Изменения гидрохимического режима Онежского озера с начала 1990-х годов

Полный текст

Введение. По прогнозам, в России потепление климата и его последствия будут проявляться наиболее резко. При этом наиболее масштабные изменения произойдут в арктическом и субарктическом регионах, где повышение приземной температуры воздуха зимой приведет к сокращению ледоставного периода, увеличению стока рек, росту количества осадков, сезонному протаиванию многолетнемерзлых грунтов и др. [12, 15].

К настоящему времени показано, что в последние 20 лет на Европейской части территории России [5], и особенно в северо-западном регионе [13, 14], наблюдаются преимущественно очень мягкие зимы, увеличение доли жидких осадков (дожди) над твердыми (снег). С наступлением мягких зим отмечается более слабое промерзание почвы и 2–3-х кратное увеличение стока с заболоченных территорий в зимний период 1983–2005 гг. по сравнению с 1963–1973 гг. [8]. В Карелии в основном за счет сильных ливней увеличилось количество осадков в летний период [13], сократился период ледостава [26].

Все это не может не сказаться на состоянии водных объектов. На территории Фенноскандии речные воды приносят в водоемы органическое вещество (ОВ) преимущественно гумусовой природы и тесно связанные с ним за счет комплексообразования железо, марганец и фосфор [9, 11, 19, 23]. Увеличение содержания в воде озер аллохтонного ОВ сказывается на цветности, содержании взвешенных веществ, СО2 и О2, различных форм фосфора и железа, величине рН и др. Следствием оседания железа может быть его накопление в донных отложениях. Особенно ярко эти изменения могут проявиться в водоемах с заболоченными водосборами. К таким озерам относится Онежское озеро – одно из самых крупных озер Европы, расположенное на территории Карелии. Заболоченность его водосбора достигает 20–25%. В 2007–2008-х годах поступление с притоками органического углерода в Онежское озеро увеличилось на 22–39% по сравнению с 1965–2002 гг. [21]. Концентрация общего железа в притоках увеличилась с 1980-х годов в среднем в три раза – с 0.27 (0.02–0.98) до 0.89 (0.03–6.4) мг/л [17, 20]. Именно изменением речного стока, как правило, объясняется и феномен возрастания цветности воды (brownification) в ряде водоемов гумидной зоны на территории Финляндии [27, 29], Германии [25], Швеции [24], США [30], Польши [28] и других стран.

В этих условиях весьма актуальным становится выявление изменений гидрохимического режима Онежского озера, что и является задачей настоящей работы.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования была выбрана Петрозаводская губа Онежского озера. Она представляет собой удобный полигон для оценки влияния речных вод на этот водоем, так как в этот залив впадает р. Шуя – второй по величине приток озера. Площадь водной поверхности залива составляет 76 км2, средняя глубина 16 м, максимальная глубина 29 м. Объем ежегодно поступающей речной воды достигает 3.05 км3, в то время как собственный объем воды в заливе составляет всего 1.17 км3, период условного водообмена – 0.35 года. С речным притоком в залив ежегодно приносится 41–58 тыс. т ОВ [21]. Весной и осенью на выходе из Петрозаводской губы формируется термический бар, изолирующий воды залива от водной массы центрального плеса озера [16] и резко снижающий скорость потока речных вод. Это приводит к интенсивному оседанию аллохтонного ОВ на дно залива. Таким образом, Петрозаводская губа выступает в роли своеобразного фильтра, препятствующего поступлению значительной части аллохтонного ОВ в центральный плес озера.

В работе выполнен анализ многолетней внутри- и межгодовой динамики химических показателей воды на двух постоянных глубоководных станциях в Петрозаводской губе (рис. 1) с 1992 по 2017 гг., когда было накоплено большое количество данных, а также сведения за более ранние периоды – 1963, 1976 и 1981 гг. За весенний сезон принимался период с середины мая по середину июня с температурой поверхности воды менее 10 °С и существованием за пределами залива термического бара, за летний – июль и август, когда температура воды достигает сезонного максимума. Расслоение воды по температуре определяет заметную разницу в химических характеристиках эпилимниона и гиполимниона. Для уменьшения изменчивости показателей изучался массив данных для слоя эпилимниона – от поверхности до глубины 10–15 м. Цветность, содержание в воде общего фосфора, общего железа, взвешенных веществ, рН, СО2, О2, гидрокарбонатных ионов определялись общепринятыми методами [1] по аттестованным методикам в лаборатории гидрохимии и гидрогеологии Института водных проблем Севера КарНЦ РАН. Показатель кислотно-основного равновесия Alk/Acid рассчитывался как соотношение концентраций гидрокарбонатных ионов и углекислого газа [10]. Статистический анализ выполнен в лицензированном пакете Statistica Advanced 10 for Windows Ru.

 

Рис. 1. Карта-схема Онежского озера с расположением точек отбора проб в Петрозаводской губе.

 

Результаты и их обсуждение. Весенний период (1990–2010-е годы). Анализ многолетних данных показал, что на протяжении 1992–2017 гг. в Петрозаводской губе происходит направленное изменение показателей химического состава воды эпилимниона. Наиболее ярко эти процессы выражены в весенний период, когда влияние речных вод на залив максимально. На протяжении последних 25 лет отмечается увеличение цветности, содержания взвешенных веществ, общего фосфора и общего железа, т.е. показателей поступления аллохтонного ОВ (рис. 2). Медиана цветности воды в заливе в 1990-е годы составляла 56 град, в 2000-е годы – 42 град, в 2010-е годы достигла 73 град. Одновременно в воде нарастало содержание взвешенных веществ (от 1.6 до 3 мг/л), фосфора (от 0.012 до 0.022 мг/л) и железа (от 0.12 до 0.42 мг/л) (табл. 1). Достоверность этих трендов подтверждается значимыми (р = 0.05) коэффициентами корреляции Спирмена между химическими показателями и годом измерения (табл. 2).

 

Таблица 1. Статистические характеристики химических показателей эпилимниона Петрозаводской губы Онежского озера весной 1963–2017 гг.

Показатель	1963 г.		1976 г.		1981 г.*	1990-е годы		2000-е годы		2010-е годы
	Me±m	min–max (n)	Me	min–max (n)	Сред.	Me±m	min– max(n)	Me±m	min–max (n)	Me±m	min–max(n)
Цв., град.	90±14	55–105 (6)	62	50–80 (3)	63	56±3	36–80 (11)	42±5	20–100 (11)	73±3	46–96 (12)
ВВ**, мг/л	–	–	–	–	2.6	1.6±0.3	0.4–3.4 (11)	2.1±0.2	1.7–3.7 (11)	3.0±0.5	1.3–3.9 (9)
Робщ., мг/л	–	–	–	–	0.017	0.012±0.003	0.006–0.023 (11)	0.020±0.003	0.015–0.034 (13)	0.022±0.002	0.015–0.043 (13)
Feобщ., мг/л	0.47±0.18	0.16–0.78 (6)	0.27	0.22–0.36 (3)	0.29	0.12±0.05	0.05–0.39 (11)	0.29±0.06	0.17–0.52 (13)	0.42±0.03	0.33–0.73 (13)
CO2, мг/л	4.85±0.44	3.47–6.53 (8)	2.83	2.30–3.30 (3)	3.0	1.21±0.06	0.77–3.20 (11)	2.80±0.32	1.30–3.90 (13)	2.99±0.36	2.00–4.29 (12)
рН	6.65±0.03	6.60–6.80 (8)	7.10	6.90–7.20 (3)	6.9	7.22±0.01	7.16–7.46 (11)	7.07±0.07	6.88–7.52 (13)	7.12±0.09	6.49–7.36 (13)
О2, %	–	–	92	90–95 (3)	91	101±2	90–106 (11)	97±1	88–105 (13)	92±3	81–96 (13)

* – цит. по [17]; ** – ВВ – взвешенные вещества.

 

Рис. 2. Изменение цветности воды (а), концентрации взвешенных веществ (б), общего фосфора (в) и общего железа (г) в эпилимнионе Петрозаводской губы Онежского озера в весенний и летний период 1992–2017 гг.

 

Увеличение концентраций железа и взвешенных веществ в воде Петрозаводской губы в последние 20 лет хорошо согласуется с обнаруженным ранее многолетним нарастанием количества железа в донных отложениях. Так, в 1970-х годах содержание общего железа в верхнем слое илов в среднем составляло 0.4% от воздушно-сухой навески, в 1990-х годах – 0.65%, в 2001 г. – уже 4.8% [2, 3].

Резкое увеличение накопления железа на дне с 2000-х годов совпадает по времени с началом масштабного (в 6–7 раз) сокращения в этом заливе количества донных животных, главным образом реликтовых ракообразных и олигохет [6]. В поровых водах донных отложений в 2013 г. была обнаружена концентрация общего железа 13 мг/л [6], что превышает пределы токсического воздействия железа на моллюсков в 1.4 раза [22] и личинок амфибиотических насекомых – в 1.6 раза [31]. Механизм негативного воздействия железа на водных беспозвоночных зависит от формы нахождения этого элемента в воде. В большинстве пресных водоемов, в том числе и в Онежском озере, железо находится преимущественно в окисленной форме, образуя взвесь с гумусовыми веществами. Негативное действие этих комплексов проявляется опосредованно, путем механического налипания взвеси на органы дыхания и пищеварения. В условиях дефицита кислорода и низких значений рН в водоемах преобладает восстановленная форма железа, которая оказывает прямое токсическое воздействие на гидробионтов.

 

Таблица 2. Коэффициенты корреляции Спирмена между химическими показателями эпилимниона Петрозаводской губы Онежского озера и годом исследований (1992–2017 гг.)

Показатель	Весна	Лето
Цв., град.	0.48 (34)	0.48 (56)
ВВ**, мг/л	0.44 (31)	–0.35 (41)
Робщ., мг/л	0.56 (37)	0.45 (42)
Feобщ., мг/л	0.76 (37)	0.38 (44)
CO2, мг/л	0.58 (36)	0.77 (51)
lg Alk/Acid	–0.58 (34)	–0.66 (47)
рН	–0.43 (37)	–0.25 (51)
О2, %	–0.71 (37)	–0.35 (51)

Примечание. Жирным шрифтом выделены достоверные (р = 0.05) коэффициенты;в скобках – величина выборки.

 

Нарастающее влияние аллохтонного ОВ на Петрозаводскую губу закономерно приводит к изменениям в карбонатной системе. Увеличивается концентрация углекислого газа, уменьшается соотношение щелочности и кислотности (Alk/Acid), что приводит к снижению рН. Одновременно в результате биохимического окисления аллохтонного ОВ снижается содержание кислорода в воде (рис. 3). Так, концентрация СО2 возросла почти в 3 раза (от 1.2 до 3.0 мг/л), величина рН снизилась с 7.22 до 7.12, насыщение воды кислородом – от 101% до 92% (см. табл. 1). Все показатели, связанные с карбонатной системой, достоверно изменяются (см. табл. 2). Масштаб этих изменений становится более очевидным, если учесть, что на весенний период приходится сезонный максимум развития диатомового планктона – основного компонента фитоценозов Онежского озера [4], т.е. в это время эпилимнион должен насыщаться кислородом на фоне снижения концентрации диоксида углерода.

 

Рис. 3. Изменение концентрации диоксида углерода (а), соотношения щелочности и кислотности (б), величины рН (в) и процента насыщения воды кислородом (г) в эпилимнионе Петрозаводской губы Онежского озера в весенний и летний периоды 1992–2017 гг.

 

Летний период (1990–2010-е годы). В летний период практически все изученные тренды сходны с весенними (см. рис. 2, 3). Наибольшее увеличение за многолетний период отмечается для углекислого газа (в 2.4 раза) при снижении насыщенности воды кислородом на 6% (табл. 3). Коэффициенты корреляции Спирмена с годом исследования оказались достоверными (за исключением величины рН). Однако степень многолетнего изменения таких показателей как фосфор общий, железо общее и кислород была немного ниже, чем весной, что выразилось в более низких величинах коэффициентов корреляции с годом. Лишь для диоксида углерода коэффициент корреляции Спирмена оказался значительно выше, чем весной (см. табл. 2). Такая ситуация отражает, во-первых, снижение летом влияния речных вод в связи с исчезновением термического бара и усилением водообмена с открытым плесом, т.е. разбавляющим действием озерных вод. Во-вторых, это указывает на интенсивное разложение осажденного на дне залива аллохтонного ОВ. Об активных процессах самоочищения воды в заливе также свидетельствует снижение абсолютных значений цветности, железа, фосфора, взвешенных частиц и насыщения воды кислородом в летний период по сравнению с весной (см. рис. 2, 3). Все эти процессы объясняют отсутствие достоверного уменьшения величины рН в эпилимнионе.

 

Таблица 3. Статистические характеристики химических показателей эпилимниона Петрозаводской губы Онежского озера летом 1963–2017 гг.

Показатель	1963 г.		1976 г.		1981 г.*	1990-е годы		2000-е годы		2010-е годы
	Me±m	min–max (n)	Me±m	min–max (n)	Сред.	Me±m	min–max (n)	Me±m	min–max (n)	Me	min–max (n)
Цв., град.	36±2	31–50 (9)	56±6	29–108 (11)	34	27±1	24–45 (26)	27±3	18–45 (15)	36±2	30–53 (15)
ВВ**, мг/л	–	–	–	–	0.6	1.5±0.1	0.4–4 (26)	1.0±0.1	0.6–1.5 (13)	0.9	0.5–1.3 (2)
Робщ., мг/л	–	–	–	–	0.01	0.015±0.001	0.007–0.021 (26)	0.017±0.002	0.011–0.025 (13)	0.015	0.017–0.017 (3)
Feобщ., мг/л	0.10±0.01	0.05–0.30 (9)	0.14±0.02	0.04–0.55 (11)	0.08	0.13±0.02	0.02–0.22 (26)	0.12±0.02	0.06–0.22 (15)	0.14	0.11–0.18 (3)
CO2, мг/л	4.50±0.56	2.30–6.10 (9)	2.30±0.21	1.76–4.29 (11)	2.5	0.88±0.08	0.44–1.54 (28)	1.76±0.14	0.90–4.40 (21)	2.13	1.65–2.60 (2)
рН	7.05±0.06	6.90–7.30 (8)	7.00±0.06	6.70–7.21 (11)	7.1	7.42±0.05	7.25–7.88 (28)	7.40±0.03	7.24–7.57 (21)	7.25	7.05–7.45 (2)
О2, %	93±1	92–94 (5)	92±3	81–97 (11)	90	97±1	85–106 (28)	91±1	83–102 (21)	89	88–96 (4)

* – цит. по [17]; ** – ВВ – взвешенные вещества.

 

Интерес вызывает динамика содержания в воде взвешенных веществ, для которых была выявлена противоположная по сравнению с весенним периодом многолетняя тенденция – их уровень в воде залива летом падает (см. рис. 2б). Так, в летний период 1990-х годов медиана концентраций взвешенных веществ в заливе составляла 1.5 мг/л, в 2000-е годы – 1.0 мг/л, а в 2010-е годы – 0.9 мг/л (см. табл. 3). Скорее всего, это может быть связано с более интенсивным осаждением взвешенных веществ весной. Скорость осаждения зависит от размеров взвешенных частиц и от интенсивности их коагуляции, которая может усиливаться при снижении рН воды [1]. Другой возможной причиной снижения количества взвеси в летний период может быть сокращение летней биомассы диатомового планктона – основного компонента альгоценозов Онежского озера.

Сравнительный анализ гидрохимического режима Петрозаводской губы в 1963–1981 гг. Анализ немногочисленных данных за период до 1990-х годов показал, что сходные процессы происходили в заливе и раньше, однако они были вызваны антропогенным воздействием, в частности, промышленным сплавом древесины по р. Шуе и Петрозаводской губе. В 1960-е годы вследствие разложения остатков коры и древесины в воде и на дне Петрозаводской губы регистрировались очень высокие величины цветности воды и концентрации углекислого газа, низкие значения рН. Например, весной 1963 г., когда воды залива отделены от открытого плеса озера термическим баром, концентрация СО2 (4.9 мг/л), железа (0.47 мг/л), величины рН (6.65) и цветности (90 град) были наиболее высокими за весь последующий многолетний период весенних наблюдений (см. табл. 1). Летом этого же года перечисленные показатели оказались значительно ниже, чем весной, за счет разбавляющего влияния озерных вод и были сопоставимы с данными, полученными в последующий период наблюдения, вплоть до настоящего времени. Исключение составило содержание в воде СО2, которое и в летний период 1963 г. не уменьшилось и оказалось максимальным (4.5 мг/л) для всех последующих летних сезонов (см. табл. 3).

В 1970-е и 1980-е годы молевой сплав древесины был прекращен, однако появился новый фактор антропогенного воздействия – лесоосушительная мелиорация. В воде р. Шуи, которая была приемником дренажных стоков, концентрация взвешенных веществ увеличилась в 2.5 раза, ОВ – на 38%, минерализация воды – на 25% [18]. Хотя в 1976 и 1981 гг. по сравнению с 1963 г. содержание углекислого газа, железа и цветность воды в заливе несколько снизились, а величина рН – повысилась (см. табл. 1, 3), тем не менее, качество воды в Петрозаводской губе было ниже, чем в 1990-е годы.

В целом можно отметить, что за более чем 50-летний период изучения гидрохимического режима Петрозаводской губы самыми благополучными для экосистемы залива оказались 1990-е годы (см. табл. 1, 3). К этому времени негативные последствия сплава древесины были по большей части устранены, мелиоративные работы на водосборе р. Шуи закончены. Несмотря на то, что на 1990-е годы приходился максимальный сброс в залив биологически очищенных коммунально-промышленных вод г. Петрозаводска [7], процесс антропогенного эвтрофирования экосистемы не получил серьезного развития по двум причинам: первая – сброс сточных вод происходит во внешнюю часть залива, близкую к открытому плесу озера, и вторая – залив обладает хорошим водообменом.

Заключение. Таким образом, обнаруженные тренды химических показателей воды Петрозаводской губы Онежского озера в 1992–2017 гг. свидетельствуют о влиянии новых климатических условий на состояние водосборной территории и усилении влияния речных вод на залив. Доказательством этому служат системность и статистическая достоверность выявленных изменений гидрохимического режима Петрозаводской губы. Увеличение содержания аллохтонного ОВ, цветности, взвешенных веществ, общего фосфора и железа повлекло за собой изменения в карбонатной системе – нарастание концентрации СО2 в воде, смещение кислотно-основного равновесия и снижение рН. Уменьшение содержания растворенного кислорода указывает на активизацию биохимического окисления аллохтонного ОВ. Наиболее выраженными наблюдаемые системные явления оказались в весенний период, когда Петрозаводская губа в силу гидрологических особенностей озера относительно изолирована от центрального плеса и влияние речных вод максимально. Летом под влиянием озерных вод степень изменений в химическом составе воды залива заметно ниже. Исключение составляет углекислый газ, концентрация которого летом возрастает за счет продолжающегося разрушения принесенного весной ОВ. Многолетние тенденции изменения содержания взвешенных веществ в заливе весной и летом противоположны. Весной количество взвеси в воде нарастает за счет увеличения поступления аллохтонного ОВ с речным стоком. Снижение содержания взвеси летом может происходить в результате изменения химических или биологических процессов в заливе. Изменения химического состава воды в Петрозаводской губе в 1992–2017 гг. происходят одновременно с накоплением на дне железа и угнетением бентоса. Схожие процессы (нарастание концентрации СО2, снижение величины рН) происходили в экосистеме Петрозаводской губы в 1960–1980-е годы в результате антропогенного воздействия на залив: молевого сплава леса и лесоосушительной мелиорации.

Изменения химического состава воды, обнаруженные в Петрозаводской губе, могут распространяться на остальную акваторию озера, а также привести к структурной или количественной трансформации планктонных и бентосных сообществ всего водоема. Изучение процессов изменения экосистемы Онежского озера в новых климатических условиях является важной задачей дальнейших исследований.

Финансирование. Работа выполнена в рамках Государственного задания Института водных проблем Севера КарНЦ РАН.

Funding. The study is prepared within Scientific Research Plan of the Northern Water Problems Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of sciences.

Об авторах

Н. М. Калинкина

Федеральный исследовательский центр “Карельский научный центр РАН”, Институт водных проблем Севера

Автор, ответственный за переписку.
Email: cerioda@mail.ru
Россия, 185910 г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11

Е. В. Теканова

Федеральный исследовательский центр “Карельский научный центр РАН”, Институт водных проблем Севера

Email: etekanova@mail.ru
Россия, 185910 г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11

А. В. Сабылина

Федеральный исследовательский центр “Карельский научный центр РАН”, Институт водных проблем Севера

Email: cerioda@mail.ru
Россия, 185910 г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11

А. В. Рыжаков

Федеральный исследовательский центр “Карельский научный центр РАН”, Институт водных проблем Севера

Email: cerioda@mail.ru
Россия, 185910 г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11

Список литературы

Дополнительные файлы