Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Оценка экологического состояния малых рек и ручьев (малые водотоки) о. Сахалин крайне важна, поскольку большинство таких водотоков имеет нерестовое значение для многих ценных видов рыб, включая тихоокеанских лососей. Наряду с чистотой, важный аспект водотока, как среды обитания гидробионтов, является его трофность. В результате региональных особенностей малых нерестовых лососевых водотоков о. Сахалин, в зимний период достигается наилучшая выживаемость икры и молоди тихоокеанских лососей в нерестовых буграх за счет низкой продуктивности, небольшого содержания органических веществ в воде и грунте, взвешенных веществ в воде и тонких фракций в грунте, высокого содержания кислорода, хорошей омываемости бугров и т.д. В реках и ручьях (участках рек) с каменистым руслом, достаточно высокими скоростями течения 0,1–5 м/с, характеризующихся снеговым или дождевым питанием, главным автотрофным продуцентом органического вещества является перифитон, тогда как продукция фитопланктона малозначительна [1–3]. Кроме того, лентические системы являются стоком углекислого газа в атмосферу, в отличие от озерных и океанических экосистем, которые, наоборот, в большей степени поглощают углерод [4–6] и изучение трансформации баланса углерода на разделе вода – атмосфера вдоль речного континуума, начиная от истоков до устья рек, имеет большое значение [7–9]. Величина эмиссии СО2 более изменчива в водотоках арктического и умеренного пояса, чем субтропического и тропического [10]. Сток CO2 в атмосферу из текучих водотоков всего мира варьируются от 0,8 до 2,3 PgC/в год в пересчете на углерод [11].

Таким образом, оценка элементов биогеохимического цикла углерода в таком водотоке для о. Сахалин важна для понимания общего баланса потока парниковых газов на региональном уровне. Большинство малых водотоков о. Сахалин в верхнем и среднем течении по гидрологическим характеристикам относят к предгорному типу, поэтому перифитон будет определяющим первичную продукцию экосистемы реки компонентом, а фитопланктон – вспомогательным, а полученные оценки поглощения и эмиссии углекислого газа в дальнейшем можно применять и для других водотоков подобного типа.

Цель исследования состоит в оценке влияния гидрохимических параметров р. Рогатка на первичную продукцию фитопланктона и фитоперифитона, определение трофического статуса водотока и расчет потоков углекислого газа через речную экосистему.

Материалы и методы исследования

Река Рогатка – левый приток второго порядка, впадает в р. Красносельскую, которая, в свою очередь, впадает в р. Сусуя. Река Рогатка протекает по территории Южно-Сахалинска, на ней обустроено водохранилище (площадь водного зеркала 0,09441 км2) для хозяйственно-питьевого водоснабжения города. Длина около 10 км, площадь водосбора 43 км2, имеет 14 притоков длиной менее 10 км [12]. Прилегающая местность гористая, густо поросшая смешанным лесом с преобладанием хвойных пород. Средняя высота водосбора составляет 390 м. Средневзвешенный уклон русла – 69‰. Ширина долины по дну 100–150 м, грунты преимущественно суглинистые, местами обнажены известняковые горные породы, растворимость которых возрастает с уменьшением рН воды. Питание – смешанное с преобладанием снегового. Лед устанавливается во второй декаде декабря, начало весеннего ледохода в первой декаде апреля. Сплошного ледового покрова на реке не образуется. Ширина русла – 3–10 м, глубина реки – 0,2–0,5 м, скорость течения 1–2 м/с, среднегодовой расход воды невелик и составляет всего 0,52 м3/с, среднегодовой модуль стока – 27,4 л/с*км2. Средний слой стока 863 мм, на весну (апрель – июнь) приходится 50,6 %. Температура воды в реке не превышает 12 °С в течение года [12, 13]. Годовая сумма осадков по метеостанции г. Южно-Сахалинск составляет 822 мм, из которых в холодный период с ноября по март выпадает 263 мм, в теплый период – 559 мм. Мутность в течение года изменяется от 383 до 7226 мг/дм3 (в среднем 2866 мг/дм3) [14].

Химический состав воды р. Рогатка характеризуется выраженным преобладанием катионов Са2+ (7,6–8 мг/л в половодье и 9–16 мг/л в межень) и анионов НСО3- (27–32 мг/л в половодье и 33–49 мг/л в межень). Суммарная концентрация ионов составляет 55–59 мг/л в период половодья и 59–88 – в меженный период. Минерализация невысокая и не превышает 100 мг/л [13].

Река Рогатка является нерестовой для тихоокеанских лососей (горбуша, кета), хотя проход на все нерестилища невозможен из-за зарегулированности русла водохранилищем.

Пробы воды, фитопланктона и перифитона отбирали весной (март – апрель) 2021 г. на пяти станциях (рис. 1). Конечно, в толще воды текучих водотоков наряду с микроводорослями присутствуют гетеротрофные организмы, поэтому понятие фитопланктон здесь весьма условное. Тем не менее в дальнейшем мы будем придерживаться именно такого определения.

Станция № 1 – располагается на территории Городского парка. Ширина русла 2 м, берега укреплены каменной наброской, которая частично смыта в русло. Глубина 5 см у берега, 20 см – на середине водотока. Каменная наброска обросла перифитоном.

Рис. 1. Схема и фото станций

Станция № 2 – располагается на территории Городского парка западнее на 200 м станции № 1. Ширина русла 3 м. Дно состоит из валунов и камней, обросших перифитоном, глубина у берега 6 см, посередине 15 см.

Станция № 3 – располагается на территории Городского парка западнее на 200 м станции № 2. Ширина русла в месте отбора проб 1,5 м. Дно состоит из камней, перифитон на которых слабо развит. Глубина в месте отбора проб 11 см.

Станция № 4 – располагается в пределах городской застройки. В 30 м от станции над рекой построен пешеходный мост. Поблизости находятся предприятия общепита и различные магазины. Ширина русла в месте отбора проб 3,6 м. Глубина в месте отбора проб 23 см. Дно состоит из камней и глины.

Станция № 5 – также располагается в пределах городской застройки ниже по течению от станции № 4 в непосредственной близости от различных зданий. Ширина русла в месте отбора проб 9 м. Глубина в месте отбора проб 16 см. Дно состоит из камей и валунов, засорено пакетами, дорожными знаками и прочим бытовым мусором.

По гидрологическим и морфологическим параметрам изученный участок можно охарактеризовать как предгорно-равнинный.

На месте отбора проб определяли освещенность и температуру (метеостанция Mastech MS6300), скорость течения (гидрометрическая микровертушка ГМЦМ – 1), температуру и рН воды (рН-метр Hanna, модель HI 83141), отбирали воду в кислородные склянки для анализа кислорода (методом Винклера). Величину первичной продукции (ПП) определяли отдельно для фитопланктона (в склянки добавляли речную воду) и перифитона (в склянки добавляли навеску перифитона, собранного c точной площади) (застой склянок 24 ч) [15, 16].

Определение содержания растворенного кислорода проводили методом Винклера согласно РД 52.24.419. Биохимическое потребление кислорода определяли за 5 суток согласно РД 52.24.420. Определение содержания взвешенных веществ (ВВ) проводили в соответствии с РД 52.24.468 путем фильтрования воды через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм. Общее количество азота нитратного определяли в нефильтрованных пробах согласно ПНДФ 14.1:2:4.4 спектрофотометрическим методом на УФ-спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu).

Количество общего органического углерода рассчитывали по значению БПК5 по уравнению регрессии, полученному Ли с соавт.: БПК5 = 0,799ТОС-0,443 [10]. Величину валовой и чистой первичной продукции, а также траты на дыхание рассчитывали отдельно для планктонного сообщества и перифитона [12, 13]. При расчете валовой и чистой продукции исходили из длины светового дня (Т = 13 ч для марта – апреля), при расчете деструкции – T = 24 ч.

Для оценки потоков СО2 реки использовали формулу из работы Батмана и Рэймонда [4]:

,

где fCO2 – поток СО2 в зависимости от порядка водотока (ПР);

[СО2]вода и [СО2]воздух – молярная концентрация СО2, растворенного в воде и в воде в равновесии с атмосферой;

kCO2 – скорость переноса СО2 в потоке (м/сут);

Sэ – площадь водотока, с которого рассчитывают эмиссию СО2.

Результаты исследования и их обсуждение

Условия среды в период отбора колебались в широком диапазоне: температура воздуха изменялась в диапазоне от -10,3 до 10 °C, освещенность – 22502–168054 lux.

Температура воды изменялась в диапазоне 1,4–5,1 °C (среднее значение составило 2,6±1,5 °C). Электропроводность воды находилась в диапазоне 88–210 мкСм/см (в среднем 152±40 мкСм/см). Величина возрастала по мере продвижения от парка к городу (табл. 1). Надо отметить, что в период весеннего таяния снега в реки попадает большой объем талых вод, минерализация которых стремится к нулю, поэтому электропроводность речных вод весной невысока [13].

Таблица 1

Гидролого-гидрохимические показатели р. Рогатка в весенний период 2021 г.

Примечание: * – расчетные данные; ** – нефильтрованные пробы.

Величина рН характеризует воды р. Рогатка как слабокислые (6,43–7,07 ед., в среднем 6,78±0,21 ед.), рН воды рек о. Сахалин в период весеннего половодья снижается до кислой реакции [13], поэтому полученные значения отражают естественную сезонную динамику гидрохимического состава р. Рогатка.

Значение растворенного кислорода было высоким на всех станциях и составило 12,19–14,57 мг/дм3 (в среднем 13,34±0,76 мг/дм3). Насыщение воды кислородом изменялось в диапазоне 94–104 %.

Количество взвешенных веществ было невысоким и изменялось в диапазоне 2,7–6,4 мг/дм3, составляя в среднем 4,7±1,3 мг/дм3. Полученные значения характерны для участков рек и ручьев предгорного типа, которые даже в паводок имеют невысокую мутность. По сравнению с фоновым значением (19 мг/дм3 [12]) содержание ВВ в наших исследованиях было в среднем более чем в 4 раза ниже.

Содержание нитратного азота было довольно значительным для рек Сахалина и находилось в пределах 0,34–1,27 мг/дм3 (при среднем значении 0,68±0,34 мг/дм3), достигая максимума на ст. 5, расположенной в наиболее загрязненном районе. Эта величина значительно выше фоновой по данным СКИОВО за 2013 г. (0,205 N-NO3 мг/дм3) [12]. По мере продвижения в сторону центра города река значительно обогащается нитратным азотом, который является индикатором наличия сточных вод.

Величина БПК5 по станциям изменялась значительно (1,80–3,21, в среднем 2,30±0,45 мгО2/дм3), достигая максимума на ст. 5, расположенной в наиболее загрязненном месте отбора. Полученные величины в среднем в 1,5 раза выше, чем фоновое значение. За фоновую величину для этого водотока принимают БПК5 = 1,5 мгО2/дм3 [12]. Часть станций отбора расположена непосредственно в городе, поэтому можно предположить, что повышенное содержание легкоокисляемых органических веществ, приводящее к увеличению величины БПК5 на этих станциях, является следствием в первую очередь попадания неочищенных или плохо очищенных сточных вод многочисленных зданий, расположенных как непосредственно на берегу реки, так и поблизости. Повышенные значения БПК5 р. Рогатка, отобранных в районе парка, можно объяснить несколькими источниками, в том числе наличием близкорасположенных дорог, гостиниц, заведений питания, таянием загрязненного снега.

Содержание общего органического углерода, рассчитанное через величину БПК5 по уравнению регрессии Ли с соавт. [10] составило 2,81–4,50 мг/дм3 (в среднем 3,44±0,57 мг/дм3).

Численность фитопланктона была крайне низкой и изменялась в диапазоне 2240–4866 кл./л, составляя в среднем 3237±964 кл./л. Что касается продукции, то валовая первичная продукция фитопланктона находилась в диапазоне от 0,018 до 0,102 мгС/дм3 в сутки (в среднем 0,027 мгС/дм3 в сутки). Чистая продукция была положительной только на ст. 2 (0,045 мгС/дм3 в сутки), на остальных станциях чистая продукция была отрицательной.

Рис. 2. Величины валовой первичной продукции фитопланктона и деструкции органического вещества планктонным сообществом в р. Рогатка весной 2021 г.

Рис. 3. Величины валовой первичной продукции и деструкции органического вещества перифитоном в р. Рогатка весной 2021 г.

Скорость деструкции органического вещества составляла 0,026–0,491 мгС/дм3 в сутки (в среднем 0,166 мгС/дм3 в сутки), что в 3–27 раз было выше скорости продуцирования (рис. 2). Такая картина (низкая чистая продукция и высокие траты на дыхание) свидетельствует о преобладании процессов разложения органического вещества над его продукцией, а также может быть связана с преобладанием в толще воды гетеротрофных организмов, потребляющих аллохтонное органическое вещество. Сообщество организмов, обитающих в толще воды текучих водотоков предгорного типа, малочисленно или вовсе отсутствует из-за невозможности противостоять течению. Среди планктона значительную часть занимают гетеротрофы (бактерии, простейшие и др.) [1]. Часто обнаруженные организмы привнесены извне (аллохтонное происхождение), т.е. смываются в водоток с почвы, лесной подстилки. Максимальный сток микроорганизмов в водоток происходит в период паводков и дождей.

Интегральная величина валовой первичной продукции планктона под квадратный метр была крайне низкой и изменялась в диапазоне 0,002–0,016 мгС/м2 в сутки (в среднем 0,010 мгС/м2 в сутки). Величина чистой продукции была выше нуля только на ст. 2 (0,0004 мгС/м2 в сутки). Полученные величины вполне согласуются с представлениями о низкой продуктивности биоценозов вод малых водотоков горного и предгорного типа Дальнего Востока.

Продукцию перифитона удалось измерить только на двух станциях (ст. 1 и 2), так как на остальных станциях обрастания отсутствовали или были крайне малочисленны. Валовая продукция составила 73,5–134,5 мгС/м2 в сутки (в среднем 104 мгС/м2 в сутки) (рис. 3). Чистая продукция была отрицательной на обеих станциях. Величина деструкции составила 268–320 мгС/м2 в сутки (в среднем 294 мг С/м2 в сутки), что в 2–3 раза выше его продукции.

Полученные величины находятся в пределах, характерных для горных и предгорных участок водотоков Дальнего Востока. Так, в р. Кедровая (Приморье) величина продукции перифитона изменялась в пределах 100–8800 мгО2/м2 в сутки (38–3300 мгС/м2 в сутки) [16].

В перифитоне р. Рогатка преобладают гетеротрофные организмы, так же как и в планктоне.

Сравнивая интегральную величину валовой первичной продукции и деструкции органического вещества (ОВ) перифитона и фитопланктона р. Рогатка, необходимо отметить, что почти 100 % вносит перифитон, поэтому оценку величины годовой продукции и деструкции ОВ провели по данным для перифитона.

Для оценки трофического статуса и возможности самоочищения водотоков от избытка органического вещества применяют индекс биотического баланса (A/R), который представляет соотношение между новообразованием и разрушением органических веществ, т.е. разность между валовой первичной продукцией всех автотрофов и суммарной деструкцией, связанной с процессами метаболизма всех живых компонентов экосистемы водоема и обозначается как A/R (первоначально разработан для стоячих водоемов, затем широко распространенных и на текучие водотоки) [16, 17]. Если A/R < 1, то это отрицательный биотический баланс и такой водоем олиготрофный, так как деструкторы преобладают над продуцентами. Если А/R =1, то это нулевой баланс, он характерен для мезотрофных водотоков, если A/R>1, это положительный биотический баланс, когда на фоне преобладания процессов продукции в экосистеме накапливается органическое вещество и экосистема подвержена эвтрофированию [16, 17].

Для р. Рогатка, как и для большинства рек горного и предгорного типа Дальнего Востока, наблюдали отрицательный биотический баланс и в планктонном, и в бентосном сообществах. A/R для планктонного сообщества был меньше 1 (0,04–0,35) за исключением ст. 2, где A/R составил 2,24. A/R для перифитонного сообщества составил 0,27–0,42. Сравнение показывает, что полученные оценки близки к таковым для других водотоков подобного типа. Например, в р. Кедровая (Приморье) A/R перифитона составил 0,12–1,37, в среднем 0,41 [16].

Оценить трофность р. Рогатка можно и по другим показателям (например, величина БПК5, содержание органического вещества и т.д.), однако наличие нескольких разных шкал и подходов (расчеты проводили в основном для стоячих водоемов или крупных рек) дает подчас разные результаты. Так, по величине БПК5 р. Рогатка – это олиготрофный [18] или эвтрофный [19]. Наши расчеты показали, что также мало подходит для оценки трофности р. Рогатка индекс трофического состояния (ИТС), разработанный для стоячих водоемов, а также морских акваторий, так как нет прямой зависимости величины рН от содержания кислорода в быстротекущем водотоке.

В целом для малых текучих нерестовых водотоков о. Сахалин горного и предгорного типа, учитывая аллохтонность органического вещества и его высокую сезонную изменчивость в связи с жизненным циклом лососей, высокую растворимость кислорода при быстром течении и низкой температуре, а также низкую величину рН, в большей степени зависящую от пород водосборного бассейна, а не интенсивности фотосинтеза, выхода грунтовых вод непосредственно в русло, малые глубины и т.д., необходимо разработать региональную классификацию трофности.

При ориентировочной оценке годовой продукции принимали возможность круглогодичной вегетации автотрофного комплекса, учитывая развитие холодолюбивого комплекса автотрофов [20, 21], отсутствии полного ледостава с поправкой на период снежного покрова, который препятствует проникновению света в водоток, исключая площадь нерестилищ с выходом грунтовых вод. Период со снежным покровом продолжается 140 дней.

Таблица 2

Исходные данные для расчета потоков СО2 на границе раздела атмосфера – поверхность р. Рогатка

Примечание: *[10]; **[4].

В среднем годовая величина первичной продукции в р. Рогатка в районе работ для предгорно-равнинного участка составит 23,4 гС/м2, деструкции органического вещества – 66,2 гС/м2. Учитывая площадь водного зеркала, можно говорить ориентировочно о создании 1,2 тС и деструкции смываемого с водосбора, поступающего из атмосферы и образующегося в реке органического вещества, ежегодно 3,3 тС в р. Рогатка.

Таким образом, скорость и объемы новообразования органического вещества в р. Рогатка очень незначительны, несмотря на высокое содержание биогенных элементов (N-NO3). Органическое вещество в толще воды имеет по большей части аллохтонный генезис, т.е. привносится с терригенным стоком. В то же время величина деструкции ОВ превышает количество новообразованного ОВ, поэтому не весь, выделенный в процессе окисления СО2 идет на фотосинтез. Эта невостребованная автотрофами часть растворенных в воде газов приводит к перенасыщению водотоков углекислым газом и метаном (в зависимости от достатка кислорода), что приводит к сбросу парниковых газов из рек и ручьев в атмосферу. Также большую роль в насыщении малых текучих водотоков парниковыми газами и их поглощение из атмосферы играет привнос с грунтовыми водами газов от почвенного и корневого дыхания растений, растворения горных пород [5], количество осадков, площадь и возраст лесов в водосборе, площадь и порядок водотока и еще множество факторов [4]. Углекислый газ хорошо растворим в воде, и это позволяет водотокам активно фиксировать СО2 даже без фотосинтеза [22]. Кроме того, высокие скорости течения ускоряют газообмен на разделе вода – атмосфера, тем самым ускоряя как поглощение, так и сброс СО2 из быстротекущих водотоков [23].

Скорость деструкции ОВ и, соответственно, насыщения речных вод углекислым газом и эмиссии СО2 из рек в атмосферу наряду со стоком СО2 из рек в атмосферу от других источников также зависит от многих факторов – особенности водосбора (тип почв, растительности, антропогенной освоенности), климата, гидролого-гидрохимических характеристик водотока, формирующих местные гетеротрофные сообщества. Так, ручьи и реки США выбрасывают ежегодно 97±32 TгC, в среднем с 1 м2 водной поверхности в год – 2370±800 г C/м2 в год [4]. Была выведена линейная зависимость скорости эмиссии СО2 (гС/м2 год) из рек США (x) от годовой нормы осадков разных климатических зон (y): у = 23,1х – 4,4 [4]. Процент площади поверхности водотока (y), с которой возможна эмиссия СО2 рассчитывается также через количество осадков (х) по работе Батмена и Рэймонда: у = 0,723х – 0,013 [4].

Гидрологические особенности р. Рогатка (высокая скорость течения, низкие температуры воды) приводят к тому, что насыщение воды кислородом достаточно для аэробного пути разложения поступающего органического вещества на большей части акватории реки, поэтому в атмосферу при деструкции ОВ может выбрасываться именно СО2.

Теперь оценим количество органического вещества, переносимого р. Рогатка за счет растворения СО2. Исходные данные для расчетов представлены в табл. 2.

Зафиксированный рекой из атмосферы СО2 переносится из р. Рогатка в р. Красносельская порядка 44 тыс. тСО2/год или 12 тыс. тС/год.

Сток СО2 с 1 м2 поверхности р. Рогатка за счет дегазации составляет ориентировочно 14,59 гС/м2 год или 53,5 гСО2/м2 год (без учета гидробиологических процессов разложения и создания органического вещества), что, учитывая площадь водного зеркала для расчета эмиссии, составит порядка 0,4 тС в год, что в пересчете на СО2 около 1,6 тСО2/год.

Заключение

Содержание общего органического углерода, рассчитанное через величину БПК5, составило 2,81–4,50 мг/дм3 (в среднем 3,44±0,57 мг/дм3).

Величина валовой первичной продукции фитопланктона, измеренная инструментально, находилась в диапазоне от 0,018 до 0,102 мгС/дм3 в сутки (в среднем 0,027 мгС/дм3 в сутки). Содержание общего органического углерода, рассчитанное через величину БПК5, составило 2,81–4,50 мг/дм3 (в среднем 3,44±0,57 мг/дм3). Скорость деструкции органического вещества составляла 0,026–0,491 мгС/дм3 в сутки (в среднем 0,166 мгС/дм3 в сутки), что в 3–27 раз было выше скорости продуцирования. Преобладание процессов разложения органического вещества над его продукцией свидетельствует о значительном количестве в толще воды гетеротрофных организмов, потребляющих аллохтонное органическое вещество.

Величина валовой продукции перифитона составила 73,5–134,5 мгС/м2 в сутки (в среднем 104 мгС/м2 в сутки). Величина деструкции составила 268–320 мгС/м2 в сутки (в среднем 294 мг С/м2 в сутки), что в 2–3 раза выше его продукции. В перифитоне р. Рогатка преобладают гетеротрофные организмы, так же как и в планктоне.

Таким образом, в р. Рогатка величина деструкции органического вещества почти в 3 раза выше, чем продукции. Органическое вещество имеет преимущественно аллохтонное происхождение. Подавляющую роль как в создании, так и в деструкции ОВ в реке имеет перифитон.

Для р. Рогатка, как и для большинства рек горного и предгорного типа Дальнего Востока, наблюдали отрицательный биотический баланс и в планктонном, и в бентосном сообществах. A/R для планктонного сообщества был меньше 1 (0,04–0,35) A/R для перифитонного сообщества составил 0,27–0,42.

Ежегодно величина валовой первичной продукции автотрофов в р. Рогатка может ориентировочно достигать 1,2 т С, количество органического вещества, потребляемого планктонным и перифитонным сообществом – 3,3 т С.

Расчеты показали, что поглощение из атмосферы СО2 р. Рогатка составляет порядка 44 тыс. тСО2/год или 12 тыс. тС/год.

Сток СО2 с м2 поверхности р. Рогатка за счет дегазации составляет ориентировочно 14,59 гС/м2 год или 53,5 гСО2/м2 год (без учета гидробиологических процессов разложения и создания органического вещества), что, учитывая площадь водного зеркала для расчета эмиссии, составит порядка 0,4 тС в год, что в пересчете на СО2 около 1,6 тСО2/год. Эмиссия СО2 с м2 поверхности р. Рогатка за счет физико-химических процессов составляет ориентировочно 14,59 гС/м2 год или 53,5 гСО2/м2 год (без учета гидробиологических процессов разложения и создания органического вещества), что, учитывая площадь водного зеркала для расчета эмиссии, составит порядка 0,4 тС в год, что в пересчете на СО2 около 1,6 тСО2/год.

Полученные предварительные оценки поглощения и эмиссии углекислого газа, продукции и деструкции органического вещества малого водотока о. Сахалин позволят провести дальнейшие расчеты поглощения и эмиссии СО2 поверхностными водами острова.