Известно, что в условиях интенсивного антропогенного воздействия на природную среду меняется химический состав природных вод. Особенно сильно свойства вод нарушаются при возрастающем поступлении органических и минеральных биогенных элементов – соединений азота, фосфора. Загрязнение этими веществами и связанный с ним процесс эвтрофикации влияют на экосистемы озер и благосостояние людей. Умеренное обогащение водоемов питательными веществами способствует увеличению биоразнообразия [1, 2], а высокие концентрации питательных элементов вызывают ухудшение качества озерных экосистем, включая цветение вредных цианобактерий, потерю подводной растительности, гипоксические явления и периодическую гибель рыбы, что в свою очередь может оказывать влияние на снабжение питьевой водой населения и рекреационное использование водоемов [2, 3].
Одним из основных показателей для оценки состояния и функционирования водных экосистем является определение концентрации биогенных элементов. Биогенные элементы активно участвуют в биопродукционных процессах, определяют интенсивность формирования первичной продукции. Содержание в воде водоемов биогенных веществ, в первую очередь содержание общего азота и общего фосфора, представляется эффективным показателем трофического состояния водоемов [1, 3, 4].
Цель работы – определить содержание биогенных элементов в озерах бореальной зоны разного типа, оценить трофический статус по содержанию биогенных элементов, чтобы получить возможность рассматривать полученные результаты в качестве репрезентативной характеристики озерных экосистем обширной территории северной тайги.
Материалы и методы исследования
Для исследований были выбраны озера Архангельской области (рисунок), различающиеся морфометрией, гидролого-гидрохимическими характеристиками. Озеро Светлое располагается в 65 км на северо-восток от г. Архангельска (65,083° с.ш., 41,115° в.д.) – меромиктическое, глубокое (максимальная глубина 39 м), прозрачное; оз. Мудьюгское также располагается в 65 км северо-восточнее Архангельска (65,080° с.ш., 41,092° в.д.) – средней глубины (максимальная глубина 11 м), прозрачное; оз. Темное располагается в 50 км к востоку от г. Архангельска (64,477° с.ш., 41,745° в.д.) – меромиктическое, глубокое (максимальная глубина 38 м), ультрапресное, гуминовое; озера Иласского болотного массива расположены в 20 км от г. Архангельска: оз. Иласское (64,315° с.ш., 40,614° в.д.) – гуминовое, мелководное, расположено в центральной возвышенной части болота; оз. Северное (64,334° с.ш., 40,609° в.д.) – внутриболотное, расположено в грядово-озерковом комплексе в северной части болотного массива. Дополнительно выбраны гуминовые озера Опогра (64,296° с.ш., 40,903° в.д.) и Сорожье (64,704° с.ш., 40,892° в.д.), поскольку гуминовые озера Темное и Иласское труднодоступны. Оз. Опогра расположено в 32 км к юго-востоку от Архангельска, оз. Сорожье – в 25 км северо-восточнее Архангельска. Озера Светлое и Темное являются меромиктическими, для обоих озер характерно наличие анаэробной зоны – монимолимниона с постоянной в течение года температурой.
Сравнительная характеристика исследуемых озер [5] представлена в таблице.
Исследуемые озера имеют широкий диапазон характеристик водной толщи: глубина озер от 1,6 до 39 м, прозрачность воды от 1,5 до 12 м, электропроводность от 12 до 350 мкСм/см, значения рН от 3,9 до 8,7, содержание РОУ от 0,7 до 35 мг/л. В данный интервал значений укладываются большинство озер региона исследования, что позволит рассматривать полученные результаты в качестве репрезентативной характеристики озерных экосистем обширной территории северной тайги.
Карта-схема объектов исследования (звездочкой отмечены станции отбора проб)
Классификационные характеристики и некоторые показатели исследуемых озер
|
Иласское |
Мудьюгское |
Опогра |
Светлое |
Северное |
Сорожье |
Темное |
|
По площади зеркала водной поверхности по классификации П.В. Иванова [6] |
||||||
|
1,768 км2 малое озеро (1,0–10,0 км2) |
0,043 км2 озерко (< 0,1 км2) |
0,267 км2 очень малое озеро (0,1–1,0 км2) |
0,146 км2 очень малое озеро (0,1–1,0 км2) |
0,013 км2 озерко (< 0,1 км2) |
0,03 км2 озерко (< 0,1 км2) |
0,094 км2 озерко (< 0,1 км2) |
|
Максимальная глубина, м |
||||||
|
2,5 |
11 |
3,5 |
39 |
2,2 |
5,9 |
38 |
|
Средняя глубина, м |
||||||
|
1,6 |
7 |
1,9 |
12,1 |
2,0 |
4,1 |
13,2 |
|
По показателю относительной глубины (отношение средней глубины к кубическому корню из площади зеркала озера) по классификации П.В. Иванова [6] |
||||||
|
1,3 мелкое (0,5–2) |
20 очень глубокое (> 10) |
3,0 нормальной глубины (2–4) |
23 очень глубокое (> 10) |
8,4 глубокое (4–10) |
13,1 очень глубокое (> 10) |
29,0 очень глубокое (> 10) |
|
По показателю открытости (отношение площади озера к его средней глубине) [7] |
||||||
|
1,105 открытый водоем (0,5–5,0) |
0,006 слабо открытый (< 0,1) |
0,130 умеренно открытый (0,1–0,5) |
0,012 слабо открытый (< 0,1) |
0,007 слабо открытый (< 0,1) |
0,007 слабо открытый (< 0,1) |
0,007 слабо открытый (< 0,1) |
|
По типу летней стратификации [8]. |
||||||
|
эпитермическое |
метатермическое |
эпитермическое |
гипотермическое |
эпитермическое |
метатермическое |
гипотермическое |
|
По минерализации по классификации И.В. Баранова [9] |
||||||
|
ультрапресное (< 100 мг/л) |
маломинерализованное (100–200 мг/л) |
маломинерализованное (100–200 мг/л) |
маломинерализованное (100–200 мг/л) ниже хемоклина – среднеминерализованное (200–500 мг/л) |
ультра- пресное (< 100 мг/л) |
маломинерализованное (100–200 мг/л) |
ультра-пресное (< 100 мг/л) |
|
По прозрачности (определялась по диску Секки) [8] |
||||||
|
1,5 м малая прозрачность (1–2 м) |
до 6 м Высокая прозрачность (4–8 м) |
до 2 м малая прозрачность (1–2 м) |
до 12 м Очень высокая прозрачность (> 8 м) |
до 2 м малая прозрачность (1–2 м) |
1,5 м малая прозрачность (1–2 м) |
3,5 м малая прозрачность (1–2 м) |
|
Показатель рН |
||||||
|
4,7–5,5 |
7,6–8,7 |
6,8–7,4 |
7,1–7,7 |
3,9–4,8 |
6,2–7,7 |
5,4–6,2 |
|
Электропроводность, мкСм/см |
||||||
|
12–46 |
167–280 |
139–270 |
217–350 |
18–40 |
82–156 |
22,4–35,8 |
|
РОУ, мг/л |
||||||
|
0,74–1,62 |
0,6–2,6 |
29–35 |
0,8–4,3 |
18–23 |
20–28 |
15–30 |
Отбор проб на определение содержания биогенных элементов в исследуемых озерах производился на глубоководных станциях для оз. Светлое, Мудьюгское, Сорожье, Северное – в марте, мае, августе и ноябре 2022 г., для оз. Темное, Иласское – в мае и августе 2022 г., для оз. Опогра – в марте, мае, августе 2022 г. Всего в 2022 г. было отобрано 107 проб и выполнено порядка 600 измерений на гидрохимические показатели: неорганические формы азота (аммонийный азот, нитритный азот, нитратный азот), общий азот, фосфаты, общий фосфор. Анализ проб на биогенные элементы осуществлялся стандартными фотометрическими методами [10].
Результаты исследования и их обсуждение
Озеро Опогра
Полученные результаты показали, что в распределении аммонийного азота в оз. Опогра наблюдается равномерное распределение по глубине во все сезоны, концентрации варьируют в диапазоне 29,3–103,3 мкгN/л (медиана 58,2 мкгN/л), только в зимний период наблюдается небольшое увеличение в придонном горизонте до 296 мкгN/л. Аналогичное распределение по глубине демонстрируют нитритный азот и фосфаты, их концентрации варьируют в диапазоне 2,4–7,5 мкгN/л (медиана 3,9 мкгN/л) и 2,0–9,0 мкгР/л (медиана 3,0 мкгР/л соответственно, и только в зимний период наблюдается увеличение концентрации этих соединений ко дну до значений 16,5 мкгN/л и 48,2 мкгР/л соответственно. Нитраты распределены равномерно по всему водному столбу во все сезоны, концентрация варьирует в диапазоне 82,3–150,4 мкгN/л (медиана 106,7 мкгN/л). Распределение общего фосфора и общего азота равномерно по водному столбу 5,8–16,5 мкгР/л (медиана 10,1 мкгР/л) и 318,0–523,3 мкгN/л (медиана 426,1 мкгN/л) соответственно. По содержанию основных биогенных элементов озеро можно отнести к олиготрофному [8, 11].
Озеро Иласское
Озеро Иласское мелководное. Концентрации фосфат-ионов варьируют от 0,6 до 1,9 мкгР/л, общий фосфор – 5,5–18,0 мкгР/л, аммонийный азот – 75,1–193,4 мкгN/л, нитритный азот 1,0–1,8 мкгN/л, нитратный азот – 57,4–84,8 мкгN/л, общий азот – 310,0–375,6 мкгN/л. По содержанию основных биогенных элементов озеро можно отнести к дистрофному [8, 11].
Озеро Северное
Озеро Северное мелководное. Концентрации фосфат-ионов варьируют от 0,2 до 2,1 мкгР/л, общий фосфор – 4,7–6,4 мкгР/л, аммонийный азот – 32,9–108,5 мкгN/л, нитритный азот 0,6–4,1 мкгN/л, нитратный азот – 69,4–124,2 мкгN/л, общий азот – 275,8–423,6 мкгN/л. По содержанию основных биогенных элементов озеро можно отнести к дистрофному [8, 11].
Озеро Сорожье
Озеро Сорожье характеризуется глубиной до 6 м. В содержании фосфат-ионов наблюдается равномерное распределение до глубины 4 м (2,0–10,0 мкгР/л (медиана 5,0 мкгР/л)) с последующим увеличением концентрации до дна (до 279,0 мкгР/л). Аналогичное распределение имеет аммонийный азот. Наблюдается равномерное его распределение до глубины 4 м (18,2–106,0 мкгN/л, медиана 41,4 мкгN/л) с последующим увеличением до 911,5 мкгN/л. Такое же распределение характерно и для общего азота: равномерное распределение до глубины 4 м (238,2–383,0 мкгN/л, медиана 321,0 мкгN/л) с последующим увеличением до 1229,8 мкгN/л. Нитритный азот равномерно распределен, и его содержание варьирует от 0,8 до 8,6 мкгN/л (медиана 3,8 мкгN/л). Нитратный азот также распределен равномерно, концентрации варьируют в диапазоне от 62,8 до 185,0 мкгN/л (медиана 111,8 мкгN/л). По содержанию основных биогенных элементов озеро можно отнести к олиготрофному [8, 11].
Озеро Мудьюгское
Озеро Мудьюгское глубиной до 11 м. Распределение фосфат-ионов равномерно по всему водному столбу во все месяцы отбора, концентрация варьирует от 2,0 до 19,7 мкгР/л, медиана 11,0 мкгР/л. В распределении содержания общего фосфора наблюдается равномерное распределение до глубины 8 м (концентрация варьирует от 7,0 до 24,0 мкгР/л, медиана 22,0 мкгР/л) с небольшим увеличением концентрации ко дну до 54,8 мкгР/л. Концентрация нитрит-ионов очень низкая, значения не превышают 3,1 мкгN/л. Распределение нитрат-ионов практически равномерно по водному столбу, концентрация варьирует от 52,1 до 196,5 мкгN/л, медиана 92,3 мкгN/л. В распределении аммонийного азота наблюдается достаточно равномерное его распределение до глубины 8 м (28,3–138,0 мкгN/л, медиана 50,3 мкгN/л) с увеличением концентрации ко дну до 494,00 мкгN/л. Аналогичное распределение имеет и общий азот: до глубины 8 м равномерное распределение (161,8–367,7 мкгN/л, медиана 238,8 мкгN/л) и увеличение концентрации ко дну до 1059,5 мкгN/л. По содержанию основных биогенных элементов озеро можно отнести к олиготрофному [8, 11].
Озеро Светлое
Озеро Светлое относится к меромиктическим водоемам [12, 13]. Проведенные исследования показали, что содержание фосфатов в миксолимнионе озера невелико (0,1–8,9 мкгР/л, медиана 5,1 мкгР/л). В анаэробной зоне озера происходит резкое увеличение содержания фосфатов – до 1979,0 мкгР/л. Содержание общего фосфора имеет аналогичную тенденцию распределения: содержание в аэробной зоне составляет 4,9–28,0 мкгР/л, медиана 11,9 мкгР/л, в анаэробной зоне значение концентрации достигает 3215,1 мкгР/л. В динамике распределения аммонийного азота наблюдается увеличение его концентрации с увеличением глубины. Резкий скачок увеличения концентрации происходит на глубине 20–25 м. В миксолимнионе озера содержание аммонийного азота не превышает 104,4 мкгN/л, в то время как в монимолимнионе концентрация достигает 2174 мкгN/л. Распределение нитритного азота аналогично распределению аммонийного азота: в миксолимнионе содержание не превышает 0,8 мкгN/л, а в монимолимнионе концентрация увеличивается до 15,0 мкгN/л. Концентрация нитратного азота в миксолимнионе варьирует в диапазоне от 31,9 до 110,9 мкгN/л, медиана 68,7 мкгN/л, а монимолимнионе – 66,2–73,7 мкгN/л, медиана 68,9 мкгN/л; в зоне хемоклина (20–25 м) регистрируются локальные максимумы концентрации нитратного азота до 176,8 мкгN/л. Динамика распределения общего азота повторяет динамику аммонийного азота: равномерное распределение в миксолимнионе (138,9–218,0 мкгN/л, медиана 174,2 мкгN/л), затем резкое увеличение на глубине 20–25 м, в монимолимнионе концентрация общего азота достигает 2681–3709 мкгN/л. По содержанию основных биогенных элементов в миксолимниноне, эту часть озера можно отнести к дистрофному типу [8, 11].
Озеро Темное
Озеро Темное является меромиктическим водоемом [14]. Динамика распределении содержания основных биогенных элементов аналогична динамике их распределения в оз. Светлое. Однако если в оз. Светлое наблюдается резкое увеличение содержания фосфатов, аммонийного азота, нитритного азота, общего азота и общего фосфора, то в оз. Темное отмечено плавное увеличение их содержания. Содержание фосфатов в поверхностном горизонте варьирует от 4,0 до 14,0 мкгР/л, медиана 7,0 мкгР/л и достигает значений в придонном горизонте до 300 мкгР/л, что на порядок ниже, чем в оз. Светлое. Концентрация общего фосфора в поверхностном горизонте варьирует от 5,9 до 25,9 мкгР/л, медиана 11,5 мкгР/л и достигает значений в придонном горизонте до 246,6 мкгР/л. Содержание аммонийного азота в поверхностных горизонтах составляет 43,6–264,3 мкгN/л, медиана 68,2 мкгN/л, в придонных горизонтах значение концентрации достигает 670,8 мкгN/л. Концентрация нитритного азота в поверхностных горизонтах составляет 2,6–4,7 мкгN/л, медиана 3,5 мкгN/л, в придонных горизонтах значение концентрации достигает 25,2 мкгN/л. Концентрация нитратного азота варьирует от 90,1 до 146,4 мкгN/л по всему водному столбу, медиана 131,5 мкгN/л. Содержание общего азота в поверхностных горизонтах составляет 365,5–441,1 мкгN/л, медиана 399,9 мкгN/л, в придонных горизонтах значение концентрации достигает 1430,5 мкгN/л. По содержанию основных биогенных элементов в миксолимнионе (перемешиваемой части озера) эту часть озера можно отнести к олиготрофному типу [8, 11].
Заключение
Анализ содержания биогенных элементов в исследуемых озерах показал, что, несмотря на широкий диапазон рН, РОУ, электропроводности и прозрачности вод исследуемых озер, по биогенным элементам озера отнесены всего лишь к двум типам: к олиготрофному (оз. Опогра, Сорожское, Мудьюгское, миксолимнион оз. Темное) и дистрофному (оз. Иласское, Северное, миксолимнион оз. Светлое). Вероятно, это наиболее распространенные статусы для бореальных не подверженных прямому антропогенному воздействию озер. Исключением являются анаэробные зоны меромиктических оз. Светлое и Темное. В анаэробной зоне озер, монимолимнионе, происходит резкое увеличение содержания всех биогенных элементов. Монимолимнион меромиктических оз. Светлое и Темное отнесен к гиперэвтрофному типу.