Карбонатная система и потоки CO2 в эстуарии р. Партизанская (зал. Находка, Японское море)
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ 6
1.1 Гидрометеорологические условия Приморского края 6
1.2 Географическое положение залива Находка 7
1.3 Гидрологический режим р. Партизанская 8
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 15
2.1 Углеродный цикл в океане 15
2.2 Понятие карбонатной системы 19
ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 24
3.1 Методы проведения измерений и способы визуализации данных 24
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ИССЛЕДУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ 27
4.1 Сезонная изменчивость гидрологических характеристик 27
4.2 Особенности подледного «цветения» 39
4.3 Изменчивость параметров карбонатной системы 43
4.4 Потоки углекислого газа 53
4.5 Потоки биогенных элементов и углерода 58
ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЕ 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 68
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ 6
1.1 Гидрометеорологические условия Приморского края 6
1.2 Географическое положение залива Находка 7
1.3 Гидрологический режим р. Партизанская 8
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 15
2.1 Углеродный цикл в океане 15
2.2 Понятие карбонатной системы 19
ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 24
3.1 Методы проведения измерений и способы визуализации данных 24
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ИССЛЕДУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ 27
4.1 Сезонная изменчивость гидрологических характеристик 27
4.2 Особенности подледного «цветения» 39
4.3 Изменчивость параметров карбонатной системы 43
4.4 Потоки углекислого газа 53
4.5 Потоки биогенных элементов и углерода 58
ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЕ 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 68
Реки являются связующим звеном между океаном и сушей и основным путем переноса наземного углерода в открытое море. Сложные обратные связи в цикле углерода в системе суша—вода—атмосфера определяются биогеохимическими факторами, изменяющими химический состав вод и интенсивность потока углекислого газа (CO2) между средами.
Глобальный углеродный цикл тесно связан с физической климатической системой, где между двумя системами существует несколько петель обратной связи. Так, увеличение содержания CO2 связано с климатическими изменениями, что, в свою очередь, влияет на циркуляцию океана и, следовательно, на поглощение океаном CO2. Эти обратные связи могут изменить роль океанов в поглощении атмосферного CO2, из-за чего составление прогноза, как будет происходить изменение углеродного цикла в океане в будущем, является сложной задачей на данный момент.
Океан является как регулятором климата, так и цикла углерода, поглощая около четверти ежегодно выделяемого в настоящее время антропогенного углекислого газа (CO2). Выбросы углерода в результате деятельности человека вызывают повышение температуры океана, закисление (уменьшение pH воды и степени насыщения минералами карбоната кальция) и более быстрое растворение кислорода с некоторыми свидетельствами изменений в круговороте питательных веществ и первичной продукции. Потепление океана и повышенные концентрации углекислого газа влияют на морские организмы на многих трофических уровнях, воздействуя на рыболовство, что в глобальном масштабе сказывается на производстве продуктов питания и на экономической отрасли. При этом, концентрация углекислого газа в воде в первую очередь контролируется фотосинтезом, аэробным и анаэробным разложением растворенного органического вещества (РОВ) и водно-газовым обменом СО2.
Несмотря на изменение гидрохимического состава, многие экосистемы все же способны сохранять постоянство режима природных циклах при антропогенной нагрузке. Это достигается благодаря буферной емкости систем, позволяющих сохранять устойчивость к внешним изменениям и проводить «самоочищение» и «самовосстановление». Такими свойствами буфера обладает карбонатная система, обеспечивающая круговорот углерода.
В то время как концентрация CO2 в атмосфере оценивается примерно в 270 (мкмоль/л) в до промышленной революции, в настоящее время она увеличилась примерно до 410 (мкмоль/л) и, как ожидается, достигнет 800-1000 (мкмоль/л) к концу этого века, при сохранении современного уровня сжигания ископаемого топлива. Открытые части Мирового океана поглощают углекислый газ, воды прибрежной зоны чаще являются его источником. Несмотря на относительно малую территорию, которой отводится зона смешения, именно эта область связывает материковые и океанические природные системы, образуя переходные водные массы. В результате взаимодействия морских и речных вод происходит процесс изменения плотности, солености и химического состава вод. В связи с этим, исследование переносимых рекой веществ важно для понимания биогеохимических процессов и их изменений во времени под влиянием различных факторов.
Эстуарии считаются наиболее продуктивными областями среди морских экосистем, поскольку они получают соединения биогенных элементов со стоком рек и, таким образом, обеспечивают сложный круговорот питательных веществ. Биогеохимические процессы в прибрежной зоне могут существенно отличаться от типичных для открытых акваторий из-за интенсивного взаимодействия морской воды, донных отложений, атмосферы и берега. Зона смешения вод получила название «маргинальный фильтр». Эстуарии служат убежищем и защитным питомником для мелкой рыбы, моллюсков, перелетных птиц и прибрежных прибрежных животных, а также местом нереста для более чем 75 % всей добываемой рыбы и моллюсков. В реках и эстуариях Приморья сосредоточены ресурсы ряда промысловых беспозвоночных и рыб (японский мохнаторукий краб, японская корбикула, дальневосточные красноперки, корюшки, пиленгас и др.).
Актуальность данной работы связана с важностью изучения экосистем на границе река-море при малоизученной изменений карбонатной системы в прибрежных районах. Гидрология и гидрохимия эстуариев Дальнего Востока России изучена очень слабо, а общедоступные базы данных отсутствуют из-за сложности точной регистрации различных гидрохимических показателей бесконтактными методами. Следовательно, репрезентативная база данных по конкретному водному объекту из разных частей мира имеет решающее значение в формировании «глобальной картины» вклада эстуариев в глобальный углеродный бюджет.
Необходимость рассматривания изменения концентрации углекислого газа в морской воде и направление его потоков, находит свое отражение в изучении парникового эффекта и потоков парниковых газов. Несмотря на небольшую площадь поверхности по сравнению с открытым океаном, на долю эстуариев приходится около 20% и 1,3% глобальных природных и антропогенных атмосферных выбросов оксида Азота (N2O) (28.1 млн т./г) и метана (CH4) (556 млн.т./г.) в атмосферу.
...
Глобальный углеродный цикл тесно связан с физической климатической системой, где между двумя системами существует несколько петель обратной связи. Так, увеличение содержания CO2 связано с климатическими изменениями, что, в свою очередь, влияет на циркуляцию океана и, следовательно, на поглощение океаном CO2. Эти обратные связи могут изменить роль океанов в поглощении атмосферного CO2, из-за чего составление прогноза, как будет происходить изменение углеродного цикла в океане в будущем, является сложной задачей на данный момент.
Океан является как регулятором климата, так и цикла углерода, поглощая около четверти ежегодно выделяемого в настоящее время антропогенного углекислого газа (CO2). Выбросы углерода в результате деятельности человека вызывают повышение температуры океана, закисление (уменьшение pH воды и степени насыщения минералами карбоната кальция) и более быстрое растворение кислорода с некоторыми свидетельствами изменений в круговороте питательных веществ и первичной продукции. Потепление океана и повышенные концентрации углекислого газа влияют на морские организмы на многих трофических уровнях, воздействуя на рыболовство, что в глобальном масштабе сказывается на производстве продуктов питания и на экономической отрасли. При этом, концентрация углекислого газа в воде в первую очередь контролируется фотосинтезом, аэробным и анаэробным разложением растворенного органического вещества (РОВ) и водно-газовым обменом СО2.
Несмотря на изменение гидрохимического состава, многие экосистемы все же способны сохранять постоянство режима природных циклах при антропогенной нагрузке. Это достигается благодаря буферной емкости систем, позволяющих сохранять устойчивость к внешним изменениям и проводить «самоочищение» и «самовосстановление». Такими свойствами буфера обладает карбонатная система, обеспечивающая круговорот углерода.
В то время как концентрация CO2 в атмосфере оценивается примерно в 270 (мкмоль/л) в до промышленной революции, в настоящее время она увеличилась примерно до 410 (мкмоль/л) и, как ожидается, достигнет 800-1000 (мкмоль/л) к концу этого века, при сохранении современного уровня сжигания ископаемого топлива. Открытые части Мирового океана поглощают углекислый газ, воды прибрежной зоны чаще являются его источником. Несмотря на относительно малую территорию, которой отводится зона смешения, именно эта область связывает материковые и океанические природные системы, образуя переходные водные массы. В результате взаимодействия морских и речных вод происходит процесс изменения плотности, солености и химического состава вод. В связи с этим, исследование переносимых рекой веществ важно для понимания биогеохимических процессов и их изменений во времени под влиянием различных факторов.
Эстуарии считаются наиболее продуктивными областями среди морских экосистем, поскольку они получают соединения биогенных элементов со стоком рек и, таким образом, обеспечивают сложный круговорот питательных веществ. Биогеохимические процессы в прибрежной зоне могут существенно отличаться от типичных для открытых акваторий из-за интенсивного взаимодействия морской воды, донных отложений, атмосферы и берега. Зона смешения вод получила название «маргинальный фильтр». Эстуарии служат убежищем и защитным питомником для мелкой рыбы, моллюсков, перелетных птиц и прибрежных прибрежных животных, а также местом нереста для более чем 75 % всей добываемой рыбы и моллюсков. В реках и эстуариях Приморья сосредоточены ресурсы ряда промысловых беспозвоночных и рыб (японский мохнаторукий краб, японская корбикула, дальневосточные красноперки, корюшки, пиленгас и др.).
Актуальность данной работы связана с важностью изучения экосистем на границе река-море при малоизученной изменений карбонатной системы в прибрежных районах. Гидрология и гидрохимия эстуариев Дальнего Востока России изучена очень слабо, а общедоступные базы данных отсутствуют из-за сложности точной регистрации различных гидрохимических показателей бесконтактными методами. Следовательно, репрезентативная база данных по конкретному водному объекту из разных частей мира имеет решающее значение в формировании «глобальной картины» вклада эстуариев в глобальный углеродный бюджет.
Необходимость рассматривания изменения концентрации углекислого газа в морской воде и направление его потоков, находит свое отражение в изучении парникового эффекта и потоков парниковых газов. Несмотря на небольшую площадь поверхности по сравнению с открытым океаном, на долю эстуариев приходится около 20% и 1,3% глобальных природных и антропогенных атмосферных выбросов оксида Азота (N2O) (28.1 млн т./г) и метана (CH4) (556 млн.т./г.) в атмосферу.
...
Исследование процессов газообмена на границе океан-атмосфера является одной из наиболее важных задач химии океана. Большое поступление наземного углерода объясняется гетеротрофным метаболизмом и минерализацией органического вещества, и, как следствие, пересыщением углекислым газом относительно его содержания в атмосфере.
В данной работе впервые визуализированы натурные данные, характеризующие величину и направление потоков GO? на границе вода-атмосфера в эстуарии реки Партизанской за 4 сезона 2012 года. На некоторых участках реки рСО? почти в 5 раз выше, чем в атмосфере. Выявлено пересыщение рСО? и недосыщение О2, что свидетельствовало о разложении активного органического углерода как основного контролирующего процесса.
Гидрохимические свойства вод эстуария находились под сильным влиянием речного стока и характеризовались сезонной изменчивостью, типичной для средних широт, с увеличением значений большинства параметров от зимы к весне/лету. Как и в классическом варианте, речная вода содержала больше взвеси, биогенных элементов и концентрации фитопланктона, чем эстуарная вода.
Наше исследование предполагает, что изменения параметров карбонатной системы р. Партизанской, по-видимому, являются следствием гораздо более сложных процессов, чем результатом простого смешения пресной и морской воды.
Показано, что значительное пересыщение среднего течения реки CO2 характеризует значимое поступление углерода в атмосферу в региональном масштабе. Полученные результаты являются основой, позволяющей также достаточно полно характеризовать текущее состояние карбонатной системы р. Партизанской и позволяет проводить сравнения с материалами других исследований для контроля стрессоров изменения климата, приводящих к значимым изменениям цикла углерода в бассейнах рек в будущем.
Наконец, исследование подчеркивает важность небольших эстуариев в выбросе большого потока CO2 в атмосферу. Полученные результаты поспособствуют увеличению набора данных о выбросах pCO? и CO2 из устьев рек во всем мире, чтобы точно оценить роль эстуариев в глобальном балансе углерода.
1. Эстуарий р. Партизанской относится к русловому типу с двухслойной циркуляцией в результате которой формируется галоклин с изменением солености воды до 30%о на 1 м.
2. Верхняя граница зоны смешения наблюдалась на расстоянии от 5 км (при величине речного расхода 73.67 м3/с) до 12.5 км (при 5,7 м3/с) от устьевого бара (зимняя межень);
3. В осенне-зимний период район являлся источником CO2 (зимой: 78,32 ± 34,30; осенью 84,27 ± 71,82 ммоль • м -2 • сут -1), а в весенне - летний было зафиксировано неоднородное распределение, где поток в мористой части был направлен в воду (весной: 783,83 ± 528,28, летом: 383,54 ± 100,84 ммоль • м -2 • сут -1), а в речной - из воды (пересыщение вод CO2, доминирование деструкции ОВ) (весной: -168,38 ± 29,46; летом -164,54 ± 59,38 ммоль • м -2 • сут -1);
4. Анализ распределения хлорофилла-а позволяет подтвердить наличие аномального «цветения», сформировавшегося благодаря прозрачности льда, обеспечивающей распространение фотического слоя до дна. Это также можно объяснить малой турбулентностью в период низкой водности реки и отсутствию ветрового перемешивания в условиях ледостава;
5. Поток биогенных веществ с речным стоком определяется их концентрацией в речной воде и расходом воды. Максимальный поток наблюдался в весенний сезон.
В данной работе впервые визуализированы натурные данные, характеризующие величину и направление потоков GO? на границе вода-атмосфера в эстуарии реки Партизанской за 4 сезона 2012 года. На некоторых участках реки рСО? почти в 5 раз выше, чем в атмосфере. Выявлено пересыщение рСО? и недосыщение О2, что свидетельствовало о разложении активного органического углерода как основного контролирующего процесса.
Гидрохимические свойства вод эстуария находились под сильным влиянием речного стока и характеризовались сезонной изменчивостью, типичной для средних широт, с увеличением значений большинства параметров от зимы к весне/лету. Как и в классическом варианте, речная вода содержала больше взвеси, биогенных элементов и концентрации фитопланктона, чем эстуарная вода.
Наше исследование предполагает, что изменения параметров карбонатной системы р. Партизанской, по-видимому, являются следствием гораздо более сложных процессов, чем результатом простого смешения пресной и морской воды.
Показано, что значительное пересыщение среднего течения реки CO2 характеризует значимое поступление углерода в атмосферу в региональном масштабе. Полученные результаты являются основой, позволяющей также достаточно полно характеризовать текущее состояние карбонатной системы р. Партизанской и позволяет проводить сравнения с материалами других исследований для контроля стрессоров изменения климата, приводящих к значимым изменениям цикла углерода в бассейнах рек в будущем.
Наконец, исследование подчеркивает важность небольших эстуариев в выбросе большого потока CO2 в атмосферу. Полученные результаты поспособствуют увеличению набора данных о выбросах pCO? и CO2 из устьев рек во всем мире, чтобы точно оценить роль эстуариев в глобальном балансе углерода.
1. Эстуарий р. Партизанской относится к русловому типу с двухслойной циркуляцией в результате которой формируется галоклин с изменением солености воды до 30%о на 1 м.
2. Верхняя граница зоны смешения наблюдалась на расстоянии от 5 км (при величине речного расхода 73.67 м3/с) до 12.5 км (при 5,7 м3/с) от устьевого бара (зимняя межень);
3. В осенне-зимний период район являлся источником CO2 (зимой: 78,32 ± 34,30; осенью 84,27 ± 71,82 ммоль • м -2 • сут -1), а в весенне - летний было зафиксировано неоднородное распределение, где поток в мористой части был направлен в воду (весной: 783,83 ± 528,28, летом: 383,54 ± 100,84 ммоль • м -2 • сут -1), а в речной - из воды (пересыщение вод CO2, доминирование деструкции ОВ) (весной: -168,38 ± 29,46; летом -164,54 ± 59,38 ммоль • м -2 • сут -1);
4. Анализ распределения хлорофилла-а позволяет подтвердить наличие аномального «цветения», сформировавшегося благодаря прозрачности льда, обеспечивающей распространение фотического слоя до дна. Это также можно объяснить малой турбулентностью в период низкой водности реки и отсутствию ветрового перемешивания в условиях ледостава;
5. Поток биогенных веществ с речным стоком определяется их концентрацией в речной воде и расходом воды. Максимальный поток наблюдался в весенний сезон.
