Статья поступила в редакцию 22.05.2019 г.
УДК 574.5
Садчиков А.П.
Международный биотехнологический центр МГУ имени М.В.Ломоносова.
119992, Москва, Ленинские горы, д. 1, корп. 12
E-mail: aquaecotox@yandex.ru
// Материалы по флоре и фауне Республики Башкортостан. 2019. № 23. С. 25-31.
Введение
Вода обладает низкой теплопроводностью, медленно отдает тепло нижележащим слоям, поэтому толща водоемов прогревается очень медленно.
Весной под действием солнечных лучей лед начинает таять. Свет, проходя через лед, нагревает верхний слой воды, который отдает тепло находящему рядом льду. Так что лед тает как сверху, так и снизу. В средней полосе России озера освобождаются ото льда во второй половине апреля или в первых числах мая, в зависимости от погоды.
Материалы и методы
Работу проводили на озере Глубокое (Московская область). Кислород определяли методом Винклера. Прозрачность водоема измеряли с помощью диска Секки. Температуру воды измеряли послойно через каждый метр термометром, находящимся внутри батометра Рутнера (Строганов, Бузинова, 1980). Анализы проводили несколько раз в течение месяца, с июня по октябрь.
Результаты исследований
Весной вода продолжает постепенно прогреваться, вскоре она достигает температуры 4оС. Надо отметить, вода обладает рядом аномальных свойств. Наибольшая плотность воды наблюдается не при 0оС, а при 4оС (если быть более точным – при 3,8оС). При этой температуре вода наиболее тяжелая (плотная). Нижележащие слои озера имеют температуру около 3-5оС или чуть ниже. Ее плотность немного меньше, чем у более прогретой воды.
Когда температура воды повысится до 4оС, она, как снежная лавина, устремляется вниз, вытесняя воду из нижележащих слоев. Происходит весеннее перемешивание вод. Нижние слои озера при этом обогащаются кислородом, а толща воды, в том числе и верхний слой озера – минеральными веществами. На дне озера в зимнее время происходит разрушение осевшего органического вещества и выделение в среду минеральных солей.
При перемешивании вод нежелательные газы, такие как метан, сероводород, удаляются из глубинных слоев воды. Солнечный свет и минеральные соли способствуют развитию микроскопических водорослей, которые обогащают эпилимнион кислородом. Ранней весной развиваются в основном холодолюбивые водоросли (Садчиков, Чекрыжева, Колосов, 1983).
Вода в течение весны и лета постепенно прогревается, наконец, достигает 20-25оС. Это происходит во второй половине июля, или в первых числах августа. В летнее время образуется термоклин, толщина которого из-за прогрева воды постепенно увеличивается (рис.1). В это время можно с комфортом купаться, нырять, резвиться в воде. Бывает, опустив ноги, мы чувствуем ими холод (холодные слои). Несведущие люди говорят, что это связано с родниками (ключами), которые бьют в этом месте. На самом деле мы при купании достаем ногами воды холодного термоклина.
В средней полосе России температура водоемов обычно повышается до начала августа, а затем опять начинает понижаться. На первые числа августа приходится Ильин день (Ильи – пророка). Ильин день считается календарной границей лета, когда в природе (в том числе и в водоеме) появляются первые признаки осени. В России считается «На Илью до обеда – лето, а после обеда – осень». И еще, «До Ильи мужик купается, а с Ильей – с водой прощается». Из-за этого по народным поверьям начиная с августа, не рекомендуется купаться. С августа вода начинает охлаждаться, и уже к середине сентября температура понижается до 10оС. Конечно, в такой воде не искупаешься, слишком холодно.
Наконец, температура воды к началу октября понижается до 4оС (см. рис. 1). Вода становится опять более плотной и лавинообразно опускается вниз. Происходит очередное, но уже осеннее, перемешивание вод. Температура озера выравнивается, нежелательные газы, которые за лето накопились в придонном слое, перемешиваются с основной массой воды или уходят в атмосферу. Это в основном метан, сероводород, которые токсичны для живых существ. Обогатившись кислородом, вода глубинных слоев становится пригодной для жизни. Так происходит из года в год (рис. 2, 3).
Верхний слой озера обогащается кислородом в основном за счет жизнедеятельности фитопланктона. Фотосинтез порой бывает настолько интенсивным, что излишки кислорода не успевают уйти в атмосферу. Вода становится похожей на газировку. При отсутствии волнения, если опустить кисть руки в воду и сделать ею резкое движение, из воды, как из бутылки-газировки, вырывается газ. Из газированной воды выделяется углекислый газ, а из озера – кислород (Садчиков, 1997).
На рисунке 1 видно, что эпилимнион в течение лета постепенно увеличивается до 5-6 метров, а металимнион – с 5 до 8 метров. В октябре после перемешивания вод температура выравнивается.
Рис.1. Изменения температуры толщи воды озера Глубокое
в безледный период 1976 г.
Планктонные организмы, обитающие в водоеме, рано или поздно отмирают. Многие из них живут от нескольких дней до одного месяца или немного больше. Это могут быть микроскопические водоросли, бактерии, зоопланктон и др. Отмирая, они медленно оседают в толще воды. Чем меньше частицы, тем медленнее они оседают. Животные, в частности рачки, в процессе жизнедеятельности выделяют экскременты, которые также оседают на дно. Обитающие в толще воды бактерии минерализуют это органическое вещество.
Разрушение (гниение) органического вещества осуществляется с потреблением кислорода. На дне озера ему неоткуда взяться, ведь обогащение кислородом происходит только весной и осенью. Это приводит к тому, что количество кислорода постепенно понижается, от дна к поверхности. И уже к началу лета на дне может образоваться бескислородная зона, которая постепенно распространяется в более высокие слои озера. В конечном счете, к концу августа бескислородная зона может достичь 1/3 толщи озера.
В течение лета в водоем поступает большое количество органического вещества (за счет отмирания водных организмов или всевозможных загрязнений), поэтому зимой вся толща озера может лишиться кислорода. Это приводит к заморам и гибели большого количества рыб и других водных организмов. Их могут спасти только проруби, или, если обогащать толщу воды воздухом. Только весеннее или осеннее перемешивание вод может улучшить ситуацию.
Особенно часто заморы происходят в городских водоемах, куда поступает большое количество автохтонного (за счет жизнедеятельности водных организмов) и аллохтонного органического вещества. Большое количество органического вещества приносится в водоем извне (листья, экскременты птиц, корм для рыб и птиц, прибрежная растительность, различный мусор).
Осеннее и весеннее перемешивание вод можно сравнить с дыханием. При выдохе нежелательные газы удаляются, газовый состав озера выравнивается, при вдохе глубинные воды обогащаются кислородом.
Отмершие организмы, панцири ракообразных, которые они сбрасывают при линьке, экскременты и др. задерживаются в металимнионе. Размеры частиц небольшие (в пределах нескольких десятков микрон), и они оседают в толще воды очень медленно. Исследования показали, что частицы детрита в озерах и водохранилищах оседают со скоростью около 1 м в сутки. (Садчиков, 1997). В металимнионе оседанию частиц препятствует термоклин. Слой температурного скачка отличается от вышележащих слоев воды повышенной плотностью, что способствует задержанию в нем мелких частиц, оседающих и без того с низкой скоростью. Обычно наблюдаемого перепада плотности воды в металимнионе бывает достаточным, чтобы мелкие частицы, если не задерживались, то хотя бы резко снижали и без того невысокую скорость оседания (Садчиков, 1981, 1983). Органическое вещество в металимнионе постепенно разлагается под действием микроорганизмов.
Рис. 2. Кислородный режим озера Глубокое
(Московская область) в 1978 г.
Наличие большого количества органического субстрата и достаточного количества кислорода в металимнионе создаются благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий, а скопления пищевых объектов привлекает в этот слой зоопланктон (ракообразных, коловраток, простейших), который вместе с бактериями принимает участие в минерализации органического вещества и потреблении кислорода. Его количество в этом слое резко понижается. Интенсивные деструкционные процессы в металимнионе приводят к появлению в этом слое металимниального минимума кислорода. Такое явление хорошо прослеживается в озере Глубокое (рис. 2, 3). Складывается следующая картина, в эпилимнионе количество кислорода велико, в гиполимнионе его тоже достаточно, а вот в металимнионе понижается до минимальных значений (практически до аналитического нуля).
На рисунке 3 видно, что в октябре 1976 г. обогащение глубинных вод прошло более интенсивно и полно, в отличие от аналогичных процессов 1978 г. (рис. 2).
Рис. 3. Кислородный режим толщи воды озера Глубокое
(Московская область) в 1976 году.
Заключение
Кислород является важнейшим элементом в водных экосистемах. Наличие кислорода в толще вод характеризует трофность водоема. В олиготрофных водоемах кислород присутствует во всей толще водоема круглогодично. В эвтрофных водоемах в придонных слоях воды чаще всего наблюдается дефицит кислорода, особенно в зимнее время. Обогащение глубинных слоев озер осуществляется при весенне-осеннем перемешивании вод. Его трата на деструкционные процессы определяется наличием органического вещества. При его большом количестве кислород тратится быстро, и его запасов не хватает на всю зиму и весну (до освобождения водоема ото льда).
Литература
Садчиков А.П. Некоторые гидрохимические характеристики озера Глубокое. // В кн. «Влияние антропогенных факторов на структуру и функционирование биогеоценозов». – Калинин, изд-во Калининского университета, 1981, с. 3-16.
Садчиков А.П. Продукция фитопланктона Глубокого озера в 1976 и 1978 годах. // Журн. Биологические науки, 1982, № 2, с. 59-65.
Садчиков А.П. Температурный режим, прозрачность и распределение кислорода. // В кн. «Биоценозы мезотрофного озера Глубокого». – М.: Наука, 1983, с. 181-188.
Садчиков А.П. Продуцирование и трансформация органического вещества размерными группами фито-и бактериопланктона: Автореф. дисс. …докт. биол. наук. – М., МГУ, 1997. – 53 с.
Садчиков А.П., Чекрыжева Т.А., Колосов В.Р. Сезонная динамика фитопланктона оз. Глубокое. // Гидробиол. журн., 1983, т. 19, № 5, с. 64-70.
Строганов Н.С., Бузинова Н.С. Практическое руководство по гидрохимии. // М.: Изд-во Московского университета, 1980, 196 с.