К вопросу о влиянии морфометрических характеристик озер и их водосборов на трофический статус водоемов

УДК 551.87

Вестник СПбГУ. Сер.7, 2004, вып. 1

Р. В. Антонова, Д. В. Севастьянов К ВОПРОСУ о влиянии

МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЗЕР И ИХ ВОДОСБОРОВ

НА ТРОФИЧЕСКИЙ СТАТУС ВОДОЕМОВ

Озеро как аквальная геосистема или лимносистема является составной частью вмещающего его ландшафта (или ландшафтов) и составляет вместе с ним сложную единую природную систему. Возникновение и развитие всякой лимносистемы несет зональные черты и обусловлено наличием замкнутой отрицательной формы рельефа, достаточного количества осадков и (или) суммарного стока для образования водной массы озера. Именно рельеф и климат в сочетании с характером окружающих озерную котловину ландшафтов обусловливают особенности термодинамического и гидрохимического режимов озерных вод, создают важнейшие предпосылки гидробиологического режима и типа седиментации в озере, определяют направленность эволюции лимносистемы. Поэтому наблюдаемые в природе индивидуальные особенности каждого из озер формируются вследствие сложной взаимосвязи между компонентами озерной экосистемы и окружающими ландшафтами и во многом зависят от соотношения размеров водоема и водосбора [1, 2].

Количество озер на Земле исчисляется миллионами, но нет среди них абсолютно одинаковых. Они различаются по происхождению их котловин, объему водных масс и химическому составу растворенных в них солей, по разнообразию населяющих их гидробионтов, характеру донных отложений и условиям их накопления. Наконец, озерные экосистемы имеют разный уровень биологической продуктивности, с которым связан их трофический статус, а также различную скорость образования органоминеральных осадочных толщ и изменения морфометри-ческих характеристик в процессе эволюции водоемов. Выявлением закономерностей развития озер во взаимодействии с окружающими ландшафтами занимается экологическая лимнология.

Широко известная в лимнологии схема развития озер Тиннемана-Наумана основана на постепенной эволюции водоемов от почти стерильных, холодных, малокормных (олиготрофных) к богатым жизнью, более теплым, избыточно кормным (эвтрофным). Как известно, в ходе развития всякого водоема происходят заполнение котловины минеральными и органическими осадками, уменьшение глубины и объема воды. Это приводит к большей освещенности мелководий и прогреву водной массы, развитию водной растительности, росту биомассы гидробионтов и пересыщению вод растворенным, органическим веществом. В ходе эволюции экосистемы и заполнения озерной котловины осадками водоем зарастает, заболачивается и отмирает, переходя в болотную формацию. Такой процесс называется «природное эвтрофирование озер». Он развивается в течение тысячелетий и выражается в увеличении видового разнообразия гидробионтов и повышении общей продукции биомассы. При этом накопление донных осадков в озерных котловинах ускоряется, постепенно изменяются морфометрические, гидрофизические и гидрохимические характеристики озер, меняются свойства лимносистемы, ее трофический статус. Гидробиологические и палеолимнологические материалы дают основание видеть в истории развития озер тесную взаимообусловленность и взаимосвязь изменения морфометрических параметров водоемов (уменьшение глубины и площади) с динамикой продуктивности, состава и биомассы гидробионтов [3-5].

Трофический статус водоема - это интегральная и многомерная характеристика, определяемая множеством взаимосвязанных процессов физической, химической и биологической природы. Его определение, как правило, включает использование комплекса признаков, дополняющих друг друга. Вместе с тем существуют трофические типизации озер, базирующиеся на небольшом числе показателей или на одном из них, наиболее информативном. Например, к таким универсальным показателям относят величину первичной продукции как меру интенсивности процесса новообразования органического вещества в водоеме - основы всей трофической пирамиды [3].

Уровень биологической продуктивности - главная функциональная характеристика водоема, на которой основывается трофическая типизация озерных экосистем. Его обычно связывают с вполне конкретными лимническими величинами того или иного трофического типа, а также с характером водосбора, особенностями гидрографической сети,, притоком тепла и другими компонентами. Широко используются многокритериальные оценки экологического состояния водоемов [6, 7]. В настоящее время применяются различные показатели, которые принято считать индикаторами уровня трофности: концентрации органического углерода и хлорофилла «а», биомасса фитопланктона, биомасса зоопланктона, отношение биомассы зоопланктона к биомассе фитопланктона, численность зоопланктона, прозрачность воды и др. [3-5].

Видовой состав растительности в озере является одним из критериев распознавания трофности водных экосистем. Так, установлено, что в глубоких озерах в составе фитопланктона доминируют диатомовые водоросли, а в мелководных озерах, как правило, - зеленые и синезеленые. Преобладание диатомовых в общей численности

© Р. В. Антонова, Д. В. Севастьянов, 2004

водорослей (95-25%) указывает на принадлежность водоема к олиготрофному типу, доминирование синезеленых водорослей (75-100%) - к эфтрофному.

Наиболее часто количественное выражение трофического статуса озер производят через величину первичной продукции или энергетическую емкость биомассы фитопланктона, через диапазон концентрации общего фосфора либо диапазон концентрации хлорофилла «а» (табл. 1).

Таблица 1. Шкалы трофических показателей озер умеренной зоны

Трофический статус водоема Энергетическая емкость биомассы, ккал/м2 Концентрация общего фосфора, мкг/л Концентрация хлорофилла «а», мкг/л

Олиготрофный Менее 300 0,5-1,0 0,1-1,0

Мезотрофный 300-1000 10-20 1,0-10

Эвтрофный 1000-3000 Более 20 Более 10

Эвтрофирование озер, как известно, характеризуется увеличением поступления в воду биогенных элементов, ростом первичной продукции и суммарным накоплением в водоемах автохтонного органического вещества, которое, смешиваясь с минеральными частицами аллохтонного происхождения, поступающими с водосбора, приводит к большей скорости накопления озерных отложений.

Донные отложения озер - продукт процессов самоочищения, протекающих в водной массе. С процессами седиментации связано экологическое состояние водоемов. При значительном поступлении в озеро взвешенного и растворенного органического вещества снижается прозрачность воды, но возрастает удаление сестона на дно, что ведет к заполнению котловины озера отложениями, уменьшению средней глубины водоема и повышению показателя открытости (отношение площади зеркала озера к его средней глубине). При этом усиливается влияние водосбора и внешних природных факторов (в частности, ветрового волнения) на водную толщу непосредственно через поверхность водоема. Увеличивается перемешиваемость водных масс, изменяются условия их стратификации, меняется характер седиментации, перераспределение осадков по дну водоема, в свою очередь, вызывая изменения формы котловины озера и его морфометрических параметров. С уменьшением объема вод озера растет воздействие на лимносистему стока с ее водосбора. Следует указать, что влияние водосбора на мелкие озера больше, чем на крупные глубоководные, так как объем и концентрация поступающих с водосбора веществ пропорционально возрастают по отношению к малым глубинам и объемам озерных вод. Такие озера быстрее заполняются наносами и меняют морфометрические параметры.

Наиболее высокие скорости суммарного озерного осадконакопления (до 1 мм в год и более) отмечаются в высокогорных районах и полярных широтах, там, где на водосборах озер интенсивно протекают процессы физического выветривания горных пород и образуются потоки преимущественного кластогенного материала, поступающего в озерные котловины с водосборов. В крупных глубоководных олиготрофных озерах (Телецкое, Иссык-Куль, Хубсугул, Ладожское) скорости накопления осадков невелики, составляют 0,2-0,3 мм/год [8]. В относительно мелководных, мезотрофных и эвтрофных озерах вследствие увеличения доли автохтонного органического вещества скорости седиментации и осадконакопления возрастают до 0,6-0,8 мм/год и более (Цюрихское, Кукунор, озера Прибалтики и Республики Беларусь) [8, 9]. Большие скорости осадконакопления в озерных котловинах приводят к быстрому (в масштабах геологического времени) изменению морфометрических параметров озер, ускорению процессов эвтрофирования и изменению трофического .статуса водоемов. Таким образом, морфометрические характеристики озер, которые меняются по мере заполнения озерной котловины осадками, являются отражением этапов эволюции озер, так же как и изменения уровня их биологической продуктивности и трофического статуса водоемов во времени.

В последние годы исследователи уделяют все больше внимания определению количественных связей между морфометрией водоемов и их трофическим статусом. Установлен ряд зависимостей, позволяющих прогнозировать экологическое состояние лимносистем на основе известных морфометрических параметров озер.

Так, для озер Республики Беларусь были выявлены статистически достоверные корреляционные зависимости между параметром, характеризующим стратификацию озерных вод (вертикальным размером эпилимниона), и прозрачностью водоемов п& диску Секки [7]. Показатель эпилимниона определяется следующим уравнением:

И

у шах )

ч/+1 '

\ шах

, где и Ятах - соответственно средняя и максимальная глубина водоема (м); е - мощность эпилимниона (м); /-величина, характеризующая форму котловины:/= (Н- ЯаУ8У Яа,г.

1-

В. П. Романовым [7] получены зависимости между величиной 5 и трофическими показателями озерных водоемов, развивающихся в современных условиях. О. Ф. Якушко была сделана попытка интерпретировать некоторые стороны эколого-географической классификации озер Республики Беларусь на основании морфометрических коэффициентов и выявить с их помощью функциональные зависимости внутриводоемных процессов [10]. Она установила зависимость между расчетными значениями показателя эпилимниона и величиной летней биомассы фитопланктона для 24 разнотипных озер [11]. Стюартом и Хавсеном [12] выявлены связи между морфометрическими параметрами и датами возникновения ледовых явлений на озерах. Паталасом [13] определена зависимость между средней глубиной озера и возможной мощностью эпилимниона для мелководных озер.

Как было показано многими лимнологами, степень воздействия окружающей среды на жизнь озера в значительной мере зависит от соотношения площади его водосборного бассейна и размера самого озера: ¿басс'^, (этот показатель называется удельным водосбором). Количественная оценка воздействия водосборной территории на морфометрические показатели озерной котловины и определение влияния на трофический статус озера возможны на базе статистической обработки массового материала натурных исследований озер, объединенных единством происхождения и общностью зонально-климатических черт.

Для решения задачи выявления связи морфометрических и экологических характеристик использовалась компьютерная база данных «Озера мира», которая создается в лаборатории гидрологии Института озероведения РАН под руководством доктора географических наук С. В. Рянжина. Она включает следующие сведения об озерах: географические координаты, морфометрические, гидрологические, климатологические, гидротермические, гидрохимические, гидробиологические и др. В настоящее время в ней заключается информация более чем по 40 тыс. озерам разных континентов.

Для того чтобы оценить влияние удельного водосбора озера на его прозрачность, были проанализированы данные по прозрачности для 100 разнотипных водоемов Северо-Запада России и 24 озер экспериментального района провинции Онтарио (Канада). Характеристики озер приведены в табл. 2. Исследованные озера имеют ледниковое происхождение, расположены в гумидной зоне, но различаются по морфометрическим параметрам и величинам их удельных водосборов.

Полученные графики связи (рисунок, а, о) свидетельствуют об обратной ее пропорциональности: с увеличением удельного водосбора прозрачность уменьшается. Для малых удельных водосборов типична высокая прозрачность. На рисунке проявляется качественная нелинейная логарифмическая зависимость анализируемых параметров. При увеличении удельных водосборов в 30 раз прозрачность озер Северо-Запада России возрастает в 2 раза; при повышении удельных водосборов в 20 раз прозрачность озер провинции Онтарио становится больше в 3 раза.

Практически все лимнические, физические характеристики имеют сезонный ход, в том числе и прозрачность, которая, как правило, увеличивается летом, а понижается осенью. Установление качественных связей между трофическим статусом озер и морфометрическими параметрами - задача неоднозначная, что связано с неоднозначностью определения трофического статуса водоемов.

Таким образом, была установлена качественная связь между прозрачностью вод озера и его удельным водосбором для двух групп озер, сходных по климатическим и генетическим характеристикам. Прозрачность воды дает информацию о развитии планктонных сообществ, об общем содержании автохтонного и аллохтонного органического вещества и используется как показатель трофического статуса озера. Определение связи морфометрических характеристик и трофического статуса озер позволяет решить задачу прогнозирования биологической продуктивности озер в зависимости от морфометрии озерных котловин.

Как было показано нами ранее [14], применение ландшафтного подхода к изучению лимносистем весьма перспективно, так как дает возможность учитывать зональные почвенно-климатические и азональные геолого-геоморфологические особенности озер и их водосборов. Единству зональных и азональных признаков наиболее полно отвечает генетически однородная территория, какой является ландшафт. Озера, вмещаемые ландшафтом, развиваются в определяемых им экологических условиях. В пределах одного ландшафта при схожести почвенного покрова, химических особенностей вод притоков и озер различия в экосистемах водоемов прежде всего обуслов-

Таблица 2. Статистические характеристики исследуемых озер

Характеристики Минимум Максимум

Северо-Запад России Широта, град. (с. ш.) Долгота, град. (в. д.) Площадь, км2 Средняя глубина, м Удельный водосбор Прозрачность, м

Провинция Онтарио

51,А 65,0

37,9 25,5

0,04 17 882,0

1,4 46,9

1,3 44,0

0,4 8,5

Широта, град. (с. ш.) 49,5 49,8

Долгота, град. (з. д.) 93,3 95,0

Площадь, км2 0,02 16,8

Средняя глубина, м 1,5 55,0

Удельный водосбор 1,3 18,3

Прозрачность, м 1,9 10,0

Прозрачность по диску Секки, м

Удельный водосбор

Связь удельного водосбора и прозрачности озер Северо-Запада России (а) и провинции Онтарио (Канада) (б), а- у = 4,448 - 0,818  lg п(х) + eps; о - у = 7,977 - 1,868 - lg п(х) + eps.

лены величиной внешнего водообмена и морфометрией озерной котловины. Связи между морфометрическими показателями, биомассой фитопланктона и первичной продукцией позволяют рассчитывать потенциальную био-иродуктивность озер. Дальнейшие работы в этом направлении могут стать основой для разработки классификации озерных водоемов с учетом связи их морфометрических показателей с экологическими характеристиками.

Summary

Antonova R. V., Sevastyanov D. V. Morphometric parameters of lakes and their basins and their effect on the trophic status of reservoirs. _

Some new data on the influence of morphometric parameters of lakes on the reservoirs' ecology and their trophic stu-tus are considered. Prognostic estimations of biological efficiency of lakes and their trophic stutus are discussed on the basis of the analysis of morphometric parameters of lakes and their reservoirs.

Литература

1 .Драбкова В. Г., Сорокин И. Ц. Озеро и его водосбор - единая природная система. Л., 1979. 2. Севастьянов Д. В. Озерность, лимногенез и климат Внутренней Азии // Изв. Рус. геогр. о-ва. 1998. Т. 130, вып. 3. 3. Андрон-никова И. Н. Классификация озер no уровню биологической продуктивности // Теоретические вопросы классификации озер / Отв. ред. Н. П. Смирнова. СПб., 1993. 4. Винберг Г. Г. Итоги исследований пресноводных сообществ всех трофических уровней // Ресурсы биосферы (Л.). 1976. Вып. 2. 5. Давыдова Н. Н. Диатомовые водоросли -индикаторы природных условий водоемов в голоцене. Л., 1985. 6. Дмитриев В. В., Мякишева Н. В.. Третьяков В. Ю., Хованов Н. В. Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода свободных показателей // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 1997. Вып. 1 (№ 7). 7. Романов В. П. Применение морфометрических показателей в целях определения природного потенциала водоемов и прогнозирования их состояния // Труды Всесоюз. совещания «Антропогенные изменения экосистем малых озер». СПб., 1991. Кн. 1. 8. Севастьянов Д. В. О парадоксальных темпах осадконакопления в горных озерах Евразии // Изв. Рус. геогр. о-ва. 1996. Т. 128, вып. 1. 9. Жуховицкая А. Д., Власов Б. П., Курзо Б. В., Кузнецов В. А. Озерный седиментогенез в голоцене Белоруси. Минск, 1998. 10. Якушко О. Ф., Мюллер Б., Романов В. П. Математическая интерпретация типологических показателей озер Белоруссии // Вестн. Белорус, ун-та. Сер. 2. 1988. № 2. 11 .Якушко О. Ф., Мыслевец И. А., Раневский А. Н. и др. Озера Белоруссии. Минск, 1988. 12. Stewart К. М., Havsen R. К. Influense of lake morphometry on ice dates // Verh. Intern.Verein. Limnol. Stuttgart, 1990. Bd 24. 13. Patatas К. Wind- und morphologiebedingte Wasserbewegungstypen als bestimmender Faktor fur die Intensitat des Stoffkreis-laufen in nordpolischen Seen // Verh Intern. Verein. Limnol. Stuttgart, 1961. Bd 14.14. Антонова P. В. О связи некоторых морфометрических и экологических характеристик равнинных озер ледникового происхождения // Изв. Рус. геогр. о-ва. 2003. Т. 135, вып. 3. С. 56-62.

Статья поступила в редакцию 15 сентября 2003 г.