Dynamics of organic matter in bottom sediments on the cut Razdol'naya River-Amur Bay (Sea of Japan)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Компоненты выносимого речным стоком вещества вызывают интенсивные биогеохимические процессы в области смешения речных и морских вод. Как правило, процессы, протекающие в этих областях, во много раз интенсивнее процессов в примыкающих акваториях морей и океанов. На границе раздела река–море происходит резкое изменение гидрологических и многих гидрохимических параметров: солености, температуры, ионной силы и т. д. Благодаря резкому снижению скорости течения речной воды протекает интенсивная седиментация минеральных и органоминеральных частиц. Взвесь, захваченная речным стоком, представляет собой продукты химического выветривания пород и почв бассейна реки, а также продуктов распада и жизнедеятельности растительного и животного происхождения, в основном гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК) [2, 8]. При промывании почв атмосферными осадками в реки поступает до 13% общего количества гумусового вещества (ГВ), ежегодно образующегося на суше [3]. На границе раздела вод с различной соленостью (2–5‰) происходит интенсивное осаждение органоминеральных частиц, из  растворенных ор-ганических веществ под воздействием минеральных компонентов морской воды удаляются наиболее высокомолекулярные части ГК и ФК [9, 14], идет изменение соотношения форм нахождения и содержания химических элементов. Известно, что особую роль в “мобилизации” рассеянного железа и превращении его в подвижные формы играет кислый гумус, связанный с лесными ландшафтами и концентрирующийся в болотных фациях. Особенно много гумусовых веществ содержится в торфяниках, которые слагают большую составляющую долины р. Раздольной [10].

В морской части разреза река–море происходит обильное развитие планктона и других морских организмов, а в донных осадках — одноклеточных водорослей (микрофитобентос), бактерий и детрита, источником которого являются фекалии зоопланктона и зообентоса [6] и продукты их биохимического превращения (гуминовых, фульвокислот, липидов, аминокислот и др.) [7].

Целью работы было выявить динамику содержания Сорг, ГК, ФК в субколлоидной фракции донных отложений на разрезе р. Раздольная — Амурский залив.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ

Донные осадки отбирали в Амурском заливе (август 2014, июль 2015 г.), на разрезе р. Раздольная — Амурский залив (июль 2015 г.) (рис. 1) через 10 дней после прохождения тайфуна ”Чан–Хом”, в результате которого за короткий промежуток времени выпало до 67 мм осадков. Порядковые номера станций речных осадков и почвы совпадают (станции Р1–П1 и т. д.), но станции отбора почв не отмечены, чтобы не загромождать схему. Параллельно в реке отобрали воду с поверхностного горизонта.

 

Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб донных осадков на разрезе р. Раздольная — Амурский залив. Номера речных станций соответствуют номерам станций отбора почв.

 

Соленость измеряли солемером Guildline Autosal, модель 8400В, калибровку которого провели с помощью стандартной морской воды IASPO (соленость 34.992‰). Каждую пробу воды параллельно измеряли 2–3 раза. Точность определения, в соответствии с паспортными данными прибора, составила ±0.002‰.

Изученные пробы представлены почвами (Пi), отобранными ручным способом в 10–15 м от речного берега, осадками реки (Рi) и моря (Аi — 2015 г., Bi — 2014 г.), отобранными дночерпателем из верхнего слоя (2–3 см). Пробы упаковывали в полиэтиленовую тару и помещали на хранение в холодильник до момента обработки.

Методом водно-механического анализа [15] с использованием дистиллированной воды выделяли наиболее реакционноспособную субколлоидную (<0.001 мм) фракцию осадков.

Содержание Fe и Mn определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой [17].

Содержание органического углерода (Cорг) определяли на анализаторе типа TOC–VCPH c приставкой для сжигания твердых проб SSM-5000A фирмы SHIMADZU. Для определения общего углерода брали сухие навески проб массой около 50 мг и сжигали в потоке высокочистого кислорода (99.995%) при t = 905°C. Для нахождения неорганического углерода пробу подкисляли фосфорной кислотой с последующим сжиганием при t = 200°С. Величину Сорг получали исходя из разности общего и неорганического углерода.

Гумусовые вещества — гуминовые кислоты и фульвокислоты — выделяли из почвы и донных отложений путем экстрагирования 0.5 N раствором едкого натра при непрерывном перемешивании на водяной бане при t = 55°C [19].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Почва. Наибольшее содержание Cорг (4.0–4.5) выявлено в почвах на станциях характерно почвам П3, П6, П10-П13, а наименьшее (3.0 и 2.8) — на станциях П5 и П8 при среднем 3.9%.

Основные органические кислоты, входящие в состав Сорг почвы, представлены ГК и ФК. В почве выявлено содержание гуминовых кислот от 1.0 до 2.3 и фульвокислот от 12 до 1.8 при среднем содержании 1,5% (для обеих кислот). Высокое содержание ГК и ФК в почвах отмечено Д. С. Орловым [13].

Содержание ФК, как правило, выше содержания ГК, поэтому отношение ФК/ГК больше единицы — 1.05–1.15 (рис. 2), что связано с преобладанием растительной органики. Исключение составили почвы станций П4 и П5, где содержание ГК выше ФК (ГК/ФК = 1.1–1.5). Все полученные значения отношений согласуются с результатами для различных типов почв (ФК/ГК = 0.3–2.5) [6, 12].

 

Рис. 2. Распределение отношений Mei/Meр для Fe (1), Mn (2), Сорг (3) и ГК/ФК (4), ФК/ГК (5) в субколлоидной фракции донных отложений на разрезе река–море.

 

Содержание ГВ (ГК+ФК) изменяется от 2.2 до 3.8 при среднем содержании 3.0% (табл. 1). Повышенное содержание гумусового вещества (3.0–3.8%) в почве (станции П4, П7, П10) связано с торфяниками, которые слагают часть долины р. Раздольной [10]. Главная часть от общего органического углерода почв (74–98%) представлена веществами собственно гумусовой природы, а в среднем они составляют 85–90% [3].

 

Таблица 1. Содержание органического вещества в почвах

Станции	Содержание Сорг, ГК, ФК, ГВ, Сп, %
	Сорг	ГК	ФК	ГВ	Сп
П3 П4 П5 П6 П7 П8 П9 П10 П11 П12 П13 П14 П15	4.0 3.9 3.0 4.0 3.7 2.8 3.4 4.2 4.5 4.2 4.4 3.7 3.2	- 2.3 1.4 1.4 1.5 1.0 1.3 1.6 - - - - -	- 1.502 1.256 1.555 1.719 1.239 1.382 1.774 - - - - -	- 3.859 2.635 2.965 3.236 2.239 2.684 3.399 - - - - -	- 0.1 0.4 1.0 0.4 0.6 0.8 0.8 - - - - -

 

При промывании почв атмосферными осадками наиболее растворенная часть органики поступает в поверхностные и подземные воды и вместе с наиболее тонкой ее частью (субколлоидной) смывается в реки, формируя растворенную и взвешенную фазы речных вод [4]. Переход части органического вещества почвы в раствор ведет к уменьшению содержания Сорг в соответствующих речных осадках.

Речные отложения. К ним относятся отложения станций Р1–Р6 (n = 5).

Содержание Сорг, ГК, ФК и ГВ в речных отложениях (до зоны смешения) составило соответственно 2.7–3.2 (среднее — 2.2); 0.7–1.0 (среднее — 0.9); 1.0–1.4 (среднее — 1.1) и 1.7–2.3 (среднее — 2.0%). Ранее определили среднее содержание Сорг для речных отложений равное 2.5% [16], что хорошо согласуется с настоящими результатами и близко содержанию Сорг 2.4%, полученному другими авторами [11]. Ранее было выявлено содержание ФК в речных осадках равное 1.2–1.5 [18] и 1.0–1.5% [11]. Наши результаты по содержанию ФК немного меньше, хотя нижняя граница совпадает. Это, возможно, связано с несовпадением станций отбора проб. Повышенное содержание Сорг в осадках ст. Р11 по сравнению с рядом расположенными отложениями может быть связано с частичным включением в себя и субколлоидной фракции почвы прилегающих станций П10–П11 (рис. 2, табл. 1), в которых выявлены наиболее высокие содержания Сорг (4.2–4.5%), связанные с растительной органикой.

Содержание ГК в отложениях этого участка изменилось от 0.7 до 1.1%, а ФК — от 1.0 до 1.6% (ст. Р6). Содержание ГК в речных отложениях выше по сравнению с ранее полученным значением 0.3% [11]. Содержание ФК в осадках станций Р3–Р6 выше по сравнению с содержанием ГК, что отразилось на величинах отношений ФК/ГК, равных 1.06–1.12. Возможно, это связано с повышенным содержанием ФК в соответствующих почвах.

Осадки зоны смешения. Было определено среднее содержание Fe и Mn в речных отложениях (Meр) и нормировано содержание этих элементов в осадках разреза (Mei) на эту величину: Mei/Meр. По динамике содержания Fe и Mn [17], выраженного соотношениями Mei/Meр в субколлоидной фракции осадков, выявлена зона смешения пресных и соленых морских вод (станции Р8–А9), которая соответствует росту величины Mei/Meр для Fe — 1.1–1.3 и Mn — 1.1–1.7 (рис. 2). После прохождения тайфуна эта зона продвинулась в залив по сравнению с маловодными годами [18].

Величина соотношений (Сорг i/Сорг р) меньше единицы, и соответствует более низкому содержанию органического углерода в осадках зоны смешения по сравнению с речными отложениями.

В речных водах содержится от 0.01 до 30 мг/л ГК и до 100 мг/л ФК [2]. Содержание ГК в осадках, соответствующих начальному этапу смешения вод (станции Р8–Р10), увеличилось по сравнению с содержанием ФК, что отразилось на величине отношений ГК/ФК, значения которых больше единицы. Экспериментально было показано, что в интервале солености 0–24.74‰ содержание ГК в водах р. Раздольной уменьшилось с 0.53 до 0.01 мгС/л [1]. Наиболее активно флокуляция ГК происходит на самом начальном этапе смешения вод (S от 0.2 до 0.4‰), а в растворах с величиной солености 1–2‰ доля растворенных форм ГК уменьшалась до 20%, достигая неизменного уровня при S = 5‰ [16, 20]. В осадках станций Р10–Р14 содержание ГК уменьшилось, но по мере приближения к конечному участку (станции Р15–А9) зоны смешения увеличилось, что выразилось в увеличении отношений ГК/ФК, став больше единицы (1.2–1.3). Повышенное содержание ГК в осадках станций А8–А9, расположенных в морской части залива, может быть связано с биохимической переработкой активно развивающихся морских организмов в заливе.

Распределение содержания фульвокислот в осадках зоны смешения несколько иное. В начальный период смешения (станции Р8–Р10) содержание ФК меньше по сравнению с речными осадками (среднее ФК/ГК = 1.1), но в отложениях станций Р11–Р14 выявлено увеличение содержания ФК над ГК, что отразилось на величинах ФК/ГК (1.2–1.5). Отложения ст. Р14 характеризуются наибольшим содержанием Fe и Mn: это позволяет предположить, что при определенной солености происходит наиболее активный переход ФК, оксигидроксидов Fe и Mn из раствора во взвешенное состояние с последующей седиментацией. В отложениях зоны смешения (станции Р15–А9) содержание ФК меньше по сравнению с содержанием ГК (ФК/ГК = 0.76–0.96).

Морские осадки. К ним относятся осадки станций А10–А14 (n = 5).

Содержание органического углерода в отложениях залива в различные годы практически не изменилось: 2.6–4.0 (2014) и 2.6–3.9% (2015) годы (табл. 2). Прохождение тайфуна не отразилось на содержании органического углерода в осадках залива.

 

Таблица 2. Содержание органического углерода в субколлоидной фракции донных отложений Амурского залива в различные годы

Станции	Время отбора проб, год	Сорг, %
В11 В2 В13 В14 В5 В4 В3	2014	2.6 3.1 3.2 3.2 3.7 3.9 4.0
А1 А2 А4 А5 А6 А7	2015	3.9 3.8 3.7 3.2 2.7 2.6

 

Содержание органического углерода в морских отложениях разреза существенно увеличилось (2.6 до 4.9 при среднем содержании 3.8%). Это выше по сравнению со средним содержанием по разрезу: для речных отложений на 1.6 и осадках зоны смешения (Cорг — 2.7%) на 1.1%. Ранее [16] среднее содержание органического углерода в осадках Амурского залива равнялось 4.4%, что соответствует нашим данным. Величина соотношений Сорг м/Сорг р значительно увеличилась по сравнению с отложениями зоны смешения и составила 1.3–1.7.

Содержание ГК и ФК в морских отложениях неоднозначно. В отложениях станций А11, А13 выявлено повышенное содержание ГК по сравнению с ФК (ГК/ФК = 1.06–1.2). Можно предположить, что основной вклад в содержание гумусового вещества морских донных отложений вносит ГК, что согласуется с предыдущими нашими данными [16]. Существенное увеличение содержания органического углерода и ГК в морских отложениях связано с биохимической переработкой возросшего разнообразия морского планктона, зоопланктона, одноклеточных водорослей (микрофитобентос) и бактерий [5, 7].

Степень переработки органического вещества. Степень гумификации органического вещества подразумевает количество гумусового вещества, входящего в состав органического углерода. Этот показатель характеризует степень биохимической переработки органического вещества в донных осадках и почве. Наибольшая степень гумификации характерна для почв — 74–98% (табл. 3). Отложения зоны смешения характеризуются более низкими величинами — 65–89%, причем на начальном этапе смешения степень гумификации донных осадков выше (80–89%) по сравнению с конечными отложениями (65–71%) этой зоны. Наиболее низкие показатели степени гумификации свойственны морским отложениям — 49–61%.

 

Таблица 3. Распределение некоторых показателей биохимической переработки органического вещества в субколлоидной фракции отложений почвы, реки и залива

Станции	Степень гумификации, СГВ, %	Степень подвижности органического вещества, Сп, %
П4 П5 П6 П7 П8 П9 П10 Р1 Р3 Р5 Р6 Р8 Р9 Р10 Р11 Р13 Р14 Р15 Р16 А8 А9 А10 А11 А12 А13 А14	98 87 74 79 80 80 62 73 62 89 80 86 81 83 66 78 65 71 65 56 54 61 56 49	0.1 0.4 1.0 0.4 0.6 0.8 0.8 1.2 0.8 1.0 0.3 0.3 0.6 0.4 0.6 0.5 0.9 0.6 0.9 0.7 1.1 1.5 1.7 1.4 1.6 2.5

 

Ранее [18] авторами была введена величина Сп — «подвижная» органическая компонента (Сорг — ГВ), которая характеризует количество отмершего, но биохимически не переработанного органического вещества (табл. 3). Почва характеризуется незначительным количеством биохимически непереработанной органики (Cп  = 0.1–1.0%). В речных отложениях эта величина немного выше — 0.3–1.2%.

Углерод микрофитобентоса в Амурском заливе составляет 1–2% от общего Сорг осадка [11]. Морским отложениям свойственна низкая степень биохимически переработанного органического вещества, состоящего из одноклеточных водорослей (микрофитобентос), бактерий и детрита, содержание которого в водах эстуария может варьировать от 01 до 125 мг/л [4]. Следствием этого является повышенное количество непереработанной органики, характеризующейся величиной Сп = 1.5–2.5%, что согласуется с ранее полученными данными [16]. В морских осадках содержится повышенное количество свежеосажденной органики, которая еще не подверглась биохимической переработке.

Почвы характеризуются повышенной степенью переработанного органического вещества, а морским отложениям свойственно более значительное количество биохимически не переработанной органики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определено содержание Сорг в почве 3.2–4.5 при среднем содержании 3.9%. Органический углерод почвы на 74–98% состоит из ГВ (ГК и ФК). В состав почвы в основном входит больше ФК по сравнению с ГК, что свидетельствует о преобладании растительной органики.

Речные осадки (до зоны смешения) содержат меньшее количество органики, что связано с вымыванием Сорг атмосферными осадками из почвы и частичным переходом в растворенную и взвешенную формы.

Выявлено повышенное содержание ГК в отложениях, соответствующих начальному этапу смешения вод, что свидетельствует об участии растворенных ГК в процессах флокуляции. Определены речные отложения с повышенным содержанием ФК, Fe и Mn, что связано с наиболее активной фазой флоккуляции и образования оксигидроксидов Fe и Mn. Органический углерод осадков зоны смешения на 65–89% состоит из ГВ. Следовательно, в процессе флокуляции в зоне смешении речных и морских вод высокомолекулярные фракции органических кислот переходят из фазы раствора во взвесь и далее в осадок.

Содержание органического углерода значительно увеличилось в морских отложениях по сравнению с речными осадками и отложениями зоны смешения, что связано с обильным развитием планктона и донных организмов в Амурском заливе. Это ведет к увеличению содержания ГК по сравнению с ФК в большинстве морских осадков. Органическое вещество морских отложений на 49–61% состоит из ГВ.

Органический углерод субколлоидной фракции донных осадков и почвы состоит минимум из двух составляющих компонент: биохимически переработанной (гумифицированной) и биохимически не переработанной, то есть легкой и «подвижной» органической компоненты Cп. В состав почв в основном входит гумифицированный органический углерод и несущественная часть свежеобразованной органики. Напротив, в морских отложениях наблюдается увеличение количества «подвижного» и уменьшение гумифицированного органического углерода по сравнению с почвой. В состав морских осадков в большей степени входит свежеосажденная органика, которая еще не подверглась длительной биохимической переработке.

About the authors

D. M. Polyakov

V.I. Il`ichev Pacific Oceanological Institute FEB RAS

Author for correspondence.
Email: dmpol@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

A. A. Maryash

V.I. Il`ichev Pacific Oceanological Institute FEB RAS

Email: dmpol@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

N. D. Khodoeenko

V.I. Il`ichev Pacific Oceanological Institute FEB RAS

Email: dmpol@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

References

Supplementary files