Оценка связи содержания хлорофилла и биогенных элементов в крупных равнинных водохранилищах | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2021. № 53. DOI: 10.17223/19988591/53/8

Оценка связи содержания хлорофилла и биогенных элементов в крупных равнинных водохранилищах

Приведены новые данные о соотношении содержания хлорофилла, общего фосфора и общего азота (откликах фитопланктона, Chl/P и Chl/Ntot) в водохранилищах Верхней Волги, полученные при проведении полевых исследований в летний период 2015-2018 гг. Установлено, что в Иваньковском, Угличском и Рыбинском водохранилищах средние величины Chl/P. составляют 0,48±0,06, 0,42±0,04 и 0,38±0,07, Chl/N , - 31,8±3,5, 31,4±2,8 и 24,9±2,7 соответственно. Показано, что Chl/P,, и Chl/N , тесно связаны между собой (R2=0,67), с содержанием хлорофилла (R2 = 0,72 и 0,80) и меняются в водах разной трофии, достигая максимальных значений в эвтрофных и высоко эвтрофныхусловиях. Отклики в незначительной степени зависят от гидрологических факторов, а также от содержания Рtot и Ntot, но закономерно изменяются по градиенту Ntot/Ptot. Ретроспективный анализ демонстрирует увеличение Chl/Ptot и Chl/Ntot в Иваньковском и Угличском водохранилищах и значительные межгодовые колебания в Рыбинском водохранилище. Полученные результаты позволяют проанализировать связь развития фитопланктона с содержанием биогенных элементов, оценить эффективность их использования и обеспеченность ими клеток водорослей, сделать заключение, что фитопланктон Верхней Волги менее чувствителен к наличию азота и в большей степени зависим от присутствия соединений фосфора.

Assessment of the relationship between chlorophyll content and biogenic elements in large lowland resevoirs.pdf Сокращения. Chl a - хлорофилл а, мкг/л [Chlorophyll a]; ChlCyan - хлорофилл а цианопрокариот, мкг/л [Chlorophyll a of cyanoprokaryotes]; ChlBac - хлорофилл а диатомовых водорослей, мкг/л [Chlorophyll a of diatoms]; Chl^ - хлорофилл а зеленых водорослей, мкг/л [Chlorophyll a of green algae]; БЭ - биогенные элементы [Biogenic elements]; Ntot - общий азот, мг/л [Total nitrogen]; Ptot - общий фосфор, мкг/л [Total phosphorus]; Cv - коэффициент вариации [the coefficient of variation]; r -коэффициент корреляции [correlation coefficient]; R2 - коэффициент детерминации [Coefficient of determination]. Для цитирования: Минеева Н.М. Оценка связи содержания хлорофилла и биогенных элементов в водохранилищах Верхней Волги // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2021. № 53. С. 151-168. doi: 10.17223/19988591/53/8 Н.М. Минеева 152 Введение Водоросли планктона продуцируют основной фонд автохтонного органического вещества, играя ключевую роль в трансформации вещества и энергии в экосистеме водохранилищ Верхней Волги, которые являются объектами многолетних экологических исследований [1]. К главным факторам развития и функционирования фитопланктона относится обеспеченность клеток минеральным питанием. Вместе с содержанием фотосинтетических пигментов БЭ служат маркерами трофического статуса водоемов (см. сводку [2]). Многочисленные исследования влияния соединений азота и фосфора на фитопланктон проводились во второй половине ХХ в. при возросших темпах эвтрофирования водоемов. В результате получены необходимые для оценки состояния и прогноза изменений озерных экосистем универсальные количественные соотношения между содержанием БЭ и основного пигмента зеленых растений Chl а - показателя биомассы фитопланктона и трофического статуса водоемов [3, 4]. В последние годы на фоне процессов, происходящих в водных экосистемах в условиях глобального потепления, отмечен новый всплеск интереса к влиянию элементов минерального питания на развитие водорослей [5-9]. Большинство этих публикаций, как и ранее, посвящено озерам, данных для водохранилищ значительно меньше. Однако выявленные для озер зависимости и соотношения не всегда соблюдаются в водохранилищах - молодых импульсно-стабилизированных системах с высокой антропогенной нагрузкой, искусственным регулированием стока и своеобразием гидрологических условий [10]. Нашими исследованиями на водохранилищах Волги показано, что содержание Chl а редко и при невысоких коэффициентах корреляции связано с содержанием Ntot и Робщ, а также их минеральных форм [11, 12], что свидетельствует о сложном и многокомпонентном характере влияния БЭ на водоросли. В этих условиях более успешной оказалась попытка косвенной оценки этой связи через соотношение концентраций Chl/Ptot и Chl/Ntot, названное «отклик фитопланктона» [13] и соответствующее термину «efficiency» [14]. Эти показатели, отражающие обеспеченность водорослей БЭ и эффективность использования последних [15], представляются полезными для получения количественных зависимостей при анализе состояния водоемов и прогнозировании изменений их трофического статуса. Первые сведения о соотношениях Chl/Ptot и Chl/Ntot в водохранилищах Верхней Волги, относящиеся к 1980-1990 гг., приведены в наших публикациях [11, 12, 16]. К настоящему времени получены новые данные по содержанию хлорофилла и БЭ, позволившие проследить многолетние тенденции в развитии фитопланктона и вариации трофического статуса водохранилищ [17, 18]. Цель работы - проанализировать современные данные о соотношении хлорофилла и БЭ в водохранилищах Верхней Волги, оценить на их основе связь развития фитопланктона с содержанием БЭ и эффективность их использования в зависимости от факторов среды. Оценка связи содержания хлорофилла и биогенных элементов 153 Материалы и методики исследования Материалом работы послужили 104 пробы, отобранные на 26 станциях Иваньковского, Угличского и Рыбинского водохранилищ в августе 2015-2018 гг. Водохранилища Верхней Волги, крупные относительно мелководные водоемы (средняя глубина 3,4-5,6 м), расположены между 56°51' и 58°22' N, 35°55' и 38°25' E в лесной зоне в подзонах от хвойно-широколиственных лесов до южной тайги. Русловые Иваньковское и Угличское водохранилища характеризуются сезонным регулированием стока и высокой интенсивностью водообмена (10,6 и 10,1 год-1), озеровидное Рыбинское - многолетним регулированием стока и замедленным водообменном (1,9 год-1) [1]. Водохранилища существенно различаются по степени зарастания высшей водной растительностью, занимающей 7,4 % акватории в Угличском водохранилище, 4,1 % - в Рыбинском и 29,2 % - в Иваньковском (персональное сообщение В.Г. Папченкова). Годы наблюдения в многолетнем ряду характеризовались как теплые. Температура воды, превышавшая средние многолетние показатели для августа [1], составляла 19,9-23,7 °С, и только в Рыбинском водохранилище в 2015 и 2017 гг. снижалась до 16,6 и 17,7 °С. При этом прохладный и дождливый летний сезон 2017 г. выделялся низкой средней температурой воздуха (12,1 против 13,5-14,6 °С в остальные годы). Средние величины прозрачности (0,8-1,1 м) и цветности воды (40-60 град.) типичны для водохранилищ, лишь в дождливом 2017 г. цветность увеличивалась до 70 град. Анализ Chl а выполнен флуоресцентным методом [19] в интегральных пробах, для получения которых смешивали равные объемы воды, отобранной батометром Элгморка из каждого метра водной толщи от поверхности до дна. Метод позволяет определять суммарное количество Chl а непосредственно в природной воде по его содержанию у основных представителей пресноводного фитопланктона - синезеленых (цианопрокариот), диатомовых и зеленых водорослей (ChlCyan, ChlBac, ChlChl соответственно). Данные по содержанию БЭ, полученные в те же сроки на тех же станциях И.Э. Степановой, приведены в совместной публикации [18]. При статистической обработке материала (расчете средних показателей, их погрешностей, коэффициентов корреляции и вариации, уравнений регрессии и построения графиков) использованы стандартные программные пакеты MS Excel и StatSoft STATISTICA. Для оценки тесноты связи показателей использовали коэффициент ранговой корреляции Спирмена. Различия средних величин оценивали с помощью 1-критерия Стью-дента и считали статистически значимыми при его значениях, превосходящих табличные при 95%-ном уровне значимости (р < 0,05). Результаты исследования и обсуждение Гидрохимический режим в каскаде водохранилищ, образованных на реках, текущих в меридиональном направлении и пересекающих различные природные зоны, формируется при взаимодействии зональных и азональ- Н.М. Минеева 154 ных факторов. Водохранилища Верхней Волги характеризуются высоким содержанием БЭ [1]. В годы исследования оно изменялось в близких пределах при одинаковом соотношении Ntot/P и снижении средних величин P и N в Рыбинском водохранилище на 11 и 42 % соответственно (табл. 1). Таблица 1 [Table 1] Предельные (1) и средние (2) значения исследованных показателей в водохранилищах Верхней Волги (2015-2018 гг.) [The limit (1) and mean (М±тм) (2) values of the studied parameters in the Upper Volga reservoirs (2015-2018)] Показатель [Parameters] Иваньковское вдхр. [Ivankovo Reservoir] Угличское вдхр. [Uglich Reservoir] Рыбинское вдхр. [Rybinsk Reservoir] 1 2 1 2 1 2 Chl a, mg/L 7,5-172 41,7±5,4 11,9-96,7 38,5±3,6 2,7-46,5 23,0±2,6 Chl Сѵяп; mg/L 0,5-137 26,2±4,4 4,0-82,1 27,4±3,0

Ключевые слова

фитопланктон, хлорофилл, общий азот, общий фосфор, водохранилища Верхней Волги

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Минеева Наталья МихайловнаИнститут биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАНд-р биол. наук, г.н.с. лаборатории альгологииmineeva@ibiw.ru
Всего: 1

Ссылки

Экологические проблемы Верхней Волги / под ред. А.И. Копылова. Ярославль : ЯрГТУ, 2001. 427 с.
Китаев С.П. Основы лимнологии для гидробиологов и ихтиологов. Петрозаводск : КарНЦ РАН, 2007. 394 с.
Vollenweider R.A. Das Nachrstoffbelastungskonzept als Grundlage fur den externen in den Eutrophierungsprozess stehender Gewasser und Talsperren // Z. Wasser und Abwasser Forsch. 1979. Bd. 12 (2). SS. 46-56.
Eutrophication of waters. Monitoring, assessment and control. Paris : OECD, 1982. 155 p.
Havens K.E., Anneville O., Carvalho L., Coveney M.F., Deneke R, Dokulil M.T., Foy B., et al. Lake responses to reduced nutrient loading - an analysis of contemporary long-term data from 35 case studies // Freshwater Biol. 2005.Vol. 50, No. 9. PP. 1747-1771. doi: 10.1111/j.1365-2427.2005.01415.x
Zhukova T.V. Long-term dynamics of phosphorus in the Narochanskie Lakes and factors determining it // Water Resourses. 2013. Vol. 40, No. 5. PP. 510-517. doi: 10.1134/S0097807813050072
Hao Y., Yu R., Zhang U., Yanget H. The relationship of chlorophylla, total nitrogen and total phosphorus in Wuliangsuhai Lake // Advanced Materials Research. 2014. Vols. 955-959. PP. 1393-1396. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.955-959.1393
Burson A., Stomp M., Greenwell E., Grosse J., Huisman J. Competition for nutrients and light: testing advances in resource competition with a natural phytoplankton community // Ecology. 2018. Vol. 99, No. 5. PP. 1108-1118. doi: 10.1002/ecy.2187
Xiao W., Liu X., Irwin A.J., Laws E.A., Wang L., Chen B., Zeng Y., Huang B. Warming and eutrophication combine to restructure diatoms and dinoflagellates // Water Research. 2018. Vol. 128, No. 1. PP. 206-216. doi: 10.1016/j.watres.2017.10.051
Одум Ю. Основы экологии. М. : Мир, 1975. 740 с.
Минеева Н.М., Разгулин С.М. О влиянии биогенных элементов на содержание хлорофилла в Рыбинском водохранилище // Водные ресурсы. 1995. Т. 22, No. 2. С. 218-223.
Минеева Н.М. Растительные пигменты в воде волжских водохранилищ. М. : Наука,2004. 156 с.
Винберг Г.Г. Сравнительные биолимнологические исследования, их возможности и ограничения // Продукционно-гидробиологические исследования на внутренних водоемах. Л. : Гидрометеоиздат, 1986. С. 4-18.
Kalff J., Knoechel R. Phytoplankton and their dynamics in oligotrophic and eutrophic lakes // Ann. Rev. Ecol. Syst. 1978. Vol. 9. PP. 475-495. doi: 10.1146/annurev.es.09.110178.002355
Spears B.M., Carvalho L., Dudley B., May L. Variation in chlorophyll to total phosphorus ratio across 94 UK and Irish lakes: implications for lake management // J. Environmental Management. 2013. Vol. 115. PP. 287-294. doi: 10.1016/j.jenvman.2012.10.011
Mineeva N.M. Evaluation of nutrient-chlorophyll relationships in the Rybinsk Reservoir // Water Sci. Technol. 1993. Vol. 28, No. 6. PP. 25-28. doi: 10.2166/wst.1993.0125
Mineeva N.M. Content of photosynthetic pigments in the upper Volga reservoirs (2005-2016) // Inland Water Biology. 2019. Vol. 12, No. 2. PP. 161-169. doi: 10.1134/S199508291902010X
Mineeva N.M., Stepanova I.E., Semadeni I.V. Biogenic elements and their significance in the development of phytoplankton in reservoirs of the Upper Volga // Inland Water Biology. 2021. No. 14 (1). РР. 32-42. doi: 10.1134/S1995082921010089
Гольд В.М., Гаевский Н.А., Шатров И.Ю., Попельницкий В.А., Рыбцов С.А. Опыт использования флуоресценции для дифференциальной оценки содержания хлорофилла у планктонных водорослей // Гидробиологический журнал. 1986. Т. 22, No. 3. С. 80-85.
Корнева Л.Г. Фитопланктон водохранилищ бассейна Волги. Кострома : Костромской печатный дом; 2015. 284 с.
Kureyshevich A.V., Medved’ V.A. Assessment of relationship between the content of chlorophyll a and the content of phosphorus in the water of the Dnieper reservoirs // Hydrobiol. Journ. 2006. Vol. 42, No. 3. PP. 33-43. doi: 10.1615/HydrobJ.v42.i3.30
Jones J.R., Obrecht D.V., Perkins B.D., Knowlton M.F., Thorpe A.P., Watanabe S., Bacon R.R. Nutrients, seston and transparency of Missouri reservoirs and oxbow lakes: an analysis of regional limnology // Lake Reserv. Manage. 2008. Vol. 24, No. 6. PP. 155-180. doi: 10.1080/07438140809354058
Brown C.D., Hoyer M.V., Bachmann R.W., Canfield D.E. Nutrient-chlorophyll relationships: an evaluation of empirical nutrient-chlorophyll models using Florida and north-temperate lake data // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 2000. Vol. 57. PP. 1574-1583. doi: 10.1139/f00-090
Søndergaard M., Lauridsen T.L., Johansson L.S., Jeppesen E. Nitrogen or phosphorus limitation in lakes and its impact on phytoplankton biomass and submerged macrophyte cover // Hydrobiologia. 2017. Vol. 795. PP. 35-48. doi: 10.1007/s10750-017-3110-x
Domingues R.B., Barbosa A.B., Sommer U., Galvao H.M. Ammonium, nitrate and phytoplankton interactions in a freshwater tidal estuarine zone: potential effects of cultural eutrophication // Aquat Sci. 2011. Vol. 73, No. 3. PP. 331-343. doi: 10.1007/s00027-011-0180-0
Marinho M.M., de Oliveira e Azevedo S.M.F. Influence of N/P ratio on competitive abilities for nitrogen and phosphorus by Microcystis aeruginosa and Aulacoseira distans // Aquat. Ecol. 2007. Vol. 41. PP. 525-533. doi: 10.1007/s10452-007-9118-y
Suttle C.A., Harrison P.J. Ammonium and phosphate uptake rates, N : P supply ratios, and evidence for N and P limitation in some oligotrophic lakes // Limnol. Oceanogr. 1988. Vol. 33, No. 2. PP. 186-202. doi: 10.4319/lo.1988.33.2.0186
Seip K.L., Jeppesen E., Jensen J.P., Faafeng B. Is trophic state or regional location the strongest determinant for Chl-a/TP relationships in lakes? // Aquat. Sci. 2000. Vol. 62. PP. 195-204. doi: 10.1007/PL00001331
Filstrup C.T., Downing J.A. Relationship of chlorophyll to phosphorus and nitrogen in nutrient-rich lakes // Inland Waters. 2017. Vol. 7, No. 4. PP. 385-400. doi: 10.1080/20442041.2017.1375176
Jones J.R., Obrecht D.V., Thorpe A.P. Chlorophyll maxima and chlorophyll: total phosphorus ratios in Missouri reservoirs // Lake Reserv. Manage. 2011. Vol. 27. PP. 321-328. doi: 10.1080/07438141.2011.627625
Vannote R.L., Minshall G.W., Cummins K.W., Sedell J.R., Cushing C.E. The river continuum concept // Can. J. Fish. Auqat. Sci. 1980. Vol. 37, No. 1. PP. 130-137. doi: 10.1139/f80-017
Sakamoto M. Primary production by phytoplankton community in some Japanese lakes and its dependence on lake depth // Arch. Hydrobiol. 1966. Vol. 62, No. 1. PP. 1-28. doi: 10.1371/journal.pone.0095757
Claesson A. Research on recovery of polluted lakes. Algal growth potential and the availability of limiting nutrients // Acta University Uppsala. 1978. No. 61. PP. 1-7.
Булгаков Н.Г., Левич А.П. Биогенные элементы в среде и фитопланктон: соотношение азота и фосфора как самостоятельный фактор регулирования структуры альгоценоза // Успехи современной биологии. 1995. Т. 115, No. 1. С. 13-23.
Seip K.L., Sas H., Vermij S. Nutrient-chlorophyll trajectories across trophic gradient // Aquatic Sci. 1992. Vol. 54, No. 1. PP. 58-76.
Havens K.E., Nürnberg G.K. The phosphorus-chlorophyll relationship in lakes: potential influences of color and mixing regime // Lake and Reservoir Management. 2004. Vol. 20, No. 3. PP. 188-196. doi: 10.1080/07438140409354243
 Оценка связи содержания хлорофилла и биогенных элементов в крупных равнинных водохранилищах | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2021. №  53. DOI: 10.17223/19988591/53/8

Оценка связи содержания хлорофилла и биогенных элементов в крупных равнинных водохранилищах | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2021. № 53. DOI: 10.17223/19988591/53/8