SEASONAL DYNAMICS OF WATER SPECTRAL TRANSPARENCY IN DIFFERENT LAKES OF ALTAI KRAI
Суторихин И.А.1, Букатый В.И.2, Акулова О.Б.3
1,2доктор физико-математических наук, профессор; 3аспирант, Институт водных и экологических проблем СО РАН, Россия, 656038, Барнаул, ул. Молодёжная, 1
ДИНАМИКА СПЕКТРАЛЬНОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ ВОДЫ РАЗНОТИПНЫХ ОЗЁР АЛТАЙСКОГО КРАЯ В РАЗНЫЕ СЕЗОНЫ
Аннотация
Основными целями и задачами проведённого исследования является изучение сезонной динамики спектральной прозрачности воды на разных глубинах озёр, нахождение зависимости прозрачности от содержания хлорофилла "а" и оценка влияния дисперсных частиц взвеси на показатель ослабления света в изучаемых водоёмах. В работе приведены результаты экспериментальных исследований спектральной прозрачности воды в диапазоне 400−800 нм в различные сезоны 2011−2013 гг. для трёх разнотипных озёр Алтайского края, обнаружена обратная зависимость величины прозрачности от концентрации основного фотосинтетического пигмента.
Ключевые слова: озёра, спектральная прозрачность воды, показатель ослабления света, фитопланктон, хлорофилл.
Sutorikhin IA1, Bukaty VI2, Akulova OB3
1,2Doctor of Physics and Mathematics, Professor; 3postgraduate student, Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Russia, 656038, 1, Molodezhnaya St., Barnaul
SEASONAL DYNAMICS OF WATER SPECTRAL TRANSPARENCY IN DIFFERENT LAKES OF ALTAI KRAI
Abstract
The main goals and objectives of the research is to study the seasonal dynamics of water spectral transparency at different depths of lakes, the estimation of chlorophyll "a" dependence of transparency, and the assessment of the suspended dispersed particles impact on the light attenuation coefficient in water bodies under study. The work presents the results of experimental investigation of water spectral transparency in the range of 400−800 nm during several seasons of 2011−2013 for three different lakes of Altai Krai. The inverse dependence of transparency on the concentration of the main photosynthetic pigment is found.
Key words: lakes, water spectral transparency, light attenuation coefficient, phytoplankton, chlorophyll.
Данные о спектральной прозрачности озёр, имеющих различный генезис, химический состав, трофический статус, гидрологический и термический режимы и неодинаковую степень антропогенной нагрузки, являются весьма актуальными.
Особое место при изучении озёр занимает соотношение прозрачность − хлорофилл, которое имеет очень важное значение для получения характеристик качества воды, а уровни накопления хлорофилла в объёме воды − для оценки степени эвтрофирования водоёмов [1−4].
В гидрооптическом отношении озёра Алтайского края изучены недостаточно полно, можно сослаться, например, на работы [5, 6], что в существенной мере затрудняет проведение адекватной оценки интенсивности и своеобразия антропогенного загрязнения водных экосистем.
Исследуемые озёра (Лапа, Красиловское и Большое Островное) расположены на территории Алтайского края относятся к водоёмам различного происхождения и степени трофности (эвтрофное − пойменное оз. Лапа, мезотрофное − надпойменное оз. Красиловское и гиперэвтрофное − оз. Бол. Островное), а также с неодинаковой степенью антропогенной нагрузки.
Для определения прозрачности (коэффициента пропускания) воды использовался широко применяемый на практике спектрофотометрический метод, в основу которого положен принцип измерения отношения двух световых потоков, проходящих через объёмы с исследуемой и эталонной средами. В качестве последней использовалась дистиллированная вода высокой очистки. Спектральные измерения проводились с помощью спектрофотометра СФ-46 с погрешностью, равной 0,5%.
Концентрацию хлорофилла в ацетоновых экстрактах определяли стандартным спектрофотометрическим методом согласно ГОСТу [6] и методическим рекомендациям. Погрешность определения хлорофилла в нашем случае составила не более 10% (данные измерений хлорофилла любезно предоставлены н.с., к.б.н. ИВЭП СО РАН А.В. Котовщиковым). Количество и размеры клеток водорослей фитопланктона определялись с помощью счётной камеры Нажотта объёмом 0,05 мл и светового микроскопа Nikon Eclipse 80 i.
Исследования на озёрах проводились в разные сезоны года в период 2011–2013 гг. Количественные пробы воды объёмом 0,5 л отбирались батометром через 1 м по глубине. Измерения спектральной прозрачности воды проводились спустя 1−3 часа после взятия проб в лабораторных условиях в области спектра 400–800 нм. Водные пробы помещались в кварцевые кюветы. Затем рассчитывалась первичная гидрооптическая характеристика − показатель ослабления света ε (физическая величина, являющаяся суммой показателей поглощения и рассеяния света) в пробах воды, отобранных на различных глубинах озёр.
Результаты расчётов по спектральному показателю ослабления света на различных глубинах озёр по данным сезонных измерений спектральной прозрачности показали, что максимальные его значения имеют место в пробах воды, отобранных в придонном слое водоёмов. Следует иметь в виду, что глубина озера Бол. Островное в месте отбора проб − 2 м, озера Красиловское − 4,5 м, оз. Лапа − 7 м. В разные сезоны, когда проводились исследования, глубина озёр незначительно менялась. В целом для оз. Лапа показатель ослабления в диапазоне длин волн 400−800 нм зимой (15.02.2012 и 04.02.2013) и весной, до (15.03.2012) и после (02.05.2012) вскрытия льда на различных глубинах существенно меньше, чем летом (30.07.2012), та же динамика сохраняется и для двух других озёр. Это, может быть, обусловлено изменением соотношения между размерами клеток водорослей фитопланктона и их счётной концентрацией в различные периоды, что подтверждается расчётами показателя ослабления света на основе табличных данных, приведённых в работе [7].
Результаты определения концентрации хлорофилла "а" в озёрах выявили различия вертикального распределения содержания пигмента в разные сезоны. Исследуемые озёра характеризуются более высокими показателями концентрации хлорофилла "а", в основном, в придонном горизонте водоёмов 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 распределение содержания хлорофилла в озёрах отмечена тенденция накопления его в течение вегетационного периода и снижения его содержания в условиях подлёдного режима, когда подо льдом и покрывающим его слоем снега фотосинтез фитопланктона практически прекращается и величины первичной продукции становятся близкие к нулю. 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 фотический слой 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 озёр Лапа (30 июля 2012 г.), Красиловское (13 августа 2012 г.), Бол. Островное (17 августа 2012 г.) составило, соответственно, 25,26 мг/м3, 212,67 мг/м3, 63,09 мг/м3.
В ходе исследований необходимо было определить микрофизические параметры гидрозолей, в связи с тем, что ослабление света в сравнительно чистых озёрных экосистемах обусловлено, в основном, поглощением и рассеянием на взвешенных частицах биологического происхождения.
По данным сезонных измерений размеры клеток в пробах озёр находились в пределах 0,3−6,5 мкм по радиусу (фотографии любезно предоставлены аспирантом ИВЭП СО РАН О.С. Сутченковой). Среднее значение счётной концентрации, измеренной с помощью камеры Нажотта, для оз. Лапа составило порядка 1,3∙106 см-3 (15.03.2012), 4,4∙106 см-3 (02.05.2012), 1,1∙106 см-3 (30.07.2012), 1,2∙106 см-3 (12.10.2012) и 1,1∙106 см-3 (04.02.2013), для оз. Красиловское − 1,9∙106 см-3 (23.05.2012), 3,0∙106 см-3 (13.08.2012), 1,7∙106 см-3 (31.10.2012) и 0,7∙106 см-3 (05.02.2013) и для оз. Бол. Островное − 1,7∙106 см-3 (29.05.2012), 2,2∙106 см-3 (17.08.2012), 1,6∙106 см-3 (30.10.2012) и 5,2∙106 см-3 (26.02.2013).
Проведены экспериментальные исследования спектральной прозрачности воды в диапазоне 400−800 нм в различные сезоны 2011−2013 гг. для трёх разнотипных озёр Алтайского края с учётом влияния дисперсных частиц взвеси на показатель ослабления света в водных пробах.
По данным сезонных измерений спектральной прозрачности воды и концентрации хлорофилла "а" на разных глубинах озёр обнаружена обратная зависимость величины прозрачности на исследуемых длинах волн от концентрации основного фотосинтетического пигмента. Прозрачность водоёмов несколько уменьшается в придонном слое вследствие оседания отмерших клеток водорослей фитопланктона и взмучивания донных отложений.
Исследования сезонной динамики спектральной прозрачности в озёрах показали, что наибольшие значения показателя ослабления практически во всём изучаемом спектральном диапазоне наблюдаются в конце летнего периода, наименьшие − зимой, до вскрытия льда. Это обусловлено массовым развитием водорослей, более высокой концентрацией и бóльшими размерами частиц (клеток) водорослей фитопланктона.
Литература
1. Carlson, R. E. A trophic state index for lakes / R.E. Carlson // Limnology and Oceanography. 1977. Vol. 22, N 2.− P. 361−369.
2. 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, N 2.− P. 3−38.
3. Бульон, В.В. Первичная продукция планктона внутренних водоемов / В.В. Бульон. − Л.: 1983. − 150 с.
4. Суторихин, И.А. Исследования спектральной прозрачности и концентрации хлорофилла в пойменном озере (бассейн Верхней Оби, Алтайский край) / И.А. Суторихин, В.И. Букатый, А.В. Котовщиков, О.Б. Акулова // Известия АлтГУ. − 2012. − №1/1. – С. 226−228.
5. Суторихин, И.А. Исследования спектральной прозрачности воды и концентрации хлорофилла с учётом дисперсности гидрозольных частиц водоёма (на примере озера-старицы Лапа Алтайского края) / И.А. Суторихин, В.И. Букатый, А.В. Котовщиков, О.Б. Акулова // Ползуновский вестник. − 2012. − №2/1. − С. 16−21.
6. ГОСТ 17.1.4.02-90. Государственный контроль качества воды. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла "а". − М.: Изд-во стандартов, 2003.− С. 587–600.
7. Шифрин, К.С. Введение в оптику океана / К.С. Шифрин. − Л.: 1983.− 279 с.