Общие химические особенности ладожской воды
Озерные воды содержат в себе различные вещества в виде истинных (молекулярных) растворов, коллоидов и взвесей. Минеральные вещества, образующие истинные растворы, формируют так называемый ионный состав воды. Органические вещества могут быть тоже в виде истинных растворов, коллоидов или взвесей. Частично коллоидными растворами или взвесями бывают и биогенные элементы; их вообще ничтожно мало, но они играют важную роль в биологических процессах (соединения азота, фосфора, кремния, железа). Наконец, в воде есть и растворенные газы, как поступившие из атмосферы, так и образованные в самом озере (кислород, азот, двуокись углерода и др.).
Химические особенности ладожской воды в сильной степени зависят от того, какие вещества приносят в озеро спадающие в него реки. Мы знаем, что речные воды сбегаются в Ладогу из двух весьма различных регионов. В северном (Балтийский щит) преобладают кислые горные породы, хотя есть и отдельные выходы основных и ультраосновных. Породы карбонатные (кристаллические известняки) распространены слабо, четвертичные отложения маломощны и их грубый минералогический (стало быть, и химический) состав не очень отличается от состава коренных пород. Южный регион сложен палеозойскими толщами, среди которых немало карбонатных, а покров рыхлых четвертичных осадков значительный. Климат Ладожского бассейна влажный, поэтому почвы и грунты хорошо промыты. По указанным причинам общая минерализация притоков Ладоги в северной части бассейна только 25—35 мг/л, а в южной достигает 250—350 мг/л.
У всех притоков состав воды гидрокарбонатно-кальциевый. Из-за обилия болот и лесов в пределах бассейна воды притоков обогащены гумусовыми веществами, отличаются высокой цветностью, несут в растворе железо, но весьма бедны минеральным фосфором; растворенные соединения азота и фосфора — главным образом органические (Соловьева, 1967).
Вследствие того что основная роль в формировании химического состава воды озера принадлежит речному стоку и вследствие того что минерализация речных вод Ладожского бассейна исключительно мала, вода Ладожского озера содержит ничтожное количество солей: от 48 до 61 мг/л в разных районах, а в среднем для всего озера 56 мг/л (Расплетина и др., 1967). Из крупных пресных озер СССР только у Онежского общая минерализация воды ниже (35 мг/л). В Телецком озере она 70 мг/л, в Байкале 97 мг/л.
Вода Ладожского озера относится к кальциевой группе гидрокарбонатного класса, что соответствует географическому положению озера в зоне лесов.
Причина однородности в том, что из озера ежегодно вытекает не более 1/12 объема водной массы; кроме того, вода в озере непрестанно перемешивается сезонными вертикальными циркуляциями и течениями, как постоянными (плотностными), так и периодически возникающими (ветровыми).
Таким образом, вода Ладожского озера в гидрохимическом отношении весьма инертна. И все же, несмотря на низкую общую минерализацию, общее количество солей в воде озера достигает 51,21 млн. т.
Вследствие малого содержания солей кальция и магния ладожская вода мягкая, т. е. пригодна для бытовых и промышленных целей.
Режим растворенных газов и биогенных веществ
Так как Ладога — озеро пресное, то определяющая роль в его гидрохимическом режиме (кроме режима кислорода) принадлежит биохимическим процессам, и основные изменения испытывают главным образом газы и биогенные элементы.
Общеизвестно значение кислорода для жизни организмов. В озерную воду кислород поступает из атмосферы, а в самой воде вырабатывается еще и растениями при фотосинтезе. И в том и в другом случае он попадает только в верхние слои воды. Расходуется же кислород путем отдачи в атмосферу, на дыхание организмов и на реакции окисления при разложении органических остатков. Окислительные процессы охватывают всю толщу воды и донные отложения. Однако кислорода на них тратится сравнительно мало, так как имеющиеся в воде органические соединения довольно устойчивы против разложения биохимическим путем, а в донных осадках содержание гумуса невелико. Поэтому запас кислорода в ладожской воде всегда значительный: в открытой части озера содержится от 14,8 до 9,2 мг/л, или от 91 до 118% (Расплетина, 1967).
Поскольку растворимость кислорода в воде зависит от температуры, именно колебания температуры преимущественно и регулируют его режим.
Зимой, в период ледостава, когда вода особенно холодна, кислорода в ней больше всего (14—14,8 мг/л). С началом весеннего нагревания (май) содержание кислорода несколько уменьшается (13—14 мг/л). При весенней гомотермии содержание его во всей водной толще выравнивается.
Летом вода, нагреваясь, отдает кислород в атмосферу: количество его в эпилимнионе падает до 10—11 мг/л, но в гиполимнионе остается высоким (12,5—13,0 мг/л). Такое распределение по вертикали сохраняется все лето, до начала осенней гомотермии. Вместе с тем летом, помимо температуры, вступает в действие и другой фактор кислородного режима: массовое развитие летних форм фитопланктона (мельчайших водорослей), вследствие чего производство кислорода усиливается (фотосинтез), и верхние слои бывают им пересыщены (105—115%). Однако концентрация кислорода в эпилимнионе все же уменьшается, так как повышение температуры (ведущее к потере кислорода) дает более заметный эффект, чем работа фитопланктона (обогащение воды кислородом).
В августе, когда летний фитопланктон отмирает, расход кислорода возрастает в металимнионе (здесь кислород в минимуме), а в поверхностном и придонном горизонтах содержание этого газа более высокое.
Осенью охлаждение воды и вспышка осеннего фитопланктона действуют в сторону обогащения воды кислородом. При осенней гомотермии кислорода в воде около 12—13 мг/л.
В целом режим кислорода в Ладожском озере благоприятствует существованию и развитию организмов.
Д. З. Ульянова (см. Расплетина и др., 1967) обратила внимание на то, что фактическое содержание углекислоты (СО2) в воде озера в 2—3 раза больше, чем могло бы образоваться путем растворения этого газа из воздуха при соответствующих температурах. Стало быть, основной источник углекислоты — не атмосфера, а биохимические процессы, происходящие в самом водоеме. Впрочем, содержание растворенной углекислоты в воде невелико: от 0,6 до 3,5 мг/л; с глубиной оно возрастает. В поверхностном слое меньше всего углекислоты летом.
Весьма интересны в научном и практическом отношении распределение и режим биогенных веществ в озере. Общие особенности таковы:
1) на распределение биогенных элементов заметно воздействует распространение речных вод по озеру, так как притоки во много раз богаче биогенными веществами, чем озеро;
2) южные и восточные части озера снабжены биогенными веществами лучше, чем другие его районы; они поэтому и биологически наиболее продуктивны;
3) до начала гидрологического лета биогенными элементами обогащаются лишь прибрежные участки, так как термический бар мешает речным водам проникать в открытое озеро. Летом же, с исчезновением бара, сглаживается и резкая неоднородность в распределении биогенных элементов по акватории.
Режим фосфатов, нитратов, кремния и железа подробно рассмотрен Э. Э. Шерман (см. Расплетина и др., 1967).
Реки приносят в озеро мало минеральных соединений фосфора, оттого и в озерной воде его немного, что, естественно, ограничивает развитие фитопланктона. Содержание фосфора приходится выражать в миллиграммах на кубический метр (а не на литр, как для других веществ!). В северной и северо-западной частях озера в теплые и маловодные годы фосфор в воде вообще не отмечается, а в другие годы не превышает 5 мг/м3. На юге и юго-востоке содержится от 1 до 15 мг/м3 фосфора, а в Волховской губе — от 7 до 25 мг/м3. Главный поставщик фосфатов — р. Волхов.
В поверхностном слое отмечается два минимума содержания фосфатов; летний и осенний. Каждый из них обусловлен вспышкой развития фитопланктона.
Главные поставщики азота нитратов — Волхов, Свирь, отчасти р. Бурная. Максимальная концентрация нитратов во всей толще воды наблюдается в конце периодов весенней и осенней циркуляции, с развитием планктона снижается количество нитратов в воде. Содержание азота нитратов колеблется в озере от 0,02 до 0,24 мг/л. В целом азотом фитопланктон обеспечен лучше, чем фосфором.
Неизменными потребителями кремния являются диатомовые водоросли, которым он нужен для построения их наружного кремневого скелета (створок). В ладожской воде содержится от 0,5 до 1 мг/л кремния и этого количества вполне достаточно для оптимального развития диатомовых. Пространственная неоднородность и сезонная изменчивость концентрации кремния зависят от объема речного стока, т. е. от гидрометеорологических условий года, и от колебаний численности фитопланктона, в котором диатомеи преобладают.
Гумусовые кислоты могут образовать с железом растворимые соединения, устойчивые к окислению и коагуляции (свертыванию), чем и объясняется высокая миграционная способность железа в обстановке Ладожского бассейна. В озеро ежегодно поступает 30 000 т железа. Когда речные воды смешиваются с озерными, большая часть железа выпадает в осадок, поэтому концентрация железа в воде сравнительно невелика закисного (которое преобладает в поверхностных слоях) — от 0,01 до 0,07 мг/л, окисного — от 0 до 0,14 мг/л. Окисное железо в минимуме зимой, в максимуме — летом. Ход закисного железа летом противоположен ходу окисного.
Химический баланс Ладожского озера
Приходная часть химического баланса слагается из ионного стока рек, впадающих в Ладожское озеро, и поступления ионов в озеро с грунтовыми водами и атмосферными осадками. Расход ионов осуществляется со стоком р. Невы.
Неувязка баланса оказалась очень небольшой: расход всего на 1,5% меньше прихода. Поэтому есть основания считать химический баланс ионов основного состава воды уравновешенным: накопления этих ионов в озере не происходит.
Органического вещества (органического углерода) приносится в озеро больше, чем уносится, но то, которое остается в озере, почти полностью здесь минерализуется. Следовательно, его роль в накоплении донных отложений невелика. Добавим, что органическое вещество планктона тоже почти полностью разлагается.
Кремний осаждается в озере — это находится в связи с жизнедеятельностью диатомовых. Ежегодно выпадает в осадок около 60 тыс. т кремния.
Железо тоже накапливается в озере: за год около 22 тыс. т. Выпадает в осадок и часть фосфора (приблизительно 400 т ежегодно).
Сток азота нитратов больше, чем приток. Превышение выноса из озера над приносом реками можно объяснить только тем, что соединения нитратного азота дополнительно образуются в самом озере. Это связано с процессами нитрификации, при которых скорость фиксации азота больше, чем скорость его денитрификации.
