Распределение концентрации нитратов в водах залива петра Великого (Японское море)

Экология

Вестник ДВО РАН. 2008. № 3

УДК 551.464.617

Е.А.ТИХОМИРОВА

Распределение концентрации нитратов в водах залива Петра Великого

На основании средних многолетних данных 1990—2005 гг. на станциях стандартной сети Общегосударственной системы наблюдений рассмотрены закономерности распределения и пространственно-временной изменчивости концентрации нитратов в водах Амурского и Уссурийского заливов. Представлен анализ вертикальной структуры, сезонной изменчивости и пространственно-временного распределения нитратов.

Ключевые слова: нитраты, пространственно-временное распределение, Амурский и Уссурийский заливы.

Distribution of nitrates in Peter the Great Bay waters (Sea of Japan). E.A.TIKHOMIROVA (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Nitrate distribution and variability in waters of Amursky and Ussuriysky Bays are analyzed on the basis of mean long-term data of1990-2005from the stations of the standard network of the Nationwide System of Supervision (NSS'). Analysis of vertical structure, seasonal variability and distribution of nitrates is presented.

Key words: nitrate, spatial and temporal distribution, Amursky and Ussuriysky Bays.

Залив Петра Великого - крупнейший в северо-западной части Японского моря [9]. Он характеризуется большим разнообразием типов берегов, прибрежных грунтов, гидрологического режима и физико-химических условий среды, создающих в совокупности уникальные сочетания условий обитания для населяющих этот район животных и растений [3, 5]. Содержание азота в воде в значительной степени определяет жизнь моря, поскольку именно концентрации неорганического азота, как правило, лимитируют фотосинтез. Его соединения в морской воде являются наиболее сложными вследствие существования различных форм валентности и многообразия органических соединений [1].

Основным источником нитратов является нитрификация органического вещества, регенерация (обратный переход азота из сложных органических соединений в минеральные формы), сток рек, сброс промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Часть азота поступает с атмосферными осадками. Расходуются нитраты в процессе фотосинтеза (будучи одним из главных компонентов питания фитопланктона), денитрификации, при переходе органического азота с детритом в донные отложения. При интенсивном фотосинтезе неорганический азот может быть полностью ассимилирован, в связи с чем фотосинтез приостанавливается [1, 2].

Сведения о гидрохимическом режиме вод зал. Петра Великого и отдельных его акваторий представлены в [10, 11, 13, 14], но режим нитратов в них не рассматривался. Анализ распределения нитратов в отдельных районах исследуемой акватории приводится в [5, 6, 12, 17], однако сведения в них весьма ограничены.

В монографии В.И. Дулепова с соавторами указаны только пределы изменений концентрации нитратов для вод зал. Петра Великого в целом, приведена диаграмма среднегодовых

ТИХОМИРОВА Евгения Александровна - младший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). Е-mail: tikhomirova@poi.dvo.ru

концентраций нитратов в отдельных его районах. Среднегодовые концентрации нитратов в водах залива составляют 25-32 мкг/л (1,8-2,3 мкМ). Максимальные значения выделены в Амурском заливе и восточном районе зал. Петра Великого, а минимальные - в его западном и центральном районах [5].

По данным А.В.Ткалина с соавторами, концентрации нитратов в водах кутовой части Амурского залива в 1,5-2 раза выше, чем в его открытой части, а среднее содержание нитратного азота в Амурском и Уссурийском заливах составляет 4-20 мкг/л (0,3—1,4 мкМ) [17].

В работе В.И.Звалинского с соавторами [6] рассмотрено распределение концентрации нитратов в эстуарии р. Раздольная (Амурский залив) по данным двух съемок (первая выполнена в период малой воды, вторая - после паводка), проведенных в июле 2001 г. В период первой съемки максимальные концентрации нитратов (~ 35 мкМ) выделены на поверхности в устье реки. Уменьшение значений до 10 мкМ наблюдалось от устья реки к бару во внутренней части эстуария и в направлении дна. Во время второй съемки во внутренней части эстуария концентрация нитратов практически не менялась (~ 40 мкМ), в районе бара и во внешней его части их содержание быстро уменьшалось до 1 мкМ. Таким образом, распределение нитратов в море до и после паводка существенно различалось. По данным первой и второй съемок, на расстоянии 20 км от устья р. Раздольная концентрации нитратов в поверхностном слое составили 0,1 мкМ.

По материалам ежедекадных съемок в июле-августе 2004 г. В.И.Рачковым представлено пространственно-временное распределение концентрации нитратов на поверхности и у дна. Концентрации нитратов в вершине Уссурийского залива в июле-августе, как правило, составляли на поверхности 0,1-0,6, а у дна - 0,1-2,0 мкМ. В поверхностном слое пополнение их запасов происходило за счет стока рек, у дна - вследствие поступления обогащенных нитратами глубинных вод на шельф при сгонах, а также в результате деструкции органического вещества. Полное исчерпание запасов нитратов отмечалось только в июле, причем оно было кратковременным [12].

Целью настоящей работы является исследование вертикальной структуры, сезонной изменчивости и пространственно-временного распределения концентрации нитратов в водах Амурского и Уссурийского заливов по средним многолетним месячным данным.

Для анализа закономерностей распределения концентрации нитратов использованы данные станций стандартной сети Общегосударственной системы наблюдений (ОГСН) в Амурском и Уссурийском заливах за 1990-2005 гг. (рис. 1).

Как правило, наблюдения выполнялись ежемесячно с апреля по октябрь на горизонтах 0, 10,

20, 40, 50 м и придонном. Так как исходные данные для ноября и декабря недостаточны для обобщения (2-3 года), эти месяцы не рассматривались. Обработаны

данные 639 станций, расположенных в Амурском заливе, и 405 - в Уссурийском.

Анализ проб проводился по стандартным методикам [15]. После пропускания морской ВОДЫ рис ь Расположение океанографических станций ОГСН в через редуктор, наполненный зал. Петра Великого

омедненным кадмием, в пробе обычным способом (с реактивом Грисса-Илосвая) определяли сумму нитратов и нитритов. Зная содержание нитритов, находили концентрацию нитратов. Диапазон концентраций нитратного азота 0-500 мкг/л (0,0-35,7 мкМ), суммарная погрешность (А) 2,70-7,39% [18].

В течение всего периода исследования концентрация нитратов нигде не снижалась до нулевых значений.

Вертикальное распределение. При рассмотрении вертикальной изменчивости не учитывались данные станций 11 и 12 (северная часть Амурского залива) и станции 104 (Уссурийский залив) из-за мелководности этих участков.

В центральной части Амурского залива (ст. 16, 24, 28, 52) выделены два типа вертикального распределения концентрации нитратов (рис. 2а). Отличительной чертой первого типа, как и в большинстве регионов Мирового океана, является повышение концентрации нитратов с увеличением глубины с июня по сентябрь. Второй тип распределения проявляется весной (апрель-май) и осенью (октябрь). Весной максимальные концентрации нитратов на поверхности отмечаются после таяния льда. Осенью из-за термической конвекции и ветрового перемешивания образуется верхний 20-метровый квази-однородный слой. Повышенное содержание в нем концентрации нитратов обусловлено увеличением речного стока и осадками в августе-сентябре. Далее наблюдается уменьшение концентрации нитратов в направлении дна.

Вертикальное распределение концентрации нитратов южной части Амурского залива (ст. 35, 37, 39) формируется в результате интенсивного водообмена через проливы с Уссурийским заливом и с открытой частью зал. Петра Великого, поэтому здесь воды хорошо перемешаны от поверхности до дна, разность концентраций нитратов по вертикали менее существенна (рис. 2б) [16].

В апреле воды южной части Амурского залива полностью освобождаются ото льда и максимальные концентрации нитратов наблюдаются на поверхности. В мае и октябре за счет «цветения» фитопланктона в верхнем слое поверхностный максимум концентрации нитратов располагается на глубине 10 м (рис. 2б).

В июле-августе, по мере увеличения толщины верхнего квазиоднородного слоя и потребления нитратов в процессе фотосинтеза, происходит постепенное перемещение интенсивного развития фитопланктона на подповерхностные горизонты. Одновременное увеличение количества осадков и материкового стока в данный период приводит к росту концентрации нитратов на поверхности. Эти два фактора - фотосинтез и материковый сток - являются основными при образовании в этот период подповерхностного минимума на глубине 10 м. В сентябре концентрация нитратов от поверхности до дна плавно увеличивается (рис. 2б).

Рис. 2. Вертикальное распределение концентрации нитратов в отдельных районах зал. Петра Великого: а - центральная часть Амурского залива, б - южная часть Амурского залива, в - Уссурийский залив. 1 - апрель, 2 - май, 3 - июнь, 4 - июль, 5 - август, 6 - сентябрь, 7 - октябрь. На оси абсцисс - концентрации нитратов, мкМ, на оси ординат - глубина, м

Графики вертикального распределения концентрации нитратов по всем станциям Ус -сурийского залива были схожими, поэтому данные осреднены по всему заливу. Для исследуемой акватории характерны три типа распределения концентрации нитратов (рис. 2в). В первом типе, как и в Амурском заливе, концентрации нитратов увеличиваются с приближением ко дну, поскольку на поверхности происходят продукционные процессы, а у дна - деструкционные. Такая картина наблюдается в апреле, мае, июле и сентябре (рис. 2в).

При втором типе максимальные концентрации нитратов наблюдаются на поверхности в августе. Это обусловлено наибольшим количеством осадков в этот месяц [7], в результате чего нитраты с материковым стоком и из атмосферы поступают на поверхность залива.

Для третьего характерно наличие подповерхностного максимума на глубине 20 м (рис. 2в) в июне и октябре из-за «цветения» фитопланктона в верхнем слое залива. Воды Уссурийского залива более прозрачные (вследствие отсутствия мощного речного стока), чем Амурского, и нитраты в поверхностном слое расходуются в процессе фотосинтеза. На глубине происходит регенерация, поэтому на горизонте 20 м концентрация нитратов увеличивается.

Сезонная изменчивость. Режим распределения концентрации нитратов в фотическом слое морей подвержен закономерной внутригодовой изменчивости и согласуется с динамикой биомассы фитопланктона. Весной рост фитопланктона уменьшает содержание нитратов. Осенью их концентрации возрастают за счет ослабления фотосинтеза, минерализации органического вещества и вертикальной кон -векции [1].

По средним многолетним данным, в Уссу -рийском заливе не наблюдается четко выраженного сезонного хода концентрации нитратов (рис. 3 а). Характерно чередование локальных экстремумов на всех точках осреднения данных.

В апреле в водах залива, только что освободившегося ото льда, отмечается повышенная концентрация нитратов. По мере развития фитопланктона их содержание уменьшается. В июне и августе оно увеличивается за счет

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

4 5 6 7 8 9 10

0,7 п в

0,6 -

0,5 -

0,4 -

0,3 -

0,2 -

4 5 6 7 8 9 10

0,7 -і г

0,6 А

0,5

0,4

0,3

0,2

4 5 6 7 8 9 10

Рис. 3. Сезонные изменения концентрации нитратов в отдельных районах зал. Петра Великого: а - Уссурийском заливе, б - северной части Амурского залива, в - центральной части Амурского залива, г - южной части Амурского залива. 1 - 0 м, 2 - 10 м, 3 - 20 м (15 м, придонный - в центральной части Амурского залива). На оси ординат - концентрации нитратов, мкМ; на оси абсцисс - месяц

осадков [7], а в октябре - за счет ослабления фотосинтеза, минерализации органического вещества и вертикальной конвекции.

По характеру внутригодового изменения содержания нитратов акваторию Амурского залива можно разделить на три части: северную (ст. 11 и 12), центральную (ст. 16, 24, 28, 52) и южную (ст. 35, 37, 39) (рис. 3б-г).

На всей акватории Амурского залива, как и в Уссурийском заливе, в апреле наблюдаются максимальные концентрации нитратов, обусловленные речным и материковым стоком. С мая по сентябрь, по мере развития фитопланктона, содержание нитратов уменьшается (рис. 3).

Только в северной части Амурского залива в августе увеличение концентраций нитратов вызвано максимальными осадками [7] и речным стоком [4] (рис. 3б).

В октябре в северной и центральной частях Амурского залива небольшой рост концентраций нитратов вызван ослаблением фотосинтеза, минерализацией органического вещества и вертикальной конвекцией (рис. 3б, в).

В южной части Амурского залива повышения концентрации нитратов в октябре не отмечено (рис. 3г). Возможно, основной причиной этого является большая по сравнению с северной и центральной частями залива глубина, что препятствует пополнению нитратов из придонного слоя в основную толщу вод в результате ветрового и конвективного перемешивания.

В водах Амурского и Уссурийского заливов внутригодовые колебания нитратов составляют около 0,3 мкМ (рис. 3). Следует отметить, что все вышеизложенное основывается на средних многолетних величинах, которые в отдельные годы могут быть существенно выше или ниже представленных значений.

Пространственно-временное распределение. На пространственное распределение концентрации нитратов в поверхностных водах Амурского и Уссурийского заливов в течение года оказывают влияние материковый сток, развитие фитопланктона, адвекция вод из глубоководной части моря, конвекция и атмосферные осадки. Все эти факторы приводят к тому, что на поверхности обоих заливов в теплый период года сохраняется однотипный характер пространственного распределения концентрации нитратов с максимальным содержанием в прибрежных районах заливов (рис. 4).

В прибрежных районах Амурского и Уссурийского заливов максимальные значения концентрации нитратов на поверхности (0,6-1,3 мкМ) характерны для периода с апреля по август, что вызвано материковым стоком. Только в июне в Амурском заливе за счет увеличения разнообразия фитопланктона [8] их содержание уменьшается и не превышает 0,3-0,4 мкМ на всей акватории залива. В сентябре-октябре, с началом осеннего «цветения» фитопланктона [8], содержание нитратов в прибрежных районах обоих заливов снижается до 0,2-0,4 мкМ (рис. 4а).

На горизонтах 10 и 20 м распределение концентрации нитратов имеет свои особенности (рис. 4б, в).

В северной части Уссурийского залива на горизонте 10 м в апреле-июле и октябре концентрация нитратов понижена в связи с тем, что материковый сток оказывает меньшее влияние на подповерхностных горизонтах, чем на поверхности, а условия для развития фитопланктона еще комфортные. В августе концентрации уменьшаются в направлении к открытой части залива (рис. 4б).

В Амурском заливе на горизонте 10 м с апреля по октябрь наблюдается неравномерное распределение концентрации нитратов, чередование областей с повышенными и пониженными значениями (рис. 4б). Возможно, это связано с «пятнистостью цветения» фитопланктона.

На горизонте 20 м с апреля по июль концентрации нитратов увеличиваются по мере продвижения в открытую часть обоих заливов (рис. 4в), в августе и октябре в Уссурийском заливе и в сентябре в Амурском заливе под влиянием материкового стока - по мере продвижения к северу.

По особенностям вертикального и сезонного распределения концентрации нитратов проведено районирование вод Амурского залива на северную, центральную и южную части. По средним многолетним месячным данным в Уссурийском заливе не наблюдается четко выраженного сезонного хода концентрации нитратов. Характерной чертой внутригодовых изменений концентрации нитратов в Уссурийском заливе является чередование локальных экстремумов. На поверхности обоих заливов в теплый период года сохраняется однотипный характер пространственного распределения концентрации нитратов с максимальным содержанием в прибрежных районах обоих заливов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алекин О.А., Ляхин Ю.И. Химия океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 344 с.

2. Берникова Т.А. Гидрология и промысловая океанология. М.: Пищ. пром-сть, 1980. 240 с.

3. Ващенко М.А., Питрук Д.Л. Сравнительная оценка состояния морской среды и биоты в разных районах залива Петра Великого, включая приустьевую зону реки Туманной // Экологическое состояние и биота югозападной части залива Петра Великого и устья реки Туманной. Владивосток: Дальнаука, 2002. Т. 3. С. 5-20.

4. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. РСФСР. Бассейны Уссури и рек Японского моря. Т. 1, вып. 21. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 387 с.

5. Дулепов В.И., Лелюх Н.Н., Лескова О.А. Анализ и моделирование процессов функционирования экосистем залива Петра Великого. Владивосток: Дальнаука, 2002. 248 с.

6. Звалинский В.И., Недашковский А.П., Сагалаев С.Г., Тищенко П.Я., Шевцова М.Г Биогенные элементы и первичная продукция в эстуарии реки Раздольной (Амурский залив Японского моря) // Биология моря. 2005. Т. 31, № 2. С. 107-116.

7. Климат Владивостока / под ред. ГВ.Свинухова. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 248 с.

8. Коновалова ГВ. Сезонная характеристика фитопланктона в Амурском заливе Японского моря // Океанология. 1972. Т. 12, вып. 1. С. 123-127.

9. Лоция северо-западного берега Японского моря от реки Туманная до мыса Белкина. Л.: ГУНиО МО, 1984. Ч. 1 (№ 1401). 319 с.

10. Лучин В.А., Тихомирова Е. А., Круц А. А. Океанографический режим вод залива Петра Великого (Японское море) // Изв. ТИНРО. 2005. Т. 140. С. 130-169.

11. Подорванова Н.Ф., Ивашинникова Т. С., Петренко В. С., Хомичук Л.С. Основные черты гидрохимии залива Петра Великого (Японское море) / под ред. Н.К.Христофоровой, В.Г.Яричина. Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. 201 с.

12. Рачков В.И. Гидрохимические условия в вершине Уссурийского залива в период нереста анадары // Изв. ТИНРО. 2006. Т. 146. С. 264-275.

13. Рачков В.И. Характеристика гидрохимических условий вод Амурского залива в теплый период года // Изв. ТИНРО. 2002. Т. 131. С. 65-77.

14. Редковская З. П. Гидрохимический режим шельфовой зоны Японского моря // Тр. ДВНИГМИ. Владивосток, 1984. Т. 8, вып. 35. С. 16-69.

15. Руководство по химическому анализу морских вод. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 264 с.

16. Fayman P.A. The currents modeling for Peter the Great Bay on the base of FERHRI survey, 2001 // Pac. Oceanography. 2003. Vol. 1, N 1. P. 79-81.

17. Tkalin A.V., Belan T.A., Shapovalov E.N. The state of the marine environment near Vladivostok, Russia // Mar. Pollut. Bull. 1993. Vol. 26, N 8. P. 418-422.

18. Wood E. D., Armstrong F.A.J., Richards F.A. Determination of nitrate in sea water by cadmium-cooper reduction to nitrite // J. Mar. Boil. Assoc. UK. 1967. Vol. 47. P. 23-31.