Оптические характеристики озерных вод

Основными показателями природных вод являются прозрачность, освещенность и цвет.

Внешним выражением состоянием лимносистем служит прозрачность, которая характеризует степень загрязненности воды, глубину проникновения солнечных лучей, возможность распространения высшей водной растительности. Прозрачность определяется по белому диску (диск Секки), диаметром 30 см.

Оптические свойства воды служат важным показателем при классификации озер и оценке качества воды. Обычно величина прозрачности коррелирует с биомассой и продукцией планктона. В своей капитальной работе по озерам Швеции В. АЬегд и КоёЬе (1942) по прозрачности, цветности и перманганатной окисляемости поделил озера Швеции на три группы:

Малопрозрачные (полигумозные) озера с прозрачность менее 3 м;

Среднепрозрачные (мезогумозные) переходные с прозрачностью 3 - 5 м;

Высокопрозрачные (олигогумозные) с прозрачностью более 5 м.

На основании исследования озер по прозрачности воды северо-запада Европы С.П. Китаевым (2007) было выделено следующие типы озер:

1.Очень малая прозрачность - менее 1 м;

2.Малая прозрачность - 1 - 2 м;

3.Средняя прозрачность - 2 - 4 м;

4.Высокая прозрачность - 4 - 8 м;

5.Очень высокая прозрачность - более 8 мНа основании анализа соотношения величины прозрачности воды и средней глубины было установлено, что это соотношение изменяется в пределах от 0,02 до 4,40. По этому показателю озера были разбиты на пять групп, или классов. Первая группа включает очень мелководные озера (олигофотобатные), т.е. озера в которых данное соотношение составляет 0,25, т.е. прозрачность воды в 4 раза меньше средней глубины озера. Вторая группа включает оптически мелководные озера (олигомезофотобатные) озера (0,25-0,50). Третья группа - оптически среднеглубокие озера (мезофотобатные), (0,5-1,0). В этих озерах величина прозрачности в 1-2 раза больше средней глубины озера. Четвертая группа - оптически глубокие озера (мезополифотобатные), т.е. прозрачность их в 1 -2 раза больше средней глубины озера. Пятая группа - оптически очень глубокие озера (полифотобатные), когда прозрачность воды больше, чем в 2 раза больше средней глубины озера.

Отношение величины прозрачности по белому диску к средней глубине озера можно назвать коэффициентом относительной прозрачности. Озера, имеющие отношение менее 0,25, будут иметь очень низкий коэффициент относительной прозрачности, 0,25-0,5 - низкий и 0,5 - 1,0 - средний, 1-2 - высокий и более 2 - очень высокий.

Среди озер Беларуси выделяются водоемы с повышенной (более 5 м), средней (5-2м) и низкой прозрачностью (менее 2 м). К числу первых относятся многие глубокие и среде глубокие озера, не испытывающие сильного антропогенного влияния. Большинство мелководных озер отличается низкой прозрачностью, особенно летом в результате массового развития фитопланктона. Наиболее высокие показатели прозрачности наблюдаются в зимний сезон; осенний и весенний минимумы связаны с увеличением поверхностного стока. Максимальная прозрачность отмечается в озере Нарочь - 7 м.

Наиболее прозрачными являются глубокие и среднеглубокие озера типа Долгое, Ричи, Нарочь. Последнее еще в 70-е годы имело прозрачность более 10 м. Наибольшая прозрачность наблюдается в зимнюю стагнацию благодаря отсутствию динамического перемешивания и слабым развитием водных организмов. Высокие показатели прозрачности являются признаками олиготрофных и мезотрофных озер.

В своих исследованиях Д. Хатчинсон, ссылаясь на исследования различных ученых, отмечает, что к величине прозрачности по диску Секки необходимо относится осторожно. В то же время, принимая во внимание исследования японских исследователей утверждает, что прозрачность по диску Секки может рассматриваться для озер, расположенных в одинаковых природных условиях. Диск Секки исчезает из виду на глубине, куда проникает всего 5 % общей солнечной радиации, достигающей поверхности воды.

Другой важный показатель - освещенность горизонтальной поверхности и снизу и ее ослабление с глубиной. Ослабление освещенности как интегрального показателя с глубиной в общем виде подчиняется закону Бугера-Ланберга и определяется по формуле Io – Iz = Io ℮?z,

где Io – освещенность на поверхности озера, Iz – освещенность на глубине я, = Io ℮?z , ? - коэффициент ослабления света.. Для более точного определения освещенности учитываются показатели ослабления освещенности за счет растворенных окрашенных органических веществ, детрита и фитопланктона.

Цвет природных вод обусловлен избирательным рассеиванием и поглощением световых лучей. Вследствие очень большого разнообразия оттенков цвета воды для унификации при его определении были предложены шкалы цвета воды Фореля-Уле. Ф. Форелем была первоначально разработана шкала, которая учитывала только горные озера и содержала только 10 запаянных пробирок с образцами цвета от синего до желто-зеленого цвета. Позже Уле добавил к синему и желтому раствору и оттенки коричневого цвета и довел шкалу до 21 номера, которая официально действует по сей день (табл. 7.1).

7.2. Активная реакция среды (рН)

Необходимым показателем гидрохимического режима озер и его трансформации под влиянием хозяйственной деятельности служит активная реакция среды (рН).

Активная реакция воды (рН) служит одним из важнейших гидрохимических показателей водной массы, в значительной степени характеризует количество и качество органических и минеральных веществ, а также газов. Определяется активная реакция концентрацией водородных (Н) и гидроксильных (ОН) ионов. При равной их концентрации реакция воды нейтральна. Повышение концентрации Н-ионов при соответствующем понижении ОН-ионов дает кислую реакцию, обратное же соотношение соответствует щелочной реакции. Концентрация водородных ионов условно выражается символом рН, означающим отрицательный логарифм концентрации Н-ионов, выраженной в грамм-эквивалентах на литр. При рН = 7 реакция воды нейтральна, при рН<7 реакция кислая, а при рН>7 щелочная.

В озерах Белоруссии активная реакция определяется в основном соотношением карбонатов, бикарбонатов, углекислоты и органических кислот.

В абсолютном большинстве изученных озер на протяжении года в поверхностном слое показатель рН колеблется от нейтрального до слабощелочного. Редко встречаются озера со слабокислой (<7) или резко щелочной (>9) реакцией среды. По вертикальному разрезу в направлении от поверхности ко дну наблюдается более или менее значительное увеличение кислотности.

В течение года наиболее стабильными величинами рН (7,5—8) характеризуются глубокие прозрачные озера, для которых это служит одним из признаков олиготрофии. Показательны в этом отношении озера Кривое, Долгое, Гиньково, Волос Южный. Отсутствие резких колебаний характерно для среднеглубоких водоемов с открытыми котловинами: Нарочь, Снуды.

Неглубокие, хорошо прогреваемые эвтрофные озера с такими же условиями бассейна отличаются более значительными колебаниями рН в течение года, а также в вертикальном разрезе. В озере Отолово летом в ясный день активная реакция воды колебалась от 8,4—8,5 на поверхности до 7,3—7,25 у дна на глубине 15 м. Наиболее высоко значение рН в заросших заливах. При длительной пасмурной погоде рН снижается до 7,93—7,50 и нивелируется по всей акватории озера. Такая же реакция удерживается здесь в остальное время года, снижаясь зимой в придонных слоях.

Существенные колебания активной реакции в течение года характерны для мелководных высокоэвтрофных озер. В озерах Черствяты, Шо, Баторин под влиянием жизнедеятельности растительных организмов летом рН превышает 8,8. Даже при незначительной глубине оно заметно изменяется и в штилевую погоду у дна понижается до 7,60—7,47. Зимний период для таких озер характеризуется общим повышением содержания водородного иона, причем вблизи дна рН составляет около 7—6,83

В дистрофирующих водоемах с пониженной минерализацией под влиянием притока гуминовых кислот и слабой деятельности растительных организмов слабокислая активная реакция удерживается в течение всего года. Так, в озере Межужол она колеблется от нейтральной у поверхности до слабокислой в придонном слое как зимой, так и летом. Аналогичное явление отмечено в озерах Ельня, Червоное и др.

Активная реакция воды оказывает существенное влияние на жизнедеятельность водных организмов. Наименее благоприятна для них кислая и резко щелочная среда, которую не переносят многие представители фи-то- и зоопланктона, мальки и икра, некоторые рыбы.

Она определяется в основном содержанием и соотношениями карбонатов, бикарбонатов, углекислоты и органических кислот с учетом жизнедеятельности животных и растительных организмов. В большинстве озер в течение года в поверхностном слое рН колеблется от нейтральной до слабощелочной (7-8). Озера со слабокислой (менее 7) и сильно щелочной (более 8,5) средой распространены реже и характеризует высокую степень антропогенных нарушений естественного режима. В вертикальном столбе воды у дна обычно отмечается изменение в сторону нейтральной или слабокислой реакции.

В течение года наиболее стабильными величинами рН характеризуются глубокие прозрачные озера. Существенные колебания свойственны мелководным, богатым жизнью озерам. Летом в поверхностном слое величина рН может превышать 9 (сильно щелочная среда) при полном отсутствии СО2 и кислородном перенасыщении. Зимой в придонном слое таких озер рН становиться нейтральной или слабокислой (6,5) при условии полного потребления кислородом и высоком содержании СО2. такие условия характерны для озер, подверженных антропогенному воздействию.

В числе озер встречаются водоемы с постоянно высоким содержанием водородного иона и кислой реакцией среды. Например, в озерах Чербомысло и Глубокое Полоцкого р-на., рН составляет 5,0 -5,9.

Сезонная динамика величины рН в Лукомльском озере в большинстве случаев имеет достаточно четкую закономерность. В период зимней стагнации, как правило, фиксируются минимальные значения, при переходе к весенней гомотермии - они несколько повышаются, летом достигают максимума. В период весеннего и летнего перемешивания диапазон значений минимальный. В отдельные годы отмечен интенсивный рост значений рН в летний период , когда они превышали 9 (1975, 1077, 2003-2005), что является следствием повышения интенсивнотс фотосинтеза и некоторым повышением в водной массе концентрации солей натрия, магния. Осенняя гомотермия имеет более низкие показатели рН, а сумма ионов незначительно возрастает по сравнению с летним периодом. Эта особенность весьма характерна для водоема-охладителя. Когда осенью еще продолжается вегетация воорослей, но в сравнении с летним периодом усиливается

деструкция органического вещества. В целом для водоема-охладителя характерна тенденция увеличения значений водородного показателя.

Общая минерализация

Гидрохимия изучает химический состав природных вод, а также ее изменения под влиянием естественных (химических, физических и гидробиологических) и антропогенных факторов и процессов. Гидрохимия обычно изучает химию атмосферных осадков, льда, озер и водохранилищ, болот, океанов и подземных вод. Гидрохимией озер называется наука, изучающая химически состав озерных вод, а также их изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов и процессов.

Минерализация природных вод изменяется от 2 мг/л - 0,3 г/л в атмосферных осадках до 600 г/л в подземных водах. Минерализация вод озер и водохранилищ колеблется в пределах 0,003 - 350,0 г/л, рек от 0,01 до 10,0 г/л.

Все природные воды различными авторами по химическому составу делятся на многочисленные группы. Применительно к озерам наиболее часто используется классификация О.А. Алекина (табл. 7.2).

_____________________________________________________________ Таблица 7.2. Типы природных вод по классификации О.А. Алекина

Естественным состоянием лимносистемы является наличие в растворенном состоянии минеральных веществ, количество и качество которых зависит от характера горных пород на водосборе, интенсивности биологических процессов, от хозяйственной деятельности в его пределах. Озера занимают промежуточное положение между слабо минерализованными водоемами Европейского Севера и более высоко минерализованными озерами лесостепной и степной зоны. Абсолютное большинство их относится к среденминерализованным, однако влияние азональных факторов обеспечивает заметный диапазон величины минерализации. Последняя колеблется от 30-50 до 350-45- мг/дм . по составу солей все озера относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы.

В солевом составе всегда и без исключения доминирует гидрокарбонатные ионы, которые вместе с ионами кальция и магния определяют в общих чертах величину минерализации. Кроме НСО₃^-, Са²⁺, Мg²⁺, истинно растворимые соединения представлены ионами щелочных металлов Na^+,, К⁺, сульфатами. Хлоридами. Среди составляющих минерализации и постоянно соотношение: НСО₃> Са²⁺> Мg²⁺ > SO₄^2- >Сl^-. Увеличение содержания сульфатов и хлоридов.. Увеличение содержания сульфатов и хлоридов. Как правило, отражает влияние хозяйственной деятельности на водосборе.

В лимнологии, как в целом в гидрологии, используют классификацию по химическому составу воды О.А. Алекина, 1946. В основу классификации положены 2 принципа: преобладающих ионов и соотношение между ними Все природные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатных и карбонатных (НС0₃ + С0₃), сульфатных (80₄), хлоридных (С1) вод, рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема классификации природных вод по преобладающему аниону и соотношению между главными ионами (по О.А. Алекину)

В каждом классе по преобладающему катиону выделяются три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. В то же время каждая группа включает три типа.

Величина минерализации воды свидетельствует о роли подземного питания озер в водном и солевом балансе озер. Как правило, водный баланс и, соответственно приход минеральных веществ, складывается из притока с водосбора почвенно-поверхностных вод, атмосферных осадков на поверхность озера и притока грунтовых вод (порово-пластовых вод рыхлых четвертичных отложений и глубоководных трещинных). Самую низкую минерализацию имеют атмосферные осадки, затем почвенно-поверхностные воды и, наконец, самую высокую минерализацию имеют глубоководные трещинные подземные воды. Высокоминерализованные подземные воды поступают в глубокие котловины озер и тем самым увеличивают минерализацию воды. Величину поступления подземных вод можно определить несколькими методами: методом водного и солевого балансов, электрометрический метод. При расчете балансовыми методами величину невязки баланса относят к поступлению подземных вод в озеро. Мелководные водоемы как правило питаются исключительно поверхностными водами.

Независимо от величины минерализации количество солей увеличивается в зимний период, а также в придонных слоях. Наиболее значительные колебания свойственным мелководным, богатым жизнью озерам.

По степени минерализации водной массы озера Беларуси занимают промежуточное положение между слабоминерализованными водоемами Европейского Севера и более минерализованными озерами лесостепи и степи. В этом отношении они отражают общие законы климатической зональности . Озера Беларуси можно отнести к среднеминерализованным. Однако влияние целого ряда дополнительных азональных факторов обеспечивает довольно значительный диапазон величины минерализации, которая колеблется в пределах от 20— 50 до 400—450 мг/л.

По классификации О. А. Алекина, озера Белоруссии относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы. В солевом составе озер везде доминирует гидрокарбонатный ион, который вместе с ионами 2+

кальция и магния определяет в общих чертах величину минерализации воды. Кроме НСО₃^-, Са и Мд²+, истинно растворимые соединения, в небольшом количестве представлены ионами щелочных металлов (№а+ составляет 1,8—8, а К+ 0,4 — 3 мг/л). Увеличение содержания № , К отмечается при общей повышенной минерализации озера. Содержание хлоридов (С1^-) колеблется в пределах 1,6— 10,5 мг/л. Повышенное содержание хлоридов означает не столько повышенную концентрацию их в породах водосбора, сколько поверхностный привнес за счет растворения калийных удобрений, с атмосферными осадками и бытовым стоком.

Сульфатный ион (804-- ) обычно характеризуется более высоким показателем по сравнению с хлоридами и колеблется от 2—3 до 15 —17 мг/л. В отдельных случаях в придонных слоях отмечается увеличение 804-- до 20 — 25 мг/л, что говорит о разложении органического вещества в донных осадках при дефиците О2. Восстановленные соединения серы концентрируются в условиях ярко выраженной температурной стратификации, устойчивого кислородного дефицита в гиполимнионе, значительного увеличения содержания СО2 и слабокислой активной реакции среды. В таких озерах нередко накапливается сероводород, а в составе донных отложений—сульфид железа гидротроилит. В целом же при всем разнообразии концентрации солей среди анионов постоянно соотношение: HC03->S042->Сl--.

Изменение основных составляющих минерализации воды — гидрокарбонатного и кальциевого ионов в озерах разных типов отражает особенности водосборной площади, строение озерной ванны, температурный и газовый режимы водной массы, интенсивность биологических процессов, а в целом характеризует (вместе с другими показателями) генетический тип озера.

Поступление в воду карбонатных солей зависит от поверхностного и подземного притоков, а также от интенсивности минерализации органического вещества, содержащегося в воде. Расходная часть солевого баланса слагается из выноса солей в процессе стока, затрат на питание водных организмов и, наконец, накопления их в донных отложениях.

Увеличение количества Са²+ и НСО₃^-- с глубиной, обычное для озер, происходит за счет интенсивности грунтового питания и образования в верхних слоях водной массы иона СОз^-- летом при активном участии фотосинтеза.

Зимой источником повышения минерализации озер служит не только увеличение роли грунтового подтока, но и растворение монокарбоната донных отложений и переход его в воду при увеличении содержания углекислого газа, особенно в, высокогумусных озерах. Понижение концентрации двуокиси углерода летом приводит к обратному процессу — разложению гидрокарбонатов и высвобождению карбонатов, выпадающих из воды в осадок: СаСО3 + С02 + Н2О : Са + 2НСО3.

Сезонные изменения величины минерализации и солевого состава в разных озерах имеют одинаковую направленность, но разные величины. Амплитуда колебаний солесодержания в годичном цикле озера чаще всего отражает степень развития в нем органической жизни, увеличиваясь одновременно с возрастанием эвтрофных признаков.

Результаты иследований констатируют связь колебаний солености воды со степенью появления фотосинтезирующей деятельности растений. Именно поэтому наболее равномерна величина минерализации в глубоких холодных озерах, для которых эта особенность служит одним из признаков олиготрофии. В озере Долгом, например, в течение трех летних сезонов содержание гидрокарбонатного иона колебалось в поверхностных слоях от 158 до 146мг/м. В озере Кривом за такой же период величина НСОз^-- менялась от 128 до 115 мг/л. В вертикальном же разрезе в первом из них разница в содержании НСО3^-- между поверхностными и придонными слоями не превысила 3—2, а во втором — 3—5 мг/л (максимально). Зимой в озере Кривом концентрация гидрокарбонатного иона увеличилась всего на 6-- 8 мг/л по сравнению с летом, а в озере Долгом не превысила 2—3 мг/л.

В типичном эвтрофном озере Черствяты содержание НСО₃^-- в июне 1966 г. колебалось в пределах 134—176 мг/л. Зимой разница в содержании НСО3^-- между поверхностными и придонными слоями составила 201,5—237,9 мг/л. Та же картина наблюдалась в озере Отолово.

Показатель минерализации очень четко отражает особенности водосборной площади озера. При условии преобладания моренных пород и значительной распаханности этот показатель повышается даже в глубоких, бедных жизнью озерах (оз. Долгое). Наиболее низкие показатели минерализации отмечены в озерах с очень малым (<10 км²) удельным водосбором, с преобладанием песков и лесной растительности на всей площади бассейна. В озере Чербомысло, например, при площади 0,50 км² и величине водосбора 2,02 км² сумма минеральных веществ составила всего 26,4 мг/л, а величина НСО₃^-- понизилась до 15,3 мг/л. Такие необычные для полосы смешанных лесов показатели минерализации выразились, кроме того, в кислой реакции воды и очень бедном проявлении жизнедеятельности организмов. Очень низкое содержание минеральных веществ свойственно озерам, имеющим водосбор верхнего болота и питающимся только болотными и атмосферными водами (оз. Ельня).

Подвижность и изменчивость элементов минерализации, зависимость ее от разнозначных причин осложняют выделение групп озер по признаку минерализации. Однако на общем фоне отчетливо выделяются относительно немногочисленные озера с пониженной минерализацией воды в течение года. Это первая группа озер. Сумма гидрокарбонатного и кальциевого ионов летом в них менее 50 мг/л. Чаще всего в питании подобных водоемов большую роль играют болотные воды, богатые гумусовыми веществами, а также атмосферные осадки. Примерами низкоминерализованных озер могут служить Межужол, Ельня, Озерцы, Усая, Чербомысло, Глубокое, Червоное в Полесье.

Во вторую группу, объединяющую большинство водоемов, входят озера средней минерализации. Гидрокарбонатный ион летом в них колеблется от 100 до 200 мг/л, а содержание кальция составляет 20—35 мг/л. Обычно в водном балансе этих озер значительную роль играют атмосферные осадки, поверхностные притоки и грунтовые воды. К таким озерам относятся Мястро, Нарочь, Медзозол, Обстерно, Укля, Лукомльское, Березовое, Паулье, в Полесье — Луковское, Белое и многие цругие. К этой же группе причисляются глубокие прозрачные водоемы, водная масса которых отличается слегка пониженной минерализацией, обусловленной молодостью озер и ослабленным проявлением фотосинтеза (Гиньково, Волос Южный, Рудакове, Кривое, Женно).

Третья группа озер с повышенной минерализацией, до 400 мг/л (НСОз^-->200 мг/л, Са 35—50 мг/л) включает относительно немногочисленные небольшие водоемы, лежащие в глубоких воронкообразных котловинах, а также озера с очень замедленным водообменом. В водном балансе их весьма заметную роль играет грунтовое питание. К числу таких озер относятся, Иодово, Гульбеза, Каймин, Ячменек и др. Минерализация достигает 500-600 мг/л (оз. Ковальки) и связана с антропогенным загрязнением.

Интересным для оценки изменения величины минерализации является оз. Лукомское, подвергшееся тепловому загрязнению. За многолетний период исследования (1932-2008 гг.) озера Лукомского установлена устойчивая и достоверная тенденция роста величины минерализации.

По данным группы научных сотрудников кафедры общего землеведения линия тренда свидетельствует о циклическом характере динамики основных ионов. Наименьшие ее величины были зафиксированы в 1932 г., максимальные - в 1989 г. Наиболее низкие концентрации, как правило, соответствуют многоводным годам. Более устойчивый рост суммы ионов начался с 1989 г., когда ее значения начали превышать 250-300 мг/л. Такая общая тенденция увеличения минерализации отмечалась, начиная с 70-х годов, на многих водных объектах и связывалась с общим их загрязнением.

На озере Лукомском увеличение минерализации связано с наращиванием мощности ГРЭС и использование воды не только для охлаждения, но и для рыбного хозяйства, города при неполной ее очистке. Более высокая величина минерализации озер формируется в основном за счет хлоридов, сульфатов, магния, натрия, калия. Источниками поступления служат промышленные и коммунальные стоки, сток из сельскохозяйственных угодий, внесение минеральных удобрений и противогололедных реагентов, недостаточная очистка использованных вод и др.

В последние годы в Беларуси отмечается двукратное увеличение поступления в водоемы хлоридов (Кадацкая, 2005). Химические свойства хлоридов способствуют их быстрому поступлению и накоплению в водных экосистемах. Растворимость всех хлоридных солей очень высокая, что является одной из основных причин их колоссальной миграционной способности. В отличие от других ионов, хлориды практически не поступают в донные отложения, а постепенно накапливаются в воде, увеличивая ее минерализацию. Рост содержания хлоридов практически совпадает с ростом суммы ионов и начинается с 1978 г.

Наиболее высокая концентрация сульфатов в экосистеме регистрируется при поступлении сульфатов в многоводные годы и при использовании мазута электростанцией.

Кальцый и магний определяют жесткость воды и способствуют образовании накипи в котлах. Наиболее интенсивное его осаждение протекает в период максимального фотосинтеза. Когда возникает недостаток диоксида углерода и он извлекается из биокарбонатов. При этом повышается значение рН и образуется слаборастворимый карбонат кальция, который осаждается на дно. При высоких концентрациях фосфора осаждение приобретает настолько интенсивный характер. Что в отдельных высокоэвтрофных и гиперэвтрофных водоемах концентрация кальция снижается до уровня магния.

По содержанию и распространению магний занимает второе место после кальция. Основными источниками поступления являются процессы химического выветривания и растворение горных пород. Среди антропогенных факторов - это сточные воды. В паросиловых установках содержание магния влияет на жесткость воды, что предполагает более жесткие требования к его содержанию. Направленность процесса в многолетнем аспекте свидетельствует об увеличении магния в озере и в целом кривая многолетнего распределения почти соответствует кривой изменения минерализации. С 1994 г. произошли существенные изменения в ионном составе вод Лукомского озера, которые привели к изменению типа вод из второго в третий, и соответственно к иному соотношению главных ионов: на второе место после гидрокарбонатного иона вышел сульфатный. В настоящее время в озере относительное содержание натрия возросло в 5 раз, хлоридов в 2, калия в 1,1, магния и сульфатов в 1,2 раза.

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 – денитрификация N2. 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, 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 т зки, продукты экскреции планктонных организмов, донные отложения, из которых биогены поступают в фотическую зону, высвобождение водорослями и бактериями растворенных органических соединений, которые расщепляются т зки с 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 Ре(ОН)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% Ре₂О₃.

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.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: