Межгодовая изменчивость концентраций биогенных элементов в ряде рек бассейна финского залива

В. Ю. Третьяков, Д. Е. Селезнев

МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РЯДЕ РЕК БАССЕЙНА ФИНСКОГО ЗАЛИВА

Важнейшая особенность водных экосистем российской части водосборного бассейна Финского залива заключается в обилии каскадных водных систем, представляющих собой цепочки проточных озер, соединенных водотоками. Экосистемы этих проточных водоемов служат трансформаторами речных вод, изменяющими их свойства. Одной из важнейших проблем, как Балтийского моря, так и водных объектов его водосбора является антропогенное эвтрофирование, вызываемое поступлением дополнительных количеств биогенных элементов с населенных пунктов, сельскохозяйственных территорий и предприятий. Это антропогенное поступление биогенов накладывается на естественное поступление с природных ландшафтов. Поэтому при выработке экологически обоснованных норм антропогенного воздействия на водные экосистемы необходимо учитывать естественную внутригодовую изменчивость содержания биогенных элементов в речном стоке.

Для выявления этой естественной внутригодовой динамики были использованы данные Федеральной службы по гидрометеорологии и контролю окружающей среды за 50-80-е годы по 10 рекам. Были выбраны малые и средние реки, характеризующиеся минимальным антропогенным воздействием на их водосборы: Асилан-Йоки, Березайка, Волчья, Голоховка, Кунья, Лососинка, Селезневка, Синяя, Сороть и Шарья. На рис. 1 представлена схема расположения этих рек, постов мониторинга и частных водосборов выше этих постов.

Необходимо отметить, что в соответствии с решениями Всемирной Метеорологической Организации период 1960-1990 гг. принят в качестве реперного, по данным которого определяются климатические характеристики. Уровенный же режим рек является продуктом климата и ландшафтного строения водосборных бассейнов. Именно в 19501970 гг. в СССР были выполнены работы по созданию комплексных атласов регионов с созданием карт их ландшафтного, геологического, биогеографического и почвенного членения. С 1990 г. в открытой печати не представляются данные мониторинга состава речного стока и характеристики уровенного режима. Период 1950-1989 гг. выбран для выявления особенностей внутригодовой динамики содержания биогенных элементов в речном стоке.

Мониторинг химического состава речных вод Северо-Запада РФ осуществлялся в заданные сроки, но не одинаковым количеством измерений каждый год. Измерения, попадающие на периоды естественного подъема уровня (половодье или паводок), могут внести значительные коррективы в исследования поступления биогенных элементов, особенно если эти измерения единственные в рассматриваемом году. Количество измерений концентраций биогенных элементов в изучаемых реках приведено в табл. 1а, б,в [1].

Для оценки степени однородности содержания биогенных элементов в речном стоке были рассчитаны их среднегодовые концентрации с учетом внутригодовой неравно© В. Ю. Третьяков, Д. Е. Селезнев, 2010

Рис. 1. Схема расположения изучаемых рек, постов мониторинга и частных водосборов выше этих постов.

1 — Селезневка (2), 2 — Кунья (176), 3 — Асилан-Йоки (78), 4 — Голоховка (136), 5 — Волчья (56), 6 — Шарья (123), 7 — Лососинка (125), 8 — Синяя (262), 9 — Березайка (147), 10 —

Сороть (253). В скобках — номер поста мониторинга).

мерности сроков мониторинга. Рассматривалась динамика содержания минеральных азота (сумма азота аммонийного, нитритов и нитратов) и фосфора. Для этого было применено специально разработанное программное обеспечение, реализованное в среде программного пакета Mathcad. Межгодовая изменчивость среднегодовых значений проанализирована с помощью метода накопленных сумм. Этот метод традиционно используется в гидрологии суши для выявления качественных изменений среднегодовых значений. Этот метод может применяться для выявления любых крупномасштабных качественных изменений, вызванных относительно стабильными изменениями процессов во времени и пространстве. Он хорошо зарекомендовал себя для анализа изменчивости среднегодовых значений [2].

Метод накопленных сумм заключается в следующем: по оси абсцисс откладываются временные отметки; по оси ординат откладываются накопленные среднегодовые значения. Накопление значений производится следующим образом: в качестве первого значения берется само среднегодовое значение первого из лет исследуемого периода, в качестве последующих — суммы среднегодовых значений от первого года до текущего. По этим точкам строится график. Если нет качественных изменений, а межгодо-вая изменчивость среднегодовых величин находится в пределах флуктуаций, то после 6-7 лет такая изменчивость мало влияет на внешний вид получающейся прямой линии. Если же происходит качественное изменение рассматриваемых параметров, то внешний вид графика приобретает вид ломаной линии или последовательности прямых линий и дугообразных изгибов. Исследователь определяет наличие изгибов (изломов) визуально. Этот метод наиболее работоспособен в том случае, если качественные изменения произошли в средней части исследуемого временного периода. Разумеется, если качественное изменение рассматриваемой осредненной величины произошло в начале или

Название реки 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970

Асилан- Иоки 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 4 4

Березайка 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Волчья 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 6 2 5 6 6 6 6 4 4

Голоховка 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 2 2 3

Кунья 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 7 2 6 7 6 6 6 7 7

Лососин ка 0 0 0 4 3 6 3 5 5 5 7 6 5 6 6 8 7 7 7 7

Селезневка 2 2 2 2 2 3 2 3 2 2 2 3 2 2 4 4 3 2 4 4

Синяя 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 8 2 7 7 8 7 7 7 7

Сороть 6 6 4 3 5 6 5 6 6 6 2 2 7 2 2 2 2 2 2 2

Шарья 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2

Таблица 16. Данные о количестве измерений за год в изучаемых реках за период с 1971 по 1990 годы

Название реки 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990

Асилан- Иоки 1 2 2 2 4 1 1 2 2 2 3 3 4 4 4 1 1 1 1 0

Березайка 0 0 0 0 0 0 1 2 2 2 2 2 3 2 3 2 3 3 3 0

Волчья 1 2 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0

Голоховка 7 4 4 3 2 2 3 7 4 3 4 4 2 4 4 0 0 0 0 0

Кунья 2 3 4 2 4 4 4 4 4 4 4 4 3 4 3 4 4 4 4 0

Лососин ка 7 7 7 7 8 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 2 0 0 0 0

Селезневка 4 4 4 4 4 4 4 4 3 4 4 4 4 3 4 4 4 4 3 0

Синяя 2 4 4 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 4 4 4 4 0

Сороть 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 4 4 4 4 0

Шарья 1 2 2 1 2 1 4 1 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0

Название реки 1985 1986 1987 1988 1989 1990

Асилан-Йоки 4 1 1 1 1 0

Березайка 3 2 3 3 3 0

Волчья 4 4 4 4 4 0

Голоховка 4 0 0 0 0 0

Кунья 3 4 4 4 4 0

Лососинка 1 2 0 0 0 0

Селезневка 4 4 4 4 3 0

Синяя 3 4 4 4 4 0

Сороть 3 4 4 4 4 0

Шарья 4 4 4 4 4 0

конце периода, то данный метод бессилен выявить его наличие. Для применения этого метода также было использовано специально разработанное в среде пакета Mathcad программное обеспечение.

Применение этого метода показало, что в водах рек Волчьей, Лососинки и Селезнев-ки за период с 1955 по 1989 годы не выявлено количественных изменений среднегодовых концентраций биогенных элементов. В содержании биогенов в реках Асилан-Йоки, Бе-резайке, Голоховке, Кунье, Синей, Сороти и Шарье выявлены качественные изменения хотя бы по одному из соединений. На графике накопленных среднегодовых значений концентрации минерального азота в р. Асилан-Йоки были отмечены существенные изломы и перегибы в 1969-71 гг. и 1986 г. Первый перегиб может быть отчасти связан с тем, что в 1971 г. производился один отбор пробы, который пришелся на период паводка. Для этой же реки выявлены изломы графика накопленных среднегодовых значений концентраций минерального фосфора в 1972, 1977, 1981 годах. Необходимо отметить, что в 1971 г. был выполнен всего один отбор пробы в период паводка, что может являться причиной перегиба на графике с запозданием на год. В 1977 г. также был произведен только один пробоотбор в период межени, что могло исказить картину межгодовой изменчивости содержания фосфатов.

Среднегодовое содержание азота нитратов в р. Березайке испытывало существенные колебания в 1972-1979 гг. Однако здесь также в 1976 и 1977 г. было сделано по одному пробоотбору, которые пришлись на период половодья. В содержании минерального фосфора в водах этой реки обнаружены изменения среднегодовых концентраций в периоды 1978-1982 гг. и 1985-1986 гг. Первые могли быть вызваны влиянием единичных измерений 1976 и 1977 годов в период половодья.

Выявлены скачкообразные изменения суммы среднегодовых значений азота нитратов в р. Голоховке в периоды 1969-1974 гг. и 1976-1978 гг. Отмечены существенные изменения содержания азота нитритов в период 1974-1976 гг. и 1980-1982 гг. Скачков же содержания фосфора в р. Голоховке не обнаружено.

Аналогичный анализ содержания минерального фосфора в стоке р. Куньи показал существенные колебания в период 1975-77 гг. Возможно, это связано с единичными измерениями, которые производились с 1976 по 1980 годы, причем в периоды максимального подъема воды в половодье. В содержании азота нитратов здесь также наблюдались значительные изменения в 1973-1975 гг. и 1981-1985 гг. Второй из этих скачков может быть связан с единичными наблюдениями в период максимального подъема воды в 1983, 1984 и 1985 годах [3].

Среднегодовая концентрация минерального фосфора в р. Синей испытывала существенные колебания в 1973-1975 гг. и 1982-1985 гг. В содержании азота нитратов отмечены значительные изменения в 1973-1975 гг. и 1981-1985 гг. Среднегодовое содержание минерального фосфора в водах р. Сороти испытывало существенные колебания в 1965-

1973 гг. и 1983-1985 гг. Для среднегодовой концентрации азота нитратов значительных изменений не отмечено.

Среднегодовая концентрация минерального фосфора в р. Шарье испытывала существенные колебания в период 1962-1968 гг. и 1975-1977 гг. Скорее всего, они связаны с однократными отборами проб в 1967 и 1974 г., произведенными в периоды максимального подъема воды. В содержании азота нитратов существенных изменений не отмечено. На рис. 2, а, б представлены примеры построенных по методу накопленных сумм графиков для случаев неизменного и существенно изменившегося среднегодового содержания минерального фосфора (соответственно р. Лососинка и Шарья).

Были выявлены явные выбросы в динамике среднегодовых концентраций биогенных элементов. Разумеется, исследовалась динамика только для тех рек, графики накопленных сумм среднегодовых концентраций которых имели явные изгибы и переломы.

мг/л

1950

1955

1960

1965

1970

1975

годы

1990

Рис. 2. Примеры построенных по методу накопленных сумм графиков для случаев неизменного и существенно изменившегося среднегодового содержания минерального фосфора (соответственно реки Лососинка (а) и Шарья (б)).

Графики среднегодового содержания минеральных форм азота (нитратов, нитритов, аммонийного) в р. Асилан-Йоки имеют два явных выброса в 1970 и 1986 г., причем на графиках накопленных сумм среднегодовых значений в эти годы наблюдаются выраженные изломы. Для р. Березайки отмечен один максимум среднегодовых концентраций форм минерального азота в 1975 г., также совпадающий с изгибами соответствующих графиков накопленных сумм. В р.Голоховке максимальные среднегодовые значения минеральных форм азота наблюдались в 1975 и 1981 г., при этом график накопленных сумм в эти годы показывает явные изломы. Максимальные среднегодовые концентрации азота нитритов и аммонийного здесь отмечены в 1973 и 1977 г., что также объясняет изломы на графиках накопленных сумм. В р. Куньи максимальные значения среднегодовых концентраций минеральных форм азота наблюдались в

1974 и 1983 г. Эти экстремумы также совпадают с перегибами графиков накопленных сумм. В межгодовой динамике содержания минерального азота в р. Синей наблюдается аналогичная картина: максимальны среднегодовые концентрации в 1974 и 1983 г., что приходится на середины перегибов графика накопленных сумм. В р. Сороти максимальные среднегодовые концентрации минерального азота также наблюдались в 1974 и 1983 г., что объясняет соответствующие изломы графиков накопленных сумм. Можно предположить, что экстремумы содержания минерального азота в водах Куньи, Синей и Сороти, отмеченные в 1974 и 1983 г., вызваны естественными причинами. Очевидно, что в условиях плановой экономики возможное повышение объемов вносимых азотных удобрений должно было происходить одновременно на всей исследуемой территории в пределах Ленинградской области, уровень сельскохозяйственного производства которой считался передовым. Особенность этих лет состояла в более раннем половодье, при этом на период половодья приходился отбор проб в марте, обычно характеризующий зимнюю межень. При расчете среднегодовой концентрации ингредиентов в речном стоке не учитывались концентрации в период зимней межени, зато дважды учитывались данные, относящиеся к половодью.

В водах р. Шарьи максимальные значения среднегодового содержания минерального азота наблюдались в 1968 и 1977 г., что также является причиной изломов графиков накопленных сумм.

Межгодовая изменчивость среднегодового содержания фосфора фосфатов в водах р. Асилан-Йоки имеет три максимума в 1973, 1981, 1984 г., причем второй максимум совпадает с изломом графика накопленных сумм. Для р. Березайки отмечено два максимума среднегодовых значений фосфора фосфатов в 1981 и 1985 г., последний совпадает с одним из отмеченных изломов. Максимальные среднегодовые концентрации минерального фосфора в р. Голоховке отмечены в 1968, 1973 и 1978 г., но график накопленных сумм не имеет изломов и перегибов. В р. Куньи максимумы среднегодовых концентраций фосфатов наблюдались в 1974 и 1983 г., при этом на графике накопленных сумм в 1983 г. присутствует излом. Для р. Синей отмечены максимумы в 1974 и 1983 г., что также приходится на середины изломов графика накопленных сумм. Для р. Сороти максимумы среднегодовых концентраций наблюдались в 1968 и 1985 г. и совпадают с изломами на графике накопленных сумм. Максимальные среднегодовые концентрации фосфора в р.Шарье отмечены в 1977 и 1968 г., синхронно с перегибами графика накопленных сумм.

Метод накопленных сумм был также применен для анализа динамики поступления минеральных удобрений в сельское хозяйство РСФСР (рис. 3, а, б). Имеются скачки поступления в сельское хозяйство РСФСР азотных удобрений в 1968, 1976, 1984 г., а фосфорных — в 1967, 1972 и 1979 г. Для ряда рек (Асилан-Йоки, Голоховка, Синяя,

тыс. т 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995

годы

тыс. т б

1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 -

О “I------1-----1--------1------1------1------1-------1------1------1-----1

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995

годы

Рис. 3. Накопленные суммы поступления минеральных удобрений с сельское хозяйство РСФСР за период с 1951 по 1990 годы (а — азотные; б — фосфорные).

Шарья, Березайка, Куньи) на графиках накопленных сумм среднегодовых концентраций биогенных элементов в следующие годы отмечены изломы [3], что свидетельствует о влиянии объемов внесения удобрений на содержание биогенных элементов в речном стоке.

В табл. 2 приведены рассчитанные значения коэффициентов парной корреляции между среднегодовым содержанием биогенных элементов в речном стоке за данный год и поступлением минеральных удобрений в сельское хозяйство в текущем году (табл. 2).

Во всех случаях модуль коэффициента парной корреляции меньше 0,255, что говорит о практическом отсутствии взаимосвязи. При этом для минерального фосфора, определяющего трофический статус большинства внутренних водоемов, в 7 случаях из 10 коэффициент корреляции имеет отрицательное значение, что свидетельствует об отсутствии какой-либо взаимосвязи между объемами поступающих в сельское хозяйство фосфорных удобрений и его содержанием в речном стоке.

На основании выполненного анализа можно сделать следующие выводы: для рек Волчьей, Лососинки и Селезневки за исследованный период не выявлено кардинальных изменений содержания минеральных форм биогенных элементов; для рек Асилан-Йо-ки, Березайки, Голоховки, Куньи, Синей, Сороти и Шарьи отмечены колебания среднегодовых концентраций биогенных элементов, вызванные, скорее всего, естественными

Таблица 2. Коэффициенты парной корреляции между содержанием биогенных элементов в речном стоке и поступлением минеральных удобрений в сельское хозяйство в текущем году

Название реки Коэффициенты парной корреляции

Р КОз 1ТО2- N11+

Асилан-Иоки -0,01 0,23 0,05 0,02

Березайка 0,03 0,21 0,10 0,15

Волчья -0,05 0,24 0,11 0,01

Голоховка 0,07 0,15 0,12 0,02

Кунья -0,09 0,22 0,16 0,14

Лососинка 0,10 0,17 0,18 0,10

Селезневка -0,11 0,11 0,22 0,12

Синяя -0,13 0,03 0,19 0,02

Сороть -0,10 0,01 0,01 0,02

Шарья -0,01 0,07 0,05 0,04

причинами. Данные мониторинга содержания биогенов в этих реках можно использовать для исследования естественной внутригодовой изменчивости стока биогенных элементов с различных ландшафтов.

Литература

1. Ежегодники качества вод. Л., 1952-1989.

2. Шикломанов И. А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток. Л., 1989.

3. Ежегодники состояния народного хозяйства РСФСР. Л., 1952-1990.

Статья поступила в редакцию 5 октября 2009 г.