ПРОДУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ФИТОПЛАНКТОНА ФИТОПЛАНКТОНА

И ТРОФИЧЕСКИЙ СТАТУС И ТРОФИЧЕСКИЙ СТАТУС

ВОДОХРАНИЛИЩВОДОХРАНИЛИЩ ВОЛГИ ВОЛГИ

Н.М. МинееваН.М. Минеева

ИБВВ РАН, БорокИБВВ РАН, Борок

Работа поддержана грантом РФФИ

Оценка экологического состояния Оценка экологического состояния водных объектов остается водных объектов остается

актуальной в условиях актуальной в условиях антропогенного пресса антропогенного пресса

и изменений климата.и изменений климата.

В число показателей состояния водных В число показателей состояния водных экосистем входит их трофическая экосистем входит их трофическая

принадлежность. принадлежность.

Основу трофических классификаций Основу трофических классификаций составляют классические категории составляют классические категории

олиготрофия, мезотрофия, эвтрофия. олиготрофия, мезотрофия, эвтрофия.

Трофический статус определяетсяТрофический статус определяетсяинтенсивностью поступления интенсивностью поступления

автохтонного органического вещества, автохтонного органического вещества, образуемого в крупных водоемах в образуемого в крупных водоемах в

основном за счет фотосинтеза основном за счет фотосинтеза фитопланктона. фитопланктона.

В общем фонде первичной продукции В общем фонде первичной продукции большинства водохранилищ Волги большинства водохранилищ Волги

продукция фитопланктона составляет продукция фитопланктона составляет ~~90%90% (Романенко В.И., 1984).(Романенко В.И., 1984).

В основу многочисленных шкал и индексов В основу многочисленных шкал и индексов

трофического состояния наряду с трофического состояния наряду с

универсальным показателем развития и универсальным показателем развития и

функционирования фитопланктонафункционирования фитопланктона

содержанием хлорофилла содержанием хлорофилла аа

положены такие параметры какположены такие параметры как

содержание общего фосфора и содержание общего фосфора и

прозрачность воды.прозрачность воды.

Показа-тель

Олиго-трофные

Мезо-трофные

Эвтроф-ные

Источник

Хл, <1 1-10 >10 Винберг, 1960

мкг/л 1.7 4.7 14.3 Vollenweider, 1979

0.3-3 2-15 10-500 Likens, 1975

TP, 8.0 26.7 84.4 Vollenweider, 1979

мкг/л 5-10 10-30 >30 Likens, 1975

TN, мг/л 0.66 0.75 1.9 Vollenweider, 1979

0.25-0.60 0.5-1.1 >0.50 Likens, 1975

Пр, м 10 4.2 2.4 Vollenweider, 1979

Основные показатели трофического статуса водоемовОсновные показатели трофического статуса водоемов

ПоказателиПоказатели трофического статуса и качества воды трофического статуса и качества воды

Хлорофилл, мкг/л

Трофический статус

Класс качества

< 1-3 Олиготрофия 1. Предельно чистая

3-10 Мезотрофия 2. Чистая

10-30 Эвтрофия 3. Удовл. чистоты

30-60 Политрофия 4. Загрязненная

> 60 Гипертрофия 5. Грязная

По: Романенко В.Д. и др., 1990

Классификации, Классификации, типологические типологические

параметры и параметры и индексы трофии индексы трофии

в основном в основном разработаны для разработаны для

озерозер

В настоящем сообщении В настоящем сообщении рассматривается рассматривается

изменчивость изменчивость показателей развития и показателей развития и

функционирования функционирования фитопланктона в связи фитопланктона в связи

с оценкой трофического с оценкой трофического статуса водохранилищ статуса водохранилищ

на примере каскада на примере каскада водохранилищ Волгиводохранилищ Волги

Водохранилище V, км3

S, км2

hср, м

Квод, год-1

K

Иваньковское 1.12 327 3.4 7.9 1.90

Угличское 1.25 249 5.0 9.8 1.68

Рыбинское 25.42 4550 5.6 1.4 0.75

Горьковское 8.82 1591 5.5 6.0 1.68

Чебоксарское 13.85 2270 6.1 20.9 1.99

Куйбышевское 58.0 6450 8.9 4.2 1.44

Саратовское 12.87 1830 7.3 19.1 1.69

Волгоградское 31.5 3120 10.1 8.0 1.48

K=-0.97+0.90 lg PD (K - показатель антропогенной нагрузки по: Frumin, 2002;

PD- плотность населения прибрежной зоны, чел./км2)

Содержание пигментов фитопланктонаСодержание пигментов фитопланктона

Интенсивность фотосинтеза и деструкции Интенсивность фотосинтеза и деструкции (A, (A, R)R)

Интегральная первичная продукция и деструкцияИнтегральная первичная продукция и деструкция

((A, A, R)R) Ассимиляционные и респираторные числаАссимиляционные и респираторные числа

((САЧ, САЧ, R/R/Хл)Хл)

Эффективность утилизации солнечной энергии и Эффективность утилизации солнечной энергии и биогенов биогенов ( (%%U, U, Хл Хл/TN, /TN, Хл Хл/TP)/TP)

Данные полевых наблюдений на водохранилищах Данные полевых наблюдений на водохранилищах Волги (1976-2006):Волги (1976-2006):

Индекс трофического состояния Индекс трофического состояния

(Бульон В.В., 1985)(Бульон В.В., 1985)

ИТС = 40 + 20 ИТС = 40 + 20 lg lg Хл Хл аа

Трофический Трофический статусстатус

ИТСИТС Хл, мкг/лХл, мкг/л((Винберг Г.Г., 1960)Винберг Г.Г., 1960)

ОлиготрофныйОлиготрофный <40<40 < 1< 1

МезотрофныйМезотрофный 40-6040-60 1-101-10

ЭвтрофныйЭвтрофный >60>60 >10>10

Рассматриваемые показатели ранжированы по ИТС

Связь хлорофилла с Связь хлорофилла с TNTN и и TPTP, , использованная при разработке использованная при разработке трофических шкал для озер, в трофических шкал для озер, в

водохранилищах обнаруживается редко:водохранилищах обнаруживается редко:

R22<0.10<0.10 для сезонных изменений Хл для сезонных изменений Хл (Рыбинское водохранилище (Рыбинское водохранилище V-X 1981-1982V-X 1981-1982

Шекснинское водохранилище Шекснинское водохранилище V-X 1976-1977V-X 1976-1977))

RR22<0.20 для зональных изменений Хл <0.20 для зональных изменений Хл (весь каскад(весь каскад, VIII 1990-1991, VIII 1990-1991))

Изменение Хл Изменение Хл аа по градиенту общего по градиенту общего фосфора в водохранилищах Волгифосфора в водохранилищах Волги

данные ранжированыприведены средние для рангов показатели в скобках - число наблюдений

(75)

(5)

(88)(6) (28)

0

50

100

0 50 100 150 200 250

TP, мкг/л

Хл,мкг/л

В формировании подводного В формировании подводного светового режима волжских светового режима волжских

водохранилищ основная роль водохранилищ основная роль принадлежит не водорослевой принадлежит не водорослевой

компоненте, а взвешенному компоненте, а взвешенному веществу.веществу.

Доля фитопланктона в составе ВВ невеликаДоля фитопланктона в составе ВВ невелика

(0.1-0.4% для хлорофилла).(0.1-0.4% для хлорофилла).

Зависимость прозрачности от содержания Зависимость прозрачности от содержания хлорофилла и взвешенного вещества (хлорофилла и взвешенного вещества (RR22))

Водохранилище Хлорофилл Взвесь

Шекснинское 0.08 0.62

Иваньковское 0.29 0.42

Угличское 0.06 0.34

Рыбинское 0.30 0.46

Горьковское 0.08 0.61

Чебоксарское 0.08 0.70

Куйбышевское <0.01 0.52

Саратовское <0.01 0.44

Волгоградское 0.12 0.18

Весь каскад 0.24 0.46

• средние за вегетационный сезонсредние за вегетационный сезон

• максимальные (чаще – летние)максимальные (чаще – летние)

• наиболее часто встречаемыенаиболее часто встречаемые

Шекснинское, n=338

50

100 %

Иваньковское, n=98 Угличское, n=105

Рыбинское, n=220

50

100 Горьковское, n=216 Чебоксарское, n=89

Куйбышевское, n=172

50

100

<10 10-30 30-60 >60

Саратовское, n=59

<10 10-30 30-60 >60

Волгоградское, n=139

<10 10-30 30-60 >60 Хл, мкг/л

Частота встречаемости концентраций Хл Частота встречаемости концентраций Хл аа в водохранилищах (% общего числа наблюдений в водохранилищах (% общего числа наблюдений nn)

Мезотрофные

ШекснинскоеУгличское

СаратовскоеВолгоградское

Умеренно эвтрофные

РыбинскоеКуйбышевское

Эвтрофные

ИваньковскоеГорьковскоеЧебоксарское

Хл, мкг/л

0

10

20

30

М УЭ Э

Сложная гидрологическая структура Сложная гидрологическая структура водохранилищ обусловливает водохранилищ обусловливает

формирование в каждом из них зон с формирование в каждом из них зон с различной биологической различной биологической

продуктивностью и, соответственно, продуктивностью и, соответственно, трофностью.трофностью.

В каждом водохранилище присутствуют В каждом водохранилище присутствуют воды всех трофических типов.воды всех трофических типов.

Преобладающими являются воды, Преобладающими являются воды, соответствующие трофическому статусу соответствующие трофическому статусу

водохранилища.водохранилища.

Доля олиготрофных вод мала.Доля олиготрофных вод мала.

Водохранилище Мезотрофные Эвтрофные Хл, мкг/л % Хл, мкг/л %

Шекснинское 4.8 83 13.4 17

Иваньковское 6.2 36 33.2 64

Угличское 4.7 68 16.2 32

Рыбинское 5.4 49 21.2 51

Горьковское 6.4 32 23.4 68

Чебоксарское 5.8 38 20.0 62

Куйбышевское 5.8 58 18.4 42

Саратовское 4.2 66 14.5 34

Волгоградское 5.9 70 18.9 30

Присутствие вод разной трофии в водохранилищах ВолгиПрисутствие вод разной трофии в водохранилищах Волги

ООллииггооттррооффнныыее ММееззооттррооффнныыее ЭЭввттррооффнныыее ППееррииоодд ХХлл,, ммккгг//лл %% ХХлл,, ммккгг//лл %% ХХлл,, ммккгг//лл %%

ВВеессеенннниийй 00..77 1122 44..44 6633 1166..99 2255

РРааннннееллееттнн.. -- -- 44..77 4477 1133..55 5533

ЛЛееттнниийй -- -- 66..22 4411 2211..88 5599

ООссеенннниийй -- -- 55..55 5555 1166..33 4455

Сезонные изменения доли вод разной Сезонные изменения доли вод разной трофии (Рыбинское водохранилище, трофии (Рыбинское водохранилище,

1981-19821981-1982))

Олиготрофные Мезотрофные Эвтрофные Годы Хл, мкг/л % Хл, мкг/л % Хл, мкг/л %

1970-1979 0.4 9 5.3 5566 17.1 35

1980-1987 0.8 2 5.5 46 20.2 5522 1991-1997 0.8 2 6.0 6611 26.9 37

1998-2007 1.8 10 5.9 5544 18.2 36

Многолетние изменения доли вод разной трофииМноголетние изменения доли вод разной трофии((Рыбинское водохранилище, 1970-2007)Рыбинское водохранилище, 1970-2007)

Абиотические показатели водохранилищ Абиотические показатели водохранилищ Волги Волги

Водохранилище Пр, м Цв, град

Взвесь, мг/л

Электр,сим/см

Иваньковское 0.97±0.04 65±2 10.1±1.2 220±5Угличское 1.15±0.04 59±4 8.5±0.4 220±6Рыбинское 1.19±0.03 57±2 8.4±0.8 180±20Горьковское 0.96±0.02 46±1 7.5±0.4 182±10Чебоксарское 1.03±0.04 54±2 9.1±2.4 263±40Куйбышевское 1.22±0.03 47±2 6.3±0.5 265±8Саратовское 1.56±0.04 38±2 4.5±0.7 272±4Волгоградское 1.47±0.05 33±1 3.5±0.3 276±16

Изменение абиотических показателейИзменение абиотических показателей по градиенту трофии по градиенту трофии

Речные системы (в том числе и Речные системы (в том числе и преобразованные гидростроительством) преобразованные гидростроительством) характеризуются высоким содержанием характеризуются высоким содержанием

биогенов. биогенов.

Во всех водохранилищах Волги средние Во всех водохранилищах Волги средние концентрации общего азота и общего концентрации общего азота и общего

фосфора превышают границу, фосфора превышают границу, установленную между мезотрофными и установленную между мезотрофными и

эвтрофными водами.эвтрофными водами.

Содержание общего азота (TN) и общего Содержание общего азота (TN) и общего фосфора (TP) в водохранилищахфосфора (TP) в водохранилищах

Водохранилище TN, мг/л TP, мкг/л

Шекснинское 0.56+0.01 69+4

Иваньковское 1.000.05 1028

Угличское 1.020.08 1276

Рыбинское 1.070.05 714

Горьковское 1.020.02 713

Чебоксарское 1.320.10 13912

Куйбышевское 1.120.07 1226

Саратовское 0.880.07 1074

Волгоградское 1.020.03 1173

Изменение общего азота и общего Изменение общего азота и общего фосфора по градиенту трофии фосфора по градиенту трофии

Абиотические показатели Абиотические показатели в водах разной трофии в водах разной трофии

Показатель Мезотрофные Эвтрофные

Прозрачность, м 1.310.03 1.150.02

Цветность, град 501 511

Электр, Сим/см 2554 2493

O2, % 86.00.8 93.50.9

TN, мг/л 1.020.02 1.340.02

TP, мкг/л 87.02.5 99.02.2

TP/TN 9.90.2 14.30.5

Пигментный состав фитопланктона Пигментный состав фитопланктона водохранилищ (средние величины)водохранилищ (средние величины)

Водохранилище Хл а, мкг/л

Хл а, %

Хл b, %

Хл с, %

Фео, мкг/л

Фео, %

Карот, SPU/л

К/Хл

Шекснинское 6.5 79 7 14 1.8 23 5.2 0.9Иваньковское 25.5 83 5 11 5.1 25 18.8 0.8Угличское 7.9 79 7 13 2.5 31 8.8 0.8Рыбинское 14.2 84 5 11 3.0 28 10.2 0.9Горьковское 17.9 83 4 13 4.0 25 15.6 0.9Чебоксарское 14.6 70 9 21 4.6 32 13.2 1.0Куйбышеское 11.5 73 7 20 2.6 26 10.1 1.0Саратовское 8.1 79 4 17 1.8 27 6.9 0.9Волгоградск. 8.9 80 5 15 2.2 26 7.6 1.0

Изменение пигментного состава Изменение пигментного состава фитопланктона по градиенту трофиифитопланктона по градиенту трофии

Изменение пигментного состава Изменение пигментного состава фитопланктона по градиенту трофиифитопланктона по градиенту трофии

Содержание растительных пигментов Содержание растительных пигментов в водах разной трофии в водах разной трофии

Показатель Мезотрофные Эвтрофные

Хл а, мкг/л (%) 66.3+0.2 .3+0.2 ((7474)) 24.8+1.1 24.8+1.1 ((8585))

Хл b, мкг/л (%) 0.6±0.030.6±0.03 ((88)) 0.7±0.1 0.7±0.1 ((33))

Хл c, мкг/л (%) 1.4±0.1 1.4±0.1 ((1818)) 2.6±0.1 2.6±0.1 ((1111))

Хл а+b+c, мкг/л 7.4±0.17.4±0.1 24.3±0.724.3±0.7

Фео, мкг/л (%) 2.0±0.1 2.0±0.1 ((3434)) 4.3±0.1 4.3±0.1 ((2222))

Карот, SPU/л 5.5±0.15.5±0.1 17.1±0.617.1±0.6

Карот/Хл а 1.081.080.020.02 0.830.830.010.01

Первичная продукция (А) и деструкция (Первичная продукция (А) и деструкция (R)R) в водохранилищах Волгив водохранилищах Волги

Водохранилище A R A R

мг О2/(л сут) г О2/(м2 сут)

Шекснинское 1.490.14 0.300.02 1.130.10 0.940.08

Иваньковское 2.910.34 1.020.17 2.370.21 3.150.40

Угличское 2.220.25 0.430.05 2.440.25 2.220.28

Рыбинское 2.670.14 0.750.05 2.810.09 3.210.16

Горьковское 2.390.17 0.670.06 2.160.15 3.540.34

Чебоксарское 2.530.31 0.520.09 2.440.28 3.190.55

Куйбышевское 2.310.20 0.690.09 2.770.25 6.420.81

Саратовское 2.100.17 0.530.09 3.240.26 3.390.58

Волгоградское 2.310.16 0.590.05 3.230.19 4.460.48

Изменение фотосинтеза и деструкции Изменение фотосинтеза и деструкции по градиенту трофиипо градиенту трофии

Изменение интегральной первичной Изменение интегральной первичной продукции и деструкции по градиенту продукции и деструкции по градиенту

трофиитрофии

Водохранилище САЧ, мг О2/(мг Хл сут)

R/Хл, мг О2/(мг Хл ч)

Шекснинское 26815 2.450.21

Иваньковское 12112 1.550.15

Угличское 2345 1.950.11

Рыбинское 1514 1.760.07

Горьковское 1416 1.570.11

Чебоксарское 2039 1.180.11

Куйбышевское 22515 2.380.25

Саратовское 24513 2.180.23

Волгоградское 28114 2.870.19

Ассимиляционная и дыхательная активность Ассимиляционная и дыхательная активность фитопланктона Волгифитопланктона Волги

Изменение ассимиляционной Изменение ассимиляционной и дыхательной активности и дыхательной активности

фитопланктона по градиенту трофиифитопланктона по градиенту трофии

Эффективность использования лучистой Эффективность использования лучистой энергии и биогенов фитопланктоном Волгиэнергии и биогенов фитопланктоном Волги

Водохранилище% U* Хл/TP,

мкг/мкгХл/TN, мкг/мг

Шекснинское 0.10 0.01 0.110.01 14.41.3

Иваньковское 0.29 0.09 0.280.03 26.92.0

Угличское 0.19 0.10 0.090.01 11.80.8

Рыбинское 0.21 0.05 0.180.01 13.00.8

Горьковское 0.22 0.05 0.280.02 13.91.2

Чебоксарское 0.20 0.15 0.110.02 11.01.6

Куйбышевское 0.24 0.09 0.110.02 12.52.9Саратовское 0.24 0.06 0.120.03 15.13.6Волгоградское 0.39 0.13 0.090.01 5.00.6

* % от суммарной солнечной радиации

Изменение эффективности использования Изменение эффективности использования фитопланктоном лучистой энергии и биогенов фитопланктоном лучистой энергии и биогенов

по градиенту трофиипо градиенту трофии

Продукционные показатели Продукционные показатели фитопланктона в водах разной трофиифитопланктона в водах разной трофии

Показатель Мезотрофные Эвтрофные

ПП, мгO2/л сут 1.430.06 3.140.10

г O2/м2 сут 1.840.07 3.160.09

Д, мг O2/л сут 0.390.04 0.930.04

г O2/м2 сут 2.450.18 4.450.21

Хл/TP, мкг/мкг 0.070.003 0.500.01

Хл/TN, мкг/мг 6.00.2 23.80.7

% U от I0 0.140.01 0.250.01

САЧ, мгО2/мг Хл 2236 1403

Д/Хл, мгO2/мкг Хл ч 2.30.1 1.70.05

Изменения основных характеристик экосистемы, которые следует ожидать в ходе аутогенной сукцессии ( Одум, 1986)

Энергетика экосистемыУвеличение биомассы и количества органического детрита.

Увеличение валовой продукции за счет первичной при незначительном изменении вторичной.Уменьшение чистой продукции.

Увеличение дыхания.Отношение ПП/Д приближается к 1 (к равновесию).

Соотношение Б/П возрастает (П/Б соответственно уменьшается).

Круговорот биогенных элементовКруговороты элементов становятся более замкнутыми.

Увеличиваются время оборота и запас важных элементов.Возрастает коэффициент цикличности (возобновление/вход).

Удерживается и сохраняется больше биогенов (?).

Виды и структура сообществМеняется видовой состав сообществ (флористическая и фаунистическая эстафета).

Возрастает богатство как компонент разнообразия.Возрастает выровненность как компонент разнообразия.

r-стратеги в широких масштабах замещаются K-стратегами.Усложняются и удлиняются жизненные циклы.

Увеличивается размер организмов и (или) их стадий расселения.Развивается взаимовыгодный симбиоз (?).

СтабильностьВозрастает резистентная устойчивость (?).

Снижается упругая устойчивость (?).

Общая стратегияВозрастает эффективность использования энергии и биогенных элементов (?).

Энергетика экосистемы

Увеличивается биомасса (Хл) +

Увеличивается валовая ПП +

Увеличивается интенсивность дыхания +

Отношение A/R приближается к 1 -

Отношение Б/П возрастает, П/Б (САЧ) соответственно уменьшается

+

Круговорот биогенных элементов

Удерживается и сохраняется больше биогенов + (?)

Общая стратегия

Возрастает эффективность использования энергии и биогенных элементов

+

Фактические изменения продукционных характеристик фитопланктона Волги