Центральной проблемой Балтийского моря в настоящее время стало антропогенное эвтрофирование; одним из важнейших факторов развития этого процесса является биогенная нагрузка с водосборного бассейна моря, которая имеет две составляющие – природную и антропогенную. Чрезвычайно важно в балансе биогенных соединений в море, в миграционных потоках вещества дифференцировать и оценить роль антропогенной составляющей. Основным поставщиком биогенных веществ природного и антропогенного происхождения в Балтийское море является речной сток, что, в общем, является характерным для увлажненной гумидной зоны, в связи с чем очевидна необходимость не только количественной оценки источников эвтрофирующих веществ на территории бассейна, но и дифференцированной фоновой (природной) и антропогенной составляющих биогенного стока рек в замыкающих створах. Однако проблема определения соотношения между величинами природного и антропогенного биогенного стока весьма сложна и до сих пор остается дискуссионной.
В связи с изложенным, цель данного исследования заключалась в оценке выноса фоновой биогенной нагрузки с водами рек бассейна Балтийского моря на примере валового (нефильтрованного) фосфора.
Для оценки фоновых концентраций биогенных элементов (БЭ) в водотоках и фоновых составляющих биогенного стока нами был разработан метод (именуемый далее метод I), основанный на предложенной Дж. Дэвис и Дж. Цобристом [5] зависимости концентраций растворенного вещества от обратных величин расходов воды в водотоке:
СБЭ = А/R + [БЭ]фон , (1)
где СБЭ – концентрация данной растворенной формы биогенного элемента, [БЭ]фон – его фоновая концентрация, А – антропогенное поступление в единицу времени, Q – расход реки в единицу времени.
В связи с тем, что уравнение (1) может быть использовано только применительно к растворенным в воде формам биогенных элементов и не распространяется на оценку фоновых концентраций валовых форм, на первом этапе предложенного нами подхода на основе данных о концентрациях общего (растворенного) фосфора Робщ в водотоке за несколько лет и расходах воды за тот же период проводится определение фоновой концентрации Робщ. На основании соответствующих фактических данных для р. Нева за период 2001-2004 гг., р. Великая за период 2001-2008 гг., р. Луга за период 2001-2006 гг., р. Желча за период 2002-2007 гг. и р. Нарва за период 2001-2008 гг. были определены фоновые концентрации общего фосфора РобщФОН в устьевых створах этих рек (таблица 1).
Таблица 1. Фоновые концентрации общего фосфора в некоторых реках бассейна Балтийского моря
|
Река |
Аналитическая зависимость |
r2 |
РобщФОН, мкг·дм-3 |
|
Нева |
Робщ = 11(7÷14) + 5330(4915÷5751)×1/R |
0,76 |
11 |
|
Великая |
Робщ = 24(18÷30) + 1290(1100÷1482)×1/R |
0,67 |
24 |
|
Луга |
Робщ = 21(16÷27) + 2730(2116÷3344)×1/R |
0,70 |
21 |
|
Желча |
Робщ = 9(4÷14) + 144(111÷177)×1/R |
0,79 |
9 |
|
Нарва |
Робщ = 19(11÷27)+ 8850(6834÷10866)×1/R |
0,53 |
19 |
На следующем этапе для этих же водотоков были выявлены количественные зависимости между концентрациями общего и валового фосфора, что позволило рассчитать фоновые концентрации валового фосфора. Значения фоновых концентраций валового фосфора были использованы для расчета фоновой составляющей его поступления со стоком рассматриваемых рек в приемные водоемы (таблица 2).
Таблица 2. Фоновые концентрации, фоновый сток и модули фонового стока валового фосфора для некоторых рек бассейна Балтийского моря
|
Река |
Приемный водоем |
Фоновая концентрация РвалФОН, мкг·дм-3 |
Фоновый сток Q(Рвал)ФОН, т·год-1 |
Модуль фонового стока М(Рвал)ФОН, кг·км-2×год-1 |
Составляющие суммарного стока, % |
|
|
фоновая |
антропогенная |
|||||
|
Нева |
Невская губа |
16 |
1221 |
4,3 |
34 |
66 |
|
Великая |
Псковское озеро |
41 |
197 |
7,8 |
43 |
57 |
|
Нарва |
Нарвский залив |
25 |
288 |
5,1 |
45 |
55 |
|
Луга |
Лужская губа |
24 |
76 |
5,8 |
22 |
78 |
|
Желча |
Чудское озеро |
22 |
8,9 |
7,3 |
52 |
48 |
Следует отметить, что метод I оценки выноса фоновой биогенной нагрузки применим только для контролируемых рек, для которых имеются данные гидрохимических и гидрологических наблюдений за несколько лет, в связи с чем очевидна необходимость разработки метода, который мог бы быть применен для оценки фонового выноса валового фосфора с территории водосборных бассейнов рек в том числе и в тех случаях, когда имеющихся данных гидрохимических и гидрологических наблюдений недостаточно для применения описанного метода.
Факторы внешней среды, воздействующие на продукционные процессы в водоемах и на суше, тесно связаны с географической зональностью, которую можно рассматривать как фактор, интегрирующий влияние эдафических и климатических условий на продуктивность водных экосистем [1].
Согласно Х. Литу [3], зависимость чистой продукции наземной растительности (ТРР, г·м-2·год-1 сухого вещества) от среднегодовой температуры воздуха (Tem, оС) и суммы осадков (Pre, мм·год-1), может быть описана следующими уравнениями:
TPP = 3000 / (1+ exp (1,315 – 0,119·Tem)) (2)
TPP = 3000 · (1 – exp (-0,000664·Pre)). (3)
Продукция наземной растительности лимитируется либо температурой, либо осадками. Опираясь на закон Либиха, Х. Лит рекомендует рассчитывать ТРР по уравнениям (2) и (3) и выбирать наименьшую из двух величин.
Соотношение величин фоновой составляющей экспорта фосфора в водоемы и чистой продукции наземной растительности ТРР зависит от скорости разложения наземной растительности, определяемой в значительной мере температурой среды. В среднем для северного полушария вынос фосфора в водоемы с единицы площади природных ландшафтов (модуль фонового стока М(Рвал)ФОН) составляет около 2 % содержания фосфора в первичной продукции, то есть М(Рвал)ФОН / ТТР = 0,02 [2]. При этом в направлении от арктических широт к тропическим эффективность выноса фосфора изменяется от 0,3 % до 6 %.
В. В. Бульон [1], исходя из предположения, что скорость разложения наземной растительности как скорость любой химической реакции должна зависеть от температуры согласно уравнению Вант-Гоффа, предложил следующее уравнение зависимости модуля стока фосфора с единицы площади водосборного бассейна от ТРР (ккал·м-2·год-1) и температуры:
, (4)
где сомножитель 4·10-6 соответствует произведению нескольких эмпирических постоянных: отношения массы органического углерода к его калорийности (0,1 г·ккал-1), отношения Р : С в растительном материале (0,002) [4], средней доли выноса фосфора для северного полушария в водоемы из наземных экосистем (0,02) [2]; γ – температурный коэффициент скорости реакции, принятый автором равным 2; 12оС – среднегодовая температура северного полушария.
На основании уравнения (4) и используя приведенные автором [1] зависимости среднегодовой температуры (5) и количества осадков от географической широты местности (6):
Tem = 28,2 – 0,41·φ (5)
Pre = 2159 – 25,5·φ, (6)
а также уравнения Х. Лита для зависимости ТРР от температуры и количества осадков (2) и (3), мы вывели следующие уравнения зависимости модуля фонового стока валового фосфора М(Рвал)ФОН (кг·м-2·год-1) от широты местности:
(7)
(8)
Эти уравнения в рассматриваемом нами интервале широт (10-70о с.ш.) могут быть аппроксимированы уравнениями
М(Рвал)ФОН = 190·exp(-0,0544·φ) (9)
и
М(Рвал)ФОН = 191·exp(-0,0561·φ) (10)
соответственно.
Уравнения (7) и (9) соответствует лимитированию чистой продукции наземной растительности температурой, а уравнения (8) и (10) – осадками.
Полученные на основании зависимостей (7-10) значения модуля фонового стока валового фосфора в интервале широт 10о-70о с.ш. (рис. 1) отличаются от фактических данных, приведенных в работе [1], не более чем на 20 %.
|
М(Рвал)ФОН, кг Р/км2·год |
|
|
|
φ, о с.ш. |
Рис. 1. Зависимость модуля стока валового фосфора с водосборной территории от широты местности
(• фактические данные [1], б) ——— линия тренда по фактическим данным, в) – – – – график зависимости (7), г) — — — график зависимости (8))
На основании фактических данных [1] нами была предложена более точная эмпирическая зависимость между модулем фонового стока валового фосфора с водосборной территории и широтой местности для интервала широт от 10о с.ш. до 70о с.ш.:
M(Рвал)ФОН = 221 – 52,3×lnj; r2 = 0,99 (11)
На основании полученной зависимости (11) были выполнены расчеты фонового стока валового фосфора для ряда рек бассейна Балтийского моря в соответствии со следующим алгоритмом (метод II):
1) на схему водосбора реки наносилась координатная сетка посредством калибровки схемы в программе Ozi Explorer [www.oziexplorer.com];
2) проводилось разбиение водосбора в меридиональном направлении на n сегментов с шагом, определяемым исходя из протяженности водосбора с юга на север;
3) в пределах каждого сегмента определялось среднее значение географической широты φi, в о с.ш.;
4) на основании среднего значения географической широты для каждого сегмента по уравнению (11) вычислялось значение модуля фонового стока валового фосфора с рассматриваемой территории M(Pвал)iФОН;
5) проводилось определение площади территории суши Fi в пределах рассматриваемого сегмента с помощью указанной выше программы;
6) рассчитывалось значение фонового стока валового фосфора Q(Pвал)iФОН с рассматриваемого сегмента водосбора по формуле:
Q(Pвал)iФОН = M(Pвал)iФОН · Fi
7) суммировались значения фонового стока валового фосфора, рассчитанные для каждого сегмента, с целью определения суммарного значения фонового стока со всей территории водосбора:
n
Q(Pвал)ФОН = ∑ Q(Pвал)iФОН
i = 1
8) на основании полученного результата и общей площади водосбора F определялось значение модуля фонового стока валового фосфора с рассматриваемого водосбора:
М(Pвал)ФОН = Q(Pвал)ФОН/F
Результаты расчетов для рек Нева, Нарва, Луга, Желча и Великая, полученные в рамках метода II, были сопоставлены с результатами, полученными методом I (таблица 3); расхождение между величинами фонового поступления валового фосфора, рассчитанными разными методами, варьирует от 5 % (р. Желча) до 34 % (р. Нарва), что по нашему мнению вполне допустимо, учитывая точность подобного рода оценок.
Таблица 3. Поступление валового фосфора со стоком некоторых рек бассейна Балтийского моря
|
Река |
Метод I |
Метод II |
Δ Q, % |
||
|
М(Рвал)ФОН, кг·км-2×год-1 |
Q(Рвал)ФОН, т·год-1 |
М(Рвал)ФОН, кг·км-2×год-1 |
Q(Рвал)ФОН, т·год-1 |
||
|
Нева |
4,3 |
1221 |
4,9 |
1382 |
12 |
|
Луга |
5,8 |
76 |
6,8 |
90 |
16 |
|
Нарва |
5,1 |
288 |
7,8 |
439 |
34 |
|
Желча |
7,3 |
8,9 |
7,7 |
9,4 |
5 |
|
Великая |
7,8 |
197 |
9,3 |
234 |
16 |
Метод II дает в целом более высокие значения фонового поступления валового фосфора, чем метод I; по-видимому, это объясняется тем, что метод II не позволяет учитывать удержание фосфора в гидрографической сети, в то время как при оценке фонового поступления валового фосфора по методу I используются данные гидрохимических измерений в замыкающих створах рек, реально учитывающие удержание фосфора поверхностными водами суши.
Также нами было показано, что для расчетов величин фонового стока валового фосфора с водосборных территорий рек с небольшими водосборами в первом приближении могут быть использованы значения географической широты в средней точке водосбора (φср), поскольку это приводит к относительной погрешности немногим более 1 % (в случае протяженности водосбора с юга на север в пределах 2о с.ш.).
Изложенное выше позволяет сделать вывод о допустимости применения предложенного метода для оценки фонового стока валового фосфора с водосборов рек, в том числе частично контролируемых и неконтролируемых.
Литература
1. Бульон В. В. Эвтрофирование и деэвтрофирование озер как реакция на изменения фосфорной нагрузки с водосборной площади // Теория и практика восстановления внутренних водоемов / Под ред. Румянцева В. А., Кондратьева С. А. – СПб: Лема, 2007. С. 44-54.
2. Коплан-Дикс И. С., Назаров Г. В., Кузнецов В. К. Роль минеральных удобрений в эвтрофировании вод суши. – Л.: Наука, 1985. – 182 с.
3. Лит Х. Моделирование первичной продуктивности Земного шара // Экология, 1974. № 2. С. 13-23.
4. Эволюция круговорота фосфора и эвтрофирование природных вод / Под ред. Кондратьева К. Я., Коплан-Дикса И. С. – Л.: Наука, 1988. 204 с.
5. Davis J. S., Zobrist J. The interrelationships among chemical parameters in rivers – Analysing the effect of natural and anthropogenic sources // Progress in water technology. 1978. Vol. 10. P. 65-78.
