The global process of eutrophication and its features in Arctic lakes as a consequence of climate warming

Full Text

Проблема эвтрофирования водных объектов остро обозначилась в середине прошлого века и сохраняет свою актуальность в настоящее время. Развитие процесса обусловлено неконтролируемым поступлением азота и фосфора в биосферу: рассеиванием в глобальном масштабе, внесением на поля в виде удобрений, поступлением с хозяйственно-бытовыми стоками и стоками животноводческими ферм. Общий сток реактивного фосфора в океаны, по оценкам ученых, увеличился в 9–10 раз по сравнению с доиндустриальным периодом [1, 2]. Состояние тысяч озер, устьев водохранилищ и водно-болотных угодий по всему миру ухудшается из-за повышения уровня биогенных веществ в воде, вызывающих изменения в экологической структуре и функциях водных экосистем объектов [3, 4].

Эвтрофирование представляет собой угрозу для вод, используемых в качестве питьевого водоснабжения, рыбоводства, рекреации, промышленности, поскольку этот процесс вызывает усиленный рост водных макрофитов и цианобактерий, выделяющих в воду токсины [1, 5]. В настоящее время не представляется возможным ограничить использование азота и фосфора, как удобрений, поскольку повышение продуктивности полей необходимо для обеспечения продовольствием все возрастающего населения планеты.

В литературе появляется все больше свидетельств, указывающих на влияние сопутствующего потепления климата, которое приводит к изменчивости химического состава вод и эвтрофированию водоемов [6]. Оценивая опасность развития эвтрофирования водоемов, много усилий было приложено к ограничению поступления фосфора и азота в озера и реки с точечными и диффузными источниками. В крупных озерах Америки обозначился процесс олиготрофикации [7], как и в крупных озерах России – Ладоге и Онеге [8].

Основные работы по предотвращению эвтрофирования водных объектов направлены на ограничения поступления биогенных веществ с точечными или диффузными источниками загрязнения. В то же время не представляется возможным ограничить влияние глобального обогащения биосферы фосфором и азотом, а также влияние потепления климата на биогеохимические циклы. Доказанными феноменами влияния потепления климата является повышение содержаний фосфора и азота, которому сопутствует увеличение органического вещества в водах [9, 10]. Многолетние исследования озер Северной Америки показали повышение трофического статуса озер даже в случае отсутствия каких-либо антропогенных источников загрязнения. Сделано заключение об исчезновении олиготрофных озер [11].

В отчетах AMAP [12] проблема повышения трофического статуса озер не рассматривается. На многочисленных конференциях, связанных с исследованиями арктического бассейна, вопрос об особенностях эвтрофирования вод высоких широт не выносится на обсуждение даже в связи с потеплением климата.

Целью работы было представить: 1) последние данные о нарастающих поступлениях в биосферу азота и фосфора и развитие эвтрофирования водных объектов в Арктическом регионе, 2) доказать влияние потепления климата на эвтрофирование озер Арктического региона, не подверженных прямому воздействию каких-либо источников загрязнения (на примере Кольского Севера России).

Исходными материалами послужила гидрохимическая база данных по малым озерам Кольского Севера за (1990, 1995, 2000, 2010, 2014 и 2018 гг.). На рис. 1 приведена картосхема региона со схемой точек исследования. Изученные озера расположены в тундровой (n = 15), лесотундровой (n = 21) и северо-таежной зонах (n = 32). Всего было исследовано 68 озер. Данные получены на основе методов, используемых в международной практике по программе ICP-Water, которые выполнялиcь по единым методикам в лабораториях Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН (ИППЭС КНЦ РАН), который ежегодно принимал участие в международных интеркалибрациях. Более подробно методы исследований изложены в работе [13]. Материалы были обобщены по двум периодам: 1990–2000 гг. и 2010–2018 гг. (табл. 1). Статистическая обработка данных осуществлялась с использованием компьютерной программы “Statistica 10”.

 

Рис. 1. Карта-схема точек исследованных озер Кольского региона: 1 – тундровая, 2 – лесотундровая, 3 – северо-таежная зоны.

 

Для оценки климатических изменений мы использовали доступные данные по среднемесячной температуре приземного слоя воздуха за 28-летний период наблюдений в период открытой воды (июнь, июль, август и сентябрь) (рис. 2) по трем станциям, расположенным на севере – пос. Териберка (побережье Баренцева моря), в центральной части региона г. Апатиты (водораздел между полуостровом) и на юге Кольского п-ова г. Умба (побережье Белого моря) [14]. Статистически значимый положительный наклон тренда температуры: r = 0.60, p < 0.05 свидетельствует о потеплении климата в период открытой воды в указанный период при высокой вариабельности, характерной для арктической зоны.

 

Рис. 2. Среднемесячные температуры приземного слоя воздуха в период открытой воды, T (°C) [14].

 

Долговременные тенденции изменения биогенных элементов и органического вещества в условиях потепления климата. В табл. 1 представлены содержания биогенных элементов, растворенного органического вещества, среднемесячная температура и среднемесячное количество осадков в выделенных ландшафтных зонах (тундра, лесотундра и северная тайга) за 2 периода (1990– 2000 и 2010–2018). Динамика среднегодовой температуры приземного слоя воздуха за 2 периода (1990–2000) и (2010–2018) в разных ландшафтных зонах показала увеличение как по медианным, так и максимальным значениям. В северо-западной и северо-восточной частях региона (тундра) за рассматриваемый период среднегодовая температура воздуха увеличилась на 1.1^°С, по максимальным значениям на 4.3^°С. Среднегодовая температура воздуха в центральной части региона (лесотундра) к 2010– 2018 гг. увеличилась на 1.1^°С, по максимальным на 3.1^°С. В юго-восточной части региона (северная тайга) среднегодовая температура приземного слоя воздуха к 2010– 2018 гг. по сравнению с 1990– 2000 гг. увеличилась на 1.2^°С, по максимальным значениям на 1.7^°С.

 

Таблица 1. Содержание общего азота (N_tot), общего фосфора (P_tot), кремния (Si), растворенного органического вещества (DOC), среднемесячная температура приземного слоя воздуха в летне-осенний период (июнь-сентябрь) (Т) и среднегодовое количество осадков (P, мм/год) (в числителе – среднее значение и среднеквадратичное отклонение, в знаменателе – пределы содержания)

Параметр	Тундра		t	Лесотундра		t	Северная тайга		t
	1	2	p	1	2	p	1	2	p
Т, °C	8.9±1.9	10.5±2.1	+2.65	10.5±2.5	11.6±2.6	+2.88	11.2±2.3	12.4±2.5	+3.14
	4.0–12.3	5.3–16.6	<0.05	2.5–15.7	6.4–18.8	<0.01	4.1–16.2	7.2–17.9	<0.01
P, мм/год	468	436	–	337	593	+4.56	436	603	+2.25
	396–557	381–493	–	217–419	457–686	<0.001	381–493	504–712	<0.05
DOC, мгС/л	5.3±2.3	5.8±1.8	+2.01	6.7±5.7	6.8±4.0	–	6.9±2.1	7.0±4.1	–
	2.8–10.9	2.7–9.9	<0.05	1.6–16.8	3.8–16.5	–	2.1–14.5	2.2–17.3	–
Si, мг/л	1.5±0.9	1.3±0.8	–	2.3±1.8	1.3±1.7	–	2.0±1.4	1.6±1.1	-3.74
	0.09–3.8	0.04–3.5	–	0.03–7.1	0.04–8.5	–	0.1–5.2	0.04–4.1	<0.001
Ntot, мкгN/л	186±75	237±90	+3.00	245±122	350±163	+3.22	218±63	238±79	+2.04
	75–470	70–503	<0.01	57–477	117–593	<0.01	70–324	110–381	<0.05
Ptot, мкгP/л	7±4	10±9	+2.26	10±11	20±21	+2.04	8±4	11±5	+3.17
	2–20	2–65	<0.05	1–54	4–93	<0.05	2–20	3–26	<0.01

Примечание: t – критерий Стьюдента, p – уровень значимости: тренд недостоверный.

* 1 – 1990–2000, 2 – 2010–2018.

 

В воде озер, расположенных в тундровой зоне содержания растворенного органического вещества (DOC) достоверно увеличились по средним значениям (t = +2.01, p < 0.05) в период с 2010 по 2018 гг. Содержания N_tot (t = +3.00, p < 0.01) и P_tot (t = +2.26, p < 0.05) в воде озер достоверно увеличились к 2010–2018 гг, по сравнению с периодом 1990–2000. В озерах лесотундровой зоны содержания общего азота (N_tot) и общего фосфора (P_tot) (t = +3.22, p < 0.01) достоверно увеличились к 2010–2018 гг. В воде озер северо-таежной зоны cодержания N_tot (t = +2.04, p < 0.05) и P_tot (t = +3.17, p < 0.01), достоверно увеличились к 2010–2018 гг., по сравнению с периодом 1990– 2000, концентрации Si достоверно снизились (t = –3.74, p < 0.001).

Потоки фосфора и их изменение при потеплении климата. Для расчета потоков фосфора были выбраны 3 модельных озера в различных ландшафтных зонах (тундра, лесотундра и северная тайга). Ниже представлены формулы для расчета по модели В. В. Бульона [15], характеризующие поступление фосфора с водосбора в исследуемые озера:

– L_a = P TP_p/1000, где L_a – поступление фосфора в озеро с атмосферными осадками, (г/(м²·год)); P – среднегодовое количество осадков, (мм/год); TP_p – содержание фосфора в атмосферных осадках, (мкгР/л) (1);

– L_d = E SDA, где L_d – поступление фосфора в озеро с водосборной площади, (г/(м²·год)), SDA – удельный водосбор (2);

– E = P_ter·0.1·0.002·0.02·2 ((T-12/10) × F_eu, где E – коэффициент экспорта фосфора с водосборной площади, (г/м² год); (Т) – среднемесячная температура приземного слоя воздуха в летне-осенний период (июнь-сентябрь) (табл. 1); F_eu – фактор эвтрофирования озера за счет внешней нагрузки, который для 3 изученных озер равен 1, вследствие отсутствия или минимальной антропогенной нагрузки (3);

– P_ter = B_ter ∙ V_ter ∙ GS, где P_ter – чистая продукция наземной растительности, (ккал/(м² год)) (4);

– B_ter = E_ter∙GP_ter /(V_ter∙GS), где B_ter – фитомасса на водосборной площади озера, (ккал/м²) (5);

– E_ter –эффективность роста, которая для озер северной и северо-западной частей Европейской территории России равна 0.6;

– V_ter – скорость оборота биомассы, сут^–1, которая для озер северной и северо-западной частей Европейской территории России равна 0.00023;

GP_ter = (IF (Eva > P) THEN (3000 (1 – EXP(–0.000664 P))) ELSE (3000/(1 + EXP (1.315– 0.119 T))) 4/0.6, где GP_ter – валовая продукция наземной растительности, (ккал/(м²·год)) (6);

GS = –0.058 Lat²+0.549 Lat + 36, где GS– длительность вегетационного сезона, Lat – широта (7);

– Sed = (L_a + L_d) R, где Sed – седиментация фосфора в донные отложения, (г/(м²·год)) (8);

– R = 5/(5+G), где R – коэффициент седиментации фосфора, G – водная нагрузка на водоем, (м/год) (отношение средней глубины озера к условному числу лет, необходимому для полного водообмена в озере) (9);

– TP_int = (L_a + L_d) (1 – R) T_w, где TP_int – фосфорная нагрузка, (г/(м² год)) (10);

– Out = TP_int / T_w, где Out – потеря фосфора со стоком воды, (г/(м²·год)) (11);

– T_w = D_mean/(0.0315 Mo SDA)), где T_w – время пребывания воды в озере, (год); D_mean – средняя глубина, (м); Mo – модуль стока (12).

Расчеты, выполненные по модели, показывают комплексную реакцию системы “водосбор – водоем” на повышение температурных условий. Согласно нашим расчетам, повышение среднегодовой температуры приземного слоя воздуха на 1.1^°С (табл. 1) по сравнению с периодом 1990–2000 гг. стало причиной увеличения поступления фосфора с водосборной площади (L_d) в озера. Наряду с увеличением количества атмосферных осадков и поступления в озера фосфора в их составе это привело к росту фосфорной нагрузки на водоемы в 2–3.5 раза (табл. 2).

 

Таблица 2. Потоки фосфора в озерах по В. В. Бульону [15] (1 – озеро в тундровой зоне, 2 – озеро в лесотундровой зоне, 3 – озеро в северо-таежной зоне)

Параметры	Потоки фосфора, г/м2·год	1		2		3
год		1*	2*	1	2	1	2
TPint	содержание фосфора под единицей	0.12	0.26	0.16	0.56	0.25	0.86
	площади акватории озера
Ld	поступление фосфора в озеро	0.24	0.52	0.03	0.12	0.09	0.32
	с водосборной площади
E	коэффициент экспорта фосфора	0.009	0.019	0.003	0.010	0.010	0.035
	с водосборной площади
Sed	седиментация фосфора	0.07	0.14	0.07	0.02	0.05	0.18
	в донные отложения
La	поступление фосфора в озеро	0.007	0.008	0.003	0.006	0.006	0.008
	с атмосферными осадками
Out	потеря фосфора со стоком воды	0.34	0.73	0.08	0.27	0.21	0.71

 

Для озера, расположенного в тундровой зоне (1), к 2010–2018 гг. отмечено увеличение фосфорной нагрузки (TP_int) на 0.14 г/м² × год за счет поступление фосфора с водосборной площади (L_d), которое, в свою очередь, увеличилось к 2010–2018 году по сравнению с периодом 1990– 2000 в 2 раза (от 0.24 до 0.52 г/м² × год). Несмотря на отсутствие прямого антропогенного загрязнения, а именно выноса с сельскохозяйственных и урбанизированных территорий, отмечен рост коэффициента экспорта фосфора с водосборной площади (E) (с 0.009 до 0.019 г/ м² × год соответственно) за счет повышения среднегодовой температуры приземного слоя воздуха на 1.1^°С (табл. 1), в то же время седиментация фосфора в донные отложения увеличилась в 2 раза (Sed).

Для озера, расположенного в лесотундровой зоне (2), к 2010–2018 гг. фосфорная нагрузка (TP_int) увеличилась в 3 раза (с 0.16 до 0.56 г/ м^{2 ×} год), за счет увеличения среднегодовой суммы осадков с 337 до 593 мм (табл. 1) и, соответственно, поступления фосфора в озеро с атмосферными осадками (L_a), а также поступления фосфора с водосборной территории. Поступление фосфора с водосборной площади (L_d) увеличилось в 4 раза к 2010–2018 гг. по отношению к 1990–2000, вследствие увеличения среднегодовой температуры приземного слоя воздуха на 1.1^°C (табл. 1), потеря фосфора со стоком воды (Out) увеличилась к 2010–2018 году почти в 3.5 раза. Коэффициент экспорта фосфора с водосборной площади (E) увеличился в 3 раза (с 0.003 до 0.010 г/м² × год соответственно) вследствие повышения среднегодовой температуры приземного слоя воздуха на 1.1^°С (табл. 1).

Увеличение фосфорной нагрузки с 0.25 до 0.86 г/м² × год на озеро северо-таежной зоны (3) связано с повышением среднегодовой температуры воздуха на 1.1^°C, так и с увеличением среднегодовой суммы осадков к 2010–2018 гг. по отношению к 1990–2000 на 167 мм (табл. 1). Для данного озера характерны самые высокие значения коэффициента экспорта фосфора с водосборной площади (E) (табл. 2).

К 2010–2018 гг. по сравнению с периодом 1990–2000 гг. произошло снижение количества озер с концентрацией фосфора <10 мкгР/л (рис. 3), особенно отчетливо это проявилось в лесотундровой и таежной зонах, что скорее всего связано с повышением температуры воздуха в вегетационный период, в большей степени по минимальным и максимальным значениям (табл. 1).

 

Рис. 3. Количество озер (n) с концентрацией Ptot < 10 мкгР/л в тундре, лесотундре и тайге в различные периоды: 1990–2000 и 2010–2018.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее столетие остро обозначилась проблема эвтрофирования водоемов вследствие неконтролируемого поступления огромного количества биогенных элементов и органических веществ в биотический круговорот. Арктические регионы располагают огромным фондом малых олиготрофных озер, не затронутых прямым влиянием человеческой деятельности. Влияние потепления климата на фоне глобального рассеивания фосфора может затронуть и отдаленные озера, включая арктические регионы. Для всей площади водосборных бассейнов исследованных озер на Кольском Севере характерно отсутствие близлежащих крупных населенных пунктов и промышленных производств, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду. Наши расчеты показали, что к периоду 2010–2018 гг. по сравнению с периодом 1990– 2000 гг. произошло увеличение потоков фосфора с водосборной площади в исследованные озера с разной интенсивностью: в озеро тундровой зоны – в 2 раза, лесотундровой – в 4 раза, северо-таежной – в 3.5 раза. Таким образом, доказано, что потепление климата оказывает влияние на повышение трофического статуса арктических удаленных озер.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследования выполнены за счет средств Российского научного фонда, проект № 22-17-00061.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

T. I. Moiseenko

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: moiseenko.ti@gmail.com

Corresponding member of the RAS

Russian Federation, Moscow

M. M. Bazova

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: moiseenko.ti@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files