Organic matter and mineralization of river waters in mountains of Russia and adjacent countries

Full Text

Введение. Формирование растворенных органических веществ (РОВ) и минерализации речных вод (∑и) гор обусловлено типами вертикальной поясности, фациальностью природной среды, ярусностью рельефа. Определяющую роль, как и на равнинах, играют почвенно-биогеохимические условия, характер и интенсивность антропогенных факторов. По сравнению с равнинами в горах быстро нарастает механическая денудация, часто превалирующая над химической, либо степень их проявления одинакова [1–5, 9–15, 23, 24].

В горах России и стран СНГ на обширных пространствах сформированы типы вертикальной поясности: тундрово-арктические, тундрово-таежные, лесо-луговые, пустынно-субтропические [23]. Степень их ландшафтной и гидрохимической изученности сильно различается, увеличиваясь в южном направлении [1–15, 16–24]. Материалы и методы исследования, факторы формирования химического состава горных речных вод, использованные классификации охарактеризованы в работах [1–3, 11, 16–22]. Большое внимание изучению растворенных органических и минеральных веществ в речных водах уделяется за рубежом [25–29].

В работах [25–29] представлен литературный обзор закономерностей распределения органических веществ в природных водах, рассматриваются основные источники их поступления в водоемы, методы количественной оценки суммарного содержания в воде, анализируются распределение и миграция растворенных и взвешенных форм органического углерода, азота, фосфора в водах рек различных районов мира, даются оценки перспективного формирования ингредиентов в поверхностных водах.

В настоящей работе применены следующие классификации поверхностных вод по значениям pH, минерализации, цветности (Цв), перманганатной (ПО, Оперм) и бихроматной (БО, Обихр) окисляемости, отношению ПО:БО.

По значениям pH: < 4.5 – сильнокислая, 4.5–5.5 – кислая, 5.5–6.5 – слабокислая, 6.5–7.0 – нейтральная, 7.0–7.5 – слабощелочная, 7.5–8.5 – щелочная, > 8.5 – сильнощелочная.

По минерализации (мг/л): < 100 – очень малая, 100–200 – малая, 200–500 – средняя, 500–1000 – повышенная, > 1000 – высокая.

По цветности (градусы платиново-кобальтовой шкалы): 0–10 – очень малая, 10–25 – малая, 25–50 – средняя, 50–75 – слабоповышенная, 75–100 – повышенная, 100–150 – высокая, 150–250 – очень высокая, > 250 – исключительно высокая.

По перманганатной окисляемости (мг О/л): 0–2 – очень малая, 2–5 – малая, 5–10 – средняя, 10–15 – слабоповышенная, 15–20 – повышенная, 20–30 – высокая, 30–50 – очень высокая, > 50 – исключительно высокая.

По бихроматной окисляемости (мг О/л): 0–5 – очень малая, 5–10 – малая, 10–20 – средняя, 20–30 – слабоповышенная, 30–40 – повышенная, 40–60 – высокая, 60–100 – очень высокая, > 100 – исключительно высокая.

По отношению перманганатной окисляемости к бихроматной (%): 0–10 – очень малое, 10–20 – малое, 20–30 – среднее, 30–40 – слабоповышенное, 40–50 – повышенное, 50–60 – высокое, 60–70 – очень высокое, > 70 – исключительно высокое.

На основе этих классификаций дана систематическая гидрохимическая характеристика рек равнин и гор, составлены легенды к картам цветности, перманганатной, бихроматной окисляемости, отношений ПО:БО речных вод в половодье, летнюю, зимнюю межени, годовой период. Факторы формирования химического состава вод рассмотрены в работах [17–22].

Органические вещества и минерализация воды горных рек. В горных реках таежно-лесных ландшафтов выявляется наибольшее количество растворенных органических веществ (РОВ), в реках горных тундровых, луговых, степных ландшафтов содержание их быстро понижается. Максимальные концентрации РОВ и легкоокисляемых ОВ (ЛОВ) находятся в речных водах гор с тундрово-таежными типами вертикальной поясности, за которыми по убывающей следуют реки гор с тундрово-арктическими, лесо-луговыми, пустынно-субтропическими, где они минимальны [16–22]. При этом, всюду наиболее высокое содержание аквагумуса и его фракций обычно характерно для внутриматериковых областей с резко континентальным климатом, интенсивным развитием многолетней мерзлоты. В воде рек приокеанских горных областей, где более мягкий климат и мерзлота ослабевает или отсутствует, количество ОВ снижается.

Основной закономерностью распределения ОВ в речных водах гор является вертикальная поясность. Структура гидрохимической поясности зависит от географического положения, типа ландшафтной поясности, широтной зоны, природной страны, в которых находятся горы, а также от их орографии. Гидрохимические пояса выделяются в горных областях, которые имеют достаточно развитую ландшафтную поясность.

В горах с тундрово-арктическими типами вертикальной поясности ярусность окисляемости вод проявляется лишь фрагментарно на Полярном Урале, хребте Бырранга, Чукотском нагорье [17, 19].

В большинстве гор с тундрово-таежными типами вертикальной поясности из-за незначительной геоморфологической и ландшафтной дифференциации сформирован обычно один гидрохимический пояс. Только в Кольском низкогорье и Восточно-Камчатской провинции выделяются два пояса [18, 19].

В горах с лесо-луговыми типами вертикальной поясности гидрохимическая ярусность развита на Северном Кавказе, в Карпатах, Горном Крыму (западные типы вертикальной поясности); на Среднем и Южном Урале, в Горном Алтае, Саянском, Тувинском, Прибайкальском нагорьях, Приселенгинском среднегорье (центральные типы вертикальной поясности); на Северном и Южном Сихотэ-Алине, Южном Сахалине (дальневосточные типы вертикальной поясности); на Северном Тянь-Шане (среднеазиатские типы вертикальной поясности) [19, 21].

В горах с пустынно-субтропическими типами вертикальной поясности гидрохимическая ярусность характерна для Восточно-Закавказской провинции, Армянского нагорья, Копетдагского среднегорья, высокогорных хребтов Таджикистана, Восточного Памира, Южно-Таджикистанского среднегорья, горных хребтов Южного и Западного Тянь-Шаня [19, 22].

В высоких горах – на Кавказе, Тянь-Шане, Памиро-Алае, Киргизском, Таджикистанском, других хребтах Средней Азии со спектром оптимально развитых орографических и ландшафтных ярусов выделяются три высотных пояса окисляемости (Оперм) речных вод: 0–2, 2–5, 5–10 мг О/л. В средневысотных, реже низких горах – на Карпатах, Урале, Переднеазиатских нагорьях, Алтае, Восточном и Западном Саяне, Сихотэ-Алине, хребтах Камчатском Срединном, Прибайкалья, Забайкалья, Средней Азии выделяются два пояса окисляемости речных вод: 2–5, 5–10 или изредка 5–10, 10–15 мг О/л. Пояса цветности вод в целом аналогичные. Гидрохимические пояса сменяются в указанной последовательности от высокогорного рельефа к низкогорному и предгорному.

Пояс очень малой окисляемости речных вод 0–2 мг О/л приурочен к ландшафтам гольцов, альпийских и субальпийских лугов, местами отчасти к лесо-луговым или горно-степным. Пояс малой окисляемости вод 2–5 мг О/л развит ниже яруса очень малой окисляемости, а при его отсутствии является верхним. Он сопряжен с горным таежно-лесным, в Средней Азии также с горными степным и пустынным поясами. Ниже по рельефу последний сменяется поясом средней окисляемости вод 5–10 мг О/л, развитым в сфере горных лесо-степного, степного, полупустынного поясов.

В табл. 1 представлены усредненные сезонные и годовые по гидрохимическим поясам характеристики речных вод гор с различными типами вертикальной поясности. Щелочно-кислотные показатели речных вод гор России и стран СНГ с различными типами вертикальной поясности многообразны: среднегодовые значения рН изменяются от 6.4 до 7.6. Реакция речных вод гор с тундрово-арктическими типами вертикальной поясности слабокислая (рН 6.4); с тундрово-таежными – нейтральная (рН 6.8); с лесо-луговыми – слабощелочная на грани с нейтральной (рН 7.1); с пустынно-субтропическими – щелочная (рН 7.6). Таким образом, на большей части горных территорий преобладает нейтральная и близкая к нейтральной реакция речных вод [17–22].

Таблица 1. Многолетние средние сезонные и годовые значения рН, минерализации, цветности, окисляемости, гумусовых кислот речных вод гор с различными типами вертикальной поясности России и стран СНГ

Примечание. Приняты следующие сокращения гидрохимических показателей воды рек:∑и – минерализация, Цв – цветность, ПО – перманганатная окисляемость, БО – бихроматная окисляемость, ПО:БО – отношение перманганатной и бихроматной окисляемости, Цв:ПО – коэффициент цветности по перманганатной окисляемости, Цв:БО – коэффициент цветности по бихроматной окисляемости, РОВ – растворенные органические вещества, ЛОВ – легкоокисляемые органические вещества, РОВ:∑и – отношение растворенных органических веществ и суммы главных ионов (минерализации), ГК – гуминовые кислоты, ФК – фульвовые кислоты, Сгк:Сфк – отношение углерода гуминовых и фульвовых кислот.

Минерализация воды горных рек различается на порядок. Речные воды гор северных широт с тундрово-арктическими и тундрово-таежными типами вертикальной поясности очень маломинерализованы: среднегодовая сумма главных ионов составляет соответственно 42 и 74 мг/л. Далее к югу, в горах с лесо-луговыми типами вертикальной поясности минерализация вод возрастает до малой – 140 мг/л, в горах с пустынно-субтропическими – до средней – 450 мг/л. Следовательно, на большей части горных территорий речные воды очень мало и маломинерализованы.

Среднемноголетняя цветность речных вод (Цв) южных гор с пустынно-субтропическими типами вертикальной поясности весьма мала. В горах с тундрово-арктическими типами поясности она возрастает до малой – 20°, в горах с лесо-луговыми и тундрово-таежными – до уровня средней – 30° и 31°.

Распределение значений перманганатной и бихроматной окисляемости воды рек аналогичное величинам цветности. В горах с пустынно-субтропическими типами поясности в среднем они малые – 3 и 7, в горах с остальными тремя типами поясности возрастают до градаций средних – 7–8 и 13–18 мг О/л. При этом, значения Обихр вод в горах с тундрово-арктическими типами поясности в 1.5 раза ниже, чем в горах с тундрово-таежными и лесо-луговыми. В горах бореального пояса с тремя северными типами поясности доминируют геохимические ландшафты кислого и кисло-глеевого классов. Поэтому концентрации ОВ в речных водах здесь сходны и вдвое выше, чем в ксерофитных южных горах суббореального пояса.

Многолетние среднегодовые отношения ПО:БО вод максимальны в горах с тундрово-арктическими типами вертикальной поясности – 62%, в горах с тундрово-таежными и лесо-луговыми – снижаются соответственно до 50 и 41%, в горах с пустынно-субтропическими – до 35%, т.е. почти вдвое по сравнению с крайне северными горами (рис. 1).

Рис. 1. Отношения многолетних средних годовых значений перманганатной и бихроматной окисляемости речных вод гор с различными типами вертикальной поясности (1–4) России и стран СНГ.

Такие же закономерности распределения РОВ и ЛОВ, среднемноголетнее содержание которых в воде рек северных тундрово-арктических и тундрово-таежных гор составляет 17–18 и 9–11 мг/л соответственно, южнее в лесо-луговых горах уменьшается до 14 и 6, в крайне южных пустынно-субтропических горах – до 9 и 3 мг/л, т.е. в 2 и 3 раза.

Коэффициенты Цв:ПО и Цв:БО максимальны в тундрово-таежных и лесо-луговых горах – около 4 и 2, в тундрово-арктических и пустынно-субтропических горах снижаются до 3 и 1.3 соответственно.

Из гидрохимических показателей наиболее контрастны в горных реках отношения РОВ:∑и (рис. 2). В воде рек тундрово-арктических гор они составляют в среднем за год 41%, в тундрово-таежных – 30%, в лесо-луговых – 10%, в пустынно-субтропических – свыше 2%, т.е. на крайнем юге убывают почти в 20 раз по сравнению с крайне северными горными реками. Таким образом, роль ОВ велика в тундрово-арктических и тундрово-таежных горных реках, в лесо-луговых снижается в 3–4 раза, в самых южных безлесных – в два десятка раз.

Рис. 2. Зависимость между содержанием общего растворенного органического вещества и минерализацией речных вод гор с различными типами вертикальной поясности (1–4) России и стран СНГ.

Многолетнее среднегодовое содержание гуминовых и фульвовых кислот в воде рек наиболее высокое в горах с тундрово-таежными и тундрово-арктическими типами вертикальной поясности, в горах с лесо-луговыми – уменьшается втрое, в горах с пустынно-субтропическими – до минимального уровня на горной территории, соответственно в 5 и 17 раз. Отношение Сгк:Сфк наибольшее в тундрово-таежных горных реках – 13%, к северу в тундрово-арктических понижается меньше – в 1.2 раза, к югу в лесо-луговых и пустынно-субтропических – соответственно в 1.3 и 3.7 раза.

Горные реки России и СНГ имеют в среднем за год нейтральную реакцию – рН 6.9, малую минерализацию – 120 мг/л, средние цветность – 27о, Оперм и Обихр – 7 и 17 мг О/л, повышенные отношения ПО:БО – 47%. Коэффициенты цветности равны 3.7 и 1.6. Количество общего ОВ и легкоокисляемых соединений в воде всех горных рек составляет 16 и 8 мг/л, гуминовых и фульвовых кислот – 0.089 и 0.842 мг С/л; отношения РОВ:∑и равны 22%, Сгк:Сфк – 11%.

Внутригодовой гидрохимический режим горных рек более динамичен, но в общем аналогичен режиму рек равнин. Максимальное количество органических веществ содержится в речных водах в периоды половодья и паводков. В летнюю межень содержание РОВ и ЛОВ, значения окисляемости и цветности понижаются, в зимнюю межень становятся минимальными в годовом цикле. Количество минеральных компонентов, напротив, повышается от половодья к летней межени, а зимой достигает максимального уровня.

Гидрохимические характеристики горных и равнинных рек существенно различны. Многолетняя среднегодовая реакция воды горных рек нейтральная, равнинных – слабощелочная. Горные речные воды втрое менее минерализованы, вдвое слабее окрашены. Среднегодовые значения Оперм и Обихр вод горных рек в полтора раза ниже. Горные реки превосходят равнинные по отношению ПО:БО вод, но в такой же мере уступают им по коэффициентам цветности. По концентрациям общего ОВ и легкоокисляемых фракций реки отличаются так же, как по окисляемости вод. Содержание гуминовых и фульвовых кислот в горных реках в 2.5 раза меньше. Вследствие существенно большей минерализации вод отношения РОВ: ∑ и в равнинных реках в 1.5 раза ниже, чем в горных реках.

Выводы.

1. Многолетние среднегодовые значения рН речных вод гор с тундрово-арктическими, тундрово-таежными, лесо-луговыми, пустынно-субтропическими типами вертикальной поясности соответственно равны 6.4, 6.8, 7.1, 7.6. Реакция воды горных рек в южном направлении постепенно переходит от кислой к нейтральной, слабощелочной и щелочной.
2. Среднемноголетняя минерализация воды горных рек различается на порядок. В двух северных типах горной поясности она составляет 42 и 74 мг/л, в двух южных – 140 и 450 мг/л. На основной части горных территорий речные воды очень слабо- и маломинерализованы.
3. Годовые значения цветности воды возрастают от очень малых в пустынно-субтропических до малых в тундрово-арктических (20°) и средних в лесо-луговых и тундрово-таежных горах (30° и 31°).
4. Территориальное распределение величин перманганатной и бихроматной окисляемости аналогичное цветности вод: в среднем за год они малые в ксерофитных горах с пустынно-субтропическими (3 и 7 мг О/л), увеличиваются до средних и слабоповышенных градаций в гумидных горах с остальными типами вертикальной поясности (7–8 и 13–18 мг О/л), в которых господствуют геохимические ландшафты кислого и кисло-глеевого классов.
5. Среднегодовые отношения ПО:БО вод, напротив, максимальны в тундрово-арктических горах (62%), южнее в тундрово-таежных, лесо-луговых и пустынно-субтропических горах убывают соответственно до 50, 41 и 35%, что указывает на снижение содержания легкоокисляемых фракций от северных широт к южным вдвое.
6. Многолетние среднегодовые концентрации общего ОВ и легкоокисляемых форм уменьшаются от тундрово-арктических и тундрово-таежных гор (17–18 и 9–11 мг/л) вдвое и втрое в лесо-луговых и пустынно-субтропических горах, по мере усиления засушливости и аридности.
7. Гидрохимическая роль аквагумуса максимальна в тундрово-арктических и тундрово-таежных горах, где условия для его формирования и миграции наиболее благоприятны; в лесо-луговых и особенно пустынно-субтропических горах многократно падает из-за их ухудшения, о чем свидетельствует снижение отношений РОВ/∑и соответственно от 41% и 30% до 10% и 2%, т.е. в 3–4 и 20 раз. В этих условиях одновременно происходит обратный процесс нарастания минерализации речных вод, прежде всего в связи с усилением аридности и засушливости.
8. В южном направлении в связи с указанными причинами также резко уменьшается содержание гумусовых веществ в воде горных рек. Концентрации гуминовых и фульвовых кислот максимальные в речных водах гор бореального пояса (0.224 и 1.80 мг С/л), резко снижаются в горных реках суббореального пояса – до 0.067 и 0.013, 0.637 и 0.373 мг С/л, т.е. от 5 до 17 раз. Отношения Сгк:Сфк убывают к югу в лесо-луговых и пустынно-субтропических горах в 1.3 и 3.7 раза.
9. Гидрохимические показатели горных и равнинных рек существенно различны. В целом реакция воды горных рек нейтральная, равнинных – слабощелочная. Горные речные воды втрое меньше минерализованы, вдвое слабее окрашены. Среднегодовые величины перманганатной и бихроматной окисляемости, концентрации РОВ и ЛОВ в воде горных рек в 1.5 раза, содержание гумусовых веществ в 2.5 раза ниже, чем в равнинных реках.
10. Ландшафтная поясность является важнейшим фактором, определяющим закономерности распределения органических веществ и минерализации горных речных вод. Вследствие незначительной орографической и ландшафтной дифференциации ярусность цветности и окисляемости вод в горах с тундрово-арктическими и тундрово-таежными типами вертикальной поясности проявляется фрагментарно. В горах с лесо-луговыми и пустынно-субтропическими типами поясности со спектром оптимально развитых геоморфологических и ландшафтных поясов гидрохимическая ярусность сформирована на всей территории. Пояса Оперм вод 0–2, 2–5, 5–10, 10–15 мг О/л последовательно сменяются от высокогорного рельефа к низкогорному и предгорному. Они приурочены к различным ландшафтным поясам: гольцовому, альпийскому, субальпийскому, горным – лесо-луговому, степному, полупустынному, пустынному в зависимости от географического положения гор и развития ярусности рельефа.

About the authors

M. P. Smirnov

Author for correspondence.
Email: andreros2011@gmail.com
Russian Federation, 198, Prospect Stachki, Rostov-on-Don, Rostov region

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Relations of the perennial average annual values of the permanganate and bichromate oxidizability of the river waters of mountains with different types of vertical zones (1–4) of Russia and the CIS countries.

Download (1MB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependence between the content of total dissolved organic matter and the mineralization of the river waters of mountains with different types of vertical zones (1–4) of Russia and the CIS countries.

Download (143KB)

Indexing metadata