Гидрохимические факторы эвтрофирования водоемов (стр. 2 )

Схематично основные процессы круговорота фосфора можно представить в виде (рис. 4.2)

 

Рис. 4.2. Схема круговорота фосфора в природных водах

Обозначения форм фосфора на рисунке те же, что и на рис. 4.1.

Цифрами обозначены процессы:

1 – потребление, 2 – выделение, 3 - минерализация, 4 – сорбция, десорбция и комплексообразование, 5 - осаждение

Соотношение интенсивности перечисленных потоков фосфора определяется индивидуальными особенностями гидрологической структуры водоемов и ландшафтными характеристиками водосборов, и обобщение данных должно проводиться с учетом этих факторов. Важно, что процессы осаждения фосфора в гораздо большей степени связаны с внешней нагрузкой фосфора и его внешним балансом, поскольку скорости осаждения намного меньше скоростей метаболических превращений фосфора в процессе биологического круговорота (рис. 4.2).

Сопоставление скоростей процессов превращения фосфора в водоемах приводит к необходимости разделять круговорот фосфора на «быстрый» (биологический) и «медленный» (гидролого-геохимический). Быстрый круговорот определяется метаболическим обменом в процессе биологического потребления и биохимической трансформацией различных форм фосфора. Медленный связан с внешним балансом фосфора, его переносом с водными массами и определяет общий уровень содержания фосфора в водоеме. Для процессов трансформации фосфора важное значение имеет вертикальное расслоение водных масс и существование эпилимниона и гиполимниона. Процессы быстрого (биотического) круговорота в этих слоях существенно различаются. Схематично «медленный» круговорот фосфора в водохранилище может быть представлен в виде (рис. 4.3).

 

Рис. 4.3. Внешний (медленный) круговорот фосфора в водохранилище. Цифрами обозначены потоки

1 - приток с речным и склоновым стоком, 2 – поступление фосфора с атмосферными осадками, 3 - сброс фосфора из поверхностных слоев через водослив, 4 - сброс фосфора из глубинных слоев через водосбросные сооружения, 5 - обмен между слоями, 6 - осаждение фосфора, 7 - вынос минеральных соединений фосфора из донных отложений, 8 – взаимопревращения растворенной и взвешенной форм фосфора

На этой схеме быстрый круговорот упрощенно представлен в виде взаимообмена основных фракций фосфора растворенного и взвешенного.

Как установлено недавними исследованиями на Можайском водохранилище, важным регулятором процесса цветения воды выступает одна из составляющих медленного круговорота - малый внутренний круговорот фосфора с участием хемогенного кальцита [Ершова и др., 2005]. Его можно представить следующим образом.

В преимущественно безоблачную и безветренную погоду, обычную для стационарных антициклонов, при достаточной концентрации минерального фосфора в поверхностном быстро прогревающемся слое воды в утренние часы быстро увеличивается биомасса фитопланктона. Поглощение при этом водорослями неорганического углерода ведет к повышению в трофогенном слое величины рН и к кристаллизации в воде СаСО3. Как показали наши наблюдения, образующиеся кристаллики кальцита имеют микронный размер и поэтому становятся хорошим сорбентом ортофосфатов, что ускоряет снижение концентрации выедаемого водорослями минерального фосфора в этом слое, тормозя развитие фотосинтеза во второй половине дня. С началом вечернего охлаждения водной поверхности в такую погоду начинает развиваться ночная конвекцию, увлекающая в глубину из трофогенного слоя не только водоросли и детрит, но и кристаллы кальцита с сорбированным на них фосфором. Попадая в трофолитический слой, где доминируют процессы деструкции и происходит частичное окисление детрита (вызывающее снижение концентрации О2 и рост рН), кристаллы частично растворяются, а десорбированные и регенирированные при разложении детрита ортофосфаты восходящими конвективными токами воды к утру поднимаются снова к водной поверхности, обеспечивая восполнение запаса питательных веществ для утреннего роста фитопланктона.

При нередких в такую погоду слабых ветрах (1-3 м/с) в послеполуденные часы возникает сгон тонкого, наиболее прогретого днем поверхностного слоя воды с обильным фитопланктоном к наветренному берегу. В его заливах накапливаются особенно большие биомассы синезеленых водорослей, концентрация которых здесь может достигать значений, свойственных гипертрофным водоемам. В то же время в зоне сгона у подветренных участков берега к поверхности поднимается относительно прозрачная вода с большим содержанием растворенных питательных веществ, регенерированных в слое скачка. Это создает условие для локального ускорения здесь продукционного процесса в конце светлой части суток.

Подобные схемы круговорота фосфора характерны и для озер. Важно отметить, что для гиполимниона важнейшим элементом круговорота выступает обмен фосфором между донными отложениями и водной массой. Многочисленные исследования этой проблемы показали, что донные отложения, выступая источником внутриводоемного потока фосфора, служат своеобразным буфером, регулирующим на протяжении длительного процесса эвтрофирования общую фосфорную нагрузку на водоем. Поэтому обмен фосфора на границе вода – донные отложения превратился в один из ключевых вопросов при исследованиях и прогнозе эвтрофирования водоемов. Глубокое исследование этой проблемы проведено [1984], согласно которой общая схема фосфорного обмена может быть представлена в следующем виде (рис. 4.4)

 

Рис. 4.4. Схема потоков фосфора на границе вода-донные отложения (алл и авт – соответственно фосфорсодержащие вещества аллохтонного и автохтонного происхождения) (по [1984]).

Интенсивность диффузионных потоков из донных отложений определяется трофическим состоянием водоемов и степенью «разбавления» автохтонного детрита отложений минеральными взвесями. При этом значимость потоков фосфора из донных отложений непосредственно связана с величиной внешней нагрузки фосфором на водоем.

Эти два процесса имеют очень принципиальное значение при сравнительной оценке процесса эвтрофирования в озерах и водохранилищах. Состав донных отложений этих водоемов существенно отличается содержанием органического вещества. Доля минеральной части в донных осадках водохранилищ несравненно больше, чем в озерах, что определяется двумя главными причинами.

- особенности географического распределения водохранилищ определяют их доминирование в ландшафтных зонах, характеризующихся более высоким уровнем эрозионных процессов в их бассейнах. Это в свою очередь обусловливает более высокое содержание взвесей в притоках водохранилища, которые оседают в водоеме и увеличивают долю минеральных частиц в донных отложениях,

- водохранилища в отличие от озер имеют мощный внутренний источник взвесей в виде продуктов переработки берегов. Доля продуктов переработки берегов в формировании донных отложений водохранилищ даже в водохранилищах лесной зоны максимальна в приходной части баланса взвешенного вещества.

В результате этих особенностей водохранилищ содержание органического вещества в их донных осадках редко превышает 10%, тогда как в озерах, в сапропелевых отложениях оно достигает 60-70%.

Роль внутриводоемных источников взвешенного материала повышается в водохранилищах, расположенных внутри каскада, что связано с уменьшением нагрузки взвесями при питании зарегулированным стоком.

«Разбавление» органического вещества в донных отложениях может происходить также в результате карбонатонакопления. Как уже подчеркивалось, этот процесс приобретает значимую роль в водоемах аридной зоны, причем характерен как для озер, так и для водохранилищ. В карбонатных водоемах часть фосфора связана с карбонатным материалом и труднодоступна для фитопланктона. Кроме того, выпадающие на дно карбонаты кальция, сорбируя фосфор, сдерживают его диффузию в придонные слои. Наконец, недостаточно изученной представляется роль сульфатов в процессе обмена на границе вода-дно внутренних водоемов. Как показали исследования в эстуариях, сульфаты могут играть важную роль в выносе фосфора из илов. В анаэробных условиях сульфаты переходят в сульфиды, которые связывают железо, снижая поток железа из дна. Верхний окисленный слой отложений при этом покрывается гидроксидом железа, создавая барьер для диффузии фосфора из донных отложений [Caraco et al., 1989].

4.2. Пространственно-временные изменения содержания биогенных веществ в водохранилищах

Неравномерность распределения концентраций биогенных веществ в водохранилищах наиболее отчетливо проявляются в продольно вертикальной плоскости. Продольные изменения вызваны неоднородностью распределения водных масс в водоеме, вертикальные связаны с характером вертикального перемешивания и вертикальной неоднородностью продукционно-деструкционных процессов в вегетационный период в различных слоях водоема, которые, в свою очередь зависят от особенностей экосистемы и погодных условий.

Вертикальное распределение фосфора в водохранилищах.

В стратифицированных водоемах характер распределения и изменчивости концентраций фосфора обусловлен взаимопревращениями различных форм фосфора. Их пространственно-временное распределение в водоеме контролируется следующими основными факторами:

- интенсивностью продукционно-деструкционных процессов,

- короткопериодной динамикой вод в пределах водоема или плеса,

- адвекцией вод,

- выносом минерального фосфора из донных отложений

Иллюстрацией этой изменчивости в вегетационный период служат результаты специальных наблюдений за различными формами фосфора на Можайском водохранилище. Наблюдения проводились на русловой вертикали Красновидовского плеса, расположенного в центральной части Можайского водохранилища в течение летнего периода нескольких лет. Примеры распределения форм фосфора в относительно многоводном 1989 и маловодном 1996 годах дают возможность охарактеризовать особенности режима фосфора в типичном долинном водохранилище в летний период.

Минеральный фосфор. Распределение минерального фосфора на русловой вертикали во все годы наблюдений характеризуется ярко выраженной стратификацией (рис. 4.5).

a)

б)

Рис. 4.5. Распределение минерального фосфора (мкг/л) по вертикали в Красновидовском плесе Можайского водохранилища летом 1989 (а) и 1996 (б) годов.

Наблюдения начинались в конце периода, характеризующегося высокой прозрачностью вод, достигающей 3-4 метров, связанной как с оседанием поступивших в водохранилище в течение половодья взвесей, так и с высокой фильтрационной активностью дафний. Этот период, названный «фазой чистой воды», типичен не только для экосистемы Можайского водохранилища и наблюдается практически ежегодно [Ершова и др., 1999]. Поверхностный трофогенный слой во все годы наблюдений характеризуется минимальным содержанием минерального фосфора (в отдельные периоды ниже порога чувствительности метода) при незначительной изменчивости во всем эпилимнионе. Более изменчива концентрация минерального фосфора в гиполимнионе, что связано с колебаниями в интенсивности выноса фосфора из донных отложений, которая, в свою очередь определяется содержанием кислорода в придонных водах. В антициклонических условиях эпилимнион интенсивно прогревается и градиенты температуры и плотности в слое температурного скачка быстро увеличиваются, затрудняя вертикальный водообмен. Это приводит к накоплению минерального фосфора в гиполимнионе. В периоды похолодания усиливается вертикальная конвекция, приводящая к перемешиванию слоев и выравниванию концентраций фосфора по вертикали. Максимальные градиенты концентрации минерального фосфора наблюдаются в слое температурного скачка, располагавшегося на различной глубине (в 1989 году - 10м, в 1м). При росте температуры воды в условиях летнего антициклона градиенты концентрации минерального фосфора увеличиваются, а при похолоданиях они заметно ослабевают. Так жаркая и сухая погода в начале июля 1989 г., и в конце первой декаде июля 1996 года обусловила увеличение градиентов концентраций фосфора, четко проявляющихся на графиках вертикального распределения фосфора.

Как в многоводном 1989, так и в маловодном 1996 годах, характеристики изменчивости минерального фосфора по вертикали и величины градиентов его концентраций в слое температурного скачка оказались близки, следовательно, степень заполнения водохранилища не оказывала заметного влияния на характер вертикальных изменений минерального фосфора.

В период наших наблюдений минеральный фосфор в Красновидовском плесе Можайского водохранилища был представлен почти исключительно растворенной фракцией. Доля взвешенного минерального фосфора составляла в среднем всего 10% от суммарного минерального фосфора. Основная масса взвесей, поступающая с водами половодья, к моменту наблюдений уже оседает в водохранилище и взвешенный фосфор в этот период представлен, в основном, сорбированным фосфором, доля которого в общем количестве взвешенного минерального фосфора невелика.

Изменения в содержании минерального растворенного фосфора в целом близки описанным изменениям общего содержания минерального фосфора.

Фосфор общий и органический. Содержание общего фосфора в воде Можайского водохранилища определяется, главным образом, величиной его притока в водоем с водосбора. Его короткопериодные колебания очень слабо зависят от интенсивности продукционно-деструкционных процессов, т. к. определение общего фосфора включает его взвешенную органическую форму. Распределение общего фосфора, определенного в нефильтрованных пробах, показано на рис. 4.6.

а)

б)

Рис. 4.6. Распределение концентраций общего фосфора (мкг/л) в Красновидовском плесе Можайского водохранилища летом 1989 (а) и 1996 (б) года

Распределение концентраций общего фосфора по вертикали характеризуется значительно меньшими градиентами, чем минерального, и становится более контрастным к концу вегетационного периода. Причина наблюдавшихся увеличений вертикальных градиентов общего фосфора заключается в изменениях плотностной структуры водной массы плеса, которая усложняется от июня к июлю и августу. Некоторую роль играет, по-видимому, и влияние донных отложений на увеличение концентраций общего фосфора в водоеме. Изменения концентраций органического фосфора отражают характер продукционных процессов в водоеме, поэтому характеризуются наибольшей изменчивостью (рис.4.7). Средние доли органического фосфора в общем его содержании колебались от 62% в 1989 до 84% в 1996 годах.

а)

б)

Рис. 4.7. Распределение органического фосфора (мкг/л) в Красновидовском плесе Можайского водохранилища летом 1989 (а) и 1996 (б) годов.

Различия в распределении органического фосфора по вертикали в отдельные годы наиболее заметны, что связано с пестротой распределения фитопланктона и высокой короткопериодной изменчивостью интенсивности фотосинтеза. Общей закономерностью вертикального распределения органического фосфора в плесе представляется наличие локальных максимумов органического фосфора в эпилимнионе и резкое возрастание изменчивости его концентраций во второй половине периодов наблюдений, характеризовавшейся во все годы наблюдений интенсивным развитием фитопланктона.

Об особенностях изменений в содержании фосфора в различные годы дают представление некоторые статистические характеристики распределения фосфора в Красновидовском плесе Можайского водохранилища (табл. 4.2).

Таблица. 4.2.

Средние значения (С, мкг/л) и коэффициенты вариации (Сv) концентраций фосфора по наблюдениям в различные годы (n – число проб).

Форма Р	Элемент гидрологической структуры водохранилища	1989 С 21.06 по 11.07	1990 С 7.06 по 6.08	1996 С 27.06 по 14.07
n	С	Сv=s/С	n	С	Сv=s/С	n	С	Сv=s/С
Рмин	Во всей толще	79	28	1.01	188	31	0.89	96	36	0.76
Эпилимнион	57	7	0.56	122	10	0.95	62	13	0.72
Гиполимнион	22	47	0.58	66	48	0.43	34	71	0.26
Робщ	Во всей толще	79	53	0.78	188	66	0.49	96	72	0.36
Эпилимнион	57	33	0.52	122	38	0.48	62	57	0.31
Гиполимнион	22	72	0.59	66	78	0.31	34	89	0.24
Рорг	Во всей толще	79	25	0.87	188	35	0.62	96	36	0.59
Эпилимнион	57	26	0.63	122	28	0.63	62	91	0.43
Гиполимнион	22	25	0.98	66	30	0.50	34	20	0.77

Результаты проведенных наблюдений позволяют установить определенную закономерность в режиме короткопериодных колебаний фосфора в период перехода от фазы "чистой воды" к интенсивному развитию продукционных процессов в водоеме. Вертикальное распределение минерального фосфора (как растворенного, так и взвешенного) характеризуется отчетливым увеличением градиентов концентраций в слое скачка температуры. Величины этих градиентов и момент их возникновения определяются, главным образом, особенностями погодных условий в различные годы, влияющих на короткопериодные изменения вертикальной гидрологической структуры водной массы плеса. Появление и усиление температурного скачка приводит к увеличению роли донных отложений в распределении фосфора по вертикали, что повышает вертикальные градиенты концентраций. По наблюдениям, проведенным в июле 1996 года, специальными балансовыми расчетами изменения массы минерального фосфора в гиполимнионе Красновидовского плеса водохранилища удалось также количественно оценить интенсивность выноса фосфора из донных отложений.