Оценка трофического статуса субарктического озера Имандра

Озеро Имандра является самым большим водоемом Мурманской области, имеющим сложную морфологию с достаточно обширной водосборной территорией, на которой расположены крупнейшие населенные пункты и промышленные предприятия региона (рис.). Изначально по природным характеристикам водоем имел статус ультра-олиготрофного. Исследуемое озеро в течение длительного времени подвержено влиянию аэротехногенного загрязнения, стоков предприятий горнодобывающей и горнорудной промышленности, цветной металлургии, энергетики, транспорта. Кроме того, значителен вклад поступления бытовых сточных вод населенных пунктов [1]. В результате в озере накопилось значительное количество загрязняющих и биогенных веществ, что привело к изменениям в гидрохимическом режиме. Произошло перераспределение содержания основных ионов. Озеро Имандра в природном состоянии относилось к классу гидрокарбонатов, в 2000-х гг. соответствовало классу сульфатов. Существенно увеличилась минерализация водоема [2]. Также произошли серьезные изменения в гидрологическом режиме озера после строительства каскада Нивских ГЭС, приведших к зарегулированию стока и образованию водохранилища [2]. Одной из основных проблем в настоящее время является интенсификация эвтрофирования исследуемого водоема. Это подтверждается регулярным цветением потенциально-токсичных водорослей, в том числе и цианобактерий, сопровождающееся гибелью рыб [3].

Трофический статус водоема – это интегральная характеристика, определяемая множеством взаимосвязанных физико-химических и биологических процессов, происходящих в водной экосистеме [4]. Определение трофности водоема включает использование комплекса параметров (концентрация биогенных элементов, продуктивность фауны и флоры водоема, наличие кислорода, морфометрия озера), дополняющих друг друга, и является важным шагом в исследовании любого водоема [5]. К сожалению, использование такого количества параметров не всегда возможно. По этой причине был выбран индекс трофического состояния (Trophic State Index – TSI), благодаря которому возможно определение трофического состояния водоема по небольшому числу показателей. Определение трофии водоема по классификационным шкалам позволяет рассматривать этот показатель не только в современном состоянии, но и оценить его динамические изменения. Примером является нумерическая шкала, предложенная Р. Карлсоном (1977). В основу расчета трофического индекса Карлсона положены тесные корреляции между параметрами водоема: прозрачностью, содержанием хлорофилла а и общего фосфора [6].

Достоинство нумерических шкал состоит в условности численного выражения от 0 до 100 непрерывного ряда трофических состояний. Каждые 10 единиц в пределах этой системы представляют 1/2 увеличения в глубине диска Секки; около 1/3 увеличения концентрации хлорофилла; удвоение количества общего фосфора [7].

В 1981 г. Кратзер и Брезоник, пытаясь исследовать сезонную лимитированность азотом озер, внесли дополнительный параметр в расчет трофического индекса Карлсона, основанный на концентрации общего азота [8]. Увеличивающееся загрязнение окружающей среды приводит к изменениям в величине и качестве органического вещества, следовательно, общий органический углерод (ТОС) может быть использован как один из важнейших индикаторов продуктивности водоемов. В 2011 г. польский ученый Дунальска рассчитала трофический индекс, основанный на концентрации общего органического углерода (ТОС), что позволяет оценить метаболизм в экосистеме озера [9]. Индекс трофического состояния, предложенный Карлсоном (1977) и дополненный Кратзером и Брезоником (1981), не теряет своей актуальности и в настоящее время и довольно часто используется для характеристики водоемов [5; 10–12]. Цель данного исследования – оценить современный трофический статус озера Имандра с помощью трофического индекса (TSI) и проследить динамику изменений за более чем 20-летний период наблюдения, а также рассчитать величину критической фосфорной нагрузки.

Рис. Карта-схема расположения озера Имандра и основных промышленных предприятий Fig. Schematic map of location of Imandra Lake and major industrial enterprises

Материалы и методы

Озеро Имандра состоит из трех обособленных плесов: Большая Имандра, Йокостровская Имандра и Бабинская Имандра, соединяющихся между собой узкими проливами-салмами. Основные морфологические и гидрологические параметры исследуемых плесов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Морфометрические характеристики оз. Имандра [13]

Table 1. Morphometric characteristics of Imandra Lake

Показатель	плес Большая Имандра	плес Йокостровская Имандра	плес Бабинская Имандра	озеро Имандра
Длина по оси, км	54.7	44.6	21.4	109
Общая площадь, км 2	327.5	361.9	191.0	880.4
S зеркала, км 2	311.6	352.2	148.7	812.5
Макс. глубина, м	67	42	43.5	67
Средняя глубина, м	14.7	10.9	16.3	13.9
Объем воды, км 3	4.58	3.85	2.43	10.86
S водосбора, км 2	4992.5	6070	1237.5	12300

Отбор проб для гидрохимического анализа производился пластиковым батометром с поверхностного и придонного горизонтов. Химический анализ проб воды проводился в Центре коллективного пользования физико-химических методов анализа при ИППЭС КНЦ РАН согласно аккредитованным методикам. Определение основных биогенных элементов, использующихся в данной работе, осуществлялось следующими методами:

• -    общий азот – фотометрическим методом после окисления персульфатом калия;

• -    общий фосфор – фотометрическим методом после окисления персульфатом калия;

• -    общий органический углерод рассчитан на основе зависимости: ТОС = 0.764 × ПО + 1.55 [14], где ПО – перманганатная окисляемость, определяемая титриметрическим методом.

Анализ содержания хлорофилла а был проведен с использованием стандартных рекомендованных методик, принятых в практике гидробиологических исследований, по схеме, принятой в ИППЭС КНЦ РАН ¹ [15; 16]. Для определения концентрации хлорофиллов пробы воды объемом 1–2 л фильтровались через мембранный фильтр с диаметром пор 0.47 мкм. Экстракция хлорофиллов проводилась раствором ацетона (90 % ЧДА), оптическая плотность экстрактов измерялась на спектрофотометре Hitachi UV-VIS 181.

В данной работе для оценки трофического статуса плесов озера был использован трофический индекс состояния (TSI): формула 1 и 2 [6], формула 3 [8], формула 4 [9]. В качестве индикаторов трофического состояния использованы следующие переменные: среднегодовые содержания общего фосфора (ТР) – мкг/дм ³ , общего азота (TN) – мг/дм ³ , хлорофилла а (Chla) – мг/м ³ , концентрация общего органического углерода (ТОС) – мг/дм ³ . Расчет индексов производился по следующим формулам:

TSI (Chla) = 30.6 + 9.81 × Ln (Chla);(1)

TSI (TP) = 4.15 + 14.427 × Ln (TP);(2)

TSI (TN) = 54.45 + 14.43 × Ln (TN);(3)

TSI (TOC) = 20.59 + 15.71 × Ln (TOC).(4)

Согласно шкале (табл. 2) олиготрофному состоянию водоема соответствует величина TSI < 40, мезотрофному TSI = 40–50, эвтрофному – от 50 до 70, а гипертрофному – > 70.

Таблица 2. Трофический индекс и связанные с ним параметры [6; 8; 9]

Table 2. Trophic index and related parameters

Трофический уровень	Прозрачность, м	Общий фосфор ТР, мкг/дм 3	Хлорофилл а Chl a, мг/м 3	Общий азот, мг/дм 3	Общий органический углерод ТОС, мг/дм 3	TSI
Олиготрофный	> 4.0	< 12	< 2.6	< 0.37	< 3.4	< 40
Мезотрофный	2.0–4.0	12–24	2.6–6.4	0.37–0.74	3.4–6.5	40–50
Эвтрофный	0.5–2.0	24–96	6.4–55.5	0.74–2.94	6.5–23.2	50–70
Гиперэвтрофный	< 0.5	> 96	> 55.5	> 2.94	> 23.2	> 70

В работе использованы архивные данные за период 1991–1999 гг. и первичные данные, полученные в ходе полевых исследований в период 2000–2013 гг., представленные в табл. 3.

Таблица 3. Средние значения содержаний хлорофилла а (Chla, мг/м ³ ), общего фосфора (ТР, мкг/дм ³ ), общего азота (TN, мг/дм ³ ), общего органического углерода (ТОС, мг/дм ³ ) в плесах озера Имандра в различные годы

Table 3. The average contents of chlorophyll a (Chla, mg/m ³ ), total phosphorus (TP, ϻg/dm ³ ), total nitrogen (TN, mg/dm ³ ), total organic carbon (TOC, mg/dm ³ ) of Imandra Lake in different years

	Большая				Йокостровская				Бабинская
Периоды	Chl a	ТР	TN	ТОС	Chl a	ТР	TN	TOC	Chl a	ТР	TN	TOC
1991–1994	1.96	36	0.420	3.8	1.76	19	0.287	3.7	1.36	18	0.649	3.8
1995–2000	3.49	34	0.235	4.1	3.06	21	0.183	3.4	3.51	8	0.475	3.9
2001–2006	5.5	49	0.335	4.0	5.07	17	0.208	3.6	–	6	0.129	4.1
2009–2013	3.5	46	0.380	3.7	3.9	20	0.212	3.5	1.86	6	0.149	3.9

Результаты и обсуждение

В ходе исследования были проанализированы данные за период с 1991 по 2013 гг. и рассчитаны значения для каждого из рассматриваемых индексов с помощью формул (1–4). Исследуемый промежуток наблюдений был разбит на следующие периоды: 1991–1994 гг.; 1995–2000 гг.; 2001–2006 гг.; 2009–2013 гг.

Результаты расчетов по оценке трофического состояния исследованных плесов водоема приведены в табл. 4. Анализ результатов показал, что трофические индексы по параметрам TSI _Chl , TSI _TN , TSI _TP , TSI _TOC отличаются. Диапазон индекса TSI _Chl в исследуемых плесах за период наблюдения варьировал от 34 до 47. В случае индекса TSI _TN – от 25 до 48, а для TSI _TOC находился в диапазоне от 40 до 43. Значение индекса, рассчитанного на основании концентрации общего фосфора, было выше (для плесов Большая и Йокостровская Имандра), чем индексы, вычисленные на основе других параметров, и варьировало от 30 до 60. Аналогичные результаты получены для польских озер [5; 9]. Трофическое состояние плеса Большая Имандра по TSI Chl , TSI TN , TSI TOC можно охарактеризовать как мезотрофное, но по индексу общего фосфора TSI TP – как эвтрофное. Исследование по оценке зоопланктонных сообществ данного плеса: отмечали районы с мезотрофным и эвтрофным трофическим статусом [17]. Оценка трофии Йокостровской Имандры по индексу общего азота позволяет отнести плес к олиготрофному, но по остальным параметрам (TSI Chl , TSI TP , TSI TOC ) – мезотрофному типу. Плес Бабинская Имандра по TSI _Chl , TSI _TN , TSI _TP характеризуется как олиготрофный водоем, по TSI _TOC – как мезотрофный. При рассмотрении водорослевых сообществ этот плес в зависимости от сезонной выборки также характеризуют то как мезотрофный, то как олиготрофный водоем [18].

Такая вариабельность индексов, полученная в данном исследовании, затрудняет правильность понимания трофического состояния водоема. В этом случае нельзя опираться только на один из параметров, так как водоем – сложная система, требующая учета многих факторов.

Таблица 4. Динамика трофического состояния плесов озера Имандра Table 4. Dynamics of the trophic status of Imandra Lake

	Большая				Йокостровская				Бабинская
Периоды	TSI (Chl)	TSI (TP)	TSI (TN)	TSI (TOC)	TSI (Chl)	TSI (TP)	TSI (TN)	TSI (TOC)	TSI (Chl)	TSI (TP)	TSI (TN)	TSI (TOC)
1991–1994	37	56	42	42	36	47	36	41	34	46	48	42
1995–2000	43	55	34	43	42	48	30	40	43	34	44	42
2001–2006	47	60	39	42	47	45	32	41	–	30	25	43
2009–2013	43	59	40	41	44	47	32	40	37	30	27	42

Теоретически рассчитанные значения индексов должны быть одинаковыми. Вычитание из индекса TSI (Chl) других индексов TSI (TN или ТР) должно быть равно нулю или около него. На практике обычно индексы отличаются. Информация об отклонении между индексами может быть использована для оценки, какой из биогенных элементов выступает лимитирующим фактором. Были получены зависимости, при которых наступает тот или иной ограничивающий фактор [19].

Азотное лимитирование наступает при соблюдении следующих условий:

• 1)    TSI (Chl) - TSI (TN) >  0;

• 2)    TSI (TN) <  TSI (TP).

В свою очередь при соблюдении нижеприведенных условий рост фитопланктона будет ограничивать биогенный элемент – фосфор:

• 1)    TSI (Chl) - TSI (TP) >  0;

• 2)    TSI (TN) >  TSI (TP).

Для плеса Большая Имандра с 1995 по 2013 гг. и для плеса Йокостровская Имандра с 1991 по 2013 гг. согласно вышеприведенным условиям характерно азотное лимитирование; для плеса Бабинская Имандра до 2000 г. лимитирующим биогенным элементом являлся фосфор, но с 2001 по 2013 гг. ограничивающим компонентом стал азот. Цветению азотфиксирующих цианобактерий предшествует резкое снижение в эпилимнионе концентрации минерального азота, и этот элемент становится существенным сдерживающим фактором, влияющим на скорость роста других видов водорослей.

Поскольку фосфорный индекс TSI _TP значительно отличался от других рассчитанных индексов (TSI _Chl , TSI _TN , TSI _TOC ) в плесе Большая Имандра, а в Йокостровской Имандре имел более высокие значения, то следующим этапом исследования было решено провести оценку критической фосфорной нагрузки на плесы оз. Имандра. Зависимость трофического уровня водоема и количества поступающего в него фосфора позволяют проследить реакцию водоема, что проявляется в изменении положения водоема на трофической шкале. Согласно модели Фолленвайдера рассчитана величина фосфорной нагрузки ( L кр , гР/м ² ×год), позволяющая водоему оставаться в олиготрофном состоянии [20]. В качестве стандартного параметра используется средняя глубина водоема (Н _ср , м).

L кр = 0.025 × H с⁰р^.6 .

Результаты расчетов величин фосфорной нагрузки приведены в табл. 5.

Таблица 5. Величины критической фосфорной нагрузки для плесов оз. Имандра Table 5. The critical phosphorus load value for Imandra Lake

Плесы	Средняя глубина, Н ср , м	Площадь плесов, км 2	L кр , гР/м 2 ×год	Критическая нагрузка, тР/год
Большая	14.7	327.5	0.125	41
Йокостровская	10.9	361.9	0.105	38
Бабинская	16.3	191	0.133	25

Заключение

В ходе исследований установлено, что полученные результаты оценки трофического состояния водоема с помощью индекса трофического состояния хорошо согласуются с результатами, полученными другими исследователями с использованием других параметров. Согласно рассчитанным значениям индексов плес Большая Имандра занимает эвтрофно-мезотрофный трофический статус, плес Йокостровская Имандра можно охарактеризовать как мезотрофный. Плес Бабинская Имандра, испытывающий наименьшую биогенную нагрузку, близок к олиготрофному трофическому статусу, но из-за влияния промышленных, хозяйственнобытовых и подогретых вод КАЭС есть районы с мезотрофным состоянием. Поэтому данный плес также занимает переходное положение – с мезо-олиготрофным трофическим статусом.

В условиях значительных различий трофических индексов Карлсоном рекомендовано использовать для оценки трофического состояния индекс хлорофилла (TSI Chl ), так как он основан непосредственно на биомассе водорослей. Однако много трофических моделей озер основаны на измерении концентрации фосфора в водной толще водоема. Поэтому недооценивать трофический индекс TSI _TP при изучении трофического состояния озера, в сравнении с TSI Chl было бы ошибочно. Особенно влияние фосфорной нагрузки необходимо учитывать для чувствительных олиготрофных озер. На примере крупнейшего субарктического водоема оз. Имандра с использованием расчетной модели Фолленвайдера было установлено, что для снижения трофии исследуемых водоемов критическая фосфорная нагрузка для плеса Большая Имандра не должна превышать 41 тонн/год, для Йокостровской – 34 тонн/год, для Бабинской Имандры – 22 тонн/год.

Использование индекса на основе содержания общего органического углерода также необходимо учитывать при изучении трофического состояния озера. Он позволяет оценить уровень обмена веществ и энергии в экосистеме водоема. На примере исследованного плеса Бабинская Имандра в современном состоянии, являющегося по основным гидробиологическим и гидрохимическим параметрам олиготрофным водоемом, показано, что оно по содержанию органического вещества является мезотрофным.

Таким образом, авторы рекомендуют использовать индекс TSI Chl для оценки продуктивности водоема, TSI _TOC – для контроля метаболических процессов в экосистеме озера, а TSI _TP и TSI _TN – для выявления лимитирующего фактора развития водорослевых сообществ. Использование всех перечисленных индексов позволяет анализировать как кратковременные, так и долгосрочные изменения трофических условий в озере.

Полученные результаты показали необходимость контроля поступления биогенных веществ и важность дальнейших наблюдений за происходящими в этих плесах гидрохимическими и гидробиологическими процессами. Для снижения трофического статуса водоемов Большой и Йокостровской Имандры необходима обязательная доочистка поступающих в эти объекты коммунально-бытовых и промышленных стоков.

Выражаем благодарность сотрудникам лаборатории № 22 водных экосистем Центра коллективного пользования физико-химических методов анализа при Институте проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН.