7.4. Биогенные элементы

Биогенные элементы являются основой развития биоты. К их числу относятся соединения фосфора, азота, железа, кремния. В природной воде азот присутствует в виде органических и неорганических соединений. Из неорганических соединений в воде содержатся молекулярный азот (N₂), в среднем 10-16 мг/л, и в высшей степени устойчивые ионы аммонийные (NН₄), нитритные (NО₂), и нитратные (NО₃). Эти ионы генетически взаимодействуют, возможен их взаимопереход, и они обычно рассматриваются вместе. В органических соединениях азот входит в состав аминокислот и белков. Неорганические формы азота интенсивно усваиваются растениями, участвуя в общем круговороте азот по схеме: растения – животные – продукты распада –NН₄–NО₂ –NО₃ – растения – денитрификацияN₂. При недостатке кислорода может идти процесс денитрификации с выделением свободного азота в воду. В процессе круговорота принимают участие некоторые бактерии и водоросли (особенно сине-зеленые), которые фиксируют свободный азот (азотофиксаторы). Участвуя в общем круговороте концентрации азота изменяются в небольших пределах – от тысячных долей мг/л до нескольких мг/л.

Азот играет основную роль и лимитирует развитие всех растительных организмов. Обогащение азотом происходит за счет поступления его из воздуха, сбросов с водосбора, а также автохтонных процессов. В круговороте азота принимают деятельное участие бактерии (азотофиксаторы).

При отмирании животных организмов белковые вещества разрушаются под действием бактерий и содержащийся в них азот выделяется в виде иона NH₄ (процесс аммонификации). Вот почему повышенное содержание аммиака в воде служит одним из показателей загрязне­ния озера. Поднимаясь в верхние слои воды, попадая в условия окислительной среды и действия аэробных бактерий, NH₄ окисляется до NO₂, а затем до NO₃ в процессе нитрификации.

Нитраты в анаэробных условиях способны восстанавливаться до свободного азота, который выделяется в атмосферу в процессе денитрификации, заканчивая, таким образом, круговорот азота в озерах.

В большинстве озер Белоруссии содержание соединений азота небольшое в связи с невысокой гумификацией и богатством фитопланктона. В период летней стагнации и «цветения» содержание нитритов минимальное, вплоть до полного потребления. В придонных слоях его количе­ство несколько увеличивается (до сотых долей миллиграмма на литр). В годичном цикле максимальные концентрации азота характерны для конца зимней стагнации. В это время накапливается органическое вещество и сокращается деятельность растений. В озерах, загрязненных сельскохозяйственными сбросами, заметно увеличивается количество аммиачного азота.

В водной массе минеральный фосфор присутствует главным образом в виде фосфатов. Летом в чистых глубоких и средне глубоких озерах его содержание составляет тысячные и сотые доли миллиграмма фосфора в литре. Зимой его количество несколько повышается, особенно вблизи дна. Сезонные колебания фосфора связаны с закономерностями его круговорота. Летом соединения фосфора поглощаются растительными и животными организмами. При их отмирании соединения фосфора разлагаются. Часть их в виде фосфатов поступает в воду, часть вместе с железом оседает в донных осадках, особенно в периоды циркуляции. В периоды стагнаций фосфор из осадка одновременно с железом поступает в воду и в гиполимнионе его содержание увеличивается до десятых долей миллиграмма в литре. При антропогенном загрязнении и эвтрофировании содержание фосфора в гиполимнионе может превысить 0,9-1,0 мг/дм³.

Азот, поступая в озеро из воздуха и в процессе денитрификации, присутствует в воде в виде нитратов, нитритов, аммонийного азота. В глубоких чистых озерах все формы азота не превышают тысячных, реже сотых частей мг в литре. В загрязненных водоемах заметно повышается содержание аммонийного азота, особенно в конце зимней стагнации, когда его величина достигает 1,0 мг/дм³(оз. Забельское). В годичном цикле наибольшее содержание азота отмечается в конце зимней стагнации, когда у дна концентрируются продукты распада органического вещества. Железо, являясь частью гемоглобина крови, относится к числу важных биогенных элементов. Концентрация железа удовлетворяющая потребность живых организмов измеряется десятыми мг. доли в литрах. поступает в водоем с грунтовыми и поверхностными водами. Стабилизация его в верхнем слое осадка происходит в окислительной среде ,а миграция обратно в воду – при восстановительных условиях. Поэтому в периоды стагнации и содержания общего железа в гиполимнионе с острым кислородным дефицитом достигает 2-5 мг/дм³.

Важным показателем для характеристики трофического статуса озера является отношение содержание азота (минерального, органического, или их суммы) к содержанию общего фосфора (N/P) в озере. Обычно это отношение изменяется в очень широких пределах от 0,1 в оз. Севан в 30-е годы двадцатого столетия до 100 и более в гумифицированных озерах. По значению этого показателя все водоемы можно классифицировать на семь классов: очень низкий показатель – менее 5, низкий 5 – 10, умеренный – 10 – 20, средний – 20-30, повышенный 30-40, высокий – 40 – 50 и очень высокий – более 50. Наиболее благоприятные условия для развития, наример, фитопланктона, по данным разных авторов, изменяется в достаточно широких пределах (от 7-15 до 20). В своих работахH.HillebrandU.Sommer(1999) указывает на наиболее оптимальные значения для фитопланктона (N/P– 13-22).

В виде кремниевой кислоты в коллоидном состоянии в озерах присутствует кремний поглощаемый из воды живыми организмами. Количество соединений кремния в озерах обычно составляет 0,3-0.5 мг/дм³, повышенное его содержание – более 1.0 мг/дм³ обнаруживается в условиях моренных и песчаных водосборов. Аутигенный кремний образуется в результат отмирания диатомовых водорослей и накопления в осадке их кремнистых створок.

Рис. 7. 4. Определение трофического статуса озера по фосфорной нагрузке (по Фолленвайдеру)

С поступлением биогенных веществ в озера тесно связаны процессы эвтрофирования озер. Различают естественное эвтрофирование озер, когда процесс развития лимносистем протекает медленно на протяжении голоцена и озера эволюционируют от олиготрофного водоема к статусу высоко эвтрофного и на закючительном этапе к дистрофному. Однако в процессе интенсивной хозяйственной деятельности озера получают определенный антропогенный пресс. В данном случае процесс их эволюции существенно ускоряется. Озера не достигая своего статуса ускоряют свой эволюционный ход. Поэтому они в течение 19-20 столетия переходят в высоко эвтрофные, а порой и в гиперэвтрофные водоемы. Этот процесс лимнологи называют антропогенным эвтрофированием озер (рис. 7.4). Скорость эвтрофирования озер зависит от климатических условий и местных (локальных) условий, которые в совокупности и определили современный облик озер и их статус. Все озера интенсивно развиваются и завершают свою роль в природных ландшафтах перерождением в болотный массив (болото). Эволюционный ряд эвтрофирования озер в общем виде можно представить в следующей последовательности: олиготрофный, олиготрофный с признаками мезотрофии, мезотрофный, эвтрофный (слабо- , средне- высоко эвтрофный), гиперэвтрофный, дистрофирующий и дистрофный.

Процесс эвтрофирования зависит от внешней и внутренней биогенной нагрузки.

Внешнюю биогенную нагрузку на озеро можно рассчитать по формуле: Lс =P_осн.+P_б +P_с+P_n +P_n+m +P_a,

Где - Lс – внешняя биогенная нагрузка на озеро, г Р/м²год;P_осн. - поступление фосфора из основных водотоков, г/м²год;P_б – поступление биогенов из прилежащего к озеру водосбора, г/м²год;P_с– поступление биогенов с атмосферными осадками, г/м²год;P_n - поступление биогенов с подземными водами, г/м²год;P_n+m - поступление биогенов за счет околоводных птиц и животных, г/м²год;P_a – поступление биогенов из точечных источников антропогенного происхождения, г/м²год.

В связи с огромным значением фосфора и других биогенных элементов в продукционных процессах и эвтрофированием озер были предложены многочисленные формулы и модели для определения фосфорной нагрузки и концентрации фосфора в озерах. Критическую нагрузку фосфора на озеро R.A.Vollenweider(1976) предложил рассчитывать по формуле:

L_с= 10zQV(1 +V/Q),

где L_с – критическая нагрузка, мг/Р м² год;z– средняя глубина озера, м;Q– сумма притока воды с водосбора и атмосферные осадки на озеро, м³;V– объем озера, м³.

В настоящее время под внутренней биогенной нагрузкой чаще всего понимают поток биогенов со дна озера и последующим включением его в биотический круговорот.

В водоемах практически невозможно определить происхождение фосфора или азота в связи с разными источниками их поступления. С одной стороны, это поступление биогенов из-за пределов водосборов ( площадь водосбора, атмосферные осадки, грунтовые воды и т.д.), с другой стороны – за счет внутренних возможностей: фито- и зоопланктонные организмы, разлагающиеся insitu, продукты экскреции планктонных организмов, донные отложения, из которых биогены поступают в фотическую зону, высвобождение водорослями и бактериями растворенных органических соединений, которые расщепляютсяinsituс образованием растворенных биогенов. Кроме того, нужно добавить выделение биогенов с экскерментами планктонных, бентосных, беспозвоночных и рыб. Все эти факторы составляют внутреннюю нагрузку на озеро. Если внешняя биогенная нагрузка указывает на поступление биогенов извне, то внутренняя биогенная нагрузка – на интенсивность круговорота биогенов. Внутренний баланс веществ отражает перераспределение отдельных химических элементов в процессе геохимической и биогеохимической миграции. Управление этими процессами позволит управлять экосистемами озер.

Зная величину первичной продукции фитопланктона, фитобентоса и их элементный состав (С : N: Р), можно рассчитать вероятную величину фосфора и азота, которые пошли на создание данной продукции, и из этой величины вычесть величину внешней нагрузки, что даст внутреннюю нагрузку фосфором и азотом. Т.В. Жукова рассчитала ассимиляцию фосфора автотрофами, поступление фосфора с водосборной площади, донных отложений, экскреции фосфора зоопланктоном в Нарочанских озерах и подсчитала проценты ассимиляции автотрофами за счет этих поступлений.

Эти процессы тесно связаны с поступлением биогенных элементов. По последним исследованиям наиболее важным показателем эвтрофирования озер является фосфорная нагрузка.

Фосфор (минеральный) присутствует в воде главным образом в виде фосфатов (Р0₄^3-). Он входит в состав любого органического вещества, но в воде его содержание очень небольшое и в чистых озерах исчисляется тысячными долями миллиграмма на литр. В ходе сезонных изменений фосфаты, как и нитраты, летом почти исчезают в зоне эпилимниона. При отмирании организмов часть фосфатов поступает в воду, а также оседает в верхнем слое осадков. Благоприятные условия скопления фосфатов возникают в анаэробных условиях, свойственных гиполимниону. В годичном цикле наибольшее количество фосфора (сотые доли миллиграмма на литр) наблюдается в период зимней стагнации и в придонных слоях воды.

Обратно в воду из донных отложений фосфор возвращается вместе с железом и снова поступает в биотический круговорот.

Повышенное количество соединений фосфора в воде и в осадках служит свидетельством накопления органического вещества, поэтому низкий показатель фосфора в озере принято считать индикатором чистой воды.

Железо также является биогенным элементом, так как входит в состав гемоглобина крови. Удовлетворяющая потребность живых организмов концентрация железа измеряется десятыми долями миллиграмма на литр, однако в определенных условиях его количество превышает нормальное более чем в 10 раз.

В озеро железо доставляется вместе с грунтовыми или поверхностными водами в виде тонкой взвеси или в растворе. Круговорот железа в озере связан с его способностью изменять валентность в зависимости от окислительно-восстановительных условий. Стабилизация железа в осадок происходит в окислительной среде, а миграция обратно в воду — при установлении восстановительных условий, свойственных устойчивому гиполимниону. Наименьшее количество железа в озерах Белоруссии (сотые доли миллиграмма в литре) отмечено в периоды циркуляции, а также в летний сезон в слое эпилимниона. Это связано как с потреблением растительными организмами, так и с осаждением его в трехвалентной форме Fe(OH)₃.

Резко выраженное разграничение слоя воды на верхний горизонт, почти лишенный железа, и обогащен­ный им нижний обнаруживается летом в озерах со слабым перемешиванием и мощным гиполимнионом, где железо мобилизуется в закисной форме. В озере Губиза, например, концентрация железа летом 1967 г. в придонном слое изменилась от 0,18 мг/л в середине июня до 2,5 мг/л в конце июля. В начале сентября она достигла 3,53 мг/л. Верхний слой отложений в этом лее озере содержит до 10% Fe₂O₃.

Фосфор (минеральный) присутствует в воде главным образом в виде фосфатов (Р0₄^3-). Он входит в состав любого органического вещества, но в воде его содержание очень небольшое и в чистых озерах исчисляется тысячными долями миллиграмма на литр. В ходе сезонных изменений фосфаты, как и нитраты, летом почти исчезают в зоне эпилимниона. При отмирании организмов часть фосфатов поступает в воду, а также оседает в верхнем слое осадков. Благоприятные условия скопления фосфатов возникают в анаэробных условиях, свойственных гиполимниону. В годичном цикле наибольшее количество фосфора (сотые доли миллиграмма на литр) наблюдается в период зимней стагнации и в придонных слоях воды.

Обратно в воду из донных отложений фосфор возвращается вместе с железом и снова поступает в биотический круговорот (рис. 7.5).

Рис.7.5. Концептуальная схема изменения (обмена) фосфора в системе вода – донные отложения ( по Лоренцу)

Повышенное количество соединений фосфора в воде и в осадках служит свидетельством накопления органического вещества, поэтому низкий показатель фосфора в озере принято считать индикатором чистой воды.

Железо также является биогенным элементом, так как входит в состав гемоглобина крови. Удовлетворяющая потребность живых организмов концентрация железа измеряется десятыми долями миллиграмма на литр, однако в определенных условиях его количество превышает нормальное более чем в 10 раз.

В озеро железо доставляется вместе с грунтовыми или поверхностными водами в виде тонкой взвеси или в растворе. Круговорот железа в озере связан с его способностью изменять валентность в зависимости от окислительно-восстановительных условий. Стабилизация железа в осадок происходит в окислительной среде, а миграция обратно в воду — при установлении восстановительных условий, свойственных устойчивому гиполимниону. Наименьшее количество железа в озерах Белоруссии (сотые доли миллиграмма в литре) отмечено в периоды циркуляции, а также в летний сезон в слое эпилимниона. Это связано как с потреблением растительными организмами, так и с осаждением его в трехвалентной форме Fe(OH)₃.

Резко выраженное разграничение слоя воды на верхний горизонт, почти лишенный железа, и обогащен­ный им нижний обнаруживается летом в озерах со слабым перемешиванием и мощным гиполимнионом, где железо мобилизуется в закисной форме. В озере Губиза, например, концентрация железа летом 1967 г. в придонном слое изменилась от 0,18 мг/л в середине июня до 2,5 мг/л в конце июля. В начале сентября она достигла 3,53 мг/л. Верхний слой отложений в этом лее озере содержит до 10% Fe₂O₃.

Кремний как биогенный элемент необходим для построения внутренних и наружных скелетов, в частности для роста створок диатомовых. Скопление этих водорослей в отложениях образует особую породу — диатомит. Источником поступления кристаллического кремния в озеро служат подземный и поверхностный притоки, а также абразия берегов, поэтому его содержание в воде во многом зависит от состава пород водосборов. КолебанияSiO₂в годовом цикле небольшие. Обычно в озерах, расположенных среди песчаных и моренных пород, количество кремния составляет более 1 мг/л, при заболоченных водосборах оно снижается до 0,1—0,3 мг/л.

В многолетней динамике азота и фосфора в водоеме-охладителе отмечается тенденция к постепенному их увеличению. В отдельные годы, когда в воде фиксировались максимальные концентрации фосфора, по уровню трофии экосистема озера Лукомское приближалась к стадии гипертрофии.

В изменении минерального и общего фосфора от зимы к осени в многолетнем разрезе почти идентичны. В зимний период запасы фосфора формируются за счет минеральных и органических соединений и они имеют небольшую вариабельность в распределении по акватории и по глубинее. Весной минеральный фосфор полностью потребляется, в водной массе остаются только органические соединения, концентрации которых несколько снижаются по сравнению с зимой. В летнюю стагнацию концентрация обеих соединений возрастает на порядок. Преобладают органические формы, значения которых существенны как по акватории, так и по глубине. Осенью продолжается рост минеральных соединений, органических – снижается.

Максимально высокое содержание неорганического азота в начале 90-х и повышение его концентрации в начале 21 столетия обусловлено не только климатическими факторами, но и введением в эксплуатацию садкового комплекса. Увеличение роли сине-зеленых водорослей также способствовало поступлению азота из атмосферы его фиксации отдельными видами.

Современная структура земель водосбора оз. Лукомское не способствует выносу соединений фосфора в озеро. Его территория представляет собой сочетание возвышенных, средневысотных и низменных мелиорированных ландшафтов с общим уклоном к югу (рис.). На долю пахотных земель приходится около 28 % площади, лесистость водосбора 36,8 % и заболоченность 8%. Основные массивы сельскохозяйственных земель расположены на северо-западе и севере, в наиболее возвышенной и подверженной эрозии части водосбора. Ландшафтно-геохимическая структура водосбора снижают интенсивность миграции соединений фосфора и содействует его аккумуляции в ландшафтах. На водосборе озера было выделено 24 локальных участков, для которых был произведен расчет

Рис. 7.6. Схема поступления соединений фосфора с водосбора в озеро Лукомское (по З.К. Карташевич, 2007). 1 –Х1Х – локальные водосборы; вынос фосфора: 1 – наименьший; 2 – средний, 3 – максимальный.

поступления фосфора в озеро (рис.7.6). Некоторые из них представляют области внутреннего стока, для которых базисом эрозии является большое озеро, пруд или заболоченные участки (I,II,V,XIII). Вынос фосфора с таких локальных водосборов практически отсутствует. Основным источником эвтрофирования водоема является недоиспользованный рыбами комбикорм.