Широко распространенные в субарктической зоне малые озера и ламбы играют важную роль в процессах тепломассообмена с атмосферой, в частности вносят большой вклад в производство парниковых газов [1, 2], что объясняет возросший в их отношении в последние годы научный интерес [3, 4]. Особенности развития экосистем малых озер и ламб определяются рядом факторов, среди которых важнейшими являются поступление органического вещества с водосбора, пониженный уровень облученности водного столба за счет затенения поверхности окружающим лесом, ослабленная гидродинамика [5–7]. В условиях слабого ветрового воздействия на поверхность малых по площади озер и ламб возрастает роль конвективного перемешивания их водного столба, играющего решающую роль в переносе растворенных и взвешенных веществ [4, 6]. Термогидродинамика небольших озер и ламб, определяющая обменные процессы в водном столбе, изучена для периода ледостава крайне слабо [8, 9].
Цель исследования: изучить термический и кислородный режимы небольшой олиготрофной ламбы в период ледостава.
Материалы и методы исследования
Объект исследования. Измерения температуры и содержания растворенного кислорода (РК) проводились в период ледостава 2019–2020 гг. на небольшой лесной ламбе, расположенной на водосборе озера Вендюрского (юг Карелии, 62 °14'с.ш., 33 °14'в.д). Ниже приведена краткая характеристика Голубой ламбы по материалам [5].
Озерная котловина ледниково-просадочная, берега низкие, заболоченные. Длина ламбы достигает 450 м, средняя ширина – 90 м, максимальная – 110 м. Площадь зеркала – 0,039 км2. Рельеф дна ровный, максимальная глубина – 8,0 м, средняя глубина – 4,2 м. Объем водной массы 0,166 млн м3. Поверхностный приток и сток отсутствуют, внешний водообмен осуществляется за счет грунтовых вод. Площадь водосбора достигает 0,25 км2, удельный водосбор – 5,4. Коэффициент условного водообмена 0,56 (1,77 года). Литоральная зона Голубой ламбы занимает все ложе озерной котловины; площадь илистых грунтов составляет более 91 %, песков – 6 %. Вода слабо минерализована – 3,14 мг/л, имеет кислую реакцию среды (рН – 4,91). По косвенным показателям органического вещества (цветность – 2,5, перманганатная окисляемость – 2,17 мгО/л, ХПК – 5 мгО/л, БПК5 – 0,48 мгО2/л) водоем относят к олигогумусному классу, по содержанию биогенных элементов (Робщ – 6 мкг/л, Nобщ – 0,48 мгN/л) – к ацидотрофному.
В Голубой ламбе зарегистрированы 16 видов сосудистых растений и 2 вида мхов. Из них: 6 видов – гидрофиты (Isoёtes lacustris, Lobelia dortmanna, Nuphar lutea, Sparganium angustifolium; мхи: Sphagnum auriculatum, Warnstorfia fluitans), 2 – гигрогелофиты (Calla palustris, Menyanthes trifoliata), 9 – гигрофиты (Andromeda polifolia, Carex canescens, C. Limosa, Chamaedaphne calyculata, Drosera rotundifolia, Eriophorum angustifolium, Rhododendron tomentosum, Scheuchzeria palustris, Vaccinium uliginosum) и 1 вид – гигромезофит (Molinia caerulea). Степень зарастания литорали озера очень высокая – сообщества макрофитов занимают 94,2 % всей акватории. Доминирующая роль в растительном покрове Голубой ламбы принадлежит гидрофильным мхам: сфагнуму ушковидному Sphagnum auriculatum (более 96 % площади зарослей) и варнсторфии плавающей Warnstorfia fluitans.
Численность фитопланктона в весенне-летние месяцы изменяется в широких пределах – от 8 до 155 тыс. кл/л, биомасса – от 0,011 до 0,219 г/м3. Максимальная скорость фотосинтеза превышает 90 мгС/м3·сут., скорость деструкции органического вещества достигает 39,5 мгС/м3·сут. Численность зоопланктона в летние месяцы изменяется в пределах 1,6–22 тыс. экз./м3, биомасса – 0,031–0,235 г/м3. Средняя численность макрозообентоса в летний период – 1417 экз./м2 при средней биомассе 3,84 г/м2. По предварительным данным, здесь обитает только окунь. Рыбопродуктивность невысокая и составляет примерно 1–2 кг/га.
По термическому режиму Голубую ламбу относят к метатермическому типу. Среднемноголетние даты начала ледостава – 8 ноября, окончания – 7 мая. Сведения по температуре воды Голубой ламбы основываются на единичных зондированиях водной толщи [8]. Кислородный режим этого водоема не изучен.
Измерения гидрофизических параметров водной толщи Голубой ламбы в зимний сезон 2019–2020 гг. В центральной глубоководной части акватории Голубой ламбы была установлена коса, оснащенная температурными и кислородными датчиками RBR Ltd. (точность датчиков по температуре 0,002 °С, по кислороду ±1 %, диапазон 0–150 %). Температурные датчики были закреплены на глубинах 1,5–6,5 м с интервалом в 1 м, кислородные датчики располагались на глубинах 1,5 и 5,5 м. Интервал измерений составлял 1 минуту. Кислородный датчик на глубине 1,5 м проработал до 8 января 2020 г. Зондирование водной толщи в районе установки косы было выполнено 27 марта 2020 г. Для измерения температуры, электропроводности воды, содержания и концентрации растворенного кислорода (РК) использовался мультипараметрический зонд RBR-Concerto.
Результаты исследования и их обсуждение
Изменение температуры и концентраций РК в водной толще Голубой ламбы в зимний сезон 2019–2020 гг. представлено на рис. 1. По данным косы установлено, что ледостав начался на Голубой ламбе 31 октября 2019 г., а закончился 9 мая 2020 г. В предледоставный период происходило понижение температуры воды на всех горизонтах измерений, при этом в слое 1,5–5,5 м температура была однородна, резко повышаясь в нижележащем метровом слое, градиент температуры в котором достигал 4 °С/м.
Рис. 1. Изменение температуры воды и концентраций РК в водной толще Голубой ламбы в период с 3 октября 2019 г. по 31 мая 2020 г. Символом отмечена концентрация РК на глубине 1,5 м 27 марта 2020 г. (по данным зондирования)
При установлении сплошного ледяного покрова температура воды на глубине 1,5 м составляла 2,96 °С, на глубине 5,5 м – 3,38 °С, на глубине 6,5 м – 7,96 °С, средняя температура в слое 1,5–6,5 м достигала 4,02 °С (рис. 2). После образования сплошного льда температура на глубинах 1,5–5,5 м начала повышаться и достигла 4 °С 4 ноября на глубине 5,5 м, 12 ноября на глубине 3,5 м, 8 января 2020 г. на глубине 1,5 м (рис. 1). Средняя температура слоя 1,5–5,5 м превысила 4 °С 7 декабря и к концу ледостава увеличилась до 4,4 °С. Таким образом, водная толща ламбы в слое 1,5–5,5 м находилась в неустойчивом состоянии в течение большей части зимы, градиент температуры в этом слое не превышал 0,1–0,2 °С/м. При этом температура на глубине 6,5 м была заметно выше, чем в слое 1,5–5,5 м, и понижалась в течение всей зимы, т.е. происходило перераспределение тепла из придонного слоя вверх по водному столбу. Градиент температуры в нижнем метровом слое водной толщи в течение зимы постепенно уменьшался от 4 °С/м в первые дни ледостава до 0,6 °С/м в последние дни существования льда. Вертикальное распределение электропроводности по данным зондирования 27 марта 2020 г. (рис. 2, б) характеризовалось повышенными значениями (0,018–0,020 мкСм/cм) в поверхностном 2-метровом слое, что может быть связано с выходом солей при образовании льда [8]. Ниже значения электропроводности изменялись в пределах 0,015–0,018 мкСм/cм. Следовательно, изменения этого параметра по вертикали не оказывали существенного влияния на устойчивость водного столба.
Рис. 2. Вертикальные профили температуры воды и концентрации растворенного кислорода (а) и электропроводности воды (б) в зимний сезон 2019–2020 гг. в Голубой ламбе. Данные вертикального зондирования 27 марта 2020 г. показаны пунктирными линиями. Символами обозначены глубины датчиков измерений на косе
Влияние весенней подледной конвекции на термический режим Голубой ламбы было выражено слабо. Суточная изменчивость температуры воды в поверхностном слое появилась начиная с 20 марта. Повышение температуры воды на 0,02–0,20 °С происходило в дневные часы с 7–9 ч утра до 14–16 ч, затем температура постепенно понижалась и к 20–21 ч достигала начального значения. Поскольку температура всей водной толщи, за исключением тонкого подледного слоя, была выше 4 °С, то повышение температуры поверхностного слоя приводило к усилению стратификации в верхней части водного столба. После освобождения поверхности ламбы ото льда (9–10 мая 2020 г.) полного перемешивания водной толщи не произошло. Как видно на рис. 2, а температура воды на горизонте 1,5 м в период с 9 по 17 мая 2020 г. вследствие радиационного прогрева повысилась с 4,55 °С до 7,23 °С, в этот же период температура на горизонте 6,5 м не изменилась. Постепенное повышение температуры придонного слоя ламбы началось с третьей декады мая, и к 23 июня 2020 г. она достигла 7,55 °С, при этом температура на глубине 1,5 м достигала 21 °С.
В предледоставный период концентрация РК на глубинах 1,5 и 5,5 м была практически одинаковой и постепенно повышалась в пределах 9,5–11,5 мг/л (насыщение 80–100 %). В течение трех первых недель ледостава концентрация РК на горизонтах измерений существенно не изменялась, при этом, однако, отмечались колебания РК с амплитудой, превышающей 1 мг/л. На глубине 5,5 м преобладал суточный период колебаний, а на глубине 1,5 м были более выражены колебания с периодом в несколько десятков часов. В течение второго месяца ледостава концентрация РК на глубине 5,5 м понизилась до 2 мг/л (насыщение менее 20 %). В дальнейшем на глубине 5,5 м концентрация РК оставалась на низком уровне (не более 1 мг/л при насыщении менее 10 %) до конца зимы.
Концентрация РК на глубине 1,5 м составляла 9–11 мг/л при насыщении 70–95 % в течение первых двух месяцев ледостава. По данным зондирования 27 марта установлено, что в поверхностном 2-метровом слое озера концентрация РК составляла 8–10 мг/л (насыщение 90–100 %), в слое 2–3 м снижалась до 6 мг/л (60 %), в слое 3–5 м – до 5 мг/л (50 %), в придонном слое 5–6,7 м – до 1,7 мг/л (20 %). Предположительно, уменьшение содержания РК в придонном слое Голубой ламбы зимой происходит за счет разложения гидрофильных мхов, заросли которых покрывают более 96 % площади литорали. Рост концентраций РК на глубине 5,5 м начался 1 мая, и к моменту взлома льда (9 мая) концентрация РК составляла 5–6 мг/л при насыщении 40–60 %. В период до 23 июня 2020 г. содержание РК на глубине 5,5 м изменялось в пределах 8–12 мг/л при насыщении 80–110 %, т.е. на этапе раннего лета кислородные условия в ней были благоприятными.
Практически с первых дней ледостава до конца зимы на всех горизонтах измерений регистрировались колебания температуры и РК с периодами от нескольких минут до нескольких десятков часов, которые могут быть обусловлены такими гидродинамическими процессами и явлениями, как короткие внутренние волны и сейши [9]. В течение всей зимы были хорошо выражены колебания температуры и РК с близким к суткам периодом (рис. 3).
Рис. 3. Колебания температуры и растворенного кислорода с близким к суточному периодом на разных горизонтах водной толщи Голубой ламбы в период с 1 по 31 января 2020 г. по данным косы
При таких колебаниях в дневное время происходило резкое увеличение концентраций РК (по данным датчика на 5,5 м) на 0,2–1,8 мг/л с последующими скачкообразными колебаниями в течение нескольких часов и уменьшением до значения, предшествующего началу колебаний, в вечерние часы.
Синхронно отмечались колебания температуры (на глубинах 1,5–5,5 м) – ее резкое понижение на 0,01–0,20 °С, колебания в течение нескольких часов и возврат к начальному значению в вечерние часы. Подобные резкие скачкообразные колебания температуры и РК с близким к суткам периодом неоднократно фиксировались в озере Вендюрском в период ледостава [9]. Одним из объяснений этого явления может быть феномен неустойчивости Рэлея–Тэйлора, возникающий в придонных слоях озер вследствие активного разложения органического вещества [10]. Реализация неустойчивости Рэлея–Тэйлора в придонных слоях озер может способствовать усилению придонной аноксии, ускоряя скорость потребления РК за счет поступления кислорода из вышележащих слоев в анаэробную зону и усиливая теплопоток из донных отложений.
Заключение
Высокочастотные длительные измерения гидрофизических параметров водной толщи олиготрофной ламбы в зимний период позволили установить ряд особенностей ее термического и кислородного режимов. Температура водной толщи ламбы в течение всего периода ледостава близка к температуре максимальной плотности, в придонном слое температура в первые дни ледостава превышает 7,5 °С, к концу ледостава снижается до 6,8 °С. Отмечаемые на всех горизонтах водной толщи резкие колебания температуры и растворенного кислорода могут быть проявлением различных гидрофизических процессов и явлений, таких как короткие внутренние волны, сейши, адвективный перенос, неустойчивость Рэлея–Тэйлора. Показано, что поверхностный слой ламбы в течение всего периода ледостава хорошо насыщен кислородом (8–10 мг/л при насыщении 70–100 %), в то время как в придонном слое отмечается быстрое уменьшение содержания кислорода, предположительно обусловленное бактериальным разложением гидрофильных мхов, занимающих более 96 % литорали. Выраженная аноксия существует в течение нескольких месяцев, что косвенно свидетельствует о возможности накопления парниковых газов в придонных слоях и обусловливает необходимость проведения дальнейших исследований газового режима водоема.
Исследование выполнено в рамках государственного задания Института водных проблем Севера КарНЦ РАН, ФИЦ «Карельский научный центр Российской академии наук». Экспедиционные исследования выполнены при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-05-60291 «Адаптация арктических лимносистем к быстрому изменению климата».