Тема № 64. Трансформация экосистемы Белого моря и его водосбора в результате антропогенного воздействия и колебаний климата: разработка экспертной системы

№ государственной регистрации: 01.2.006 06527

Срок выполнения: 2006-2009 гг.

Научный руководитель: чл.-корр. РАН Н.Н. Филатов

Бюджет

Поставлена и решена задача оценки изменчивости экосистемы Белого моря и его водосбора при воздействии разнообразных факторов с использованием разрабатываемой системы, включающей постоянно пополняемую базу данных и знаний, а также математические модели. Были выполнены исследования особенностей изменений в экосистеме на водосборе при разнообразных социо-экономических сценариях и оценены их возможные воздействия на окружающую среду, и, в частности, определены возможные изменения поступления биогенов в море. Изменчивость климатических параметров на водосборе Белого моря изучены с помощью данных длительных наблюдений, собранных на сети Росгидромета, а оценки изменений климата до 2050 г. получены по данным моделирования взаимодействия океана и атмосферы (модели GCM).

Для экспертных оценок термогидродинамики моря в мезо- и синоптическом масштабах была внедрена модель оперативного мониторинга (СОМ), разработанная в ИО РАН д.ф-м.н. Е.В.Семеновым, а для оценок особенностей водообмена между Белым и Баренцевым морями, изменений экосистемы моря в сезонном и климатическом масштабах были выполнены ранее начатые численные эксперименты (White Sea.., 2005) на 3-D модели экосистемы (White Sea.., 2005; Савчук, Неелов, 2007).

Расчеты показали, что как климатические, так и антропогенные воздействия на период до 2010 г. не могут привести к заметным изменениям экосистемы, состояние моря останется олиготрофным. Разработана и внедрена экспертная система, включающая постоянно обновляемую базу данных, созданную в формате HTML, и набор математических моделей, для оценки трансформации экосистемы Белого моря при разном комплексе условий.

Даны предложения по рациональному использованию ресурсов моря и водосбора и по координации исследований в регионе для решения фундаментальных научных и прикладных задач государственного масштаба.

 

 

Тема № 65. Научные основы управления и сохранения природных ресурсов крупнейших озер Северо-запада России в условиях многофакторного антропогенного воздействия и климатических изменений

 

№ государственной регистрации: 01.2.007 05754

Срок выполнения: 2007-2009 гг.

Научный руководитель: чл.-корр. РАН Н.Н. Филатов

Бюджет

Онежское озеро

Выполненные в 2007–09 гг. комплексные исследования на Онежском озере, а также расчеты на математической модели экосистемы, разработанной в СПб ЭМИ РАН показали следующее.

Экспериментальные исследования:

· Результаты гидробиологических исследований 2007-09 гг. убедительно свидетельствуют о начавшихся в последние десятилетия изменениях в планктоне и бентосе центральной глубоководной части Онежского озера. Причиной трансформации биоты следует считать вынос загрязненных вод из Петрозаводской и Кондопожской губ.

· Впервые дана ориентировочная оценка доли планктонных сообществ в содержании органического углерода в толще воды в различных районах Онежского озера в летний период. Полученные данные отражают фундаментальные закономерности функционирования уникальных водных объектов гумидной зоны России – холодноводных, крупных, олиготрофных водоемов, испытывающих сильное воздействие водосборной территории, связанное с ее заболоченностью. В этих водных экосистемах баланс общего органического углерода поддерживается в основном за счет физико-химических процессов его трансформации, седиментации и выноса. Вклад биотического углерода в его общее содержание в воде весьма мал, что указывает на олиготрофный характер процессов накопления и трансформации органического углерода в центральных районах Онежского озера. Несмотря на малую долю биоты в общем органическом углероде озера, именно биотическая компонента обеспечивает биоресурсный потенциал и играет важнейшую роль в формировании качества воды озера.

• Оценена роль бактериопланктона не только как основного деструктора, но и как звена, которое участвует в пополнении экосистемы взвешенным органическим углеродом. Установлено, что бактериальное звено не вносит значимого вклада в процессы новообразования органического вещества из экзогенной углекислоты.
• Сукцессия фитопланктона в Онежском озере, в целом сохраняющего до настоящего времени олиготрофный статус, характеризуется вариабельностью в многолетнем изменении биомассы, а также трансформацией структуры альгоценозов, связанной с эвтрофированием.
• Показано, что первично-продукционный цикл в олиготрофном центральном районе озера характеризуется устойчивым развитием в течение длительного времени. Для залива Большое Онего в последнее десятилетие обнаружены величины первичной продукции, выходящие за пределы межгодовой изменчивости, что связано со спорадическим выносом трансформированных вод из эвтрофированной Кондопожской губы или с аномальной температурой воды. В более продуктивных губах Кондопожской и Петрозаводской в период 2006-08 гг. значимых изменений в уровне первичного продуцирования органического вещества не обнаружено.
• Показано, что в условиях холодноводного и глубоководного Онежского озера роль продукции фитопланктона в формировании общего пула органического углерода в воде чрезвычайно мала. В год за счет фотосинтеза планктона в водоем вносится в среднем лишь около 3% органического углерода от его общего запаса в воде. Более весомым является пополнение за счет первичной продукции фонда лабильного органического вещества, достигающее в среднем за вегетационный период 40% от его содержания в воде.

· Сообщества зоопланктона пелагической части глубоководных районов озера находится в стабильном состоянии которое практически не изменилось за последние 50 лет.

· Показатели зоопланктона, такие как состав, структура, численность и биомасса отражают естественный олиготрофный характер пелагической части озера.

· Макрозообентос озера представлен более чем 600-ми видами и формами организмов, большинство которых сосредоточено в прибрежной зоне. В структуре сообществ во всех типах литоральных местообитаний за исключением песчаных биотопов доминирует инвазивный вид Gmelinoides fasciatus (Stebbing)(32-71% средней численности и 37-73% средней биомассы сообществ).

• Получены данные о динамике изменения численности популяции амфиподы Gmelinoides fasciatus летом 2005 и 2008 гг., которые свидетельствуют об активной акклиматизации этого вида в новых для него условиях обитания. Сходная динамика численности вселенца наблюдается в настоящее время в Ладожском озере и эстуарии р. Нева. Быстрое нарастание численности за счет нарождающейся молоди указывает на интенсивно протекающие процессы размножения, что является основным показателем высокой степени пригодности биотопа для этого вида. Дана оценка толерантности Gmelinoides fasciatus к минеральным веществам. Показано, что бокоплав G. fasciatus проявил себя как наименее устойчивый вид по сравнению с двумя стандартными тест-объектами и может служить в качестве биотеста в токсикологических экспериментах при оценке опасности сточных вод предприятий, расположенных на побережье Онежского озера.
• Впервые выполнен расчет удельных характеристик подземного притока в Онежское озеро (минуя речной сток) и общего подземного стока по выделенным расчетным участкам береговой зоны со сходными гидрогеологическими условиями. Общий подземный сток в Онежское озеро с прибрежной территории оценен в 0.14 км³/год. Доля непосредственного подземного стока в водном балансе Онежского озера составляет около 1% от общего речного притока. Выявлены закономерности распределения подземного стока с прибрежной части, в соответствие с которыми основная его доля формируется в северной части озера. Рассчитан ионный подземный сток в Онежское озеро, его величина составляет 50 тыс. тонн в год (около 10% от речного). Составлены карта защищенности подземных вод от загрязнения и карта потенциальных запасов подземных вод четвертичных отложений на водосборной территории Онежского озера М 1:500000.
• Рассчитан ионный подземный сток в Онежское озеро, по предварительной оценке его величина составляет 50 тыс. тонн в год (около 10% от речного). Определено, что поступление основных загрязняющих компонентов происходит с той части береговой зоны, где расположены населенные пункты и сельскохозяйственные земли. С этой территории с загрязненным грунтовым стоком в озеро в год поступает около 3 тыс. т солей, в том числе 100 т нитратного азота. Таким образом, если подземный сток непосредственно в озера (минуя речную сеть) по отношению к общему речному стоку выражается низкой величиной, то доля подземного стока в химическом балансе озер более существенна.

Результаты математического моделирования:

• Воспроизведена климатическая циркуляция озера.

• Воспроизведен процесс антропогенного эвтрофирования Онежского озера для периода 1961–2005 гг.

• Выполнено определение допустимых пределов антропогенной нагрузки на водоем (общий фосфор и азот).

• Получены оценки возможных изменений в экосистеме озера под влиянием антропогенных и климатических факторов.

• Выполнено определение уровня допустимой антропогенной нагрузки на озеро – по оценке ассимиляционного потенциала (АП) его экосистемы. АП это её самовосстановительная способность по отношению к поступлению в природную среду вещества и энергии в результате хозяйственной деятельности; для Онежского озера оценка АП по сбросу фосфора – 800 т P total/ год и по сбросу азота – 15000 т P total/ год.

 

Основные выводы по оценке состояния и изменениям экосистемы Онежского озера:

• Онежское озеро в настоящее время находится в устойчивом состоянии и отвечает уровню олиготрофных водоемов. Наибольшее антропогенное влияние сказывается на Кондопожской губе, в которой сточные воды более локализованы, чем в Петрозаводской, что связано с особенностями водообмена этих губ и выпусков в них сточных вод.
• Для сохранения олиготорофного статуса озера, его АП биогенная нагрузка не должна превышать по сбросу фосфора – 800 т P total/ год и по сбросу азота – 15000 т N total/ год.

По результатам исследований выполнено обобщение и совместно с СПБ ЭМИ РАН опубликована книга Ladoga And Onego - Great European Lakes: Modelling and Experiment. Rukhovets L., Filatov N., (Eds.). London. Springer-Praxis. 2009. 302 p.