VII 20,4 20,2 20,3
21 VIII 22,0 21,8 21,9
17 VI 17,0 14,7 15,1
2008 9 VII 30 VII 18,5 19,5 18,5 19,2 18,5 19,3
27 VIII 18,7 18,7 18,7
1 VI 15,5 11,3 12,9
22 VI 18,7 16,7 17,5
2009 9 VII 22 VII 17.8 20.9 17.7 19.8 17,8 20,7
4 VIII 21,7 21,2 21,6
19 VIII 19,0 19,0 19,0
15 VI 15,8 15,2 15,4
28 VI 19,2 18,9 19,1
2010 11 VII 14 VII 25.0 27.1 20,4 18,8 22,7 23,7
10 VIII 26,3 25,8 26,2
24 VIII 19,1 18,8 19,0
7 VI 15,9 15,8 15,9
24 VI 17,4 16,6 16,9
2011 5 VII 19 VII 22,1 23,9 19,7 21,2 21,2 22,7
4 VIII 21,6 21,3 21,4
17 VIII 20,8 20,8 20,8
20 VI 17,6 16,2 17,6
3 VII 19,4 18,7 19,2
2012 17 VII 21,3 21,1 21,2
31 VII 22,4 19,6 21,0
22 VIII 17,7 17,0 17,3
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
Рис. 2. Зависимость содержания биогенных элементов от температуры на ст. Коприно (по основной оси - температура (1), оС; по вспомогательной -биогенные элементы: 2 - КИЛ 3 - N0 4 - N05 - N , , 6 - Р , 7 - Р , ,
4 2 3 общ мин общ
8 - N , 9 - N в мгК/л или мгР/л).
неорг' орг '
рис. 3. Зависимость содержания биогенных элементов от температуры на ст. Наволок (по основной оси - температура (1), С; по вспомогательной -биогенные элементы: 2- NИ3 - N0 4 - N0 , 5 - N , , 6 - Р , 7 - ^ ,
4 2 3 общ мин общ
8 - N , 9 - N в мг№\. или мгР/л).
неорг орг
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
Таблица 2. Уровень биогенных элементов на станциях наблюдения, 2001-2012 гг., мгЫ/л или мгР/л
Месяц N0^ ^^общ Р мин Робщ N неорг N орг
станция Коприно
Май 0,11 0,015 0,740 1,27 0,033 0,064 0,86 0,415
Июнь 0,10 0,011 0,337 1,05 0,034 0,068 0,45 0,600
Июль 0,09 0,009 0,131 0,93 0,031 0,075 0,23 0,706
Август 0,10 0,004 0,072 0,95 0,047 0,094 0,17 0,778
Сентябрь 0,09 0,005 0,143 0,90 0,070 0,098 0,24 0,669
Октябрь 0,06 0,007 0,214 0,97 0,076 0,102 0,28 0,691
станция Молога
Май 0,06 0,008 0,571 1,296 0,019 0,049 0,641 0,655
Июнь 0,09 0,007 0,252 1,077 0,018 0,049 0,349 0,728
Июль 0,08 0,007 0,112 0,977 0,019 0,055 0,196 0,781
Август 0,06 0,003 0,042 0,853 0,023 0,070 0,110 0,745
Сентябрь 0,07 0,003 0,080 1,087 0,030 0,069 0,150 0,939
Октябрь 0,05 0,007 0,110 0,884 0,038 0,066 0,170 0,715
станция Наволок
Май 0,05 0,003 0,334 1,18 0,016 0,037 0,386 0,793
Июнь 0,05 0,005 0,185 0,82 0,017 0,043 0,243 0,598
Июль 0,07 0,010 0,154 0,75 0,015 0,040 0,229 0,521
Август 0,06 0,003 0,051 0,75 0,013 0,045 0,120 0,635
Сентябрь 0,05 0,003 0,041 1,03 0,012 0,054 0,100 0,935
Октябрь 0,04 0,003 0,080 0,86 0,017 0,044 0,120 0,741
станция Измайлово
Май 0,05 0,002 0,263 0,86 0,014 0,039 0,311 0,547
Июнь 0,04 0,005 0,222 0,90 0,014 0,049 0,270 0,625
Июль 0,06 0,009 0,160 0,81 0,015 0,045 0,230 0,579
Август 0,05 0,003 0,053 0,87 0,012 0,047 0,110 0,761
Сентябрь 0,05 0,003 0,061 0,84 0,013 0,052 0,110 0,726
Октябрь 0,03 0,003 0,094 1,03 0,015 0,063 0,124 0,901
станция Средний ^ Двор
Май 0,04 0,002 0,25 0,93 0,02 0,04 0,299 0,630
Июнь 0,06 0,005 0,201 1,04 0,014 0,047 0,264 0,780
Июль 0,06 0,009 0,142 0,90 0,014 0,043 0,214 0,685
Август 0,07 0,003 0,056 0,94 0,011 0,059 0,13 0,810
Сентябрь 0,05 0,003 0,050 1,02 0,013 0,060 0,10 0,920
Октябрь 0,03 0,004 0,090 1,39 0,019 0,055 0,124 1,267
станция Брейтово
Май 0,05 0,003 0,270 1,01 0,016 0,050 0,317 0,694
Июнь 0,05 0,005 0,159 0,92 0,014 0,052 0,213 0,702
Июль 0,07 0,009 0,112 0,83 0,016 0,048 0,190 0,638
Август 0,06 0,003 0,034 0,86 0,015 0,055 0,090 0,760
Сентябрь 0,05 0,003 0,042 0,93 0,016 0,061 0,090 0,840
Октябрь 0,03 0,007 0,072 0,79 0,022 0,053 0,110 0,680
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
Таблица 3. Уровень биогенных элементов в водохранилище (2001-2012 гг.), среднее годовое значение по всем стандартным станциям, мгЫ/л или мгР/л
Год №4+ N0^ ^^общ Р мин Робщ
2001 0,06 0,006 0,154 0,98 0,011 0,038
2002 0,06 0,004 0,045 0,67 0,016 0,043
2003 0,08 0,002 0,104 0,88 0,026 0,069
2004 0,06 0,007 0,308 0,96 0,021 0,047
2005 0,08 0,004 0,200 0,95 0,014 0,040
2006 0,09 0,005 0,170 0,97 0,030 0,071
2007 0,09 0,003 0,084 1,29 0,025 0,071
2008 0,06 0,005 0,110 0,73 0,018 0,044
2009 0,23 0,007 0,110 0,70 0,023 0,063
2010 0,05 0,006 0,140 0,86 0,035 0,073
2011 0,04 0,005 0,169 1,32 0,021 0,062
2012 0,09 0,005 0,065 0,89 0,019 0,054
неорганических соединений азота и фосфора достигает своего годового минимума (табл. 3) и воды водохранилища по химическому составу довольно однородны. Только в Волжском плесе (ст. Коприно) более велико содержание нитратов, нитритов и, соответственно, ниже органического азота. Для всех станций характерно уменьшение концентрации минеральных форм азота (особенно нитратов) при сохранении содержания органического азота, N составляет более 50 % от общего. В конце лета в связи с прогревом водных масс и интенсификацией развития фитопланктона концентрация N увеличивается и достигает 70-95 %. В ряде случаев снижение концентрации неорганических форм биогенных элементов настолько велико, что недостаток фосфора лимитирует развитие фитопланктонных организмов.
Осенью при понижении температуры с началом массового отмирания первичных продуцентов начинается деструкция лабильной органической составляющей клеточного материала и в окружающую среду поступают конечные продукты распада в виде неорганических форм биогенов. В первую очередь происходит аммонификация, в воде обнаруживается повышенное количество ионов аммония. Одновременно деструкции подвергаются и фосфорсодержащие органические продукты с выделением в воду фосфатов. Выделившиеся ионы аммония и фосфаты повторно не вовлекаются в
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
фотосинтез. Восстановленные соединения азота подвергаются дальнейшей трансформации. К концу сентября - началу октября концентрация нитратов на всех станциях повышается до 0,050-0,080 мгЫ/л.
Процессы нитрификации, начинающиеся осенью при низких температурах, продолжаются весь подледный период: при близких к нулевым температурах аммоний переходит в наиболее окисленную форму азота -нитраты. Весной концентрация нитратов достигает максимума. В это же время наблюдается и наибольшее содержание фосфатов. Далее процессы повторяются, так происходит круговорот элементов не только в Рыбинском водохранилище, но и в других гидроэкосистемах умеренных широт.
Органическое вещество
В годовом балансе ОВ в Рыбинском водохранилище определяющая роль принадлежит речному стоку и продукционным процессам. Динамика поступления аллохтонного ОВ имеет характерные черты, присущие внутри-годовому распределению стока в основных притоках [6]. Среднемесячное количество лабильной фракции ОВ, определяемой по пятисуточному БПК, в основном не превышало 2 мгО/л, что характерно для достаточно чистых водоемов. Величины БПК5 находятся в прямой зависимости от температуры воды (г = 0,65, при р<0,05, рис. 4). В самом теплом 2010 г. с температурами в поверхностном слое 24-25 оС в июне и июле в среднем по станциям наблюдались высокие значения БПК5 - 2, 47 мгО/л.
3.0
2,5
0,0
15 V воды
г; оС
Рис. 4. Зависимость БПК5 (мгО/л) от температуры воды (оС).
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
Анализ межгодовой изменчивости величины лабильного органического вещества (в среднем за период с октября по май) также показал довольно высокий уровень корреляции со средней температурой воды в водохранилище г = 0,70, р<0,05 (рис. 5).
В весенний период различия в величинах цветности в Главном плесе 15-25 градусов хромовокобальтовой шкалы (в 2004 г. - 60 градусов). Максимальные величины характерны для станции 6 (от 80 до 140 градусов), где находятся воды р. Мологи. Осенью различия в содержании гумусовых веществ по акватории водоема незначительны 5-10 градусов. Цветность в водохранилище зависит от объема водного стока с коэффициентом корреляции г = 0,78 при р<0,05 и от температуры воды (рис. 6). В многоводном 2004 г. весной отмечены самые высокие ее значения - 93 градусов цветности. В летний период они снизились на 25 % и в среднем составили 73 градусов цветности.
Средневегетационные значения ХПК на стандартных станциях в период с 2001 по 2012 гг. изменялись от 32,1 до 39,6 мгО/л и положительно коррелировали с объемом водного стока: г = 0,66 (при р<0,05).
Концентрации Сорг во взвешенном веществе и его процентное содержание в общем подвержены сезонным колебаниям: минимальные их значения приходятся на начало мая (0,3-0,4 мг/л), максимальные - на летние месяцы в связи с повышением температуры, усилением продуцирования органических веществ и ростом фитопланктона. Осенью при низких температурах происходит снижение количества органического углерода во взвешенном веществе в результате распада органического вещества и последующих ни-трификационных процессов.
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
20 10
р _I_I_I_I_I_I_I_I_I
2001 2004 2005 2006 2007 2008 2010 2011 2012
рис. 6. Зависимость цветности от объема водного стока: 1 - V (км3), 2 - цветность, градусы хромовокобальтовой шкалы.
заключение
В изученный период величина поверхностного притока в бассейне Рыбинского водохранилища была близкой к норме и изменялась от 18,73 до 45,17 км3 . Максимальные различия в уровне воды в водохранилище между экстремальными по водности годами составили 3,08 м. Анализ полученных данных по среднегодовой температуре воды за все годы наблюдений выявил ее превышение над климатической нормой. Наиболее высокие температуры воды наблюдались летом 2010 г., низкие - в 2008 г.
Сезонный ход температуры заметно сказывался на распределении биогенных элементов, а объем годового стока определял общее количество лабильного и аллохтонного происхождения органического вещества. Изучение межгодовой изменчивости величины БПК5 также показало довольно высокий уровень корреляции со средней температурой воды в водохранилище (r = 0,70, p < 0,05).
список литературы
1. Фортунатов М.А. Физико-географический очерк Рыбинского водохранилища // Тр. Дарвинского гос. заповедника. 1974. Вып. XII. С. 5-31.
2. Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопинцев Б.А. Руководство по химическому анализу вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 270 с.
3. Бикбулатов Э.С. Простой способ окисления органического вещества для определения углерода // Гидрохим. материалы. 1974. Т. 60. С. 174-178.
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
4. Бикбулатов Э.С. О методе определения общего фосфора в природных водах.// Гидрохим. материалы. 1974. Т. 60. С. 167-173.
5. Гапеева М.В., Разгулин С.М., Скопинцев Б.А. Ампульный персульфатный метод определения общего азота в природных водах // Гидрохим. материалы. 1984. Т. 87. С. 67-70.
6. Бикбулатова Е.М., Бикбулатов Э.С., Степанова И.Э. Формы, масштабы и изменчивость поступления органических веществ в Рыбинское водохранилище // Водные ресурсы. 2006. Т. 33. № 1. С. 1-11.
Сведения об авторах:
Литвинов Александр Сергеевич, д-р геогр. наук, главный научный сотрудник, лаборатория гидрологии и гидрохимии, ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук», 152742, пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский район; e-mail: [email protected]
Степанова Ирина Эрнстовна, научный сотрудник, лаборатория гидрологии и гидрохимии, ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук», 152742, пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский район; e-mail: [email protected]
Водное хозяйство России № 3, 2015 г.
