Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Динамика содержания растворенных газов и биогенных элементов в воде открытой литорали озера Байкал

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Динамика содержания растворенных газов и биогенных элементов в воде открытой литорали озера Байкал"

005014635

САКИРКО Мария Владимировна

Динамика содержания растворенных газов и биогенных элементов в воде открытой литорали озера Байкал

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 5 20 ¡2

Санкт-Петербург - 2012

005014635

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Лимнологическом институте Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель кандидат географических наук

Домышева Валентина Михайловна

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор химических наук, профессор кафедры экологии ФГБОУ ВПО РГГМУ

Фрумин Григорий Тевелевич

кандидат географических наук, и.о. зав. лаборатории гидрохимии и экотоксикологии ФГБУН ИНОЗ РАН, Санкт-Петербург Игнатьева Наталья Викторовна

Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится « 29 » марта 2012 г. в 12 час. на заседании диссертационного совета Д 002.064.01 при Федеральном Государственном Бюджетном Учреждении науки Институте озероведения Российской академии наук по адресу: 196105, Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9, lake@limno.org.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального Государственного Бюджетного Учреждения науки Института озероведения Российской академии наук.

Автореферат разослан «_» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.064.01,

кандидат военных наук у В.Ю. Цветков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Озеро Байкал, расположенное в Восточной Сибири, является самым древним (25 млн. лет), глубоким (1637 м) и крупным резервуаром чистой, пресной воды на планете. (23 тыс. км3). Озеро внесено в список Участков Мирового Наследия и имеет важное стратегическое значение как крупнейший источник питьевой воды. Тенденция увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере и повышения приземной температуры, наблюдающаяся в последние десятилетия, может привести к изменению динамики биогенных элементов, климатическим и прочим изменениям. Отклик на изменения климата будет виден, в первую очередь, в литорали озера Байкал.

Литоральная зона занимает около 7% площади водного зеркала (Фиалков, 1983), но оказывает значительное влияние на функционирование экосистемы озера. Гидрохимическим исследованиям литорали озера Байкал посвящены многие работы (Яснитский, 1930; Бочкарев, 1947, Верещагин, 1927; Вотинцев, 1961; Мизандронцев, 2002, 2003). Однако вопрос о процессах, происходящих в зоне контакта различных природных комплексов — наземного и водного, остается недостаточно изученным. Именно литораль характеризуется большим разнообразием гидрологических и биологических процессов, здесь сказывается влияние водосбора. Первичная продукция литоральной зоны вносит ощутимый вклад в общую продукцию озера, несмотря на меньшую площадь. До начала наших работ в Байкальском регионе измерения углекислого газа в атмосфере практически отсутствовали, а для оценки потока СОг в системе вода-атмосфера использовались значения средней фоновой планетарной концентрации газа. В тоже время ранее полученные результаты по газообмену водной поверхности Байкала с атмосферой (Мизандронцев, 1995, 1996), послужили нам методической основой для правильной постановки исследований.

Расширение информации о временной динамике биогенных элементов и растворенных газов в открытой литорали озера на современном этапе важно для более полной гидрохимической характеристики Байкала, для изучения озерных процессов, связанных с режимом биогенных элементов, для

выявления преобладающего направления потока углекислого газа. Повышение антропогенной нагрузки в условиях активного развития туризма на Байкальской природной территории может отразиться на качестве воды литорали озера, как основного источника водоснабжения населенных пунктов. Исследование этого круга проблем и определяет актуальность настоящей работы.

Цель работы состояла в исследовании временной динамики растворенных газов и биогенных элементов, особенностей их режима в открытой литорали озера Байкал, а также оценке преобладающего направления потоков углекислого газа в системе вода-атмосфера на современном этапе.

Для ее достижения были поставлены следующие задачи:

• провести систематические исследования временной динамики величины рН, концентрации биогенных элементов, растворенных газов в воде открытой литорали озера, содержания углекислого газа в приводной атмосфере и определить закономерности их суточной, сезонной и межгодовой динамики;

• оценить влияние атмосферных осадков и ветрового воздействия на ритмы суточной изменчивости исследуемых характеристик и на процесс газообмена С02 с атмосферой;

• на основе данных о содержании углекислого газа в воде озера и приводной атмосфере оценить преобладающее направление потока С02 в открытой литорали Байкала;

• провести синхронные наблюдения в открытой литорали и в пелагиали озера за суточным ходом содержания растворенных газов, биогенных элементов в воде, концентрации углекислого газа в приводной атмосфере и направления его потока в системе вода - атмосфера.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

• изучены ритмы суточного хода биогенных элементов и растворенных газов с одновременными измерениями углекислого газа в приводной атмосфере непосредственно над местом исследования в литорали озера;

• показаны сезонные и межгодовые различия суточных ритмов содержания исследуемых компонентов в поверхностной воде литорали;

• уточнена зависимость между внутрисуточной динамикой содержания биогенных элементов, растворенных газов и количественными показателями фитопланктона;

• экспериментально показано, что выпадение атмосферных осадков на поверхность воды Байкала способствует росту концентрации нитратов и выделению углекислого газа из поверхностного слоя воды в атмосферу;

• по натурным данным оценено преобладающее направление потоков углекислого газа в открытой литорали озера;

• выявлены различия суточных ритмов содержания исследуемых компонентов в поверхностной воде литорали и пелагиали озера.

Практическая значимость. Основные результаты работы могут быть использованы при планировании и разработке оптимальных методик мониторинговых исследований состояния вод озера Байкал. Полученные количественные данные многолетних натурных наблюдений могут служить опорными фоновыми величинами при проведении оценок качества воды в условиях возрастающей антропогенной нагрузки в связи с интенсивным хозяйственным и туристическим развитием Байкальского региона. Они также важны для оценки величины и направления потока углекислого газа на границе раздела между водой озера Байкал и атмосферой в рамках активности по реализации Киотского протокола и последующих международных соглашений. Основные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

1. В открытой литорали Байкала суточный ход содержания биогенных элементов характерен для всех сезонов года. Сезонные особенности концентрации биогенных элементов, растворенных в воде углекислого газа и кислорода, наиболее сильно проявляются в амплитудах суточных ритмов. Внутригодовое изменение концентраций и амплитуд суточного хода исследуемых характеристик значительно превышает их межгодовые вариации.

2. Влияние внешних факторов (ветровое перемешивание, выпадение атмосферных осадков на поверхность воды озера Байкал) приводит к

кратковременному изменению содержания биогенных элементов и повышению концентрации углекислого газа.

3. По данным измеренных in situ содержаний углекислого газа в воде озера и приводной атмосфере осуществлена оценка направления потоков С02. В период открытой воды поглощение углекислого газа поверхностью литорали Южного Байкала преобладает над его выходом в атмосферу.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы; изложена на 150 страницах, иллюстрирована 68 рисунками и 9 таблицами. Библиографический список содержит 175 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность к.г.н. В.М. Домышевой за научное руководство, д.г.н. Т.В. Ходжер, д.г.н. И.Б. Мизандронцеву, д.б.н. H.A. Бондаренко, к.б.н. О.И. Белых, к.б.н. Г.В. Помазкиной, сотрудникам лаборатории гидрохимии и химии атмосферы ЛИН СО РАН за содействие в выполнении исследований и помощь при оформлении диссертационной работы, коллегам из Института Оптики атмосферы СО РАН им. В.Е. Зуева д.ф.-м.н. М.В. Панченко и к.т.н. Д.А. Пестунову за оказанную помощь при выполнении работ и обсуждении результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, выдвинута основная цель работы и поставлены задачи, оценена новизна и практическая значимость исследований, сформулированы основные защищаемые положения.

В первой главе рассмотрена история изучения суточной динамики содержания кислорода, углекислого газа и величины pH в воде Байкала. Обсуждены выявленные ранее закономерности временных изменений концентрации растворенных газов и биогенных элементов, отмечено, что исследование динамики биогенных элементов привело к выводу об отсутствии суточного хода их содержания. Описаны особенности литоральной зоны водоема. Под литоральной зоной понимают прибрежную часть водоема, простирающуюся от уреза воды до нижней границы распространения высших водных растений, включая как дно водоема, так и собственно водную массу,

расположенную над ним. Литораль, больше чем другие зоны озера, испытывает динамическое воздействие водных масс, отражающееся на протекании химических, физических и биологических процессов в водоеме. Здесь создаются особые температурные условия, характеризующиеся большой амплитудой суточных и сезонных колебаний температуры воды. Данная зона не испытывает недостатка в инсоляции и отличается от пелагиапи более высокими количественными характеристиками фитопланктона, присутствием фитобентоса, макрофитов, высшей водной растительности и, как следствие, высокой интенсивностью продукционно-деструкционных процессов.

Рассмотрен процесс газообмена и описаны различные методы расчета потока газов в системе вода - атмосфера, в том числе и на озере Байкал.

Во второй главе дана краткая физико-географическая характеристика района исследования, представлена карта-схема. Измерения проводились на территории Прибайкальского национального парка на западном побережье Южного Байкала в районе пос. Большие Коты. Район исследований с малой плотностью населения и отсутствием автотранспорта может рассматриваться, как фоновый, что подтверждается данными серий измерений аэрозольно-газовых характеристик атмосферы (Хеджер, 1996). Характерное вдольбереговое циркуляционное течение в Байкале со скоростью 0,6-0,7 м/с в период открытой воды (Верболов, 1977) позволяет допустить, что результаты измерений, полученные в месте исследования, регистрируют обобщенную картину для достаточно обширной по протяженности территории литорали озера (Мизандронцев, 2002).

Исходя из целей исследования, была определена методика гидрохимических работ. Во всех наблюдениях длительностью 10-14 дней каждые 3 часа проводилось измерение величины рН, содержания кислорода, углекислого газа, гидрокарбонатов, нитратов, фосфатов и кремния, а также непрерывно фиксировались метеорологические параметры. Описан контроль качества полученных данных, который соответствует требованиям, предъявляемым аккредитованным в СААЛ лабораториям. За период

исследований с 2003 г. по 2011 г. в разные сезоны (табл. 1) отобрано около 2 тыс. проб, выполнено около 14 тыс. анализов.

Таблица 1

Список измерительных циклов

Год Месяц Год Месяц Год Месяц

2003 VIII, X 2006 II, VII, XII 2009 И, VI, IX, XII

2004 III, VI, IX 2007 И, VI, VIII, XII 2010 III -VII, 1Х-ХН

2005 III, V, VIII, XII 2008 II, VI, VIII, XII 2011 IV, V

Третья глава посвящена исследованию временной динамики содержания растворенных газов и биогенных элементов в воде литорали озера Байкал. Подробно рассмотрена их суточная, сезонная и межгодовая динамика.

Анализ данных показал, что за период измерений с 2003 г. содержание кислорода в воде литорали Байкала изменялось от 9,2 до 16,5 мг/дм3, что сопоставимо с результатами ранее проведенных исследований (Вотинцев, 1961). Суточная динамика содержания растворенного 02 наблюдается во все сезоны года. Снижение концентрации кислорода в течение суток регистрируется в утренние часы, рост его содержания в послеполуденное время (рис.1).

По данным наблюдений содержание углекислого газа в воде литорали изменялось от 0,07 до 3,15 мг/дм3. Изменения величины рН, концентрации углекислого газа (рис. 1) в воде литорали оз. Байкал имеют хорошо выраженный суточный ритм. На вторую половину дня приходится максимум рН и минимум концентрации углекислого газа, в ранние утренние часы величина рН минимальна, а содержание С02 максимально.

Концентрация нитратов в воде литорали озера в период исследований изменялась в пределах 0,01-0,48 мг/дм3, фосфатов - 0,001-0,058 мг/дм3, кремния - 0,29-0,95 мг/дм3. Впервые показано наличие суточного хода содержания биогенных элементов. Концентрация нитратов и фосфатов имеет четкий суточный ритм во все сезоны года, содержание кремния - в периоды развития диатомовых водорослей (рис. 2).

- концентрация 02 -о-насыщение О

£ А о

МЩ

^40 130

120 £<

по 5

9,2

— • —величина рН —концентрация С02

Ж8 с.

К 1

г

5

1001 58.0

и 03

90 я

7,6

3

2 О

^ и

• ! и 3 X о V

27Зип 28 ЗиЛ 29Зип 30 Зип 1 3и1 2Ли1 ЗЫ 4Зи]

27 Лип 28 Зил 29 Зип 30 Зип 1 3и1 2 Зи| 3 Зи| 4 3и1 2008

Рис. 1. Суточная изменчивость концентрации и насыщения кислорода, углекислого газа и величины рН в июне-июле 2008 г.

Главным фактором, определяющим суточные колебания концентрации биогенных элементов и растворенных в воде газов, служат процессы фотосинтеза и деструкции органического вещества. Результаты наблюдений убедительно доказывают, что в суточной динамике превалирующим является биологический фактор (рис. 3).

0 1 —•— кремнии - нитраты

0,6 ' 0,5

5 0,4 3 0,2

г 0,1

о И

—*— фосфаты

общая биомасса

£ Я и>

0,005 я 1. 0,015

О я

И 8 0,010

11 <]ип

12 Лии 2004 13 Лип

Рис. 2. Суточная изменчивость концентрации фосфатов, нитратов и кремния в июне 2004 г.

Рис. 3. Суточная изменчивость концентрации фосфатов, нитратов и общей биомассы фитопланктона в июне 2004 г.

При рассмотрении сезонной динамики исследуемых компонентов обсуждено разбиение на сезоны как по биологическим (Кожов, 1962), так и по гидрологическим признакам (Шимараев, 1977). Гидрологические и биологические ритмы коррелированы между собой, но имеют свой внутренний сезонный ход и межгодовую изменчивость. Это определяет условность разбиения данных наблюдений по сезонам. В январе на Южном Байкале, как

12 15 18 21

NOj

правило, устанавливается ледовый покров с толщиной льда в месте исследования 60 - 110 см и глубиной снежного покрова, не превышающей 20 см. В подледный период (февраль - начало апреля) концентрация кислорода варьировала в интервале 13-15 мг/дм3, насыщение воды 02 составляло 97-110%.

Содержание СОг изменялось в пределах 0,12 -2,33 мг/дм3, N03" 0,24-0,41 мг/дм3, Р043" - от 0,024 до 0,058 мг/дм3, Si - от 0,47 до 0,85 мг/дм3.

Содержание кислорода и насыщение им воды повышалось, а углекислого газа снижалось по сравнению с предледоставным периодом. Ледовый покров препятствует газообмену с атмосферой, следовательно, к таким изменениям в концентрации растворенных газов в зимний период мог, вероятнее всего, привести начавший процесс фотосинтеза подледного фитопланктона. В феврале амплитуда суточных изменений концентрации 02, СОг и N03" в поверхностной воде небольшая. Изменения содержания Р043" и Si в течение суток незначительны (рис. 4). Активное таяние снежного покрова, льда озера и поступление в лунку для отбора проб талой воды в марте 2005 г. отразилось на содержании исследуемых компонентов и привело к искажению их суточного хода.

Весенний период, начинающийся со вскрытием льда в мае и продолжающийся до конца июня, совпадает со временем годового максимума солнечной радиации. Быстрый прогрев поверхностных вод, завершение вегетации подледного комплекса диатомовых и развитие других видов водорослей, определяет

II

6 9 12 15 18 21 POjJ

Hi!

6 9 12 15 18 21 В фев.07 В феВ-08 □ фса.09

■ мэр.05 dijx.-B.06

Рис. 4. Среднесуточный ход концентраций кислорода, нитратов, углекислого газа, и фосфатов в подледный

СгЗ май Г-гп " О,

а 0.15

0 3 6 9 12 15 18 21 Времи. час

Рис. 5. Среднесуточный

динамику концентраций растворенных газов и биогенных элементов внутри этого сезона. Среднесуточное содержание кислорода в поверхностной воде максимально в мае и снижается к июню (май - 12,64 мг/дм3, июнь -12,33 мг/дм3), величина амплитуды суточных изменений возрастает от мая к июню в 4 раза (рис. 5).

Среднесуточная концентрация С02 также постепенно снижается от мая (1,23 мг/дм3) к июню (1,05 мг/дм3), N03" - от 0,25 мг/дм3 до 0,22 мг/дм3, а величина амплитуды их суточных изменений возрастает в 1,5 раза. Изменение концентрации фосфатов и величины их амплитуд в течение суток аналогично динамике содержания нитратов в этот период. Завершение вегетации подледного комплекса диатомовых водорослей обеспечивает выраженный суточный ход кремния весной. Время наступления экстремумов содержания исследуемых компонентов 3-6 и 18-21 час.

Летний период на Байкале длится с июля до середины сентября. Для этого времени характерны максимальный прогрев воды и разнообразие видового состава водорослей (пик в их развитии в конце июля - августе, в

ход концентрации

кислорода, углекислого газа, нитратов, фосфатов и кремния в весенний период

основном, за счет пикопланктонных водорослей) (Помазкина, 2010), что обуславливает значительные изменения в содержании биогенных элементов и растворенных газов. Летом минимум абсолютных концентраций 02 приходится на август, насыщение им воды максимально в июле и снижается к сентябрю. Содержание С02 уменьшается от июля к августу и возрастает в начале

В5 июль ЕЗ август GE3 сентябрь — среднее

о,

сентября. Суточный ход 02 и С02 в поверхностном слое воды отчетливо выражен (рис. 6). Размах концентрации 02 за сутки составляет 0,4-0,8 мг/дм3, концентрации С02 - 0,3-0,8 мг/дм3. Время наступления экстремумов

концентрации 3-6 и 15-18 часов. Суточные колебания концентрации 02 и С02, обусловлены единым механизмом, главным образом, биологическим фактором (рис. 7). Выявлено, что в течение суток происходит не только количественное изменение фитопланктона, но и существенная перестройка его фотосинтетической активности. Как видно из данных, представленных на рис. 7, активное поглощение С02 водорослями приводит к тому, что его поток из атмосферы не успевает компенсировать его расход, содержание С02 в верхнем слое воды значительно снижается и вынуждает фитопланктон снизить свою

фотосинтетическую активность.

Содержание биогенных элементов от июля к августу уменьшается (рис. 6), возможно даже их полное поглощение фитопланктоном и фитобентосом. В свою Рис. 6. Среднесуточный ход очередь, низкие концентрации биогенных концентрации кислорода, элементов также ограничивают дальнейшее углекислого газа, нитратов и развитие водорослей. К середине сентября фосфатов в поверхностной количество нитратов и фосфатов возрастает за счет минерализации их из детрита. Суточная динамика содержания N03~ и Р043" в августе и начале сентября выражена слабо, лишь в отдельные дни отмечены закономерные суточные изменения, но различия между

12 15 18 21

-КФА

максимальными и минимальными значениями по критерию Стьюдента значимы с вероятностью не менее 95%.

— о—, Биомасса, р400 -350

-зоо"г

и 3

■250 &

0,81

200 ■ I

150

Рис. 7. Суточный ход концентрации С02, коэффициента фотосинтетической активности и биомассы водорослей, сентябрь 2004 г.

3. 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 24:00 04:0'

10 сентября 2004

К осени относится период со второй половины сентября по декабрь включительно. В сентябре и октябре происходит значительное снижение температуры, завершается вегетация летнего комплекса водорослей, но видовой состав их еще весьма разнообразен, в ноябре и декабре в незначительном количестве развивается осенний диатомовый фитопланктон (Бондаренко, 2009).

Снижение активности процесса фотосинтеза осенью могло бы привести к уменьшению концентрации кислорода, но рост растворимости газов при охлаждении воды обуславливает увеличение его содержания от месяца к месяцу. Рост содержания С02, N03", Р043\ и и снижение насыщения воды 02 обусловлено двумя процессами. Во-первых, осенью (в конце октября - ноябре) в пелагиали происходит подъем глубинных обогащенных биогенными элементами вод, которые внедряются в литораль в условиях активного ветрового перемешивания. Во-вторых, несмотря на низкую температуру воды, происходит минерализация органического вещества, продуцированного летом.

В декабре перед становлением льда среднесуточное содержание всех исследуемых компонентов максимально: N03" - до 0,38 мг/дм3, Р043" - до 0,038 мг/дм3, С02 - до 1,57 мг/дм3. В результате снижения температуры воды (2,5-0,5°С) абсолютные концентрации 02 возрастают до 12,11 мг/дм3, насыщение им воды снижается (около 90%). Суточный ход, как растворенных газов, так и биогенных элементов прослеживается на протяжении всего осеннего периода, амплитуды их суточных изменений уменьшаются от сентября к декабрю. Время

наступления экстремальных значений концентраций сдвигается к концу осени на 9 и 15 часов, что связано с сезонным сокращением продолжительности инсоляции.

Сезонную изменчивость суточного хода отчетливо видно при анализе нормированных значений концентраций исследуемых компонентов (каждое измеренное внутри данных суток значение нормируется на соответствующее среднесуточное значение и усредняется за сезон). Анализ нормированных данных показал, что весной размах суточного хода биогенных элементов и растворенных газов максимальный и составляет 10% для 02, 106% для С02, 38% для Ы03" и 24% для Р043". Минимальный размах наблюдается в зимний (подледный) период: до 1% для кислорода, 12% для С02, 3% для Ы03* и около 8% для Р043". Суточный ход концентрации отчетливо выражен только в весенний период и амплитуда его изменений составляет 11% от среднесуточного значения. Отметим, что низкие концентрации нитратов и фосфатов в литорали в летний период при нормировке на среднесуточное значение дают достаточно большой разброс значений до 20%, иногда и более. Влияние перемешивания вод при волнении, а особенно принос вод с пелагиали озера при низких концентрациях N03" и Р043" обуславливает хаотичное изменение суточного хода в отдельные летние дни.

Вертикальное распределение концентрации биогенных элементов и растворенных газов в литоральной зоне неоднородно. Основным фактором неоднородности является неравномерное распределение водорослей по глубине, важную роль также играют интенсивность инсоляции и волнение водной поверхности, ледовый покров. Суточный ход концентрации С02, 02, ЫОз' и Р043' в литорали прослеживается четко на всех глубинах, включая

придонные слои озера.

Внутригодовой ход содержания биогенных элементов (по среднемесячным значениям) характеризуется максимумом в декабре, что связано с поступлением вод с пелагиали, где уже произошел подъем глубинных вод Байкала, а также с минерализацией органического вещества (рис. 8). Минимум концентраций биогенных элементов отмечается в августе. Обратим

внимание, что, если изменение содержания 02 и С02 в течение суток противоположно, то годовой ход их концентрации одинаков, что обусловлено изменением растворимости газов с изменением температуры.

140 ^ Для кислорода максимум содержания по о регистрируется в феврале - марте в период

110 к

1И) | подледного развития водорослей. Насыщение

90 = им воды возрастает от февраля к июню, затем 80

происходит его снижение к декабрю.

В отличие от годовой динамики концентрации биогенных элементов и растворенных газов в пелагиали (Вотинцев, 1961), в литорали озера отсутствует второй максимум содержания этих компонентов в июле. Июльский пик в пелагиали (Вотинцев, 1961), обусловлен завершением вегетации подледного комплекса и не начавшимся еще развитием летних видов водорослей. В литорали активное развитие бентосных и п ш IV V VI VII\™ 1х х хГхп планктонных водорослей (Бондаренко, 2009)

приводит к интенсивному потреблению биогенных элементов и углекислого газа, а рост температуры воды вызывает снижение концентрации растворенных газов в июле.

Очевидно, что комплекс

погодных,

и III IV V VI VIIVIII IX X XI XII

А

о

" 0.8

^ 0.02

I

I I

I

» 0.00 а

5,0.01

II III IV V VI \Г[1У1П IX X XI XII

Рис. 8. Ход среднемесячных взаимодействующих значений концентраций 02 Т\'03" биологических и гидрологических факторов, С02, и Р043" в поверхностной определяющих внутригодовой ход воде литорали оз. Байкал содержания биогенных элементов и

растворенных газов воде литорали, должен испытывать и определенные межгодовые изменения. Анализ межгодовой динамики по нормированным на среднесуточное значение величинам

концентраций (рис. 9) показывает, что в каждый из месяцев величина суточных изменений больше межгодовых различий суточного хода.

углекислого газа (Б) и нитратов (В) в разные месяцы

Межгодовая изменчивость не сказывается на характерных особенностях суточного хода, присущего данному периоду. Так, например, для максимальной амплитуды суточного хода СОг в июне среднемноголетнее значение - 1,4, среднеквадратичное отклонение - 0,39, в августе среднемноголетнее значение -0,86 и среднеквадратичное отклонение - 0,28. Сделанные по критерию Стьюдента оценки показывают, что вероятность различия этих характеристик в сравнительно близкие по времени сезоны превышает 95%. Отсутствие значимых различий в суточном ходе разных лет служит определенным подтверждением устойчивости и воспроизводимости исследуемых процессов. Этот факт дает возможность заключить, что внутригодовой ход изменения концентраций биогенных элементов и растворенных газов в поверхностной воде превалирует над наблюдаемыми межгодовыми различиями.

В четвертой главе обсуждаются внешние факторы, влияющие на изменчивость химического состава поверхностной воды.

Показано, что внедрение вод с пелагиали озера, а также ветровое перемешивание приводят к временному искажению суточных ритмов биогенных элементов и растворенных газов в поверхностной воде литорали (рис. 10). Сбой суточного ритма наблюдается в дневное время, когда верхний слой воды литорали обеднен N03", РО43" и С02, и обогащен 02 по сравнению с водой пелагиали озера.

Рис. 10. Изменение скорости ветра и содержания растворенного

кислорода, углекислого газа, фосфатов и нитратов в поверхностной воде в сентябре 2009 г.

Выпадение атмосферных осадков влияет на химический состав поверхностной воды. На основе натурных измерений выявлено, что при выпадении на водную поверхность озера значительного количества дождевой воды с величиной рН 5,6 ед. и ниже (Нецветаева, 2004), в результате сдвига карбонатного равновесия в тонком поверхностном слое воды озера происходит достаточно быстрое увеличение концентрации С02. Так, в июне 2004 г. весь период измерений наблюдался четкий ритм суточного хода всех исследуемых компонентов в поверхностной воде. Выпадение осадков в ночь с 13 на 14 июня, совпало с естественным суточным ростом концентрации С02, заметно не повлияло на его содержание в воде, но сдвинуло время экстремума. Поток С02 в атмосферу в это время возрос в несколько раз.

Подобное воздействие оказывает и выпадение снега. Снегопад в октябре 2003 г. увеличил содержание С02 в воде от 2 до 4,5 мг/дм3 и изменил амплитуду его суточных колебаний (рис. 11). Заметно увеличилась средняя концентрация С02 в приводном слое атмосферы и более сильно в полупогруженной камере, которая используется для измерения потоков газа

.0,15 "г

С!

.0,10^

20.09.2009 21.09.2009 22.09.2009 23.09.

между поверхность воды и атмосферой (рис.12) (Домышева, 2004; Домышева, 2007).

Рис. 11. Временной ход концентрации Рис. 12. Временной ход концентрации С02, 02, N03", рН в поверхностной С02 в приводной атмосфере и в воде, октябрь 2003 г. (период осадков камере, октябрь 2003 г. (период заштрихован) осадков заштрихован

Атмосферные осадки оказывают влияние и на содержание в воде озера нитратов. Содержание ЫОз" в дождевой и снеговой воде значительно выше их концентраций в поверхностной воде Байкала. Экспериментальные данные показали, что с началом выпадения осадков наблюдается постепенный рост концентрации нитратов в поверхностной воде, после их окончания содержание возвращается к исходным значениям. Так, в декабре 2005 г. содержание нитратов в воде озера во время снегопада возросло в 3 раза и составило 1,2 мг/дм\ Вносимые с осадками другие биогенные элементы не оказывали значительного воздействия на химический состав поверхностной воды, ввиду незначительных различий их концентраций в воде озера и осадках. Отметим, что при кратковременных осадках, особенно выпадающих в дневное время, происходят сбои суточного хода растворенных газов и биогенных элементов.

Степень воздействия осадков на изменение содержания С02 и Ы03" в воде озера и глубина их проникновения зависит как от их интенсивности, так и от химического состава осадков. Вертикальное распределение величины рН характеризуется уменьшением ее значения с глубиной. Выпадение дождя утром 2 августа 2006 г. привело к снижению величины рН в слое 0-50 см, рН в придонном слое (1,1 м) в 6 часов была больше, чем в вышележащих слоях (рис.

13). Усиление дождя в послеобеденное время также изменило вертикальное распределение рН: в 15 часов минимальные значения отмечены в верхнем 20-сантиметровом слое.

2Авг 600 12 00 18 00 ЗАвг 6 00 12 00 18 00 4Двг

Очевидно, что при длительных осадках сход дождевых вод с берегов, а также увеличение стока рек может оказать ощутимое влияние на химический состав воды литорали озера. За период наблюдений такое воздействие ярко проявилось в июне 2008 г. Продолжительные не характерные для этого месяца ливневые дожди (149 мм) увеличили сток впадающего в озеро в 100 м от места исследования ручья. Более теплая вода ручья распространилась по поверхности озера, что привело к снижению содержания гидрокарбонатов (на 10-15%), росту нитратов (на 10-15%) и кремния (в 2 раза) в поверхностной воде озера, но не отразилось на их суточных ритмах: их суточный ход был отчетливо выражен, а амплитуда суточных изменений высока. В обычных условиях сток ручья не влиял на химический состав воды литорали.

Пятая глава посвящена исследованию парциального давления углекислого газа в приводной атмосфере, а также разности парциальных давлений углекислого газа в воде и атмосфере, с целью оценки направления потока С02.

Впервые изучены основные ритмы изменчивости суточного и сезонного хода содержания С02 в приводном слое атмосферы над озером Байкал. Содержание С02 в атмосфере над литоралью озера подвержено суточной динамике, которая преимущественно обусловлена жизнедеятельностью наземной растительности. На суточные вариации содержания углекислого газа в районе исследований влияет и направление ветра. В штилевых и близких к штилевым условиям основное влияние оказывает прилегающая береговая

—■—Ом -•—0.2 м м

—т—1,1 м

Рис. 13. Суточная динамика величины рН в поверхностной воде оз. Байкал на разных горизонтах, август 2006 г.

растительность, при смене синоптической обстановки и ветре, приносящем воздушные массы с акватории озера (северо-западное и юго-западное направление), отмечалось снижение парциального давления С02 в атмосфере на 20-40 мкатм. Сезонные же вариации изменения концентрации атмосферного С02 в течение года вполне сопоставимы с данными наблюдений на станциях в Сибири (Аршинов и др. 2009), и обусловлены сезонными ритмами мощности источников и стоков углекислого газа. Внутригодовой ход концентрации углекислого газа в приводной атмосфере характеризуется максимумом в декабре, в период минимальной вегетационной активности (рис. 14), и минимумом в июле - августе, в пик фотосинтеза растительности. Максимальные амплитуды суточного хода отмечены в августе (до 50 мкатм), минимальные - в зимний период (не более 2-3 мкатм).

н ш IV V VI VIIVIIIIX х XI х: Рис. 14. Средний годовой ход

парциального давления углекислого газа в атмосфере и воде литорали озера (2004-2010 гг.)

Рис. 15. Средний ход разницы парциальных давлений углекислого газа в воде и атмосфере в период открытой воды (2004-2010 гг.)

Парциальное давление углекислого газа в воде, рассчитано по данным гидрохимических измерений. Суточный ход величины разности парциальных давлений углекислого газа между водой и атмосферой (ДРсо2) с минимумом в вечернее время и максимумом в утренние часы в открытой литорали озера наблюдается в течение всего периода открытой воды. Сезонное изменение амплитуды суточных вариаций, а также время наступления экстремумов ЛРсо2 практически аналогично таковым для концентрации углекислого газа. Максимум величины ДРсо2 приходится на декабрь (рис. 15), что свидетельствует о максимальном выходе С02 углекислого газа в атмосферу,

минимум значения ЛРсо2 - на август, что соответствует максимальному поглощению С02 водной поверхностью литорали озера. Как видно из рис. 15, в большую часть периода открытой воды поток С02 направлен из атмосферы на водную поверхность литорали. Отсюда можно заключить, что в период открытой воды в литоральной зоне Южного Байкала поглощение С02 водной поверхностью преобладает над его выходом в атмосферу. Этот вывод хорошо согласуется с данными прямых измерений потоков (Пестунов, 2010).

Специально проведенный эксперимент по синхронному наблюдению в литорали и пелагиали озера позволил выявить, что в воде пелагиали содержание нитратов в 1,5 раза, фосфатов в 3 раза меньше, чем в литорали озера. Среднесуточные значения концентрации С02 для литорали составили 0,62 мг/дм3, для пелагиали - 0,52 мг/дм3. Суточный размах колебания концентрации С02 в литорали в 2 раза больше, чем в пелагиали, и, в среднем, превышает величину 0,3 мг/дм3. Средние значения парциального давления углекислого газа в приводном слое атмосферы в литорали и пелагиали достаточно близки, но в прибрежной зоне ДРсо2 имеет как отрицательное, так и положительное значения и среднесуточная величина равна минус 86 мкатм. В пелагиали же ДРсо2 практически постоянна (минус 143 мкатм), что свидетельствует о том, что поглощение С02 водной поверхностью происходит круглосуточно. Эксперимент показал, что величина среднего потока С02 из атмосферы на водную поверхность пелагиали озера составила 326 мг/м2 в сутки, что практически в 3 раза больше, чем в литорали (95 мг/м2 в сутки).

Выводы

1. Впервые показано, что в воде открытой литорали Байкала содержание всех биогенных элементов имеет суточный ход. Максимальные амплитуды суточных ритмов всех исследуемых компонентов характерны для весны, в частности С02 - 106%, нитраты - 38% от среднесуточного значения, минимальные - для подледного периода С02 - 12%, нитраты - 3% от среднесуточного значения.

2. Амплитуда суточных изменений концентрации биогенных элементов и растворенных газов выше межгодовых вариаций суточного хода для каждого из сезонов.

3. Ветровое перемешивание и внедрение вод с пелагиали озера оказывает существенное влияние на суточные ритмы биогенных элементов и растворенных газов в открытой литорали.

4. Внутригодовой ход среднемесячных значений содержания биогенных элементов в воде открытой литорали Байкала, в отличие от пелагиали, характеризуется наличием одного максимума в предледоставный период, для растворенного кислорода в подледный период.

5. Экспериментально показано, что выпадение атмосферных осадков, имеющих химический состав, отличный от воды Байкала, приводит к сбою суточных ритмов химических компонентов, особенно в дневное время, кратковременно увеличивает содержание нитратов, но наиболее ярко проявляется в увеличении потока концентрации углекислого газа в атмосферу.

6. В период длительных дождевых осадков склоновый сток вносит ощутимые изменения в химический состав воды литорали, которые проявляются в уменьшении содержания гидрокарбонатов, увеличении концентрации кремния и нитратов, но не влияет на суточные ритмы биогенных элементов и растворенных газов.

7. Впервые на основе гидрохимических характеристик и с учетом измеренного in situ парциального давления С02 в атмосфере оценено преимущественное направление потока углекислого газа через водную поверхность в литоральной зоне Байкала. Выделение углекислого газа в атмосферу происходит в ноябре и декабре, поглощение из атмосферы - с мая по октябрь.

8. Выявлено, что в летний период в открытой литорали озера Байкал интенсивность поглощения углекислого газа из атмосферы в 3 раза меньше, чем в пелагиали.

Основные публикации по теме диссертации 1.Домышева В.М. Влияние атмосферных осадков на процесс газообмена СОг с водной поверхностью озера Байкал / В.М. Домышева, М,В. Панченко, Д.А. Пестунов, М.В. Сакирко // ДАН. - 2007. - Т. 414. - № 5. - С. 690-693. 2.3аворуев В.В. Суточный ход газообмена СО2 и интенсивности фотосинтеза в поверхностной воде озера Байкал / В.В. Заворуев, М.В. Панченко, В.М. Домышева, М.В. Сакирко, О.И. Белых, Г.И. Поповская // ДАН. - 2007. -Т. 413. -№3.-С. 403-407.

3.Панченко М.В. Экспериментальные исследования процессов газообмена С02 в системе «атмосфера - водная поверхность» оз. Байкал (постановка эксперимента) / М.В. Панченко, В.М. Домышева, Д.А. Пестунов, М.В. Сакирко,

B.В. Заворуев, А.Л. Новицкий // Оптика атмосферы и океана. - 2007. - Т. 20. -№ 5. - С. 448-452.

4.3аворуев В.В. Пространственное распределение флуоресцентных характеристик фитопланктона в период формирования весенней гомотермии в оз. Байкал / В.В. Заворуев, В.М. Домышева, М.Н. Шимараев, М.В. Сакирко, Д.А. Пестунов, М.В. Панченко // Оптика атмосферы и океана. - 2008. - Т. 21. -№5. С. 377-380.

5.Сакирко М.В. Суточные ритмы концентрации диоксида углерода в приводном слое воздуха и в поверхностной воде оз. Байкал в разные гидрологические сезоны / М.В. Сакирко, [и др.] // Метеорология и гидрология. -2008.-№2.-С. 79-86.

6.Сакирко М.В. К оценке пространственной изменчивости направления потоков углекислого газа в разные гидрологические сезоны на озере Байкал / М.В. Сакирко, [и др.] // Оптика атмосферы и океана. - 2009. - Т. 22. - № 6. - С. 596-699.

7.Помазкина Г.В. Структура и динамика фитопланктона в Южном Байкале (Россия) / Г.В. Помазкина, О.И. Белых, В.М. Домышева, М.В. Сакирко, Р.Ю. Гнатовский II Альгология. - 2010. - Т. 20. - № 1. - С. 56-72.

8.Домышева В.М. Экспериментальная оценка стока углекислого газа в системе атмосфера-вода в литорали и пелагиали озера Байкал / В.М. Домышева, М.В. Сакирко, Д.А. Пестунов, М.В. Панченко // ДАН. - 2010. - Т. 431. - № 6. -

C. 822-826.

9.Домышева В.М. Сезонный ход процесса газообмена СО2 в системе «атмосфера вода» в литорали Южного Байкала. 1. Гидрологическая весна / В.М. Домышева, М.В. Сакирко, Д.А. Пестунов, М.В. Панченко // Оптика атмосферы и океана.-2010. -Т. 23. -№ 12.-С. 1067-1074.

10. Домышева В.М. Сезонный ход процесса газообмена С02 в системе "атмосфера - вода" в литорали Южного Байкала. 2. Гидрологическое лето / В.М. Домышева, М.В. Сакирко, Д.А. Пестунов, М.В. Панченко // Оптика атмосферы и океана. - 2011. -Т. 24. - № 9. - С. 737-742.

Подписано к печати 20.02.2012 г. Формат 60*84/16. Объем 1,4 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № 548. Издательство Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН. 664033 г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Сакирко, Мария Владимировна, Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ЛИМНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

61 12-11/90

УДК [546.264-31:550.46]:556Л 14 (282.256.341)

На правах рукописи

Сакирко Мария Владимировна

Динамика содержания растворенных газов и биогенных элементов в воде открытой литорали озера

Байкал

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы,

гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель кандидат географических наук Домышева В.М.

Санкт-Петербург - 2012

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ И ПРОЦЕССА ГАЗООБМЕНА НА ОЗЕРЕ БАЙКАЛ 11

1.1. Особенности литоральной зоны водоемов 11

1.2. Исследование суточного хода химических компонентов в воде

озера Байкал 13

1.3. Исследование потоков газов на границе вода-атмосфера 18

ГЛАВА. 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА 32

2.1. Характеристика станции отбора 32

2.2. Отбор и подготовка проб к анализу 36

2.3. Методы определения компонентов и оборудование 43

2.4. Контроль качества полученных результатов 46

ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДЫ В ЛИТОРАЛИ ОЗЕРА БАЙКАЛ 50

3.1. Суточная динамика компонентов химического состава воды5 О

3.1.1. Растворенный кислород

3.1.2. Величина рН и углекислый газ

3.1.3. Биогенные элементы

3.2. Сезонная динамика компонентов химического состава воды78

3.2.1. Подледный период

о о

3.2.2. Весенний период

о с

3.2.3. Летний период

3.2.4. Осенний период ^

3.3. Годовой ход концентраций химических компонентов 95

3.4. Вертикальное распределение растворенных газов и биогенных

элементов 100

ГЛАВА 4. ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИЗМЕНЧИВОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНОЙ

ВОДЫ 108

4.1. влияние ветрового и волнового факторов 109

4.2. Влияние атмосферных осадков на химический состав

поверхностной воды 110

4.3. Изменчивость химического состава воды в литорали озера в

период дождевого паводка 117

ГЛАВА 5. ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ПРИВОДНОЙ АТМОСФЕРЕ И РАЗНОСТЬ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ ГАЗА МЕЖДУ ВОДОЙ И АТМОСФЕРОЙ 120

5.1. Парциальное давление углекислого газа в атмосфере над

озером Байкал 120

5.2. Разница парциальных давлений углекислого газа в воде и

атмосфере 124

5.2.1. Литоральная зона Южного Байкала 124

5.2.2. Сравнение интенсивности процесса газообмена в литорали и пелагиали озера Байкал 129

ВЫВОДЫ 131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 133

Список сокращений

СОг - углекислый газ НСОз' - гидрокарбонат ион N03" - нитрат 02 - кислород рН - величина рН Р043' - фосфат 81 - кремний

РС02 - парциальное давление углекислого газа в поверхностной воде; рС02 - парциальное давление углекислого газа в атмосфере; АРсо2- разница парциальных давлений углекислого газа в воде и атмосфере.

ПГС - поверочная газовая смесь

ГСО - государственный стандартный образец

КФА - коэффициент фотосинтетической активности

ЛИН СО РАН - Учреждение Российской академии наук Лимнологический институт СО РАН

МГЭИК - межправительственная группа экспертов по изменению климата МСИ - межлабораторные сравнительные испытания

ШАА - Национальное управление океанических и атмосферных

исследований, США

ПНД Ф - нормативный документ

РД - руководящий документ

СААЛ - система аккредитации аналитических лабораторий и центров

Введение

Озеро Байкал, расположенное в Восточной Сибири, является самым древним (25 млн. лет), глубоким (1637 м) и крупным резервуаром чистой,

о

пресной воды на планете. (23 тыс. км ). Озеро внесено в список Участков Мирового Наследия и имеет важное стратегическое значение как крупнейший источник питьевой воды. Тенденция увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере и повышения приземной температуры, наблюдающаяся в последние десятилетия, может привести к изменению динамики биогенных элементов, климатическим и прочим изменениям. Отклик на изменения климата будет проявляться, в первую очередь, в литорали озера Байкал.

Литоральная зона занимает около 7% площади водного зеркала (Фиалков, 1983), но оказывает значительное влияние на функционирование экосистемы озера. Гидрохимическим исследованиям литорали озера Байкал посвящены многие работы (Яснитский, 1930; Бочкарев, 1947, Верещагин, 1927; Вотинцев, 1961; Мизандронцев, 2002, 2003; Голобокова и др., 2009). Однако вопрос о процессах, происходящих в зоне контакта различных природных комплексов - наземного и водного, остается недостаточно изученным. Хотя именно литораль характеризуется большим разнообразием гидрологических и биологических процессов, здесь сказывается влияние водосбора. Первичная продукция литоральной зоны вносит ощутимый вклад в общую продукцию озера, несмотря на меньшую площадь. До начала наших работ в Байкальском регионе измерения углекислого газа в атмосфере практически отсутствовали, а для оценки потока СОг в системе вода-атмосфера использовались значения средней фоновой планетарной концентрации газа (Мизандронцев, 1995, 1996), и, соответственно, при этом не учитывались суточный и сезонный ход содержания СО2 в приводной атмосфере. В тоже время ранее полученные результаты И.Б. Мизандронцева по газообмену водной поверхности Байкала с атмосферой послужили методической основой для правильной постановки исследований.

Расширение информации о временной динамике биогенных элементов и растворенных газов в открытой литорали озера на современном этапе важно для более полной гидрохимической характеристики Байкала, для изучения озерных процессов, связанных с режимом биогенных элементов, для выявления преобладающего направления потока углекислого газа. Повышение антропогенной нагрузки, в условиях активного развития туризма на Байкальской природной территории может отразиться на качестве воды литорали озера, как основного источника водоснабжения населенных пунктов. Исследование этого круга проблем и определяет актуальность

настоящей работы.

Цель работы состояла в исследовании временной динамики растворенных газов и биогенных элементов, особенностей их режима в открытой литорали озера Байкал, а также оценке преобладающего направления потоков углекислого газа в системе вода-атмосфера на современном этапе.

Задачи работы:

• провести систематические исследования временной динамики величины рН, содержания биогенных элементов, растворенных газов в воде открытой литорали озера, содержания углекислого газа в приводной атмосфере и определить закономерности их суточной, сезонной и межгодовой динамики;

• оценить влияние атмосферных осадков и ветрового воздействия на ритмы суточной изменчивости гидрохимических характеристик и на процесс газообмена С02 с атмосферой;

• на основе данных о содержании углекислого газа в воде озера и приводной атмосфере оценить преобладающее направление потока С02 в открытой литорали Байкала;

• провести синхронные наблюдения в открытой литорали и пелагиали озера за суточным ходом содержания растворенных газов, биогенных элементов в воде, концентрации углекислого газа в

приводной атмосфере и направления его потока в системе вода -

атмосфера. Защищаемые положения:

1. В открытой литорали Байкала суточный ход содержания биогенных элементов характерен для всех сезонов года. Сезонные особенности концентрации биогенных элементов, растворенных в воде углекислого газа и кислорода, наиболее сильно проявляются в амплитудах суточных ритмов. Внутригодовое изменение концентраций и амплитуд суточного хода исследуемых характеристик значительно превышает их межгодовые вариации.

2. Влияние внешних факторов (ветровое перемешивание, выпадение атмосферных осадков на поверхность воды озера Байкал) приводит к кратковременному изменению содержания биогенных элементов и

повышению концентрации углекислого газа.

3. По данным измеренных in situ содержаний углекислого газа в воде озера и приводной атмосфере осуществлена оценка направления потоков С02. В период открытой воды поглощение углекислого газа поверхностью открытой литорали Южного Байкала преобладает над его выходом в атмосферу.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

• изучены ритмы суточного хода биогенных элементов и растворенных газов с одновременными измерениями углекислого газа в приводной атмосфере непосредственно над местом исследования в литорали озера;

• показаны сезонные и межгодовые различия суточных ритмов содержания исследуемых компонентов в поверхностной воде литорали;

• уточнена зависимость между внутрисуточной динамикой содержания биогенных элементов, растворенных газов и количественными показателями фитопланктона;

• экспериментально показано, что выпадение атмосферных осадков на поверхность воды Байкала способствует росту концентрации нитратов и выделению углекислого газа из поверхностного слоя

воды в атмосферу;

• по натурным данным оценено преобладающее направление потоков углекислого газа в открытой литорали озера;

• выявлены различия суточных ритмов содержания исследуемых компонентов в поверхностной воде литорали и пелагиали озера.

Практическая значимость. Основные результаты работы могут быть использованы при планировании и разработке оптимальных методик мониторинговых исследований состояния вод озера Байкал. Полученные количественные данные многолетних натурных наблюдений могут служить как опорные фоновые величины при проведении оценок качества воды в условиях возрастающей антропогенной нагрузки, в связи с интенсивным хозяйственным и туристическим развитием Байкальского региона. Они также важны для оценки величины и направления потока углекислого газа в системе атмосфера - вода озера Байкал, в рамках активности по реализации Киотского протокола и последующих международных соглашений.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в работу, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и совещаниях:

«Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов» (Иркутск, 2005), четвертая и пятая Верещагинская Байкальская конференция (Иркутск, 2005, 2010), 11th international joint seminar on regional deposition processes in the atmosphere (Korea, 2005), рабочие группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2005, 2006, 2008, 2009), научная конференция, посвященная 25-летию Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН. «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы геосферных исследований» (Чита, 2006), «Проблемы

устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006), «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2006), Региональный семинар Водной программы Межакадемического совета «Водные ресурсы и проблемы водопользования в Центральной Азии и на Кавказе» (Барнаул, 2007), «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды» (Нарочь -Минск, 2007), «Приоритеты Байкальского региона в азиатской геополитике России» (Улан-Удэ, 2008), 14th international joint seminar on regional deposition processes in the atmosphere (Thailand, 2010) «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Барнаул, 2010), «XXV The General Assembly of International Union of Geodesy and Geophysics» (Australia, 2011).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации в отечественных и зарубежных изданиях опубликовано 40 работ, в том числе 10 рецензируемых статей в журналах, из которых 9 включены в список ВАК.

Работа выполнена в аккредитованной в CAAJI лаборатории гидрохимии и химии атмосферы (№ РОСС RU. 001. 513855) Федерального Государственного Бюджетного Учреждения Российской академии наук Лимнологического института Сибирского отделения Российской академии наук в рамках проектов НИР № 24.3.3 «Исследование малых газовых примесей, аэрозолей и осадков (химические и биологические компоненты) над Байкальской природной территорией и газообмена Байкала с атмосферой в условиях глобального потепления климата», № 7.9.1.2 «Поступление и динамика вещества в водной толще, ледовом покрове и на границе раздела вода - атмосфера в условиях глобального изменения климата на примере озера Байкал», № VII.62.1.3 «Комплексный экологический аудит Байкальской природной территории и экосистемы озера Байкал - участка мирового природного наследия», проектов Программы фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН

№ 3 «Водные ресурсы, динамика и охрана подземных вод и ледников», № 11 «Оценка, прогноз и методы управления водными ресурсами с учетом их качества и экологического состояния», № 13 «Формирование водных ресурсов, прогноз режима и качества вод с учетом изменения климата и развития экономики», а также грантов РФФИ № 08-05-00258, № 09-0500222 и экспедиционных грантов СО РАН. Ряд результатов проведенных исследований был включен в перечень важнейших достижения ЛИН СО РАН.

Автор принимал непосредственное участие в проведении всех полевых измерений, отборе и анализе проб поверхностной воды, а также в анализе, обработке и интерпретации полученных данных, подготовке публикаций. Участвовал в решении комплексных задач междисциплинарного характера, что отражено в совместных публикациях с рядом авторов.

Диссертант участвовал в международных (EANET, ЕМЕР, WMO) и российских (ЗАО «Роса», «Аналитика») межлабораторных сравнительных испытаниях по контролю качества выполнения анализа природных вод.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 174 наименования; изложена на 150 страницах, включая 68 рисунков и 9 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность к.г.н. В.М. Домышевой за научное руководство, д.г.н. Т.В. Ходжер, д.г.н. И.Б. Мизандронцеву и сотрудникам лаборатории гидрохимии и химии атмосферы ЛИН СО РАН за содействие в выполнении исследований и помощь при оформлении диссертационной работы, коллегам из Учреждения российской академии наук Института Оптики атмосферы СО РАН д.ф.-м.н. М.В. Панченко и к.т.н. Д.А. Пестунову за оказанную помощь при выполнении работ и обсуждении результатов.

Глава 1. Состояние вопроса и история исследований химического состава воды и процесса газообмена на озере Байкал 1.1. Особенности литоральной зоны водоемов

Литораль, литоральная зона — участок берега, который затопляется морской водой во время прилива и осушается во время отлива. Располагается между самым высоким уровнем воды в прилив и самым низким в отлив. Затопление и осушение литорали происходит 2 раза в сутки. Данное определение применимо только для морей. Для внутриконтинентальных водоемов замедленного водообмена наиболее часто принимают следующее подразделение прибрежной части: берег, увлажняемое побережье, литоральная зона, далее идет лимническая зона (пелагиаль) (ТЫепетапп, 1925).

Под литоральной зоной понимают прибрежную часть водоема, простирающуюся от уреза воды до нижней границы распространения высших водных растений, включая как дно водоема, так и собственно водную массу, расположенную над ним (рис. 1.1.1). При отсутствии высших водных растений нижнюю границу литоральной зоны определяют по границе трофогенного слоя.

Зона открытой литорали Байкала (без соров и заливов) занимает около 7% площади водного зеркала Байкала (Фиалков, 1983). Литоральная зона, больше чем другие зоны озера, испытывает динамическое воздействие водной массы, отражающееся на протекании химических, физических и биологических процессах в водоеме. Естественно, что разные участки литорали в зависимости от степени закрытости от преобладающих ветров, по-разному подвержены воздействию волнобоя.

В литорали создаются особые температурные условия, характеризующиеся большой амплитудой суточных и сезонных колебаний температуры воды. Данная зона не испытывает недостатка в инсоляции и, как следствие, интенсивность продукционно-деструкционных процессов здесь очень высока.

литораль

По Экману, для озера Ветер и (Шбеция)

IсуЕлиЩ ; рам

литораль

протунопль

По Науманну, для шЬедских гумусхыг озер

литораль

су 6л и тора ль 1 элитораль

I почти нет сцб-I литорали Тинг-. манна

профуноаль начинается часто уже с

Рис. 1.1.1. Схема вертикальной зональности для пресноводных озер (Зернов, 1934)

В значительной степени литораль отличается от пелагиали наличием в ней особых биологических условий, таких как присутствие макрофитов и высшей водной растительности. Фитопланктону прибрежной зоны Байкала посвящены лишь немногочисленные работы (Поповская, 1991; Кращук, Изместьева, 2004;). Первичная продукция литорали вносит ощутимый вклад в общую продукцию озера, несмотря на меньшую площадь, так как некоторые виды водорослей вегетируют только в прибрежной зоне водоема (Вотинцев и др., 1975; Бондаренко, Гусельникова, 1989;

Wetzel, 1990; Gessner, et al, 1996)

В литоральную зону вносятся химические вещества с водосбора водоема и затем включаются в химические и биохимические процессы, протекающие в озере. Сочетание геологических, географических, физико-химических и биологических особенностей в литорали опред�