Динамика гидрооптических характеристик разнотипных озер Алтайского края

УДК 574.58

И. А. Суторихин, В. ИБукатый, О. Б. Акулова Динамика гидрооптических характеристик разнотипных озер Алтайского края*

I. A. Sutorikhin, V. I. Bukaty, O. B. Akulova

Dynamics of Hydrooptical Characteristics of Polytypic Lakes at the Altai Territory

Приведены результаты сезонных измерений спектральной прозрачности воды в диапазоне длин волн 400-800 нм в разнотипных озерах Алтайского края в 2011-2012 гг. Найдена обратная зависимость между спектральной прозрачностью и концентрацией хлорофилла «а», определяемой стандартным спектрофотометрическим методом. Данная зависимость представлена в виде аппроксимационной кривой, удовлетворяющей закону Бугера.

Ключевые слова: спектральная прозрачность, показатель ослабления света, хлорофилл.

Внутренние водоемы в настоящее время значительно подвергаются различным нагрузкам. Наряду с влиянием факторов природного свойства озерные экосистемы испытывают всё возрастающее антропогенное воздействие. В большинстве случаев это приводит к ухудшению качества воды, нарушению биологического равновесия и, в перспективе, разрушению водной экосистемы. В решении этих проблем важную роль играют комплексные системы оперативного экологического контроля (мониторинга).

Озера являются важными природными объектами ввиду их экологических особенностей, социально-экономического, научного и культурного значения. Для большинства исследуемых водных объектов существуют проблемы изменения состояния озерных экосистем, их охраны и использования. В настоящее время разработано множество детальных классификаций озерных экосистем по конкретным признакам, при этом возникает проблема в определении точного количества озер, расположенных на данной территории. В качестве примера можно привести озера Алтайского края, количество которых (по разным подсчетам) колеблется в пределах от 11 до 13 тыс. [1, 2].

Вышеизложенное послужило основанием для продолжения проведений исследований, основная цель которых — изучение сезонных изменений спектральной прозрачности воды на различных глубинах раз-

The work gives the results obtained during seasonal measurement of water spectral transparency in wavelength range of 400-800 nanometers in polytypic lakes at the Altai Territory in 2011-2012. The researchers found inverse relationship between spectral transparency and concentration of a chlorophyll «a» defined by a standard spectrophotometric method. This dependence is presented in a form of approximated curve which is satisfying the Buger law.

Key words: spectral transparency, light attenuation,

chlorophyll.

нотипных озер, нахождение эмпирической зависимости прозрачности воды от содержания хлорофилла «a», оценка влияния дисперсных частиц (клеток) водорослей фитопланктона на показатель ослабления света в водных пробах.

Подобные исследования представляются актуальными, так как между концентрацией хлорофилла «а», являющимся основным фотосинтетическим пигментом фитопланктона, и прозрачностью существует определенная зависимость [3-7]. Исследуемые нами озера Алтайского края (Лапа, Красиловское и Большое Островное) относятся к водоемам различного происхождения и степени трофности (троф-ность - это характеристика водоема по его биологической продуктивности), т. е. являются разнотипными, что обусловлено гидрологическими особенностями экосистем, литологией пород, составом вод питающего бассейна и различной степенью антропогенной нагрузки. Следует иметь в виду, что для объективной оценки трофического статуса озер необходимо использовать большое число показателей: прозрачность, содержание биогенных элементов, хлорофилла «а», первичную продукцию фитопланктона и макрофи-тов, биомассу фитопланктона, бентоса, рыбы и др. [8].

Необходимо отметить, что в зарубежной [9-14] и отечественной [15-17] научной литературе данные по гидрооптическим свойствам воды в озерных экоси-

* Работа выполнена при поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН 131. «Математическое и геоинформационное моделирование в задачах мониторинга окружающей среды и поддержки принятия решений на основе данных стационарного, мобильного и дистанционного наблюдения» и программы фундаментальных исследований в рамках проекта научно-образовательного комплекса № 2 «Геоэкологический мониторинг и прогнозирование состояния климата и устойчивого социально-экономического развития региона».

стемах представлены по исследованиям прозрачности и ее взаимосвязи с концентрацией хлорофилла, в основном, по белому диску Секки. Однако данный метод субъективен, вследствие чего погрешность измерений с его помощью может достигать значительных величин (20% и более).

Для определения прозрачности (коэффициента пропускания) воды мы использовали спектрофотометрический метод, в основу которого положен принцип измерения отношения двух световых потоков, проходящих через объемы с исследуемой и эталонной средами. Спектральные измерения проводились с помощью спектрофотометра СФ-46. Первая проба помещалась в измерительную (рабочую) кювету, вторая - в кювету сравнения [18].

Концентрацию хлорофилла в ацетоновых экстрактах определяли стандартным спектрофотометрическим методом согласно ГОСТу 17.1.4.02-90 и методическим рекомендациям. В основе метода - спектрофотометрирование экстракта пигментов до и после его подкисления раствором соляной кислоты. Расчеты концентрации хлорофилла «а» основаны на известных удельных спектральных показателях поглощения света хлорофиллом «а» и основными компонентами, мешающими анализу. Для приготовления экстракта пробу воды фильтруют через мембранный фильтр «Владипор» МФАС-ОС-3 с диаметром пор 0,8 мкм, пигменты экстрагируют водным ацетоном и удаляют центрифугированием из экстракта светорассеивающую взвесь [19]. Погрешность определения хлорофилла в нашем случае составила не более 10%. Количество и размеры клеток водорослей фитопланктона определялись с помощью счетной камеры Нажотта и светового микроскопа Nikon Eclipse 80 i.

Исследования на озерах проводились в разные сезоны в период 2011-2012 гг. В ходе исследований в лабораторных условиях проводились измере-

ния спектрального коэффициента пропускания воды в диапазоне 400-800 нм на спектрофотометре СФ-46 с погрешностью, равной 0,5%. Водные пробы, взятые на различных глубинах озер, помещались в кварцевые кюветы. В различных сериях измерений использовались кюветы с длиной пути 12 и 10 мм. Необходимо отметить, что измерения прозрачности проводились спустя 1-3 часа после взятия проб.

Далее рассчитывалась первичная гидрооптическая характеристика — показатель ослабления света є в воде (физическая величина, являющаяся суммой показателей поглощения и рассеяния света) по формуле

е = 1/І • ln (100/I),

где I - рабочая длина кюветы, I — относительная интенсивность света (%), прошедшего через воду.

Результаты наших расчетов по спектральному показателю ослабления света на различных глубинах озер, по данным сезонных измерений спектральной прозрачности, показали, что максимальные его значения имеют место в пробах воды, отобранных в придонном слое водоемов. Следует иметь в виду, что глубина Бол. Островного в месте отбора проб -2 м, Красиловского - 4,5 м, Лапы - 7 м. В разные сезоны, когда проводились исследования, глубина озер незначительно менялась. В целом для оз. Лапа показатель ослабления в диапазоне длин волн 400-800 нм зимой (15.02.2012) и весной, до (15.03.2012) и после (02.05.2012) вскрытия льда, осенью (12.10.2012), до ледостава, на различных глубинах существенно меньше, чем летом (30.07.2012). Это может быть обусловлено изменением соотношения между размерами клеток водорослей фитопланктона и их счетной концентрацией в различные периоды, что подтверждается нашими расчетами показателя ослабления света на основе табличных данных, приведенных в работе [20]. Результаты спектральных измерений представлены на рисунках 1-2.

Рис. 1. Спектральная зависимость показателя ослабления света 6 от длины волны X в поверхностном слое оз. Лапа в различные сезоны

Рис. 2. Спектральная зависимость показателя ослабления света є от длины волны X на глубине 7 м на оз. Лапа в различные сезоны

- Ею л.Островное 1,5 м

Рис. 3. Спектральная зависимость показателя ослабления 6 от длины волны X в придонном слое разнотипных озер летом 2012 г

п-----г

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Рис. 4. Спектральная зависимость показателя ослабления є в диапазоне длин волн 400-800 нм в поверхностном слое разнотипных озер осенью 2012 г.

Для сравнения на рисунках 3-4 приведены спектральные зависимости показателя ослабления в поверхностном и придонном слоях исследуемых озер в летне-осенний период 2012 г.

Результаты определения концентрации хлорофилла «а» в озерах выявили различия вертикального распределения содержания пигмента в разные сезоны. Исследуемые озера характеризуются более высокими

показателями концентрации хлорофилла «а», в основном, в придонном горизонте водоемов по сравнению с поверхностным, что обусловлено, на наш взгляд, процессами разложения и минерализации растительных остатков и активными процессами химического обмена, происходящими на границе водораздела вода — дно (слой иловых масс). В сезонной динамике распределения содержания хлорофилла в озерах отмечена тенденция накопления его в течение вегета-

ционного периода и снижения его содержания в условиях подледного режима, когда подо льдом и покрывающим его слоем снега фотосинтез фитопланктона практически прекращается и величины первичной продукции становятся близкими к нулю.

Аппроксимационные кривые зависимости прозрачности воды от содержания хлорофилла «а» для оз. Лапа в различные сезоны представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Сезонная зависимость прозрачности воды Т на длине волны 430 нм от концентрации хлорофилла «а» на оз. Лапа в 2011-2012 гг

Из рисунка видно, что экспериментальные точки хорошо ложатся на аппроксимационные кривые, удовлетворяющие закону Бугера. При этом коэффициент корреляции лежит в диапазоне от 0.64 до 0.92, что говорит об удовлетворительной аппроксимации (модель в целом адекватна описываемому явлению).

Концентрация хлорофилла «а» в поверхностном слое озера Лапа 15 февраля 2012 г. равна 0,53 мг/м3, 15 марта 2012 г. — 0,95 мг / м3, но для оз. Бол. Островное 22 марта 2012 г. концентрация составила 15,06 мг/м3. В этом случае можно предположить, что при малой глубине оз. Бол. Островное его фо-тический слой (глубина проникновения света) простирается до дна. В этих условиях при слабом перемешивании водных масс органическое вещество, синтезируемое водорослями, накапливается в донных отложениях и в придонных слоях. Содержание хлорофилла в придонном слое озер Лапа (30 июля 2012 г.), Красиловское (13 августа 2012 г.), Бол. Островное (17 августа 2012 г.) составило соответственно 25,26; 212,67; 63,09 мг/м3 и представлено на рисунке 6.

В ходе исследований необходимо было определить микрофизические параметры гидрозолей, в связи с тем, что ослабление света в сравнительно чистых

озерных экосистемах обусловлено, в основном, поглощением и рассеянием на взвешенных частицах биологического происхождения.

Распределение клеток водорослей фитопланктона по радиусу для оз. Лапа в различные сезоны представлено на рисунке 7. Аппроксимация экспериментальных точек проводилась в соответствии с формулой Юнге.

Рис. 6. Вертикальное распределение содержания хлорофилла «а» в разнотипных озерах в летний период 2012 г

г, мкм

Рис. 7. Распределение клеток водорослей фитопланктона по радиусу для оз. Лапа в разные сезоны в 2011-2012 гг

На основании проведенных экспериментальных исследований спектральной прозрачности воды в диапазоне 400-800 нм в различные сезоны 20112012 гг. для трех разнотипных озер Алтайского края можно сделать следующие выводы. Полученные данные можно считать репрезентативными применительно к средним и малым водоемам. Рассчитанные нами спектральные показатели ослабления на основе экспериментальных данных о прозрачности изучаемых озер испытывают заметные изменения по спектру и не коррелируют с показателями поглощения для чистой воды. На наш взгляд, это обусловлено преимущественно рассеянием и поглощением света на органических и минеральных частицах микровзвеси.

По данным сезонных измерений спектральной прозрачности воды и концентрации хлорофилла «а» на разных глубинах озер обнаружена обратная зависимость величины прозрачности на исследуемых длинах волн от концентрации основного фотосинтети-

ческого пигмента. Прозрачность водоемов несколько уменьшается в придонном слое вследствие оседания отмерших клеток водорослей фитопланктона и взмучивания донных отложений.

Исследования сезонной динамики гидрооптических характеристик показали, что наибольшие значения показателя ослабления практически во всем изучаемом спектральном диапазоне наблюдаются в конце летнего периода, наименьшие — зимой, до вскрытия льда. Это обусловлено массовым развитием водорослей фитопланктона, более высокой концентрацией и большими размерами частиц (клеток) водорослей.

Авторы благодарят н.с., к.б.н. А. В. Котовщикова за предоставленные данные измерений концентрации хлорофилла; с.н.с., к.б.н. Е. Ю. Митрофанову и аспиранта О. С. Сутченкову за предоставленные фотографии водорослей фитопланктона, а также аспиранта Е. Н. Чикалина за помощь при обработке данных.

Библиографический список

1. Атлас Алтайского края. - М.; Новосибирск, 1991.

2. Захаров С. Г. К вопросу о классификации озер и озеровидных водоемов // Известия Русского географического общества. — 2002. — Т. 134, вып. 3.

3. Бульон В. В. Первичная продукция планктона внутренних водоемов. — Л., 1983.

4. Апонасенко А. Д., Щур Л. А., Лопатин В. Н. Связь содержания хлорофилла с биомассой и дисперсной структурой фитопланктона // ДАН. — 2007. — Т. 412, № 5.

5. Мусатов А. П. Оценка параметров экосистем внутренних водоемов. — М., 2001.

6. Бульон В. В. Закономерности первичной продукции в лимнических экосистемах. — СПб., 1994.

7. Бульон В. В. Связь между концентрацией планктона и прозрачностью воды в озерах и водохранилищах // Морфология, систематика и эволюция животных: сб. науч. работ. - Л., 1978.

8. Carlson R. E. A trophic state index for lakes // Limnology and Oceanography. — 1977. — Vol. 22, № 2.

9. Alm G. Limnologisch-fischereiliche Untersuchungen in dem Kalarne-Seen // Inst. Freshwater Res. Rep., Lund. — 1960. — № 41.

10. Apstein C. Das Susswasserplankton Methode und Re-sultate den quantitativen Untersnchungen. — Kiel und Leipzig, 1896.

11. Vollenweider R.A., Kerekes J. The loading concept as basis for controlling eutrophication philosophy and preliminary results of the OECD programme on eutrophication // Progr. Water Technol. — 1980. — Vol. 12, № 2.

12. Joel Harrison. Effects of nutrients, photoinhibition and photoacclimation on photosystem II function of freshwater phytoplankton communities. — Waterloo; Ontario; Canada, 2011.

13. Joel W. Harrison., Ralph E. H. Smith The spectral sensitivity of phytoplankton communities to ultraviolet radiation-induced photoinhibition differs among clear and humic temperate lakes // Limnology and Oceanography. — 2011. — № 56 (6).

14. Lee Z. P., Carder K. L. Absorption spectrum of phytoplankton pigments derived from hyperspectral remote-sens-

ing reflectance // Remote Sensing of Environment. — 2004. — № 89.

15. Бульон В. В. Первичная продукция планктона и классификация озер // Продукционно-гидробиологические исследования водных экосистем. — Л., 1987.

16. Китаев С. П. Основы лимнологии для гидробиологов и ихтиологов. — Петрозаводск, 2007.

17. Ильмаст Н. В., Китаев С. П., Кучко Я. А., Павловский С. А. Гидроэкология разнотипных озер южной Карелии. — Петрозаводск, 2008.

18. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Ю-34.11.629 ТО. — 1988.

19. ГОСТ 17.1.4.02-90. Государственный контроль качества воды. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла «а». — М., 2003.

20. Шифрин К. С., Салганик И. Н. Таблицы по светорассеянию. Рассеяние света моделями морской воды. - Л., 1973. - Т. 5.