Глава 3 Гидрохимические исследования в научных экспедициях в 2015–2017 гг.

 ГЛАВА 3.

Гидрохимические исследования  в научных экспедициях в 2015–2017 гг.

3.1. Гидрохимические результаты научной экспедиции в 2015 г.
Методы исследования и объём собранного материала. Отбор проб для гидрохимического анализа проводился во время выхода в озеро 23–27 июня 2015 г. Отбор проб проводился с 59 горизонтов отбора. Всего были выполнены 331 гидрохимический анализ, в том числе определений рН – 59, общей титруемой щелочности – 57, растворенного кремния – 59, нитритного азота – 59, нитратного азота – 59, растворенного кислорода – 38 анализов. Подготовлено для отправки в стационарные лаборатории Института океанологии РАН 44 пробы для определения метана, 6 проб для определения солености и содержания главных ионов. Количество определений и пределы наблюдавшихся величин приведены в приложении 1, таблице П1.1. Результаты определений в судовой лаборатории и некоторые расчетные величины (насыщение вод кислородом, парциальное давление СО₂ и другие) приведены в приложении 1, таблице П1.2.

Рис.3.1. Вид временной гидрохимической лаборатории на борту «Молтур»

Для проведения анализов и подготовки (консервации) проб на борту судна «Молтур» была развернута временная лаборатория (Рис.3.1).

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. Отбор проведен пластиковым батометром типа «Hydro Bios», объемом 5 л (Рис. 3.2).

Определение гидрохимических параметров проводилось по стандартным методикам, принятым в экспедиционной практике [12].

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

Определение общей щелочности 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.

Рис. 3.2. Отбор проб воды на глубине 680 м., с помощью батометра 24 июня 2015 г.

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.

Все определения проводились 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 [15] с поправками для вод со свойствами, отличными от морской воды.

Результаты исследований. Гидрологический состав вод озера достаточно однороден. Хорошо выраженная структура вод наблюдается только
в летний сезон [9]. В теплое время выделяется поверхностная вода, с относительно высокой температурой и небольшими изменениями температуры
с глубиной. Глубже выделяется подповерхностная вода, где температура
значительно уменьшается, и глубинная вода с почти постоянной температурой практически до дна. Изменение минерализации вод практически не влияет на формирование плотностной структуры. Изменения гидрохимических параметров, таким образом, должны быть тесно связаны с распределением температуры воды. Мощность слоя поверхностных вод в период проведения работ составляла 10 – 20 м, подповерхностные воды (слой падения температуры) прослеживался до 50 м, глубже располагались практически однородные по своим гидрологическим характеристикам и химическому составу глубокие воды. Влияние речного стока на гидрологическую структуру даже в поверхностных водах полагалось незначительное. Годовой объем речного стока составляет всего 0.2 % от общего объема вод озера [9].

Содержание кислорода в поверхностных водах было 6.27–9.30 мл/л, степень его насыщения 76.8–122.6 %. На поверхности содержание растворенного кислорода было относительно невысоким, насыщение его в большинстве случаем было менее 100 % или незначительно превышало. Рост содержания кислорода и степени его насыщения наблюдался в промежуточных водах (Рис. 3.3). Можно предположить, что на поверхности деятельность фитопланктона подавлялась слишком высокой солнечной инсоляцией и наибольшая фотосинтетическая активность была в промежуточных водах. Кроме того на повышение содержания кислорода в промежуточных водах могло сказываться понижение температуры воды и, следовательно, степени его растворимости.
В глубоких водах содержание кислорода и степень его насыщения были
однородными по вертикали и невысокими. Так относительное содержание кислорода в пробах ниже 200 м. было 77 % (Рис. 3.3).

В распределении содержания растворенного кислорода и степени его насыщения в поверхностных водах (Рис. 3.4 и 3.5) можно отметить повышенное содержание на прибрежных станциях в северо-восточной и северо-западной частях озера.

Пониженное содержание растворенного кислорода и степени его насыщения отмечены в средней части озера и в районе выноса реки Тюп (Рис. 3.4
и 3.5). Относительно невысокое содержание кислорода отмечено также в поверхностных водах около городов Балыкчи и Чолпон-Ата.

Рис. 3.4. Содержание растворенного кислорода (мл/л)

в поверхностных водах озера по результатам съемок 23–27 июня 2015 г.

Рис. 3.5. Распределение насыщения растворенного кислорода (в %) в поверхностных вод озера по результатам съемок 23–27 июня 2015 г.

Диапазон наблюдавшейся величины рН составил 8.53 – 8.87 ед. NBS. Средняя величина 8.73. Такие, достаточно высокие величины отмечались
в воде озера и ранее, по крайней мере с 60-х годов ХХ века [9].

Распределение величины рН по вертикали (Рис. 3.6) сходно с распределением величины рН. Это связано с общностью факторов определяющих распределение этих величин. Минимальная величина рН наблюдалась в поверхностных водах. Наиболее высокие величины рН были отмечены в промежуточном слое вод, на нижней границе этого слоя. В глубинных водах величина рН была ровной по вертикали и весьма высокой (более 8.8 ед.).

В изменении величины рН по площади (Рис. 3.7) на поверхности центральная часть озера отмечена областью повышенного содержания этой величины. Самая низкая величина рН была отмечена на прибрежных станциях около г. Чолпон-Ата. Понижение величины рН отмечено и в зоне воздействия р. Тюп.

Рис. 3.7. Распределение величины рН (NBS)

в поверхностных вод озера результатам съемок 23 – 27 июня 2015 г.

Величины общей щелочности и, на наиболее значимой части щелочности (Alk), общего растворенного неорганического углерода (C_tot), отмеченные во время работ составили 5.157–5.421 мл-экв/л и 57.93–61.10 мг/л, соответственно. Наибольший диапазон данных величин наблюдался на поверхности (Рис. 3.8), что связано с влиянием материкового стока и атмосферных осадков.

Глубже, в подповерхностных водах, общее содержание C_tot и величины общей щелочности становится выше, но разброс величин еще значителен. Глубже 100 м наблюдалось высокое и ровное содержание этих величин (Рис. 3.8).

На поверхности пониженное содержание общей щелочности (Рис. 3.9) наблюдалось в зонах повышенного влияния материкового стока. Наибольшая величина щелочности была отмечена в центральной части озера, что вероятно связано с интенсивным испарением вод.

Распределение величины C_tot на поверхности (Рис. 3.10) образует совершенно другую картину. Наиболее яркая черта область повышенного содержания в прибрежных водах западнее г. Чолпон-Ата. Сопоставляя распределение C_tot с распределением величины рН, можно предположить, что это было связано с поступлением органического вещества с материковым стоком.

Содержание растворенного кремния во время работ было от 64.91
до 74.3 мкг-ат/л.

Высокое содержание растворенного кремния связано с накоплением его с материковым стоком и, возможно, эолового материала. Это объясняет и особенности вертикального распределения кремния (Рис. 3.11). Небольшое содержание и высокий диапазон содержания наблюдались поверхностных и верхней части промежуточных вод. Глубже 100 м. наблюдался достаточно равномерный рост содержания кремния.

Распределение растворенного кремния на поверхности представлено на рис 3.12. Области пониженного содержания кремния располагались в восточной и западной частях озера, где сказывалось воздействие относительно крупных рек. Но вдоль других берегов областей пониженного содержания кремния не наблюдалось.

Содержание растворенного азота нитратной и нитритной форм в период работ было 8.48–13.23 и 0.04–0.46 мкг-ат/л, соответственно. Нитратный азот (N-NO₂), как промежуточная, не полностью окисленная форма азота, содержится в основном в поверхностных и промежуточных водах, где существует приток органического вещества аллохтонного происхождения.

Самый большой диапазон содержания азота, как в нитрантой (N-NO₃), так и нитритной (N-NO₂) формах наблюдался на поверхности вод (Рис. 3.13). Глубже 100 м содержание нитритного азота было равномерном и минимальным. Нитратный азот, напротив, глубже 100 м. На поверхности наибольшее содержание нитритов отмечено с центральной части озера (Рис. 3.14). Поверхностные воды прибрежных станций отличались низким содержанием нитритного азота.

Распределение нитратного азота на поверхности (Рис. 3.15) в общих чертах сходно с распределением нитритного азота. Повышенное значение наблюдалось главным образом в центральной части озера.

Прибрежные воды в северной части озера обладали невысоким
содержанием нитратов. Повышенное содержание как нитратов, так и нитритов на поверхности было отмечено в прибрежных водах юго-восточной части озера. В лаборатории геохимии Московского государственного университета был проведен анализ главных ионов 6 проб воды с озера. Данные приведены в приложении 1, таблицы П1.3. Основные ионы составляющие минерализацию вод озера это SO₄^-2 и Na⁺, что вполне обычно для вод суши. Относительный состав главных ионов был практически однороден, как в поверхностных, так и в глубоких водах. Это говорит о значительной степени перемешивания вод. От поверхности до дна котловина озера заполнена практически одинаковой водой. Интересно, что и в приустьевых районах состав главных ионов практически не изменяется.

3.2. Гидрохимические результаты экспедиции 2016 г. Методы
и материалы. Для гидрохимических анализов проводился отбор проб
на 27 станциях (Рис. 3.16) и, в общей сложности, с 57 горизонтов отбора. Выполнялся отбор 1,2-литровым пластиковым батометром типа «Hydro Bios» объемом 1 л 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 446 гидрохимических анализов, в том числе определений рН – 57, общей титруемой щелочности – 57, растворенного кремния – 56, нитритного азота – 56, нитратного азота – 56, аммонийного азота – 56, растворенного кислорода – 52 анализа. Кроме работ на гидрологических станциях, повторяющих в основных чертах съемку предыдущего 2015 года, был выполнен более подробный разрез вдоль
палеорусла реки Джергалан в заливе Пржевальского (станции П01 – П12 на рис. 3.16). Из-за ограничений по времени пробы на химический анализ
брались только из придонного слоя и с поверхности.

Отправлены в стационарные лаборатории ИО РАН 37 проб для определения метана, по 24 пробы для определения взвешенного вещества, растворенных и взвешенных металлов.

Результаты определений в судовой лаборатории и некоторые расчетные величины (насыщение вод кислородом, парциальное давление СО₂ и другие) приведены в приложении 1, таблицы 2.1.

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 [12].

Определение величин рН, общей щелочность, растворенного кислорода, содержания растворенного неорганического фосфора (фосфаты), растворенного неорганического кремния (силикаты), нитритного азота (нитриты), нитратного азота (нитраты), аммонийного азота (ион аммония), растворенной двуокиси углерода (CO₂) и общего растворенного углерода (C_tot) осуществлялись по такой же методике как в предыдущей экспедиции.

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

Результаты исследований. Так же как и во время предыдущей съемки (май 2015 г.) гидрологические характеристики вод озера были достаточно однородными по горизонтали, но наблюдалась хорошо выраженная вертикальная температурная стратификация вод, формирующаяся в теплый сезон. В летнее время формируется поверхностная вода с относительно высокой температурой [9]. К моменту экспедиции эта структура не была еще полностью разрушена
в результате сезонного выхолаживания, хотя активное выхолаживание поверхностных вод уже началось.

Растворенный кислород. Содержание растворенного кислорода менялось от 5.93 до 8.74 мл/л, а степень его насыщения от 68.7 до 119.2%. Наиболее высокое содержание кислорода отмечено в поверхностных водах, где его содержание было выше, чем в июне 2015 г. (Рис. 3.17). Это связано с ростом растворимости кислорода при понижении температуры. В подповерхностных водах, напротив, содержание кислорода в июне 2015 г. было выше, что свидетельствует о спаде биологической активности вод. Среднее насыщение вод в 2016 г. составляло 93%. Глубже 200 м содержание кислорода практически не изменялось.

Рассматривая горизонтальное распределение растворенного кислорода, следует отметить значительное (почти до 8 мл/л) повышение в поверхностных водах на станции 7А (Рис. 3.18). Поверхностные воды на этой станции отличались и пониженной на 2 – 3^оС температурой по сравнению с соседними станциями. Характерно, что степень насыщения вод кислородом на этой станции отличается от соседних станций незначительно, на 1 – 2 %. Это показывает, что причина этого кислородного максимума связана с вертикальным движением вод. Скорее всего, здесь наблюдалось поднятие вод, в результате чего на поверхность попали более холодные воды, содержавшие больше растворенного кислорода.

Как уже говорилось выше, работы в 2016 г. проходили в условиях сезонного спада биологической активности вод озера. Насыщение вод более 100 % наблюдалось на поверхности у северо-восточного берега и в заливе Пржевальского (Рис. 3.18), где отмечалась повышенная 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.

Величины рН и общей щелочности. Величина рН за время наблюдения была от 8.23 до 8.43 ед. NBS. Интересно, что в 2015 г. и средняя величина рН и диапазон ее изменения был значительно больше (Рис. 3.19). Кроме того, весной 2015 г. величина рН увеличивалась с глубиной, а во время съемки 2016 г. наблюдалась тенденция к падению ее с глубиной, особенно в слое 550–600 м. Скорее всего, это связано с сезонной динамикой продукционных процессов и связанной с этим динамикой вертикальных потоков органического вещества. Впрочем, это не вполне подтверждается вертикальным распределением растворенного кислорода - как абсолютное его содержание, так и степень насыщения в водах глубже 100 м были практически одинаковыми и в 2015 и 2016 гг. (Рис. 3.17). Можно предположить, что величина рН реагировала так на заметное повышение содержания растворенной двуокиси углерода.

Величина общей щелочности менялась от 4.7- до 5.46 мг-экв/л. Это полностью соответствовало результатам, полученным в 2015 г.

Малое изменение величины щелочности по вертикали (Рис. 3.20) позволяет положить, что вся толща воды в озере активно перемешивается, скорее всего, в холодный период.

Распределения величин рН и общей щелочности на поверхности воды схожи, что предполагает общность процессов воздействующих на них (Рис. 3.20). Основные изменения происходят в поверхностных водах под влиянием материкового стока. Под влиянием материкового стока величина общей щелочности уменьшается. Минимальное значение (4.73 мг-экв/л) было отмечено в заливе Пржевальского (Рис. 3.20). Основные изменения, как уже говорилось выше, наблюдались на поверхности воды. После 40–50 м величина общей щелочности увеличивалась примерно до 5.4 мг-экв/л и оставалась такой практически до дна.

Влияние речного стока на рН воды, напротив, приводило к увеличению ее. Наибольшие значения рН (8.42) были отмечены в поверхностных водах в заливе Пржевальского и вблизи г. Чолпон-Ата. Связано это, вероятнее всего, с притоком питательных веществ и, следовательно, с активизацией продукционных процессов. На поверхности это выражалось тем, что в прибрежных водах северо-восточного берега озера и в восточной его части наблюдалось повышенное значение величины рН и пониженное общей щелочности (Рис. 3.20). Именно в этих частях озера насыщение вод кислородом было более 100% (Рис. 3.18). Небольшое повышение величины рН отмечено и у западной оконечности озера около г. Балыкчи.

Растворенный неорганический фосфор (фосфаты). Содержание растворенного неорганического фосфора в воде за период съемки менялось от аналитического нуля (предела обнаружения по данной методике) до 1.18 µМ. Максимальное значение было отмечено в поверхностных водах на станции П06 и скорее всего, связано с выносом бытовых стоков в заливе Пржевальского. Среднее содержание фосфатов составило 0.12 µМ.

Наиболее высокое содержание растворенного неорганического фосфора наблюдалось в верхнем слое вод, примерно до 50 м. Это может быть связано, во-первых, с приносом фосфора с берегов, в том числе и с бытовыми стоками и, во-вторых, с окислением органического вещества, образовавшегося в летний период. Проникновению фосфатов в более глубокие слои препятствует температурная стратификация вод, оставшаяся с теплого периода.

Глубже термоклина содержание фосфатов убывало, составляя от аналитического нуля
до 0.1 µМ (Рис. 3.21). Небольшое увеличение содержания фосфатов отмечалось глубже 500 м. Практически на всей поверхности озера содержание фосфатов невысокое. Выделяются две области повышенного их содержания. Это, уже упоминавшийся выше, залив Пржевальского и центральная часть озера напротив г. Чолпон-Ата (Рис. 3.22). И в том и в другом случае повышенное содержание фосфатов можно связать с бытовыми стоками с берегов озера. Интересно, что, несмотря на то, что по всем гидрохимическим параметрам период активного фотосинтеза уже закончился, и в водах озера должны преобладать процессы окисления органического вещества, содержание фосфатов невысоко. Особенно это относится к придонному слою, где должны были бы идти процессы окисления органики, что в первую очередь отражается на содержании фосфора, как наиболее лабильного биогенного элемента. К сожалению, мы не могли сравнить наши измерения содержания фосфора с данными более ранних наблюдениями.

Растворенный неорганический кремний (силикаты). Содержание растворенного кремния в воде озера было относительно высоким, от 72.6
до 96.8 µМ. Это естественно, учитывая характер бассейна водосбора озера. Как наиболее высокие, так и наиболее низкие величины содержания силикатов отмечены в поверхностных водах (Рис. 3.23). Глубже 100 м отмечался слабый рост содержания силикатов от 74 до 80 µМ в придонных водах.

Следует отметить, что, по сравнению с данными 2015 г, содержание силикатов по всему профилю было выше на 5–7 % (Рис. 3.23). Возможно, это отражает сезонные изменения характеристик материкового стока и/или продукционных процессов, но у нас нет остаточного количества наблюдений, чтобы подтвердить какую-либо гипотезу.

Содержание растворенного кремния по акватории озера (Рис. 3.24) достаточно ровное. Значительные изменения наблюдались только в восточной части, около залива Пржевальского. Вероятно, это связано с тем, что на период работ именно здесь влияние стока, как речного, так и бытового, на состав озерной воды было максимальным. Это подтверждается и по распределению других гидрохимических параметров. Интересно, что, в отличие от фосфатов, в распределении силикатов нет локального максимума в водах около г. Чолпон-Ата.

Минеральные формы азота (нитраты, нитриты и аммоний). Содержание нитратного азота в водах озера на время съемки было от 6.28 до 16.12 µМ.
Содержание нитритов было от аналитического нуля до 0.35 µМ. Как и для
других гидрохимических параметров, наибольший диапазон изменчивости
отмечен на поверхности (Рис. 3.25).

Содержание нитратного и нитритного азота отмеченное в 2016 г. было несколько меньшим, чем в 2016 г. практически по всему профилю. Глубже 100 м наблюдался небольшой, но постоянный рост содержания нитратного азота ко дну. Содержание же нитритов глубже 100 м оставалось практически постоянным. Это наблюдалось и в 2015 и в 2016 гг. Как уже отмечалось выше, отсутствие достаточных рядов наблюдений, охватывавших все сезоны, не позволяет судить, связано ли это различие с сезонными изменениями стока и продукционных процессов, или же существует межгодовая динамика содержания биогенных элементов в озере.

Как и для других биогенных элементов, основным источником поступления минерального азота в поверхностных водах был залив Пржевальского. Это отражается на схеме распределения нитратного и нитритного азота на поверхности (Рис. 3.26). На основной части акватории озера распределение нитратного и нитритного азота было невысоким, так же как и наблюдавшийся диапазон наблюдений. Характер распределения и содержание нитритного азота позволяет сказать, что процессы окисления органического вещества проходили, главным образом, в верхнем 50-метровом слое в восточной части озера.

В 2015 г. наблюдалась такая же тенденция вертикального распределения нитритов, но высокое содержание было зафиксировано в центральной части озера. О низкой интенсивности окислительных процессов свидетельствует
и содержание аммонийного азота. Наблюдавшийся диапазон содержания
аммонийного азота от аналитического нуля до 0.13 µМ, среднее содержание составляло всего 0.04 µМ. О слабом потоке органического вещества из фотического слоя в глубину свидетельствует характер вертикального распределения аммонийного азота (Рис. 3.27). В вертикальных распределениях глубже 200 м содержание аммонийного азота было менее 0.04 µМ.

Наибольшее содержание было отмечено в поверхностных водах в районе залива Пржевальского, как и для других форм неорганического азота (Рис. 3.28). Небольшое повышение отмечено и в западной части озера, в районе г. Балыкчи.

Разрез вдоль палеорусла реки Джергалан в заливе Пржевальского (станции П01 – П12) продемонстрировал динамику гидрохимических параметров в зоне смешения вод озера с водами берегового стока, хотя до полностью пресных вод дойти не удалось. На рис. 3.29 показана динамика гидрохимических параметров в поверхностных и глубинных водах разреза.

Минимальная минерализация наблюдалась на станции П08. Поверхностные воды на этой станции обладали минимальным содержанием кислорода. Второй, относительно небольшой минимум минерализации наблюдался на станции П06. Наиболее высокое содержание кремния, нитритного и нитратного азота на поверхности наблюдалось восточнее, на станции П11. Это позволяет предположить, что именно на этой станции влияние берегового стока было максимальным.

На станции П06 в поверхностном слое наблюдалось уменьшение величины рН более чем на 0.05 ед, максимальное наблюдавшееся содержание растворенного неорганического фосфора и локальное увеличение минеральных форм азота. Это, как отмечалось выше, скорее всего является следствием поступления бытовых стоков.

Количество определений и пределы наблюдавшихся величин с 31.10.16 по 03.11.16 г. приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

3.4. Гидрохимические результаты экспедиции 2017 г.

Методы и материалы. Отбор проб для гидрохимического анализа проводился во время выхода в озеро 26 по 29 июня 2017 г. Пробы отбирались
на 19 станциях и 12 точках в нижнем течении рек (Рис. 3.30), всего 57 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 425 гидрохимических анализов, в том числе определений рН – 56, общей титруемой щелочности – 57, растворенного кремния – 57, нитритного азота – 57, нитратного азота – 54, аммонийного азота – 43, растворенного кислорода – 44 анализа. Кроме работ на гидрологических станциях, схема которых в основных чертах повторяла съемки предыдущих лет, был выполнен отбор проб воды и грунта у устьях 12 водотоков по южному и восточному берегам озера (станции r01 – r12 на рис. 3.30).

Отправлены в стационарные лаборатории ИО РАН по 24 пробы для определения взвешенного вещества, растворенных и взвешенных металлов,
6 проб на растворенный органический углерод. Характеристика мест отбора приведена в приложении 1, таблице 2.1.

Для проведения анализов и подготовки (консервации) проб на борту судна «Молтур» была развернута временная лаборатория. Определения гидрохимических параметров проводилось по стандартным методикам, принятым
в экспедиционной практике [10,14]. Определение величин рН, общей щелочности, растворенного кислорода, содержания растворенного неорганического фосфора (фосфаты), растворенного неорганического кремния (силикаты), нитритного азота (нитриты), нитратного азота (нитраты), аммонийного азота (ион аммония), растворенной двуокиси углерода (CO₂) и общего растворенного углерода (C_tot) осуществлялись по такой же методике, как и в предыдущих экспедициях. Все определения проводилось не позднее, чем через 12 часов со времени отбора.

Результаты исследований. Так же как и во время предыдущих съемок (май 2015 г. и октябрь 2016 г.) гидрологический состав вод озера достаточно однороден. Наблюдалась хорошо выраженная температурная стратификация вод, которая была более ярко выражена, чем во времена предыдущих
съемок. Благодаря прогреву в теплое время выделяется поверхностная вода, с относительно высокой температурой и небольшими изменениями температуры с глубиной [9]. Во время работ 2015 г. этот слой еще начинал формироваться, а в 2016 г. эта структура уже начинала разрушаться в результате
сезонного выхолаживания. Температура воды на поверхности в июне 2015 г. составляла 16–18 ^оС, в октябре – ноябре 2016 г. температура на поверхности составляла 10–12 ^оС, во время съемки в июне 2017 г 16–20^оС.

Содержание растворенного кислорода. Содержание растворенного кислорода в воде в июне 2017 г. было от 6.11 до 8.37 мл/л, а степень его насыщения от 73.6 до 117.1%. Для поверхностных вод содержание кислорода
колеблется от 6.38 – 7.67 мл/л (от 99 до 117 % насыщения). Наибольшее содержание кислорода (8.37 мл/л) отмечено на горизонте 50 м станции 9 и на станции 10 (8.36 мл/л). Как и в предыдущие годы, наибольшие изменения содержания растворенного кислорода наблюдалось на верхних 100 метрах (Рис. 3.31). Это связано с влиянием материкового стока, деятельностью водной биоты
и значительным падением температуры в этом слое. Глубже 200 м содержание и степень насыщения кислорода практически не изменялось по вертикали
по результатам всех съемок (Рис. 3.31).

В распределение растворенного кислорода на поверхности отмечено значительное (7.67 мл/л) повышение его у южного берега на станции 16, там же отмечено и наибольшее насыщение вод кислородом (Рис. 3.32). В общем, поверхностные воды у южного берега озера отличались и пониженной на 2–3 ^оС температурой, что 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%, иногда и незначительно ниже. Так же как и в 2016 г, незначительное увеличение степени насыщения отмечено в заливе Пржевальского (Рис. 3.32), 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 [13].

Величины рН и общей щелочности. Величина рН за время наблюдения колеблется от 7.88 до 8.77 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. 3.33).

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.

В 2015 г и средняя величина рН была больше, чем во время других съемок. Осенью 2016 года наблюдалось значительное уменьшение величины рН по всему профилю (Рис. 3.33). Летом 2015 года и летом 2017 величина рН увеличивалась с глубиной, а в 2016 году наблюдалась тенденция к падению ее с глубиной, особенно в слое 550–600 м. Как говорилось в предыдущем отчете, скорее всего это связано с сезонной динамикой продукционных процессов и, связанной с этим динамикой вертикальных потоков органического вещества, хотя это не подтверждается вертикальным распределением растворенного кислорода. Как абсолютное его содержание, так и степень насыщения в водах на глубине 100 м и более, его значения были равными на протяжении всех съемок (Рис. 3.31). Можно предположить, что величина рН реагировала на сезонные изменение содержания растворенной двуокиси
углерода в результате окисления потока органического вещества из верхнего деятельного слоя в глубокие воды озера.

Величина общей щелочности колебалась от 1.037 до 5.472 мг-экв/л. Низкие значения общей щелочности были отмечены исключительно в приустьевых участках. Для основной массы вод диапазон изменения щелочности был всего 5.369 – 5.435 (среднее 5.407) мг-экв/л. Это соответствовало и результатам, полученным в 2015 и 2016 г.

Малое изменение величины щелочности по вертикали (Рис. 3.33)
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 общностью основных процессов формирующих их распределение: вынос вод материкового стока и изменение температуры воды. Основные изменения, как уже отмечалось выше, наблюдались на поверхности воды. На глубинах более 40–50 м величина общей щелочности увеличивалась примерно до 5.4 мг-экв/л, а рН 8.68 ед.
и оставались практически постоянными до дна.

Воздействие материкового стока приводит к увеличению величины рН и уменьшению величины общей щелочности (Рис. 3.34). Так, высокие значения рН и низкие щелочности были отмечены в водах Тюпского залива. Небольшое повышение величины рН наблюдалось и около г. Балыкчи.
Интересно, что в центральной части озера на поверхности наблюдалось
повышение и величины рН и общей щелочности (Рис. 3.34). 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 [13]. 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.

Растворенный неорганический фосфор (фосфаты). Содержание растворенного неорганического фосфора в воде озера за период съемок 2017 г было от аналитического нуля (предела обнаружения по данной методике) до 1.16 µМ. Максимальное значение было отмечено в поверхностных водах на станции 12 и, скорее всего, связано с выносом вод из залива Пржевальского. Как и при предыдущей съемке, высокое содержание растворенного неорганического фосфора наблюдалось в верхнем слое вод, примерно до 50 м (Рис. 3.35). Это может быть связано, во-первых, с выносом фосфора с берегов (в том числе
и с бытовыми стоками) и, во-вторых, 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 0.4 µМ (Рис. 3.35). Во время съемок 2016 г. содержание фосфатов в слое от 200 м до дна было значительно ниже – от аналитического нуля до 0.1 µМ. Скорее всего эти отличия связаны с сезонной динамикой окисления органического вещества, поступающего из верхнего деятельного слоя в глубокие воды озера.

Практически на всей поверхности озера содержание фосфатов невысокое. Так же как и в 2016 г., в 2017 г. выделялись две области повышенного их содержания. Это восточная часть, примыкающая к заливу Пржевальского и центральная часть озера напротив г. Чолпон-Ата (Рис. 3.36). Возможно, это следствие подъема вод, как и в случае с повышенным значением общей щелочности.

Интересно, что в придонном слое, где должны были бы идти
процессы окисления органики, что в первую очередь отражается на содержании фосфора, как наиболее стабильного биогенного элемента, мы не наблюдали заметного увеличения содержания неорганического фосфора. Так же как и не наблюдалось заметное уменьшение содержания растворенного кислорода и величины рН.

По литературным данным содержание фосфатов во всей толще озера
составляет 0.06 – 0.12 µМ и отмечается, что данные об их содержании крайне скупы [13].

Растворенный неорганический кремний (силикаты). По данным настоящей съемки содержание растворенного кремния в воде озера от 64.8
до 91.1 µМ. Как наиболее высокие, так и наиболее низкие величины содержания силикатов отмечены в поверхностных водах (Рис. 3.37). Глубже 100 м среднее содержание силикатов было 79 µМ, и можно отметить некую тенденцию к росту в придонных водах.

Содержание силикатов было близко к наблюдавшемуся в 2015 г. Но по сравнению с данными 2016 г., содержание силикатов по всему профилю было ниже примерно на 10 % (Рис. 3.37). Возможно, это отражает сезонные изменения характеристик материкового стока и/или продукционных процессов, но у нас нет остаточного количества наблюдений, чтобы подтвердить какую-либо гипотезу.

В распределении растворенного кремния по акватории озера видно
значительное повышение в восточной части, около залива Пржевальского,
и небольшое повышение в западной части (Рис. 3.38). Небольшое локальное повышение наблюдалось и в водах около г. Чолпон-Ата. Вероятно, это связано с тем, что на период работы здесь было значительным влияние речного стока.

Рис. 3.37. Вертикальное распределение содержания растворенного
неорганического кремния (µМ) по результатам съемок 2015–2017 гг.

Несмотря на отличия содержания растворенного кремния по съемкам значительно выше, чем приведено в работе [13] 32 – 36 µМ. Либо за 30–40 лет содержание кремния выросло почти в 2 раза, либо это результат неправильно подобранной методики (аналитической ошибки) 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 ошибок свидетельствует то, что выполненные на современном оборудовании, но различными аналитиками и с применением различных серий реагентов, они были близки по абсолютной величине.

Нитратная и нитритая формы азота. Содержание нитратного азота
в водах озера на время съемки было от 1.17 до 14.52 µМ. Содержание нитритного азота было от аналитического нуля до 0.54 µМ. Как и для остальных
гидрохимических параметров наибольший диапазон наблюдавшихся параметров наблюдался на поверхности (Рис. 3.39). Глубже слоя скачка температуры
содержание нитратного азота было 1.17 – 10.40 µМ (среднее 5.6 µМ), а нитритного от 0 до 0.54 µМ (среднее 0.11 µМ).

Значительно различалось содержание нитратного азота полученное
во время различных съемок. В 2017 г. содержание нитратного азота было
значительно меньше, чем в 2015 и 2016 г. 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. это не наблюдалось. В 2015 и в 2016 гг. содержание же нитритов глубже 100 м оставалось практически постоянным и низким (в 2016 г. практически у порога обнаружения методики). В 2017 г. содержание нитратного азота в глубоких водах озера менялось от аналитического нуля до 0.1 µМ. Как уже говорилось в предыдущем отчете, 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 содержания 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. 3.40). 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 влияниембытовых стоков г. Чолпон-Ата, и, возможно,
с подъемом вод, так и в случае с повышенным значением общей щелочности и содержания фосфатов.

По литературным источникам [13] 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 аналитического нуля до 3 µМ, среднее содержание составляло 0.8 µМ. Наиболее высокое содержание аммонийного азота отмечено на поверхности в приустьевом районе р. Тюп.

Содержание и характер вертикального распределения аммонийного азота в 2017 г. значительно отличаются от данных 2016 г. (Рис. 3.41). 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 о слабом потоке органического вещества из фотического слоя в глубину характер. В 2017 г. содержание аммонийного азота было значительно выше, но все равно может считаться невысоким. Какой-либо определенной тенденции в вертикальном его распределении отмечено не было. Это может быть связано с цикличностью сезонного развития процессов синтеза и окисления органического вещества. Работы 2016 года проходили осенью, практически в предзимье.

Рис. 3.41. Вертикальное распределение содержания аммонийного (µМ) по результатам съемок 2016–2017 гг.

Интенсивность потока органической взвеси и, следовательно, окислительных процессов резко упала по сравнению с теплым периодом. В 2017 году, 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 Тюпского и Пржевальского, как и других форм неорганического азота (Рис. 3.42). Небольшое повышение отмечено и в западной части озера, около г. Балыкчи и по всему северному берегу.

По данным работы [13] 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 [14].

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 40.2
до 63.4 мгС/л. Содержание растворенной двуокиси углерода 0.15 – 0.45 мгС/л,
а величина его парциального давления (рСО₂) менялась от 312 до 909 ppm.
Распределение C_tot в общем соответствовало распределению общей щелочности (Рис. 3.43), а величины рСО₂ имело общие черты с распределением рН.

В районах, подверженных сильному влиянию речного стока наблюдалось значительное понижение содержания C_tot и величины рСО₂, что связано как с приходом пресных речных вод, так и с активизацией процессов синтеза органического вещества. Содержание C_tot, которое можно рассматривать как сумму карбонат и бикарбонат ионов, входит в состав главных ионов. По данным работы [13] содержание углерода в воде озера составляло 60–70 мг/л, но следует учесть, что в те годы минерализация воды озера
оценивалась выше, чем в настоящее время (до 5.7–5.8 г/л в открытой части озера).

Величина рСО₂ свидетельствует, что воды озера пересыщены двуокисью углерода по сравнению с атмосферой. Если принять равновесную величину рСО₂ в 400 ppm, то недосыщение вод, что свидетельствует о высокой фотосинтетической активности наблюдалась в подповерхностных водах ряда станций при величине рН более 8.7.

Работы в нижнем течении рек. Как говорилось выше, во время работ был проведен отбор проб воды и грунта с 12 точек в нижнем течении рек впадающих в озеро. На рис. 3.30 места отбора этих проб обозначены индексом “r”. Характеристики и мест отбора проб с устьевых областей водотоков Иссык-Кульской долины 27 июля 2017 г. приведена в таблице 3.2.

Таблица 3.2.

В силу недостатка времени пробы охватили в основном южный берег озера, захватывая водотоки 4-го и 5-го орогидрологических районов бассейна озера по классификации работы [17]. Реки, впадающие с южного берега в озеро относятся к группе кальциевых гидрокарбонатного типа по классификации работы [18]. Реки этих районов начинаются на северо-западных склонах Тескей Ала-Тоо. Воды рек юго-западного берега озера (точки r2 – r5) содержат значительное количество растворенного кремния (80 – 190 µМ), что выше, чем в воде озера. Относительно невысоким было содержание
неорганического углерода, за исключением точек r2, r3 и реки Каракол. Высоким было во всех водотоках содержание нитратного азота 7–39 µМ (среднее 16 µМ). Отмечается, что с 50-х годов до 2000-х происходил рост средних годовых расходов воды и снижение общей минерализации в реках Иссык-кульского бассейна [18]. Возможно с этим связано, что наблюдавшаяся нами минерализация воды (до 4.75 г/кг) ниже, чем показано в работе [13] до 6 г/кг.

Краткие выводы по Главе 3. Во время съемки 2015 г содержание
основных биогенных элементов в поверхностном деятельном слое было относительно невысоким, но достаточным для того, чтобы не быть лимитирующим фактором для развития фитопланктона. Распределение содержания растворенного кислорода показывает, что наибольшая фотосинтетическая активность отмечалась в промежуточных водах. На поверхности, по-видимому, деятельность фитопланктона подавлялась избыточной инсоляцией.

Содержание растворенного кислорода и биогенных элементов во время съемки 2016 г позволяют говорить о том, что экспедиционные работы пришлись на период сезонного спада биологической продуктивности.
Однако содержание растворенного кислорода было близким к содержанию в весенне-летний период. Усиление окислительных процессов в данное время компенсировалось увеличением растворимости при снижении температуры. По сравнению со съемкой в июне 2015 г. ярче проявлялось накопление
биогенных элементов в глубоких водах озера, что так же можно отнести
к последствиям ослабление плотностной стратификации в осенний период
и усилением потока органического вещества в глубокие слои озера.

Значительные отличия съемок 2015 и 2016 гг. были в величине и характере вертикального распределения величины рН. Во время настоящих работ величина рН была почти на 0.4 ед. ниже, чем в 2015 г., и наблюдалось снижение этой величины с глубиной (в отличие от повышения рН с глубиной в 2016 г.). Связано это со значительным увеличением содержания растворенной
двуокиси углерода, возможно, из-за окисления органического вещества,
образованного в период активного фотосинтеза.

По сравнению с предыдущими съемками, в 2017 г. ярче проявлялось накопление биогенных элементов в глубоких водах озера, что затронуло не только содержание биогенных элементов, но и величину рН и содержание неорганического углерода. В то же время сохранялись все черты пространственного распределения гидрохимических параметров, присущие и предыдущим съемкам. Ярко проявлялось влияние стока с суши, особенно у восточного и северного берега озера. По величине содержания недоокисленных и восстановленных форм азота степень загрязнения вод озера можно считать низкой.

В целом, сравнивая результаты всех трех съемок, можно сказать, что несмотря на значительную глубину озера и относительную стабильность гидрофизических параметров вод, сезонные изменения гидрохимического состава могут охватывать практически всю толщу вод.

Малое изменение величины щелочности по вертикали и практически отсутствие изменений от съемки к съемке по этому показателю позволяет положить, что вся толща воды в озере активно перемешивается, скорее всего, в холодный период.

Воды озера от поверхности до дна практически однородны по солевому составу. Это свидетельствует о значительном перемешивании вод в холодный период. В теплое время стратификация вод обеспечивается главным образом температурой воды. Стратификация воды достаточна для того, чтобы в глубинных водах значительно уменьшалось содержание растворенного кислорода и росло содержание биогенных элементов.

Низкие величины содержания минеральных форм азота (особенно аммонийного азота) и неорганического фосфора свидетельствуют о низкой степени загрязнения вод озера органо-содержащими веществами.