книги / Метан в водных экосистемах

Отбор проб воды на метан в Онежском озере был проведён по всей акватории в сентябре 1986 г. и в июне 1987г. В сентябре отбор проб производился только в поверхностном слое воды, в июне - в поверхностном и придонном.

Подобно Ладоге, Онежское озеро является холодноводным во­ доёмом с замедленным водообменом (Кв= 0,05). В отличие от Ладо­ ги это водоём с зарегулированным стоком: после ввода в эксплуа­ тацию Верхне-Свирской ГЭС в 1951 г. Онежское озеро стало водо­ хранилищем (Верхне-Свирским). На период исследований (19861987 гг.) оно имело олиготрофный характер. Площадь поверхности озера без островов 9692,6 км2, объём водной массы 291,2 кмэ, средняя глубина 30 м, наибольшая 120 м, площадь водосборного бассейна более 61000 км2

Онежское озеро примерно по линии Петрозаводск - устье р. Водлы делится на две части, резко отличающиеся по своим морфоло­ гическим особенностям [219]. Для южной, охватывающей Централь­ ное и Южное Онего, характерна слабая изрезанность береговой ли­ нии, немногочисленные острова, небольшие по площади и распо­ ложенные близ берегов. Рельеф дна довольно спокойный, с посте­ пенным увеличением глубин от 20-25 м на юге до 40-50 м в Цен­ тральном Онего. Местами встречаются небольшие по площади вы­ тянутые глубокие впадины с глубинами свыше 60 м. Береговая ли­ ния северной части озера сильно изрезана и образует ряд плёсов и заливов. В западной части находится плёс Большое Онего, к кото­ рому примыкают крупные заливы, вытянутые в направлении с севе­ ро-запада на юго-восток: Петрозаводская и Кондопожская губы, уз­ кие, глубоко вдающиеся в сушу Лижемская и Уницкая и ряд более мелких губ.

Враспределении концентрации метана по акватории озера в 1986 г. (сентябрь) отмечены определённые закономерности. В рай­ онах с интенсивным накоплением ОВ концентрации метана макси­ мальны. Это относится в первую очередь к району Кондопожского ЦБК - 33,5 мкл/л. Несколько меньшие концентрации определены в истоке р. Свирь (9,5 мкл/л) и в Повенецком заливе - в районе г. Пиндуши (9,7 мкл/л). В то же время на большей акватории озера со­ держания газа не превышали 0,5 мкл/л.

Виюне концентрация метана в поверхностной и придонной воде Онежского озера (без учёта содержания метана в Кондопожской гу­ бе) варьировала соответственно в пределах от 0,6 до 6,2 мкл/л (ср. сод. 2,2 мкл/л) и от 0,8 до 7,6 мкл/л (среднее содержание 3,1 мкл/л) (табл.27, см. рис.33). Наиболее значительная разница между при­ донным и поверхностным горизонтами воды выявлена в одной из глубоководных впадин (ст. 4; глубина 105 м), расположенной на се-

Таблица 27 Содержание метана в воде Онежсного озера (июнь 1987 г,)

вере Центрального Онего. Здесь наблюдаются максимальные со­ держания в придонной воде и минимальные в поверхностном гори­ зонте.

ВКондопожской губе, в районе влияния сточных вод целлюлоз­ но-бумажного комбината, содержание метана многократно увеличи­ вается (более чем в 100 раз) как в поверхностном, так и в придон­ ном горизонте воды и соответственно составляет 1200,0 и 2160,0 мкл в литре. Помимо высоких содержаний метана, в районе Кондо­ пожского ЦБК как в воде, так и в донных отложениях наблюдаются и аномально высокие концентрации ОВ, НП, фенолов, БП, соедине­ ний серы, концентрации которых на порядок превышают их содер­ жания на остальной акватории озера (Матвеев, 1987). Максималь­ ная загрязнённость Кондопожской губы фиксируется и по микробио­ логическим показателям (гетеротрофы, фенолокисляющие, сульфатредуцирующие целлюлозоразрушающие бактерии). На выходе из Кондопожской губы, наряду с существенным уменьшением со­ держания антропогенных веществ, снижается и концентрация мёта­ на в поверхностной и придонной воде (соответственно 6,2 и 1,1 мкл/л), что указывает на локальное загрязнение губы, не выходящее за ее пределы.

Вистоке р. Свирь содержание метана в поверхностной и при­ донной воде соответственно составляет 6,2 и 2,4 мкл/л. В районе впадения в озеро р. Вытегра его концентрация в придонном гори­ зонте равнялась 4,3 мкл/л.

ВПовенецком заливе концентрация метана в поверхностном горизонте близка к значениям, определённым в открытой части Онежского озера, однако в придонном слое его содержания в зали­ ве меньше.

Озеро Ильмень

Озеро Ильмень и его водосборная площадь расположены в пределах экономически развитого региона европейской территории

России (Новгородская область), в котором интенсивно развиваются сельское хозяйство, а также различные отрасли лёгкой, пищевой, лесной и тяжёлой промышленности, а на самом озере - водный транспорт. В Ильмень впадает около 50 рек: Шелонь, Мета, Ловать, Псижа и другие. В отличие от Онежского и Ладожского озёр, Иль­ мень обладает значительным водообменом, совершающемся в среднем за 3-4 месяца (Кв = 3,8, в маловодный 3,7, в многоводный 5,4). Как и Онега, Ильмень является водоёмом с зарегулированным стоком. На современном этапе это мезотрофный водоём. Площадь поверхности и объём воды колеблются в зависимости от уровня в весьма широких пределах [224]. Разница между наименьшими и наивысшими уровнями достигает 7,47 м, площадь изменяется в 2,8- 3,4 раза (от 733 до 2090 км2), а объём почти в 12 раз. При уровне воды 18,13 м (меженный) обновление всей водной массы воды (сток через р. Волхов) происходит за полтора месяца. Средняя глубина озера 2,6 м, наибольшая - Юм.

По численности микрофлоры и индексу сапробности, опреде­ лённому по зоопланктону, озеро Ильмень характеризуется как мезо­ трофный водоём III класса качества воды с выраженными призна­ ками эвтрофного [160]. В прибрежной части озера до глубин 1-2 м выделяются мелкозернистые пески и крупные алевриты, которые к центральной области озера переходят в мелкоалевритовые и гли­ нистые илы.

Концентрация метана в воде придонного горизонта озера в ию­ не 1987 г. характеризовалась большим размахом от 1,1 до 74,3 мкл/л (рис.34). Максимальные его концентрации приурочены к севе­ ро-западной части озера, куда впадает река Шелонь (74,3 мкл/л). В отложениях этой точки (крупноалевритовые илы) в поверхностном (1-1,5 см) слое в данный период выявлено максимальное количест­ во гетеротрофных организмов, а также одно из самых высоких зна­ чений численности аммонификаторов и углеводородокисляющих бактерий [160]. Несколько меньшие концентрации метана выявлены

взоне впадения р. Псижа (16,9 мкл/л).

Вцелом отмечается тенденция уменьшения концентрации ме­ тана с запада (с промежуточными значениями в срединной части озера - от 9,2 до 11,3, в среднем 10,0 мкл/л) на восток, где выявле­ но минимальное его содержание - от 1,1 до 3,8 мкл/л (ср. сод. 2,2 мкл/л). В точках 1, 9 и 20 отложения представлены песчаными осад­ ками (мелкозернистый песок), что вероятно и обуславливает низкие концентрации метана в придонной воде этих станций.

р. Шгаоль

Рис. 34. Схема расположения станций отбора проб на метан в придонном горизонте воды озера Ильмень (июнь). В скобках - содержание метана в мкл/л.

Содержание мётана в поверхностном горизонте озера Ильмень в сентябре 1986 г. (t = 11,0-11,8°С) была очень низкой и не превы­ шала 0,5 мкл/л, за исключением станции 9, где концентрация газа составляла 1,6 мкл/л.

Озёра Валдай и Ужин

Озёра Валдай и Ужин представляют большой интерес для изу­ чения, так как, будучи первично олиготрофными, они в последние десятилетия подвергаются антропогенному эвтрофированию, что показали проведённые в 60-х-80-х годах прошлого века исследова­ ния [6,120,155,291]. Основные причины ухудшения состояния озера связаны с развитием на водосборе сельского хозяйства, животно­ водства и промышленности. Несмотря на то, что первые наблюде­ ния на озёрах Валдай и Ужин были выполнены ещё в 1905 г. [142], а в дальнейшем экспедициями различных институтов [73,137, 291-293 и др.] проведены подробные гидролого-гидрохимические и гидро­ биологические исследования, данные о содержании и распределе­ нии метана в озёрах Валдай и Ужин отсутствуют.

Изучавшиеся озёра Валдай и Ужин расположены в центральной части Валдайской возвышенности (Европейская территория Рос­ сии). Воды озёр среднеминерализованные, гидрокарбонатно­ кальциевые. Озёра соединены искусственной протокой глубиной до

2 м, длиной 90 м, шириной 10-12 м. Сток с обоих озёр за пределы водосбора осуществляется по р. Валдайка. По распределению глу­ бин и другим особенностям в Валдайском озере выделяют три ос­ новных плёса: Глубокий, Городской и Восточный (рис.35), макси­ мально измеренные глубины, в которых соответственно составляют 60, 41 и 39 м [291]. Максимальная глубина наиболее глубокой сред­ ней части оз. Ужин составляет 39 м.

Рис. 35. Схема расположения станций отбора проб в озёрах Валдай и Ужин.

В настоящее время типологический облик оз. Ужин близок к олиготрофному, здесь наблюдаются более низкие количественные показатели фитопланктона, большее видовое разнообразие и пре­ обладание в видовом составе золотистых и зелёных водорослей. Однако уже намечены тенденции постепенного перехода оз. Ужин в стадию эвтрофирования, присущую Городскому и Восточному плёсу

оз, Валдай [31]. В оз.Валдай, отмечается более значительное обед­ нение видового состава бентофауны, идёт деградация сообщества за счёт полного исчезновения хирономид, доминирующих в оз. Ужин. Особенно неблагоприятная обстановка для развития бенто­ фауны наблюдается в Восточном плёсе. Усиление антропогенного воздействия на озеро Валдай привело к тому, что в последние годы здесь всё чаще отмечаются такие негативные явления, как гибель рыбы, рост содержания в ручьях и озере отдельных компонентов химического состава и общей минерализации, повышение содержа­ ния токсических веществ и, наконец, усиление масштабов зараста­ ния мелководных участков озера макрофитами.

Материалом для данной работы послужили результаты послой­ ных определений метана в озёрах Валдайском и Ужин. Наблюдения проводились в наиболее характерные периоды годового цикла озёрных процессов - в период наступления полной осенней цирку­ ляции (вторая половина октября 1986 г.), в конце ледостава или зимней стагнации (в начале апреля 1988 г.) и в период летней стаг­ нации (в конце июля 1988 г.). Кроме этого, в летний период (июль 1988 г. и август 1989 г.) определены содержания метана в верхнем десятисантиметровом слое донных отложений этих озёр.

В периоды экспедиционных исследований пробы воды постоян­ но отбирали в рейдовых вертикалях (Городской плёс), Р2 (Вос­ точный плёс); Р3 (оз. Ужин). В летний и осенний периоды, помимо рейдовых станций, пробы в озёрах отбирались и в других точках, а также в ручьях Архиерейский, Февральский, Неглинный, Язынец, Голова, Крутой, в озере Нерецкое и соединяющей его с оз. Валдай реке Поника (см. рис.35). Пробы на мелководных участках отбирали

в поверхностном и в придонном слоях, в глубоководных частях озёр

-в поверхностном, фиксированном 20-метровом и придонном гори­ зонтах. В ручьях, впадающих в озёра, опробование проводилось только в поверхностном слое воды.

Одновременно с отбором проб на метан послойно измерялась температура воды. Послойные измерения показали, что по аквато­ рии озёр в отдельно взятый период исследования различия в тем­ пературах по горизонтам незначительны. Межсезонные, существен­ ные изменения температуры характерны только для поверхностного горизонта. Температура срединных и придонных горизонтов в тече­ ние вегетационного периода практически не изменялась. Для под­ лёдного периода минимальная температура - 0,5°С отмечена в по­ верхностном горизонте на исследуемой акватории. В период летней стагнации температура в глубинной области оз. Ужин несколько ни-, же, чем в Валдайском. Данная особенность наблюдалась и Г.С. Шилькрот [291], который полагает, что это связано с более ранним в

оз. Ужин окончанием весеннего перемешивания воды и более ран­ ним наступлением летней стагнации.

В период осенней циркуляции максимальные содержания мета­ на - 3,8-9,5 мкл/л зафиксированы в северной части озера Ужин (табл. 28). На остальной акватории этого озера концентрации газа в воде варьировали в незначительных пределах - от 1,5 до 2,4 мкл/л

Таблица 28

Послойное распределение метана в воде озёр Валдай и Ужин (по [260])

• Прочерк - содержание метана не определялось

(ср. сод. 1,9 мкл/л). Вертикальное распределение метана в оз. Ужин на глубоководных участках характеризовалось плавным увеличени­ ем его содержания от поверхностного горизонта к придонному. В оз. Валдайском содержание метана изменялось в диапазоне 0,2-3,8 мкл/л (ср. сод. 1,3 мкл/л). Вертикальное распределение газа на глу­ боководных станциях оз. Валдай, так же, как и в оз. Ужин (рис. 36а), характеризовалось максимальными величинами в придонных гори-

Кы

Рис. 36. Вертикальное распределение метана в воде озёр Валдай и Ужин в периоды: а - осенней циркуляции; б, в- зимней стагнации;

г - летней стагнации

зонтах, однако увеличение его концентраций в придонных слоях было чуть более резким, за исключением ст. 18, где распределение содержания метана по вертикали было равномерное (0,3 мкл/л - во всех горизонтах). Минимальные концентрации в поверхностном и в срединном горизонтах отмечались в Восточном плесе (0,2-0,4 мкл/л). Несмотря на это, здесь же (Р2) выявлено и наиболее высо­ кое его содержание в придонном слое (3,8 мкл/л). На мелководных участках Городского плеса, в районах впадения ручьёв, протекаю­ щих по территории г. Валдай, концентрация метана в среднем по своим значениям была несколько выше, чем в глубоководных мес­ тах, и варьировала в пределах 0,8-2,4 мкл/л (ср. сод. 1,8 мкл/л); при этом его содержания в поверхностном и придонном горизонтах мало отличались друг от друга.

В конце ледоставного периода', по сравнению с периодом осен­ ней циркуляции, вертикальное распределение метана в оз. Валдай характеризуется более резким его возрастанием в придонном слое (рис. 366 и 36в), что связано с застойностью вод. Особенно мощный скачок зафиксирован в придонной воде Восточного плёса (ст. Р2) (рис.Збв), где содержание СН4 на два порядка и более превышало его содержание в поверхностном и срединном слоях, достигая 1749,0 мкл/л (табл.28). В это же время, на этой станции в придонном слое наблюдались самые высокие, не характерные для озера Вал­ дай, концентрации органического фосфора 1,79 мг Р/л, макси­ мальные содержания аммонийного и органического азота (соответ-

' Длительность периода ледостава колеблется от 122 до 176 дней, средняя дата начала сплошного ледо­ става 4 декабря. дата ескрытия озер 30 апреля [291].

ственно 0,53 и 1,23 мг N/л) (Брызгало, 1989). В поверхностном и срединном горизонтах этого плёса концентрация метана соответст­ венно составляла 1,8-2,2 и 3,8-5,4 мкл/л. В Городском плёсе его со­ держание составляло 1,2 мкл/л - в поверхностной, 1,1 мкл/л - в срединной и 24,8-29,2 мкл/л - в придонной воде. В оз. Ужин, в отли­ чие от оз. Валдайского, послойное распределение метана и его аб­ солютные значения в подлёдный период (рис. 366; ст. Р3), мало от­ личались от наблюдаемых в период осенней циркуляции (рис. 36а): содержание газа в воде плавно возрастало от поверхностного (1,8 мкл/л) к придонному горизонту (2,8 мкл/л).

Различия в картинах распределения метана в оз. Валдай и Ужин, а также различия между Городским и Восточным плёсами обусловлены особенностями их гидрохимического режима. Г.С. Шилькрот [291], в течение нескольких лет, изучавший гидрохимиче­ ский режим этих озёр, обнаружил следующие заметные различия, хорошо объясняющие вертикальное и пространственное распреде­ ление метана. В плёсах Валдайского озера близ дна резко возрас­ тает поглощение кислорода, а в некоторых случаях в глубоких, но небольших по площади понижениях дна содержание растворённого кислорода падает к концу зимней стагнации до 0,7-0,9 мг/л (5-10 % насыщения). Общее понижение содержания 0 2 в гиполимнионе, ве­ роятно, связано с достаточно равномерно распространёнными во всей его толще процессами окисления растворённого вещества и сестона, а также расхода на дыхание бактериопланктона, интенсив­ ность которого увеличивается к придонному горизонту [31]. При этом, как справедливо отмечается в работе [291], “очевидно, что ин­ тенсивность поглощения кислорода в гиполимнионе будет изме­ няться в зависимости от количества поступления в этот слой окис­ ляющихся веществ в отдельные годы и на разных этапах стагна­ ции” Низкое содержание кислорода у дна способствует созданию резко восстановительной обстановки уже в верхнем слое отложе­ ний, что приводит к интенсивной генерации метана и других соеди­ нений и их диффузии из осадков в придонный слой воды. В глубин­ ных слоях идёт очень активное окисление образовавшихся веществ, о чём свидетельствует не только снижение кислорода в придонном горизонте, но и резкое уменьшение концентрации метана в средин­ ном слое воды. Наименьшим содержанием кислорода характеризу­ ется Восточный плёс Валдайского озера, в придонной воде которого и зафиксировано аномально высокое содержание метана. Своеоб­ разие Восточного плёса, отличающегося пониженным содержанием кислорода в глубинных слоях, особенно в придонном, в летний и зимний периоды, остаётся не вполне ясным. Возможно, что мень­ шее содержание 0 2 в этом плёсе в течение стагнаций связано с ка­