Динамика температуры воды прибрежной зоны озера Байкал (на примере западного борта южной котловины)

Авторы: Тимошкин О.А., Медвежонкова О.В., Троицкая Е.С., Тютрин А., Ямамуро М.

Правообладатель: Тимошкин О.А.

Краткое введение

1. Важность изучения прибрежной зоны Байкала

Прибрежная зона озера Байкал включает мелководную (от уреза до границы склона), заплесковую (буферную), и надводную части. Комплексное, междисциплинарное исследование современного состояния прибрежной зоны весьма актуально как с точки зрения фундаментальной науки, так и в прикладном аспекте. В мелководной зоне озера сосредоточено максимальное разнообразие многих групп бентосных организмов, включая эндемиков (Кожов, 1931; Гаврилов, 1950; Тимошкин, 2001). Показано, что большинство видов в 14 самых больших озерах планеты населяют мелководную (прибрежную) зону, 72% из них полностью ограничены литоральной зоной даже в том случае, если литораль занимает небольшую часть озерной площади (Vadeboncoeur et al., 2011). Биотопические неоднородности и необычность абиотических условий этой зоны являются причиной относительного обилия эволюционно молодых видов, поэтому именно в мелководной и заплесковой зонах наиболее успешно можно изучать «первые шаги эндемического видообразования» (Timoshkin et al., 2003; Тимошкин и др., 2011; 2012). В условиях озера рифтового генезиса, в каменистой литорали образуются необычные сообщества биопленок и прикрепленных организмов (губки, лишайники, водоросли), способных разрушать каменный материал; выделяющиеся при этом биогены становятся доступными для других групп фито- и зообентоса (Парфенова и др., 2008; Куликова и др., 2008; 2009; 2011; Логачева и др., 2009; Мальник и др., 2009; Тимошкин и др., 2009; 2011, 2012 а; б). Выявлено, что мелководная зона (включая заплесковую) подвержена наиболее активному влиянию антропогенной деятельности: грунты прибрежной и заплесковой зоны являются своеобразным буфером, фильтром, защищающим чистоту озера от бытовых сточных вод прибрежных поселков; в заплесковой зоне наблюдаются максимальные скопления бытового мусора.

2. Важность изучения температурного режима прибрежной зоны

В научной литературе, периодической печати и на электронных ресурсах последних лет все чаще стали появляться сообщения об изменениях гидрохимического, микробиологического режимов вод, а также прибрежных фито- и зооценозов. В ряде заливов и бухт озера наблюдалось массовое цветение необычных для Байкала макрофитов, нитчатых водорослей (Тимошкин и др., 2012 а; б; http://baikal-info.ru/archives/21411; Кравцова и др., 2012). Среди ученых пока не сложилось единой точки зрения на причины этих явлений. Как показали исследования последних лет, антропогенное воздействие на озеро наиболее легко диагностировать в прибрежной зоне. Особую актуальность исследования этой зоны приобретают в связи с планами Монгольского правительства на строительство гидроэлектростанций на притоках р. Селенга и переброске части селенгинских вод на орошение пустыни Гоби (http://www.minis.mn/eng/news/events/120-medee; Фонд дикой природы России, 2012; http://www.ot.mn/en/node/2679). По мнению ряда экспертов, это может привести к 20% уменьшению общего объема стока р. Селенга и повлиять на уровень воды в Байкале. Комплексных исследований прибрежной зоны Байкала (включая ее наземную часть), претендующих на роль фоновых по многим разделам биологии, химии, либо не проводили, либо они были узко ограничены географически, а потому – явно недостаточны. К сожалению, гидрология прибрежной зоны озера Байкал вообще, и динамика температуры воды в этой зоне – в частности – также весьма слабо изученная область лимнологии Байкала. В 1920-1940-е гг. проводились регулярные в течение одного года и спорадические измерения на разрезах и отдельных вертикалях в прибрежной мелководной зоне Лиственничного залива, напротив пади Абутеихи, Истокском, Посольском ссорах, в озере-соре Рангатуй и заливе Провал. Эти материалы были собраны и проанализированы Л.Л. Россолимо (Россолимо, 1957). Немногочисленность исходных данных (Крохин, 1939; Кожов, 1947) позволила сделать лишь предположения об основных чертах и некоторых особенностях температурного режима в период зимнего охлаждения, зимнего подлёдного прогрева, весеннего и летнего прогрева. В своем труде Л.Л. Россолимо наметил также задачи дальнейших исследований, которые актуальны и сегодня. Проведенные в 2003-2006 гг. измерения температуры воды у м. Березовый (Тимошкин и др., 2009) достаточно объемны (круглогодичные измерения на нескольких глубинах, входят как составная часть в настоящую базу данных), однако носят лишь описательный характер и пока проанализированы слабо.

Температура воды является одним из главных факторов, лимитирующих жизнедеятельность и динамику водных сообществ. С изменением температуры связаны и другие параметры окружающей среды, например, количество кислорода, биогенных элементов, органических веществ и т.д. Температурные условия в прибрежной зоне озера достаточно изменчивы. Как правило, повышение температуры ведет к увеличению численности сообществ. В бентосных сообществах мелководной и заплесковой зоны пик численности приходится на наиболее жаркие летние месяцы. Зимой донные сообщества имеют низкую численность, а обитатели промерзающей зоны заплеска стремятся перейти в литораль или углубиться в грунт. Сообщества заплесковой зоны приспособлены к очень эфемерным условиям среды, в которых вслед за изменением температуры, инсоляции, ветровой активности изменяется количество поровой воды и, следовательно, сокращается жизненное пространство.

Ряд ученых придерживается мнения, что основной причиной современных изменений в прибрежных сообществах, оз. Байкал является глобальное потепление климата, что доказывается на примере пелагических систем (Izmest'eva L. R., et al., 2016). К сожалению, эта точка зрения пока является безосновательной для бентосных прибрежных сообществ – ведь сведений по динамике температуры придонной воды прибрежной зоны в масштабах всего Байкала, или хотя бы в масштабах отдельных котловин озера не существует. Первичные данные измерений, проводившихся отдельными учеными (см. ниже) в некоторых районах озера, пока не доступны. Выше было показано, что в современный период крупномасштабных изменений в экологии и биоразнообразии прибрежных сообществ эти данные приобретают особую важность.

Нами проводились измерения температуры воды прибрежной зоны Байкала начиная с 2000 г. Они охватывают разные временные интервалы, глубины измерения и районы озера. Вначале измерения проводились спорадически, с помощью ртутных или электронных термометров, и ограничивались сроком проведения экспедиции. В дальнейшем (примерно с 2003 г.), с появлением программируемых логгеров, частота и продолжительность измерений увеличивались. При этом использовались датчики автоматического измерения температуры моделей Optic StowAway Temp (C) ONSET Tid Bit Loggers и HOBO Loggers. Как правило, измерения производились один раз в 30, либо – 1 раз в 60 минут, на протяжении нескольких дней, недель или месяцев, в зависимости от продолжительности экспедиций или характера проводимых исследований. Наиболее регулярные и долговременные ряды измерений (продолжительностью до года и более) нами были получены для междисциплинарного полигона Березовый, в рамках исследований по экологии прибрежной зоны, проводившихся в 2000 – 2006 гг. Часть информации по этому участку прибрежной зоны, расположенному между мысами Березовый и Сытый (Обутеиха) (рис. 1)

Рис. 1. Расположение стандартной трансекты на экологическом полигоне Березовый и станций темепратурных измерений.

в виде графиков была опубликована ранее (Оболкин и др., 2005; Оболкина и др., 2009; Тимошкин и др., 2009). В этих же главах опубликованы схемы расположения станций по измерению температуры на полигоне Березовый, приведены глубины, координаты и другие характеристики. Общее число измерений придонной температуры, полученное нами для этого участка прибрежной зоны Байкала, составляет 96575.

Еще один район озера, на котором проводились и продолжают проводиться многолетние измерения температуры воды в прибрежной зоне, является губа Большие Коты. Опять-таки, часть этих измерений за 2006-2007 гг. была опубликована в виде графиков (Тимошкин и др., 2010-2011), без предоставления оригинальных рядов наблюдений. Кроме прибрежной зоны озера, температура воды спорадически измерялась в двух притоках Байкала, впадающих в озеро в границах губы: ручей Жилище и р. Большая Котинка (рис. 2). Графики изменения температуры в районе губы Большие Коты и рек Большая Котинка, Жилище, полученные нами во время летних экспедиций 2006-2008 гг., также опубликованы (Тимошкин, Зайцева, 2009).

Рис. 2. Место расположения станций измерения температуры в губе Большие Коты.

В связи с проведением исследований по экологии зоны заплеска и приурезовой зоны (обзор проблемы – см. Тимошкин и др., 2011, 2012; Томберг и др., 2012, Куликова и др., 2012), а также поиска зависимости придонной и интерстициальной температуры от температуры воздуха, нами также с разной степенью регулярности измерялась температура интерстициальной воды и воздуха. Станции измерений на протяжении нескольких лет располагались прямо напротив стационара ЛИН СО РАН в пос. Большие Коты (рис. 2). Как правило, логгеры располагались по следующей схеме: 1) на глубине 3 +/- 0.3 м в районе пирса стационара (нередко температура воды на этой станции в подледный период параллельно измерялась 2-мя логгерами), 2) на расстоянии 1 м ниже уреза, 3) на урезе и 4) на расстоянии 1 м выше уреза. Два логгера, измерявшие температуру воздуха в прибрежной зоне, располагались в защищенном от солнечных лучей участке берега, примерно в 5 – 12 м от уреза воды. Это расстояние менялось в зависимости от уровня воды в озере. Местоположение трех логгеров, измерявших температуру в приурезовой зоне, также менялось в зависимости от уровня воды в озере – они переносились вручную. На первой станции измерения проводились круглогодично, в приурезовой зоне и на воздухе – в период открытой воды, т.е. – как правило, с мая по октябрь. Общее число измерений, полученное нами для этого участка прибрежной зоны Байкала, составляет 34922 – для воздуха, 43903 для глубины 3 м, 11649 для уреза, 25780 для станции, расположенной в 1 м выше уреза и 11192 – для станции, расположенной в 1 м ниже его.

Таким образом, настоящая база данных включает 239310 измерений температуры воды прибрежной зоны, 236071, или – 98,6% этих сведений относятся к западному побережью Южного Байкала, районам мыса Березовый и губы Большие Коты. Измерения придонной температуры продолжаются и в настоящее время. Логгеры установлены на полигоне Березовый, напротив пади Черная и стационара ЛИН СО РАН в пос. Большие Коты, а также – в заливе Лиственничный. Следовательно, база данных будет ежегодно пополняться новыми сведениями.

Благодарности.Мы искренне благодарны следующим коллегам, подарившим нам часть логгеров для измерения температуры: Проф. М. Юма (Япония), проф. М. Мур (США). Покупка более 10 логгеров произведена в частном порядке, за деньги спонсоров. Сбор материала, а также создание базы данных частично поддержано госбюджетными проектами 2000-2010 гг., проектами № 0345-2014-003 «Современное состояние, биоразнообразие и экология прибрежной зоны озера Байкал», № 0345–2016–0009 «Крупномасштабные изменения в экологии и биоразнообразии сообществ прибрежной зоны озера Байкал: междисциплинарное исследование, выявление причин, прогноз развития» (рук. Тимошкин О.А.), а также совместным японо-российским проектом KAKENHI No 15H05112 (рук. М. Ямамуро). За перевод текста на английский язык благодарим Елену Михайловну Тимошкину (сотрудник лаборатории биологии водных беспозвоночных ЛИН СО РАН).

Список использованной литературы

Гаврилов Г. Б. Богатство фауны прибрежной зоны Байкала / /Природа. – 1950. – №. 9. – С. 67-69.

Кожов М.М. К познанию фауны Байкала, ее распределение и условия обитания // Изв. Биол.-геогр. НИИ при Иркутском ун-те. – 1931. – Т. 5, №1. – С. 1-171.

Кожов М.М. Животный мир оз. Байкал. Огиз: Иркутск. - 1947. – 300 с.

Кравцова Л.С., Ижболдина Л.А. и др. Нарушение вертикальной зональности зеленых водорослей в открытом Лиственничном заливе озера Байкал, как следствие локального антропогенного воздействия // ДАН. - 2012. - 447, № 2. - 227-229.

Крохин Е. М. Некоторые особенности зимнего термического режима литорали на Байкале // Труды Байкальской лимн. ст. АН СССР. – 1939. – №. 9. – С. 133-147.

Куликова Н.Н., Сутурин А.Н. и др. Первые сведения о разнообразии, экологии и химическом составе водных и околоводных лишайников (Lichenes) каменистой литорали озера Байкал // Сиб. экол. журн. – 2008. - № 3. – С. 399-406.

Куликова Н.Н., Сутурин А.Н. и др. Роль водных лишайников в биогеохимических процессах каменистой литорали озера Байкал // Биология внутренних вод. – 2009. - № 2. – С. 41-46.

Куликова Н. Н., Сутурин А. Н. и др. Геологическая и биогеохимическая роль накипных водных лишайников оз. Байкал // Геохимия. – 2011. - № 1. – С. 71-80.

Куликова Н. Н., А. Н. Сутурин, Е. В. и др. Биогеохимия прибрежной зоны бухты Большие Коты (Южный Байкал) // Известия ИГУ. Серия 'Биология. Экология'. – 2012. – Т. 5, № 3.- С. 75-87.

Логачева Н. Ф., Тимошкин О. А., Сутурин А. Н. Особенности распределение микрофитобентоса на искусственном субстрате – пластинах, изготовленных из геологических пород разного типа, слагающих дно каменистой литорали в районе полигона у мыса Березовый // Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна: в 2 томах. Т. II: Водоемы и водотоки юга Восточной Сибири и Северной Монголии, книга 1. Новосибирск: Наука. – 2009. – 933-935 с.

Мальник В. В., Тимошкин О. А., Бойко С. М. Предварительные сведения о качественных и количественных характеристиках микрофлоры, ассоциированной в развитии с подводными лишайниками и коровыми губками сем. Lubomirskiidae, населяющими геологические породы разного типа // Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна: в 2 томах. Т. II: Водоемы и водотоки юга Восточной Сибири и Северной Монголии, книга 1. Новосибирск: Наука. – 2009. – С. 888-891.

Оболкин В.А., Тимошкин О.А. и др. Динамика температуры воды по данным непрерывного измерения с помощью датчиков StowAway TidBit Loggers на полигоне мыса Березовый (Южный Байкал) и влияние на нее метеорологических факторов // Четвертая Верищагинская байкальская конференция. Тезисы докладов и стендовых сообщений. 26 сентября - 1 октября, 2005 г.; Иркутск: изд-во Ин-та географии СО РАН. – 2005. – С. 142-143.

Оболкина Л. А., Бондаренко Н. А. и др. Подледный планктон над открытой литоралью озера Байкал // Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна: в 2 томах. Т. II: Водоемы и водотоки юга Восточной Сибири и Северной Монголии, книга 1. Новосибирск: Наука. – 2009. – С. 799-814.

Парфенова В. В., Мальник В. В. и др. Сообщества гидробионтов, развивающиеся на поверхности раздела фаз вода-горные породы оз. Байкал // Экология. – 2008. - № 3. – С. 211-216.

Россолимо Л.Л. Температурный режим озера Байкал // Тр. байк. лимнол. ст. ВСФ АН СССР. – 1957. – Т. XVI. – 552 с.

Тимошкин О.А., Ситникова, Т.Я. и др. Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна. Том I. Озеро Байкал, кн.1. Новосибирск: Наука. – 2001. – Т.1. - 832 с.

Тимошкин О.А., Зайцева Е.П. Динамика температуры воды в мелководной зоне западного борта южного Байкала (район залива Большие Коты, рек Большая Котинка и Жилище) по данным измерений с помощью датчиков ONSET StowAway Tid Bit Loggers // Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна: в 2 томах. Т. II: Водоемы и водотоки юга Восточной Сибири и Северной Монголии, книга 1. Новосибирск: Наука. – 2009. – С. 732-759.

Тимошкин О.А., Иванов В. Г. Оболкин В. А. и др. Динамика температуры воды в мелководной зоне западного борта южного Байкала в районе междисциплинарного полигона у мыса Березовый по данным непрерывного измерения с помощью датчиков ONSET StowAway Tid Bit Loggers // Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна: в 2 томах. Т. II: Водоемы и водотоки юга Восточной Сибири и Северной Монголии, книга 1. Новосибирск: Наука. – 2009. – С. 727-731.

Тимошкин О.А. , В.И. Провиз и др. // Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна: в 2 томах. Т. II: Водоемы и водотоки юга Восточной Сибири и Северной Монголии, книга 2. Новосибирск: Наука. – 2011. – 1668 с.

Тимошкин О. А., Сутурин А. Н. и др. Биология прибрежной зоны озера Байкал Сообщение 1. Заплесковая зона: первые результаты междисциплинарных исследований, важность для мониторинга экосистемы // Известия ИГУ. Серия «Биология. Экология». – 2011. – Т. 4, № 4. – С.75-110. Статья напечатана в английском варианте в журнале Известия ИГУ.Серия «Биология. Экология». – 2012а – Т. 5, № 3. – С.33-46

Тимошкин О. А., Вишняков В. С. и др. Биология прибрежной зоны озера Байкал. Сообщение 2. Береговые скопления заплесковой зоны: классификация, сезонная динамика количественных и качественных показателей их состава // Известия ИГУ. Серия 'Биология. Экология'; . – 2012б. – Т. 5, № 1. – С.40-91.

Томберг И. В., Сакирко М. В. и др. Тимошкин Первые сведения о химическом составе интерстициальных вод заплесковой зоны озера Байкал // Известия ИГУ. Серия 'Биология. Экология'. – 2012. – Т. 5, № 3. – С. 64-74.

Timoshkin O., Wada Ei. et al. Landscape Ecological Approach in Lacustrine Ecosystems: Towards Establichment of the Universal Pattern of the Ecosystem's Monitoring // DIWPA SYMPOSIUM ' Perspectives of the Biodiversity Research in the Western Pacific and Asia in the 21-st Century. Japan. – 2003. – С. 52-53.

Vadeboncoeur Y., McIntyre P. B., Vander Zanden M. J. Borders of biodiversity: life at the edge of the world's large lakes // BioScience. – 2011. – V. 61, № 7. – P. 526-537.

Izmest'eva L. R., Moore M., Hampton S. et al. Lake-wide physical and biological trends associated with warming in Lake Baikal // Journal of Great Lakes Research. - 2016. V. 42 – P. 6–17.