Глава 3 Гидрохимические исследования

 ГЛАВА 3.

Гидрохимические исследования

3.1. Гидрохимические результаты экспедиции в 2018 г. Методы исследования и объём собранного материала. Отбор проб для гидрохимического анализа проводился во время выхода в озеро с 4 по 7 июля 2018 г. Отбор проб проводился на 18 станциях, всего 46 горизонтов отбора. Отбор проб проводился в соответствии с ГОСТ 17.1.5.05-85 "Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод". Сразу после отбора пробу переливали в посуду для хранения проб по ГОСТ 17.1.5.04-81, в зависимости от определяемого компонента. Всего было выполнено 368 гидрохимических анализов, в том числе определений рН – 46, общей титруемой щелочности – 46, растворенного кремния – 46, растворенного фосфора – 46, нитритного азота – 46, нитратного азота – 46, аммонийного азота – 46, растворенного кислорода – 46 анализа. Схема работ на гидрологических станциях в основных чертах повторяла съемки предыдущих лет (Рис. 3.1).

Результаты определений в судовой лаборатории и некоторые расчетные величины (насыщение вод кислородом, парциальное давление СО₂ и другие) приведены в приложении 2, таблице П2.1.

Рис. 3.1. Схема расположения станций, где проводился отбор проб для гидрохимических определений в 2015-2018 гг., красным выделены станции, выполненные в период с 4 по 7 июля 2018 г.

Аналитическое оборудование

Спектрофотометр HACH Lange DR 2800, производства HACH Lange, Германия.

Анализатор жидкости (рН-метр-иономер 4-х канальный) ЭКСПЕРТ-001-4, производства НПП «Эконикс-Эксперт», Россия.

Многофункциональный цифровой дозатор Eppendorf Multipette/Repeater X stream, производства Eppendorf AG, Германия.

Шприцевые дозаторы LABMATE, объёмом 1 и 5 мл, производства Польша.

Для проведения анализов и подготовки (консервации) проб на борту судна «Молтур» была развернута временная лаборатория.

Методы анализа

Определение гидрохимических параметров проводилось по стандартным методикам, принятым в экспедиционной практике [13].

Величина рН определялась потенциометрическим методом по РД 52.10.243-92 в практической шкале NBS. Определения проводились в неразведенных пробах.

Определение общей щелочность проводилось методом прямого титрования (метод Бруевича) с цветовым окончанием.

Кислород в морской воде определяли иодометрическим методом (метод Винклера) по РД 52.10.243-92 МУ. Пробы морской воды фиксировались на борту сразу же после отбора и помещались до определения в темное место.

Определение содержания растворенного неорганического фосфора (фосфаты) проводилось колориметрически в соответствии с РД 52.24.382-2006 «Массовая концентрация фосфатов и полифосфатов в водах. Методика выполнения измерений фотометрическим методом».

Определение растворенного неорганического кремния (силикатов) проводилось колориметрически по голубому кремнево-молибденовому комплексу (метод Королева) в соответствии с РД 52.10.234-92.

Определение нитритного азота (нитриты) проводилось колориметрически с применением «единого цветного» реактива по РД 52.10.243-92.

Определение нитратного азота (нитраты) проводилось колориметрически после его восстановления на кадмиевых колонках до нитритного азота по РД 52.10.243-92.

Определение аммонийного азота (ион аммония) проводилось по РД 52.24.383-2005 «Массовая концентрация аммиака и ионов аммония в водах. Методика выполнения измерений фотометрическим методом в виде индофенолового синего».

Все определения проводилось не позднее, чем через 12 часов со времени отбора.

Определение содержания растворенной двуокиси углерода (CO₂) и общего растворенного углерода (C_tot) проводилось pH-Alk методом по термодинамическим уравнениям карбонатного равновесия с применением концентрационных констант диссоциации угольной кислоты Роя [27] с поправками для вод со свойствами, отличными от морской воды [28].

Результаты исследований

Так же как и во время предыдущих съемок (июнь 2015 г., октябрь – ноябрь 2016 г. и июнь 2017 г.) гидрологическая струтура вод озера были достаточно однородной по горизонтали. Наблюдалась хорошо выраженная температурная стратификация вод (Рис. 3.2). Благодаря прогреву в теплое время выделяется поверхностная вода, с относительно высокой температурой и небольшими изменениями температуры с глубиной [4]. Температура воды на поверхности в июне 2015 г. составляла 16 – 18 ^оС, в октябре - ноябре 2016 г. температура на поверхности составляла 10 - 12 ^оС, в июне 2017 г. 16 – 20 ^оС, во время настоящей съемки 17 – 21 ^оС.

Содержание растворенного кислорода

Содержание растворенного кислорода было от 5.40 до 7.20 мл/л, а степень его насыщения от 65.0 до 103.8%. Для поверхностных вод содержание кислорода колебалось от 5.40 до 6.31 мл/л (от 84.5 до 103.8% насыщения). Наибольшее содержание кислорода (7.20 мл/л) отмечено на горизонте 29 м ст. №5 и на ст. №18bis (7.18 мл/л). Как и в предыдущие годы, наибольшие изменения содержания растворенного кислорода наблюдалось в верхнем 100-метровом слое (Рис. 3.3). Это связано с влиянием материкового стока, деятельностью водной биоты и значительным изменением температуры в этом слое. Глубже 200 м. содержание и степень насыщения кислорода практически не изменялось по вертикали по результатам всех съемок.

В распределение растворенного кислорода на поверхности отмечено значительное (6.31 мл/л) повышение его у западного берега на ст. № 4, наибольшее насыщение вод кислородом наблюдалось на ст. №Т1 (Рис. 3.4). Для основной акватории озера содержание кислорода на поверхности было относительно невысоким (около 5.8 мл/л). Степень его насыщения была около 92%. Так же как и в 2016 г, незначительное увеличение степени насыщения отмечено в заливе реки Тюп (Рис. 3.4), где возможно, озерная биота подпитывалась притоком биогенных элементов с материковым стоком.

Величины содержания растворенного кислорода и степени его насыщения, отмеченные по результатам съемки, соответствуют средним многолетним данным [7].

Величины рН и общей щелочности

Величина рН за время наблюдения колеблется от 8.6 до 8.80ед. NBS. Наибольшая изменчивость может быть отмечена в поверхностных водах. Глубже 100 метров величина рН менялась в пределах 8.7 – 8.8 ед. NBS (Рис. 3.5). Причина такого вертикального распределения обусловлена сильным влиянием материкового стока, с одной стороны, и однородностью условий в основном столбе вод озера, с другой стороны.

Следует отметить, что во время съемок 2015, 2017 и 2018 гг., величина pH в столбе воды, в среднем, держится на отметке 8.7 ед. NBS, тогда как в 2016 г. средняя величина равна 8.3 ед. NBS. Скорее всего, это связано с сезонной динамикой продукционных процессов и, связанной с этим, динамикой вертикальных потоков органического вещества. Можно предположить, что величина рН реагировала на сезонные изменения содержания растворенной двуокиси углерода в результате окисления потока органического вещества из верхнего деятельного слоя в глубокие воды озера.

Величина общей щелочности колебалась от 4.929 до 5.506 мг-экв/л. Низкие значения общей щелочности были отмечены исключительно в приустьевых участках. Для основной массы вод диапазон изменения щелочности был всего 5.304 – 5.491 (среднее 5.423) мг-экв/л. Малое изменение величины щелочности по вертикали (Рис. 3.5) и практически отсутствие изменений от съемки к съемке позволяет положить, что вся толща воды в озере активно перемешивается, скорее всего, в холодный период.

Распределения величин рН и общей щелочности на поверхности воды имеют схожие черты, что объясняется общность основных процессов формирующих их распределение: принос вод материкового стока и изменение температуры воды. Основные изменения, как уже говорилось выше, наблюдались на поверхности воды. После 40 – 50 м величина общей щелочности увеличивалась примерно до 5.5 мг-экв/л а рН до 8.80 ед. и оставались практически постоянными до дна.

Воздействие материкового стока приводит к увеличению величины рН и уменьшению величины общей щелочности (Рис. 3.6). Так высокие значения рН и низкие щелочности были отмечены в водах в заливе Тюп. Интересно, что в центральной части озера на поверхности наблюдалось повышение и величины рН и общей щелочности (Рис. 3.6). Скорее всего, это можно связать с подъемом вод.

По литературным данным величина рН в поверхностных водах озера от 8.69 до 8.75 ед. NBS [7]. Максимальные значения наблюдаются в «зоне фотосинтеза» т.е. в верхнем 50-метровом слое. Это близко к полученным нами величинам.

Растворенный неорганический фосфор (фосфаты)

Содержание растворенного неорганического фосфора в воде озера за период съемки было от аналитического нуля (предела обнаружения по данной методике) до 0.49 µМ. Максимальное значение было отмечено в поверхностных водах на ст. 15. Как и при предыдущей съемке, высокое содержание растворенного неорганического фосфора наблюдалось в верхнем слое вод, примерно до 50 м (Рис. 3.7). Это может быть связано как с приносом фосфора с берегов, в том числе и с бытовыми стоками, так и с окислением органического вещества, образовавшегося в период активного фотосинтеза. Проникновению фосфатов в более глубокие слои препятствует температурная стратификация вод.

Глубже термоклина содержание фосфатов убывает, в среднем до 0.2 µМ (Рис. 3.7). Во время съемки 2016 г содержание фосфатов в слое от 200 м до дна было значительно ниже, от аналитического нуля до 0.1 µМ. Скорее всего это связано с сезонной динамикой окисления органического вещества, поступающего из верхнего деятельного слоя в глубокие воды озера, нынешнее же содержание фосфатов близко к значениям 2017 г.

Практически на всей поверхности озера содержание фосфатов невысокое, но выделяются две области повышенного их содержания. Это часть озера, западнее залива р. Тюп и центральная часть озера напротив г. Чолпон Ата (Рис. 3.8). И в том и в другом случае повышенное содержание фосфатов можно связать с бытовыми стоками с берегов озера. Но, возможно, это следствие подъема вод, как и в случае с повышенным значением общей щелочности.

По литературным данным содержание фосфатов во всей толще озера составляет 0.06 – 0.12 µМ и отмечается, что данные об их содержании крайне скупы [7].

Растворенный неорганический кремний (силикаты).

По данным настоящей съемки содержание растворенного кремния в воде озера от 65.5 до 80.5 µМ. Как наиболее высокие, так и наиболее низкие величины содержания силикатов отмечены в поверхностных водах (Рис. 3.9). Глубже 100 м среднее содержание силикатов было около 78 µМ, и можно отметить некую тенденцию к росту в придонных водах.

Содержание силикатов было близко к наблюдавшемуся в 2016 г. Возможно, это отражает сезонные изменения характеристик материкового стока и/или продукционных процессов.

В распределении растворенного кремния по акватории озера видно значительное понижение в восточной части, около залива р. Тюп и повышение около залива Пржевальского (Рис. 3.10).

Как и в предыдущие годы, содержание кремния оказалось гораздо выше чем в приведено в работе [7] – 32 – 36 µМ, поэтому остается необходимость проведения работ по сравнению старых и современных методик, что отмечалось в предыдущих исследованиях.

Нитратная и нитритная формы азота

Содержание нитратного азота в водах озера на время съемки было от 6.92 до 13.41 µМ. Содержание нитритного азота было от аналитического нуля до 0.27 µМ. Как и для остальных гидрохимических параметров наибольший диапазон наблюдавшихся параметров наблюдался на поверхности (Рис. 3.11). Глубже слоя скачка температуры содержание нитратного азота было 10.48 – 13.41 µМ (среднее 12.40 µМ), а нитритного от 0 до 0.02 µМ (среднее 0.003 µМ).

Значительно различалось содержание нитратного азота полученное во время различных съемок. В 2015, 2016 и 2018 гг. содержание нитратного азота было примерно одинаковым, тогда как в 2017 году этот показатель был заметно ниже практически по всему профилю. Кроме того, в эти годы глубже 100 м наблюдался небольшой, но постоянный рост содержания нитратного азота ближе ко дну, в 2017 г. этого не происходило. В 2015, 2016 и 2018 гг. содержание же нитритов глубже 100 м оставалось практически постоянным и низким, а в 2017 г. содержание нитратного азота в глубоких водах озера значительно выше (до 0.1 µМ). Как уже говорилось в предыдущих исследованиях, отсутствие достаточных рядов наблюдений, охватывавших все сезоны, не позволяет нам судить, связано ли это различие с сезонными изменениями стока и продукционных процессов, или же существует межгодовая динамика содержания биогенных элементов в озере.

Характер вертикального распределения и содержание нитритного азота позволяет сказать, что процессы окисления органического вещества проходили, главным образом, в верхнем 50-ти метровом слое озера.

Как и для других биогенных элементов, основной источник поступления минерального азота в поверхностных водах это реки, главным образом Тюп и Каракол. Значительный вклад вносят и бытовые стоки с северного, более заселенного берега. Это отражается на распределении нитратного и нитритного азота в поверхностных водах (Рис. 3.12). В центральной части озера распределение нитратного азота было, в среднем, порядка 9.6 – 10.1 µМ. Повышенное содержание нитратов наблюдалось в северной части озера (западнее г. Чолпон-Ата) и заливе р. Каракол.

В 2018 г. высокое содержание нитритов на поверхности озера отмечено в заливе р. Тюп и в юго-восточной части озера, от р. Каракол.

По литературным источникам [7] среднее содержание по результатам работ 50-х – 80-х годов прошлого века составляло для нитратов 2 – 16 µМ, для нитритов 0.01 – 0.15 µМ, что полностью совпадает с полученными нами данными.

Аммонийная форма азота

Наблюдавшийся диапазон содержания аммонийного азота от 0.20 до 2.74 µМ, среднее содержание составляло 0.65 µМ. Наиболее высокое содержание аммонийного азота отмечено на поверхности в приустьевом районе р. Тюп.

Содержание и характер вертикального распределения аммонийного азота в 2016 и 2017 гг. значительно отличаются друг от друга и данные, полученные в 2018 г. более близки к данным 2017 г. (Рис. 3.13). В 2016 г. низкая величина содержания аммония свидетельствовала о слабой интенсивности окислительных процессов в толще воды озера. По вертикали, глубже 200 м содержание аммонийного азота было менее 0.04 µМ, что свидетельствует слабом потоке органического вещества из фотического слоя в глубину характер. В 2017 и 2018 гг. содержание аммонийного азота значительно выше и его величина по вертикали колеблется от 0.20 до 1.20 µМ.

Это может быть связано с цикличностью сезонного развития процессов синтеза и окисления органического вещества. Работы 2016 года проходили осенью, практически в предзимье. Интенсивность потока органической взвеси и, следовательно, окислительных процессов резко упала по сравнению с теплым периодом. В 2017-2018 гг., работы велись в середине лета. Пик фотосинтетической активности уже прошел, образовавшееся в результате его и поступившее с речным стоком органическое вещество начинает опускаться из фотического слоя в глубокие воды.

Если рассматривать распределение аммонийного азота на поверхности озера видно, что наибольшее содержание было отмечено в поверхностных водах в районе заливов Тюп и Пржевальского, как и других форм неорганического азота (Рис. 3.14). Также сильное повышение отмечено по всему северному берегу.

По данным работы [7] среднее содержание аммонийного азота составляет летом около 0.35 µМ и зимой увеличивается до 0.5 µМ. В речных водах Иссык-Кульского бассейна высокое содержание аммонийного азота (около 35 µМ) наблюдается в зимнюю межень, в период полой воды содержание аммонийного азота менее 7 µМ [8].

Компоненты карбонатного равновесия

По данным о величине общей щелочности и величине рН был проведен расчет компонентов карбонатной системы, в том числе суммы растворенного неорганического углерода, содержания и парциального давления двуокиси углерода. Содержание общего растворенного неорганического углерода (C_tot) за время съемки в воде озера было от 54.6 до 61.7 мгС/л. Содержание растворенной двуокиси углерода 0.19 – 0.24 мгС/л, а величина его парциального давления (рСО₂) менялась от 286 до 536 ppm.

В районах, подверженных сильному влиянию речного стока наблюдалось значительное понижение величины рСО₂ , что связано как с влиянием пресных речных вод, так и с активизацией процессов синтеза органического вещества (Рис. 3.15).

Заключение

Содержание растворенного кислорода и биогенных элементов позволяют судить о том, что работы в 2018 году велись в период спада биологической продуктивности, когда весенний пик цветения уже прошел и экосистема начинает испытывать недостаток биогенных элементов. Лимитирующим элементом можно считать фосфор. Во время спада биологической продуктивности, образовавшееся за время весеннего цветения органическое вещество осаждается из фотического слоя в глубинные воды озера, что приводит к увеличению содержания в глубинных минеральных форм биогенных элементов.

По данным работ 2018 года сохранялись все черты пространственного распределения гидрохимических параметров, присущие и предыдущим съемкам. Ярко проявлялось влияние стока с суши, особенно у восточного и северного берега озера.

Сравнивая результаты всех четырех съемок, можно сказать, что, несмотря на значительную глубину озера и относительную стабильность гидрофизических параметров вод, сезонные изменения гидрохимического состава затрагивают практически всю толщу вод.

Сравнительный анализ гидрохимических исследований озеро Иссык-Куль по результатам съемок 2015 – 2018 гг.

В 2015 г. отбор проб для гидрохимического анализа проводился во время выхода в озеро с 23 июня по 27 июня, в 2016 г. с 31 октября по 3 ноября, в 2017 г. с 25 нюня по 1 июля и в 2018 г. с 4 июля по 7 июля. Всего отборы проведены в 219 горизонтах отбора, включая как открытую часть озера, так и впадающие в него водотоки и их приустьевые районы. Видно, что 3 гидрохимических съемки приходятся начало и середину лета и одна 2017 г. на конец осеннего сезона. Схема работ в основных чертах повторялась год от года (Рис. 3.16).

Гидрологическая структура вод озера были достаточно однородной по горизонтали. Наблюдалась хорошо выраженная температурная стратификация вод. Благодаря прогреву в теплое время выделяется поверхностная вода, с относительно высокой температурой и небольшими изменениями температуры с глубиной [4]. Температура воды на поверхности в июне 2015 г. составляла 16 – 18 ^оС, в октябре - ноябре 2016 г. температура на поверхности составляла 10 - 12 ^оС, в июне 2017 г. 16 – 20 ^оС, во время съемки 2018 года 17 – 21 ^оС. Основные изменения температуры воды и минерализации наблюдались в верхнем 50-метровом слое. Глубже 150 – 200 м межгодовые изменения гидрофизических параметров практически отсутствовали. Но распределение и величина гидрохимических параметров в глубокой части озера (глубже 200 м) изменялось от съемки к съемке.

Режим кислорода и биогенных элементов не только определяет продукционный потенциал водоема, но и позволяет оценить скорость обмена вод и, следовательно возможность образования гипоксийных (застойных) условий, степень накопления вещества в водах. Последнее особенно актуально для Иссык-Куля как бессточного водоема. Озеро редкий бессточный водоем, который за время своей изоляции не превратился в гипергалинный водоем.

Растворенный кислород

Содержание растворенного кислорода было от 5.40 до 9.30 мл/л, а степени его насыщения от 65 до 122 %. Так же как и для гидрофизических параметров, наибольший диапазон изменения, как содержания кислорода, так и степени его насыщения наблюдался в верхнем 50-метровом слое. Это связано с влиянием материкового стока, деятельностью водной биоты и значительным изменением температуры в этом слое. Глубже 200 м. содержание и степень насыщения кислорода практически не изменялось по вертикали (Рис. 3.17). С глубиной наблюдалось небольшое уменьшение содержания и степени насыщения вод кислородом. С 200 до 600 м содержание кислорода уменьшалось примерно на 0.5 мл/л, а степень его насыщения примерно на 10 %. Значительно отличается величина содержания растворенного кислорода по результатам съемки 2018 г., концентрация кислорода в этом году была почти на 1 мл/л ниже, чем по результатам других съемок. В этом же году и для основной акватории озера содержание кислорода на поверхности было относительно невысоким (около 5.8 мл/л). Степень его насыщения была менее 100 %. Во все годы степень насыщения вод кислородом в глубоких слоях озера не уменьшалось ниже 65 – 70 %, что свидетельствует о хорошей степени вентиляции глубоких слоев вод озера.

Распределение растворенного кислорода по поверхности озера значительно меняется год от года (Рис. 3.18). Можно отметить, что области повышенного содержания наблюдались вдоль северного берега, особенно это заметно в 2015 и 2017 годах. В 2016 г. поле распределения кислорода мало градиентное и диапазон изменения очень невелик, что вполне естественно для предзимнего состояния, когда усиливаются процессы перемешивания вод, как за счет выхолаживания вод, так и за счет усиления ветрового перемешивания.

Значительное влияние на величину межгодовой изменчивости должно оказывать сезонная ритмика продукционных процессов и изменение температуры поверхностных вод. Так работы в 2016 г. проходили в условии сезонного спада биологической активности вод озера и выхолаживания вод на поверхности (температура глубоких слоев отличается значительной стабильностью). Насыщение вод более 100 % наблюдалось на поверхности у северо-восточного берега и в заливе Пржевальского (Рис. 3.18), где фотосинтетическая активность вод, возможно, озерная биота подпитывалась притоком биогенных элементов с материковым стоком. На большей же акватории озера насыщение вод кислородом было менее 100%, что свидетельствует о преобладании процессов окисления органического вещества. О спаде фотосинтетической активности свидетельствует и отсутствие в 2016 г. подповерхностного максимума кислорода в слое оптимальной освещенности.

В 2017 году на поверхности отмечено значительное (7.67 мл/л) повышение распределение растворенного кислорода у южного берега, там же отмечено и наибольшее насыщение вод кислородом (Рис. 3.18, 3.19).

В этом году поверхностные воды у южного берега озера отличались и пониженной на 2 – 3 ^оС температурой, что и могло привести к увеличению растворимости кислорода. Для основной акватории озера содержание кислорода на поверхности было относительно невысоким (около 6.5 мл/л). Степень его насыщения была около 100% и незначительно ниже. Так же как и в 2016 г., незначительное увеличение степени насыщения отмечено в заливе Пржевальского (Рис. 3.19), где возможно, озерная биота подпитывалась притоком биогенных элементов с материковым стоком.

В 2018 году на поверхности отмечено повышение содержания растворенного кислорода (до 6.31 мл/л) у западного берега. Для основной акватории озера содержание кислорода на поверхности было относительно невысоким (около 5.8 мл/л). Степень его насыщения была около 92%. Так же как и в 2016 г., незначительное увеличение степени насыщения отмечено в заливе реки Тюп, где возможно, озерная биота подпитывалась притоком биогенных элементов с материковым стоком (Рис. 3.19).

Величины содержания растворенного кислорода и степени его насыщения, отмеченные по результатам съемки, соответствуют средним многолетним данным [7].

Величина рН (NBS)

Величина рН (активная реакция воды) за время наблюдения менялась от 7.88 до 8.87 ед. NBS. Но если принимать только воды собственно озера, без проб из рек и их приустьевых участков изменение рН было от 8.52 до 8.87 ед. NBS. Все основные изменения величины проходили в поверхностных водах. Глубже 100 метров величина рН менялась в пределах 8.6 – 8.7 ед. NBS (Рис. 3.20). Причина такого вертикального распределения обусловлена сильным влиянием материкового стока, с одной стороны, и однородностью условий в основном столбе вод озера, с другой стороны. Следует отметить, что от съемки к съемке величина рН сильно менялась по всему столбу воды. Межгодовые изменения величины рН в глубоких водах озера составляли до 0.2 ед.

Менялись от съемки к съемке не только величины рН, но и характер вертикального распределения величины. Весной 2015 года и летом 2017 г. величина рН увеличивалась с глубиной, а в 2016 году наблюдалась тенденция к падению ее с глубиной, особенно в слое 550 – 600 м. В 2018 году величина рН практически не менялась глубже 100 м (Рис. 3.20). Скорее всего, это связано с сезонной динамикой продукционных процессов и, связанными с этим вертикальными потоками органического вещества. Хотя воды впадающих в озеро водотоков и характеризовались пониженной (по сравнению с водами озера) величинами рН, воздействие материкового стока приводило к увеличению величины рН (Рис. 3.21). Так высокие значения рН отмечены в водах в заливе Тюп и в западной части озера. В центральной части озера на поверхности наблюдалось повышение и величины рН (Рис. 3.21). Скорее всего, это можно связать с подъемом вод, так же как и уменьшение содержания растворенного кислорода.

По литературным данным величина рН в поверхностных водах озера от 8.69 до 8.75 ед. NBS [7].

Максимальные значения наблюдаются в «зоне фотосинтеза» т.е. в верхнем 50-метровом слое. В основном столбе воды величина рН примерно ниже на 0.1 ед., чем на поверхности. В общем, это близко к полученным нами величинам.

Общая щелочность и растворенный неорганический углерод

Величина общей титруемой щелочности (Alk) за время проведения съемок было от 1.037 до 5.530 мг-экв/л. Но если принимать только воды собственно озера, без рек и их приустьевых участков изменение было от 3.574 до 5.530 мг-экв/л. Содержание общего растворенного неорганического углерода (C_tot) по результатам всех съемок менялось от 12.69 до 64.79 мг/л, в открытой части озера от 40.19 до 64.79 мг/л. Как и для большинства гидрохимических параметров основные изменения величин Alk и C_tot отмечались в верхнем 50-метровом слое. Малое изменение величины Alk по вертикали (Рис. 3.22) и практически отсутствие изменений от съемки к съемке позволяет положить, что вся толща воды в озере активно перемешивается, скорее всего, в холодный период. Но для содержания C_tot межгодовые изменения оказались неожиданно большими (до 5 мг/л), хотя, как правило, величин Alk и C_tot достаточно тесно связаны друг с другом. Скорее всего, так же как и с изменениями величины рН это связано с сезонной динамикой продукционных процессов и, связанными с этим вертикальными потоками органического вещества.

Рассматривая распределение величин Alk и C_tot в поверхностных водах (Рис. 3.23 и 3.24) можно заметить повышение их центральной части озера. Скорее всего, это можно связать с подъемом вод. В районах, подверженных сильному влиянию речного стока наблюдалось значительное понижение Alk и C_tot , что связано как с приходом пресных речных вод, содержащих меньше карбонатного углерода чем воды озера.

Содержание C_tot , которое можно рассматривать как сумму карбонов и бикарбонов которые входит в состав главных ионов и напрямую зависит от величины минерализации воды. По данным работы [7] содержание растворенного неорганического углерода в воде озера составляет 60 – 70 мг/л.

Растворенный неорганический фосфор (фосфаты)

Содержание растворенного неорганического фосфора (фосфатов) в воде озера за период съемки было от аналитического нуля (предела обнаружения по данной методике) до 1.65 µМ. Если принимать во внимание только воды открытой части озера, то от аналитического нуля до 1.16 µМ.

Высокое содержание фосфатов наблюдалось в верхнем слое вод, примерно до 50 м (Рис. 3.25). Это может быть связано как с приносом фосфора с берегов, в том числе и с бытовыми стоками, так и с окислением органического вещества, образовавшегося в период активного фотосинтеза. Проникновению фосфатов в более глубокие слои препятствует температурная стратификация вод. Наибольшее содержание в глубоких водах отмечено в 2017 г. Не смотря на значительные межгодовые различия содержания фосфатов можно отметить тенденцию к увеличению их ко дну примерно на 0.05 – 0.15 µМ. В глубоких водах могли идти процессы окисления органики, поступающей из фотического слоя, что в первую очередь отражается на содержании фосфора, как наиболее стабильного биогенного элемента. Хотя не наблюдалось заметное уменьшение содержания растворенного кислорода и величины рН.

Практически на всей поверхности озера содержание фосфатов невысокое (Рис. 3.26). Так же как и в 2016 г. Выделяются две области повышенного их содержания. Это, восточная часть, примыкающая к заливу Пржевальского и центральная часть озера напротив г. Чолпон Ата. И в том и в другом случае повышенное содержание фосфатов можно связать с бытовыми стоками с берегов озера. Но, возможно, это следствие подъема вод, как и в случае с повышенным значением общей щелочности.

По литературным данным содержание фосфатов во всей толще озера составляет 0.06 – 0.12 µМ и отмечается, что данные об их содержании крайне скупы [7]. По нашим данным диапазон изменения фосфатов в воде озера значительно шире.

Растворенный неорганический кремний (силикаты)

Содержание растворенного неорганического кремния (силикатов) в воде озера за период съемки было от 47.53 до 190.29 µМ. Если принимать во внимание только воды открытой части озера, то от 64.78 до 91.97 µМ. Как наиболее высокие, так и наиболее низкие величины содержания силикатов отмечены в поверхностных водах (Рис. 3.27). Глубже 100 м среднее содержание силикатов было 79 µМ, и можно отметить некую тенденцию к росту в придонных водах.

В распределении растворенного кремния по акватории озера видно значительное повышение в восточной части, около залива Пржевальского, и небольшое повышение в западной части (Рис. 3.28). Небольшое локальное повышение наблюдалось и в водах около г. Чолпон Ата. Вероятно, это связано с тем, что на период работ здесь было значительным влияние речного стока. Силикаты в большинстве случаев представляются хорошим индикатором проникновения материкового стока. Но для долины Иссык-Куля не все водотоки имеют содержание силикатов больше чем воды озера. По этому для устьевых участков части водотоков характерно пониженное содержание силикатов в поверхностных водах.

Содержание растворенного кремния по съемкам значительно выше, чем приведено в работе [7] – 32 – 36 µМ. Либо за 30 - 40 лет содержание кремния выросло почти в 2 раза (что маловероятно), либо это результат неправильно подобранной методики при работах в 50-х – 80-х годах прошлого века. В любом случае этот вопрос не может быть пока прояснен, без проведения дополнительных методологических работ. О том, что результаты определения содержания кремния во время съемок 2015 – 2017 гг. не содержат ошибки свидетельствует то, что выполненные на современном оборудовании по единым методикам [12], хотя и различными аналитиками и с применением различных серий реагентов, но они были близки по абсолютной величине.

Нитратная, нитритная и аммонийная формы азота

Содержание нитратного азота в водах за время всех съемок было от 1.17 до 38.92 µМ, содержание нитритного азота от аналитического нуля до 0.54 µМ. Если принимать во внимание только воды открытой части озера - для нитратного азота от 1.17 до 14.52 µМ, а для нитритного от нуля до 0.54 µМ. Как и для остальных гидрохимических параметров наибольший диапазон наблюдавшихся параметров наблюдался на поверхности

Глубже слоя скачка температуры среднее содержание нитратного азота в разные годы было от 11.8 до 12.40 µМ, а нитритного от 0 до 0.06 µМ. В 2015, 2016 и 2018 гг. содержание нитратного азота было примерно одинаковым, тогда как в 2017 году этот показатель был заметно ниже практически по всему профилю (Рис. 3.29).

Кроме того, в эти годы глубже 100 м наблюдался небольшой, но постоянный рост содержания нитратного азота ближе ко дну, в 2017 г. этого не происходило. В 2015, 2016 и 2018 гг. содержание же нитритов глубже 100 м оставалось практически постоянным и низким, а в 2017 г. содержание нитратного азота в глубоких водах озера значительно выше (до 0.1 µМ). Отсутствие достаточных рядов наблюдений, охватывавших все сезоны, не позволяет нам судить, связано ли это различие с сезонными изменениями стока и продукционных процессов, или же существует межгодовая динамика содержания биогенных элементов в озере.

Основной источник поступления минерального азота в поверхностных водах это реки. Значительный вклад вносят и бытовые стоки с северного, более заселенного берега. Это отражается на распределении нитритного и нитратного азота в поверхностных водах (Рис. 3.30 и 3.31).

В центральной части озера распределение нитратного азота было невысоким, так же как и наблюдавшейся диапазон наблюдений. Повышенное содержание нитратов наблюдалось в северной и южной частях озера. Во все годы наших наблюдений наиболее высокое содержание нитритного азота было около впадения рек Тюп и Каракол. В 2017 г. наблюдалась такая же схема распределения нитритов на поверхности озера, как и в 2015 г., высокое содержание их наблюдалось не только в восточной, но и в центральной части озера. Максимум в центральной части озера можно связать, как с влиянием бытовых стоков г. Чолпон-Ата, и, возможно, с подъемом вод, как и в случае с повышенным значением общей щелочности и содержания фосфатов. По литературным источникам [7] среднее содержание по результатам работ 50-х – 80-х годов прошлого века составляло для нитратов 2 – 16 µМ, для нитритов 0.01 – 0.15 µМ, что полностью совпадает с полученными нами данными.

Наблюдавшийся диапазон содержания аммонийного азота от 0.20 до 3.08 µМ, среднее содержание составляло 0.65 µМ. Содержание и характер вертикального распределения аммонийного азота в 2016 и 2017 гг. значительно отличаются друг от друга и данные, полученные в 2018 г. более близки к данным 2017 г. (Рис. 3.32). В 2016 г. низкая величина содержания аммония свидетельствовала о слабой интенсивности окислительных процессов в толще воды озера, тогда глубже 200 м содержание аммонийного азота было менее 0.04 µМ, что свидетельствует слабом потоке органического вещества из фотического слоя в глубину характер. В 2017 и 2018 гг. содержание аммонийного азота значительно выше и его величина по вертикали колеблется от 0.20 до 1.20 µМ. Это может быть связано с цикличностью сезонного развития процессов синтеза и окисления органического вещества.

Работы 2016 года проходили осенью, практически в предзимье. Интенсивность потока органической взвеси и, следовательно, окислительных процессов резко упала по сравнению с теплым периодом.

В 2017-2018 гг., работы велись в середине лета. Пик фотосинтетической активности уже прошел, образовавшееся в результате его и поступившее с речным стоком органическое вещество начинает опускаться из фотического слоя в глубокие воды.

Если рассматривать распределение аммонийного азота на поверхности озера видно, что наибольшее содержание было отмечено в поверхностных водах в районе заливов Тюп и Пржевальского, как и других форм неорганического азота (Рис. 3.33).

Также сильное повышение отмечено по всему северному берегу. По данным работы [7] среднее содержание аммонийного азота составляет летом около 0.35 µМ и зимой увеличивается до 0.5 µМ. В речных водах Иссык-Кульского бассейна высокое содержание аммонийного азота (около 35 µМ) наблюдается в зимнюю межень, в период полой воды содержание аммонийного азота менее 7 µМ [8].

Взвешенное вещество и растворенные металлы

Содержание взвешенного вещества в воде открытой части озера было от 0.38 до 3.97 мг/л (среднее 1.21 мг/л). В общем содержание взвешенного вещества в водах открытой части озера было невысоким, вертикальное распределение достаточно однородным (Рис. 3.34 А), за исключением поверхностных вод станции № 19 в 2016 г., где содержание взвешенного вещества было около 4 мг/л. Возможно, здесь мы наблюдали воды, подошедшие с северного берега из плотно населенного района г. Чолпон-Ата. Содержание взвешенного вещества в 2017 г. было несколько выше, чем в 2016 г. Скорее всего это связано с сезонной динамикой потока взвеси из продукционной зоны озера. В водотоках на берегах озера содержание взвешенного вещества было от 1.1 до 86.1 мг/л. Но в воде р. Ак-Терек и ручье около поселка Тамга (южный берег), где содержание взвешенного вещества в воде было 155 и 289 мг/л, соответственно. Среднее же содержание взвешенного вещества в водотоках, без учета этих двух, было 15 мг/л.

Содержание растворенного железа (Fe) в воде озера было от аналитического нуля до 17.5 мкг/л. Естественно, что наибольший диапазон содержания мы отметили в поверхностных водах. Можно отметить и повышение содержания Fe на горизонте 200 м и в придонных водах (Рис. 3.34 Е). Данные 2016 и 2017 гг. очень хорошо согласуются между собой. В водах водотоков содержание Fe было от 2.1 до 50.0 мкг/л, наибольшее в воде р. Каракол. Среднее содержание Fe в водотоках составляло 11.4 мкг/л, что значительно больше, чем в воде озера – 3.3 мкг/л.

Содержание растворенного марганца (Mn) в воде озера было от 0.7 до 11.3 мкг/л. Разброс данных по столбу воды был очень большим и трудно выделить какую либо тенденцию в его вертикальном распределении (Рис. 3.34 В), но данные 2016 и 2017 гг. хорошо соотносились друг с другом по своей величине. В водотоках на берегах озера диапазон содержания Mn был от 0.2 до 12.9 мкг/л. Наибольшее содержание было в р. Чон-Джаргылчак. Среднее содержание Mn в водотоках было 4.1 мкг/л, почти таким же как и в воде озера – 3.7 мкг/л.

Содержание растворенной меди (Cu) в озере было от 0.12 до 18.4 мкг/л. Максимальное содержание в поверхностных водах станции, близкой к пос. Ананьево на северном берегу. В столбе воды по нашим данным содержание Cu было небольшим (менее 2 мкг/л) и мало менялось по глубине (Рис. 3.34 Б). Содержание Cu в водотоках было от 0.9 до 8.0 мкг/л. Среднее содержание Cu в воде озера и в водотоках на ее берегах было близким, 2.9 и 2.5 мкг/л, соответственно.

Диапазон содержания растворенного цинка (Zn) в воде озера по нашим данным 1 – 28 мкг/л. Наибольшее содержание растворенного Zn, так же как и Cu отмечено в поверхностных водах станции, близкой к пос. Ананьево. Можно отметить значительное отличие данных 2016 и 2017 гг. по всему профилю (Рис. 3.34 Д). Так же как и для Cu среднее содержание Zn в воде озера (9.1 мкг/л) выше, чем в водотоках на берегах котловины (5.1 мкг/л). Диапазон, наблюдавшихся величин содержания Zn в водотоках 0.2 – 9.3 мкг/л.

Наблюдавшийся диапазон содержания растворенного никеля (Ni) в воде озера 0.7 – 9.6 мкг/л. Среднее содержание Ni в воде озера 4.5 мкг/л. Данные по содержанию Zn, полученные в 2016 и 2017 г.г. близки по своей величине. В вертикальном их распределении можно отметить слой 300 – 400 м с пониженным содержанием Ni (Рис. 3.34, Г). В водотоках котловины диапазон измеренного содержания Ni был от 1.0 до 13.5 мкг/л, среднее содержание 7 мкг/л.

Результаты гидрохимических исследований химического стока водотоков региона

Основной источник биогенных элементов в водоемах это материковый сток, поэтому исследование динамики растворенных веществ (включая и биогенные элементы) необходимо вести с изучением состава и объема химического стока с окружающей суши. В озеро Иссык-Куль впадают непосредственно до 120 рек и ручьев. Наиболее крупные из рек — Тюп и Джыргалан, протекающие по восточной части котловины. Джыргалан, наиболее водоносная, берёт начало на северном склоне хребта Тескей Ала-Тоо. Тюп также берёт начало на северном склоне хребта Тескей Ала-Тоо и протекает почти параллельно Джыргалану. Из других рек, впадающих в озеро, наибольшей водоносностью обладают Каракол, Джети-Огюз, Чон-Кызыл-Суу, Джууку, Барскон, Тосор, Тон, Чон-Ак-Суу и др. Наибольшую водоносность имеют реки восточной части котловины, особенно водосборы которых ориентированы на Север и Северо-Запад. Реки западной части, частично южного склона Кюнгёй Ала-Тоо и реки Тюп и Джыргалан — снегово- ледникового питания, остальные — ледниково-снегового питания [17].

Реки, впадающие с южного берега в озеро относятся к группе кальциевых гидрокарбонатного типа по классификации О.А. Алекина [15]. Реки этих районов начинаются на северо-западных склонах Терскей Ала-Тоо. Воды рек юго-западного берега озера содержат значительное количество растворенного кремния (80 – 190 µМ), что выше, чем в воде озера. Относительно невысоким было содержание неорганического углерода, за исключением реки Каракол. Высоким было во всех водотоках содержание нитратного азота 7 – 39 µМ (среднее 16 µМ). Отмечается, что с 1950-х годов до 2000-х происходил рост средних годовых расходов воды и снижение общей минерализации в реках Иссык-кульского бассейна [15].

Основные составляющие баланса пресных вод озера: речной сток оценивается 1.3 – 1.5 км³, подземный сток около 2.1 км³, атмосферные осадки – 1.8 км³. Общее количество атмосферных осадков, приходящих на площадь водосбора Иссык-Куля по разным оценкам [16] около 5.2 – 5.6 км³ [18]. Для баланса биогенных элементов озера мы имеем только данные по химическому стоку водотоков на берегах озера. Если содержанием биогенных элементов в атмосферных осадках с некоторым приближением можно и пренебречь, то роль стока подземных вод остается пока неизвестным. Вторая сложность состоит в том, что химические характеристики стока сильно зависят от фазы гидрологического режима, во время полой (весеннее половодье и паводки) воды минерализация речных вод и концентрация биогенных элементов значительно ниже, чем в период низкой воды.

Диапазон величины рН водотоков по нашим данным от 7.88 до 8.40 (среднее 8.14) ед., в воде озера величина рН имеет более щелочную реакцию.

Содержание растворенного неорганического углерода в воде водотоков по нашим данным 12.7 – 52.6 мг/л (если принимать во внимание только бикарбонат ион то 12.3 – 50.3 мг/л). Содержание C_tot в водотоках как правило ниже, чем в воде озера, по этому на поверхности озера впадение водотоков с берегов отмечалось пониженной величиной Alk и содержанием C_tot . По литературным данным содержание бикарбонат ионов в стоках с берегов 60 – 150 мг/л, если перевести это на содержание углерода 12 – 30 мг/л, что близко к нашим результатам. Приняв годовой объем стока с берегов 1.3 – 1.6 км³, в озеро может поступать 36.00 – 45.24 тыс. т минерального углерода в год. Приняв запас углерода в озере 97 – 111 10⁶ т, время, за которое воды поверхностного стока могут принести такое количество минерального углерода примерно за 2500 лет, но это без учета подземного стока.

Содержание растворенного неорганического кремния (силиката) в поверхностных водотоках от 47 до 190 µМ (среднее 84 µМ). Таким образом, годовой сток растворенного кремния (без учета подземного стока) можно оценить в 3.05 – 3.67 тыс. т. Среднее содержание силиката в водотоках немногим больше или почти равно содержанию в водах озера. Запас минерального кремния в озере можно оценить от 3.45 – 3.84 10⁶ т. Время накопления такого количества кремния за счет поверхностных стоков можно оценить примерно в 1000 лет.

Содержание растворенного неорганического фосфора (фосфатов) в воде водотоков по нашим данным от аналитического нуля до 1.65 µМ. По литературным данным содержание фосфатов в воде водотоков 0.03 – 0.21 µМ. По данным наших работ среднее содержание фосфатов значительно (в 2 или 3 раза) выше, чем в воде озера). С поверхностным стоком в озеро за год может поступать 22.05 – 26.46 т фосфатов. Запас минерального фосфора в озере можно оценить от 2.65 до 10.57 тыс т и время накопления такого количества фосфора в озере за счет поверхностных стоков от 120 до 400 лет.

По нашим данным содержание нитритного азота в поверхностных водотоках водосбора озера от 0.10 до 0.44 µМ (среднее 0.25 µМ), нитратного азота – от 7.16 до 38.92 µМ (среднее 15.90 µМ). По литературным данным содержание нитритов и нитратов составляют 0.07 – 2.00 µМ и 25 – 214 µМ соответственно. Если перевести на азот, то содержание нитритов от 0.02 до 0.60 µМ, а нитратов 5.5 – 47.1 µМ. Как правило содержание форм азота в водотоках значительно выше, чем в воде озера. Если рассматривать суммарное содержание растворенного неорганического азота как сумму (NO₂ + NO₃ + NH₄), то содержание его в водотоках от 7.5 до 39.0 µМ и годовой сток с поверхностных водотоков с рек 136 – 850 т азота в год, запас в озере 115 - 340 тыс. т. Время накопления такого количества азота за счет поверхностных стоков около 2500 лет.

Данные по содержанию и распределению биогенных элементов показывают, что, не смотря на то, что озеро относится к олиготрофным водоемам поток органического вещества из верхнего фотического слоя отражается на вертикальной динамики кислорода и биогенных элементов (уменьшение ко дну содержания растворенного кислорода, увеличение концентрации фосфатов и минеральных форм азота). Сравнивая результаты всех четырех съемок, можно сказать, что, несмотря на значительную глубину озера и относительную стабильность гидрофизических параметров вод, сезонные изменения гидрохимического состава затрагивают практически всю толщу вод.

Соотношение запасов растворенного углерода и биогенных элементов позволяет предположить, что для фосфора и кремния в водах озера есть механизмы регулирующие его содержание, например, связывая их в органическом веществе выводя их, например, в донные осадки. Для баланса неорганического углерода связывание его в процессе продуцирования органического вещества не столь существенно, так как в этом процессе задействовано только 1 – 2% от C_tot . Для углерода и неорганического азота, скорее всего, существует значительный приток с подземными водами или с плоскостным стоком.

Основной источник биогенных элементов в верхний деятельный слой озера это сток с берегов и зимняя конвекция, последняя имеет большое значение так как в озере наблюдается исключительно температурная стратификация. Мы можем оценить поток биогенных элементов и углерода из верхнего слоя по особенностям вертикального распределения кислорода и биогенных элементов. По результатам всех съемок средняя убыль растворенного кислорода с 100 м до примерно 600 м составляет около 0.8 мл/л. Расчет по соотношению Редфилда в его классическом выражении [39] и в модификации Такахаши [14] показывает, что такое количество кислорода соответствует выделению в воду при окислении ОВ 0.4 – 0.5 µМ фосфора, 6 - 8 µМ минерального азота и 0.6 – 0.7 мг/л неорганического углерода. Видимо это и следует считать величиной убыли биогенных элементов из фотического слоя озера.