CC BY
128
2012
Известия ТИНРО
Том 168
УДК 551.464:543.319 П.Ю. Сёмкин1, П.Я. Тищенко1, В.Б. Лобанов1, А.Ф. Сергеев1, П.П. Тищенко1, А.М. Колтунов2, С.Г. Сагалаев1, Р.В. Чичкин1, М.Г. Швецова1, Г.Ю. Павлова1*
1 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43;
2 Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Пальчевского, 17
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УССУРИЙСКОГО ЗАЛИВА(ЯПОНСКОЕ МОРЕ) В ЛЕТНИЙ ПЕРИОД
На основе данных, полученных в ходе экспедиционных работ в конце августа 2008 и 2009 гг., изучено распределение гидрохимических параметров в акватории Уссурийского залива. Установлено, что в конце летнего сезона 2008 г. в глубоководной части Уссурийского залива в придонном слое подводной ложбины наблюдались аномально низкие концентрации кислорода (менее 2 мл/л, или 89 мкмоль/кг), а также экстремальные значения других гидрохимических параметров: pH, парциального давления углекислого газа, биогенных элементов, нормированных величин щелочности и растворённого неорганического углерода. Эта особенность распределения гидрохимических параметров обусловлена минерализацией фитопланктона на границе раздела вода/дно. Обсуждаются основные факторы, влияющие на характер распределения гидрохимических параметров и их значения в заливе (фотосинтез, минерализация органического вещества, речной сток и др.). Показано, что ключевым фактором межгодовой изменчивости гидрохимического состояния вод залива в конце летнего периода является прибрежный апвеллинг.
Ключевые слова: гидрохимические параметры, гипоксия, эвтрофикация, апвеллинг, Уссурийский залив, Японское море.
Semkin P.Ju., Tishchenko P.Ya., Lobanov V.B., Sergeev A.F., Tishchenko P.P., Koltunov A.M., Sagalaev S.G., Chichkin R.V., Shvetsova M.G., Pavlova G.Yu. Features of chemical parameters distribution in the Ussuri Bay (Japan Sea) in summer season // Izv. TINRO. — 2012. — Vol. 168. — P. 152-168.
* Сёмкин Павел Юрьевич, младший научный сотрудник, e-mail: pahno@poi. dvo.ru; Тищенко Павел Яковлевич, доктор химических наук, заведующий лабораторией, e-mail: tpavel@poi.dvo.ru; Лобанов Вячеслав Борисович, кандидат географических наук, заместитель директора, e-mail: lobanov@poi.dvo.ru; Сергеев Александр Федорович, старший научный сотрудник, e-mail: sergeev@poi.dvo.ru; Тищенко Петр Павлович, научный сотрудник, e-mail: eq15@poi.dvo.ru; Колтунов Алексей Михайлович, ведущий инженер, e-mail: iceclimber@yandex.ru; Сагалаев Сергей Григорьевич, научный сотрудник, e-mail: sagalaev@poi.dvo.ru; Чичкин Руслан Васильевич, научный сотрудник, e-mail: rv@poi.dvo.ru; Швецова Мария Геннадиевна, младший научный сотрудник, e-mail: chippers@rambler.ru; Павлова Галина Юрьевна, ведущий научный сотрудник, e-mail: pavlova@poi.dvo.ru.
Distribution of chemical parameters was surveyed in the Ussuri Bay in late August of 2008 and 2009. Very low dissolved oxygen content (89 |J.mol/kg) and abnormal values of pH, CO2 partial pressure, total alkalinity, dissolved inorganic carbon, and nutrients were observed at the bottom of submarine trough of the Bay in the late summer 2008, caused by active mineralization of diatom organic matter. The main factors influencing on the chemical parameters distribution are discussed, as organic matter production/destruction, river discharge, and water dynamics. Coastal upwelling is considered as the key factor of interannual variability in the distribution of chemical parameters in late summer.
Key words: Ussuri Bay, hydrochemistry, hypoxia, upwelling, eutrophication, Japan Sea.
Введение
Интенсивная деятельность человека в районе устьев рек и на морском шельфе приводит к дестабилизации экосистем. Одной из важнейших причин дестабилизации, как правило, является эвтрофикация прибрежных акваторий, под которой понимается существенное увеличение трофического статуса, по сравнению с характерным для данной экосистемы, из-за необычно высокого снабжения эвфо-тического слоя биогенными элементами (Заика, 2003). Следствием эвтрофика-ции является возникновение “мертвых зон”, т.е. областей с низким содержанием кислорода (гипоксия: от 63 мкмоль/кг (Diaz, 2001) до 89 мкмоль/кг (Diaz, Rosenberg, 2008)) или с его полным отсутствием (аноксия). В последние три десятилетия количество прибрежных акваторий, подверженных гипоксии, значительно возросло (Diaz, 2001; Breitburg et al., 2009).
В соседней с Уссурийским заливом акватории — Амурском заливе, подверженном антропогенному загрязнению (Tkalin et al., 1993), в 2007 г. нами впервые были определены масштабы гипоксии в придонном слое и рассмотрен механизм ее образования (Тищенко и др., 2008, 2011). Исследованиями установлено, что наиболее важную роль в эвтрофикации вод Амурского залива и в последующем образовании гипоксии играет речной сток, поставляющий биогенные элементы. Уссурийский залив подвержен антропогенному влиянию в гораздо меньшей степени (Tkalin et al., 1996; Огородникова, 2001), однако в 1980-е гг. в придонном слое для некоторых районов залива уже отмечались достаточно низкие концентрации кислорода (до 2,22 мл/л) (Подорванова и др., 1989). В работе В.И. Рачкова (2006), посвященной исследованию гидрохимических параметров вод кутовой части Уссурийского залива, также приводятся низкие значения содержания кислорода (до 3 мл/л). Ранее П.П. Воронковым (1941) при исследовании внутригодовой и межгодовой изменчивости гидрохимического режима Уссурийского залива не было обнаружено низких концентраций кислорода, однако показано, что одним из ключевых факторов изменчивости гидрохимического режима залива являются сгонно-нагонные явления и неразрывно связанные с ними процессы подъема и опускания вод.
Целью данной работы является изучение пространственно-временной изменчивости распределения гидрохимических параметров на акватории Уссурийского залива на основе материала, полученного в конце летних сезонов 2008 и 2009 гг.
Материалы и методы исследований
Уссурийский залив занимает северо-восточную часть зал. Петра Великого. С северо-запада он ограничен п-овом Муравьёв-Амурский, о. Русским и островами, лежащими к юго-западу от о. Русского, а с востока — материковым берегом и о. Аскольд. Южной границей залива считается линия, соединяющая южные оконечности о-вов Желтухина и Аскольд (Лоция ..., 1996).
В залив впадает множество рек и ручьёв, наиболее значимыми являются реки Артёмовка, Шкотовка, впадающие в бухту Муравьиную, и Суходол, Петровка, впадающие в бухту Суходол. Суммарный годовой речной сток в залив немного выше 1 км3. Наибольший среднегодовой расход у р. Артёмовка — 8,8 м3^ (Подо-рванова и др., 1989).
Глубины в заливе постепенно уменьшаются с приближением к его вершине. В западной части залива существует подводная ложбина, которая максимально сужается на траверзе прол. Босфор Восточный. Севернее от ложбины расположена подводная котловина глубиной до 52 м, вытянутая в северо-восточном направлении и отделенная от ложбины небольшим порогом глубиной 47,5 м (Северная часть ., 1987).
Гидрологический режим Уссурийского залива определяется его географическим положением, рельефом дна и орографией берегов, материковым стоком, метеорологическими и гидрологическими процессами, среди которых для теплого периода года наибольшее значение имеют прогрев вод и сгонно-нагонные эффекты (Бирюлин и др., 1970; Лучин и др., 2005). Под действием сгонных ветров поверхностные воды перемещаются в мористую часть залива, а навстречу им по склону поднимаются холодные и более соленые воды из открытой части зал. Петра Великого (Жабин и др., 1993; Юрасов и др., 2007; Зуенко, 2008). В результате формируется придонный термоклин, отделяющий промежуточные и глубинные воды Уссурийского залива от пришедших с больших глубин вод зал. Петра Великого (Дан-ченков и др., 2003). Нагонный эффект приводит к возникновению даунвеллинга, в результате чего инородные придонные воды вытесняются в мористую часть и летняя структура вод восстанавливается. Степень релаксации структуры вод и ее характеристик в переходный период определяется соотношением интенсивностей апвеллинга-даунвеллинга. Такой гидрологический режим характерен для переходного периода смены муссонной циркуляции атмосферы в конце лета. Гидрохимический режим, в свою очередь, определяется гидрологическими условиями и био-геохимическими процессами на дне и в водной толще залива.
Исследование залива производилось с борта НИС “Малахит” 30-31 августа 2008 г. и 30 августа 2009 г. Гидрохимические станции располагались на двух разрезах, продольном и поперечном, с расстоянием между станциями соответственно 2,5 и 1,8-3,5 мили (рис. 1). Продольный разрез был ориентирован вдоль подводной ложбины, а поперечный пересекал ее в наиболее узком месте.
Отбор проб воды производился пятилитровым батометром Нискина с двух горизонтов: поверхностного (глубина 0,5-2,0 м) и придонного (1,0—1,5 м от дна). Определялись следующие параметры: кислород, соленость, рН, щелочность, главные биогенные элементы (фосфаты, силикаты, нитраты, нитриты, аммоний), хлорофилл а, а также глубина видимости диска Секки. На каждой станции производилось зондирование профилографом RBR XR-620 с датчиками температуры, электропроводности, давления, флуоресценции хлорофилла и мутности. Образцы воды в тот же день доставлялись в лабораторию, где проводился их анализ. Подробное описание используемых гидрохимических методик и расчета параметров карбонатной системы можно найти в литературе (Методы ..., 1988; Dickson, 1991; Тищенко и др., 2006).
Результаты и их обсуждение
Распределение гидролого-гидрохимических параметров, полученных при CTD-зондированиях на продольном (ст. 130—140) и поперечном (ст. 119—126) разрезах 30—31 августа 2008 г., представлено на рис. 2. В этот период температура воды в районе работ изменялась с глубиной от 22,3 до 17,0 оС, а соленость — от 30,4 %о в кутовой части залива в бухте Муравьиной до 33,4 %о в придонном слое подводной ложбины. У дна температура резко уменьшилась (до 8,2 оС), а соленость увеличилась до 33,8 %.
Рис. 1. Географическое положение Уссурийского залива и схема расположения станций: 1 — 30-31 августа 2008 г., 2 — 30 августа 2009 г.; а — Владивосток (п-ов Муравьев-Амурский), б — о. Русский, в — о. Аскольд, г — о. Желтухина, д — бухта Муравьиная, е — бухта Суходол
Fig. 1. Scheme of the Ussuri Bay and stations arrangement: 1 — 2008, August 3031, 2 — 2009, August 30; a — Vladivostok (Muravyev-Amursky Peninsula), б — Russian Island, в — Askold Island, г — Zheltukhin Island, д — Muravyinaya Bight, е — Sukhodol Bight
Главной особенностью в целом схожих структур полей температуры и солености на разрезах являлось наличие двух термоклинов и галоклинов, примерно совпадающих по расположению в толще вод. Подповерхностные термоклин и галоклин наблюдались в слое приблизительно 4-25 м, отделяя поверхностные воды от промежуточных, и характеризовались расширением и пучностями изолиний в северной части продольного разреза и в западной части поперечного разреза, с которыми обычно связывают расположение стрежней подповерхностных течений.
Нижние придонные слои термоклина и галоклина залегали в подводной ложбине (рис. 2), причем галоклин был выражен слабо. Воды указанных термоклина
Рис. 2. Распределение гидрологических параметров вдоль продольного разреза с севера на юг (I) и вдоль поперечного разреза с запада на восток (II) в Уссурийском заливе 30-31 августа 2008 г.: а — температура, оС; б — соленость, *%; в — концентрация хлорофилла а, мг/м3; г — мутность, FTU (Formazin Turbidity Unit)
Fig. 2. Distribution of water properties along the north-south (I) and west-east (II) sections across the Ussuri Bay on August 30-31, 2008: а — temperature, оС; б — salinity, %; в — chlorophyll a concentration, mg/m3; г — turbidity, FTU (Formazin Turbidity Unit)
и галоклина, в свою очередь, составляли верхнюю часть придонного термоклина (Данченков и др., 2003), формирующегося в Уссурийском заливе при затоке промежуточных япономорских вод. Между подповерхностными и придонными термоклинами и галоклинами в районе работ залегал квазиоднородный слой вод с температурой 17-18 °С и соленостью 33,1-33,4 %0.
В поверхностном слое на продольном разрезе наблюдались две области теплых и распресненных вод, разделенных зоной подъема подповерхностных вод в районе станций 133-135. Область в районе станций 130-133 связана с речным стоком, поступающим в кутовую часть залива, а мористая — с потоком обычно идущих на юг распресненных вод вдоль восточного берега п-ова Муравьев-Амурский в западной части залива (рис. 2). Область подъема вод между станциями 133 и 135 в поверхностном слое неразрывно связана с подъемом во всей водной толще, отчетливо проявляемым в поле изотерм и изогалин и обусловленным выходом на северный склон залива придонных вод из ложбины. На поперечном разрезе между станциями 122 и 123 поверхностный слой был разделен соленостным фронтом (31,98-32,22 %) на две приблизительно равные части: западную, более распрес-ненную, с соленостью менее 31,05 %, и восточную квазиоднородную, с соленостью 32,18-32,22 %. В западной части поперечного разреза между станциями 119 и 120 также просматривался еще один слабый соленостный фронт. Заметим, что летом 2008 г. количество выпавших осадков превысило среднее многолетнее значение, что увеличило расходы рек, впадающих в залив (Будаева и др., 2006, 2010), и привело к значительному распреснению вод залива.
Концентрация хлорофилла в районе работ изменялась в широком интервале — от 0,14 до 6,38 мкг/л (рис. 2). Низкие концентрации хлорофилла главным образом свойственны водам поверхностного слоя. Поле хлорофилла на разрезах отличалось мозаичной структурой и распределением областей с повышенным содержанием хлорофилла во всей толще вод до дна ниже поверхностного слоя, причем в северной и западной частях полигона, где в гидрологических полях наблюдается подъем вод, области с повышенным содержанием хлорофилла располагались ближе к поверхности.
Следует отметить, что изменчивость содержания хлорофилла а и мутности с глубиной имеет противоположный характер и только в придонном слое изменения однонаправленны: концентрация хлорофилла а и мутность повышаются по мере приближения ко дну. Обратная связь между содержанием хлорофилла а и мутностью указывает на влияние источников терригенной взвеси, поток которой в верхней толще вод, уменьшая прозрачность, препятствует фотосинтезу. Далее терригенная взвесь аккумулируется в нижней части водной толщи. Также здесь наблюдается аккумуляция биогенных элементов и органического вещества, обусловливающая высокое содержание хлорофилла.
В 2009 г. съемка проводилась 30 августа. Было выполнено 11 станций (см. рис. 1). В это время наблюдалась иная гидрологическая ситуация, чем в 2008 г., связанная с затоком в залив холодных соленых промежуточных япономорских вод (рис. 3). Температура и соленость в 2009 г. изменялись соответственно от 20,2 оС и 30,24 % на поверхности до 2,5 оС и 34,18 % у дна, причем величины этих параметров, наблюдаемые в 2008 г. в придонных водах (8,2-8,3 оС и 33,633,8 %), в 2009 г. прослеживались уже в средней части водной толщи на глубинах 25-30 м. В нижней части водной толщи температура и соленость на разрезах имели значения, обычно наблюдающиеся в заливе ниже 50-60 м (менее 8 оС и более 33,8 %) (Данченков и др., 2003). Другой важной особенностью гидрологического режима августа 2009 г. было аномальное распреснение поверхностных вод залива, превышающее как среднюю многолетнюю ситуацию, так и режим 2008 г. Значения солености и температуры поверхностного слоя в 2009 г. были ниже соответственно на 1-2 % и на 1 оС. Такая ситуация вызвана значительным превышением в 2009 г. многолетних показателей количества атмосферных
Расстояние, км Расстояние, км
Рис. 3. Распределение гидрологических параметров вдоль продольного разреза с севера на юг (I) и вдоль поперечного разреза с запада на восток (II) в Уссурийском заливе 30 августа 2009 г.: а — температура, оС; б — соленость, %; в — концентрация хлорофилла а, мг/м3; г — мутность, FTU (Formazin Turbidity Unit)
Fig. 3. Distribution of water properties along the north-south (I) and west-east (II) sections across the Ussuri Bay on August 30, 2009: а — temperature, оС; б — salinity, %; в — chlorophyll a concentration, mg/m3; г — turbidity, FTU (Formazin Turbidity Unit)
осадков и соответственно более высоким расходом рек, впадающих в Уссурийский залив (Будаева и др., 2010).
Поднимающиеся по склону воды, как отчетливо видно на продольном разрезе по характеру изолиний температуры и солености в районе станций 75 и 77, увеличивали вертикальную составляющую скорости потока на изломах и в сужениях рельефа. Подъем вод в нижнем слое в районе этих станций, вероятно, и обусловил подъем вод в поверхностном слое в районе ст. 76. На поперечном разрезе подъем вод в придонном слое приурочен к западному склону ложбины (рис. 3). Этот подъем непосредственно связан с подъемом вод в поверхностном слое в районе станций 69-70 и 72-73 у противоположных берегов залива. Более сильная деформация полей температуры и солености на разрезах в 2009 г. по сравнению с 2008 г., вероятно, также связана с более глубоким развитием мезо-масштабных вихревых образований в заливе в этот год.
Гидрологические условия в 2009 г. обусловили ситуацию с содержанием хлорофилла а при апвеллинге, резко отличающуюся от ситуации в 2008 г. Главные отличия заключаются в уменьшении максимальных концентраций хлорофилла а на разрезах почти в 2,5 раза по сравнению с 2008 г. (от 6,38 до 2,62 мкг/л) и в изменении структуры распределения этого параметра. В 2009 г. основное содержание хлорофилла а было приурочено к слою термоклина в промежуточном слое вод (рис. 3), а области с максимальными значениями параметра (до 2,6 мкг/л) были расположены в нижнем термоклине, следуя за его положением по вертикали.
На рис. 4 показано распределение гидрохимических параметров на разрезах, выполненных в 2008 г. для двух горизонтов: поверхностного и придонного. Содержание кислорода на поверхностном горизонте продольного разреза изменяется от 242 до 255 мкмоль/кг, а на поперечном разрезе средняя концентрация практически постоянна и составляет 243,5 ± 1,5 мкмоль/кг, что сравнимо с ошибкой метода. Небольшое повышение содержания О2 отмечено в поверхностных водах в районе станций 133 и 134, где наблюдается подъем вод (рис. 4, 1д). На разрезах поверхностный слой систематически пересыщен по отношению к атмосферному О2 на 17-30 мкмоль/кг, поскольку значения кажущегося поглощения кислорода (АОи = [О2]рав - [О2]изм) для этих вод отрицательные (рис. 4). У дна содержание кислорода с увеличением глубины на продольном разрезе до ст. 134 сначала медленно снижается, а затем резко падает на ст. 136 до значения 71 мкмоль/кг (26 % от насыщения по отношению к атмосферному кислороду). На ст. 138 концентрация кислорода несколько выше — 85 мкмоль/кг (30 % от насыщения). Полученные величины концентрации растворённого кислорода указывают на то, что изучаемая экосистема находится в условиях гипоксии и рассматривается как неблагополучная с точки зрения экологии. Заметим, что станции 136 и 138 располагались в понижениях рельефа дна: ст. 136 находилась в северной котловине в северо-западной ее части, ст. 138 — в верхней части подводной ложбины. На мористых станциях 139 и 140 концентрации кислорода равны соответственно 127 и 126 мкмоль/кг, что выше уровня, характеризующего наличие в водах гипоксии. На поперечном разрезе на ст. 120, расположенной между ст. 136 и 138 (рис. 4) в районе подводной ложбины, концентрация кислорода у дна примерно в 2 раза ниже по сравнению со значениями на других станциях поперечного разреза и составляет 96 мкмоль/кг, что немногим выше порога гипоксии (89 мкмоль/кг). Особенностью распределения содержания кислорода на поперечном разрезе у дна является наличие еще одной области небольшого минимума кислорода в районе ст. 123, находящейся на границе поверхностного соленостного фронта (рис. 4). Следует отметить, что именно этому району на разрезе соответствует область прогиба подповерхностных изолиний содержания хлорофилла а до 20 м (см. рис. 2). Здесь же под соленостным фронтом на глубине примерно 15 м было расположено ядро вод с пониженной кон-
Рис. 4. Распределение параметров карбонатной системы и растворенного кислорода вдоль продольного разреза с севера на юг (I) и вдоль поперечного разреза с запада на восток (II) в Уссурийском заливе 30-31 августа 2008 г.: а — pH in situ в шкале “общей концентрации водородных ионов” (Dickson, 1991); б — парциальное давление С02, пунктирная линия указывает парциальное давление углекислого газа в атмосфере (380 мкатм); в — нормированная щелочность; г — нормированный растворенный неорганический углерод; д — растворенный кислород; е — кажущееся потребление кислорода (AOU); 1 — поверхностный горизонт, 2 — придонный горизонт
Fig. 4. Distribution of the carbonate system parameters and dissolved oxygen content along the north- south (I) and west-east (II) sections across the Ussuri Bay on August 3031, 2008: a — pH in situ in “total hydrogen concentration scale» (Dickson, 1984); б — CO2 partial pressure (dashed line shows the CO2 partial pressure in the atmosphere equal to 380 matm); в — normalized total alkalinity (NTA); г — normalized dissolved inorganic carbon; д — dissolved oxygen content; e — apparent oxygen utilization (AOU); 1 — at the sea surface, 2 — at the bottom
центрацией хлорофилла а, мутностью и пучностью изотерм, что указывает на существование стрежня потока с водами открытой части залива. Структура полей океанографических параметров на поперечном разрезе указывает на тесную связь горизонтальной и вертикальной циркуляции и позволяет предполагать циклоническую циркуляцию в заливе в исследуемый сезон, т.е. заток япономорских вод в залив идет преимущественно вдоль восточного побережья (рис. 3).
Особенности распределения остальных гидрохимических параметров на разрезах у дна (рис. 4, 5) следующие. Во-первых, изменения всех параметров следуют за изменениями кислорода, но с “обратным знаком”, за исключением величины рН, которая повторяет ход О2 и имеет диапазон изменения на акватории залива от 8,03 до 7,59. Во-вторых, в области аномальных значений кислорода, выявленных на станциях 136 и 138 на продольном разрезе и на ст. 120 на поперечном разрезе, наблюдаются максимальные (минимальные для pH) значения парциального давления углекислого газа (1239 мкатм), нормированной щелочности (2,365 ммоль/кг), нормированного неорганического углерода (2,34 ммоль/кг) и концентраций биогенных элементов (содержание кремния составило 80,25 мкмоль/кг). Кроме того, в области соленостного фронта на ст. 123 у дна, где отмечен небольшой минимум кислорода, все перечисленные параметры также имеют максимальные (минимальные для рН) значения. Некоторое отклонение от
Рис. 5. Распределение содержания биогенных элементов вдоль продольного разреза с севера на юг (I) и вдоль поперечного разреза с запада на восток (II) в Уссурийском заливе 30-31 августа 2008 г.: а — фосфаты, б — силикаты, в — нитраты, г — нитриты, д — аммоний, е — азот/фосфорные отношения; 1 — поверхностный горизонт, 2 — придонный горизонт
Fig. 5. Distribution of the nutrients concentration along the north-south (I) and west-east (II) sections across the Ussuri Bay on August 30-31, 2008: a — phosphates, б — silicates, в — nitrate, г — nitrite, д — ammonium, e — nitrogen/phosphorous ratio; 1 — at the sea surface, 2 — at the bottom
общего характера распределения наблюдается у нормированной щелочности в начале продольного разреза в кутовой части залива, где у дна на мелководье выявлено ее повышенное относительное содержание (2,367 ммоль/кг), и у аммония, наибольшие концентрации которого (13,54 мкмоль/кг) обнаружены на продольном разрезе у дна на самой мористой ст. 140. Концентрация аммония на поперечном разрезе в области второго минимума кислорода на ст. 123 увеличивается вплоть до ст. 125, тогда как содержание других параметров начинает уменьшаться. Следует отметить, что в более распресненной кутовой части залива, в отличие от мористой части, на поперечном разрезе вне области гипоксии наблюдается связь между соленостными фронтами и уровнями гидрохимических параметров у дна под ними, соответствующая более интенсивному процессу деструкции взвешенного органического вещества в кутовой части залива.
Изменения измеренных и рассчитанных концентраций параметров карбонатной системы в поверхностном слое Уссурийского залива малы по сравнению с придонными горизонтами (см. рис. 4). Исключение составляет нормированная щелочность, диапазоны изменения которой в поверхностном и придонном слоях сопоставимы. Заметная изменчивость нормированной щелочности в поверхностном слое на выполненных разрезах связана с влиянием речного стока, которое в наибольшей степени проявляется в кутовой части залива (максимальное значение NTA составило 2,389 ммоль/кг, рис. 4). Изменения концентраций фосфатов, силикатов и нормированного неорганического углерода в поверхностных водах между кутовой и мористой частями залива и между его западной и восточной частями также обусловлены речным стоком (рис. 4, 5).
Общей особенностью изменения отношения азот/фосфор в поверхностном и придонном слоях является его увеличение от значений не более 7 до значений
не более 14 на разрезах от кутовой части залива к мористой части. Более высокие значения отношения азот/фосфор наблюдались в глубоководной части залива у дна.
В 2009 г. 30 августа гидрохимическая ситуация в заливе была совершенно иной вследствие поступления в залив промежуточных япономорских вод, которое наблюдается в этот период при сгонных ветрах и возникающем при этом летне-осеннем Приморском апвеллинге (Сергеев и др., 2005, 2008). В отличие от
2008 г., содержание кислорода у дна в 2009 г. почти на всех станциях было выше, чем в поверхностном слое, а его максимальные значения (до 280 мкмоль/кг) наблюдались в районе подводной ложбины (рис. 6). Кроме того, наблюдалась тенденция к увеличению его концентрации в поверхностных и придонных горизонтах в направлении к мористой части залива. Как и в 2008 г., поверхностные воды были пересыщены по отношению к атмосферному кислороду на 4-26 мкмоль/ кг. В то же время поверхностный слой залива был пересыщен по отношению к атмосферному углекислому газу (рис. 6). Такая ситуация возможна в случае, если доминирующим процессом является прогрев поверхностных вод. Концентрация кислорода в придонном слое была существенно выше, чем в 2008 г., так как придонные воды, пришедшие из открытой части зал. Петра Великого, не находились в длительном контакте с поверхностью дна, где интенсивно идут процессы аэробного разложения органического вещества, на которые расходуется раство-
3 10 15 20
Рассюянис. км
16
• • • *
0 о о о
3 10 15 20 23
Ir
* * • *
< о О О о
0 5 10 15 20 25
le
, • • » •
, ° о о
0 3 10 15 Рассюяние, 20 КМ 23
Рассюяние. км
Расстояние, км
Рис. 6. Распределение параметров карбонатной системы и растворенного кислорода вдоль продольного разреза с севера на юг (I) и вдоль поперечного разреза с запада на восток (II) в Уссурийском заливе 30 августа 2009 г.: а — pH in situ в шкале “общей концентрации водородных ионов” (Dickson, 1991); б — парциальное давление С02, пунктирная линия указывает парциальное давление углекислого газа в атмосфере (380 мкатм); в — нормированная щелочность; г — нормированный растворенный неорганический углерод; д — растворенный кислород; е — кажущееся потребление кислорода (AOU): 1 — поверхностный горизонт, 2 — придонный горизонт
Fig. 6. Distribution of the carbonate system parameters and dissolved oxygen content along the north- south (I) and west-east (II) sections across the Ussuri Bay on August 30, 2009: a — pH in situ in “total hydrogen concentration scale» (Dickson, 1984); б — CO2 partial pressure (dashed line shows the CO2 partial pressure in the atmosphere equal to 380 matm); в — normalized total alkalinity (NTA); г — normalized dissolved inorganic carbon; д — dissolved oxygen content; e — apparent oxygen utilization (AOU); 1 — at the sea surface, 2 — at the bottom
ренный кислород. И в поверхностном, и в придонном слоях наблюдалась тенденция к уменьшению величины кажущегося поглощения кислорода в направлении к правой части поперечного разреза и мористой части залива на продольном разрезе (рис. 6). Это связано с увеличением доли вод, пришедших из открытой части зал. Петра Великого, обладающих меньшими значениями AOU. Примечательно, что в полях температуры и солености подъем пришедших вод проявляется сильнее в правых частях разрезов (см. рис. 3).
Общие закономерности в распределении биогенных элементов для 2008 и
2009 гг. одинаковы, т.е. поверхностные воды содержат меньшее количество биогенных элементов в сравнении с придонным горизонтом (рис. 7). Очевидно, это связано с более интенсивной биоассимиляцией биогенных элементов микроводорослями в верхнем слое водной толщи залива. Отметим также, что концентрация нитрат-ионов в придонном слое существенно выше для 2009 г. (максимальные 14,35 мкмоль/кг против 3,88 мкмоль/кг в 2008). В целом распределение биогенных элементов и азот/фосфорных отношений, так же как и параметров карбонатной системы, на продольном и поперечном разрезах в 2009 г. носит более однородный характер, чем в 2008 г. (рис. 7).
Существует ряд факторов, оказывающих влияние на гидрохимическое состояние вод Уссурийского залива в теплый период года. Главные из них: речной сток, атмосферные осадки, фотосинтетическое продуцирование органического вещества и его бактериальная минерализация, рельеф дна, солнечная радиация, интенсивность циркуляции и перемешивание вод залива, а также обмен вод залива с морем.
Концентрация силикатов и значения нормированной щелочности — наиболее чувствительные параметры присутствия речных вод в прибрежных акватори-
Рис. 7. Распределение содержания биогенных элементов вдоль продольного разреза с севера на юг (I) и вдоль поперечного разреза с запада на восток (II) в Уссурийском заливе 30 августа 2009 г.: а — фосфаты, б — силикаты, в — нитраты, г — нитриты, д — аммоний, е — азот/фосфорные отношения; 1 — поверхностный горизонт, 2 — придонный горизонт
Fig. 7. Distribution of the nutrients concentration along the north-south (I) and west-east (II) sections across the Ussuri Bay on August 30, 2009: a — phosphates, б — silicates, в — nitrate, г — nitrite, д — ammonium, e — nitrogen/phosphorous ratio; 1 — at the sea surface, 2 — at the bottom
ях. В том случае, когда наблюдается консервативное смешение речных и морских вод, следует ожидать линейного уменьшения этих параметров с ростом солености. Именно такая зависимость наблюдалась в поверхностных водах Уссурийского залива как в 2008, так и в 2009 г. (рис. 8). Таким образом, поверхностные воды залива представляют собой результат смешения речных и морских вод. Речные воды, как правило, обогащены биогенными элементами, поэтому для фосфатов, нитратов и аммония в поверхностном слое также следовало бы ожидать линейной зависимости их концентраций от солености. Однако такая зависимость проявляется слабо. Вероятно, потоки поступления этих биогенных элементов в залив невелики, поэтому их содержание в поверхностном слое контролируется главным образом первичным продуцированием одноклеточных водорослей. Извлечение биогенных элементов (азота, фосфора, углекислого газа) в результате первичного продуцирования органического вещества для разных источников азота можно формально записать в соответствии со стехиометрией Ред-филда (Redfield е! а1., 1963) следующим образом:
106 ■ СО„ + 122 . НО + 16 ■ HNO0
или
'2 ■ — н20
(CH2O)106(NH3)16H3PO4
+ 138 ■ O„
106 ■ СО +
(CH2O)106(NH3)16
16 ■ nh+4 + HPO
106 ■ н20 + H2PO-4 ^ + 106 ■ O2 + 15 ■ H+.
(1)
(2)
Рис. 8. Зависимость концентрации силикатов (a) и нормированной общей щелочности (б) от солености в Уссурийском заливе: 1, 2 — поверхностный горизонт; 3, 4 — придонный горизонт. 1, 3 — 31 августа 2008 г.; 2, 4 — 30 августа 2009 г.
Fig. 8. Dependencies of the silicates concentration (a) and normalized alkalinity (б) on salinity in the Ussuri Bay: 1, 2 — at the sea surface; 3, 4 — at the bottom; 1, 3 — August 31, 2008; 2, 4 — August 30, 2009
Благодаря процессу фотосинтетического продуцирования органического вещества (микроводорослей) поверхностный слой залива содержит низкие концентрации минеральных форм азота (около 1 мкмоль/кг) и фосфатов (не более 0,3 мкмоль/кг). В ходе фотосинтеза уменьшается концентрация углекислого газа и увеличивается содержание кислорода (реакции (1), (2)). Однако физическое вза-
имодействие с атмосферой приводит парциальное давление углекислого газа и кислорода поверхностного слоя воды к состоянию, близкому к равновесию.
В придонных водах залива иные биогеохимические процессы. В этом случае доминирует процесс микробиологического разложения органического вещества (умершего фитопланктона). Существует несколько путей развития микробиологического окисления органического углерода. 0чевидно, что аэробное окисление органического углерода сопровождается потреблением кислорода и понижением его содержания в среде. В ходе этого процесса образуются углекислый газ, фосфаты и нитраты. С формальной точки зрения аэробная деструкция органического вещества противоположна реакции (1):
(CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 138 ■ O2 ^
106 ■ С02 + 122 ■ н20 + 16 ■ HNO3 + H3PO4. (3)
0днако этот путь окисления органического вещества не объясняет образования аммонийного азота. Известно, что при низких концентрациях кислорода в качестве окислителя бактерии используют нитрат-ионы, схематично этот процесс можно представить следующим образом (Friedrich et al., 2002):
(CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 84,8 ■ N0-3 + 99,8 ■ H+ ^
106 ■ С02 + 148,4 ■ H20 + 16 ■ NH+4 + 42,4 ■ N2 + H2PO-4. (4)
Такой путь окисления приводит к выделению аммонийного азота (аммонификации), что сопровождается повышением концентрации аммония в местах пониженного содержания кислорода. Именно такая тенденция прослеживалась в августе 2008 г. (см. рис. 5). В 2009 г. концентрация аммония в придонных водах была значительно ниже, т.е. окисление мертвого фитопланктона шло преимущественно в соответствии со схемой (3). Этот путь окисления органического вещества сопровождается уменьшением общей щелочности, поскольку приводит к образованию фосфорной и азотной кислот, которые оттитровывают часть щелочности. При анаэробном окислении органического вещества (реакция (4)) щелочность увеличивается. 0тчасти именно этим мы объясняем разный характер распределения нормированной щелочности придонных вод в 2008 и 2009 гг. В ходе реакции (4) образуется молекулярный азот, который выходит в атмосферу, поэтому эту реакцию часто называют реакцией денитрификации. необходимо отметить, что к уменьшению N/P отношений приводит не только реакция (4), возможно также протекание процесса бактериального анаэробного окисления иона аммония (реакция — ANAMOX, Thamdrup, Dalsgaard, 2002):
NH+4 + N0-2 ^ N2 + 2 ■ H2O. (5)
Последовательный фотолиз нитрат- и нитрит-ионов в поверхностном слое морской воды приводит к образованию малорастворимого газа — окиси азота (Zafiriou, True, 1979):
NO-3 + hv ^ N0-2 + 0,5 ■ O2; (6)
NO-2 + hv + H2O ^ N0 t +OH* + OH-. (7)
В схеме фотохимической реакции (7) стрелка вверх указывает на уход окиси азота из морской воды в атмосферу. наблюдаемые N/P отношения для залива значительно меньше отношения Редфилда (Redfield et al., 1963), что, по-видимому, обусловлено реакциями (4)-(7).
наиболее важным является выяснение причин формирования гипоксии в придонном слое Уссурийского залива. Прежде чем ответить на этот вопрос, отметим два обстоятельства. Во-первых, низкие концентрации кислорода в придонном слое северной части залива уже наблюдались ранее (Подорванова и др.,
1989). Во-вторых, низкие концентрации кислорода, как ранее, так и в нашем случае (рис. 4, 5), сопровождались высокими концентрациями силикатов. Последнее указывает на то, что причина возникновения гипоксии — микробиологическое разложение умерших диатомей. Также отметим, что для низких концентраций кислорода характерны высокие концентрации фосфатов и неорганического азота. Избыточное возникновение диатомей является результатом эвтрофикации залива. Тот факт, что аномально низкие концентрации растворённого в воде кислорода были найдены еще более 20 лет назад, показывает, что эвтрофикация залива происходит под воздействием главным образом природных, а не антропогенных факторов.
Мы предлагаем следующий сценарий формирования гипоксии придонных вод Уссурийского залива. Летне-осенний апвеллинг поставляет обогащенные биогенными элементами япономорские воды в акваторию Уссурийского залива, что приводит к ’’цветению” диатомей. Не съеденный зоопланктоном фитопланктон отмирает и осаждается на дно залива. Микробиологическое разложение фитопланктона на границе вода/дно в отсутствии фотосинтетической радиации — главная причина уменьшения концентрации растворенного кислорода. Этот процесс идет непрерывно в течение года на границе раздела вода/дно, однако интенсивность его возрастает с ростом температуры. Гипоксия возникает при соблюдении двух дополнительных условий: существовании устойчивой вертикальной плотностной стратификации, которая возникает в результате летнего прогрева вод и увеличения стока рек; отсутствии адвективного перемешивания, что приводит к стагнации вод. Эти условия соблюдаются в период с мая по конец августа в области подводной котловины Уссурийского залива. Чем продолжительнее летний период стагнации вод залива, тем глубже гипоксия в данном районе.
Такой взгляд на возникновение гипоксии Уссурийского залива объясняет возникновение ионов аммония в придонном слое, поскольку в переходной границе вода/дно создаются благоприятные условия для протекания реакций (4) и (5) (Тищенко и др., 2007), а также резкое различие гидрохимического состояния вод залива в 2008 и 2009 гг. Гидрохимические исследования в 2008 г. осуществлялись в период слабой динамики вод Уссурийского залива, а в 2009 г. — во время интенсивного развития апвеллинга, чему предшествовало действие устойчивых ветров северных направлений. В конце последней декады августа 2009 г. происходило резкое уменьшение температуры придонных вод залива, вызванное адвекцией вод из открытой части зал. Петра Великого (Рогачёв, 2010). Гидрохимические свойства (концентрация биогенных элементов, содержание кислорода, параметры карбонатной системы) придонной воды залива в 2009 г. были таковыми, что она соответствовала япономорской воде для глубин 70-100 м (Talley et al., 2004). Летне-осенний апвеллинг, таким образом, играет двойную роль. 0н разрушает летнюю гипоксию придонных вод и в то же время поставляет новую порцию биогенных элементов (нитратов, фосфатов) в акваторию залива, вызывая его эвтрофикацию и формируя новый цикл продукционно-деструкционных процессов.
Выводы
В летний период в придонном слое Уссурийского залива в области подводной котловины может формироваться область с аномальными значениями гидрохимических характеристик. наиболее ярко это проявляется в пониженных значениях концентраций растворённого кислорода, находящихся на уровне гипоксии.
В результате смены муссонной циркуляции атмосферы в период окончания летнего сезона и развития апвеллинга в северо-западной части Японского моря воды Уссурийского залива замещаются трансформированной япономорской вод-
ной массой. Итогом является перестроение структуры распределения гидрохимических параметров, увеличение содержания кислорода в придонном слое и разрушение области гипоксии.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 08-05-00696-a, 11-05-00241-а, 11-05-98543-р_восток_а.
Список литературы
Бирюлин Г.М., Бирюлина М.Г., Микулич Л.В., Якунин Л.П. Летние модификации вод залива Петра Великого // Тр. ДВНИГМИ. — 1970. — Вып. 30. — С. 286-299.
Будаева В.Д., Зуенко Ю.И., Макаров В.Г. Структура и динамика вод залива Петра Великого в условиях сильного летнего распреснения (2008-2009 гг.) // Юбилейный вып. ДВНИГМИ — 60 лет. — Владивосток : Дальнаука, 2010. — С. 158-172.
Будаева В.Д., Зуенко Ю.И., Макаров В.Г. Структура и циркуляция вод бухты Суходол (Уссурийский залив, Японское море) // Изв. ТИНР0. — 2006. — Т. 146. — С. 226-234.
Воронков П.П. Гидрохимический режим залива Петр Великий Японского моря // Вопросы химии моря. — Л., 1941. — С. 42-101.
Данченков М.А., Фельдман К.Л., Файман П.А. Температура и соленость вод залива Петра Великого // Гидрометеорология и экология Дальнего Востока. — Владивосток : Дальнаука, 2003. — С. 10-25.
Жабин И.А., Грамм-Осипова О.Л., Юрасов Г.И. Ветровой апвеллинг у северозападного побережья Японского моря // Метеорол. и гидрол. — 1993. — № 10. — C. 82-86.
Заика В.Е. 0 трофическом статусе пелагических экосистем в разных регионах Черного моря // Морьский еколопчний журнал. — 2003. — Т. 2, № 1. — С. 5-11.
Зуенко Ю.И. Промысловая океанология Японского моря : монография. — Владивосток : ТИНР0-центр, 2008. — 227 с.
Лоция северо-западного берега Японского моря. — СПб. : ГУНИ0 М0, 1996. — 360 с.
Лучин В.А., Тихомирова Е.А., Круц А.А. 0кеанографический режим вод залива Петра Великого (Японское море) // Изв. ТИНР0. — 2005. — Т. 140. — С. 130-169.
Методы гидрохимических исследований основных биогенных элементов : метод. пособие. — М. : ВНИР0, 1988. — 120 c.
Огородникова А.А. Эколого-экономическая оценка воздействия береговых источников загрязнения на природную среду и биоресурсы залива Петра Великого : монография. — Владивосток : ТИНР0-центр, 2001. — 194 с.
Подорванова Н.Ф., Ивашинникова Т.С., Петренко В.С., Хомичук Л.С. 0с-новные черты гидрохимии залива Петра Великого : монография. — Владивосток : ДВ0 АН СССР, 1989. — 201 с.
Рачков В.И. Гидрохимические условия в вершине Уссурийского залива в период нереста анадары // Изв. ТИНР0. — 2006. — Т. 146. — С. 264-275.
Рогачёв К.А. Антициклоническая циркуляция Уссурийского залива Японского моря и её воздействие на биоту // Изв. ТИНР0. — 2010. — Т. 160. — С. 236-244.
Северная часть Уссурийского залива: Карта № 65005. — 1 : 50 000. — М. : ГУНИ0 М0, 1987. — 1 к.
Сергеев А.Ф., Матвеев В.И., Лобанов В.Б. и др. Изменчивость придонной температуры воды в прибрежной зоне Приморья в 2003-2007 гг. // Тез. докл. Третьей Междунар. науч.-практ. конф. “Морские прибрежные экосистемы. Водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки”. — Владивосток, 2008. — С. 207-208.
Сергеев А.Ф., Матвеев В.И., Лобанов В.Б. и др. Исследование изменчивости придонной температуры воды в прибрежной зоне Приморья с помощью автономных самописцев // Тез. докл. науч.-практ. конф. “Гидрометеорология Дальнего Востока и окраинных морей Тихого океана”. — Владивосток, 2005. — С. 59-60.
Тищенко П.Я., Лобанов В.Б., Звалинский В.И. и др. Сезонная гипоксия Амурского залива (Японское море) // Изв. ТИНР0. — 2011. — Т. 165. — С. 108-129.
Тищенко П.Я., Сергеев А.Ф., Лобанов В.Б. и др. Гипоксия придонных вод Амурского залива // Вестн. ДВ0 РАН. — 2008. — № 6. — С. 115-125.
Тищенко П.Я., Талли Л.Д., Лобанов В.Б. и др. Влияние геохимических процессов в придонном слое на гидрохимические характеристики вод Японского моря // 0кеанол. — 2007. — Т. 47, № 3. — C. 380-389.
^щенвд П.Я., ^щенвд П.П., Звалинcкий B.^ и др. Карбонатная система Амурского залива (Японское море) летом 2005 г. // Изв. ТИНРО. — 2006. — Т. 146. — С. 235-255.
Юра^в Г.И., Bhbhb Н.С., Рудым Н.И. Особенности гидрологического режима зал. Петра Великого в осенне-зимний период // Изв. ТИНРО. — 2007. — Т. 148. — С. 211-220.
Breitburg D.L., Hondorp D.W., Davias L.A., Diaz R.J. Hypoxia, Nitrogen, and fisheries: Integrating effects across local and global landscapes // Annu. Rev. Mar. Sci. — 2009. — Vol. 1. — P. 329-349.
Diaz R.J. Overview of hypoxia around the World // J. Environ. Qual. — 2001. — Vol. 30. — P. 275-281.
Diaz R.J., Rosenberg R. Spreading Dead Zones and Consequences for Marine Ecosystems // Science. — 2008. — Vol. 321. — P. 926-929.
Dickson A.G. pH scales and proton-transfer reactions in saline media such as sea water // Geochim. Cosmochim. Acta. — 1991. — Vol. 48. — P. 2299-2308.
Friedrich J., Dinkel C., Friedl G. et al. Benthic nutrient cycling and diagenetic pathways in the north-western Black Sea // Estuar. Coast. Shelf Sci. — 2002. — Vol. 54. — P. 369-383.
Redfield A.C., Ketchum B.H., Richards F.A. The influence of organisms on the composition of seawater // The Sea / ed. M.N. Hill. — N.Y. : Interscience, 1963. — Vol. 2. — P. 26-77.
Talley L.D., Tishchenko P.Ya., Luchin V.A. et al. Atlas of Japan (East) Sea hydrographic properties in summer, 1999 // Progress Oceanogr. — 2004. — Vol. 61, № 24. — Р. 277-348.
Thamdrup B., Dalsgaard T. Production of N2 through anaerobic ammonium oxidation coupled to nitrite reduction in marine sediments // Appl. Env. Microb. — 2002. — Vol. 68, № 3. — P. 1312-1318.
Tkalin A.V., Belan T.A., Shapovalov E.N. The state of the marine environment near Vladivostok, Russia // Mar. Pollut. Bull. — 1993. — Vol. 26, № 8. — P. 418-422.
Tkalin A.V., Presley B.J., Booth P.N. Spatial and temporal variations of trace metals in bottom sediments of Peter the Great Bay, the Sea of Japan // Environ. Pollut. — 1996. — Vol. 92, № 1. — P. 73-78.
Zafiriou O.C., True M.B. Nitrite photolysis in seawater by sunlight // Mar. Chem. — 1979. — Vol. 8. — P. 9-32.
Поступила в редакцию 29.12.11 г.
