hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(4)-2hydrophysics-1379Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESМодельные оценки межгодовой изменчивости характеристик экосистемы Ладожского озера в период с 1980 по 2020 годыModel estimates of interannual variability of the Lake Ladoga ecosystem characteristics in the period from 1980 to 2020https://orcid.org/0000-0003-2005-4949ИсаевА. В.IsaevA. V.

Исаев Алексей Владимирович, старший научный сотрудник, кандидат географических наук

WoS ResearcherID: C-1370–2014, Scopus AuthorID: 25641182000

г. Москва, Нахимовский проспект, д. 36

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997

isaev1975@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3909-537XРябченкоВ. А.RyabchenkoV. A.

Рябченко Владимир Алексеевич, главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук

WoS ResearcherID: R-3877-2016, Scopus AuthorID: 7005479766

г. Москва, Нахимовский проспект, д. 36

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997

vlaryabchenko@yandex.ruИнститут Океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian Federation2024090120251743242Copyright © Исаев А.В., Рябченко В.А., 20252025Исаев А.В., Рябченко В.А.Isaev A.V., Ryabchenko V.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1379

Многочисленные обобщения, основанные на натурных исследованиях, показывают, что пространственно-временное покрытие Ладожского озера данными наблюдений недостаточно для надёжной количественной оценки межгодовой изменчивости характеристик и биогеохимических потоков в экосистеме озера. В настоящей работе представлены оценки межгодовой динамики основных характеристик экосистемы и биогеохимических потоков в озере в период с 1980 по 2020 гг., полученные с помощью верифицированной трёхмерной эко-гидродинамической модели Ладожского озера. Выявлены особенности реакции экосистемы озера на снижение внешней фосфорной нагрузки на 39 % в течение исследуемого периода, которое сопровождается снижением биомассы и первичной продукции фитопланктона только на 30 %. Основным механизмом, объясняющим указанную реакцию экосистемы водоема, является увеличение скорости рециклинга за счет увеличения температуры воды в фотическом слое в вегетативный период, обусловленного изменением климата. Оценено время оборота фосфора в озере, которое составило примерно 5,4 года для рассматриваемого периода времени 1980–2020 гг.

Numerous generalizations based on field studies show that the spatiotemporal coverage of Lake Ladoga with observational data is insufficient for a reliable quantitative assessment of the interannual variability of the characteristics and biogeochemical fluxes in the lake ecosystem. This paper presents estimates of the interannual dynamics of the main ecosystem characteristics and biogeochemical fluxes in the lake for the period from 1980 to 2020, obtained using a verified three-dimensional eco-hydrodynamic model of Lake Ladoga. The features of the lake ecosystem response to a 39 % decrease in the external phosphorus load during the study period, which is accompanied by a decrease in phytoplankton biomass and primary production by only 30 %, are revealed. The main mechanism explaining this response of the reservoir ecosystem is an increase in the recycling rate due to an increase in water temperature in the photic layer during the growing season, caused by climate change. The phosphorus turnover time in the lake was estimated to be approximately 5.4 years for the considered period of 1980–2020.

межгодовая изменчивостьэкосистемабиогеохимические потокиматематическое моделированиеЛадожское озероinterannual variabilityecosystembiogeochemical fluxesmathematical modelingLake LadogaИсследование выполнено при поддержке грантов Российского научного фонда (проект № 23-17-20010) и Санкт-Петербургского научного фонда (проект № 23-17-20010).The research was supported by grants from the Russian Science Foundation (Project No. 23-17-20010) and the St. Petersburg Science Foundation (Project No. 23-17-20010).ReferencesЛадога / Под ред. В.А. Румянцева, С.А. Кондратьева. СПб.: Нестор-История, 2013. 468 с.Ladoga / Ed. by V.A. Rumiantsev, S.A. Kondratev. SPb.: Nestor-History; 2013, 468 p. (In Russian).Современное состояние и проблемы антропогенной трансформации экосистемы Ладожского озера в условиях изменяющегося климата // Под редакцией С.А. Кондратьева, Ш.Р. Позднякова и В.А. Румянцева. М.: Изд. РАН, 2021. 640 с.Current state and problems of anthropogenic transformation of the ecosystem of Lake Ladoga in a changing climate / Ed. by S.A. Kondratev, Sh.R. Pozdniakov, V.A. Rumiantsev. Moskva: RAS; 2021. 640 p. (In Russian).Поздняков Ш.Р., Кондратьев С.А., Расулова А.М., Коробченкова К.Д. Ладожское озеро — геостратегический водный объект Северо-Запада России и его зоны экологического риска // Гидрометеорология и экология. 2021. № 62. С. 139–161. doi:10.33933/2074–2762–2021–62–139–161Pozdnyakov Sh.R., Kondratyev S.A., Rasulova A.M. et.al. Lake Ladoga is a geostrategic water body in the North-West of Russia and its zone of environmental risk. Hydrometeorology and Ecology. 2021;62:139–161 (In Russian).Петрова Н.А., Антонов С.Е., Протопопова Е.В. Структурные и функциональные характеристики фитопланктона // Ладожское озеро: критерии состояния экосистемы / под. ред. Н.А. Петровой, А.Ю. Тержевика. СПб., 1992. С. 119–145.Petrova N.A., Antonov S.E., Protopopova E.B. Structural and functional characteristics of phytoplankton. Lake Ladoga: criteria for the state of the ecosystem / Ed. By N.A. Petrova, A. YU. Terzhevik. SPb., 1992. P. 119–145 (In Russian).Поздняков Д.В., Коросов А.А., Петрова Н.А. и др. Исследование «гистерезисного» характера возвращения Ладожского озера из мезотрофного // Исследования земли из космоса. 2009. № 1. С. 45–59.Pozdnyakov D.V., Korosov A.A., Petrova N.A. et.al. Investigation of a “Hysteretic” Nature of Lake Ladoga’s Coming Back from a Mesotrophic State. Issledovanie Zemlii z Kosmosa. 2009;1:45–49 (In Russian).Летанская Г.И., Протопопова Е.В. Современное состояние фитопланктона Ладожского озера (2005–2009 гг.) // Биология внутренних вод. 2012. № 4. С. 17–24.Letanskaya G.I., Protopopova E.V. The Current State of Phytoplankton in Lake Ladoga (2005–2009). Inland Water Biology. 2012;5(4):310–316 (In Russian).Петрова Н.А., Петрова Т.Н., Сусарева О.М., Иофина И.В. Особенности эволюции экосистемы Ладожского озера под влиянием антропогенного эвтрофирования // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 5. С. 580–589.Petrova N.A., Petrova T.N. Susareva O.M. et al. Specific features of Lake Ladoga ecosystem under the effect of anthropogenic eutrophication. Water Resources. 2010;37(5):674–683.Меншуткин В.В., Воробьева О.Н. Модель экологической системы Ладожского озера // Современное состояние Ладожского озера / Под ред. Н.А. Петровой и Г.Ф. Растлепиной. Л.: Наука, 1987. C. 187–200.Menshutkin V.V., Vorobieva O.N. A model of the ecological system of Lake Ladoga. The current state of the ecosystem of Lake Ladoga. Ed. N.A. Petrova, G.F. Raspletina. Leningrad: Nauka; 1987. p. 187–200 (In Russian).Rukhovets L.A., Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V. et al. Development of Lake Ladoga ecosystem models: modeling of the phytoplankton succession in the eutrophication process. I. // Ecological Modelling. 2003. Vol. 165(1). P. 49–77. doi:10.1016/S0304-3800(03)00061-9Rukhovets L.A., Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V. et al. Development of Lake Ladoga ecosystem models: modeling of the phytoplankton succession in the eutrophication process. I. Ecological Modelling. 2003;165(1):49–77. doi:10.1016/S0304-3800(03)00061-9Астраханцев Г.П. Моделирование экосистем больших стратифицированных озер / Г.П. Астраханцев, В.В. Меншуткин, Н.А. Петрова, Л.А. Руховец. СПб.: Наука, 2003. 363 с.Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V., Petrova L.A. et al. Modeling ecosystems of large stratified lakes. SPb.: Nauka; 2003. 363 p. (In Russian).Menshutkin V.V., Astrakhantsev G.P., Yegorova N.B. et.al. Mathematical modelling of the evolution and current conditions of the Ladoga Lake ecosystem // Ecological Modelling. 1998. Vol. 107. P. 1–24. doi:10.1016/S0304-3800(97)00184-1Menshutkin V.V., Astrakhantsev G.P., Yegorova N.B. et.al. Mathematical modelling of the evolution and current conditions of the Ladoga Lake ecosystem. Ecological Modelling. 1998;107:1–24. doi:10.1016/S0304-3800(97)00184-1Rukhovets L., Filatov N. Ladoga and Onego — Great European Lakes: Observations and modeling / Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2010. doi:10.1007/978-3-540-68145-8Rukhovets L., Filatov N. Ladoga and Onego — Great European Lakes: Observations and modeling / Berlin Heidelberg: Springer-Verlag; 2010. doi:10.1007/978-3-540-68145-8Исаев А.В., Рябченко В.А., Коник А.А. Воспроизведение современного климатического состояния экосистемы Ладожского озера // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17, № 2. С. 50–65. doi:10.59887/2073-6673.2024.17(2)-5Isaev A.V., Ryabchenko V.A., Konik A.A. Reproduction of the Current Climatic State of the Lake Ladoga Ecosystem. Fundamental and Appled Hydrophysics. 2024;17(2):50–65. doi:10.59887/2073-6673.2024.17(2)-5Marshall J., Adcrof A., Hill C., et al. A finite-volume, incompressible Navier Stokes model for studies of the ocean on parallel computers // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102, N C3. P. 5753–5766. doi:10.1029/96JC02775Marshall J., Adcrof A., Hill C., et al. A finite-volume, incompressible Navier Stokes model for studies of the ocean on parallel computers. Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997;102(C3):5753–5766. doi:10.1029/96JC02775Marshall J., Hill C., Perelman L. et al. Hydrostatic, quasi-hydrostatic, and nonhydrostatic ocean modeling // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102, N C3. P. 5733–5752. doi:10.1029/96JC02776Marshall J., Hill C., Perelman L., et al. Hydrostatic, quasi-hydrostatic, and nonhydrostatic ocean modeling. Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997;102(C3):5733–5752. doi:10.1029/96JC02776Savchuk O.P. Nutrient biogeochemical cycles in the Gulf of Riga: scaling up field studies with a mathematical model // Journal of Marine Systems. 2002. Vol. 32(4). P. 253–280. doi:10.1016/S0924-7963(02)00039-8Savchuk O.P. Nutrient biogeochemical cycles in the Gulf of Riga: scaling up field studies with a mathematical model. Journal of Marine Systems. 2002;32(4):253–280. doi:10.1016/S0924-7963(02)00039-8Исаев А.В., Савчук О.П., Филатов Н.Н. Трехмерная ретроспективная оценка биогеохимической динамики азота и фосфора в экосистеме Онежского озера за период с 1985 по 2015 гг. Часть I: Межгодовая изменчивость и пространственное распределение // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 76–97. doi:10.59887/fpg/e1m2-63b5-rhvgIsaev A.V., Savchuk O.P., Filatov N.N. Three-Dimensional Hindcast of Nitrogen and Phosphorus Biogeochemical Dynamics in Lake Onego Ecosystem, 1985–2015. Part I: Long-Term Dynamics and Spatial Distribution. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022;15(2):76–97. doi:10.48612/fpg/e1m2-63b5-rhvgСавчук О.П., Исаев А.В., Филатов Н.Н. Трехмерная ретроспективная оценка биогеохимической динамики азота и фосфора в экосистеме Онежского озера за период с 1985 по 2015 гг. Часть II: Сезонная динамика и пространственные особенности; интегральные потоки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 98–109. doi:10.59887/fpg/9mg5-run6-4zr8Savchuk O.P., Isaev A.V., Filatov N.N. Three-Dimensional Hindcast of Nitrogen and Phosphorus Biogeochemical Dynamics in Lake Onego Ecosystem, 1985–2015. Part II: Seasonal Dynamics and Spatial Features; Integral Fluxes. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022;15(2): 98–109. doi:10.48612/fpg/9mg5-run6-4zr8Sterner R.W., Elser J.J. Ecological stoichiometry: The biology of elements from molecules to the biosphere. Princeton University Press, 2002. 464 p.Sterner R.W., Elser J.J. Ecological stoichiometry: The biology of elements from molecules to the biosphere. Princeton University Press; 2002. 464 p.Reynolds C.S. The ecology of phytoplankton. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. doi:10.1017/CBO9780511542145Reynolds C.S. The ecology of phytoplankton. Cambridge: Cambridge University Press; 2006. doi:10.1017/CBO9780511542145Sterner R.W., Andersen T., Elser J.J. et al. Scale-dependent carbon: nitrogen: phosphorus seston stoichiometry in marine and freshwaters // Limnology and Oceanography. 2008. Т. 53, № 3. С. 1169–1180. doi:10.4319/lo.2008.53.3.1169Sterner R.W., Andersen T., Elser J.J. et al. Scale-dependent carbon: nitrogen: phosphorus seston stoichiometry in marine and freshwaters. Limnology and Oceanography. 2008;53(3):1169–1180. doi:10.4319/lo.2008.53.3.1169Sterner R. C: N: P stoichiometry in Lake Superior: freshwater sea as end member // Inland Waters. 2011. Vol. 1(1). P. 29–46. doi:10.5268/IW-1.1.365Sterner R. C: N: P stoichiometry in Lake Superior: freshwater sea as end member. Inland Waters. 2011;1(1):29–46. doi:10.5268/IW-1.1.365Bergström A.-K., Karlsson J., Karlsson D. et al. Contrasting plankton stoichiometry and nutrient regeneration in northern arctic and boreal lakes // Aquatic Sciences. 2018. Vol. 80, N2. P. 24. doi:10.1007/s00027-018-0575-2Bergström A.-K., Karlsson J., Karlsson D. et al. Contrasting plankton stoichiometry and nutrient regeneration in northern arctic and boreal lakes. Aquatic Sciences. 2018;80(2):24. doi:10.1007/s00027-018-0575-2Menden-Deuer S., Lessard E.J. Carbon to volume relationships for dinoflagellates, diatoms, and other protist plankton // Limnology and Oceanography. 2000. Vol. 45, N3. P. 569–579. doi:10.4319/lo.2000.45.3.0569Menden-Deuer S., Lessard E.J. Carbon to volume relationships for dinoflagellates, diatoms, and other protist plankton. Limnology and Oceanography. 2000;45(3):569–579. doi:10.4319/lo.2000.45.3.0569

The authors declare that there are no conflicts of interest present.