Биология внутренних вод, 2022, № 5, стр. 475-479

ВВЕДЕНИЕ

Генеральные зависимости между гидрофизическими, химическими и биологическими параметрами водных экосистем к настоящему времени хорошо изучены. Однако, они определены для большого количества водоемов из разных географических зон и конкретная ситуация или геохимические особенности региона, например цветность, мутность воды (Carlson, Havens, 2005) и соотношение биогенных элементов (Трифонова, 1993), могут модифицировать зависимости между содержанием фосфора, прозрачностью и биологическими показателями.

Геохимические особенности Карельского региона определяют сток в водоемы аллохтонного органического вещества (ОВ) с заболоченных водосборов, которое на 90% состоит из гумусовых веществ (Зобкова и др., 2015). Фосфор поступает в водоемы преимущественно в составе гумусовых веществ в связанной с железом форме (Lozovik, 2013). Характерная черта большинства озер – повышенная цветность воды. Кроме того, для высокоцветных вод Карелии отмечено несоответствие между концентрацией общего фосфора и уровнем трофии. В этом случае содержание фосфора соответствует уровню мезотрофных водоемов, а другие показатели продуктивности остаются в пределах олиготрофии (Lozovik, 2013). Эти особенности наряду с низкой температурой воды определяют невысокий уровень развития биоты в большинстве озер Карелии (Озера…, 2013).

На примере Онежского озера показано, что в условиях потепления климата возросло поступление в водоем аллохтонных веществ, в том числе, гумусовых. Это привело к возрастанию цветности воды, концентрации железа, общего фосфора и углекислого газа (Kalinkina et al., 2020). В связи с этим важно получить представление об особенностях формирования продуктивности водоемов при повышении цветности воды в современных условиях потепления климата.

Цель работы – выявить зависимости продуктивности не испытывающих антропогенную нагрузку озер Карелии с разной цветностью воды от содержания в воде общего фосфора.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на разнотипных водоемах Карелии (Онежское озеро, Выгозерское водохранилище, озера Мунозеро и Урозеро) в летний период. Все данные получены для поверхностного слоя воды. В качестве показателя продуктивности водоема измеряли концентрацию Хл а спектрофотометрическим методом при длинах волн λ = 663 нм, λ = 645 нм, λ = 630 нм (SCOR-UNESCO…, 1966). Кроме того, в работе использовали данные по цветности воды (платиново-кобальтовая шкала) и содержанию общего фосфора, полученные в лаборатории гидрохимии и гидрогеологии Института водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, и ранее опубликованные (Теканова и др., 2011; Сабылина, Икко, 2019; Сабылина и др., 2020; Kalinkina et al., 2020). Цветность воды определяли спектрофотометрическим методом при длине волны λ = 410 нм, содержание общего фосфора – методом персульфатного окисления. Зависимости концентрации Хл а от фосфора в озерах Карелии изучали на основе данных параллельных измерений в водоемах с разным содержанием общего фосфора. Для расчетов использовали два массива данных. В первую группу вошли незагрязненные или с незначительной антропогенной нагрузкой водоемы (Урозеро, Мунозеро, Петрозаводская губа и центральный район Онежского озера, Выгозерское водохранилище), во вторую группу – Кондопожская губа Онежского озера, где расположены форелевые хозяйства (табл. 1).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ данных по незагрязненным озерам выявил значимую зависимость содержания в воде Хл а от концентрации общего фосфора (рис. 1а). Коэффициент ранговой корреляции Спирмена – 0.87 (n = 31, р < 0.05). Эта зависимость описана уравнением (1):

где Chl – концентрация Хл а (мкг/л), TP – концентрация общего фосфора (мкг/л).

Полученный нами в уравнении (1) показатель степени оказался почти в 2 раза ниже, чем в классическом уравнении (2) Диллона–Риглера (Dillon, Rigler, 1974). Показатель степени в уравнении Диллона–Риглера (2) находится за пределами доверительного интервала для показателя степени в уравнении (1).

где обозначения те же, что и для уравнения (1).

На рис. 1а видно, что по мере увеличения содержания фосфора в воде изученных незагрязненных озер концентрация Хл а нарастает более медленно по сравнению с расчетными значениями по уравнению Диллона–Риглера. В то же время, следует подчеркнуть, что полученная зависимость справедлива только для изученного диапазона концентраций общего фосфора (3–30 мкг/л). В водоемах Карелии, не затронутых антропогенной деятельностью, верхний предел концентрации общего фосфора достигает ~80 мкг/л (Озера …, 2013).

Более низкие прогнозируемые концентрации Хл а в полученной зависимости объясняются тем, что в озерах с повышенной цветностью воды фосфор связан с железом в составе гумусового ОВ. На фосфаты, доступные для быстрой биохимической трансформации и потребления фитопланктоном, обычно приходится лишь ~10% общего фосфора в незагрязненных озерах Карелии (Заличева, Волков, 1994).

Для подтверждения этого предположения была изучена связь между цветностью воды как косвенным показателем наличия гумусового вещества и концентрацией общего фосфора. Зависимость изучали по данным параллельных измерений в тех же водоемах, что и при выявлении связи “общий фосфор–хлорофилл а”. Цветность воды в незагрязненных водоемах находилась в пределах олиго- и мезогумозных вод (Lozovik, 2013) (табл. 1).

По результатам анализа, достоверная зависимость концентрации общего фосфора от показателя цветности воды (коэффициент ранговой корреляции Спирмена 0.85, n = 46, р < 0.05) (рис. 1б), описана уравнением (3). Такая тесная связь подтверждает, что большая часть фосфора поступает в водоемы в составе гумусового вещества.

где COL – цветность воды (град), TP – концентрация общего фосфора (мкг/л).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Следует отметить, что даже при высоких показателях цветности воды (100 град) и, соответственно, повышенном содержании гумусовых веществ, концентрации общего фосфора в незагрязненных водах невысоки и не превышают пределов для мезотрофных вод. Это может указывать на невысокий эвтрофирующий эффект для водоема даже при большом стоке высокоцветных речных вод.

Еще одной причиной, по которой замедляется нарастание концентраций Хл а по мере увеличения содержания общего фосфора в незагрязненных водах, может быть ухудшение оптических свойств воды. В карельских водоемах прозрачность воды является, главным образом, функцией ее цветности в условиях слабого развития планктона (Озера…, 2013). Кроме цветности воды, содержание в воде гумусовых веществ отражает растворенный органический углерод. Например, его средняя концентрация в Петрозаводской губе Онежского озера достигает летом 8.7 мг/л при цветности воды ~37 град. В литературе приводятся пороговые значения растворенного органического углерода 11 мг/л (Senar et al., 2019, 15 мг/л (Robidoux et al., 2015), выше которых даже стимуляция биогенными веществами не вызывает повышения первичной продукции. В таких условиях недостаток света выступает главным фактором в лимитировании фитопланктона.

Оставалось неизвестным, подчиняется ли соотношение концентрации общего фосфора и Хл а в водоемах Карелии, испытывающих антропогенную нагрузку фосфором, выявленной зависимости для незагрязненных вод. Ранее показано, что в таких водоемах доля минерального фосфора в его общем содержании в воде увеличивается приблизительно до 70% (Лозовик, 2017). В качестве объекта был выбран участок Кондопожской губы Онежского озера, где расположено множество форелевых садков. В этом случае концентрации Хл а и фосфора тесно связаны (коэффициент ранговой корреляции Спирмена 0.74, n = 12, р < 0.05) (рис. 1а). Однако эта связь полностью соответствует генеральной зависимости Диллона–Риглера уравнение (2) и описывается уравнением (4):

где обозначения те же, что и в уравнении (1).

Выводы. Таким образом, геохимические особенности Карельского региона определяют отличную от генеральной зависимости Диллона–Риглера связь концентрации Хл а с содержанием общего фосфора в водоемах. Это проявляется в замедлении нарастания концентрации Хл а по мере увеличения в воде общего фосфора из-за недоступности большей его части, связанной с железом в гумусовом веществе, и ухудшения оптических свойств воды. В водных объектах Карелии, находящихся под влиянием фосфорной антропогенной нагрузки, зависимость концентрации Хл а от содержания общего фосфора подчиняется общепринятому уравнению Диллона–Риглера. Оценка трофического статуса высокоцветных вод по концентрации общего фосфора может быть завышена из-за малой доли минерального фосфора в общем содержании этого элемента в воде. Такое несоответствие может привести к неоправданно большой допустимой антропогенной нагрузке минеральным фосфором. Согласно современным нормативам качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения в России, допустимую нагрузку минеральным фосфором на водоем рассчитывают, исходя из трофического статуса водоема на основе концентрации общего фосфора в воде. Возрастание стока в водоемы Карелии гумусовых веществ при современном потеплении климата повышает неопределенность в оценке их трофического статуса по концентрации общего фосфора. Полученные результаты вполне могут быть применимы и для озер с повышенной цветностью воды в других регионах.