«ЛАДОГА Публикация осуществлена на средства гранта Всероссийской общественной организации Русское географическое общество Санкт-Петербург 2013 26 УДК 504 Под редакцией Академика РАН, проф. В.А.Румянцева д-ра физ.-мат. ...»

Пространственно-временная изменчивость гидродинамических процессов (системы течений, волнения и др.) определяется взаимодействием поверхности воды и атмосферы, динамикой втекающих в озеро притоков, а также внутриводоемными процессами. В период ледостава течения в основном определяются режимом притоков и стока рек. Весной под воздействием ветра и формирующейся термической стратификации система течений имеет сложный характер с тенденцией к формированию генеральной циклонической циркуляции. В летний период стратификация в озере устойчива, поэтому в озере доминируют внутренние волны, струйные течения, а вертикальный обмен ниже слоя скачка ослаблен. Осенний период — это сезон максимальных скоростей ветра, в этот период особое значение приобретают апвеллинги. В прибрежной зоне наибольшие скорости течений приурочены к району устьев рек Свирь, Волхов, Вуокса; здесь же наблюдаются наибольшие пульсации течений.

В период нагревания озера во время существования термической фронтальной зоны (термобара) пространственное распределение температуры поверхности воды определяется распределением глубин. При этом гидрофизические и химико-биологические процессы зависят от прохождения термобара. На глубинах ниже 50 м в период с середины июня по начало октября практически не ощущается влияния межгодовой изменчивости температуры воды. В силу циклонической циркуляции в период развитой стратификации температура воды восточного берега обычно выше температуры воды западного берега.

В зимний период ледовый режим Ладожского озера во многом определяет термические и динамические характеристики на поверхности озера и в его толще. Выявлены основные фазы ледового режима и установлены связи их с температурой воздуха на основе многолетнего ряда дистанционных данных о покрытости льдом поверхности озера, оценены тренды в датах и продолжительности ледовых явлений.

Прозрачность воды Ладожского озера является регулятором проникновения света вглубь водной толщи. Сезонный ход прозрачности неоднороден в отдельных районах озера, особенно он ярко выражен в глубоководной части озера с минимумов в августе. Выявлены отрицательные тренды изменения прозрачности воды в Ладоге за период инструментальных наблюдений (до 2 см год-1).

Химический состав воды Ладожского озера и его гидрохимический режим определяются поступлением веществ с водосбора, происходящими в озере гидрологическими процессами, функционированием озерной биоты. Одним из основных факторов, определяющих неоднородность лимнических процессов в разных частях акватории озера, является морфометрия озерной котловины. В связи с этим, гидрохимическая характеристика озера дается на основе морфометрического районирования по следующим зонам (Гусаков, Тержевик, 1992):

прибрежной, деклинальной, профундальной и ультрапрофундальной (рис. 3.1.4).

Ладожское озеро характеризуется очень низкой минерализацией воды. Среди крупных озер России меньшее значение этого показателя имеет только вода Онежского озера.

Основными причинами, определяющими малую минерализацию воды озера, являются климатические условия его бассейна, обеспечивающие хорошую промытость почв и грунтов, геологическое строение бассейна и состав пород, слагающих его. Ладожское озеро расположено в зоне избыточного увлажнения, большая часть его бассейна находится в пределах Балтийского кристаллического щита.

Водосборный бассейн Ладожского озера объединяет систему трех озер: озера Сайма, сток которого происходит по реке Вуокса (Бурная), Онежского озера, дающего начало реке Свирь, и озера Ильмень, из которого вытекает река Волхов. Сток этих рек формируется в основном за счет указанных озер.

Главная роль в формировании химического состава воды озера принадлежит речному стоку, который дает почти 85% приходной части водного и свыше 95% химического баланса озера (Алекин, 1953). Вынос химических веществ с водой рек в озеро можно рассматривать как интегральный показатель природных условий водосбора и хозяйственной деятельности на его территории. Поэтому минерализация воды озера (60–65 мг л-1) близка к средней минерализации воды трех главных притоков озера — рек Свирь, Бурная и Волхов, объем водного стока которых в сумме дает около 80% речного притока в озеро. Первые две реки очень слабо минерализованы, общая концентрация главных ионов (и) в них ниже, чем в озере, и равна 37, мг л-1 для первой реки и 27,3 мг л-1 для второй. Третий главный приток озера — река Волхов — имеет значительно более минерализованные воды, и = 121,4 мг л-1 (средневзвешенные концентрации по стоку) (Соловьева, 1967).

Общими чертами химического состава речных вод Ладожского бассейна являются невысокая минерализация, гидрокарбонатно-кальциевый состав, превышение сульфатных ионов над хлоридными. Химический состав воды рек определяется, с одной стороны, общностью основных климатических условий региона, с другой — неоднородностью геоморфологического строения, состава слагающих пород, различиями в составе и объеме подземной составляющей стока, озерностью и заболоченностью отдельных частей бассейна. Значительные нарушения в естественном гидрохимическом режиме рек происходят в результате хозяйственной деятельности человека. Различия геологического строения и состава пород, слагающих северную и южную части бассейна Ладожского озера, определяют региональную неоднородность минерализации и состава воды притоков озера.

Минимальной минерализацией воды характеризуются реки, водосборы которых сложены преимущественно кристаллическими породами Балтийского щита, перекрытыми толщей четвертичных отложений небольшой мощности. Основные типы почв здесь подзолистые. Сток рек характеризуется высокой степенью естественного и искусственного регулирования. Все это обусловливает низкую природную концентрацию большинства химических компонентов в их воде. Сюда относятся два главных притока — реки Свирь и Вуокса (река Бурная и северный рукав — река Вуокса), реки северного, северо-восточного и восточного побережья. К этой группе относятся реки Янисйоки, Уксунйоки, Тулемайоки, Видлица, Тулокса, Олонка.

Минерализация воды в большинстве рек не превышает 50–60 мг л-1.

Повышенная минерализация свойственна воде рек юго-восточного и южного побережья, водосборы которых сложены осадочными породами (реки Волхов, Паша, Оять, Сясь, Авлога).

Наиболее высокой минерализацией воды выделяются реки Волхов и Сясь, средняя минерализация воды в них выше 100 мг л-1, верхний предел достигает 200–300 мг л-1 и более.

Водосбор Волхова сложен мощной толщей четвертичных отложений, залегающей на палеозойских осадочных породах, зарегулированность стока невелика. Южная часть Ладожского водосбора (бассейны рек Волхов и Сясь) является наиболее развитой в хозяйственно-экономическом отношении. Сочетание природных и антропогенных факторов создает условия, при которых доминирующая роль в выносе многих химических веществ с речным стоком принадлежит Волхову.

Минерализация воды притоков Ладожского озера возрастает с севера на юг от 25–40 до 200–300 мг л-1 (межень), амплитуда сезонных изменений ее увеличивается в 3–5 раз (табл. 5.1.1) (Соловьева, 1967, Расплетина и др., 2006).

Пределы общей минерализации (и) в воде притоков Ладожского озера Косвенной характеристикой суммы ионов является электропроводность воды. Этот показатель, как правило, имеет прямую связь с минерализацией воды, что хорошо видно из данных табл. 5.1.2.

Значения удельной электропроводности (УЭП) и общей минерализации (и) воды притоков Как отмечено выше, главная роль в формировании химического состава воды озера принадлежит речному стоку, который определяет величину его средней минерализации и является причиной пространственной неоднородности состава воды. В целом пределы колебания концентраций отдельных ионов в различных частях озера отличаются между собой незначительно, исключение составляют лишь воды Волховской и Свирской губ и некоторых районов западного прибрежья Ладожского озера.

Воды южного залива озера — Волховской губы, в которую впадают реки Волхов и Сясь, значительно отличаются от остальных районов более высокими верхними пределами концентраций компонентов состава воды. Что касается Свирской губы, в которую вносит свои воды река Свирь, имеющая менее минерализованные воды, чем озеро, ее химический режим очень неустойчив и зависит от ветровой обстановки. При штиле и ветрах восточных направлений здесь преобладают воды реки Свирь. При ветрах западной составляющей волховские воды, распространяющиеся в озере вдоль восточного побережья, попадают в Свирскую губу, значительно повышая минерализацию ее воды. На западном берегу на прибрежных станциях, находящихся под влиянием рек Бурная и Вуокса величины минерализации также иногда отличаются от среднего состава воды озера. В этих же районах периодически можно наблюдать и значительную вертикальную неоднородность состава воды озера, которая возникает под влиянием различных метеорологических условий. В качестве примера на рис. 5.1.1 приведены значения концентраций гидрокарбонатного иона на станциях, принадлежащих западному и восточному берегу и Волховской губе. Гидрокабонатные ионы являются главным компонентом химического состава воды (> 50 экв. %) и поэтому являются лучшим индикатором распространения вод притоков в толще воды Ладожского озера. Среднее значение концентрации HCO3- в воде Ладожского озера составляет 31,5 мг л-1.

С нсоз, мг л

VII VI IX VIII

VII V VII VIII VII VI VI VIII

Рис. 5.1.1. Содержание гидрокарбонатного иона в различных частях Ладожского озера.

а) Содержание НСО3- на западном берегу Ладожского озера (близ реки Бурная).

б) Содержание НСО3- на восточном берегу Ладожского озера (Свирская губа).

в) Содержание НСО3- в Волховской губе (близ реки Волхов).

Как видно из рис. 5.1.1, содержание гидрокарбонатных ионов значительно варьирует на данных станциях, вертикальная стратификация очень неустойчива и может меняться на обратную.

Основная водная масса Ладожского озера обладает большой гидрохимической инертностью и сравнительной однородностью. Даже в большинстве заливов северной, шхерной части озера концентрации всех главных компонентов ионного состава воды мало отличаются от озера. Одной из причин однородности состава воды Ладожского озера является низкое соотношение объемов притока и озера, которое составляет 1:13. Другой причиной малой изменчивости химического состава воды по акватории является большая динамичность водных масс. Помимо сезонных вертикальных циркуляций, охватывающих всю толщу воды, перемешивание воды осуществляется под воздействием постоянно действующего плотностного и периодически возникающих ветровых течений. Изменения химического состава воды по вертикали для большей части озера невелики (Расплетина и др., 1967).

Сравнительная однородность Ладожского озера позволяет произвести расчет среднего состава воды. Ниже, на рис. 5.1.2 и 5.1.3 приведены значения общей минерализации (и) и ионный состав основной водной массы Ладожского озера в 1960 г. и с 1990 по 2010 г. При определении основных компонентов ионного состава использовались преимущественно (Руководство…, 1977). Анализировалась нефильтрованная вода.

Рис. 5.1.2. Общая минерализация (и) воды Ладожского озера (1960–2010 гг.).

Рис. 5.1.3. Ионный состав основной водной массы Ладожского озера (1960–2010 гг.).

Как видно из рисунка 5.1.2, в 1960 г. величина средней минерализации была около 55 мг л-1, в 1970-х – 1980-х гг. она имела тенденцию к повышению и в 1991–1998 гг. составляла в среднем 63,7 мг л-1, т. е. возросла в 1,2 раза. Наибольшие значения минерализации были отмечены в 2001–2004 годах (до 71,6 мг л-1), после чего наметилась тенденция к уменьшению до уровня 1990-х гг. Межгодовые изменения в концентрациях главных ионов, хорошо заметные на рисунке 5.1.3, по-видимому, связаны, с одной стороны, с колебаниями речного притока, а с другой — с антропогенным воздействием.

Антропогенное влияние на ионный состав воды Ладожского озера можно проследить по изменению соотношения между концентрациями основных ионов в разные годы. На рис. 5.1. хорошо заметно увеличение доли ионов Na+, K+, SO42- и Cl- в основном ионном составе воды озера в 2000-х гг. по сравнению с 1960 г., которое, безусловно, связано с хозяйственной деятельностью на территории водосбора. Наиболее заметный рост относительного содержания этих ионов был отмечен в 2001–2004 гг.

Рис. 5.1.4. Средний ионный состав воды Ладожского озера (экв. %) в разные годы а) 1960; б) 2001–2004; в) 2004–2009 гг.

Сделана попытка связать величину минерализации и среднегодовой уровень воды (Hср Б.С.) Ладожского озера (Догановский, 2006). На рис. 5.1.5 представлен многолетний ряд значений общей минерализации, удельной электропроводности и среднегодовой уровень воды Ладожского озера. Между величинами УЭП и и воды озера существует прямая пропорциональная зависимость, поэтому вместо значений общей минерализации могут быть использованы данные наблюдений за УЭП, поскольку их значительно больше, чем сведений об общей минерализации воды. На изменение минерализации (или УЭП) Рис. 5.1.5. Минерализация (и), удельная электропроводность (УЭП), среднегодовой уровень Ладожского озера (Нср Б.С.) и линии их тренда.

1 — УЭП; 2 — Нср; 3 — и воды в озере влияют многолетние колебания речного притока, вызывая ее рост в маловодные фазы внутривековых циклов увлажненности и уменьшение в многоводные. Вследствие большой гидрохимической инертности озера изменение химического состава воды отстает от хода уровня воды, однако, обратнопропорциональная зависимость минерализации (или УЭП) от среднегодового уровня воды озера просматривается, особенно в период 2000–2011 гг.

Кислород. Главной чертой кислородного режима Ладожского озера, холодноводного димиктического водоема, является высокое содержание растворенного в воде кислорода в течение всего года. До конца 70-х гг. XX в. относительное содержание растворенного кислорода в глубоководной части озера по всему столбу воды было близко 100% насыщения (95–100%), в период летней температурной стратификации абсолютное содержание растворенного кислорода возрастало с глубиной. При этом пересыщение в трофогенном слое, обусловленное как процессами фотосинтеза, так и явлением гистерезиса при быстром прогреве воды, не превышало 110–120%. В гиполимнионе в течение всего лета относительное содержание кислорода не опускалось ниже 95%, т. е. биохимические процессы деструкции органического вещества не играли заметной роли в расходовании растворенного кислорода.

К концу 1970-х гг. произошла перестройка озерной экосистемы в связи с нарушением соотношения продукционно-деструкционных процессов, вызванным развитием процесса эвтрофирования. Однако, несмотря на увеличение продуктивности озера, его кислородный режим еще оставался близким к наблюдавшемуся в 1960-х гг. Сезонная динамика этого показателя определялась в основном температурным режимом озера, хотя пересыщение воды кислородом наблюдалось чаще, чем в предыдущие годы и расширился диапазон колебания его относительных значений. Летом, в момент интенсивной фотосинтетической деятельности фитопланктона, в трофогенном слое относительное содержание кислорода могло достигать 120– 130% насыщения, что на 10–20% больше, чем в предыдущий период. В гиполимнионе глубоководных зон в придонных горизонтах относительное содержание кислорода могло снижаться до 85–95%, что свидетельствовало о возросшей деструкции органического вещества в придонных горизонтах (Расплетина, 1982а).

С начала 1980-х гг. внутриводоемные процессы, связанные с трансформацией органического вещества, стали отражаться на кислородном режиме озера. Весной в теплоактивной области значения относительного содержания кислорода могли достигать 120– 130%, что говорит об интенсивном процессе фотосинтеза (рН 8,0–8,6), в то же время в теплоинертной области относительное содержание кислорода в поверхностном слое воды могло снижаться до 90% насыщения и ниже, что ранее не наблюдалось. Летом относительное содержание кислорода в поверхностных слоях воды могло достигать еще больших значений — 130–135% насыщения (при значениях рН 8,6–9,3). В этот период впервые было отмечено летнее снижение относительного содержания кислорода до 85% в придонном горизонте по линии прохождения тридцатиметровой изобаты. Это снижение было связано с тем, что, вследствие существования весеннего термического бара, воды прибрежной зоны, обогащенные аллохтонным и автохтонным органическим веществом, не могут проникать в центральную часть озера. На границе фронта термобара за счет конвекции они опускаются в придонные слои, и органическое вещество вовлекается в придонные горизонты, где летом подвергается деструкции (Трегубова, Кулиш, 1987). Процесс снижения содержания кислорода в гиполимнионе продолжался до периода осеннего перемешивания водных масс.

С 1990-х гг. и до настоящего времени продолжают проявляться те же особенности кислородного режима Ладожского озера, которые впервые были отмечены в 1980-х гг. Однако в этот период даже при активном фотосинтезе относительное содержание кислорода в поверхностных слоях воды обычно не превышает 105–107%. Особенности кислородного режима озера на современном этапе можно рассмотреть на примере 2007–2009 гг. (таблица 5.2.1).

Пределы абсолютного (мг л-1) и относительного (% насыщения) содержания кислорода Зона озера Деклинальная Профундальная Деклинальная Профундальная Деклинальная Профундальная Ультрапрофундальная 10–дно 12,0–12,2 94–98 9,3–12,1 87–100 11,0–11,9 88– Весной в теплоинертной области относительное содержание кислорода по всему столбу воды составляет от 92 до 99% насыщения. Значительное пересыщение поверхностных слоев воды (114–132%), отмеченное весной 2009 г. практически на всех станциях отбора проб, объясняется явлением гистерезиса при быстром прогреве воды. При этом значение рН в поверхностном горизонте в основном не превышало 7,8–7,9, а абсолютное содержание кислорода находилось в тех же пределах, что и в предыдущие годы (2007 и 2008 гг.).

Летом, несмотря на достаточно активную фотосинтетическую деятельность фитопланктона (судя по значениям рН 7,90–8,10), относительное содержание кислорода в поверхностных слоях воды находится в пределах 79–110%, в гиполимнионе оно составляет 76– 105%. Отчетливо выражено повышение абсолютного содержания кислорода по вертикали от поверхностных слоев воды к придонным.

Осенью, при установлении гомотермии, примерно до глубины 50 м содержание кислорода выравнивается и составляет 82–103% насыщения. В придонных слоях относительное содержание кислорода продолжает снижаться и в самой глубоководной части озера, на глубинах 150–200 м, составляет 79–100% насыщения.

В мелководных районах озера в течение всего периода наблюдений относительное содержание кислорода чаще всего однородно по вертикали. Пониженное содержание кислорода (75–94%) постоянно отмечается на участке вблизи устья реки Волхов, что обусловлено повышенным расходом кислорода на деструкцию органического вещества разного генезиса, в значительном количестве поступающего сюда с речными водами.

Водородный показатель (рН). Гидрохимические исследования, выполненные на реках ладожского водосбора в 2000–2005 гг., показали, что водородный показатель вод большинства притоков озера, в основном, находится в интервале значений, характерных для нейтральных вод (рис. 5.2.1).

Зеленые линии — амплитуды значений рН в 1959–1962 гг.

Красные линии — амплитуды значений рН в 2000–2005 гг.

Рис. 5.2.1. Амплитуды значений рН в периоды 1959–1962 гг. и 2000–2005 гг.

Река Свирь — один из главных притоков озера, типичная озерная река, и основные черты ее гидрохимического режима определяются режимом олиготрофного Онежского озера.

Значение рН воды реки близко к нейтральному и изменяется от 6,55 до 7,40. Второй по водности и самой зарегулированной рекой ладожского водосбора является река Вуокса (Бурная). Она делится на два рукава – основной южный, в нижнем течении называемый рекой Бурная, и северный, впадающий в Ладожское озеро в районе г. Приозерск. Значение рН воды близко к значениям, отмеченным для реки Свирь, наибольшие значения (7,5) связаны с фотосинтетической деятельностью фитопланктона в озерно-речной системе. Воды реки Волхов по химическому составу отличаются от вод двух других главных притоков озера более высокой минерализацией и широкой амплитудой ее колебания. Значение рН в течение года меняется от 7,2 до 7,9 при отсутствии отчетливого сезонного хода. Водам малых западных, северо-западных и северных притоков (Хиитолан, Иййоки, Мийнола, Тохмайоки, Янисйоки, Уксунйоки) свойственна нейтральная реакция среды. Верхний предел значения рН для большинства рек не превышает 7,5. Во время паводков, особенно весеннего, значение рН снижается: в реках с преобладанием озерного питания — до 6,5–6,6, а в реках с заболоченными бассейнами и слабозарегулированным стоком — до 5,7. Малые притоки восточной части бассейна Ладожского озера (реки Тулема, Видлица, Тулокса, Олонка) также характеризуются нейтральной реакцией (в среднем), несмотря на сильную заболоченность их водосборов. В межень рН воды может существенно возрастать, достигая 7,6–8,1, во время паводков в реках Олонка и Видлица рН снижается до 6,1–6,2, а в Тулоксе до 5,8. Водосборы восточных и юговосточных притоков (реки Паша, Оять, Сясь) характеризуются низкой озерностью, слабой зарегулированностью стока, высокой заболоченностью. Несмотря на то, что вода притоков отличается высокими значениями минерализации и гидрокарбонатности (особенно во время межени), значения рН достаточно низкие (в среднем 7,5), но в период межени рН может повышаться до 8,0 и выше. Малые притоки южного побережья (реки Лава, Назия) также характеризуются высокой минерализацией, что обусловливает слабощелочную реакцию их вод и высокие значения рН в межень.

На диаграммах, построенных на основе результатов гидрохимических исследований, проведённых в 1960-х и в 2000–2005 гг. (Соловьева, 1967, Расплетина и др., 2006) (рис. 5.2.1), хорошо видны изменения как в абсолютных величинах, так и в амплитудах значений рН, произошедшие за последние 50 лет. Процесс эвтрофирования характерен для всех притоков, что видно по увеличившимся минимальным, средним и максимальным значениям рН.

Наименьшие изменения в значениях рН отмечены в реках Янисйоки, Вуокса, Бурная, Свирь, что объяснимо их зарегулированностью системой озер и плотин и высокими расходами воды.

Кроме того, водосбор Янисйоки характеризуется незначительной освоенностью. Водам северных малых притоков от Хиитолан до Олонки в 1960-е гг. была свойственна слабокислая реакция, верхние пределы значений рН практически не превышали 7,0. В настоящее время классифицировать их воды как нейтральные.

Наибольшие изменения произошли в реках восточного и северо-восточного побережья (реки Тулема, Тулокса, Олонка, Оять, Паша), в малых реках северного и северо-западного (Иийоки и Уксунйоки), южного и юго-западного побережий (реки Лава, Назия, Морье и Авлога), что является следствием высокой антропогенной нагрузки на их водосборы. Процесс антропогенного эвтрофирования наиболее заметен на малых реках вследствие их большей уязвимости.

Значения рН воды Ладожского озера близки наблюдаемым в других крупных олиготрофных озерах, имеющих значительные глубины, и могут считаться характерными для этого типа озер. Так, например, в озере Байкал рН в поверхностных слоях воды находится в пределах 7,4–8,1, в придонных слоях — 7,0–7,1, в озере Телецкое рН изменяется от 7,3 до 7, (Расплетина и др., 1967).

В течение 2005–2009 гг. значение рН воды Ладожского озера изменялась в пределах 6,7– 9,0, при преимущественных значениях 7,30–7,60. Если в 1980-х гг. значения рН в период развития фитопланктона в трофогенном слое часто достигали 8,5 и более, при нижней границе 7,3–7,4, то в 2006–2008 гг. даже в период интенсивного развития фитопланктона рН редко превышало 8,0. Только в конце июля 2005 г. на отдельных участках озера значение рН в поверхностных слоях воды достигало 8,4, при 7,3–7,8 в остальной водной массе. В 2006 г. в ходе полевых исследований в летний период значение рН, превышающее 8,0, встретилось 6 раз, (максимальное значение 8,6), а в 2007–2008 гг. — 5 раз, при этом максимальное значение рН не превышало 8,1. Такое снижение максимальных значений рН в летний период связано с пониженными величинами средней биомассы фитопланктона в 2007 и 2008 гг. по сравнению с 2006 г. Так, величина биомассы фитопланктона в 2006 г. была примерно в 1,5 раза больше, чем в 2008 г. В феврале 2009 г. значение рН воды было наиболее низким и изменялась от 6,7 до 7,0, в начале мая рН увеличилось до 7,4–7,5. В июне рН изменялось от 6,95 до 9,0 при преимущественных значениях 7,2–7,4. Максимальные значения рН отмечались преимущественно в озерной части южного района (Волховская губа) и в центральном районе в поверхностных слоях воды в летний период, что связано, вероятно, с интенсивным развитием фитопланктона. Наибольшие значения рН наблюдались на участках, подверженных влиянию рек Бурная и Вуокса. В осенний период значения рН были практически постоянными от поверхности до дна и находились в пределах 7,1–7,4. В целом, значения рН укладываются в пределы, характерные для различных сезонов для крупного глубоководного низкопродуктивного озера.

Гидрохимические исследования Ладожского озера и его притоков, включающие изучение режима биогенных элементов, проводились Институтом озероведения РАН в 1959– 1961 гг. и с 1976 г. по настоящее время, и их результаты были подробно изложены в ряде публикаций (Соловьева, 1967; Расплетина и др., 1967, 1987, 2002, 2006; Антропогенное эвтрофирование…, 1982; Современное состояние…, 1987; Ладожское озеро…, 1992;

Расплетина, Сусарева, 2002; Расплетина, 2004). Исследования на реках северной части водосбора озера выполнялись также Институтом водных проблем Севера КарНЦ РАН (Харкевич, 1964; Курапцева, 1980; Лозовик, 1998, 2006). С начала 1990-х гг. и по настоящее время наблюдения на реках выполнялись недостаточно регулярно и не охватывали все гидрологические сезоны, поэтому оценку выноса биогенных элементов с речным стоком в эти годы можно рассматривать только как ориентировочную. При расчете поступления веществ в озеро с речным притоком использовались данные Росгидромета о расходах воды. В последние годы в связи с недостаточным количеством наблюдений на реках рассчитать величину поступления биогенных элементов в озеро не представляется возможным.

Соединения фосфора. Фосфор – важнейший биогенный элемент, формирующий уровень первичной продукции в водоеме. Содержание фосфора в воде озера зависит от поступления его с водосбора и протекающих в озере внутриводоемных процессов.

Концентрации форм фосфора в воде определялись в соответствии с методиками, разработанными Союзом стандартизации Финляндии (SFS): неорганический фосфор (IP) — спектрофотометрическим модифицированным молибдатным методом Мерфи и Райли с использованием аскорбиновой кислоты в качестве окислителя (SFS 3025); общий фосфор (TP) — окислением органических соединений фосфора персульфатом калия в присутствии серной кислоты с последующим определением фосфатов (SFS 3026).

Поверхностные воды бассейна в их естественном состоянии содержат мало фосфора, так как коренные породы, рыхлые отложения и подзолистые почвы, слагающие ладожский водосбор, бедны его соединениями. Особенно малы концентрации фосфора в области развития кристаллических пород. Однако хозяйственная деятельность на территории водосбора озера привела к росту содержания фосфора в воде рек. Данные о содержании общего фосфора в воде рек в 2001–2011 гг. приведены в табл. 5.3.1.

Пределы концентраций общего фосфора (мкг Р л-1) в воде основных притоков Ладожского Притоки Ладожского озера можно разделить на три группы, отличающиеся по содержанию фосфора в их воде (Расплетина и др., 2006). К первой группе относятся реки, концентрация общего фосфора в воде которых, как правило, не превышает 50–60 мкг Р л-1, а чаще бывает ниже 30–40 мкг Р л-1. Это реки Свирь, Бурная, Янисйоки, Тулемайоки, Видлица.

Вторая группа включает реки с содержанием общего фосфора в воде, преимущественно, в диапазоне 80–140 мкг Р л-1, причем минимальная концентрация может составлять 15–40 мкг Р лК этой группе относятся реки восточного побережья — Тулокса и Олонка, и притоки юговосточного побережья — Паша, Оять и Сясь. Повышенные концентрации общего фосфора в воде рек второй группы, очевидно, обусловлены значительной сельскохозяйственной освоенностью территории, особенно бассейнов Олонки и Тулоксы. Фосфор в воду этих рек поступает в основном от рассеянных антропогенных источников.

Наибольший антропогенный пресс испытывают малые реки южного и юго-западного побережья — Назия, Морье и особенно Авлога. Содержание общего фосфора в воде реки Морье в 2001–2005 гг. изменялось от 90 до 275 мкг Р л-1, реки Авлога — от 335 до крайне высоких значений — 3250 мкг Р л-1, максимальные концентрации отмечались в 2001 г. В 2007 г.

концентрации общего фосфора в воде рек Морье и Авлога снизились до 80–100 мкг Р л-1 и 380– 484 мкг Р л-1, соответственно. В 2011 г. концентрация общего фосфора в реке Морье осталась на уровне 2007 г. (78–144 мкг Р л-1), в реке Авлога снизилась до 258–347 мкг Р л-1, в реке Назия она составляла 91–121 мкг Р л-1.

Вода реки Волхов всегда отличалась повышенным содержанием фосфора и была главным источником его поступления в озеро с водосбора. Это обусловлено как особенностями природных условий бассейна, так и наиболее развитым хозяйством в южной части Ладожского водосбора. Наиболее высокие концентрации общего фосфора наблюдались в воде Волхова в конце 70-х – середине 80-х годов XX в. Со второй половины 1980-х гг. содержание фосфора в реке снизилось и в 2000–2004 гг. составляло 45–160 мкг Р л-1. В 2005 г. активизировалась деятельность ОАО «Волховский алюминий», что привело к повышению содержания общего фосфора в воде Волхова осенью 2005 г. и летом 2006 г. до 334–380 мкг Р л-1. С декабря 2006 г.

содержание общего фосфора в сточных водах ОАО «Волховский алюминий» существенно снизилось и составило в конце 2006 и в 2007 г. 10–30 мкг Р л-1 против 400–500 мкг Р л-1 в 2005– 2006 гг. В результате содержание общего фосфора в воде Волхова уменьшилось до значений 2000–2004 гг. и в 2007–2011 гг. изменялось в пределах 57–83 мкг Р л-1.

Анализ многолетнего ряда наблюдений на притоках Ладожского озера показал, что в содержании фосфора в воде рек, а, следовательно, поступлении его в озеро, произошли существенные изменения, связанные с антропогенным воздействием на его водосбор. В начале 1960-х гг., когда антропогенное воздействие на водосбор было небольшим, вынос фосфора в озеро с водой притоков был близок 1,8 тыс. т Р год-1. Интенсификация хозяйственной деятельности на водосборе привела к резкому увеличению поступления фосфора в озеро с водой рек. В результате, в конце 1970-х – начале 1980-х гг. оно составляло 6—7 тыс. т Р год-1 и приблизилось к расчетному «критическому» уровню для Ладожского озера (Расплетина, Гусаков, 1982; Гусаков, 1987). Проведение водоохранных мероприятий на водосборе Ладожского озера в 1980-х гг. и снижение антропогенного пресса на территорию в 1990-х гг.

способствовало тому, что, начиная с 1992 г. происходило снижение поступления фосфора и с 1996 по 2003 г. оно составляло 2,4–3,9 тыс. т Р год-1. В 2004–2005 гг. его поступление снова выросло до почти 5 тыс. т P год-1 и приблизилось к значениям начала 1990-х гг. С 2006 г.

поступление фосфора вновь снижается и колеблется в пределах 2,5–3 тыс. т Р год-1 (рис. 5.3.1).

Рис. 5.3.1. Поступление общего фосфора в Ладожское озеро с речным стоком.

На поступление общего фосфора в озеро с речным притоком оказывает влияние водность года (рис. 5.3.2). Вынос фосфора был наименьшим в 1996 г. Этот год характеризовался не только крайне низкой водностью, но и минимальным водным стоком реки Волхов (Расплетина и др., 2002). В многоводные 2004 и 2005 гг., напротив, поступление общего фосфора с водой рек приближалось к значениям начала 1990-х гг. Однако это обусловлено не только высокой водностью года, но и повышенными концентрациями фосфора в воде Волхова и ряда рек собственного водосбора (табл. 5.3.1). Основной вклад в бюджет фосфора Ладоги вносят реки Волхов (40–64%), Свирь (10–26%) и Бурная (7–23%), чему способствует их значительная роль в объеме речного притока. Остальные реки водосбора дают около 13–19% фосфора (рис. 5.3.2). С водами Невы из озера выносится около 40% фосфора, поступающего с речным стоком.

Рис. 5.3.2 Вклад притоков в общее поступление фосфора в Ладожское озеро с речным стоком (средний % за период 1976–2005 гг.).

Внешняя фосфорная нагрузка на Ладожское озеро складывается из поступления фосфора сбрасываемыми непосредственно в озеро, и из рассеянных источников. Доля речного стока в общем выносе фосфора в озеро составляет 85–95% и определяет величину внешней фосфорной нагрузки. В 60-х годах XX в. внешняя фосфорная нагрузка составляла 0.14 г Р м-2 год- (Расплетина и др., 1967), в конце 1970-х – начале 1980-х гг. она выросла до 0,38–0,45 г Р м-2 годчто приближалось к «критической» величине для Ладожского озера — 0,42 г Р м-2 год- (Расплетина, Гусаков, 1982). В дальнейшем фосфорная нагрузка на озеро снижалась. В 1996– 2003 гг. она составляла 0,16–0,23 г Р м-2 год-1, что соответствует допустимому уровню нагрузки, приближается к уровню 1960-х гг. (рис. 5.3.3).

Рис. 5.3.3. Внешняя фосфорная нагрузка (Lp) на Ладожское озеро и среднегодовой уровень воды (Нср) в озере: 1 — среднегодовой уровень воды, 2 — внешняя фосфорная нагрузка.

Доля неорганического фосфора от его общего содержания изменяется в водах рек в широких пределах от 10–20% до 70–80% и более. Минимальные концентрации неорганического фосфора отмечаются в реках озерного питания — Свири, Бурной, Янисйоки, а также в истоке реки Нева (табл. 5.3.2).

Пределы концентраций неорганического фосфора (мкг Р л-1) в воде основных притоков В начале 60-х гг. прошлого века Ладожское озеро было олиготрофным водоемом, низкое содержание фосфора в котором лимитировало развитие фитопланктона. Концентрация неорганического фосфора в воде озера изменялась от 1 до 25 мкг Р л -1 при среднегодовом содержании 3 мкг Р л-1, среднее содержание общего фосфора составляло 10 мкг л-1 (Расплетина и др., 1967; Расплетина, Гусаков, 1982). Избыточное поступление фосфора в Ладожское озеро с конца 1960-х гг. от антропогенных источников привело к резкому увеличению его содержания в воде и перестройке озерной экосистемы. Максимальные концентрации TP в воде озера наблюдались в 70-х гг. прошлого века. В дальнейшем, в результате снижения поступления фосфора, уменьшилась и концентрация его в воде водоема. Если в среднем за 1976–1980 гг.

содержание общего фосфора в воде озера было равно 26 мкг Р л-1, то уже с начала 1980-х гг.

было отчетливо выражено снижение его концентраций.

В первой половине 1980-х годов средняя концентрация общего фосфора была на уровне 23–24 мкг Р л-1, в 1988–1992 гг. — 20–21 мкг Р л-1, затем происходит дальнейшее снижение до 16–18 мкг Р л-1. Исключением стали 1999–2000 гг., когда повышенные концентрации фосфора наблюдались практически по всей акватории в летний период (Расплетина, Сусарева, 2002). В 2001–2006 гг. средняя за период открытой воды концентрация общего фосфора в озере составляла 14 мкг Р л-1. Наибольшее среднее значение (17 мкг Р л-1) отмечалось в 2001 г., далее средняя концентрация ТР в весенне-летний период составляла 13–14 мкг Р л-1. С начала 2005 г.

резко возросла концентрация общего фосфора в воде реки Волхов (до 350 мкг Р л-1), следствием чего явилось небольшое повышение его концентрации в воде озера в 2005–2006 гг. К осени 2006 г. концентрация ТР в воде Волхова снизилась до значений 2003 г., результатом этого явилось снижение среднего содержания ТР в озере. В 2007 и 2009 гг. среднее значение концентрации ТР опустилось до 11 мкг Р л-1, что остается минимальным для всего периода наблюдений с 1976 г. (рис. 5.3.4).

Одновременно с общей тенденцией снижения содержания фосфора в воде озера сузились и пределы изменения его концентраций. Если в 1976–1980 гг. минимальные концентрации отличались от максимальных почти в 20 раз (Расплетина, Сусарева, 2002), то в 2001–2005 гг.

разница между ними сократилась до 2–4 раз. По данным 2007–2010 гг., в воде глубоководных зон разница между максимальными и минимальными значениями ТР обычно составляет 5– мкг Р л-1 и менее.

Рис. 5.3.4. Тенденции изменения средних за период открытой воды концентраций общего (TP) и неорганического (IP) фосфора в воде Ладожского озера: 1 — концентрация общего фосфора, — концентрация неорганического фосфора; t — год.

неоднородностью его поступления с водосбора, так и гидротермодинамическими условиями в озере. Средние за период открытой воды концентрации общего фосфора в воде различных лимнических зон озера за последние годы представлены на рис. 5.3.5.

I II III IV

Рис. 5.3.5. Средние за период открытой воды концентрации общего фосфора в воде различных лимнических зон озера: I — прибрежная зона, II — деклинальная зона, III — профундальная зона, IV — ультрапрофундальная зона.

Наибольшие концентрации фосфора отмечаются в воде прибрежной зоны, находящейся под прямым влиянием притоков. Максимальные значения свойственны Волховской губе, куда поступают обогащенные фосфором воды рек Волхов и Сясь (рис. 5.3.6, а), и отдельным участкам деклинальной зоны. В 70-х гг. прошлого века максимальные концентрации TP в Волховской губе достигали 180–260 мкг Р л-1, затем они снизились до 100–150 мкг Р л-1. В течение последнего десятилетия максимальная концентрация фосфора в Волховской губе ( мкг Р л-1) наблюдалась в начале июля 2005 г. в связи со значительным повышением содержания фосфора в воде реки Волхов, по данным 2006–2010 гг. содержание фосфора здесь не превышает 60–80 мкг Р л-1.

Величина концентрации фосфора в Волховской губе определяется сезонными факторам:

весной — положением термического бара, и во все сезоны — гидросиноптической обстановкой в озере. При ветрах северного направления Волховская губа заполняется водами глубоководной части озера, и концентрации фосфора мало отличаются от среднеозерных, при ветрах южных направлений концентрации зависят от влияния вод притоков, в первую очередь, Волхова. В 2007 г., в период ранней гидрологической весны, когда термический бар находился в непосредственной близости от устья реки Волхов, здесь наблюдалась высокая концентрация общего фосфора, равная 80 мкг Р л-1. В Свирской губе также часто отмечаются повышенные концентрации общего фосфора, диапазон которых достаточно широк (рис. 5.3.6, б). На станциях прибрежной зоны вдоль западного берега концентрации общего фосфора ниже, и их пространственно-временная изменчивость невелика (рис. 5.3.6, в). Среднее содержание общего фосфора в деклинальной зоне ниже, чем в прибрежной, но в 1,1–1,3 раза превышает его концентрации в глубоководных зонах, при этом диапазон концентраций сужается (рис. 3.5.6, г).

Иногда наблюдается распространение вод реки Волхов с повышенным содержанием фосфора в поверхностном слое воды деклинальной и частично профундальной зон на обширных участках южной и центральной частей озера, на юго-западе почти до бухты Петрокрепость (Расплетина и др., 2002). Профундальная и ультрапрофундальная зоны составляют около 80% объема озера, поэтому, естественно, средняя концентрация фосфора в воде этих зон определяет среднее содержание в воде озера в целом. Диапазон концентраций ТР отличается здесь наименьшей изменчивостью, средние за период открытой воды значения в 1980-х гг. находились в пределах 18–24 мкг Р л-1, в 1990-х — 15–21 мкг Р л-1, после 2000 г. — 11–15 мкг Р л-1 (рис. 5.3.6, д, е).

Рис. 5.3.6. Средние концентрации общего фосфора на станциях в различных частях озера с мая по ноябрь (данные за 2005–2011 гг.): а — Волховская губа, б — Свирская губа, в — вблизи устья реки Бурная (западный берег), г — южная часть деклинальной зоны, д — центральная глубоководная часть озера (профундальная зона), е — северная глубоководная часть озера (ультрапрофундальная зона).

Содержание общего фосфора по сезонам изменяется мало (рис. 5.3.6). В последние годы можно отметить незначительное снижение средних концентраций в воде глубоководных зон в осенний период, когда в результате интенсивного горизонтального перемешивания водных масс и активной вертикальной конвекции распределение ТР по акватории выравнивается, сужаются пределы колебаний, концентрации фосфора в воде прибрежной зоны приближаются к таковым для основной водной массы. Распределение общего фосфора по вертикали во все сезоны также достаточно однородно.

Средняя концентрация неорганического фосфора в воде озера в 1976–1989 гг. составляла 11 мкг Р л-1, что в 3,7 раза выше, чем в 1959–1962 гг. К 1998 г. произошло плавное снижение концентрации IP с 9 до 5 мкг Р л-1 (Расплетина, Сусарева, 2002). В дальнейшем, с 2000 по 2010 г.

средние за период открытой воды концентрации IP не превышают 5 мкг Р л-1 (рис. 5.3.4).

Пространственное распределение неорганического фосфора по акватории более однородно, чем распределение общего фосфора (рис. 5.3.7). В последние годы средние для сезона концентрации IP в разных зонах озера обычно отличаются не более чем на 2–3 мкг Р л-1. Средние значения в прибрежной зоне в 2009 и 2010 гг. оказались выше благодаря более высоким значениям, наблюдавшимся весной 2009 г. и осенью 2010 г.

I II III IV

Рис. 5.3.7. Средние за период открытой воды концентрации неорганического фосфора в воде различных лимнических зон озера: I — прибрежная зона, II — деклинальная зона, III — профундальная зона, IV — ультрапрофундальная зона.

В режиме неорганического фосфора отмечена как сезонная (рис. 5.3.8), так и вертикальная изменчивость, основные черты которой сохраняются на протяжении всего периода исследования. Весной в теплоактивной области (прибрежная зона) содержание IP за счет потребления часто снижается почти до аналитического нуля, хотя на отдельных участках (Волховская губа) сохраняются высокие концентрации. Так, в конце 1990-х гг. они достигали здесь 50 мкг Р л-1, после 2006 г. — 40 мкг Р л-1. Летом в трофогенном слое (0–10 м) потребление неорганического фосфора также приводит к снижению концентраций до крайне малых величин при сохранении более высоких значений в гиполимнионе. В прибрежной зоне в некоторых случаях летом неорганический фосфор полностью потребляется. Осенью содержание IP остается на уровне средних летних значений или немного возрастает и выравнивается по вертикали. Однако осенняя вспышка развития фитопланктона может привести к почти полному потреблению фосфатов в трофогенном слое на значительных участках озера.

Рис. 5.3.8. Сезонные изменения средних концентраций неорганического фосфора в воде озера.

В то же время в режиме неорганического фосфора можно выделить некоторые особенности, характерные для отдельных периодов наблюдения. В конце 1970-х гг. в летний период в трофогенном слое глубоководных зон содержание IP снижалось до 1 мкг Р л-1 и менее, затем до конца 1980-х гг. концентрации в слое эпилимниона этих зон не опускались ниже 4– мкг Р л-1, что свидетельствовало об уменьшении интенсивности вовлечения его в биотический круговорот. С конца 1980-х гг. содержание фосфатов в эпилимнионе глубоководных зон снова снижается до 1–2 мкг Р л-1, в слое гиполимниона отмечено постепенное снижение IP c 10– мкг Р л-1 в начале 1980-х гг. до 6–7 мкг Р л-1 в конце (Расплетина и др., 2002). В последние годы, начиная с конца 1990-х гг., содержание неорганического фосфора почти по всей акватории озера, кроме прибрежной зоны, периодически снижается не только в эпилимнионе (до 0,5 мкг Р л-1), но и в гиполимнионе глубоководных зон, что может свидетельствовать о предельной интенсивности биотического круговорота. Особенно сильно это было выражено летом 2010 г., когда неорганический фосфор оказался потребленным практически по всему столбу воды на нескольких глубоководных станциях в северной и центральной частях озера.

Соединения азота. Вторым важным биогенным элементом в водоемах является азот. На протяжении периода наблюдений за содержанием соединений азота в воде озера и его притоков определяется: содержание общего азота (TN) — окислением персульфатом калия в щелочной среде с последующим определением с реактивом Грисса; содержание нитритов — фотоколориметрическим методом с реактивом Грисса; содержание нитратов — восстановлением NO3- до NO2- с помощью кадмиевого редуктора с последующим определением с реактивом Грисса; содержание аммонийного азота — в соответствии с методикой, разработанной Союзом стандартизации Финляндии (SFS), спектрофотометрически с гипохлоритом и фенолом (SFS 3032).

Концентрация общего азота в воде притоков в 10–15 раз и более превышает содержание общего фосфора. Преобладающие концентрации TN находятся в пределах 500–800 мкг N л-1.

Повышенное содержание общего азота характерно для реки Волхов, в воде которой концентрации TN в 1,7–2 раза превышают концентрации в других реках, и для вод южных притоков Лава, Назия, Морье и Авлога. Максимальные концентрации общего азота, достигающие 2530–3400 мкг N л-1, как и общего фосфора, зафиксированы в реке Авлога.

Наряду с этим диапазон концентраций азота по водосбору значительно уже, чем для фосфора, максимальное содержание TN в водах основных притоков превышает минимальное примерно в 2 раза (и в 8 раз с учетом малых притоков) (табл. 5.3.3). Межгодовые и сезонные изменения содержания общего азота невелики, концентрация его в воде зарегулированных рек мало отличается от значений в воде большинства притоков. Содержание общего азота в истоке реки Нева отражает концентрации, характерные для основной водной массы Ладожского озера (табл.

5.3.3).

Пределы концентраций общего азота в воде основных притоков Ладожского озера и в истоке соединений, доля органического азота составляет 70–80% от общего его содержания. Из неорганических форм преобладающей является нитратная. По данным 2001–2005 гг.

концентрации нитратов составляют от 5 до 22% от общего содержания, в основном 10–15%.

Доля аммонийного азота в эти годы составляет в основном 2–5% TN.

Поступление соединений азота в Ладожское озеро с водосборного бассейна в 10–20 раз превышает сток фосфора. Годовой вынос азота с водой рек за период с 1976 по 2003 г.

изменялся от 41,5 тыс. тонн до 66,8 тыс. тонн. Средняя за год концентрация общего азота в воде рек составляет 650–850 мкг N л-1. В отличие от фосфора, тренд в направлении снижения выноса азота в озеро прослеживается слабо. Максимальное поступление было отмечено в первой половине 1980-х гг., в 1992–1995 гг. и в 1998 г. (табл. 5.3.4; рис. 5.3.9).

Поступление общего азота в озеро с речным стоком (тонн N год ) Рис. 5.3.9. Поступление общего азота (TN) в озеро с речным стоком (тонн N год-1).

Доля участия Волхова в выносе азота в озеро меньше, чем в снабжении его фосфором, и составляет 29–49%, Свирь вносит 18–33%, Вуокса — 17–25% от общего речного поступления азота. Осредненный за период 1981–2003 гг. вклад притоков в поступление общего азота в озеро представлен на рис. 5.3.10.

Рис. 5.3.10. Вклад притоков в общее поступление азота в Ладожское озеро с речным стоком (средний % за период 1981–2003 гг.).

Внешняя азотная нагрузка (LN) на Ладожское озеро за период с 1976 по 2003 г.

изменялась от 2,9 г N м-2 год-1 (2002 г.) до 4,3 г N м-2 год-1 (1992–1995 гг.). Так же, как и в отношении фосфора, преобладающая роль в поступлении азота в озеро принадлежит речному стоку (81–86% от общего поступления).

Среднее содержание общего азота в воде Ладожского озера за период 1976–2010 гг.

составляло приблизительно 640 мкг N л-1. Наибольшие для периода открытой воды средние концентрации наблюдались в начале 80-х и в конце 90-х гг. прошлого века и составляли 700– 760 мкг N л-1, а наименьшие (540–580 мкг N л-1) отмечены в конце 1980-х и в середине 1990-х гг. (Расплетина, Сусарева, 2002). В 2001–2005 гг. средняя за период открытой воды концентрация общего азота изменялась от 600 до 660 мкг N л-1, в 2009–2010 гг. она составляла 570 мкг N л-1 (рис. 5.3.11).

Рис. 5.3.11. Средняя концентрация общего азота в воде Ладожского озера (мкг N л-1).

В пространственном распределении азота, как и фосфора, максимальные значения приурочены к прибрежной зоне озера, хотя диапазон концентраций по акватории гораздо уже, максимальные значения превышают минимальные примерно в 1,4–1,6 раза. Средние за период открытой воды концентрации общего азота в воде различных лимнических зон озера представлены на графике (рис. 5.3.12). Чаще всего повышенным содержанием азота выделяется Волховская губа. На станции в Волховской губе содержание TN в 2010 г. составило весной мкг N л-1, летом — 790 мкг N л-1, осенью — 810 мкг N л-1, весной 2011 г. — 720 мкг N л-1, летом 2012 г. — 710-730 мкг N л-1. На остальной части акватории пространственное распределение азота в эти же годы было достаточно равномерным, и концентрация его оставалась в пределах 450–690 мкг N л-1 весной, 470–670 мкг N л-1 — летом и 510–710 мкг N л-1 — осенью.

Вертикальное распределение общего азота также достаточно равномерно. Как видно из таблицы 5.3.5, по сравнению с 2006–2008 гг. в последние годы несколько сузился диапазон концентраций TN, в основном за счет снижения верхней границы; также снизились концентрации в воде Волховской губы, особенно по сравнению с 2008 г. Обычно сезонные изменения в содержании общего азота отчетливо не выражены и концентрации его остаются достаточно постоянными в течение всего периода открытой воды (табл. 5.3.5).

I II III IV

Рис. 5.3.12. Средние за период открытой воды концентрации общего азота в воде различных лимнических зон озера: I — прибрежная зона, II — деклинальная зона, III — профундальная зона, IV — ультрапрофундальная зона.

Среднее содержание и пределы концентраций общего (TN) и нитратного (NO3--N) азота в Примечание: в скобках — концентрации в Волховской губе, над чертой — средневзвешенные концентрации.

Неорганический азот находится в воде озера преимущественно в окисленной форме (NO3-). Азот нитратов поступает в озеро с речным стоком и атмосферными выпадениями и образуется в озере результате бактериальной трансформации соединений азота при деструкции и минерализации автохтонного и аллохтонного органического вещества. С начала 60-х до конца 70-х гг. прошлого века средняя концентрация нитратного азота в воде озера увеличилась со до 230 мкг N л-1 (Расплетина, Сусарева, 2002). В настоящее время она остается на уровне 160– 210 мкг N л-1, что составляет в среднем около 30% от общего содержания азота. Пределы колебания концентрации NO3- в воде озера в разные сезоны представлены в табл. 5.3.5.

В содержании азота нитратов наблюдаются сезонные изменения. Весной в основной водной массе (профундальная и ультрапрофундальная зоны) нитраты распределяются равномерно по акватории и глубине, их содержание изменялось в 2009–2012 гг. от 166 до мкг N л-1. Поздней весной в деклинальной зоне и на некоторых участках профундальной зоны, расположенных вблизи побережья, где поверхностный слой воды уже прогрелся, в нем может наблюдаться снижение концентрации NO3- до 90 мкг N л-1, связанное с его потреблением биотой. В летний период отчетливо выражена вертикальная неоднородность в содержании нитратов — в трофогенном слое оно снижается до 50–80 мкг N л-1 при сохранении достаточно высоких значений в слое гиполимниона. Осенью в глубоководной части озера содержание нитратов выравнивается по вертикали.

В воде Волховской губы часто наблюдаются высокие концентрации нитратов, так как воды Волхова обычно богаты соединениями азота. Так, в 2010 и 2011 гг. содержание NO3- в течение всего периода наблюдений достигало 300–361 мкг N л-1. В 2009 и 2012 гг., напротив, концентрации азота нитратов здесь оказались невысокими (123–139 мкг N л-1), что могло быть результатом как потребления, так низкого его содержания в воде Волхова. Минимальные концентрации в воде прибрежной зоны (96–130 мкг N л-1) часто отмечаются в Свирской губе.

К началу 80-х гг. прошлого века азот нитритов в воде озера обнаруживался в незначительных количествах — до 9 мкг N л-1 только летом, в период наиболее интенсивно протекающих продукционно-деструкционных процессов. Как показали наблюдения последних лет (2005–2008 гг.), NO2- в воде озера практически не обнаруживается.

Содержание аммонийного азота в воде озера в начале 1980-х гг. изменялось в основном от 0 до 7 мкг N л-1 и редко превышало 10 мкг N л-1. В 2005–2008 гг. его концентрации преимущественно составляли 10–25 мкг N л-1, в отдельных случаях достигая 50–80 мкг N л-1, что свидетельствует об увеличении интенсивности процессов деструкции в течение данного периода. Доля аммонийного азота составляет, как правило, не более 5% от общего содержания азота в воде озера.

Минеральный растворенный кремний. Из всех биогенных элементов наибольших концентраций в воде рек Ладожского бассейна достигает растворенный минеральный кремний.

Содержание его в природных водах определяется ландшафтными условиями водосбора и не зависит от хозяйственного освоения территории. Концентрации кремния в воде изменяются по сезонам, минимальные его количества приходятся на летний период. По данным 2001–2005 гг.

его концентрации в воде рек изменяются в диапазоне от 0,30 до 7,10 мг Si л-1. Наиболее высокие концентрации свойственны рекам северо-восточного и восточного побережья: Тулемайоки, Тулокса, Видлица и Олонка (Расплетина и др., 2006). Содержание растворенного кремния в воде притоков, а, следовательно, и вынос его с речным стоком в озеро сохранились на уровне 1960-х гг., при этом средняя его концентрация в озере понизилась с 0,90 мг Si л-1 в начале 1960х гг. до 0,44 мг Si л-1 в 1981–1987 гг. (Расплетина, Сусарева, 2002). Очевидно, что это следствие его интенсивного потребления диатомовыми водорослями: запас кремния в озере не успевает пополняться за счет речного поступления.

К 2000 г. основные черты режима растворенного минерального кремния выглядели следующим образом. Весной в теплоинертной области минеральный кремний распределяется равномерно по глубине и составляет 0,40–0,50 мг Si л-1. В теплоактивной области (бухта Петрокрепость, Волховская губа) в период развития диатомовых водорослей его концентрации снижаются до 0,10 мг Si л-1. В период летней стагнации содержание кремния в эпилимнионе устанавливается на уровне 0,15–0,25 мг Si л-1, а в гиполимнионе достигает 0,30–0,45 мг Si л-1.

Осенью в условиях перемешивания концентрации выравниваются по глубине (Расплетина, Сусарева, 2002). В последние годы основные черты режима кремния в озере сохранились. В поверхностном слое концентрации составляют 0,10–0,25 мг Si л-1, а в 2005 г. была отмечена минимальная концентрация — 0,05 мг Si л-1. Таким образом, вследствие интенсификации биологических процессов в водоеме, концентрации кремния могут снижаться до значений, ограничивающих развитие диатомовых водорослей. В слое гиполимниона концентрация кремния остается на уровне 0,40–0,50 мг Si л-1, в 2008 г. в ультрапрофундальной зоне на глубине 50 м она составляла 0,80 мг Si л-1.

Специфика геохимических и климатических условий на водосборе Ладожского озера — преобладание лесных ландшафтов, заболоченность, недостаток тепла и связанная с этим замедленная минерализация органических веществ, обусловливают высокое содержание в воде притоков, озера и реки Нева органического вещества природного происхождения.

Для характеристики содержания органического вещества в воде рек Ладожского бассейна используются такие показатели, как цветность воды, определяемая с помощью колориметрического титрования с имитационным стандартом, и концентрация общего органического углерода (ТОС — total organic carbon). Содержание органического вещества в воде озера оценивается по следующим характеристикам: общий органический углерод, углерод органической взвеси (POC — particulate organic carbon), лабильный органический углерод (LOC — labile organic carbon), углерод высокомолекулярной фракции органического вещества — водное гуминовое вещество (AHS —— aquatic humic substance) с молекулярной массой более 12000 Д. Концентрация общего органического углерода определялась двумя методами — ампульно-персульфатным с ИК-регистрацией концентрации СО2 и методом бихроматной окисляемости; углерод органической взвеси — гравиметрическим методом (Витюк, 1970) при допущении, что на долю углерода приходится 50% от величины органической составляющей взвеси; лабильный органический углерод — по величине полного биохимического потребления кислорода, на основе предположения, что 1 г кислорода эквивалентен 0,375 г углерода.

Растворы водного гуминового вещества выделяли последовательным фильтрованием природной воды через мембранные фильтры с диаметром пор 0,85 мкм и ядерные фильтры с диаметром пор 0,11 мкм при разряжении не более 0,25 атм. с последующим удалением из фильтрата ионов неорганических и низкомолекулярных органических соединений путем диализа через пленку MWCO 12000–14000 в дистиллированную воду. В полученных растворах методом бихроматной окисляемости определялось содержание органического углерода.

Количество углерода низкомолекулярной фракции органического вещества в воде озера определялось по разности между концентрацией ТОC и AHS. Поскольку, согласно опубликованным (Юдин, 1992) и архивным данным, а также данным, полученным в 2003– гг., средняя концентрация POC относительно невысока и не превышает 0,2–0,4 мг С л-1, содержание ТОС отражает, в основном, концентрацию растворенного органического углерода.

Органическое вещество в воде притоков Ладожского озера. Изучение органического вещества притоков проводилось в 60-е гг. прошлого века (Соловьева, 1967) и в период с 1981 г.

по настоящее время (Расплетина и др., 1987, 2002, 2006).

Цветность воды рек изменяется в очень широких пределах. В последние годы (2001– гг.) диапазон колебания цветности составляет 25–45 град. в межень и до 340–400 град. во время дождевых паводков. Вода реки Волхов имеет высокую цветность, обусловленную значительной заболоченностью водосбора, что приводит к повышенному содержанию окрашенных органических веществ и широкому диапазону изменения значений (от 40 до 240 градусов цветности). Минимальными значениями цветности характеризуются воды рек с высокой озерностью водосборов — Свири, Бурной, Вуоксы (30–50 градусов); к этой группе также можно отнести реки Янисйоки и Хиитолан. Диапазон колебаний значений цветности в них невелик, максимальные значения обычно превышают минимальные не более чем в 2 раза. В воде слабо зарегулированных рек цветность может изменяться от 80 до 240 градусов в реках северной части бассейна и от 130 до 380 градусов в реках южной части водосбора.

Минимальные концентрации органического углерода (6–17 мг С л-1), как и цветности воды, наблюдаются в реках с высокой озерностью водосбора — Свири и Бурной. Отдельные повышения концентрации ТОС и цветности здесь крайне редки. На том же уровне (до 20 мг С лнаходится содержание ТОС в воде рек северной части бассейна (Янисйоки, Хиитолан, Уксунйоки, Ийоки, Тохма). В реках восточной и юго-восточной части водосбора содержание ТОС составляет 10–30 мг С л-1 (Расплетина и др., 2006). В малых реках южной части водосбора (Лава, Назия, Морье) содержание органического углерода может достигать 35–40 мг С л-1.

Особенности водосбора реки Волхов обусловливают повышенное содержание органических веществ в воде. Из трех главных притоков в воде Волхова наблюдаются максимальные концентрации ТОС за период наблюдения с 2000 до 2011 г. Крайне высокое содержание ТОС (44 мг С л-1), отмеченное в июле 2001 г., вероятно, объясняется попаданием в реку сточных вод, тем более, что высокое значение ТОС не было связано со значительным повышением цветности воды (Расплетина и др., 2006).

Наиболее низкие концентрации общего органического углерода характерны для периода летней межени или, иногда, весеннего половодья, максимальные — приурочены к дождевым паводкам. Так, летом 2006 г. в воде незарегулированных рек, перешедших на глубокое подземное питание, содержание ТОС было в 1,3–1,7 раза ниже минимальных значений, зафиксированных в 2000–2005 гг., и в 3 и более раза ниже, чем в 2007–2011 гг. В 2007 и в гг. наблюдения в летний период пришлись на интенсивные дождевые паводки. В воде зарегулированных рек (Свирь и Бурная) диапазон колебаний ТОС значительно уже и концентрации близки между собой. Данные о содержании ТОС в воде основных притоков в последние годы представлены в табл. 5.4.1.

Содержание общего органического углерода (мг С л ) в воде основных притоков Ладожского озера и реке Нева в летне-осенний период Река

Л О Л О Л О Л О Л О

Волхов 15,8–44,0 14,4–24,4 13,4 22,3 15,6 14,8 15,1 23,3 16,0–24,1 21, Паша 9,1–29,5 7,4–21,9 4,7 23,0 15,1 22,5 16,9 27,6 11,9–13,7 41, Оять 7,4–18,8 4,4 21,1 15,6 21,0 14,5 23,9 12,5–16,0 21, Янисй Примечание: Л — лето, О — осень.

Ряд данных о среднемесячных концентрациях ТОС в воде основных притоков и их водном стоке позволил оценить величину общего поступления органического углерода в озеро и вклад каждого притока в эту величину (Расплетина и др., 1987, 2002). Доля реки Волхов достаточно постоянна и составляет 35–37%, доля Свири с притоками Пашой и Оятью — примерно 25%, доля реки Бурная — 17–18%. Анализ многолетних данных показал, что межгодовые колебания концентраций ТОС невелики, несмотря на довольно высокие внутригодовые колебания. Вынос органического углерода составляет около 1 млн т в год.

Поскольку сведений о содержании общего органического углерода в воде Волхова за 1992– гг. больше, чем для других рек, была выполнена ориентировочная оценка суммарного поступления органического углерода с речным стоком на основании сведений о реке Волхов.

Расчет показал, что, как и в прежние годы, оно оказалось близким 1 млн т и составило в 2000– 2001 гг. 945 тыс. т, а в 2001–2002 гг. — 906 тыс. т (Расплетина и др., 2002).

Система органического углерода воды Ладожского озера. В системе материкового стока озера являются накапливающими элементами ландшафта. Наиболее сложный компонент озерного накопления, отражающий особенности энергетического баланса экосистемы — накопление органического вещества. Соотношение темпов накопления органического вещества, его трансформации в многочисленных циклах озерных процессов и минерализации определяют скорость эволюции озерной системы (Россолимо, 1964, 1977).

положительного баланса органического вещества, связанная, особенно на первом этапе, с увеличением скорости новообразования органического вещества в процессе фотосинтеза фитопланктоном и высшей водной растительностью. В качестве показателя интенсивности эвтрофирования водоема часто используют соотношение скорости новообразования органического вещества в процессе фотосинтеза и скорости деструкции. Однако большая часть высокомолекулярных органических комплексов, сформированных в почвенных процессах на водосборе и преобладающих в воде притоков. Сравнительно медленно минерализуется и детрит — останки отмерших озерных организмов. Относительно низкая скорость минерализации растворенного органического вещества (DOC — dissolved organic carbon) притоков и детрита (POC) является регулятором стабильности экосистем водоемов. В период недостаточного поступления органического вещества извне консервативный запас может использоваться как сбалансированной системе концентрация растворенного органического вещества изменяться не должна. В случае же изменения скорости разложения консервативного резерва должны наблюдаться значительные межгодовые колебания содержания DOC, свидетельствующие о несбалансированности системы, о ее нестабильном состоянии (Трегубова, 1982; Трегубова и др., 1983, 1987; Трегубова, Кулиш, 1982, 1992; Currie, Kalff, 1984; Gao, Heath, 2005; Jonsson, 2003; Jonsson et al., 2001; Limnologie generale, 1995).

Изучение процессов формирования и трансформации органического вещества в экосистеме Ладоги проводится в составе комплексных исследований Института озероведения РАН с начала 60-х гг. прошлого века до настоящего времени. Наблюдения за содержанием органического вещества Ладожского озера в периоды 1959–1962 гг. (Расплетина и др., 1967), 1976–1979 гг. (Расплетина, 1982а) и с 1981 по 2011 г. (Трегубова, 1982; Трегубова и др., 1983, 1987; Трегубова, Кулиш, 1982, 1992; Коркишко и др., 1995, 2000, 2000а, 2002; Расплетина, Сусарева, 2002; Петрова и др., 2005, 2010) позволяют проанализировать особенности режима органического углерода в озере в период интенсивного антропогенного эвтрофирования и после снижения поступления фосфора в озеро до уровня расчетной «допустимой» нагрузки. В последнее десятилетие особое внимание было уделено исследованию процессов трансформации водного гуминового вещества.

На первом этапе развития процесса эвтрофирования Ладожского озера изменения в процессах, определяющих темп накопления и трансформации озерного органического вещества, были следующими. Уже в 1970 г. в фитопланктоне реки Невы, достоверно отражающем уровень развития водорослей в южной части акватории Ладоги, было отмечено значительное увеличение численности массовых видов, преимущественно диатомовых — доминантов олиготрофного периода. С 1972 г. стало очевидным общее увеличение группы массовых водорослей за счет видов, обычных для богатых биогенными элементами эвтрофных озер (Петрова, 1990; Петрова и др., 1992; Gutelmacher, Petrova, 1982). В 1976 г. первичная продукция фитопланктона за вегетационный период с площади озера составила 259 тыс. т С, а к 1978 г.

достигла 1568 тыс. т С, впервые превысив годовое поступление аллохтонного органического вещества притоков — 1044 тыс. т С. В 1981 г. бактериальная деструкция органического вещества за вегетационный период превысила сумму первичной продукции и годового поступления аллохтонного органического вещества (Петрова и др., 2005).

Причиной такой кардинальной перестройки озерных процессов послужило усложнение видового разнообразия сообществ: как продуцентов, так и деструкторов, — стимулированное резко возросшей обеспеченностью фосфором. В фитопланктоне основную роль по всей акватории стали играть высокопродуктивные виды, обычные в эвтрофных озерах, требующие, однако, вдвое больше фосфора на единицу ассимилированного углерода, чем виды олиготрофных водоемов (Gutelmacher, Petrova, 1982). Потребление фосфора фитопланктоном за вегетационный период 1982 г. составило 231 тыс. т. Оборачиваемость фосфора в озере за счет потребления фитопланктоном выросла на порядок по сравнению с олиготрофным периодом (с 25 до 2,5 суток). Еще более активно фосфор потреблялся бактериями (780 тыс. т). По-видимому, это способствовало формированию «внутреннего дефицита» фосфора в экосистеме.

Одновременно было впервые отмечено массовое развитие в озере новой группы организмов, участвующих в минерализации органического вещества — водных грибов (Иофина, 1987;

Капустина, Иофина, 1988). Экспериментальные данные показали, что интенсивность деструкции у водных грибов близка к бактериальной (Иофина, 1987; Капустина, 1992;

Капустина, Иофина, 1988; Трегубова и др., 1987). В 1983–1984 гг. резко снизились скорости биохимического потребления кислорода с изменением вида кинетических кривых процесса (Трегубова и др., 1987, Трегубова, Кулиш, 1992; Хайлов, 1974). По существующим в литературе представлениям, кинетика потребления, возникшая в этот период, типична для деструкции органического вещества не только бактериями, но и более сложным составом организмов (Хайлов, 1974). Увеличилась степень минерализации органического вещества.

После максимального по уровню годовой первичной продукции 1985 г. начался следующий этап сукцессии фитопланктона — постепенное возвращение роли доминантов традиционным ладожским видам, менее продуктивным, но вдвое более экономным в потреблении фосфора и, к тому же, лучше приспособленным к условиям северного холодноводного водоема. Вторичная смена доминантов не привела к существенному снижению уровня первичной продукции. Активность минерализации органического вещества возросла благодаря массовому развитию как в эпилимнионе, так и в гиполимнионе не только бактерий, но и водных грибов, способных к более глубокой трансформации наиболее консервативных его компонентов (Limnologie generale, 1995). Прижизненные выделения водорослей и других гидробионтов создавали значительный общий запас органического вещества, не только легко минерализуемого, но и обладающего набором ферментов, способных воздействовать на биохимические процессы в озере (Коркишко и др., 1995; Крылова, 1999).

Содержание органического вещества в водной массе озера оставалось довольно постоянным (7536 тыс. т С) с периода 1956–1963 гг. до 1981 года. Средняя концентрация по сезонам колебалась в 1976–1979 гг. в пределах 8,1–13,7 мг С л-1 в мелководных зонах и 8,2–10, мг С л-1 в глубоководных, однако, в среднем для озера оставалась постоянной — 8,3 мг С л-1.

Изменение интенсивности и соотношения экосистемных процессов, формирующих общий запас органического вещества, впервые проявилось в резком снижении содержания органического вещества в озере весной 1981 г., когда концентрация ТОС в двух глубоководных зонах составила 4,4 мг С л-1. Благодаря огромному объему водной массы этих зон, общее количество органического углерода в озере снизилось до 5811 тыс. т. Как говорилось выше, это был год отчетливо выраженного преобладания процессов деструкции органического вещества в экосистеме Ладоги, связанного, очевидно, с активностью водных грибов, особенно в зимний период. В последующие годы как сезонные колебания ТОС во всех зонах озера, так и изменения общего запаса органического углерода стали постоянными. К 1983–1985 гг. общий запас органического вещества в озере значительно вырос (8626 тыс. т), что, вероятно, можно объяснить максимальной активностью фитопланктона. Концентрация ТОС в мелководных зонах колебалась в пределах 8,0–24,0 мг С л-1, а в глубоководных — 7,6–15,8 мг С л-1, средняя концентрация в воде озера была в пределах 9,1–9,5 мг С л-1. Следующий, более длительный период пониженного содержания органического углерода в озерной водной массе сформировался к 1988 г. Минимальное для этого периода среднее значение было отмечено в 1991 г. и составило 6,8 мг С л-1 (запас в объеме озера — 6174 тыс. т). Для этого периода были характерны минимальные нижние пределы амплитуды сезонных колебаний ТОС не только в глубоководных (3,4–11,8 мг С л-1), но и в мелководных зонах (5,5–18,8 мг С л-1). Этот цикл закончился только к 2000 г., сменившись короткой фазой (2001–2003 гг.) интенсивного накопления органического вещества. В 2003 г. концентрации ТОС в мелководных зонах изменялись в пределах 8,5–30,4 мг С л-1, а в глубоководных 8,5–30,0 мг С л-1, средняя концентрация в озере составляла 10,0 мг С л-1, содержание ТОС в объеме озера было максимальным за период наблюдений — 9080 тыс. т. Затем последовало новое снижение, и в 2004 г. средняя за период открытой воды концентрация ТОС составила 8,4 мг С л-1, а с 2005 по 2010 г. она колебалась около значения 7,0 мг С л-1 (6,6–7,3 мг С л-1), что соответствует запасу органического углерода в объеме озера от 6468 тыс. т до 7154 тыс. т (рис. 5.4.1).

Рис. 5.4.1. Изменение среднегодовой концентрации общего органического углерода в воде Ладожского озера.

Сравнение с межгодовыми изменениями количества фосфора в водной массе (рис. 5.3.3) свидетельствует о том, что дисбаланс формирования общего запаса углерода начался раньше существенного снижения содержания фосфора в озере и далеко не всегда был прямо пропорционален уменьшению запаса этого элемента в воде.

Лабильный органический углерод позволяет оценить ту часть общего органического углерода, которую достаточно быстро путем биохимического окисления могут использовать водные микроорганизмы. В пелагиали озера он представлен в основном клетками фито- и зоопланктона, продуктами их неполной деструкции и растворенными метаболитами, поступающими в воду в процессе жизнедеятельности гидробионтов. Средняя концентрация LOC за вегетационный период является равновесным показателем, характеризующим соотношение протекающих в озере продукционных и деструкционных процессов. При сохранении равновесия в продукционно-деструкционных процессах среднегодовое содержание LOC должно оставаться достаточно постоянным. При этом сезонные колебания концентрации LOC естественны, так как периоды максимальной интенсивности процессов продукции и деструкции в озере не совпадают по времени.

На начальном этапе исследований процесса антропогенного эвтрофирования озера (1976–1979 гг.) средняя концентрация лабильного органического углерода достигала значения 1,8 мг С л-1 (Трегубова, Кулиш, 1982), в дальнейшем она снизилась примерно до 0,5 мг С л-1 и сохранялась на этом уровне до 2004 г. В 2005 и 2006 гг. среднегодовая концентрация LOC увеличилась до 0,6–0,7 мг С л-1, в 2007 г. она достигла величины 1,0 мг С л-1. В 2008-2010 гг.

средняя за период весна – осень концентрация лабильного углерода для озера составила 0,9 мг С л-1.

Начиная с осени 2006 г. наблюдается тенденция увеличения концентрации лабильного углерода и его доли от общего углерода во всех зонах озера. Максимальные значения LOC обычно составляют 2,0–2,5 мг С л-1, а осенью 2008 г. они достигали 3,4 мг С л-1. При этом если в весенне-летний период повышенные концентрации наблюдаются в основном в прибрежной и деклинальной зонах, то осенью высокие концентрации отмечаются в глубоководной зоне озера.

Весной и летом доля лабильного углерода от общего обычно составляет 10–16%, а осенью возрастает до 20–30%, в отдельных случаях до 40%. Летом 2010 г. доля лабильного углерода выросла до 20–30%, а в одном случае, в глубоководной зоне — до 40%. Очевидно, что приведенные материалы свидетельствуют о значительном и усиливающемся дисбалансе накопления и минерализации органического вещества в экосистеме.

Проводившиеся с середины 1990-х гг. подробные исследования высокомолекулярной гуминовой фракции органического вещества Ладожского озера, свидетельствуют о существенных изменениях в характере его накопления и трансформации (Коркишко и др., 1995, 2000, 2000а, 2002). Водное гуминовое вещество глубоководной части Ладожского озера представляет собой единый высокомолекулярный комплекс, в котором обнаружено основное количество соединений биогенных элементов, присутствующих в озерной воде. В 1990-е гг. на гуминовую фракцию приходилось 85–95% ТОС. Разность между общим количеством органического углерода и его гуминовой составляющей не превышала 2 мг С л -1. После 2003 г.

эта разность во многих случаях (в основном, летом и осенью) составляет 3,0–6,0 мг С л-1.

Как показали исследования, водное гуминовое вещество, поступающее в озеро с водами притоков, находится в максимально восстановленной форме, и степень его окисленности не превышает 3–10%. Однако весной в теплоинертной и малопродуктивной глубоководной части озера степень его окисленности может составлять 60–70%, а летом и в начале осени — 25–75%, что свидетельствует о процессе окисления этого вещества в озере.

Сравнительное изучение элементного состава водного гуминового вещества, полученного из воды реки Волхов, и гуминового вещества из воды глубоководных зон озера, позволило установить снижение относительного содержания углерода и водорода в веществе глубоководных зон. Это связано с окислением углеводородных фрагментов за счет реакции замещения водорода на кислород.

Полученное атомное отношение углерода к фосфору показало, что в гуминовом веществе из реки Волхов на 1 атом углерода приходится примерно в 2–3 раза больше атомов фосфора, чем в гуминовом веществе из воды глубоководной зоны озера.

В результате проведенных исследований высокомолекулярного гуминового комплекса, поступающего с водами реки Волхов, и гуминового комплекса, выделенного из воды глубоководной зоны озера, было показано, что в процессе биохимического окисления аллохтонного органического вещества водное гуминовое вещество существенно низкомолекулярных соединений (Коркишко и др., 2002). В результате многоступенчатой трансформации в озерных круговоротах из состава гуминового вещества могут выделяться биогенные элементы и соединения металлов. В воде глубоководных зон содержится уже частично трансформированное гуминовое вещество, которое практически не подвержено биохимическому окислению. Можно предположить, что дальнейшее его окисление происходит по биокаталитическому механизму с участием различных веществ, в том числе выделяемых представителями биоты (Коркишко и др. 1995, 2000а, 2002; Крылова, 1999). При этом бактериопланктона, уменьшая «внутренний дефицит» этих элементов в экосистеме.

Полученные данные свидетельствуют о том, что гуминовая составляющая растворенного органического вещества Ладожского озера в настоящее время достаточно интенсивно вовлечена во внутриводоемные процессы.

Сопоставление данных, полученных в 2003 г., при особенно большом диапазоне межсезонных и пространственных колебаний ТОС, позволило отметить ряд важных особенностей процесса вовлечения гуминовых комплексов в озерные круговороты, которые сохранялись и в следующие годы.

глубоководных зон (ультрапрофундальной и профундальной) является довольно однородным по всей водной толще. Количество низкомолекулярной фракции, определяемое по разнице между количеством TOC и AHS, невелико и отражает итоги деструкционных процессов зимнего периода в основной озерной водной массе. Летом здесь преобладает накопление автохтонного органического вещества в эпилимнионе. К осени в ультрапрофундальной зоне возникает существенный дисбаланс процессов, приводящий к резким контрастам вертикального распределения как концентрации ТОС, так и степени его трансформированности (Петрова и др., 2005). Максимум низкомолекулярной фракции в отличие от летнего периода часто отмечается не в поверхностном слое воды, а в гиполимнионе.

В прибрежной зоне весной преобладает поступление аллохтонного органического вещества с водосбора, и степень его трансформированности невелика, но летом, в период наибольшего прогрева и максимальной активности биологических процессов как фототрофных, так и гетеротрофных сообществ, и осенью в низкомолекулярную фракцию может переходить около половины гуминового вещества озерной воды.

Как показали проведенные исследования, в 1995–1999 гг. относительное содержание водного гуминового вещества — буферного звена экосистемы Ладожского озера, было достаточно стабильным и сохраняясь в пределах 85–95% ТОС. К 2003 г. амплитуда пространственно-временных колебаний увеличилась до 36–97% (табл. 5.4.2). Следовательно, в виде низкомолекулярной фракции в озерные круговороты вовлекалось в прибрежной зоне в разные сезоны до 64% от ТОС, в профундальной зоне до 51%, в ультрапрофундальной зоне до 44% растворенного органического вещества.

Доля AHS от общего органического углерода (%) в воде Ладожского озера Примерный расчет величин содержания низкомолекулярной фракции органического вещества по разности между ТОС и AHS, основанный на изменении концентрации гуминового вещества в воде Ладожского озера в разные периоды наблюдений, позволяет судить о масштабах процессов, происходящих в последние годы (табл. 5.4.3).

Количество низкомолекулярной фракции органического вещества, сформировавшегося в разные сезоны в Ладожском озере в период 2003–2007 гг. (тонн С в объеме озера) Год Весна (май) Лето (июль-август) Осень (сентябрь-октябрь) Экспериментально полученные пределы величин атомного соотношения С : Р в аллохтонном гуминовом веществе реки Волхов составляют 10–15, а в трансформированном AHS из глубоководных зон озера — 3–9) (Коркишко и др., 2002). Также были рассчитаны отношения концентраций С : Р в разных компонентах (ТОС и AHS) органического вещества озерной водной массы и вод рек Волхов и Нева (табл. 5.4.4). Это дало возможность приблизительно оценить размеры пополнения бюджета биологически доступного фосфора за счет включения низкомолекулярной фракции гуминового вещества в озерный круговорот (табл.

5.4.5, табл. 5.4.6).

Сезонные изменения отношения С : Р в органическом веществе (TOC) и его высокомолекулярной гуминовой фракции (AHS) в воде рек Волхов и Нева и в Ладожском озере Расчетное количество фосфора низкомолекулярной фракции гуминового вещества), поступающего в озерный круговорот (тонн Р за сезон в объеме озера) Роль глубоководных зон в процессе вовлечения фосфора низкомолекулярной фракции органического вещества в озерный круговорот (тонн P за сезон в объеме зоны) Полученные величины свидетельствуют о существенной роли гуминовой составляющей аллохтонного органического вещества в озерных процессах на современном этапе эволюции Ладожского озера и объясняют отсутствие заметного снижения продуктивности биоты при уменьшении поступления фосфора от антропогенных источников до уровня «допустимой»

нагрузки. Более полная трансформация органического вещества приводит не к накоплению гуминовой фракции, а к вовлечению все большей ее части в озерный круговорот. В результате длительного периода «критической» фосфорной нагрузки на экосистему озера, активизировавшей биохимические и биокаталитические процессы трансформации аллохтонного органического вещества, пополнение квоты биологически доступного фосфора может происходить в настоящее время за счет мобилизации из ранее консервативных запасов гуминовых комплексов.

Взвешенные твердые вещества, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона, различных микроорганизмов. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды и на проникновение в нее света, на температуру, состав растворенных компонентов озерной воды, адсорбцию токсичных веществ, а также на состав и распределение донных отложений и на скорость осадконакопления.

Определение количества взвеси в пробах воды проводилось по океанологической методике с помощью мембранного фильтрования (Лисицын, 1956). Применялись фильтры с диаметром пор 0,85 мкм, объем отфильтрованной воды менялся от 0,2 до 1,0 литра в зависимости от концентрации взвеси. Помимо общего количества взвеси (суммарная или общая взвесь) в пробах воды определялась их органическая составляющая (органическая взвесь). Для ее оценки использовался метод прокаливания мембранных фильтров при t o = 500o C (Витюк, 1970).

Формирование взвеси в озерной воде происходит двумя путями: аллохтонным (приносимые реками и ветром частицы терригенного происхождения) и автохтонным (продукция фито- и зоопланктона, остатки высшей водной растительности). Характерные для Ладожского озера резкие контрасты в распределении взвеси объясняются сезонными факторами и природой их формирования. Образование взвеси в центральном и северном глубоководных районах озера происходит, в основном, летом за счет продуктов жизнедеятельности фито- и зоопланктона. Доля взвеси такого происхождения здесь часто достигает 90%. В прибрежной мелководной зоне в формировании пула взвешенных веществ большую роль также играют воды притоков, поверхностно-склоновый сток и взмучивание донных отложений во время штормов в свободный ото льда период. Наибольшие для озера концентрации взвеси, наблюдаемые в южной мелководной части озера, приурочены к районам, находящимся под влиянием вод главных притоков (реки Волхов, Свирь, Бурная), которые являются основными источниками поступления взвешенных веществ с водосбора. Особенно сильно их влияние сказывается в прибрежном районе весной в период существования термического бара, который препятствует распространению речных вод от берега в сторону больших глубин.

В 2003–2008 гг. проводились наблюдения за содержанием взвешенных веществ в воде основных притоков Ладожского озера. Наблюдения показали, что содержание суммарной взвеси в воде рек может изменяться в очень широком диапазоне (0,3–70,8 г м-3) без отчетливых межгодовых и сезонных закономерностей и зависит, в основном, от конкретных условий (летняя межень, дождевые паводки, количество фито- и зоопланктона, растительных остатков в воде и т. д.), предшествующих моменту отбора проб (табл. 5.5.1). Все же наибольшее количество взвеси в воде притоков в 2003–2005 гг. наблюдалось летом, особенно высокие ее концентрации отмечались в 2003 и 2004 гг. В 2005–2008 гг. содержание взвешенных веществ в воде рек несколько снизилось по сравнению с 2003–2005 гг. В 2007 г. ее концентрации в воде практически всех притоков оказались минимальными для всего периода наблюдений (0,3–2,7 г м-3), поскольку пробы отбирались в начале дождевых паводков, когда реки еще не перешли с подземного на поверхностное питание.

Пределы содержания суммарной взвеси (г м-3) в воде притоков Ладожского озера Из трех главных притоков Ладожского озера наибольшие концентрации взвешенных веществ и диапазон их изменения наблюдаются в воде реки Волхов (0,6–70,8 г м-3), наименьшие — в воде реке Бурная (1,7–5,4 г м-3), вероятно, в результате высокой зарегулированности ее стока.

Весной и летом 2003 г. в составе взвеси в воде всех рек преобладала органическая составляющая (50–84% и 73–90% от общей взвеси, соответственно). В сентябре количество органической взвеси изменялось от 14 до 64%. В 2004–2005 гг. процентное содержание органической взвеси в воде рек в целом снизилось и изменялось в более широких пределах (8– 90%) в течение лета и осени.

Работы по изучению количества взвешенных веществ в воде Ладожского озера вошли в программу комплексных исследований, проводимых Институтом озероведения РАН с 1979 г.

До этого единичные измерения на нескольких станциях продольного разреза озера были произведены В.Б. Румянцевым (Егоров и др., 1982) и Б.М. Петровым в 1962 г. (Петров, 1964). С 1979 по 1997 г. сотрудником Института озероведения РАН Е.А. Юдиным (Егоров и др., 1982;

Юдин, 1987; 1992) проводились систематические наблюдения за взвесью в Ладожском озере. На этом этапе наблюдений сведения о пространственном распределении взвеси были получены на стандартном продольном разрезе, пересекающем озеро с юго-востока на северо-запад от Волховской губы до Якимварского залива. На разрезе пробы отбирались на 7 станциях на стандартных горизонтах от поверхности до дна, что дало возможность исследовать вертикальное распределение взвеси в водной толще. Кроме того, данные о распределении взвеси в поверхностном слое воды были получены в ходе комплексных съемок озера по стандартной схеме станций, охватывающих всю акваторию. Наблюдения в основном проводились в период открытой воды с мая по октябрь. Начиная с осени 2002 г. исследование режима взвешенных веществ в озере было возобновлено. Использование той же схемы станций отбора проб и методики их обработки позволяет сопоставлять данные последних лет с архивными данными и продлить многолетний ряд наблюдений.

Имеющийся многолетний ряд данных позволяет проследить изменение средних за период открытой воды значений суммарной и органической взвеси в воде Ладожского озера (рис. 5.5.1) за периоды с 1979 по 1993 г. и с 2003 по 2010 г. Средние значения суммарной взвеси за весь период наблюдений изменялись в диапазоне от 0,4 г м-3 в 2007 г. до 2,0 г м-3 в 2003 г.

Межгодовые колебания средних концентраций взвешенных веществ зависят от изменения величины как минеральной, так и органической составляющей взвеси. Среднее за сезон содержание органической взвеси колебалось от 45 до 91% от общего содержания взвешенных веществ. В 1988–1990 гг. ее доля была особенно велика (87–91%). В 2003–2007 гг. доля органической взвеси составляла 50–70% от общего количества. Поскольку основная масса органической взвеси в озере формируется за счет продукции фитопланктона, колебание ее среднегодового содержания зависит от баланса продукционно-деструкционных процессов. В связи с увеличением поступления фосфора в Ладожское озеро к концу 1970-х гг. выросла концентрация этого элемента в воде и резко возросла первичная продукция фитопланктона, что привело к увеличению концентрации органической взвеси. Затем, благодаря обилию пищи, численность бактерий и других организмов-деструкторов возросла, и в результате интенсивной деструкции снизилась величина органической составляющей взвеси. Поскольку минерализация органического вещества приводит к потреблению его конечных продуктов фитопланктоном, через некоторое время количество его снова растет и ситуация повторяется. Такой цикл наблюдался в 80-х – 90-х гг. прошлого века; в настоящее время отмечается падение концентрации органической взвеси после наиболее богатого 2003 г. к 2007 г., когда количество органической взвеси было наименьшим за весь период наблюдений. Возможно, что с увеличением дисбаланса продукционно-деструкционных соотношений диапазон колебаний концентрации органической взвеси будет увеличиваться.

5.5.1. Средняя за период открытой воды концентрация взвешенных веществ в воде Ладожского озера.

Содержание минеральной взвеси наиболее велико в прибрежном районе. Здесь ее количество может достигать 50–70% от общей взвеси. Основное поступление минеральной взвеси осуществляется с водой притоков. На рисунке 5.5.2 представлен график связи между водностью года, выраженной в среднегодовом уровне Ладожского озера, и среднегодовой концентрацией минеральной взвеси. Из графика видно, что колебания среднегодовых концентраций минеральной составляющей в достаточно большой степени связаны с водностью года и изменяются со сменой фаз увлажненности.

В целом для Ладожского озера характерны следующие особенности пространственновременного распределения взвеси. В весенний период распределение и количество взвеси во многом зависит от величины прогрева воды и местонахождения термического бара. Весенние наблюдения последних лет (2003–2009 гг.) охватили все фазы весеннего периода. В период ранней гидрологической весны (начало мая – начало июня), термический бар начинает формироваться в прибрежной зоне и находится вблизи берегов, постепенно перемещаясь в сторону увеличения глубин. В начале мая некоторый прогрев воды происходит в бухтах южного побережья озера (Волховская и Свирская губы, бухта Петрокрепость). Расположенный близко к берегу термобар препятствует распространению богатых взвешенным веществом вод притоков в глубину, также здесь Рис. 5.5.2. Зависимость среднегодовых концентраций минеральной взвеси от водности года, выраженной в среднегодовом уровне Ладожского озера.

уже может происходить достаточно бурное развитие диатомовых водорослей. Благодаря этому ранней весной в мелководной прибрежной зоне формируется область с наибольшим количеством взвешенных веществ. Концентрации взвеси могут изменяться от 0,4 до 5,0–10,0 г м-3, а в мае 2003 г. в Волховской губе наблюдалась максимальная за последние годы концентрация — 37,8 г м-3. Вдоль западного берега эта область распространяется южнее реки Бурная, вдоль восточного берега повышенные концентрации отмечаются до острова Мантсинсаари. В первом случае перенос взвеси происходит со стоком реки Бурная, во втором — с водами реки Свири. На большей части озера (деклинальная и глубоководные зоны) в этот период в связи с низкой температурой воды жизнедеятельность биоты также низка, поэтому количество взвеси очень мало. С возникновением вертикальных перемещений воды от поверхности до дна, вызванных свободной конвекцией, взвесь распределяется равномерно от поверхности до дна. Концентрация взвеси изменяется в глубоководной зоне от 0,1 до 0,2 г м-3 в поверхностном слое и от 0,2 до 0,5 г м-3 в придонном горизонте, в деклинальной зоне от 0,3 до 0,6 г м -3 на поверхности и от 0,3 до 0,8 г м -3 у дна.

В конце мая – июне термобар почти полностью проходит деклинальную зону, наступает период отчетливого деления всего озера на теплоактивную и теплоинертную области. В результате развития фитопланктона и поступления, вслед за продвижением термобара, богатых взвесью прибрежных вод, концентрация взвеси в деклинальной зоне увеличивается до 0,7–2,3 г м-3. В то же время концентрация взвеси в прибрежной зоне уменьшается и составляет 0,3–4,0 г м-3, только в Волховской губе она остается достаточно высокой 6,2–7,1 г м-3 (рис. 5.5.3, а, б).

Рис. 5.5.3. Среднее распределение взвешенных веществ в поверхностном слое воды Ладожского озера, характерное для разных сезонов (а — ранняя весна, б — поздняя весна, в — лето, г — осень) (2003–2009 гг.).

Летом концентрация взвешенных веществ в прибрежной зоне остается на уровне поздневесенних значений. В воде деклинальной и глубоководных зон максимальные концентрации, связанные с развитием биоты, приурочены к слою 0–10 м и составляют в последние годы 0,7–4,3 г м-3 и 0,2–1,7 г м-3 соответственно. В слое 10–50 м концентрация взвеси не превышает 1,0 г м-3, глубже 50 м количество взвеси составляет 0,1–0,8 г м-3, при этом в последние годы (2007–2009 гг.) оно часто бывало ниже аналитического нуля (рис. 5.5.3, в).

Осенью на большей части акватории (глубоководные и деклинальная зоны) количество взвеси сильно уменьшается и в условиях гомотермии распределяется равномерно от поверхности до дна, не превышая обычно 0,6–0,9 г м-3. Только в прибрежной зоне, где образование ее в большой степени зависит от влияния притоков, склонового стока и взмучивания донных отложений осенние концентрации незначительно отличаются от летних и достигают 2–6 г м- (рис. 5.5.3, г).

За последний период наблюдений (2003–2010 гг.) можно выделить несколько лет с аномальными концентрациями взвешенных веществ в воде озера. В мае 2003 г. наблюдалось аномально высокое содержание взвеси в поверхностном слое основной водной массы озера (рис. 5.5.4, а). Концентрация суммарной взвеси достигала 3,3–3,8 г м-3, а органической 2,8–3,1 г м-3, что значительно превышает средние весенние значения (0,5–0,8 г м-3). К августу количество взвешенных веществ снизилось, приблизившись к среднему, и составляло 2,1–2,3 г м-3.

Рис. 5.5.4. Распределение взвеси в поверхностном слое воды Ладожского озера (а — май 2003 г., б — июль 2007 г.).