БИОЛОГИЯ МОРЯ, 2005, том 31, № 1, с. 51-60
УДК 550.47:551.464.626 БИОГЕОХИМИЯ
КАРБОНАТНАЯ СИСТЕМА ЭСТУАРИЯ РЕКИ РАЗДОЛЬНОЙ (АМУРСКИЙ ЗАЛИВ ЯПОНСКОГО МОРЯ)1
© 2005 г. П. Я. Тищенко1, Ч. Ш. Вонг2, Т. И. Волкова1, Л. М. Грамм-Осипов1, В. К. Джонсон2, О. В. Дударев1, В. И. Звалинский1, А. П. Недашковский1, Г. Ю. Павлова1, Р. В. Чичкин1, С. Г. Сагалаев1, О. В. Шевцова1,
Е. М. Шкирникова1
1 Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, Владивосток 690041: 2Институт океанологических наук, Сидней, Британская Колумбия, Канада e-mail: travel@poi.dvo.ru
Статья принята к печати 4.02.2004 г.
Для изучения карбонатной системы эстуариев предложены два метода: измерения щелочности по Бруевичу (1944) и измерения рН в ячейке безжидкостного соединения (Тищенко и др., 2001). На основе новых измерений получены эмпирические уравнения для первой и второй концентрационных констант угольной кислоты в морской воде для диапазона солености 0-40%о и температуры 0-30°С. С использованием этих констант и вышеупомянутых методов исследована карбонатная система эстуария р. Раздольная - Амурский залив в двух экспедициях, проведенных в период межени и после паводка в июле 2001 г. Во второй экспедиции получены экстремально низкие (~60 мкатм) в мористой части эстуария и экстремально высокие (~13 300 мкатм) для реки значения парциального давления углекислого газа. Высокие значения парциального давления С02 обусловлены интенсивной бактериальной деятельностью, низкие - вспышкой "цветения" фитопланктона. Обнаружено неконсервативное поведение щелочности и общего неорганического углерода. По данным карбонатной системы проведены оценки продукции/деструкции органического вещества.
Ключевые слова: эстуарий, карбонатная система, первичная продукция.
Carbonate system of the estuary of the Razdolnaya River (Amursky Bay, Sea of Japan). P. Ya. Tishchenko1, C. S. Wong2, T. I. Volkova1, L. M. Gramm-Osipov1, W. K. Johnson2, О. V. Dudarev1, V. I. Zvalinsky1, A. P. Nedashkov-sky1, G. Yu. Pavlova1, R. V. Chichkin1, S. G. Sagalaev1, О. V. Shevtsova1, E. M. Shkirnikova1 ^Pacific Oceanological Institute, Far East Branch, Russian Academy of Sciences, Vladivostok 690041; 2Institute of Ocean Sciences, 9860 Sidney, British Columbia, Canada)
Bruevich's method (1944) of total alkalinity measurement and the potentiometric method (without liquid junction) of pH measurement (Tishchenko et al., 2001) are suggested for study of the carbonate system in an estuary. From a new set of data, empirical equations were obtained for the first and second concentration constants of carbonic acid in seawater in the salinity range of 0-40%o and temperature 0-30°C. Carbonate system of the estuary of Razdolnaya River-Amursky Bay was studied using these constants and the above methods. Two expeditions were made in July 2001: one at low water period and the other after the flood. During the second expedition, extremely low carbon dioxide partial pressure (about 60 —atm) was found for the seaward area of the estuary and extremely high pC02 (about 13300 —atm) occurred in the river. High pC02 in surface water can be attributed to intensive activity of bacteria after the typhoon, while extremely low pC02 values to the bloom of phytoplankton. Nonconservative behavior of total alkalinity and dissolved inorganic carbon in the estuary was found. Organic matter production/destruction rates for the investigated area were estimated using parameters of the carbonate system. (Biologiya Morya, Vladivostok, 2005, vol. 31, no. 1, pp. 51-60).
Key words: estuary, carbonate system, primary production.
Реки можно рассматривать как артерии, по которым в океан поступает взвешенное и растворенное вещество органического и неорганического происхождения. Характер и свойства веществ зависят как от климатических, географических и геологических особенностей бассейна реки, так и от деятельности человека. Природные и антропогенные компоненты выносимого вещества вызывают интенсивные биогеохимические процессы в области смешения речной и морской воды. В соответствии с современными представлениями о геохимическом барьере "река-море" речной сток не является простой механической поставкой вещества с
суши в океан. Согласно Лисицыну (1988), на небольшом в географическом отношении участке происходит основное накопление осадочного вещества Земли. Эстуарии и дельты рек мира рассматриваются им как первый глобальный уровень лавинной седиментации. Весьма значимы для потоков веществ биологические процессы, интенсивность которых в эстуариях в несколько раз выше, чем на примыкающих акваториях океанов и морей. Совершенно очевидно, что роль двуокиси углерода является ключевой, поскольку СОг лежит в основе построения органического вещества и извлекается из среды при фотосинтезе. Одновременно с
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов ДВО РАН (проекты 03-3-А-07-061, 03-1-0-07-002 и 03-1-0-07-005) и проекта АР1-2004-18-1МУ.
этим она выделяется в среду при биологическом окислении взвешенной и растворенной форм органического углерода. Кроме этого, двуокись углерода является парниковым газом, способным оказывать влияние на климат планеты. От интенсивности процессов, протекающих в эстуариях с участием двуокиси углерода, существенно зависит и глобальный цикл углерода (Walsh, 1991; Cai, Wang, 1998). Можно согласиться с мнением Кэя и Вэнга (Cai, Wang, 1998) о том, что количество публикаций, посвященных изучению карбонатной системы эстуариев, не соответствует важности проблемы. Сложившаяся ситуация, на наш взгляд, обусловлена наличием методических проблем, связанных с измерением и расчетом параметров карбонатной системы эстуариев.
В настоящее время разработаны методики (Dickson, Goyet, 1994), позволяющие с достаточно высокой воспроизводимостью измерять все четыре параметра карбонатной системы морской воды: DIC - растворенный неорганический углерод, рСО2 - парциальное давление углекислого газа, ТА - общую щелочность и рН. Для области солености 30-40%о довольно надежно измерены концентрационные константы угольной кислоты (Millero, 1995). Тем не менее при изучении карбонатной системы морской воды остаются нерешенными некоторые методические проблемы, в первую очередь вопросы интеркалибрации измерений рН и щелочности (Poisson et al., 1990), внутренняя согласованность четырех измеряемых параметров и констант угольной кислоты (Lamb et al., 2002), а также точные измерения рСО2 в дискретных пробах. Данные проблемы существенно осложняются, когда объектом исследования становятся речные воды и область смешения речной и морской воды (Herczeg et al., 1985). В этом случае стандартные методы и приемы исследования карбонатной системы оказываются неприемлемыми по ряду причин.
Во-первых, воды эстуариев, как правило, содержат большое количество взвеси, что делает практически невозможным использование спектрофотометриче-ского метода измерения рН (Dickson, Goyet, 1994). По этой же причине пробы этих вод долго не хранятся из-за обилия бактерий на взвеси, деятельность которых приводит к уменьшению рН и увеличению DIC. При измерении DIC будет оттитровываться карбонатная взвесь, для удаления которой нельзя использовать фильтрование или центрифугирование проб, так как при этом невозможно избежать обмена углекислого газа между пробой и атмосферой. Измеренная традиционным методом величина DIC оказывается параметром, не соответствующим реальности, поэтому не может характеризовать карбонатную систему эстуариев.
Во-вторых, измерение рН и щелочности в широком диапазоне солености от 1 до 35%о общепринятыми потенциометрическими методами сопряжено с грубыми ошибками, поскольку данные методы основаны на использовании электрохимической ячейки с жидкостным соединением. Величина стандартного отклонения для рН измерений может составлять 0.74 ед. рН (Herczeg et al., 1985), что фактически исключает воз-
можность количественного изучения карбонатной системы с применением этих методов.
В-третьих, опубликованные экспериментальные данные разных авторов и предложенные на их основе уравнения для концентрационных констант угольной кислоты существенно различаются для области солености ниже 20%о и не стремятся к общепринятым константам диссоциации для нулевой солености (Harned, Scholes, 1941; Harned, Davis, 1943).
Для решения этих задач нами проведены специальные экспериментальные измерения констант диссоциации угольной кислоты в диапазоне солености 1.540% и диапазоне температуры 0-30оС. Также разработан и успешно применен для исследования морских и эстуарных вод модифицированный метод потенциомет-рического измерения рН в ячейке безжидкостного соединения (Тищенко и др., 2002). Значения рН, полученные с помощью этого метода, с высокой степенью точности согласуются с результатами независимых спектрофо-тометрических измерений рН морской воды (Тищенко и др., 2001). Одновременно мы использовали метод прямого титрования щелочности со смешанным индикатором, предложенный Бруевичем (1944), который в равной степени применим как к морской воде, так и к водам эстуариев. Так, при наличии в растворе взвеси она может быть удалена декантацией или центрифугированием. Поскольку щелочность не зависит от концентрации углекислоты в растворе, газообмен между пробой и атмосферой в данном случае не влияет на результаты измерений. Указанные достоинства метода С.В. Бруевича были продемонстрированы при проведении А. Диксоном интеркалибрации в рамках 13-й рабочей группы международной организации PICES (Павлова, 2001).
Таким образом, два карбонатных параметра - общая щелочность и рН, измеренные, соответственно, методом Бруевича (1944) и с помощью ячейки безжидкостного соединения (Тищенко и др., 2001), а также полученный нами новый набор констант угольной кислоты стали основой для точных исследований карбонатной системы эстуария р. Раздольная - Амурский залив.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспедиционные исследования области смешения речной и морской воды в эстуарии р. Раздольная - Амурский залив Японского моря проведены в 2001 г. в период малой воды (с 3 по 5 июля) и после паводка (с 24 по 26 июля). Подробное г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.