Гидрохимическая основа биопродуктивности нерестово-выростных лососевых озер

Актуальность проблемы.

В настоящее время наблюдается непрерывный рост потребления человечеством водных биологических ресурсов, представляющих ценные и подчас незаменимые продукты питания, а также продукты, широко используемые в медицине и других областях промышленности. Важнейшим объектом промысла являются различные виды лососевых рыб Камчатки и Сахалина. Нерест и нагул молоди лососевых в течение двух-трех лет происходит в пресноводных озерах. Пресноводный период их жизни очень важен, поскольку от условий существования молоди в значительной степени зависит выживаемость и, в конечном итоге, численность взрослых рыб, скатывающихся в море. Одним из факторов, определяющим условия существования молоди лососевых рыб, является наличие хорошей кормовой базы. Решающая роль в формировании кормовой базы различных гидробионтов, в том числе промысловых рыб, принадлежит фитопланктонупервому звену в трофической цепи водных организмов. Интенсивное развитие фитопланктона в значительной мере определяется наличием в воде минеральных соединений, прежде всего, соединений основных биогенных элементов — азота, фосфора, кремния. Биогенные элементы, жизненно необходимые фитопланктону для синтеза органического вещества, являются, таким образом, гидрохимической основой биопродуктивности водоема. Запас биогенных элементов озера поддерживается несколькими путями. Для многих озер он определяется в основном поступлением минеральных солей с грунтовыми водами, речным стоком и атмосферными осадками. Особенностью нерестово-выростных лососевых озер является ежегодное поступление огромного количества аллохтонного органического вещества с телами отмершей отнерестившейся рыбы и вынос новообразованного органического вещества со скатывающейся молодью. Трансформация и утилизация органического вещества экосистемой таких озер изучены очень слабо. Проведение биогидрохимических исследований позволит получить представление о продукционных возможностях водоема, о скоростях трансформации автохтонного и аллохтонного органического вещества и о механизмах поддержания высокой продуктивности нерестово-выростных лососевых озер.

Цель настоящей работы состояла в оптимизации регулирования промысла лососевых рыб.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: определить механизмы формирования биопродуктивности нерестово-выростных водоемов различного типаисследовать пространственно-временные особенности распределения гидрохимических показателей и биохимических компонентов органического вещества в озерных водахвыявить биогенные элементы, которые лимитируют образование первичной продукцииоценить «новую» первичную продукцию и продукцию, созданную за счет регенерации биогенных элементов, то есть продукцию на «рециклинге» — оценить скорости биохимической трансформации органического вещества и возврата минеральных форм биогенных элементов в экосистему.

Научная новизна работы.

Впервые проведено комплексное гидролого-гидрохимическое и биохимическое исследование нерестово-выростных озер Камчатки и Сахалина с использованием современных химико-аналитических приборов.

Впервые определены как минеральные, так и органические формы биогенных элементов, что позволило замкнуть циклы азота и фосфора и проследить трансформацию этих элементов в продукционно-деструкционных процессах.

Впервые определены запасы органического вещества в экосистеме озер, оценена их кормность по биохимическому составу, а также скорости оборота органического вещества и индивидуальных биохимических компонентов (белок, фосфорорганические соединения) в метаболизме экосистем этих озер.

Практическое значение.

Полученные в данной работе материалы являются научной основой для расчета «новой» первичной продукции и продукции на «рециклинге» биогенных элементов в озерных экосистемах, выработки единой методологии исследования функционирования экосистем нерестово-выростных озер и научной оценки приемной емкости водоемов рыбохозяйственного значения, а также для построения математических моделей функционирования таких водоемов.

Апробация работы.

Результаты исследований были представлены на II Международной научной конференции «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды» (Белоруссия, Нарочь, 2003) — Международной конференции «Первичная продукция водных экосистем» (Борок, 2004) — Международной конференции «Водная экология на заре XXI века» (Петербург, 2005) — Всероссийской конференции «Экология пресноводных экосистем и состояние здоровья населения» (Оренбург, 2006) — на научных советах ВНИРО (Москва, 2003,2004).

I. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Озеро Курильское.

Озеро Курильское, одно из крупнейших озер п-ва Камчатка, расположено на высоте 104 м над уровнем моря на юге полуострова в 60 км от мыса Лопатка, в 14 км от побережья Тихого океана и 32 км от побережья Охотского моря [Куренков, 1988].

Почти со всех сторон к озеру вплотную подступают горы: с запада к самому озеру подходит лаво-экструзивный массив Дикий Гребень высотой свыше 1000 мс северо-запада и севера — отроги Голыгинской вершины, с северо-востока к озеру опускаются лавовые потоки андезито-базальтового вулкана Ильинская сопка (1576 м) — с востока и юго-востока котловина озера окружена низкогорным рельефом, сформированным разновозрастными вулканогенно-осадочными породами [Соловьева, Наседкин, 1986]. На юге горы отступают на 5−6 км. Здесь непосредственно к озеру прилегает равнина, сложенная речными наносами, которые сформировали наиболее значительные притоки озера Курильского: реки Гаврюшка, Кирушутк, Хакыцин и Этамынк (рис. 1). С юга эта равнина ограничена отрогами сопок Камбальной и Кошелевой [Крохин, Крогиус, 1937].

Котловина озера Курильского возникла в результате вулканических процессов очень интенсивных на территории Южной Камчатки в позднечетвертичный период. По мнению О. А. Брайцевой и др. [1965], основными этапами ее формирования, а также формирования прибрежных участков и островов, явились разрушение конуса вулкана и верхней части магматической колонны, мощное излияние пемзо-шлакового материала и экструзии липаритов. М. И. Зубин с соавторами [1982] показали, что северная часть озера представляет собой воронку взрыва, а южная является, скорее всего, кальдерой проседания, окруженной дугой кислых экструзий, часть из которых обнажается на островах Чаячий, Сердце Алаида и др.

Рис. 1. Батиметрическая карта-схема озера Курильского.

Озеро имеет округлую форму, чуть вытянутую в меридиональном направлении, преимущественно крутые берега с рядом террас и слабую изрезанность береговой линии. Порог, находящийся на глубине 150 м, делит котловину озера на две части — северную и южную. Северная часть, называемая Северной бухтой, достигает глубины 200 м. Впадина южной части имеет очень крутые ступенчатые склоны, быстро понижающиеся до глубины 300 м, и плоское дно [Соловьева, Наседкин, 1986].

Длина озера Курильского составляет 12.4 км, ширина — 10.6 км (табл. 1). По данным Е. М. Крохина и Ф. В. Крогиус [1937] максимальная глубина озера -316 м, средняя глубина — 184 м. При относительно небольшой площади озера, составляющей 76.0 км, около 49% ее характеризуется глубинами более 200 м.

Поэтому объем воды в нем достаточно велик — 14.2 км .

Таблица 1.

Морфометрическая характеристика озер

Курильское Азабачье Тунайча.

Длина, км 12.4 13 28.

Ширина, км 10.6 7.8 10.

Глубина, м 316 33.5 39.

Глубина ср., м 184 17.5 12.8.

Площадь, км 76 62.5 174.

Объем, км3 14.2 1.06 2.23.

Площадь водосбора, км2 305 336 554.

Полный водообмен 17.4 лет 20 мес.

Площадь водосбора /площадь озера 3.6 5.4 3.2.

Площадь водосбора Курильского озера составляет 305 км [Карюхин, 1987]. В озеро впадает 25 речек и ручьев. За год реки приносят 0.372 км3 воды, причем 89% годового стока поступает в юго-западную часть озера с реками Хакыцин (73%) и Этамынк (16%). Через желоб с западной стороны озера вытекает только одна река Озерная со средней скоростью 0.25 м/с, которая выносит 0.786 км /год, что вдвое превышает объем поступающих речных вод. Среднее значение уровня воды в истоке реки Озерной равно 71.1 см [Миловская, 2004]. Разницу приходной и расходной частей водного баланса компенсируют подземные воды, на долю которых приходится 0.318 км3/год, и атмосферные осадки — 0.125 км3/год. Наименьший вклад в водный баланс озера вносит испарение — 0.294 км3/год (табл. 2). Озеро относится к водоемам с замедленным водообменомвремя полного водообмена составляет, в среднем, 17.4 года. Соотношение между водосборной площадью и площадью озера составляет 3.6 [Пономарев и др. 1986].

В северо-восточной части озера Курильского имеется три выхода на поверхность вод геотермальной природы, расположенных у уреза воды и приуроченных своим местоположением к подножию вулкана Ильинского. Температура воды в этих ключах достигает 35−40°С, а минерализация намного превышает среднюю по озеру [Карюхин, 1986]. Доля геотермальных вод составляет 0.2% от объема озерных вод, что соответствует притоку в течение года 1.7*106 м3 неразбавленных термальных вод.

Таблица 2.

Среднемноголетний водный баланс озера Курильского, м • 10 /год.

Пономарев и др., 1986).

Приходная часть Расходная часть.

Осадки Речные воды Подземные воды Сумма Речной сток Испарение Сумма.

125 +372 +318 +815 -786 -29 -815.

Прозрачность озерных вод в осенний период составляет 8−11 м [Лебедев, 1916], а в августе — 6−7 м [Павельева, Ларионов, 1979].

Озеро Азабачье.

Озеро Азабачье расположено в средней части одной из четырех глубоких депрессий северо-восточного направления, которые проходят по параллельным разломам, разбивающим восточную часть полуострова Камчатка. Озеро лежит на правобережье реки Камчатка на расстоянии 5−6 км от ее русла и 40 км от моря. Со всех сторон оно окружено горами: хребтом Кумроч с запада, с востока — хребтами Коврижка и Токинец, которые подходят почти вплотную к берегам, и только на севере находится низменный перешеек, сложенный аллювием реки Камчатка [Крохин, 1972]. Гора Азабач (абс. отм. 700 м) наиболее высокая из расположенных в непосредственной близости к озеру. На северо-западе от озера расположены постоянно действующие вулканы Ключевской группы и вулкан Шевелуч, при извержении которых довольно часто пепел покрывает озеро Азабачье и большую часть водосборного бассейна.

Существует мнение, что депрессия ранее была заполнена водами морского залива, а озеро Азабачье и другие озера, лежащие в депрессии, имеют реликтовое происхождение. Об этом свидетельствует наличие четырех террас на хребте Коврижка и его отроге, образованных в результате многовекового поднятия местности, ранее заполненной водами морского залива [Лебедев, 1916; Державин, 1916]. Постепенное накопление речных наносов реки Камчатка, впадающей в Камчатский залив, и поднятие суши привели к обособлению котловины озера [Лебедев, 1911].

По морфометрическим характеристикам озеро Азабачье относится к крупным озерам Камчатки: его объем 1.026 км, площадь 56.5 км, длина 13 км, ширина 7.8 км, средняя глубина 18 м. Более половины площади водоема занято глубинами более 20 м, поэтому озерные склоны относительно круты до изобат 15−20м (рис.2). Глубже лежит обширная подводная равнина, медленно понижающаяся до максимальных глубин. Максимальная глубина 36.8 м лежит ближе к юго-восточной части озера. Литораль восточной части озера практически не развита, здесь сразу начинается свал глубин. Литоральная зона западного и южного берегов развита сильнее, но ширина ее невелика.

Дно литорали большей частью сложено из каменисто-галечного грунта с примесью песка [Леванидова, Леванидов, 1972]. Дно пелагиали покрыто мощными илами от синеватых до светло-коричневых, структурированных из панцирей отмерших диатомовых водорослей и детрита различного происхождения.

Рис. 2. Батиметрическая карта-схема озера Азабачье.

Площадь водосбора озера Азабачье занимает 336.5 км [Крохин, 1972]. По гидрологическому режиму озеро относится к сточно-проточным водоемам. В озеро впадет около 15 притоков. Наибольшая река — река Бушуева, длина основного русла которой около 40 км. Расход реки Бушуевой достигает 510 м3/сек. Остальные притоки невелики, их длина не превышает 7−10 км.

Сток озерных вод в реку Камчатка осуществляется через реку Азабачья, которая начинается в северо-восточной части озера и выносит 0.630 км3/год. Ее длина — 11 км, ширина — 50−60 м. Расход воды в течение года колеблется от л л.

15 м /с в межень до 25−30 м /с в половодье. Грунтовые воды составляют около 60% годового стока с водосбора водоема [Базаркин, 1990].

Поступление в водоем минеральных и органических веществ с поверхностным стоком определяет величину прозрачности воды в озере. После разрушения ледового покрова прозрачность воды в водоеме составляет 4.0 м, что соответствует среднегодовому значению этого показателя. Значительное повышение мутности и снижение прозрачности воды до 1.5 м происходит в половодье. По окончанию паводка прозрачность воды возрастает до 3.0 м. Осенью перед ледоставом показатель прозрачности воды в озере увеличивается до 5.0−8.0 м и остается таким в зимние месяцы [Базаркина, 2004].

Озеро Тунайча.

Озеро Тунайча является крупнейшим внутренним водоемом Сахалинской области и отнесено к памятникам природы. Оно расположено в юго-восточной части о. Сахалин на Тонино-Анивском полуострове. Озеро занимает северную, наиболее пониженную часть Муравлевской низменности. Оно вытянуто с северо-запада на юго-восток вдоль береговой линии залив Мордвинова (Охотское море). По морфометрическим характеристикам озеро Тунайча относится к крупным озерам Сахалина. Его длина составляет 28 км, ширина -10 км, наибольшая глубина достигает 39 м, средняя — 12.8 м. Площадь озера равна 174 км², площадь водосбора — 554 км², объем — 2.23км3 [Государственный водный кадастр, 1987].

Озеро Тунайча относится к группе лагунных озер морских побережий. Такие озера обязаны своим происхождением смещению береговой линии и обособлению заливов и бухт в результате намыва береговых кос. Воды бывших лагун сильно опресняются втекающими в них обильными речными водами [Муравейский, 1949]. В настоящее время воздействие морских вод на озерные незначительно, оно увеличивается в штормовую погоду, но область их влияния ограничивается районом протоки Красноармейская [История озер севера Азии, 1995].

Морфологически на озере выделяются два плеса: западный, меньший по размеру и отличающийся мелководностью (5−15 м) — так называемая Малая Тунайчаи восточный — Большая Тунайча, где зафиксирована максимальная для озера глубина в 39 м. Границей между ними служит воображаемая линия мыс Макарова — остров Птичий — мыс Меньшикова (рис. 3). Котловина озера имеет тектоническое происхождение, типичную корытообразную форму с плоско-вогнутым дном. Котловину заполняют пелитовые илы, оконтуренные алевритами, сменяемыми песками. Выходы коренных пород наблюдаются на мысах, между которыми распространены галечно-гравийные отложения и пески разной крупности [Микишин и др., 1995; Саматов и др., 2002].

Основная часть бассейна озера, сложенная породами различного возраста и различной литологии, значительно приподнята над урезом воды. Такое положение бассейна позволяет озеру получать питание как за счет стекания поверхностных вод, так и за счет подземного стока. В обоих случаях в озеро попадает значительное количество минеральных веществ в растворенном и во взвешенном состоянии.

Рис. 3. Батиметрическая карта-схема озера Тунайча.

Озеро является проточным. В него впадают более сорока мелких рек и ручьев, наиболее крупные из них реки Казачка, Ударница, Комиссаровка, Подорожная. Для гидрологического режима рек, впадающих в озеро, характерно хорошо выраженное весеннее половодье от таяния снега и дождей и неустойчивая летне-осенняя межень в июле — сентябре, нарушаемая обычно двумя-тремя довольно значительными дождевыми паводками. Основным видом питания рек района является снеговое, на его долю приходится 40−50% годового стока, дождевое питание составляет 30−40% и около 20% - грунтовое. Во внутригодовом распределении стока рек преобладает весеннее половодье. Весенний сток составляет около 60%, на лето приходится около 20%. Прозрачность воды по диску Секки в весенне-летнее время колеблется в пределах 4−6 м [Григорьев, 1964].

Связь озера с морем осуществляется через мелководную протоку Красноармейская протяженностью около 3 км. В результате строительства в середине 1970;х гг. автодорожного моста и отсыпки дамбы произошли серьезные изменения в гидрологии озера, и водообмен озера с морем нарушился [Микишин и др., 1995]. Морская вода в настоящее время в озеро практически не проникает. Это приводит к распреснению основной акватории, что подтверждается исчезновением из зообентоса солоноватоводных видов и появлением пресноводных организмов [Саматов и др., 2002].

ВЫВОДЫ.

1. В исследованных нерестово-выростных озерах, различных по происхождению и физико-географическому положению, биогенным элементом, лимитирующим первичное продуцирование, является минеральный фосфор. В озерах Азабачье и Тунайча процесс первичного продуцирования лимитирует также минеральный азот.

2. Доля «новой» продукции во всех трех озерах не превышает 30% от общей продукции и не обеспечивает потребностей этих экосистем в органическом веществе.

3. В экосистемах нерестово-выростных озер большую роль играет гетеротрофный микропланктон (микробиологическая петля). Высокие активности гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов во фракции микроплантона позволяют утилизировать всю биомассу сненки менее чем за год.

4. В результате трансформации органического вещества сненки экосистемой озер создается дополнительная пища для нагула мальков нерки, а также регенерируются минеральные формы азота и фосфора, идущие на синтез «новой» продукции.

5. Характерной особенностью нерестово-выростных озер является полная утилизация сненки, что необходимо учитывать при оценке их приемных емкостей, а также при создании моделей функционирования экосистем нерестово-выростных водоемов.