Оценка изменчивости соотношения концентраций общего азота и общего фосфора в маргинальных фильтрах приливных устьев рек Белого и Баренцева морей

Устьевые области приливных арктических морей отличаются широким разнообразием природных условий. По данным натурных наблюдений можно сделать вывод, что каждое устье представляет собой уникальный природный объект [1,2,3].

Характерной чертой устьевых областей являются маргинальные фильтры, в которых в результате взаимодействия морских и речных вод происходит осаждение многих веществ. Модель маргинального фильтра, предложенная академиком А.П. Лисицыным [4], позволяет получать качественные и количественные оценки процессов обмена различными веществами между сушей и морем через устьевые речные системы с учетом изменчивости протекающих в них геологических, гидрологических, гидрохимических и гидробиологических процессов. Такая изменчивость анализируется по отношению к пространственному распределению солености в зоне смешения речных и морских вод. При этом, обычно, используются графики связи солености с исследуемым параметром, но они часто имеют очень низкую корреляцию из-за многофакторности воздействия на него в различных диапазонах солености. Одним из методов решения данной проблемы может быть использование не конкретного показателя, а отношения или другой комбинации различных показателей, особенно выступающих в роли определенного индикатора различных геоэкологических процессов. В данной ситуации наиболее часто используют отношение различных соединений к химическим элементам, получившим наиболее широкое распространение в природной среде. К ним, например, можно отнести кремний, алюминий и железо [5,6,7]. Также используются и соотношения некоторых изотопов одного элемента, в частности, свинца 207Pb/206Pb и стронция 87Sr/86Sr [8,9], что позволяет определить пути формирования донных осадков в арктических морях.

В настоящей статье показано применение подобного подхода для соотношения общего азота к общему фосфору (Nо6щ/Pо6щ) с учетом их растворимых форм для приливных устьев рек Белого и Баренцева морей. Это соотношение используется для контроля биологических процессов в морской воде [10]. Такое соотношение для морских и устьевых вод слабо изучено в отличие от расчетов только по минеральным формам азота и фосфора. В частности, в работе [11] приведены рассматриваемые соотношения для различных районов Белого моря. В ней указано, что параметр N/P летом в эвфотическом слое в среднем колеблется от 11 в Двинском заливе и Горле Белого моря, до 25 - в Кандалакшском заливе. Он определяется спецификой потребления биогенных веществ фитопланктоном и рассматривается как составная часть коэффициента Рэдфилда (C:N:P), в котором средний параметр N/P для Мирового океана равен 16 [12]. В этой триаде ключевое значение имеют азот и фосфор, поскольку, как подчёркивается в [10], углерод в воде присутствует всегда, а вот азота и фосфора может и не быть.

Отношение (Nо6щ/Pо6щ) важно ещё и потому, что позволяет находить показатели, более адекватно характеризующие процессы, протекающие в водных экосистемах. Так, при анализе состояния экосистем в крупных водохранилищах было установлено, что отклики фитопланктона в таких водоёмах в незначительной степени зависят гидрологических факторов и содержания Робщ. и Nобщ., но закономерно изменяются по градиенту отношения (N^/P^J [13].

Для исследований были привлечены данные экспедиций Северо-Западного отделения Института океанологии Российской академии наук, проведенные в устьях ме-зоприливных и макроприливных больших, средних и малых рек в период с 2015 по 2022 годы. Здесь и далее размеры рек указаны в соответствии с ГОСТ 19179-73 «Гидрология суши. Термины и определения». Напомним, что в мезоприливных устьях рек сизигийная величина прилива на устьевом взморье превышает 1,6 метра, но меньше 2,8 метров, в макроприливных устьях рек она превышает 2,8 метров.

Исследования проводились летом (июль, август) в мезоприливных устьях рек Онега, Кянда и Тамица в Белом море, Индига в Баренцевом море, а также в макроприливных устьях рек Кулой в Белом море и Чёша в Баренцевом море (рис. 1).

Три реки из вышеперечисленных, Кянда, Тамица и Чёша, имеют площадь водосбора менее 2000 км2, и согласно классификации В.Н. Михайлова [14] относятся к малым рекам. Кулой и Индига относятся к средним рекам, а Онега – к большим. Таким образом, исследованиями был охвачен весь спектр устьевых участков различных по величине рек.

Целью проводимых на данном этапе исследований было установление величины отношения (Nо6щ/Pо6щ) в устьях разных по величине рек и определение его изменчивости в период наблюдений.

Рисунок 1 - Места проведения исследований в устьевых областях рек Белого и юго-восточной части Баренцева морей

Материалы и методы

При проведении наблюдений для замера солености использовались такие приборы, как кондуктометрический анализатор жидкости Cond 197i и многопараметрический анализатор жидкости Multi 3420 фирмы WTW . Для определения общего фосфора и общего азота из одной пробы воды использовался метод, предложенный Королёвым и уточнённый Вальдеррамой. Он основан на одновременном окислении азотсодержащих и фосфорсодержащих органических соединений, находящихся в воде, до нитратов и фосфатов, соответственно. Вальдеррама предложил окислительный реактив, в который кроме персульфата калия входят натриевая щёлочь и борная кислота, что позволяет проводить сожжение органического вещества сначала в щелочной, а затем в кислой среде, то есть единым процессом достигается двухэтапное разложение органического вещества, что улучшает качество анализа. Определение фосфатов и нитратов проводилось колориметрическими методами с использованием спектрофотометра модели DR3900 фирмы «HACH-LANGE» .

Результаты и обсуждение

Статистики по изменчивости рассматриваемого параметра даны в таблице 1. В ней приведены как общепринятые характеристики - среднее значение и среднеквадратичное отклонение, а также робастные (помехоустойчивые) статистики (медиана, квартили), на которые длина используемой выборки и отклонение от нормального закона статистического распределения оказывают малое влияние. Межквартильный интервал величин, ограниченный верхним квартилем (75% точкой) и нижним квартилем (25% точкой), по нашему мнению, можно использовать в качестве оценки характерного диапазона их изменчивости. Эти величины входят в ядро статистического распределения исследуемых значений и не зависят от «выбросных» концентраций наблюдаемых показателей. Поскольку на гидробиологические и гидрохимические процессы в прибрежной части распреснённых морских акваторий оказывает влияние градиент солёности [15], в таблице 1 также указан параметр S0 - Sк - диапазон солености при измерении (Nо6щ/Pо6щ). При этом концентрации общего фосфора в исследованных устьях рек колебались в диапазоне 9-32 мкг/л, общего азота - в диапазоне 34-2928 мкг/л. Максимальное содержание данных соединений зафиксировано в устье р. Тамицы, что, видимо, обусловлено поступлением в устьевые воды дренажных стоков с территории животноводческой фермы в поселке Тамица.

Анализ результатов статистических расчетов показал следующее. Рассматриваемый параметр в устьях исследуемых рек Белого и Баренцева морей изменяется в сравнительно широком диапазоне. Средние значения Nобщ./Pобщ. находились в диапазоне от 4 до 30. Если ориентироваться на медиану, как одну из наиболее устойчивых статистик при различных размерах малых выборок наблюдений, то величины Nобщ./Pобщ. чаще всего колеблются в интервале 3-22. Минимальные значения были меньше 1, а максимальные превосходили 50. Их минимум характерен для макропри-ливных эстуариев (устья рек Кулой и Чёша). Возможно, это обусловлено заметным ослаблением фотосинтеза микроводорослей в подобных водотоках из-за наличия высокой мутности устьевых вод, препятствующей проникновению солнечного света в водную толщу. Здесь содержание взвесей достигает 500-1000мг/дм3 и даже более [16]. Также можно отметить снижение параметра Nобщ./Pобщ. в мезоприливных устьях малых рек (Кянда, Тамица) по сравнению с устьями средних (Индига) и больших (Онега) рек. В целом же этот параметр для малых рек – Кянды, Тамицы и Чёши, а также Кулоя заметно меньше, чем для Онеги и Индиги, которые заметно больше как по площади водосбора, так и по расходам, особенно в паводочный период.

Таблица 1

Статистическая характеристика изменчивости параметра Nобщ./Pобщ. в устьях рек Белого и Баренцева морей в летний период

Показатели	Наименование рек, время наблюдений
	Онега, VIII. 2022	Индига, VII. 2022	Кянда, VII. ц2015	Тамица, VIII. 2020	Кулой, VIII. 2020	Чёша, VII. 2017
S 0 -S к , ‰	0,2-12,9	1,8-30,0	0,3-23,5	0,2-18,8	0,2-22,6	0,1-19,1
Среднее значение	30	22	11	8	5	4
Стандартное отклонение	16	12	6	5	4	3
Медиана	22	18	12	8	4	3
25 % точка	18	13	8	4	2	2
75 % точка	40	28	14	12	6	6
Минимум	10	5	1	1	0,02	0,5
Максимум	62	52	18	15	11	8
Количество наблюдений	15	21	11	14	12	10

Подобное явление, видимо, связано с различиями в характере потребления биогенных веществ различными представителями водной флоры – растениями и водорослями, с одной стороны, и фитопланктоном (микроводорослями), с другой стороны. В устьях малых рек в этом отношении обычно преобладают растения-галофиты, уступающие свою доминанту морским водорослям на устьевом взморье реки, где соленость начинает превышать 20-25‰, В устьях более крупных рек, где размеры приливной осушки становятся заметно меньше размеров не осушаемого русла водотока – фитопланктон. При этом в последних величины параметра Nобщ./Pобщ. в вегетационный период начинают быть сопоставимыми с значениями N/P в морских водах.

Зависимости рассматриваемого параметра от распределения солености представлены на рис.2. Его анализ позволяет предположить, что в диапазоне солености выше 20-25‰ в устьевых водах устьев рек, несмотря на размеры их водосборов, начинается возрастание доли общего азота по отношению к общему фосфору. Данный процесс можно объяснить выделением органического азота за счет деятельности симбиотических микроорганизмов, образующих ризосферу с высшими растениями галофитами [17]. В устьях больших и средних рек в интервале 7-15‰ наблюдается обратное явление. Его можно связать с более ускоренным рециклингом минеральных форм фосфора по отношении к азоту на фоне их интенсивного поглощения микроводорослями в зоне, где дополнительный приток азота за счет его изъятия из атмосферы галофитами еще не получил интенсивного развития. Также следует заметить, что в приливных устьях малых рек связь параметра Nобщ./Pобщ.с соленостью может иметь разнообразный характер, что, по нашему мнению, связано со особенностями формирования приливных осушек (приморских заливных лугов) и зарослей галофитов на них [18]. Их размеры обычно превышают площадь акватории, занимаемую непосред- ственно водотоком в малую воду приливного цикла и в Белом и Баренцевом морях их ширина может достигать сотни метров, а в некоторых местах даже километров [19, 20].

Следует отметить, что изменчивость гидрохимических показателей в устьевых областях приливных морей присуща многим элементам. Она установлена для ионов металлов, биогенов, элементов карбонатной системы, растворённым газам - СО2 и О2 [5, 21-23 и др.]. Естественно, что в этих акваториях и их соотношения будут изменяться в течение приливных циклов, что необходимо учитывать при производстве исследований и разработке схем экологического мониторинга и производственного контроля.

а)

б)

в)

д)

е)

Рисунок 2 - Графики связи параметра Nобщ/Pобщ с распределением солености в устьях рек Онега (а), Индига (б), Кянда (в), Тамица (г), Кулой (д) и Чёша (е) в летний период

Выводы

Таким образом, можно сделать предварительный вывод, что параметр (Nо6щ/Pо6щ) в приливных устьях рек Белого и Баренцева морей и, быстрее всего, в западном секторе российской Арктики в целом имеет тенденцию к возрастанию в зоне биологической ступени маргинального фильтра по мере приближения к водам открытых акваторий моря. Здесь концентрации общего азота в растворенной форме явно превышают концентрации общего фосфора, приближаясь к их соотношению, определенному для их минеральных солей. При этом параметр (Nо6щ/Pо6щ) характеризовался большой изменчивостью как в периоды наблюдений, так и между различными реками. Минимум параметра (Nо6щ/Pо6щ) наблюдался в зоне коагуляционно-сорбционной ступени маргинального фильтра, но в устьях некоторых малых рек он может отмечаться и в зоне гравитационной ступени. В этой зоне концентрации общего фосфора могут достигать уровня содержания общего азота или даже превышать его. Подобная ситуация, видимо, связана с особенностями пространственного распределения граничных поверхностей (вода-берег, вода-дно, вода-макрофиты) в устьевых объектах с наличием приливных осушек. Эти границы определяют скорости минерализации органических соединений фосфора и азота, а также интенсивность потребления их минеральных солей макрофитами и фитопланктоном. Этот факт, в частности, рекомендуется учитывать при сбросе сточных вод с высокими концентрациями солей азота и фосфора в устьях рек Белого и Баренцева морей. При этом особое внимание следует уделять выбору расположения точек отбора проб, чтобы они в наибольшей степени были репрезентативными для измеряемых показателей. Одна из них обязательна должна располагаться на участке наиболее массового разрастания галофитной растительности.

Для установления закономерностей таких вариаций концентраций общих азота и фосфора в устьевых областях арктических рек необходимо проведение специальных исследований, которые имеют не только научное, но и важное прикладное значение для контроля состояния прибрежных экосистем, особенно находящихся в зоне воздействия населённых пунктов, промышленных и транспортных объектов.