Межгодовая изменчивость распределения растворенных форм биогенных элементов в водах дельты Волги и ее связь с вариациями биомассы фитопланктона

Савенко А.В.; Бреховских В.Ф.; Лабунская Е.Н.

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2011, том 17, № 4 (49), с. 70-75

^ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ—==—

УДК 551.48:556.54

МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСТВОРЕННЫХ ФОРМ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВОДАХ ДЕЛЬТЫ ВОЛГИ И ЕЕ СВЯЗЬ С ВАРИАЦИЯМИ БИОМАССЫ

ФИТОПЛАНКТОНА

*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет.

E-mail: [email protected] **Учреждение Российской академии наук Институт водных проблем РАН Россия, 119333 Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: [email protected]

Поступила 15.02.2011

По данным натурных наблюдений в дельте Волги, проводившихся с 2007 по 2010 г. в период наибольшей биологической продуктивности, установлено существование хорошо выраженной взаимосвязи между концентрациями растворенных форм минерального фосфора и кремния. Характер связи изменяется в соответствии с межгодовыми вариациями биомассы фитопланктона, более чем на 90% сформированной диатомовыми водорослями, потребляющими не только фосфор, но и кремний.

Ключевые слова: минеральный фосфор, кремний, фитопланктон, диатомовые водоросли, межгодовая изменчивость, дельта Волги.

В связи с важным хозяйственным значением устьевых областей рек гидрохимическому режиму биогенных элементов, содержание которых существенно влияет на биологическую продуктивность, традиционно уделяется большое внимание. В ходе ранее проведенных авторами исследований в зоне смешения вод р. Волги и Каспийского моря (Савенко и др., 2006) была установлена сильная межгодовая изменчивость степени неконсервативности поведения и абсолютных концентраций растворенных форм минерального фосфора и кремния в период летней межени. Можно предположить, что межгодовые вариации содержания биогенных элементов в речной водной массе связаны, прежде всего, с условиями формирования стока на водосборе, тогда как изменение их концентраций на морской границе зоны смешения определяется в основном интенсивностью биологической ассимиляции и регенерации в пределах устьевого взморья.

Вместе с тем, для устьевых областей рек с обширными дельтами, ярким представителем которых является Волга, немаловажную роль в формировании химического состава вод на речной границе зоны смешения играют внутриводоемные процессы в дельтовых рукавах и других элементах русловой сети, поскольку в силу значительной общей протяженности, резкого снижения скоростей течения и обилия водной биоты, в том числе высшей водной растительности, в устьевых областях рек, так же как и в собственно зоне смешения речных и морских вод, происходит трансформация стока растворенных веществ.

Для выявления процессов, контролирующих миграцию растворенных форм биогенных элементов в водах дельты Волги, и определения диапазона межгодовой изменчивости их концентраций в период наибольшей биологической продуктивности были проведены систематические комплексные исследования дельтовых водотоков.

Материалы и методы исследований

Материалом для исследований послужили пробы воды и фитопланктона, отобранные в августе 2007-2010 гг. в русловых системах рукавов Бахтемир, Старая Волга, Камызяк, Болда и Бузан дельты Волги, а также в низовье р. Ахтубы во время совместных экспедиций ИВП РАН и КаспНИРХ. Расположение станций отбора проб в отдельные годы показано на рис. 1.

48°00' 48°30' 49°00'

Рис. 1. Расположение станций отбора проб воды и фитопланктона в дельте Волги: 1 - 9-21 августа 2007 г., 2 - 6-25 августа 2008 г., 3 - 7-19 августа 2009 г., 4 - 6-22 августа 2010 г. Fig. 1. Locations of water and phytoplankton sampling stations in the Volga River delta: 1 is August, 9-21, 2007; 2 is August, 625, 2008; 3 is August, 7-19, 2009; 4 is August, 6-22, 2010.

Пробы воды отбирали из поверхностного слоя пластиковым батометром, после чего сразу же отфильтровывали их через плотные бумажные фильтры в полипропиленовые флаконы, в которые затем добавляли небольшое количество хлороформа (1 мл на 100 мл пробы) для консервации биогенных элементов. Концентрации растворенного минерального фосфора и кремния определяли колориметрическими методами с применением соответственно молибдата аммония с аскорбиновой кислотой и молибдата аммония с солью Мора; концентрацию общего растворенного фосфора - по той же методике, что и минерального, но с предварительным восстановлением органического вещества при

кипячении с добавлением персульфата калия; содержание хлоридов - объемным меркуриметрическим методом (Лурье, 1971). Погрешность измерений не превышала ±3%.

Пробы фитопланктона объемом 500 мл также отбирали из поверхностного слоя пластиковым батометром и фиксировали добавлением 25 мл 40%-ного формалина. Перед исследованием пробы сгущали с помощью вакуумной фильтрации через ядерные фильтры с диаметром пор 1 мкм. При определении таксонов использовался световой микроскоп с 63- и 280-кратным увеличением. Подсчет клеток выполнялся на линионированном стекле в объеме выборки 0.1 мл. Мелкие формы водорослей подсчитывались в камере Горяева. В каждой из проб подсчитывалось не менее 100 экземпляров массовых видов и не менее 600 клеток всех встреченных видов (Федоров, 1979; Практическая ..., 2006).

Результаты и обсуждение

Смешение речных вод с морской водой на всех станциях отбора проб, включая расположенные в непосредственной близости к морскому краю дельты, в периоды съемок не происходило: распределение хлоридов в 2007-2010 гг. было однородным при концентрациях соответственно 35.7-37.0, 28.7-29.7, 25.3-27.0 и 27.9-31.4 мг/л.

Между концентрациями растворенного минерального фосфора (Рмин) и кремния (Б1) наблюдается четко выраженная зависимость (рис. 2), форма которой в разные годы существенно различалась, хотя съемки проводились в один календарный период.

0 0.025 0.05 0.075 0.1

Рмин, мг/л

Рис. 2. Зависимость между концентрациями растворенных форм минерального фосфора и кремния в водах дельты Волги в августе 2007 (1), 2008 (2), 2009 (3) и 2010 гг. (4). Fig. 2. Relationship between concentrations of dissolved mineral phosphorus and silica in waters of the Volga River delta in August, 2007 (1), 2008 (2), 2009 (3), and 2010 (4).

Так, в 2007 г. с увеличением содержания растворенного Рмин концентрация Si резко возрастала, тогда как в 2008 г., напротив, отмечалась тенденция к ее снижению. Значения параметров a и b в уравнении связи

[Si, мг/л]=я[Рмин, мг/л]+Ь (1)

были равны соответственно 24.1 и 1.01 в 2007 г. и -8.2 и 3.12 в 2008 г. В 2009 и 2010 гг. зависимость имела более сложную форму, состоящую из двух линейных участков. В 2009 г. при концентрациях фосфатов от 0.004 до 0.045 мг Р/л содержание Si оставалось постоянным и равным ~2.5 мг/л, тогда как дальнейшее увеличение концентрации растворенного Рмин до

0.088 мг Р/л сопровождалось ростом содержания до 4.2 мг/л. Параметры а и Ь в уравнении связи (1) для этого участка зависимости составляли 37.9 и 0.78. В 2010 г. при концентрациях фосфатов от 0.001 до 0.042 мг Р/л происходило плавное возрастание содержания согласно уравнению (1) с параметрами а и Ь соответственно 4.1 и 1.57, после чего угол наклона данной зависимости резко увеличивался, и при концентрации Рмин 0.058 мг Р/л отношение Б1/Рмин было равным ~50.

По данным 2010 г. также установлено, что с ростом содержания общего растворенного фосфора (Робщ) нелинейно увеличивается доля его минеральной составляющей (рис. 3):

1в(Рмин/Рорг)=30.6[Р0бщ, мг/л]-0.63, г=0.68, (2)

где Рорг - растворенный органический фосфор. Это указывает на превышение скорости регенерации фосфатов в ходе деструкционных процессов над интенсивностью их ассимиляции при продуцировании органического вещества.

(Рмин/Рорг)

2 т

1 -

0 -

-1 + 0

Рис. 3. Зависимость логарифма отношения Рмин/Р0рг от концентрации общего растворенного фосфора в водах дельты Волги в августе 2010 г. Fig. 3. Relationship between the logarithm of Pmmerai/Porgamc ratio and concentration of total dissolved phosphorus in waters of the Volga River delta in August, 2010.

Поскольку рециклинг фосфатов осуществляется достаточно быстро, можно предположить, что изменение формы зависимости (1) контролируется интенсивностью биологического потребления кремния, скорость реминерализации которого, как известно, меньше, чем фосфатов. Данное предположение подтверждается характером межгодовых вариаций биомассы разных групп фитопланктона в водах дельты Волги в августе 20072010 гг.

Несмотря на то, что распределение биомассы фитопланктона в дельтовых водотоках отличалось крайней неоднородностью, основу ее структуры на всех станциях составляли накапливающие кремний диатомовые водоросли, о чем свидетельствует существование общей для 2007-2010 гг. зависимости между этими величинами (рис. 4), описываемой уравнением:

Вдиатом=0.9855 Вобщ-0.077, r=0.999, (3)

где Вдиатом и Вобщ - соответственно биомасса диатомовых и общая биомасса фитопланктона, мг/л. Это позволяет использовать в качестве репрезентативных показателей продуктивности

0.02

0.04

0.06

Р

общэ

мг/л

дельтовой альгофлоры средние значения биомассы фитопланктона и его отдельных групп для каждой съемки (табл.), при этом средняя доля диатомовых водорослей в общей биомассе была постоянной и равной 0.93-0.95.

Согласно приведенным в таблице данным наиболее обильная вегетация диатомовых наблюдалась в августе 2007 г., что повлекло за собой возникновение тесной положительной корреляции (г=0.94) между растворенными формами Рмин и во всем диапазоне их концентраций. В августе 2008 г. фитопланктон находился в угнетенном состоянии, в результате чего биомасса диатомовых была почти в 2.5 раза ниже по сравнению с предыдущим годом. Потребление кремния при этом, по-видимому, снизилось до величин, сопоставимых со скоростью его реминерализации, поскольку с ростом концентрации фосфатов содержание кремния в растворе не возрастало, а наоборот, имело тенденцию к уменьшению. В 2010 г. развитие мелкоклеточных водорослей также было подавлено, однако биомасса диатомовых по сравнению с 2008 г. несколько увеличилась, что вновь вызвало появление прямой зависимости между содержанием растворенных фосфатов и кремния, угол наклона которой в основном интервале концентраций был примерно в 6 раз меньше, чем в 2007 г.

Рис. 4. Зависимость между величинами общей биомассы фитопланктона и биомассы диатомовых водорослей в водах дельты Волги в августе 2007 (1), 2008 (2) и 2010 гг. (3). Fig. 4. Relationship between values of total phytoplankton biomass and biomass of diatoms in waters of the Volga River delta in August, 2007 (1), 2008 (2), and 2010 (3).

Табл. Вариации средней биомассы разных групп фитопланктона в водах дельты Волги в августе 2007-2010 гг. Table. Variations of the average biomass of different phytoplankton groups in waters of the Volga River delta in August, 2007-2010.

Год Средняя биомасса, мг/л Доля диатомовых в общей биомассе

общая диатомовые сине-зеленые зеленые динофи-товые

2007 2.945 2.770 0.114 0.049 0.011 0.94

2008 1.221 1.135 0.075 0.006 0.006 0.93

2010 1.403 1.333 0.065 0.005 - 0.95

Таким образом, на основе полученных данных можно утверждать, что ведущую роль в трансформации стока растворенных форм Рмин и в пределах дельты Волги играют процессы ассимиляции водной биотой и регенерации при разложении органического вещества. Максимальная продуктивность фитопланктона, основная часть биомассы которого сформирована диатомовыми водорослями, характеризуется сильными межгодовыми вариациями, что предопределяет межгодовую изменчивость концентраций биогенных элементов.

Выводы

В водах дельты Волги в период наибольшей биологической продуктивности существует хорошо выраженная взаимосвязь между содержанием растворенных форм минерального фосфора и кремния, характер которой (простая положительная или отрицательная линейная зависимость, ломаная линейная зависимость) различался в разные годы наблюдений. Межгодовая изменчивость параметров зависимости между концентрациями растворенных фосфатов и кремния определяется вариациями биомассы фитопланктона, более чем на 90% состоящей из диатомовых водорослей, которые, помимо фосфора, в значительных количествах потребляют кремний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Лурье Ю.Ю. 1971. Унифицированные методы анализа вод. М.: Химия. 375 с.

Практическая гидробиология. Пресноводные экосистемы. 2006. / Под ред. Федорова В.Д.,

Капкова В.И. М.: ПИМ. 367 с. Савенко А.В., Бреховских В.Ф., Казмирук В.Д. 2006. Межгодовая изменчивость распределения биогенных элементов в устье Волги в период летней межени // Труды Международной научной конференции «Инновационный потенциал естественных наук». Пермь. Т. 2. С. 129-134. Федоров В.Д. 1979. О методах изучения фитопланктона и его активности. М.: МГУ. 166 с.

INTERANNUAL VARIABILITY OF DISTRIBUTION OF NUTRIENTS DISSOLVED FORMS IN WATERS OF THE VOLGA RIVER DELTA AND ITS INTERRELATION WITH VARIATIONS OF PHYTOPLANKTON BIOMASS

*Moscow StateM.V. Lomonosov University Russia, 119991 Moscow, Leninskie Gory, MSU, Geological Faculty. E-mail: [email protected] **Water Problems Institute of Russian Academy of Sciences Russia, 119333 Moscow, Gubkin str., 3. E-mail: [email protected]

Existence of neatly expressed interrelation between concentrations of dissolved mineral phosphorus and silica according to the data of natural observations in the Volga River delta lead with 2007 for 2010 during period of greatest biological productivity is established. Character of this interrelation is defined by interannual variations of phytoplankton biomass, more than on 90% formed by the diatoms consuming not only phosphorus, but also silica.

Key words: mineral phosphorus, silica, phytoplankton, diatoms, interannual variability, the Volga River delta.

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Савенко А. В., Бреховских В. Ф., Лабунская Е. Н.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Савенко А. В., Бреховских В. Ф., Лабунская Е. Н.