Оценка экологического состояния озер Кенозерского национального парка (Архангельская область)

Цель исследований: оценка экологического состояния экосистем озер Кенозерского национального парка Вильно, Масельгское и Лекшмозеро на основе данных комплексного гидролого-гидрохимического и гидробиологического анализов.

Исследования проведены в различные гидрологические сезоны (в периоды зимней и летней стагнации, весеннего и осеннего перемешивания вод) 2009 г. Кроме того, для обобщения материала использовались данные, полученные авторами в 2007-2008 гг. Пробы воды отбирались послойно в соответствии с вертикальной стратификацией гидролого-гидрохимических показателей, точки отбора были выбраны, как в глубоководных частях озер, так и на мелководье. Морфометрические характеристики озер оценивались по батиметрической съемке с помощью эхолота с координатной привязкой по GPS. Гидрологические исследования велись с применением погружного мультипара-метрического зонда Hydrolab MS5. В пробах воды проводили измерение рН, электропроводности, концентрации растворенного кислорода (О 2 ). Определение содержания минерального фосфора (РО 4 ^-), нитритного (NО 2 ^-), нитратного (NО 3 ^-) и аммонийного азота (NН 4 ⁺), общего фосфора (Р вал ) и азота (N вал ) проводились по стандартным методикам [1, 2]. Определение содержания форм железа проводили с о-фенантролином [3].

Изучена сезонная и пространственная динамика бактерио-, зоо- и фитопланктона озер. Определены численность, биомасса, обилие таксономических групп, доминирующие виды зоо- и фитопланктона исследуемых озер. Отбор проб воды для гидробиологических анализов и обработка фиксированных проб проводился по стандартным методикам [4]. Количественные пробы фитопланктона фиксировали раствором Люголя и концентрировали отстойным методом. Пробы зоопланктона отбирали сетью Апштейна (газ №74) и фиксировали формалином. Микробиологические исследования включали определение количества экологотрофических групп гетеротрофных бактерий (ГБ): эвтрофных (ЭБ) на рыбопептонном агаре, факультативно-олиготрофных (ФОБ) на среде Горбенко (РПА:10), олиготрофных (ОБ) на голодном агаре [4]. Определение интенсивности продукци-онно-деструкционных процессов проводилось стандартным методом Винберга [6]. Проведены также исследования количественных показателей анаэробных процессов (численность анаэробных СРБ на среде Постгейта [7], интенсивность процессов сульфатредукции [8], содержание метана в воде [5]) в озерах в сезонном аспекте. На рис. 1

представлены батиметрические карты озер. Особенности формирования гидролого-гидрохимических режимов озер обусловлены факторами, связанными с их морфометрическими и гидрографическими характеристиками. Исследуемые озера являются верховыми, относятся к сточным водоемам с низким коэффициентом условного водообмена и малым удельным водосбором [9, 10]. Оз. Масельгское и оз. Вильно относятся к малым озерам.

Рис. 1. Батиметрическая карта исследуемых озер Кенозерского парка: Масельгское (1), Вильно (2) и Лекшмозеро (3), шкала глубин 0 - 25 в метрах

Лекшмозеро (водосборный бассейн Белого моря) - второй по величине водоем на территории КНП и пятый на водосборе р. Онеги. Форма котловины близка к овальной. Береговая линия изрезана очень слабо. Дно ровное, без резких перепадов глубин. Район больших глубин вытянут в виде борозды, смещенной к восточному берегу.

Озеро Масельгское (водосборный бассейн Балтийского моря) - узкий по форме водоем со слабо изрезанной береговой линией, вытянутый в северо-западном направлении. Южная часть озера мелководна, наибольшие глубины расположены в северо-восточной и в относительно изолированной северо-западной частях озера. Для рельефа дна оз. Масельгского характерно чередование отмелей и понижений.

Озеро Вильно (водосборный бассейн Белого моря) примыкает к восточному берегу оз. Масельг-ского на расстоянии около 300 м. Озера разделены узкой каменистой грядой, являющейся водоразделом между бассейнами Белого и Балтийского морей. Дно озера плоское, без значительных понижений, с постепенным свалом глубин. Береговая линия развита слабо [10].

Исследуемые озера являются маломинерализованными с водами, относящимися к гидрокарбо-натному классу кальциевой группы. Активная реакция среды водных экосистем характеризуется в основном, как нейтральная. По термическому режиму летней стратификации вод оз. Масельгское и оз. Лекшмозеро относятся к метатермическому, оз.

Вильно - к эпитермическому типам [10, 12]. В периоды зимней и летней стагнации вод в 2009 г. характер распределения гидролого-гидрохимических параметров сходен с 2007-2008 гг. [9, 11, 12] с небольшими вариациями. На рис. 2 представлены основные гидролого-гидрохимические параметры глубоководных станций оз. Масельгского (станция MG) и оз. Лекшмозера (станция L). В эти периоды в глубоководных зонах наблюдаются выраженные послойные неоднородности в содержании растворенного кислорода. На глубоководных станциях оз. Лекшмозера и оз. Масельгского содержание растворенного кислорода обуславливается вертикальным профилем температуры воды и формированием скачка ее плотности (рис. 2а, б). На оз. Вильно и на литорали оз. Масельгского и оз. Лек-шмозера наблюдается гомотермия, содержание растворенного кислорода изменяется незначительно от поверхностного к придонному горизонту [10]. В весенний период 2009 г. в оз. Лекшмозере и оз. Вильно отмечалось однородное распределение по вертикали гидролого-гидрохимических элементов. В глубоководной части оз. Масельгского не произошло полного перемешивания водных масс до дна, в связи с этим в придонном слое наблюдался выраженный градиент гидролого-гидрохимических параметров. В осенний период 2009 г. интенсивное перемешивание вод сформировало ква-зиоднородное распределение гидролого-гидрохимических элементов по вертикали во всех озерах.

Рис. 2. Гидролого-гидрохимические параметры глубоководных станций оз. Масельгского (станция MG) и оз. Лекшмозера (станция L)

Содержание биогенных элементов является одним из важных факторов для оценки состояния и функционирования водных экосистем. Биогенные элементы активно участвуют в биопродукционных процессах, определяют интенсивность формирования первичных продуктов и трофность водоемов. Важнейшими из них являются фосфор и азот. Значения средневзвешенных концентраций общего азота и фосфора колеблются в пределах, характерных для мезотрофных водоемов и представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно [13].

В середине мая и начале ноября, в периоды перемешивания вод, в основном количественные показатели различных форм азота и фосфора выровнены по профилю глубин, кроме глубоководной части оз. Масельгского, где в мае сохранилась стратификация вод и характер распределения концентраций сходен с зимним (начало марта) и летним (середина июля) периодами. Характер распределения концентраций различных форм азота в водной толще в периоды стратификаций для глубоководных станций оз. Масельгского и оз. Лек-шмозера представлены на рис. 5.

Рис. 3. Средневзвешенные концентрации форм азота по объему воды в 2009 г.

Рис. 4. Средневзвешенные концентрации форм фосфора по объему воды в 2009 г.

Содержание РО₄^3- в эпилимнионе озер низкое, не превышает значения 15,9 мкгP/л, увеличиваясь в придонных горизонтах глубоководных озер до 61,5 мкгP/л. Распределение по глубинам соединений фосфора и железа на глубоководных точках во время стратификации вод сходно с распределением соединений азота [12]. Минимальному содержанию РО 4 ^3- в поверхностном горизонте соответствуют минимальные концентрации Fe общ. (содержание желе-за в поверхностном горизонте не превышает 0,1-0,3 мг/л). Предельные концентрации восстановленного железа в воде оз. Масельгского на глубоководной реперной станции составляют 6,58,9 мг/л, окисленного – 0,6-0,7 мг/л. В оз. Вильно и оз. Лекшмозере также наблюдается преобладание восстановленных форм железа в придонном анаэробном слое (в оз. Лекшмозере Fe⁺² до 0,8 мг/л; воз. Вильно Fe⁺² до 0,6 мг/л). Преобладанию восстановленного железа и РО 4 ^3- способствуют анаэробные условия придонного слоя и благоприятные условия выхода железа и фосфора из донных отложений [12].

Проведенные исследования сезонной и пространственной динамики зоо- и фитопланктона исследуемых озер показали, что гидробионты представлены характерными для северо-запада видами. Зимой зооценозы имеют ярко выраженный копеподный характер, в планктонном сообществе доминируют циклопы, диатомусы, науплии и младшие копеподитные стадии. Численность и биомасса зоопланктона отличаются низкими величинами, так как большинство видов зоопланктонных организмов выпадает из сообщества. В весенний период отмечается увеличение разнообразия планктонных форм. В ценозах появляются теплолюбивые виды (р.р. Daphnia, Bosmina, Diaphanosoma, Thermocyclops, Bran-chionus). В мае в составе популяции отмечалась большая численность яйценосных самок, а также молоди – как у Copepoda, так и у Cladocera. По численности преобладают копеподы (55-67% общей численности). Заметная доля в формировании биомассы принадлежит коловраткам (24-44% общей биомассы) и веслоногим ракообразным (5169% общей биомассы). В составе планктона отмечены организмы двух трофических уровней – мирные и хищные формы. Доля фильтраторов в ценозе составляет 90% общей численности. Летний зоопланктон озер более разнообразен. По численности и биомассе доминируют ракообразные (копеподы и кладоцеры). Копеподы составляют более 50% общей численности планктона, на долю кладоцер приходится 30–35% общей численности. Ведущая роль в формировании биомассы зооценозов принадлежит копеподам (до 83%). На долю кладоцер приходится 17-63% от общей биомассы. Заметная доля в формировании биомассы принадлежит коловратке Asplanchna priodonta. Это крупный хищный вид, ее вклад в биомассу коловраток составляет до 95%. В оз. Лекшмозере общая биомасса зоопланктона составляла 0,9 г/м3, в оз. Ма-сельгском – 0,3г/м3, в оз. Вильно – до 0,5мг/м3. Для зооценозов характерно увеличение числа видов от весны к лету. Видовое разнообразие определяют ветвистоусые ракообразные (кладоцеры).

Зоопланктонные сообщества имеют теснейшую физиологическую связь с фитопланктоном, оказывающую влияние на функционирование экосистемы в целом. В исследованных озерах сезонные вариации фитопланктона в основном свидетельствуют об его наибольшей активности в весенний и летний периоды. Биомасса фитопланктона в мае и июле 2009 г. в фотическом слое водного столба для оз. Лекшмозера находилась в пределах 374-1049 и 356-720 мкг/л; для оз. Масельгского – 181-1003 и 394-700 мкг/л; для оз. Вильно – 50-129 и 1106-1846 мкг/л соответственно. Но в оз. Ма-сельгском и в период зимней стагнации фитопланктон находился в активном состоянии, достигая биомассы в фотическом слое до 647 мкг/л. А в оз. Лекшмозере наблюдались достаточно высокие значения (464-1839 мкг/л) в ноябре перед ледоставом. Летом доминировали по численности синезеленые водоросли (Aphanocapsa delicatissima W. et G.S.West); по биомассе преобладал комплекс таксонов диатомовых, криптофитовых, и зеле-ных водорослей. Зимой в основном превалировали диатомовые, весной основной комплекс включал диатомовые и динофитовые водоросли, осенью в оз. Лекшмозере доминировали диатомовые, а озерах Масельгском и Вильно – диатомовые и крип-тофитовые. Значения биомассы летнего фитопланктона позволяют определить трофический статус исследуемых озер как мезотрофный.

Рис. 5. Вертикальное распределение соотношения форм азота на глубоководных станциях в марте и июле 2009 г.

Соотношение продукционно-деструкцион-ных процессов служит важным интегральным показателем состояния экосистемы, количественно демонстрирующим результат взаимоотношений сообществ. Для озер Масельгское, Лекшмозеро, Вильно в подледный, весенний и летний периоды 2009 г. были изучены функциональные характеристики, включающие скорости образования и разложения органического вещества. Показатели продуцирования органического вещества согласуются со структурными параметрами фитопланктона. В глубоководных областях исследуемых озер, характеризующихся хорошо выраженной вертикальной стратификацией, продукционные процессы ограничены глубиной фотического слоя, с глубиной скорость образования ОВ фитопланктоном уменьшается. Зимой, в условиях подледного режима, процессы первичной продукции не высоки, составив 6,87 мгС/м3×сутки в оз. Масельгском, и не были отмечены в мелководном оз. Вильно. В весенний период с повышением температуры, началом активности фитопланктонного комплекса и поступлением аллохтонного органического вещества, продуцирование ОВ и его деструкция существенно активизировались. Так, в оз. Масельгском первичная продукция составила 39,31 мгС/м3×сутки в мае, аэробная деструкция ОВ возросла до 279,79 мгС/м3×сутки, в то время как в условиях подледного режима интенсив-ность процесса составила 11,29 мгС/м3×сутки. В летний период отмечено дальнейшее увеличение продуцирования ОВ. Так, в оз. Лекшмозере первичная продукция в весенний период составила 28,61 мгС/м3×сутки, увеличившись до 42,84 мгС/м3×сутки в летний период. Деструкция органического вещества была максимальна в весенний период (314,75 мгС/м3×сутки) и в летний период интенсивность процессов разложения ОВ составила 125,89 мгС/м3×сутки.

Роль бактериопланктона в аэробной деструкции варьировала в пределах 22-75% в зависимости от сезона и его роли в деструкции в конкретной экосистеме. В целом, бактерио-планктон проявлял деструкционную активность во всех озерах. Весной, с повышением температуры воды и поступлением аллохтонного органического вещества, бактериальная деградация ОВ повышалась. Максимальная аэробная деструкция ОВ была зафиксирована в оз. Лекшмозере. В оз. Масельгском, где выражен анаэробный слой, аэробная деструкция играет незначительную роль (22-54%). На развитие бактериопланктона в водных объектах значительно влияют пространственно-временные неоднородности процессов и явлений [11]. Значение имеют также морфометрические характеристики водного объекта, поступление аллохтонного ОВ с водосборной площади, интенсивность водообмена и ряд других гидрологических характеристик. Исследование количественного содержания различных эколого-трофических групп гетеротрофных бактерий в воде озер выявило их значительную сезонную вариабельность. Численность ЭБ, ФОБ и ОБ варьировала соответственно от 2 до 1970 КОЕ/мл, от 10 до 6320 КОЕ/мл и от 5 до 10800 КОЕ/мл в оз. Лекшмозере, от 40 до 680 КОЕ/мл, от 160 до 1230 КОЕ/мл и от 220 до 1740 КОЕ/мл в оз. Масельгском, от 50 до 4930 КОЕ/мл, от 220 до 4480 КОЕ/мл и от 100 до 6800 КОЕ/мл в оз. Вильно. Минимальные концентрации ГБ наблюдались в зимнюю межень в оз. Лекшмозере, где количество изученных эколого-трофических групп не превышало 60 КОЕ/мл. В период открытой воды численность гетеро-трофных бактерий в оз. Лекшмозере повысилась на 1-2 порядка (до 350-1970 КОЕ/мл). Полученные данные свидетельствуют об обеспеченности органическими соединениями различного происхождения экосистем озер и об активной самоочистительной деятельности гетеротрофного бактериопланктона. В соответствии с экологосанитарной классификацией качества поверхностных вод суши по показателю ГБ качество воды озер изменяется от разряда чистых до удовлетворительной чистоты в зависимости от сезона.

Исследования количественных показате-лей анаэробных процессов показало, что в озерах Лек-шмозеро и Вильно вследствие достаточного содержания кислорода по всей водной толще вклад анаэробных процессов в деструкцию органического вещества незначителен, о чем свидетельствуют низкие показатели численности сульфатредуциру-ющих бактерий в донных осадках этих озер (0-10 кл/мл) и невысокие концентрации метана (5,5625,71 мкл/л, 2,33-7,4 мкл/л соответственно) [14]. В донных осадках глубоководных районов оз. Ма-сельгского активно протекают процессы анаэробной дегра-дации ОВ (сульфатредукция и метаногенез), которые обусловлены, главным образом, внутриводоемными процессами. Здесь наблюдались наибольшие среди исследованных озер концентрации СРБ (10-10000 кл/мл), высокая интенсивность сульфатредукции (0,34-1,82 мгS/лxсут) [15].

Выводы: на основании проведенных в 2009 г. комплексных сезонных исследований экосистем озер Масельгского, Лекшмозера и Вильно, включающих в себя изучение прост-ранственно-временной динамики качественных и количественных характеристик планктонных сообществ, содержания основных биогенных веществ (Р и N), а также обобщения полученных авторами в 20072008 гг. данных [9] показали, что экологическое состояние изученных озер можно оценить как устойчивое. Трофический статус водоемов по основным гидрохимическим и гидробиологическим показателям определен как мезотрофный. Установлено, что видовое разнообразие фито- и зоо-планктонных сообществ озер КНП типично для северо-западного региона. Сообщества фито- и зоопланктона в периоды исследований находились в активном состоянии, в зависимости от сезона, реагируя на изменения биотических и абиотических условий среды обитания. В исследуемых озерах активно идут деструкционные процессы, среди которых доминируют аэробные, способствующие естест-венному самоочищению вод. Коэффициент соотношения интенсивности образования первичной продукции ОВ к его аэробной деструкции составил менее 1, варьируя в зависимости от сезона, что свидетельствует о том, что экосистемы находятся в относительно стабильном состоянии. Однако существует потенциальная уязвимость экосистем озер, обусловленная невысокой буферной емкостью вод. В глубоководных районах оз. Масель-гского, где в периоды стратификации выражен анаэробный слой, аэробная деструкция играет незначительную роль (22-54%). В периоды стагнации в придонных горизонтах и донных осадках оз. Ма-сельгского активно протекают процессы анаэробной деградации ОВ (сульфатредукция и метаногенез). Кроме того, в придонных горизонтах глубоководных районов оз. Масельгского и оз. Лекшмо-зера, где в периоды стратификации формируются области дефицита кислорода, создаются благоприятные условия для поступления минеральных соединений фосфора, азота и восстановленных форм железа из донных отложений в водную толщу, что может оказать существенное влияние на изменение трофического статуса водоема.

Авторы признательны сотрудникам Института озероведения РАН г. Санкт-Петербурга, к.б.н. Павловой О.А. и Института водных проблем Севера КарНЦ РАН к.б.н. Чекрыжевой Т.А. за обработку проб фитопланктона.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки РФ грант № «2012-1.2.2-12-000-2007 -055» (соглашение 8768 от 4.10.2012 г.), программы президиума УрО Российской академии наук № 12-У-5-10340, проектов Молодые ученые УрО РАН 2009-2011 гг, Молодые ученые Поморья 2013 г.