Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ВЛИЯНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕКИ РОГАТКА (ОСТРОВ САХАЛИН) НА ПЕРВИЧНУЮ ПРОДУКЦИЮ, ПОГЛОЩЕНИЕ И ЭМИССИЮ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА РЕЧНОЙ ЭКОСИСТЕМОЙ*

Латковская Е.М. 1 Репина М.А. 1 Пестова А.О. 1
1 ФГБОУ ВО «Сахалинский государственный университет»
На примере р. Рогатка – малого водотока, расположенного в южной части о. Сахалин, изучили гидролого-гидрохимические параметры и оценили величину валовой первичной продукции и деструкции органического вещества отдельно для планктонного сообщества и перифитона в весенний период. В р. Рогатка величина деструкции органического вещества почти в 3 раза выше, чем продукции. Органическое вещество имеет преимущественно аллохтонное происхождение. Ведущую роль как в создании, так и в деструкции ОВ в реке играет перифитон. 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. т СО2/год или 12 тыс. т С/год. Сток СО2 с 1 м2 поверхности р. Рогатка за счет дегазации составляет ориентировочно 14,59 гС/м2 в год или 53,5 гСО2/м2 в год (без учета гидробиологических процессов разложения и создания органического вещества), что составит порядка 0,4 тС в год, что в пересчете на СО2 около 1,6 тСО2/год. Эмиссия СО2 с 1 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 объемы 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 и скорректировать текущие оценки. *Работа частично выполнена в рамках государственного задания ФГБОУ ВО «СахГУ» по теме «Углеродный баланс биоморфолитосистем побережья и прилегающих морских акваторий окраинных морей Дальнего Востока (FEFF-2022-0027)».
о. Сахалин
р. Рогатка
гидрохимические параметры
первичная продукция
деструкция
органический углерод
фитопланктон
перифитон
трофность
потоки углекислого газа
1. Беляева П.Г. Роль фитоперифитона в продукции органического вещества и круговороте азота в речных экосистемах (обзор) // Гидробиологический журнал. 2013. № 3. С. 13–26.
2. Копылов А.И., Косолапов Д.Б., Романенко А.В., Мыльникова З.М., Косолапова Н.Г., Минеева Н.М., Крылов А.В. Микробная «петля» как компонент планктонных сообществ малых рек // Экосистемы малых рек: биоразнообразие, биология, охрана: тезизы докладов Всероссийской конференции (Борок, 16–19 ноября 2004 г.). Борок, 2004. С. 40.
3. Метелева Н.Ю. Структура и продуктивность фитоперифитона водоемов бассейна Верхней Волги: автореф. дис. … канд. биол. наук. Борок: ЯГТУ, 2013. 23 с.
4. Butman D., Raymond P. Significant efflux of carbon dioxide from streams and rivers in the United States. Nature Geosci. 2011. № 4. Р. 839–842. DOI: 10.1038/ngeo1294.
5. Ward N.D., Bianchi T.S., Medeiros P.M., Seidel M., Richey J.E., Keil R.G., Sawakuchi H.O. Where Carbon Goes When Water Flows: Carbon Cycling across the Aquatic Continuum // Front. Mar. Sci., 31 January 2017. Sec. Marine Biogeochemistry. DOI: 10.3389/fmars.2017.00007.
6. Пузанов А.В., Безматерных Д.М., Ермолаева Н.И., Котовщиков А.В. Оценка роли экосистем рек и озер Сибири в цикле углерода // Материалы региональной научно-практической конференции «Географы Алтая для устойчивого развития Алтайского региона» (Барнаул, 17–18 ноября 2022 г.). Вып. 30. 2022. С. 116–122.
7. Liu S. Carbon Dioxide Emission from Streams and Rivers as an Integrative Part of Terrestrial Respiration. International Journal of Environmental Sciences & Natural Resources. 2019. DOI: 10.19080/IJESNR.2019.19.556010.
8. Moran M.A., Kujawinski E.B., Stubbins A., Fatland R., Aluwihare L.I., Buchan A., et al. (2016). Deciphering ocean carbon in a changing world. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2016. № 113. Р. 3143–3151. DOI: 10.1073/pnas.1514645113.
9. Hilmi N., Chami R., Sutherland M.D., Hall-Spencer J.M., Lebleu L., Benitez M.B. and Levin L. A. The Role of Blue Carbon in Climate Change Mitigation and Carbon Stock Conservation. Front. Clim. 2021. № 3. Р. 710546. DOI: 10.3389/fclim.2021.710546.
10. Liu S., Kuhn C., Amatulli G., Aho K., Butman D.E., Allen G.H., Lin P., Pan M., Yamazaki D., Brinkerhoff C., Gleason C., Xia X., Raymond P. A. The importance of hydrology in routing terrestrial carbon to the atmosphere via global streams and rivers. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022. № 119 (11). DOI: 10.1073/pnas.2106322119.
11. Gómez-Gener L., Rocher-Ros G., Battin T. et al. Global carbon dioxide efflux from rivers enhanced by high nocturnal emissions. Nat. Geosci. 2021. № 14. Р. 289–294. DOI: 10.1038/s41561-021-00722-3.
12. СКИОВО: схема комплексного использования и охраны водных объектов бассейнов рек острова Сахалин. Книга 7. Сводный том СКИОВО бассейнов рек острова Сахалин. Утв. Приказом Амурского БВУ от 30.12.2014 № 05-07/125. 239 с. [Электронный ресурс]. URL: https://docs.google.com/viewer?url=https%3A%2F%2Famurbvu.ru%2Findex.php%3Fdo%3Ddownload%26id%3D1056%26viewonline%3D1 (дата обращения: 18.11.2022).
13. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 18. Дальний Восток. Вып. 4. Сахалин и Курилы / Под ред. канд. геогр. наук М. Г. Васьковского. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.
14. Чудаева В.А. Особенности речного стока о. Сахалин. Ч. 2: Распределение группы металлов в растворенной и твердой фазах речных вод. Владивосток: ДВО АН СССР, 1988. Деп. рук. ВИНИТИ № 3376-В88, 34 с.
15. Богатов В.В., Федоровский А.С. Основы речной гидрологии и гидробиологии. Владивосток: Дальнаука, 2017. 384 с.
16. Медведева Л.А., Сиротский С.Е. Продукционные характеристики водорослей перифитона р. Кедровая (Приморье) // Биогеохимические и гидроэкологические исследования на Дальнем Востоке. 1998. Вып. 7. С. 63–76.
17. Богатов В.В. О закономерностях функционирования речных экосистем в свете базовых научных концепций // Вестник СВНЦ ДВО РАН. 2013. № 4. С. 63–76.
18. Неверова-Дзиопак Е., Цветкова Л.И. Оценка трофического состояния поверхностных вод: монография. СПб.: СПбГАСУ, 2020. 176 с.
19. ГОСТ 17.1.2.04-77 Охрана природы (ССОП). Гидросфера. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных водных объектов. Охрана природы. Гидросфера: сб. ГОСТов. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000.
20. Медведева Л.А., Никулина Т.В. Каталог пресноводных водорослей юга Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2014. 271 с.
21. Никулина Т.В. Альгофлора бассейна реки Раздольной (Приморский край): автореф. дис. … канд. биол. наук. Владивосток: БПИ ДВО РАН, 2006. 22 с.
22. Савенко В.С., Самсонов А.Л. Новый механизм поглощения углерода. Отыскание missing sink // Моделирование коэволюции природы и общества: проблемы и опыт. К 100-летию со дня рождения академика Н.Н. Моисеева: тр. Всероссийской научной конференции (Москва, 07–10 ноября 2017 г.). М.: Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» РАН, 2017. С. 370–381.
23. Horgby Å., Segatto P.-L., Bertuzzo E., Lauerwald R., Lehner B., Ulseth A.J., Vennemann T.W., Battin T.J. Unexpected large evasion fluxes of carbon dioxide from turbulent streams draining the world’s mountains. Nature Communications, 2019. DOI: 10.1038/s41467-019-12905-z.

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.

missing image file

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]:

missing image file,

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.

Показатель

№ станции

1

2

3

4

5

Температура воды, °C

1,5

1,5

1,4

3,4

5,1

Скорость течения, м/с

0,4

0,4

0,3

0,3

1,2

Электропроводность, мкСм/см

88

141

150

170

210

Водородный показатель pH, ед.

6,43

6,84

7,07

6,73

6,86

Кислород, мг/дм3

14,57

13,47

13,26

13,2

12,19

Кислород, % нас.

104

96

94

99

96

БПК5, мгО2/дм3

2,26

2,21

1,8

2,1

3,15

ТОС*, мг/дм3

3,38

3,32

2,81

3,18

4,50

Азот нитратный**, мг/дм3

0,34

0,35

0,62

0,80

1,27

Взвешенные вещества, мг/дм3

2,7

4,7

4

5,6

6,4

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.

missing image file

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

missing image file

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

Параметр

Значение

Порядок водотока

2

Средняя высота водосбора, м

390

Длина реки, км

10

Среднегодовое количество осадков, мм

822

Растворимость СО2 в воде при t 1–10 °C, г/кг

2,5–3,2 (в среднем 2,9)

Суммарный годовой сток, км3

0,0164

Среднее содержание аллохтонного Сорг. в воде, мг/дм3

3,44

Площадь поверхности водотока, м2

50 000

Площадь водотока для расчёта эмиссии по уравнению Батмена и Реймонда**, м2

29065

Содержание свободной углекислоты (СО2 своб.) в воде в половодье, мг/дм3*

1,7–12,8 (в среднем 7,3)

Содержание избыточно свободной углекислоты (СО3 2-) в воде

в половодье, мг/дм3*

1,6–12,3 (в среднем 7,0)

Среднегодовой расход воды, м3/с*

0,52

Скорость эмиссии СО2 из реки по уравнению Батмена и Реймонда**, гС/м2 год

14,588

Среднее парциальное давление СО2 для водотока 2 порядка умеренной зоны, μatm**

3,5

Средняя скорость переноса СО2 в воде (k) для водотока 2 порядка умеренной зоны, м/сутки

5

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.


Библиографическая ссылка

Латковская Е.М., Репина М.А., Пестова А.О. ВЛИЯНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕКИ РОГАТКА (ОСТРОВ САХАЛИН) НА ПЕРВИЧНУЮ ПРОДУКЦИЮ, ПОГЛОЩЕНИЕ И ЭМИССИЮ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА РЕЧНОЙ ЭКОСИСТЕМОЙ* // Успехи современного естествознания. – 2023. – № 1. – С. 74-83;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37988 (дата обращения: 10.12.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674