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

Для многолетнего реанализа экосистемы Онежского озера была использована трехмерная объединенная гидродинамическая биогеохимическая модель круговоротов азота и фосфора. Сопоставление моделирования и разрозненных нерегулярных наблюдений, представленное в первой части статьи, продемонстрировало достоверность восстановленных временных и пространственных особенностей биогеохимической динамики в многолетнем масштабе. В данной работе представлена сезонная динамика компонентов экосистемы и биогеохимических потоков. В качестве новой региональной фенологической информации дана количественная оценка весеннего цветения фитопланктона, которое ранее упускалось из виду, но достигает максимума 500 ± 128 мгC м^–2 сут^–1 в мае, что составляет примерно половину годовой первичной продукции озера в размере 17,0–20,6. гC м^–2 год^‑1, и вызывается увеличением доступности света, а не незначительным повышением температуры воды. Когерентные балансы питательных веществ обеспечивают надежные оценки времени пребывания фосфора и азота в 47 и 17 лет соответственно. Более короткое время пребывания азота объясняется денитрификацией отложений, которая в Онежском озере удаляет более 90 % биодоступного поступления азота, но часто игнорируется при исследованиях других крупных озер. Общая оценка работоспособности модели позволяет считать ее необходимым и надежным инструментом для сценарного моделирования возможных изменений экосистемы Онежского озера в требуемых пространственных и временных масштабах.

1. Meier H.E.M., Kniebusch M., Dieterich C., et al. Climate change in the Baltic Sea region: a summary // Earth System Dynamics. Copernicus GmbH, 2022. Vol. 13, N 1. P. 457–593. doi:10.5194/esd-13-457-2022

2. Reckermann M., Omstedt A., Soomere T., et al. Human impacts and their interactions in the Baltic Sea region // Earth System Dynamics. Copernicus GmbH, 2022. Vol. 13, N 1. P. 1–80. doi:10.5194/esd-13-1-2022

3. Di Toro D.M., Connolly J.P. Mathematical models of water quality in large lakes. Lake Erie eutrophication of waters: Monitoring // Assessment and Control. Paris: OECD, 1982, 154 p.

4. Straskraba M., Gnauck A. Freshwater ecosystems. Modelling and simulation. Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 1985.

5. Mooij W.M., Trolle D., Jeppesen E., et al. Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches // Aquatic Ecology. 2010. Vol. 44, N 3. P. 633–667. doi:10.1007/s10452-010-9339-3

6. Vinçon-Leite B., Casenave C. Modelling eutrophication in lake ecosystems: A review // Science of the Total Environment. 2019. N651. P. 2985–3001. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.09.139

7. 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.

8. Rukhovets L., Filatov N. Ladoga and Onego — Great European Lakes: Observations and modeling. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2010. doi:10.1007/978-3-540-68145-8

9. Диагноз и прогноз термогидродинамики и экосистемы великих озер России / Под ред. Н.Н. Филатова. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2020. 255 с. (In Russian).

10. Исаев А.В., Сачук О.П. Диагноз состояния экосистемы Ладожского озера и прогноз изменений при возможном изменении климата на основе математического моделирования биогеохимических потоков вещества // Диагноз и прогноз термогидродинамики и экосистемы великих озер России / Под ред. Н.Н. Филатова. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2020. С. 197–208.

11. Исаев 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. C. 76–97. doi:10.48612/fpg/e1m2–63b5-rhvg

12. Vehmaa A., Salonen K. Development of phytoplankton in Lake Pääjärvi (Finland) during under-ice convective mixing period // Aquatic Ecology. 2009. Vol. 43, N 3. P. 693–705. doi:10.1007/s10452-009-9273-4

13. Hampton S.E., Moore M.V., Ozersky T., et al. Heating up a cold subject: prospects for under-ice plankton research in lakes // Journal of Plankton Research. Oxford University Press (OUP). 2015. Vol. 37, N 2. P. 277–284. doi:10.1093/plankt/fbv002

14. Hampton S.E., Galloway A.W.E., Powers S.M., et al. Ecology under lake ice // Ecology Letters. 2017. Vol. 20, N 1. P. 98– 111. doi:10.1111/ele.12699

15. Salmi P., Salonen K. Regular build-up of the spring phytoplankton maximum before ice-break in a boreal lake // Limnology and Oceanography. 2016. Vol. 61, N1. P. 240–253. doi:10.1002/lno.10214

16. Maier D.B., Diehl S., Bigler C. Interannual variation in seasonal diatom sedimentation reveals the importance of late winter processes and their timing for sediment signal formation // Limnology and Oceanography. 2019. Vol. 64, N 3. P. 1186–1199. doi:10.1002/lno.11106

17. Yang B., Wells M.G., Li J., Young J. Mixing, stratification, and plankton under lake-ice during winter in a large lake: Implications for spring dissolved oxygen levels // Limnology and Oceanography. 2020. Vol. 65, N 11. P. 2713–2729. doi:10.1002/lno.11543

18. Shchur L.A., Bondarenko N.A. Comparative analysis of phytoplankton of the Baikal and Khanka Lakes // Hydrobiological Journal. 2012. Vol. 48, N 3. doi:10.1615/HydrobJ.v48.i3.20

19. Sterner R.W. In situ-measured primary production in Lake Superior // Journal of Great Lakes Research. 2010. Vol. 36, N 1. P. 139–149. doi:10.1016/j.jglr.2009.12.007

20. Urban N.R., Auer M.T., Green S.A., et al. Carbon cycling in Lake Superior // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, N C6. doi:10.1029/2003JC002230

21. Bennington V., McKinley G.A., Urban N.R., et al. Can spatial heterogeneity explain the perceived imbalance in Lake Superior’s carbon budget? A model study // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2012. Vol. 117, N G3. doi:10.1029/2011JG001895

22. Urban N.R. Nutrient cycling in Lake Superior: A retrospective and update. State of Lake Superior. Michigan State University Press, 2009.

23. Adams M.S., Meinke T.W., Kratz T.K. Primary productivity of three Wisconsin LTER lakes, 1985–1990 // SIL Proceedings, 1922–2010. Taylor & Francis, 1993. Vol. 25, N 1. P. 406–410. doi:10.1080/03680770.1992.11900149

24. Fahnenstiel G., Pothoven S., Vanderploeg H., et al. Recent changes in primary production and phytoplankton in the offshore region of southeastern Lake Michigan // Journal of Great Lakes Research. 2010. Vol. 36. P. 20–29. doi:10.1016/j.jglr.2010.03.009

25. Теканова Е.В., Сярки М.Т. Особенности фенологии первично-продукционного процесса в пелагиали Онежского озера // Известия РАН. Серия Биологическая. 2015. № 6. doi:10.1134/S1062359015060114

26. Bunting L., Leavitt P.R., Simpson G.L., et al. Increased variability and sudden ecosystem state change in Lake Winnipeg, Canada, caused by 20th century agriculture // Limnology and Oceanography. 2016. Vol. 61, № 6. P. 2090–2107. doi:10.1002/lno.10355

27. Калинкина Н.М., Белкина Н.А. Динамика состояния бентосных сообществ и химического состава донных отложений Онежского озера в условиях действия антропогенных и природных факторов // Принципы экологии. 2018. Т. 27, № 2. С. 56–74. doi:10.15393/j1.art.2018.7643

28. Сярки М.Т., Теканова Е.В. Сезонный цикл первичной продукции в Онежском озере // Известия РАН. Серия Биологическая. 2008. № 5. doi:10.1134/S1062359008050166

29. Jansen J., MacIntyre S., Barrett D.C., et al. Winter limnology: How do hydrodynamics and biogeochemistry shape ecosystems under ice? // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2021. Vol. 126, N 6. P. e2020JG006237. doi:10.1029/2020JG006237

30. Fahnenstiel G.L., Scavia D. Dynamics of Lake Michigan phytoplankton: the deep chlorophyll layer // Journal of Great Lakes Research. 1987. Vol. 13, N 3. P. 285–295. doi:10.1016/S0380-1330(87)71652-9

31. Rowe M.D., Anderson E.J., Wang J., Vanderploeg H.A. Modelling the effect of invasive quagga mussels on the spring phytoplankton bloom in Lake Michigan // Journal of Great Lakes Research. 2015. Vol. 41. P. 49–65. doi:10.1016/j.jglr.2014.12.018

32. Boedecker A.R., Niewinski D.N., Newell S.E. et al. Evaluating sediments as an ecosystem service in western Lake Erie via quantification of nutrient cycling pathways and selected gene abundances // Journal of Great Lakes Research. 2020. Vol. 46, N 4. P. 920–932. doi:10.1016/j.jglr.2020.04.010

33. Vahtera E., Conley D.J., Gustafsson B.G. et al. Internal ecosystem feedbacks enhance nitrogen-fixing cyanobacteria blooms and complicate management in the Baltic Sea // AMBIO. 2007. Vol. 36, N 2. P. 186–194. doi:10.1579/0044–7447(2007)36[186:IEFENC]2.0.CO;2

34. Savchuk O.P. Large-scale nutrient dynamics in the Baltic Sea, 1970–2016 // Frontiers Marine Science. 2018. Vol. 5. P. 95. doi:10.3389/fmars.2018.00095

35. Schindler D.W., Hecky R.E., McCullough G.K. The rapid eutrophication of Lake Winnipeg: Greening under global change // Journal of Great Lakes Research. 2012. Vol. 38. P. 6–13. doi:10.1016/j.jglr.2012.04.003

36. Zhang W., Rao Y.R. Application of a eutrophication model for assessing water quality in Lake Winnipeg // Journal of Great Lakes Research. 2012. Vol. 38. P. 158–173. doi:10.1016/j.jglr.2011.01.003

37. Sterner R.W., Reinl K.L., Lafrancois B.M., et al. A first assessment of cyanobacterial blooms in oligotrophic Lake Superior // Limnology and Oceanography. 2020. Vol. 65, N 12. P. 2984–2998. doi:10.1002/lno.11569

38. Howarth R.W., Chan F., Swaney D.P., et al. Role of external inputs of nutrients to aquatic ecosystems in determining prevalence of nitrogen vs. phosphorus limitation of net primary productivity // Biogeochemistry. 2021. doi:10.1007/s10533-021-00765-z

39. Efremova T.A., Sabylina A.V., Lozovik P.A., et al. Seasonal and spatial variation in hydrochemical parameters of Lake Onego (Russia): insights from 2016 field monitoring // Inland Waters. Information UK Limited. 2019. Vol. 9, N 2. P. 227–238. doi:10.1080/20442041.2019.1568097

40. Galakhina N., Zobkov M., Zobkova M. Current chemistry of Lake Onego and its spatial and temporal changes for the last three decades with special reference to nutrient concentrations // Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management. 2022. Vol. 17. P. 100619, doi:10.1016/j.enmm.2021.100619

41. Savchuk 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, N 4. P. 253–280. doi:10.1016/S0924-7963(02)00039-8

42. Savchuk O.P. Resolving the Baltic Sea into seven subbasins: N and P budgets for 1991–1999 // Journal of Marine Systems. 2005. Vol. 56, N 1. P. 1–15. doi:10.1016/j.jmarsys.2004.08.005

43. Savchuk O.P. Large-Scale nutrient dynamics in the Baltic Sea, 1970–2016 // Frontiers Marine Sciences. 2018. Vol. 5. P. 95. doi:10.3389/fmars.2018.00095

44. Лозовик П.А., Бородулина Г.С., Карпечко Ю.В. и др. Биогенная нагрузка на Онежское озеро по данным натурных наблюдений // Труды Карельского Научного Центра Российской Академии Наук. 2016. № 5. С. 35–52. doi:10.17076/lim303

45. Страховенко В.Д., Белкина Н.А., Ефременко Н.А. и др. Первые данные по минералогии и геохимии взвеси онежского озера // Геология и Геофизика. 2022. № 1. С. 3–19. doi:10.15372/GiG2020198

46. Finlay J.C., Sterner R.W., Kumar S. Isotopic evidence for in-lake production of accumulating nitrate in Lake Superior // Ecological Applications. 2007. Vol. 17, N8. P. 2323–2332. doi:10.1890/07–0245.1

47. Scavia D., Allan J.D., Arend K.K., et al. Assessing and addressing the re-eutrophication of Lake Erie: Central basin hypoxia // Journal of Great Lakes Research. 2014. Vol. 40, N 2. P. 226–246. doi:10.1016/j.jglr.2014.02.004

48. Saunders D.L., Kalff J. Denitrification rates in the sediments of Lake Memphremagog, Canada — USA // Water Research. 2001. Vol. 35, N 8. P. 1897–1904. doi:10.1016/S0043–1354(00)00479–6

49. Small G.E., Finlay J.C., McKay R.M.L., et al. Large differences in potential denitrification and sediment microbial communities across the Laurentian great lakes // Biogeochemistry. 2016. Vol. 128, N 3. P. 353–368. doi:10.1007/s10533-016-0212-x

50. Small G.E., Cotner J.B., Finlay J.C., et al. Nitrogen transformations at the sediment — water interface across redox gradients in the Laurentian Great Lakes // Hydrobiologia. 2014. Vol. 731, N 1. P. 95–108. doi:10.1007/s10750-013-1569-7

51. Nürnberg G.K., LaZerte B.D. More than 20years of estimated internal phosphorus loading in polymictic, eutrophic Lake Winnipeg, Manitoba // Journal of Great Lakes Research. 2016. Vol. 42, N 1. P. 18–27. doi:10.1016/j.jglr.2015.11.003

52. Ignatieva N.V. Distribution and release of sedimentary phosphorus in Lake Ladoga // Hydrobiologia. 1996. Vol. 322, N 1. P. 129–136. doi:10.1007/BF00031817