Повышенное поступление биогенных элементов, главным образом азота и фосфора, в водоемы является одним из ведущих факторов развития негативных процессов эвтрофирования [1]. Источниками миграции азота и фосфора в поверхностные и грунтовые воды служат предприятия сельского хозяйства, коммунальные и промышленные сточные воды, естественная и антропогенная эрозия почв [2].
Исследования эвтрофирования касаются, как правило, водоемов, используемых в водоснабжении и рыбном хозяйстве. Эвтрофирование естественных водоемов исследовано, на наш взгляд, недостаточно.
Целью исследований являлось изучение накопления минеральных форм азота и фосфора в бессточных открытых водоемах Тюменской области для первичной оценки их чувствительности к эвтрофикации прямым способом, т.е. по физико-химическим показателям водных объектов.
Содержание аммонийной, нитратной и нитритной форм азота, а также фосфат-ионов и хлоридов подлежит нормированию в природных водоемах, поскольку влияет на качество и безопасность воды, используемой для водоснабжения и в рыбных хозяйствах [3].
Минеральный состав воды выступает одним из ведущих факторов экологического состояния водоемов, определяет видовое разнообразие и соотношения отдельных групп гидробионтов [4, 5]. В процессе эвтрофирования наблюдается снижение видового разнообразия, упрощение трофической системы водоемов, увеличение численности и биомассы цианобактерий [6].
Ведущими абиотическими факторами эвтрофирования водоемов выступают содержание биогенных веществ, кислотность, температурный режим, освещенность водоема [7].
Ряд авторов рассматривает содержание аммонийного, нитратного, нитритного азота, фосфат-ионов и хлоридов в качестве первичных индикаторов геохимической трансформации водоемов [8].
Процессы эвтрофирования могут быть связаны и с естественными процессами поступления биогенных элементов в водоемы. Однако в отличие от естественной эвтрофикации, которая протекает чрезвычайно медленно, антропогенные процессы повышения трофности водоемов, зачастую с изменениями других параметров, например повышение температуры воды или изменение темпов водообмена, характеризуются высокими темпами нарушения химического состава и экологического состояния водоемов [9].
Материалы и методы исследования
Характеристика территории
Исследуемые нами водные объекты находятся в юго-западной части Тюменской области. Места расположения исследуемых участков представлены в табл. 1.
Таблица 1
Географическое расположение исследуемых водных объектов и участков отбора образцов воды
|
№ объекта |
Тип и название водного объекта |
Ближайшие населенные пункты |
Географические координаты |
|
1 |
старица р. Тобол |
с. Новолыбаево |
N 56,292386; Е 66,211838 |
|
2 |
старица р. Тобол |
с. Новолыбаево |
N 56,294294; Е 66,232040 |
|
3 |
старица р. Тобол |
с. Ярково |
N 57,2359; Е 67,0256 |
|
4 |
оз. Имбиряй |
г. Ялуторовск |
N 56,3915; Е 66,2150 |
|
5 |
оз. Чигиркуль |
с. Новоатьялово |
N 57,0050; Е 66,3344 |
|
6 |
русло р. Тобол |
с. Новолыбаево |
N 56,3015; Е 66,2303 |
|
7 |
русло р. Тобол |
с. Новолыбаево |
N 56,2835; Е 66,2213 |
Почвы, прилегающие к исследуемым водным объектам, относились к следующим типам: прибрежная зона русла и стариц р. Тобол (участки № 1–3 и № 6, 7) – аллювиальные дерновые слоистые, прибрежная зона озер (участки № 4 и № 5) – дерново-глеевые.
Донные отложения исследуемых стариц и озер обладали илисто-глинистым гранулометрическим составом. Донные отложения в русле р. Тобол имели тонко-песчано-глинистый гранулометрический состав.
Визуальных признаков эвтрофирования водоемов (зарастание прибрежной зоны, «цветение» воды) в период проведения исследований не отмечено.
Методы
Отбор и подготовка проб воды к анализу. Образцы воды из исследуемых водоемов отбирали в июле 2021 г. в соответствии с требованиями ГОСТ 31861-2012 [10]. На каждом участке воду из водоема отбирали в пятикратной повторности на расстоянии не менее 25 м друг от друга в прибрежной мелководной зоне на удалении 1,0–1,5 м от уреза воды.
Определение ионов аммония, нитрит-ионов, нитрат-ионов, фосфатов и рН проводили на иономере «Экотест-120» с использованием соответствующих ионоселективных электродов.
Определение хлоридов проводили меркурометрическим методом.
Определение содержания взвешенных веществ в воде проводили гравиметрическим методом.
Математическая обработка данных
Математическую обработку результатов проводили в программе Past 3.16 с использованием методов описательной статистики и дисперсионного (показатель наименьшей существенной разности – НСР) анализа на 95 % уровне значимости. Достоверность результатов оценивали по критерию Стьюдента.
Результаты исследования и их обсуждение
Данные гидрохимических исследований бессточных водоемов и основного русла р. Тобол представлены в табл. 2.
Таблица 2
Гидрохимические показатели исследованных водных объектов
|
Объект |
NH4+, мг/л n = 5 |
NO3-, мг/л n = 5 |
NO2-, мг/л n = 5 |
PO43-, мг/л n = 5 |
Cl-, мг/л n = 5 |
pH, ед. рН n = 5 |
Взвешенные вещества, мг/л n = 5 |
|
№ 1 старица р. Тобол |
0,27 ± 0,07 |
12,3 ± 0,4 |
0,010 ± 0,003 |
0,35 ± 0,09 |
25,2 ± 0,5 |
8,7 ± 0,1 |
0,62 ± 0,11 |
|
№ 2 старица р. Тобол |
0,30 ± 0,06 |
13,6 ± 0,4 |
0,010 ± 0,002 |
0,32 ± 0,08 |
35,6 ± 0,7 |
8,6 ± 0,2 |
0,53 ± 0,10 |
|
№ 3 старица р. Тобол |
0,17 ± 0,04 |
5,2 ± 0,2 |
0,002 ± 0,001 |
0,12 ± 0,04 |
21,2 ± 0,6 |
8,7 ± 0,2 |
0,83 ± 0,12 |
|
№ 4 оз. Имбиряй |
0,16 ± 0,05 |
4,6 ± 0,2 |
0,003 ± 0,001 |
0,10 ± 0,04 |
15,2 ± 0,4 |
8,6 ± 0,2 |
0,86 ± 0,09 |
|
№ 5 оз. Чигиркуль |
0,07 ± 0,02 |
2,2 ± 0,1 |
0,004 ± 0,001 |
0,04 ± 0,02 |
10,3 ± 0,5 |
7,6 ± 0,1 |
0,29 ± 0,08 |
|
№ 6 русло р. Тобол |
0,02 ± 0,01 |
1,1 ± 0,02 |
0,001 ± 0,001 |
0,02 ± 0,01 |
2,4 ± 0,05 |
6,7 ± 0,3 |
0,15 ± 0,03 |
|
№ 7 русло р. Тобол |
0,03 ± 0,01 |
0,8 ± 0,03 |
0,002 ± 0,001 |
0,03 ± 0,01 |
3,1 ± 0,06 |
6,6 ± 0,4 |
0,18 ± 0,04 |
|
НСР05 |
0,08 |
2,1 |
0,001 |
0,04 |
4,0 |
0,85 |
0,2 |
|
ПДК[3] |
0,39 |
9,1 |
0,02 |
0,2 |
300 |
6,5-8,5 |
0,75 |
Примечание. ± – стандартная ошибка, НСР05 – показатель наименьшей существенной разности при 5 %-ном уровне вероятности.
В прибрежной зоне стариц р. Тобол на участках № 1 и № 2 вблизи с. Новолыбаево установлено превышение ПДК по содержанию нитрат-ионов в 1,4–1,5 раза. В этих же участках содержание фосфатов превышало ПДК в 1,6–1,8 раза. Близкое расположение населенного пункта и пахотных угодий обусловило, вероятно, избыточное поступление и накопление нитратов и фосфатов в исследованных бессточных старицах.
Содержание аммонийного азота и нитрит-ионов в прибрежной мелководной зоне во всех исследованных водных объектах не превышало ПДК.
Превышение ПДК установлено по уровню рН во всех объектах за исключением оз. Чигиркуль.
В старице р. Тобол на участке № 3 и в оз. Имбиряй (участок № 4) содержание взвешенных веществ превышало ПДК в 1,2 раза. Взвешенные вещества существенным образом воздействуют на помутнение воды и играют важную роль в развитии и угнетении тех или иных групп гидробионтов, например положительно влияя на рост диатомовых водорослей за счет обогащения вод минеральными веществами. По данным некоторых исследований загрязнение водоемов биогенными элементами вызывает изменение в пигментном аппарате прибрежных и прибрежно-водных групп растений [2].
В прибрежной зоне оз. Чигиркуль (участок № 5) и в основном русле р. Тобол (участки № 6 и № 7) исследованные гидрохимические показатели не превышали ПДК.
Для оценки состояния водных объектов, на основании градации предложенной авторами Е.П. Овчаровой, О.В. Кадацкой [8], нами были рассчитаны баллы гидрохимической трансформации водных объектов (табл. 3).
Таблица 3
Балльная оценка степени гидрохимической трансформации исследованных водных объектов
|
Исследуемый объект |
NH4+ |
NO3- |
NO2- |
PO43- |
Cl- |
Сумма баллов |
|
№ 1 старица р. Тобол |
2 |
4 |
2 |
3 |
3 |
14 |
|
№ 2 старица р. Тобол |
2 |
4 |
2 |
3 |
3 |
14 |
|
№ 3 старица р. Тобол |
1 |
4 |
1 |
2 |
2 |
10 |
|
№ 4 оз. Имбиряй |
1 |
4 |
1 |
2 |
2 |
10 |
|
№ 5 оз. Чигиркуль |
1 |
4 |
1 |
1 |
1 |
8 |
|
№ 6 русло р. Тобол |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
7 |
|
№ 7 русло р. Тобол |
1 |
2 |
1 |
1 |
1 |
6 |
Содержание аммонийного азота, нитритов и фосфатов оценивается по следующей балловой системе: 1 балл – содержание менее 0,5 ПДК, 2 балла – содержание 0,5–1 ПДК, 3 балла – содержание 1–2 ПДК, 4 балла – содержание более 2 ПДК. Для оценки содержания нитратов и хлоридов предложены следующая градация: 1 балл – содержание менее 0,05 ПДК, 2 балла – содержание 0,05–0,1 ПДК, 3 балла – содержание 0,1–0,2 ПДК, 4 балла – содержание более 0,2 ПДК. Баллы по содержанию пяти индикаторов (аммонийный, нитритный, нитратный азот, фосфаты и хлориды) суммируются для каждого водного объекта, превышение суммарного балла 10 свидетельствует о превышении ассимиляционного потенциала водной экосистемы, в этом случае происходит нарушение геохимического равновесия в водоеме и [8].
Согласно проведенным расчетам (табл. 3) существенная гидрохимическая трансформация установлена в прибрежной зоне стариц р. Тобол вблизи с. Новолыбаево (участки № 1 и 2). В этих водных объектах суммарный балл трансформации составляет более 10 единиц, что в соответствии с подходами Е.П. Овчаровой, О.В. Кадацкой [8] свидетельствует о превышении порога ассимиляционного потенциала водной экосистемы. В этом случае водный объект требует мероприятий по снижению антропогенной нагрузки.
Все исследованные бессточные водные объекты проявили очень сильную гидрохимическую трансформацию по содержанию нитрат-ионов (4 балла), несмотря на соответствие объектов № 3, 4 и 5 требованиям нормативов (ПДК), предъявляемым к рыбохозяйственным водоемам. Согласно данным некоторых авторов [11] содержание нитратного азота 0,5 мг/л (в 18 раз ниже ПДК) является пороговым для начала процессов эвтрофикации. В исследованных нами водных объектах это пороговое значение превышено в 27–4 раза. Следует отметить, что нормативные требования по качеству воды в водоемах рыбохозяйственного назначения являются более строгими (установлены более низкие ПДК по многим параметрам), чем в водоемах хозяйственно-питьевого назначения.
Продолжение исследований процессов эвтрофирования изучаемых водных объектов видится нам в анализе гидробиологических показателей, главным образом в оценке видового разнообразия и биомассы фитопланктона.
В основном русле р. Тобол гидрохимические показатели свидетельствуют о благоприятном экологическом состоянии в прибрежной мелководной зоне исследованных участков. В отличие от бессточных водоемов в русле рек за счет течения и более интенсивного водообмена негативные процессы избыточного накопления биогенных элементов и чувствительность к эвтрофированию выражены в меньшей степени.
Заключение
Как показали проведенные исследования, в прибрежной мелководной зоне стариц р. Тобол, расположенных вблизи населенного пункта (с. Новолыбаево) и пахотных полей, наблюдается превышение ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения по содержанию нитратов, фосфатов и по уровню рН. Суммарный балл гидрохимической трансформации [8] в этих объектах превышал отметку 10, что свидетельствует о превышении порога устойчивости водной экосистемы к накоплению биогенных элементов.
В остальных исследуемых бессточных водоемах установлено повышенное накопление нитратов (4 балла) согласно балльной гидрохимической оценке.
Таким образом, прибрежная мелководная часть бессточных водоемов разного типа (старицы и озера) с замедленным водообменом является числительной к процессам эвтрофирования.
В отличие от бессточных водоемов в основном русле р. Тобол на исследуемых участках вблизи населенного пункта содержание биогенных элементов, ионов хлора, показатели рН и количество взвешенных веществ не превышало значений ПДК. Суммарный балл гидрохимической трансформации свидетельствует об отсутствии процессов эвтрофирования.
Период проведения отбора образцов воды пришелся на очень жаркий и засушливый сезон, что могло негативно сказаться на концентрации биогенных веществ в исследуемых водных объектах, особенно в прибрежной мелководной их части.
Проведенные исследования представляют собой первичную оценку экологического состояния бессточных водных объектов в условиях юго-западной части Тюменской области, не используемых человеком в хозяйственных целях. Состояние данных водоемов не представляет прямой угрозы для безопасности водоснабжения и рыбных хозяйств. Изучаемые водоемы могут рассматриваться в качестве модельных водных объектов по исследованию динамики эвтрофирования естественных бессточных пресных водоемов. В дополнение к проведенным гидрохимическим анализам необходимо добавить оценку сезонной динамики более широкого перечня параметров (например, концентрация растворенного кислорода, биологическое поглощение кислорода, содержание общего фосфора и азота, соотношение этих элементов, содержание органического вещества, сульфат-ионов, температура, мутность воды и др.). В комплексе с гидрохимическими исследованиями необходимо также провести гидробиологические исследования структуры и динамики биомассы фитопланктона и других гидробионтов.
Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы «Антропогенная трансформация пойменных экосистем Обь-Иртышского бассейна» (№ НИОКТР АААА-А19-119012190088-0).