Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Фосфор в донных отложениях и фосфорный обмен на границе раздела вода-дно в Ладожском озере

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Фосфор в донных отложениях и фосфорный обмен на границе раздела вода-дно в Ладожском озере"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ^ Од ИНСТИТУТ ОЗЕРОВЕДЕНИЯ

г о им

На правах рукописи

ИГНАТЬЕВА Наталья Викторовна

УДК 550. 47: 556. 555. 6

ФОСФОР В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ И ФОСФОРНЫЙ ОБМЕН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ВОДА-ДНО В ЛАДОЖСКОМ ОЗЕРЕ

Специальность - 11.00.И - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в лаборатории гидрогеохимии Института озероведения РАН

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор географических наук, профессор

O.A. АЛЕКИН

Научный руководитель - консультант:

кандидат химических наук Е. А. СТРАВИНСКАЯ

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Д.В. СЕВАСТЬЯНОВ

доктор географических наук О.М. ТЕРЕШЕНКОВ

Ведущее учреждение - Российский Государственный

Гидрометеорологический Институт

Защита диссертации состоится nJ.4<n . 1997 г.

в J.Q. часов на заседании специализированного совета Д.200.10.01

при Институте озероведения РАН по адресу:

196199 г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, д. 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института озероведения РАН

Автореферат разослан " " CW-fjrf^r 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Беляков

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Начавшийся в 70-х годах процесс антропогенного эвтрофирования Ладожского озера, являющегося крупнейшим пресноводным водоемом Европы, привел к ухудшению его экологического состояния и перестройке всех звеньев экосистемы, включая наиболее инертное из них -донные отложения. Основной причиной, вызвавшей развитие этого процесса, явилось избыточное поступление в озеро соединений фосфора. Если на стадии олиготрофии донные отложения выступают, в основном, в роли накопителя фосфора, то с повышением трофического уровня возросшее поступление фосфора из донных отложений, создающее, так называемую, внутреннюю фосфорную нагрузку, приводит к "вторичному эвтрофированио", ускоряющему процесс антропогенного эвтрофирования. Поэтому знание роли донных отложений необходимо при прогнозировании различных фосфорных нагрузок на водоем и планировании мероприятий по его рациональному использованию и охране. До настоящего исследования роль донных отложений в развитии процесса антропогенного эвтрофирования Ладожского озера оставалась неизученной. В течение последнего десятилетия рядом авторов на основе балансовых расчетов для всего озера были даны оценки седиментации фосфора и внутренней фосфорной нагрузки. Однако, достоверность некоторых из них вызывает сомнение. Кроме того, выполнение косвенных оценок не дает представления о конкретных механизмах и формах удаления фосфора из донных отложений в водную массу, а также пространственной неоднородности интенсивности этого процесса.

Таким образом, назрела необходимость оценить роль донных отложений на стадии эвтрофирования Ладожского озера путем непосредственного изучения фосфора в них и интенсивности обменных процессов на границе раздела вода-дно. Учитывая вышесказанное, очевиден также тот факт, что разрабатываемая тема имеет важное не только научное, но и природоохранное значение.

Цели и задачи работы

Основная цель работы заключалась в выявлении роли донных отложений в круговороте фосфора в Ладожском озере на современном этапе его развития, когда озеро стоит на пороге эвтрофной фазы.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить пространственное и вертикальное распределение различных форм фосфора в придонной воде и верхнем слое донных отложений с учетом фракционного состава последних;

- качественно оценить влияние ряда физико-химических и химических характеристик пограничной зоны осадок-вода на содержание, формы и подвижность форм фосфора в донных отложениях;

- дать количественную оценку основных потоков фосфора в донных отложениях и через границу раздела вода-дно (седиментации, биодеградации фосфорсодержащего органического вещества, захоронения и удаления в водную массу); изучить пространственную неоднородность интенсивности этих процессов;

- выявить основные механизмы удаления фосфора из донных отложений в водную массу путем оценки значимости диффузионной и конвективной составляющих потока;

- оценить значимость потока фосфора из донных отложений для функционирования экосистемы Ладожского озера.

Научная новизна работы

1. Для крупных глубоководных водоемов предложен метод оценки потока фосфора из донных отложений и внутренней фосфорной нагрузки.

2. Роль донных отложений в круговороте фосфора в Ладожском озере оценена путем непосредственного изучения пространственного и вертикального распределения фосфора в поверхностном "активном" слое донных отложений и интенсивности обменных процессов на границе раздела вода-дно.

3. Изучение фосфора в донных отложениях Ладожского озера проводилось с учетом их фракционного состава, включая твердую фазу и поровый раствор.

4. Исследовано соотношение окисного (Ре3+) и закисного (Ре2+) железа в донных отложениях Ладожского озера методом Мессбауэровс-кой спектроскопии.

5. Высказано предположение о существовании ранее не описанного в литературе механизма влияния организмов макрозообентоса на удаление фосфора из донных отложений в водную массу.

Практическая значимость работы

Предложенный метод оценки поступления фосфора из донных отло-

жений в водную массу надежен и прост и может найти широкое применение при исследовании крупных глубоководных озер, а также морских экосистем. Рассчитанные величины потоков седиментации, захоронения и выделения фосфора из донных отложений в водную массу для различных лимнических зон и районов Ладожского озера могут быть включены в экологическую модель озера. Практическую значимость имеют также методические разработки, проведенные автором.

Апробация работы

Результаты исследования были представлены на первой Всесоюзной конференции по проблемам современной лимнологии (Ленинград, 1986); конференции по прикладной Мессбауэровской спектроскопии (Казань, 1990); XXIII научной конференции по изучению водоемов Прибалтики (Петрозаводск, 1991); третьем Международном семинаре по фосфору в донных отложениях (Зейст, Нидерланды, 1991); первом Международном симпозиуме по Ладожскому озеру (С.-Петербург, 1993); седьмой ежегодной конференции Европейского общества по токсикологии и химии окружающей среды (ЗЕТАС-Еигоре) (Амстердам, Нидерланды, 1997), обсуждались на семинарах Института озероведения РАН.

Публикации

Материалы диссертации изложены в 8 публикациях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и приложения, изложена на страницах машинописного текста. Она содержит 25 рисунков и ¿4 таблиц. Список цитируемой литературы включает отечественных и иностранных публикации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Материал и методика исследования

В основу работы положены материалы, собранные автором в 1984-90 гг. в различных районах Ладожского озера в рамках исследований, проводимых Ладожской экспедицией Института озероведения РАН. Исследования, проведенные автором, включали в себя:

1. полевые работы;

2. лабораторную обработку проб;

3. экспериментальные работы.

Сбор полевого материала осуществлен во время рейсов НИС "Талан", а такие с катера в северной части озера в районе залива Им-пилахти в период с 1985 по 1990 год. В работу включены материалы семи съемок по всему озеру и в различных его районах в разные гидрологические сезоны года (весна, лето, осень). Кроме того, на трех станциях в северной части озера был проведен отбор проб в подледный период (март 1985-87 гг.).

В целом, за период исследований были отобраны пробы на 49 станциях (одноразовый или периодический отбор), расположенных в различных частях озера как в прибрежном, так и открытом районах, и характеризующихся различным типом донных отложений.

В ходе работы было отобрано и обработано свыше 400 проб придонной воды и донных отложений и проведено около 4500 определений различных физико-химических и химических характеристик.

С целью выбора методик обработки проб донных отложений для получения характеристик, величины которых наиболее адекватно отражают реальные значения тех или иных показателей состава и свойств донных отложений в озере, автором был проведен ряд методических исследований, показавших, что: 1. для получения величин окисли-тельно-воссановительного потенциала (ЕЮ, характеризующих общее окислительно-восстановительное состояние среды в месте отбора пробы, возможно измерение потенциала в объединенной из нескольких пробоотборников пробе ила; 2. для выделения наиболее характерной с точки зрения динамичности и связи с другими природными водами части порового раствора следует применять фильтрацию натурального ила через мембранный фильтр "Нуклеопор" с диаметром пор 0. 45 мкм.

Отбор проб донных отложений и придонной воды осуществлялся стратометром (с диаметром трубки 5 см), дночерпателем Экмана-Берд-жа (с площадью 0.025 м2) и батометром. Для исследования отбирался слой воды над поверхностью осадка толщиной 5-7 см. Немедленно измерялась температура воды и верхнего 2-см слоя осадка, в пробе воды фиксировался растворенный кислород (по Винклеру). Из монолита донных отложений пробы отбирались послойно: 0.0-0.2 (наилок), 0.2-2, 2-5 и 5-10 см от поверхности дна, а в случае ярко выраженной слоистости осадка - в соответствии с генетическими слоями. Для учета пространственной неоднородности в месте отбора проб на каждой станции одновременно отбиралось по 3-4 монолита донных отложе-

ний, одинаковые фракции которых объединялись и использовались для дальнейшей обработки. Толщина окисленного слоя (г*) оценивалась визуально или по величине Ей.

По окончании пробоотбора в тот же день в лаборатории часть проб придонной воды отфильтровывалась через мембранный фильтр "Нуклеопор" с диаметром пор 0.45 мкм. Поровые растворы выделялись фильтрацией с разрежением на вакуумном насосе. В пробах придонной воды и осадков измерялись величины рН и Ей. В натуральных осадках определялась влажность, пористость и удельная масса. Пробы придонной воды и поровых растворов анализировались на содержание неорганического (Рнеорг.' и общего (Р0бц.) фосфора; в части проб поровых растворов определялось содержание общего железа (Ре0(и.) и органического углерода (СорГ ). Воздушно-сухие пробы осадков анализировались на содержание РНВорг. и Роб*.: с части проб определялось содержание Сорг , потери при прокаливании (п.п.п.), содержание Реой*. И относительное содержание Ре2*.

Величина рН измерялась на портативном рН-метре рН-47 М комбинированным электродом, Ей - на иономере И-102 платиновым электродом с каломельным электродом сравнения. Естественная влажность, пористость и удельная масса определялись термостатированием навески точного объема натурального ила при температуре 105° С до постоянного веса; п.п.п. - озолением при температуре 500° С в течение 5 часов. Концентрации РНо0рг. и рой*. в придонной воде и поровых растворах определялись молибдатным методом, в твердой фазе осадка - по методу Мета (Мартынова, Шмидеберг, 1983) путем ряда последовательных экстракций концентрированной НС1 и 0.5 н №а0Н и определения Рнеорг. и Ров*. в объединенных экстрактах. Содержание органического фосфора (Рорг.) рассчитывалось по разности между роб». и Рнеорг,- Содержание (Реобц.) в поровых растворах определялось на атомно-абсорбционном спектрофотометре Регкт-Е1тег, 407, НСА-74. Содержание Реойл. • в твердой фазе отложений определялось методом количественного эмиссионного спектрального анализа. Исследование железа в донных отложениях методом ЯГР (Мессбауэровской) спектроскопии (с использованием источника 60Со) выполнялось на Мессбауэровской спектрометре МБ-700 фирмы ШТЕЯТЕОШЦиЕ. Содержание Сорг. в придонной воде и поровых растворах определялось ам-пульным персульфатным методом (Румянцева, 1977). Определение Сорг_

в твердой фазе донных отложений проводилось мокрым окислительно-диффузионным методом (Быстрова, 1988).

Экспериментальные работы включали:

1. определение величины плотности потока фосфора из донных отложений в воду;

2. изучение влияния некоторых массовых видов макрозообентоса на поступление фосфора из донных отложений в воду (работа проводилась совместно с сотрудниками лаборатории гидробиологии Института озероведения РАН Т.Д. Слепухиной и М.В. Меншуткиной в 1988-90 гг.).

1. Методика постановки эксперимента заключалась в следующем: в монолит грунта в пробоотборнике после слива придонной воды вертикально врезался стеклянный цилиндр (диаметр 6.8-7.8 см, высота 11.5-15.0 см) на глубину не менее 4-5 см; снизу цилиндр закрывался и извлекался из пробоотборника: придонная вода, отобранная батометром на той же станции и отфильтрованная от взвесей, аккуратно заливалась на поверхность осадка в цилиндре; экспериментальный цилиндр помещался в темноту при определенной температуре на 2-3 часа; затем вода над илом аккуратно перемешивалась и проводился первый отбор пробы воды, в которой определялось содержание Р0с*. (это время считалось началом отсчета); по прошествии определенного времени (от 2 до 3 суток) проводился второй отбор проб надиловой воды в цилиндрах с последующим определением Р0ев.. Все эксперименты ставились в аэробных условиях. Плотность потока фосфора рассчитывалась по изменению содержания Рое*. в надиловой воде за время экспозиции. Эксперимент проводился в трех повторностях.

2. В целом, для постановки экспериментов использовалась описанная выше методика с некоторыми изменениями: из каждого пробоотборника отбиралось два одинаковых цилиндра, которые помещались в термостат на 2-3 часа при температуре 40° С для устранения мешающего влияния беспозвоночных, находившихся в грунте в момент отбора проб; погибших животных удаляли пинцетом с поверхности осадка; после заливания воды на поверхность осадка цилиндры те^мостатиро-вались в темном месте в течение суток; затем в каждой паре в один из цилиндров добавлялось необходимое для эксперимента количество животных определенного вида и возраста, только что отобранных на той же станции (второй цилиндр служил в качестве контроля); цилиндры вновь термостатировались в течение 3-4 часов; после этого

осуществлялся первый отбор проб воды (это время считалось началом отсчета); далее через заданные промежутки времени производились повторные отборы проб воды, часть которых отфильтровывалась от взвесей, и в нефильтрованных и фильтрованных пробах проводилось определение общего и неорганического фосфора. Все эксперименты проводились в аэробных условиях. Влияние животных оценивалось по изменению концентраций фосфора в воде над осадком в экспериментальных цилиндрах по сравнению с контрольными. После окончания экспериментов подопытные беспозвоночные были извлечены из грунта и зафиксированы 70 %-ным этанолом для последующего определения их размеров и веса.

Глава 2. Условия осадконакопления в Ладожском озере и физико-химическая характеристика пограничной зоны осадок -вода

В разделах 1 и 2 дана краткая физико-географическая, лимнологическая и гидрохимическая характеристика озера и его водосборного бассейна. Ладожское озеро является одним из крупных, глубоких и холодноводных озер мира. Для рельефа дна озера характерно постепенное увеличение глубины от менее 10 м в южной части, до 60-70 м в средней и 100-150 м в северной. К настоящему времени в озере выделены 4 лимнические зоны, имеющие особенности по целому комплексу озерных характеристик: прибрежная (глубина менее 15 м), деклиналь-ная (15-52 м), профундапьная (52-89 м) и ультрапрофундальная (глубина более 89 м). Период полного водообмена для озера равен 11.5 годам.

Ладожское озеро является нормально-аэрированным водоемом с высоким содержанием растворенного кислорода в течение года. Содержание общего фосфора за период открытой воды в 1977-1989 гг. было достаточно однородно по вертикали и в среднем составляло 0.020-0.028 мг Р л"1, неорганического - 0.010-0.013 мг Р л"1.

В разделах 3 и 4 дана характеристика условий осадконакопления в озере и общая характеристика донных отложений. Показано, что в современных условиях терригенный снос является основным источником взвешенного вещества только в прибрежной части Ладожского озера, особенно в весенний период; в более глубоководных районах взвеси образуются, главным образом, вследствие внутриозерных процессов.

Скорость современного осадконакопления (Уос-) для большей

части озера относительно невысока - от 0-0.06 мм год"1 на южном' песчаном мелководье до 0.5-0.6 мм год"1 в зоне максимальных глубин в северной части озера. Наибольшие значения \/ос. от 1.0 до 1.6 мм год"1 отмечены в ряде прибрежных районов, испытывающих сильное антропогенное воздействие.

Для озера характерен широкий спектр типов донных отложений от глыб и валунов разной крупности до пелитовых илов. В ряде мест встречаются выходы на поверхность дна ленточных глин.

Вертикальная стратификация верхнего слоя (10-15 см) донных отложений разнообразна для разных типов осадков и районов озера. Для большинства осадков, за исключением песков, свойственна ярко выраженная слоистость. В центральной части озера в зоне залегания алевритовых и алевритово-пелитовых илов, а также в прибрежных районах северной части озера под бурым окисленным слоем осадка часто расположена одна или несколько рудных корочек, обогащенных окислами и гидроокислами железа и марганца. Для большинства осадков центральной части озера характерно наличие до 10 и более тонких рудных корочек, чередующихся с серым глинистым илом. Общая толщина таких "пакетов" корковидных образований может достигать 4-6 см.

Донные отложения Ладожского озера были классифицированы как бескарбонатные.

Далее в главе (разделы 5-8) рассмотрен ряд характеристик донных отложений (таких как рН, Е11, температура, содержание органического вещества, влажность, пористость, удельная масса осадка, глубина проникновения кислорода в осадки и толщина поверхностного окисленного слоя), которые являются абиотическими факторами, влияющими на содержание, формы существования и подвижность форм фосфора в донных отложениях, что, в свою очередь, определяет направленность и интенсивность фосфорного обмена на границе раздела вода-дно в Ладожском озере. Описана зависимость величин этих показателей от гранулометрической характеристики и района залегания осадка в озере. Составлены схемы пространственного распределения содержания Сорг. в поверхностном слое (0.0-0.2 см) осадка, а также мощности поверхностного окисленного слоя донных отложений.

Показано, что постоянное присутствие растворенного кислорода в придонных водах Ладожского озера оказывает решающее влияние на формирование окислительно-восстановительной обстановки в погранич-

ной зоне осадок-вода и обусловливает аэробный характер процессов, протекающих в верхнем слое донных отложений.

Как установлено, величина рН придонной воды несколько выше рН поверхностного слоя осадка в Ладожском озере, что потенциально обусловливает десорбцию фосфатов при взмучивании поверхностного слоя донных отложений и может играть определенную роль в поступлении фосфора в водную массу.

Глава 3. Фосфор в донных отлохениях Ладожского озера.

Седиментация и накопление фосфора в осадке.

В разделах 1-3 приведены результаты исследования пространственного и вертикального распределения содержания различных форм фосфора в донных отложениях, а также закономерностей их сезонной изменчивости. Показано, что в донные отложения Ладожского озера фосфор поступает, главным образом, в составе органических соединений, что подтверждается наличием корреляционной зависимости между Р0ги. и Сорг в твердой фазе осадка. Весовое отношение С/Р в органическом веществе поверхностного слоя (0.0-0.2 см) отложений для большинства осадков находится в диапазоне от 40 до 90.

Содержание общего фосфора в твердой фазе поверхностного слоя донных отложений составляет от 0.016 до 0.336 % (от веса сухого осадка), неорганического - от 0.013 до 0.252 %, а органического -от 0.003 до 0.089 X. Доля органического фосфора не превышает 44 %, составляя в среднем от 20 до 35 %. Прослеживается четкая тенденция увеличения содержания форм фосфора от грубодисперсных осадков к тонкодисперсным. Содержание фосфора в донных отложениях в значительной степени определяется содержанием в них железа, что подтверждается наличием корреляционной зависимости и свидетельствует об общем характере миграции и осаждения соединений этих элементов.

В пространственном распределении фосфора в твердой фазе донных отложений отмечена закономерность увеличения его содержания от южного песчаного мелководья к центральной, северной и северо-западной глубоководным зонам озера. Высокое содержание общего фосфора в поверхностном слое отмечено в илах высокопродуктивных заливов северного шхерного района, в зоне максимальных глубин, а также на участках прибрежной зоны, испытывающих повышенную локальную внешнюю фосфорную нагрузку (например, в районе г. Приозерска), и в устьях рек, воды которых обогащены соединениями фосфора (например.

в Волховской губе).

Основным источником поступления фосфора в поровые растворы является органическое фосфорсодержащее вещество твердой фазы осадка, а, кроме того, в восстановленных слоях осадка - фосфаты, де-сорбирующиеся при восстановлении геля гидроокиси железа, что подтверждается наличием соответствующих корреляционных зависимостей.

Концентрации общего фосфора в поровом растворе 10-15 см слоя отложений составляют от 0.002 до 0.613 иг Р л"1. При этом диапазон изменения концентраций как неорганического, так и органического фосфора практически одинаков - от 0.001 до 0.312-0.315 мг Р л"1. Доля неогранического фосфора составляет в среднем порядка 50 % от Роб«,., причем закономерностей соотношения неорганической и органической составляющих в зависимости от типа отложений или морфомет-рии не обнаружено.

Наименьшие концентрации растворенного фосфора обнаружены в песчаных отложения открытой части южного мелководья, наибольшие -в колонках осадков, в которых присутствуют рудные прослойки, и в техногенных слоях осадков. Высокие концентрации отмечены также в ряде прибрежных районов. В тонкодисперсных алевритово-пелитовых и пелитовых отложениях содержание Р0л*. в поверхностном слое составляет в среднем 0.080-0.090 мг Р л .

Вертикальное распределение фосфора в твердой фазе осадка и в поровом растворе графически описывается кривыми нескольких типов -от монотонно убывающих (для фосфора в твердой фазе) или возрастающих (для фосфора в поровом растворе) по глубине в осадке до кривых с ярко выраженными минимумами или максимумами на разной глубине. Наиболее резкие изменения содержания фосфора по глубине отмечены в колонках осадков с рудными прослойками. При этом максимальное в 10-15 см слое осадка содержание фосфора (особенно в растворенной форме) отмечено или в самих прослойках или в слое отложений, находящемся непосредственно под ними. Следовательно, рудные прослойки накапливают фосфор не только в твердой фазе, но и в поровом растворе, препятствуя его диффузии в вертикальном направлении или являются труднопреодолеваемым барьером для фосфатов, диффундирующих из более глубоких слоев к поверхности осадка.

Для всех колонок осадков характерно резкое уменьшение содержания фосфора в твердой фазе в слое осадка, расположенном непосредственно под наилком. Это свидетельствует об активно протекающем процессе деструкции и минерализации свежеосажденного органи-

- и -

ческого вещества на поверхности дна.

Порядок концентраций фосфора в поровых растворах и характер их вертикального распределения в осадках свидетельствуют о том, что в целом озерная экосистема находится на стадии эвтрофирования, хотя разные районы Ладожского озера в различной степени подвержены этому процессу.

На станциях, расположенных в прибрежной и деклинальной зонах озера, отмечены закономерности сезонной динамики соединений фосфора в пограничной зоне осадок-вода, типичные для большинства озер. По мере удаления от берега и увеличения глубины амплитуда сезонных колебаний уменьшается. На более глубоководных станциях открытой части озера сезонная изменчивость содержания фосфора практически не наблюдалась.

В разделе 4 дана оценка величин седиментации фосфора на дно озера и захоронения его в донных отложениях. Известно, что только часть седиментировавшего на поверхность дна фосфора захороняется в толще отложений безвозвратно. При неизменных условиях осадконакоп-ления глубже 5-10 см в осадке содержание фосфора практически постоянно или испытывает незначительные флуктуации. Таким образом, можно считать, что фосфор, находящийся в осадке глубже этого слоя, практически захороняется в осадке. Следует отметить, что захоронение нельзя считать истинной аккумуляцией, т. к. диагенетические преобразования продолжаются и в более глубоких слоях осадка, но при скоростях крайне малых по сравнению со скоростями процессов минерализации, десорбции и диффузии, т. е. главных процессов, ответственных за снижение содержания фосфора в осадке.

Расчет потоков седиментации (Б) и захоронения (В) фосфора был произведен на основе данных о содержании общего фосфора в твердой фазе отложений, скорости осадконакопления, пористости и удельной массы сухого осадка. При расчете скорости седиментации использовано содержание фосфора в наилках, захоронения - в слое осадка, глубже которого содержание фосфора практически не изменяется (в основном, слой 5-10 см).

Установлено, что темп седиментации фосфорсодержащих соединений на поверхность донных отложений и накопления в них в разных районах озера неодинаков и определяется, главным образом, условиями осадконакопления и составом седиментирующего материала. Меньше всего фосфора седиментирует на песчаных отложениях и выходах глин;

высокие величины потоков относятся к северному шхерному району, району сброса сточных вод Приозерского ЦБК, зоне максимальных глубин и Волховской губе.

Исходя из рассчитанных величин потоков составлена схема пространственного распределения величины седиментации общего фосфора на дно Ладожского озера. На станциях прибрежной зоны величины потоков варьируют в течение года в среднем в пределах 5 %, а декли-нальной - 2 %. В глубоководных зонах озера сезонные колебания величин потоков настолько малы, что ими можно пренебречь. На основе полученных величин потоков подсчитано, что в течение года на дно Ладожского озера седиментирует 3350 тонн фосфора (Бо6в-). Среднее для всего озера значение потока составляет 0.52 ± 0.01 мг Р м"2 сут.или 0.19 г Р м"2 год В таблице 1 представлено распределение величин седиментации фосфора по лимническим зонам озера

(^э ОН . ) ■

Таблица 1

Седиментация фосфора на дно Ладожского озера

Лииническая зона озера Площадь, Седиментация ^ЗОН . < я> п

км2 мг Р м"2 сут."1 т год"1

Прибрежная 3700 0.46 ± 0.02* ^ 0.01 - 4.55 620 18 12

Деклинальная 5300 0.59 ± 0.01 0.04 - 3.18 1140 34 23

Профундальная 5800 0.39 0.16 - 0. 62 830 25 10

Ультра-профундальная 3000 0.70 О.41 - 0.95 760 23 4

Все озеро 17800 0.52 ± 0.01 0.01 - 4.55 3350 100 49

над чертой представлены средние, под чертой - наибольшие и наименьшие величины для лимнических зон, полученные в

данном исследовании п - количество станций

Как видно из таблицы, наибольший размах варьирования величин седиментации фосфора отмечен в более мелководных прибрежных районах, характеризующихся большей разнородностью условий осадконакоп-ления и состава седиментирующего материала. Около трети (34 %) суммарного потока фосфора, седиментирующего в озере, приходится на деклинальную зону. Это согласуется с мнением о том, что именно деклинальная зона является местом первоначального накопления и минерализации органического вещества в гиполимнионе. Деклинальная и более мелководная часть профундальной зоны являются основными районами образования в донных отложениях рудных прослоек, которые, как было показано ранее, не только накапливают фосфор, но и являются барьером на пути вертикальной диффузии фосфора из глубже расположенных слоев отложений. Принимая во внимание этот факт, можно высказать предположение о том, что образование рудных прослоек в донных отложениях Ладожского озера является одним из механизмов самоочищения водоема от фосфора.

Средняя для всего озера доля захороняющегося фосфора составляет 74 % от его седиментации. Наименьшая доля фосфора (37-43 X) захороняется в донных отложениях высокопродуктивных районов, испытывающих сильную локальную внешнюю фосфорную нагрузку. Ежегодно на дне Ладожского озера захороняется 2475 тонн фосфора.

Удерживающая способность разных типов донных отложений Ладожского озера по отношению к фосфору неодинакова. Прослеживается тенденция уменьшения доли захороняющегося в них фосфора с увеличением степени дисперсности осадка и содержания пелитовой фракции.

Рассчитанная величина седиментации фосфора для всего озера составляет 56 %, а захоронения - 41 % от внешней фосфорной нагрузки, которая составляла в период наблюдения в среднем 6 тыс. тонн в год. Оценка, выполненная Н. И. Семеновичем.(1966) в 1959-62 гг.,

когда озеро находилось на стадии олиготрофии, показала, что седи-

- 2 - 1

ментация валового фосфора составляла 0.12 г Р м год , то есть ежегодно на дно озера оседало 2136 тонн фосфора. Учитывая то, что внешняя фосфорная нагрузка оценивалась в те годы в 2430 т год"1. можно подсчитать, что на дно озера седиментировало 88 % фосфора, поступавшего извне. Таким образом, в ходе антропогенного эвтрофи-

- и -

рования при увеличении абсолютной величины седиментации фосфора на дно водоема доля фосфора, остающегося в обороте в водной массе озера, существенно возрастает, что свидетельствует о напряженности круговорота фосфора и его дефицитности для фитопланктона в ходе развития этого процесса.

Глава 4. Поступление фосфора из донных отложений в воду Ладожского озера

Вахность поступления фосфора со дна водоемов в аэробных условиях для функционирования озерных экосистем подтверждена многочисленными исследованиями, проведенными в течение последних десятилетий. В разделах 1 и 2 главы на основе критического обзора публикаций описаны механизмы мобилизации и транспорта фосфора со дна водоема. Показано, что на мобилизацию фосфора оказывает влияние множество физико-химических и биологических процессов, которые контролируются и определяются рядом факторов окружающей среды. При этом, ключевая роль отводится микробиологическим процессам.

В основе известных в настоящее время процессов выноса соединений фосфора из донных отложений в воду лежат два транспортных механизма - молекулярная диффузия и конвективный перенос.

Диффузионный поток фосфатов через границу вода-дно, возникающий в аэробных условиях, можно представить как сумму двух потоков:

1. потока, образующегося вследствие минерализации органического вещества на непрерывно обновляющейся поверхности дна;

2. потока из глубже залегающих слоев осадка, образующегося вследствие минерализации органического вещества в толще осадка и десорбции фосфатов.

Конвективный перенос может быть вызван биотурбацией, ветровой и антропогенной турбуленцией, жизнедеятельностью макрофитов, колоний бентических водорослей, а также придонных рыб.

В период осеннего охлаждения на мелководье может наблюдаться действие конвективно-диффузионного механизма (КДМ) выноса фосфора со дна.

В разделе 3 приводится описание методов оценки поступления фосфора из донных отложений в водную массу и внутренней фосфорной нагрузки. Показано, что используемые в настоящее время методы либо неприемлемы на практике для исследования крупных глубоководных озер, либо не могут привести к решению задач данного исследования.

В разделе 4 дана оценка потоков фосфора из донных отложений Ладожского озера и величины внутренней фосфорной нагрузки.

Для оценки потока фосфора из донных отложений предложен метод, основанный на балансовом расчете потоков на границе раздела вода-дно. Седиментировавший в течение определенного промежутка времени на поверхность дна фосфор распределяется в "активном" слое отложений следующим образом: часть его захороняется в осадке, другая удаляется в воду и третья представляет собой изменение запаса фосфора. Если принять "активный" слой осадка за "черный ящик", то в стационарных условиях (что вполне допустимо при рассмотрении крупного глубоководного водоема) изменение запаса фосфора равно нулю. Следовательно, величину удаления фосфора можно оценить как разность между седиментацией на поверхность дна и захоронением на нижней границе "активного" слоя осадка. На основе этой простой модели предложен метод расчета потоков фосфора из донных отложений и внутренней фосфорной нагрузки на озеро, который заключается в том, что исходя из величин потоков, рассчитанных для конкретных станций отбора проб, составляется пространственная схема распределения потока фосфора из донных отложений озера. Далее, на основе полученной схемы можно рассчитать величины выделения фосфора из донных отложений различных зон и озера в целом.

Расчет потоков фосфора из донных отложений Ладожского озера показал, что наименьшие величины относятся к песчаным отложениям открытой части озера и выходам ленточных глин, наибольшие - к высокопродуктивным заливам в северном шхерном районе. Волховской губе, району сброса сточных вод Приозерского ЦБК и зоне максимальных глубин. Средняя для всего озера величина потока составляет 0.13 ± 3.004 мг Р м"г сут.(с учетом сезонных колебаний) или 0.05 г Р и"2 год"1. Известно, что такой порядок величин характерен для 1ресноводных водоемов мезо-эвтрофного типа. Ежегодно из донных от-тасений Ладожского озера выделяется 875 тонн фосфора (Л0б«.'- В таблице 2 представлено распределение величин потоков фосфора из юнных отложений по лимническим зонам озера (Л30Н, ).

Наибольший размах варьирования величин потоков фосфора из юнных отложений отмечен в более мелководных прибрежной и декли-)альной зонах. Это связано с большей разнородностью донных отложе-|ий, характера трансформации и механизмов выделения фосфора в вод-|ую массу в прибрежных районах. В среднем, из донных отложений

Таблица 2

Выделение фосфора из донных отложений Ладожского озера

Лимническая зона озера Площадь, Выделение ^3 ои . • ' п

2 КМ - 2 - 1 мг Р м сут. т год"1

Прибрежная 3700 0.11 ± 0.006м 0.00 - 1.36 155 18 12

Деклинальная 5300 0.15 ± 0.003 0.01 - 1.83 285 32 23

Профундальная 5800 0. 10 0.00 - 0.30 215 25 10

Ультра-профундальная 3000 0.20 0.08 - 0.37 220 25 4

Все озеро 17800 0. 13 ± 0.004 0.00 - 1.83 875 100 49

над чертой представлены средние, под чертой - наибольшие и наименьшие величины для лимнических зон, полученные в данном исследовании п - количество станций

прибрежной и деклинальной зон выделяется в воду 25 %. профундаль-ной - 26 % и ультралрофундальной - 29 % седиментировавшего фосфора. Меньше всего фосфора выделяется из глин - от 1 до 10 %, больше всего - от 40 до 57 %, из тонкодисперсных осадков в зоне максимальных глубин и в заливах северного шхерного района.

Рассчитанная величина выделения фосфора из донных отложений Ладожского озера составляет 26 % от его седиментации и 15 % от внешней фосфорной нагрузки.

Поступивший из донных отложений в водную толщу фосфор создает внутреннюю фосфорную нагрузку на водоем. Известно, что внутреннюю нагрузку можно выразить через разность между темпом седиментации

!ещества на дно озера и накопления его в отложениях. Следует отменить, что четкого определения этого понятия до сих пор нет. По-ви-1имому, наиболее правильно под внутренней фосфорной нагрузкой сле-!ует понимать поток из донных отложений в воду соединений фосфора, соторые активно включаются в биотический круговорот, т. е. это сум-!арный поток биологически доступных соединений фосфора за вычетом юсфатов, сорбирующихся на придонных взвесях и в течение короткого фомежутка времени реседиментирующих обратно в донные отложения. 1ри этом некоторая часть выделившегося фосфора транспортируется в •рофогенный слой и может быть использована для создания первичной фодукции фитопланктона, а остальной фосфор, оставаясь в гиполим-июне, может быть утилизирован микроорганизмами. (Известно, что юд биологически доступным фосфором следует понимать сумму фосфо->а, пригодного для немедленной утилизации, и фосфора, который мо-сет быть трансформирован в биологически доступную форму в ходе естественных процессов, протекающих в водоеме).

Таким образом, рассчитанное в данном исследовании поступление дасфора из донных отложений, равное 875 тоннам фосфора в год, 1редставляет собой внутреннюю фосфорную нагрузку на Ладожское озе-ю.

В разделе 5 рассмотрено формирование молекулярно-диффузионно-"0 потока из донных отложений Ладожского озера и оценена значи-юсть его составляющих. Результатами экспериментальных работ показано, что в течение вегетационного периода сажным процессом, отве-<ающим за уменьшение содержания фосфора в осадке, является минера-пизация органического вещества и диффузионное удаление фосфатов ^посредственно с поверхности отложений.

Для оценки диффузии фосфатов из толщи донных отложений была использована формула Фика. В таблице 3 представлены диапазоны изменения величин потоков Ли их доля в суммарном ютоке фосфора из донных отложений Ладожского озера

При изучении сезонной динамики потока фосфора из донных отложений установлено, что при сравнительно небольшом размахе варьирования суммарного потока фосфора из осадка в течение года происходит перераспределение относительного вклада его составляющих.

Поскольку основным источником растворенного фосфора, формиру-ощего диффузионный поток из донных отложений, является лабильное фосфорсодержащее органическое вещество, на основе величин содержа-

Таблица 3

Молекулярно-диффузионный поток фосфатов из толщи донных отложений Ладожского озера О'„„!.)

Гранулометрическая характеристика осадка Диапазон величин

¿'ям., мг Р м"2 сут."1 з- лиф /Л, %

Песок 0.00 - 0.01 0 - 25

Алевритовый ил 0.01 - 0.04 16 - 66

Алевритово -пелитовый ил 0.02 - 0.06 5 - 80

Пелитовый ил 0.01 - 0.14 2 - 95

Песок -пелитовый ил (выходы глин) 0.00 - 0.07*' 1 - 100"'

Алевритовый ил (Волховская губа) 0.12 - 0.18 32 - 55

Техногенные осадки в районе г. Приозерска 0.30 - 0.32 61 - 80

Рассчитанные величины диффузионных потоков из толщи ленточных глин, в основном, являются гипотетическими, т.к. существенно превышают суммарные потоки фосфора в водную массу. Очевидно, значительная часть фосфатов порового раствора, диффундируя вверх в толще осадка, сорбируется в верхних его слоях гидроокислами железа и глинистыми минералами, содержание которых в глинах велико.

ния органического фосфора в верхнем слое отложений и на нижней границе "активного" слоя были оценены средние величины биодеградации органического фосфора в пределах этого слоя (раздел 6). которые составляют от 0.003 мг Р м"г сут."1 до 0.531 мг Р м"2 сут."1 и превышают диффузионные потоки фосфатов из донных отложений. Прослеживается тенденция роста величины биодеградации фосфорсодержащего органического вещества при переходе от грубодисперсных осад-

ков и глин к тонкодисперсным.

В результате молекулярной диффузии из осадков удаляется только часть перешедших в поровый раствор фосфатов. Другая часть распределяется между поровым раствором и твердой фазой осадка, сорби-руясь на гидроокислах металлов, главным образом, железа. Результаты исследования соотношения окисного (Ре3+) и закисного (Ре2+) железа в донных отложениях, представленные в разделе 7, показали, что в поверхностном окисленном слое донных отложений от 20 до 32 % представлено закисными формами. Наименьшее относительное содержание Ре2+ обнаружено в рудных прослойках - от 6 до 13 %. Следовательно, в осадке, включая окисленный слой, закисное железо находится или в составе устойчивых минералов, не растворяющихся в окислительной обстановке, или в окклюдированном состоянии, то есть внутри кристаллической решетки другого минерала или молекулы органического вещества, структура которой представляет собой огромный скрученный клубок. В последнем случае на изменение окислительно-восстановительной обстановки реагируют только ассоциированные органическим веществом ионы железа, находящиеся на его поверхности. При переходе от окисленного поверхностного слоя осадка к восстановленному содержание Ре2+ увеличивается не более чем на 10-20 X, то есть основная часть (80-90 %) железа находится в донных отложениях в устойчивых формах, на состояние которых не влияет изменение окислительно-восстановительной обстановки в осадке. Доля редокс-чувствительного железа в осадке мала.

Результаты сопоставления трех методов оценки потоков фосфора из донных отложений в водную массу: 1. предлагаемого расчетного метода оценки потока как разности между седиментацией и захоронением фосфора на основе данных натурных наблюдений; 2. экспериментального метода настаивания проб донных отложений и придонной воды в лабораторных условиях и 3. расчета по формуле Фика, представленные в разделе 8. показали, что:

1. при использовании экспериментального способа оценки в лабораторных условиях в соответствии с описанной выше методикой происходит некоторая недооценка суммарного потока фосфора из донных этложений;

2. применение для расчетов формулы Фика возможно только в том :лучае, когда выделение фосфора происходит, главным образом, путем диффузии фосфатов из толщи отложений;

3. применение расчетного метода оценки потока как разности между седиментацией и захоронением фосфора на основе данных натурных наблюдений позволяет наиболее полно оценить величину суммарного потока фосфора из отложений в течение некоторого периода времени. Однако, метод не дает представления о "сиюминутной" величине потока и ее изменениях в течение непродолжительных периодов времени (дни-недели).

В разделе 9 рассмотрено формирование конвективного потока фосфора из донных отложений и оценена значимость его составляющих. Показано, что ветровому и антропогенному взмучиванию могут подвергаться значительные площади дна озера, при этом создающийся поток фосфора будет крайне неоднороден в разных районах озера. Очевидно, наибольшее выделение фосфора со дна будет наблюдаться из тонкодисперсных осадков прибрежной доны. Количественная оценка этого потока может быть дана только на основе специального исследования гидрофизических и гидродинамических процессов в зоне контакта воды и донных отложений, что выходит за рамки данного исследования.

Высшая водная растительность занимает относительно небольшую площадь (0.7 %) дна озера, поэтому связанный с ее жизнедеятельностью поток фосфора будет, по-видимому, достаточно мал.

Экспериментальные исследования влияния организмов макрозоо-бентоса на вынос фосфора из осадков показали, что на большей площади поверхности дна, за исключением глубоководных районов, в результате жизнедеятельности отдельных видов беспозвоночных (хироно-мид и амфипод) образуются потоки фосфора (главным образом, в форме взвешенного вещества) из донных отложений, соизмеримые с суммарным диффузионным потоком. При заселении участка дна и при развитии новой генерации беспозвоночных вынос фосфора из осадков может увеличиваться на порядок. Установлено, что величина возникающего при этом потока фосфора зависит от качественного состава и структуры донных отложений; видовой принадлежности беспозвоночных; физико-химических и гидродинамических условий вблизи поверхности раздела осадок-вода. На основе результатов экспериментов высказано предположение о существовании механизма влияния животных на удаление фосфора, ранее не описанного в литературе, суть которого заключается в том, что бентические организмы, передвигаясь в толще донных отложений, служат внутренним источником вибрации, в результате чего находящиеся в поверхностном слое осадка частицы с нейт-

ральной плавучестью перемещаются в придонный слой воды. Дальнейшая их судьба определяется температурными и гидродинамическими характеристиками придонного слоя.

В разделе 10 дана оценка значимости потока фосфора со дна для функционирования экосистемы Ладожского озера. В качестве критериев значимости использованы предложенные М. В. Мартыновой (1988) показатели, величины которых для Ладожского озера составляют:

2 4

1. внутренняя фосфорная нагрузка - 0. 05 г Р м год ;

2. соотношение внутренней и внешней нагрузок - 0.15;

3. коэффициент выделения фосфора со дна, равный отношению внутренней нагрузки к накоплению на дне (при этом под накоплением понимается седиментация) - 0.26;

(соотношение внутренней нагрузки и захоронения в осадке - 0.35);

4. относительный вклад потока фосфора со дна в общий запас фосфора в водной массе с учетом времени водообмена (отношение внутренней нагрузки к запасу в водной массе, умноженное на время водообмена) - 0.53. Известно, что в водоемах, где величина этого показателя превышает 0.25-0.30, роль донных отложений как внутреннего источника фосфора резко возрастает. (По-видимому, более корректно было было назвать этот показатель коэффициентом или индексом вклада, поскольку сумма вкладов потоков не равна единице.)

Анализ величин критериев значимости потока фосфора со дна Ладожского озера показал, что на современном этапе развития озера, когда оно стоит на пороге эвтрофной фазы, донные отложения играют важную роль в качестве внутреннего источника фосфора в экосистеме озера.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Содержание и соотношение форм фосфора в донных отложениях Ладожского озера определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются гранулометрическая характеристика осадка, интенсивность биологических процессов в водной массе в районе залегания осадка, содержание железа и морфометрия. Порядок концентраций фосфора в поровых растворах и характер их вертикального распределения в осадках свидетельствуют о том, что в целом озерная экосистема находится на стадии эвтрофирования, хотя разные районы Ладожского озера в различной степени подвержены этому процессу.

2. Встречающиеся в донных отложениях рудные прослойки, обогащенные соединениями железа и марганца, не только накапливают фосфор, но и являются барьером на пути вертикальной диффузии фосфора из глубже расположенных слоев отложений. Образование рудных прослоек в донных отложениях Ладожского озера следует рассматривать как один из механизмов самоочищения водоема от фосфора.

3. В пределах верхнего 10-15 - см слоя осадка от 70 до 80 % железа находится в окисной форме как в окисленном, так и в восстановленном осадке. Основная часть железа находится в донных отложениях в устойчивых формах, на состояние которых не влияет изменение окислительно-восстановительной обстановки в осадке. Доля ре-докс-чувствительного железа составляет не более 10-20 % от его общего содержания.

4. Более 50 % фосфора, поступающего от внешних источников, седиментирует на дно Ладожского озера; около 75 % седиментировав-шего фосфора захороняется в осадке, что составляет не менее 40 % от внешней фосфорной нагрузки. Около трети суммарного потока фосфора седиментирует в деклинальной зоне. В ходе антропогенного эвтрофирования при увеличении абсолютной величины седиментации фосфора на дно водоема доля фосфора, остающегося в обороте в водной массе озера, существенно возрастает, что свидетельствует о напряженности круговорота фосфора и его дефицитности для фитопланктона в ходе развития этого процесса.

5. Около четверти седиментировавшего на дно фосфора поступает обратно в водную массу озера. Внутренняя фосфорная нагрузка составляет 15 % от внешней.

6. Применение предложенного метода оценки потока как разности

между седиментацией и захоронением фосфора на основе данных натурных наблюдений позволяет наиболее полно оценить величину суммарного потока фосфора из отложений в течение некоторого периода времени (месяцы-годы).

7. Относительный вклад диффузионных и конвективных потоков, формирующихся в соответствии с различными механизмами, в общий поток фосфора из донных отложений может составлять от 0 до 100 X для различных осадков. В течение года происходит перераспределение относительного вклада составляющих суммарного потока.

8. Механизм влияния донных беспозвоночных на выделение фосфора из осадков, описанный на основе результатов экспериментального исследования, может играть определяющую роль в формировании конвективного потока, возникающего вследствие биотурбации.

9. На современном этапе развития Ладожского озера, когда оно стоит на пороге эвтрофной фазы, донные отложения играют важную роль в круговороте фосфора, являющемся решающим фактором в функционировании экосистемы озера.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Игнатьева Н.В., 1987. Некоторые факторы, влияющие на поступление фосфора из донных отложений Ладожского озера. В кн.: Элементы круговорота фосфора в водоемах, Л., "Наука',1 с. 91-99.

2. Игнатьева Н.В., 1988. Расчет величины потребления кислорода донными отложениями Ладожского озера. В кн. : Актуальные проблемы современной лимнологии. Л., с. 23-24.

3. Горелова А. В., С. П. Екимов, Н. В. Игнатьева, В. М. Рожков, 1990. Соединения железа в донных отложениях Ладожского озера. Тез. докл. конф. по прикладной Мессбауэровской спектроскопии, Казань.

4. Слепухина Т. Д., Н. В. Игнатьева, М. В. Меншуткина, 1991. Роль некоторых массовых видов зообентоса Ладожского озера в выделении фосфора из донных отложений в аэробных условиях. В кн. : Биологические ресурсы водоемов бассейна Балтийского моря (Тез. докл. XXIII научной конференции по изучению водоемов Прибалтики), Петрозаводск, с. 51-53.

5. Игнатьева Н. В.. 1992. Поступление фосфора из донных отложений Ладожского озера. В кн.: Ладожское озеро - критерии состояния экосистемы, СПб, "Наука", с. 109-118.

6. Ignatieva N. V., 1993. Арр1ication of new functional models for calculation of phosphorus fluxes from sediments. Hydrobiologia 253: 319-322.

7. Ignatieva N.V., 1996. Distribution and release of sedimentary phosphorus in Lake Ladoga. Hydrobiologia 322: 129-136.

8. Ignatieva N.V., 1997. Importance of bottom sediments in eutrophication of Lake Ladoga. In: Prospects for the European Environment beyond 2000. Seventh Annual Meeting of SETAC-Europe. Amsterdam, The Netherlands. Abstract book, p. 172.