Spring freshet fluxes of terrigenous matter from Amur River to the estuary in surrounding Okhotsk and Japan Seas

Full Text

Введение

Эстуарии и прилегающие к ним окраинные моря – неразрывные звенья биогеохимического и транспортного конвейеров системы река–море, обеспечивающих трансформацию наземного минерального и органического вещества при пересечении градиентных зон области смешения пресных–соленых вод. Дальнейшая судьба наземного материала определяется схемой течений, переносящих оставшийся в транзите материал не только в прилегающие к эстуариям окраинные моря, но и в глубоководные районы Мирового океана. Понятно, что биогеохимический и транспортный конвейеры играют важную роль в региональном и глобальном углеродном цикле. В северо-западной части Тихого океана значимым источником терригенного материала является трансграничная р. Амур, занимающая девятое место в топ-10 крупнейших в мире по длине с притоками (~5092 км). Река дренирует различные природные ландшафты умеренного климата восточной окраины Азии, от тайги до степей и полупустынь на территориях России (~54% суммарной площади водосбора), Китая (~44%) и Монголии (~2%). На территории России Амур крупнейший по среднегодовому твердому стоку (~24,5 млн т), но по водному стоку (~365 км³) и площади бассейна (~ 1 856 000 км²) уступает сибирским водным гигантам Оби, Енисею и Лене ([1]; см. также: https://inplanet.net/samye-bolshie-reki-v-mire).

Морфология эстуария Амура уникальна, поскольку он заключен между геологическими структурами азиатского материка и о-ва Сахалин. Благодаря этому речные воды в разных объемах распространяются в прилегающие окраинные моря к северу и югу от устья. Биогеохимический сигнал наземного растворенного (DOM) и взвешенного органического материала (РОМ) регистрируется в северной части Японского моря, над подводным склоном восточного побережья о-ва Сахалин и северо-западного шельфа Охотского моря [2]. Обнаружение в промежуточных водах северной части Тихого океана следов гуминовых веществ DOM из водосбора Амура свидетельствует о масштабах функционирования глобального транспортного механизма [3].

Опосредованно через изменения циркуляции восточно-азиатского муссона происходящие глобальные климатические изменения сопровождаются увеличением интенсивности и продолжительности экстремальных гидрометеорологических явлений в бассейне Амура. Уже сейчас здесь зафиксирован рост количества и повторяемости катастрофических паводков [4, 5]. Увеличение летней водности, вероятно, не приведет к особым нарушениям в квазистационарном функционировании системы река–море. Однако вероятная аномалия увеличения зимних осадков в водосборе до 40% может повлечь за собой ряд последствий [6, 7]. Плавление огромных запасов снега вызовет весеннее суперполоводье, что резко увеличит объем мобилизации наземного материала. Росту концентрации РОМ и DОМ способствуют прошлогодняя растительная биомасса, затронутая микробиологическими процессами, а также новая продукция весенней вегетации растений. Поэтому дренирующие поверхностные горизонты почв талые воды обогащены значительными концентрациями минеральных и органических компонентов и практически полностью транспортируются в русло реки над еще промерзшим сезонно-талым почвенным слоем [8, 9]. Отмечена более высокая лабильность DOM в весеннее половодье в арктических реках по сравнению с летним периодом [10].

Комплекс элементно-изотопных характеристик взвешенного органического углерода (POC) и общего азота (TN), d¹³C и d¹⁵N и др. может помочь в изучении состава терригенного материала и углеродных пулов его ОМ в градиентных зонах систем река–море. Биомаркеры ОМ – аккумуляторы уникальных гетерогенных сигналов, отражающих эффекты природного и антропогенного фракционирования. Очевидно, что они могут служить источником объективной информации о современных биогеохимическом и гидрологическом циклах аллохтонной и автохтонной компонент POM, как это показано для крупнейших сибирских и североамериканских рек Лена, Хатанга, Яна, Индигирка, Колыма, Юкон, Маккензи ([11–13]; см. также: www.arcticgreatrivers. org).

Цель работы – выявление особенностей межгодовой изменчивости интегрированного (природного + антропогенного) сигнала SPM и POC водосбора Амура на трансекте нижнее течение – эстуарий на основе изучения распределения SPM и элементно-изотопных маркеров POC, TN, стабильных изотопов углерода δ ¹³C и азота δ ¹⁵N. Образцы SPM и РОС отобраны в фазу весеннего половодья 2005 и 2006 гг., контрастирующего по водности и, следовательно, по условиям мобилизации и транспорта терригенного материала. 2005 г. характеризовался редко наблюдаемым в половодье годовым максимумом стока и высокой водностью. Период исследований 2006 г. наложился на спад половодья до минимального меженного уровня реки, а кульминация половодья наступила на полтора месяца раньше прошлогодней. Мы надеемся, что полученные результаты позволят улучшить понимание транспорта и трансформации терригенного стока в процессе водной миграции через эстуарий Амура в приемные морские бассейны. Возможно, что представленные результаты облегчат интерпретацию палеоокеанографических записей изменения экологических условий в прилегающих Охотском и Японском морях в позднечетвертичное время.

Район исследований

Территория водосборного бассейна расположена на палеозойско-мезозойской Амурской мезоплатформе со сложной пространственной конфигурацией. Большая часть водосбора занята горными хребтами, слабо расчлененными средне- и низкогорными плато (58%), между которыми располагаются обширные денудационные межгорные равнины. Доминирующие геологические комплексы представлены гранитными, гранитно-метаморфическими породами и их осадочными дериватами. В горном верхнем течении преобладают процессы глубинной эрозии. Баланс тонкозернистого материала дальней миграции близок к нулю, а русловой аллювий представлен галечно-гравийным и валунным материалом. В горно-равнинном среднем течении основные источники терригенного материала – песчано-глинистые и песчано-гравийные толщи, продукты склоновой денудации. Впадение крупнейших левобережных (Зея, Бурея) и правобережных (Сунгари) притоков увеличивает водность Амура более чем на половину, из-за чего скорость течения в главном русле остается сопоставимой с верховьем реки. В преимущественно равнинном нижнем течении русло расширяется до 11 км, а слияние с правым притоком Уссури увеличивает водность Амура почти на треть. Главные агенты мобилизации неоген-четвертичных песчаных и алевритово-глинистых толщ – русловая эрозия и плоскостной смыв. Характерны пойменная многорукавность, меандрирование, песчаный аккумулятивный русловой и пойменный рельеф. Нижнее течение замыкается приливной дельтой выполнения с невысокими темпами развития.

Климат водосбора преимущественно умеренно континентальный. Степные и лесостепные ландшафты аридной зоны (юго-западное правобережье Амура) водосбора отражают ослабленное влияние восточно-азиатского муссона и циклоногенеза. На горном левобережье муссонная циркуляция и вечная мерзлота обеспечивают достаточное увлажнение. На многолетнемерзлых почвах здесь доминируют кедрово-широколиственные и пихтово-еловые фитоценозы. Равнинные ландшафты вдоль главного русла представлены лиственничными и дубово-лиственничными лесами подтаежного типа с дерново-подзолистыми почвами. Широко развиты переувлажненные луга и низинные болота на торфяно-глеевых почвах, обогащенных гуминовыми веществами.

В суммарном балансе притока воды в главное русло российский сегмент водосбора дает 71% [14]. Почти 2/3 годового стока формируется за счет летнего дождевого питания, остальное поставляют снеготаяние и подземные воды. Объем водного стока может колебаться от 131 км³ (2009 г.) до 445 км³ (2013 г.) при среднемноголетнем 365 км³. Среднемноголетний взвешенный сток 24.9 млн т при колебаниях от 9 млн т (1976 г.) до 32 млн т (1972 г.) [1, 15]. Среднегодовой сток органического углерода ~5,3 млн т, где доля POC всего 15% (0,81 млн т), а 85% приходятся на DOM. Примерно 43% DOM представлены биогеохимически высокоподвижными фракциями гуминовых и фульвокислот, тяготеющих к горно-таежным и заболоченным участкам водосбора [16].

Районирование нижнего течения–эстуария и методы исследований

Трансекта включала 560 км нижнего течения Амура до устья и ортогональный ему 324 км сегменты в прилегающих Охотском и Японском морях. Ориентация сегментов предопределена спецификой приемного бассейна стока, представляющего собой сообщающиеся через меридионально протяженный Амурский лиман U-образный Сахалинский залив Охотского моря и Λ-образную вершину Татарского пролива Японского моря (рис. 1).

 

Рис. 1. Район исследований: 1 – верхняя граница речной части эстуария, 2 – станции 2005 и 2006 гг.

 

Трансекта районирована на несколько ключевых сегментов: низовье Амура (ALS), речная часть эстуария (ARE, сегмент заключен между устьевым створом и границей максимальной дальности распространения вверх по реке сизигийных приливов в летнюю межень), охотоморский (OSE) и япономорский (JSE). Последние два сегмента сообщаются через Амурский лиман (ARL) (табл. 1). Комплекс наблюдений на станциях в системе нижнее течение – эстуарий реки Амур выполнялся с борта большого гидрографического катера 14–20 июня 2005 г. и 6–18 июня 2006 г. (рис. 1). Вертикальная гидрофизическая структура водной толщи регистрировалась зондом СTD RBRXR-620 доплеровским измерителем ADP SonTec. Образцы воды отбирались батометром Niskin с поверхностного и придонного (0,5 м от дна) горизонтов.

 

Taблица 1 Гидролого-морфологические сегменты района исследований

Гидролого-морфологические сегменты	Протяженность, км	Глубина, м	Кол-во станций*
Нижний Амур (ALS)	224	4,5–16,1	5
Нижний Амур, речная часть эстуария (ARE)	326	3,9–11	8
Амурский лиман, морская часть эстуария (ARL)	185	3,5–15,5	10
Сахалинский залив, охотоморская часть эстуария (OSE)	76	4–11	5
Татарский пролив, япономорская часть эстуария (JSE)	63	3,7–11	6

* Для 2005 и 2006 гг.

 

SPM выделялся фильтрационной системой Thermo Scientific. Определение валового содержания выполнялось после фильтрации через ацетилцеллюлозные мембраны Watman (диаметр пор 0,45 мкм) взвешиванием с точностью ±0,0001 г. Стеклянные микрофильтры Watman GF/F (диаметр пор 0,70 мкм) со взвесью использовались для изучения органического углерода (POC), общего азота (TN), стабильных изотопов углерода (¹³С) и азота (¹⁵N). Аналитические исследования проведены в лаборатории Международного арктического центра университета Аляска, Фэрбанкс (IARCUAF, США). Использовался анализатор Carlo Erba NC 2500, соединенный через сплит-интерфейс с масс-спектрометром Finnigan MAT Delta Plus. Каждый образец подвергался трем параллельным измерениям; точность и воспроизводимость определений POC <0,1 %, δ¹³С и δ¹⁵N – соответственно ±0,1 и ±0,2‰. Полученные изотопные значения приведены в соответствие с международным стандартом VPDB [17, 18].

Результаты и дискуссия

Гидрометеорологическая обстановка периода наблюдений

Гидрологические условия пробоотбора 2005 и 2006 гг. существенно различались. Первая декада июня 2005 г. выделилась редко наблюдаемым в весеннее половодье годовым максимумом стока 22 600 м³с^–1. Расходы оказались выше среднемноголетних для этого месяца более чем на 5000 м³с^–1 (данные гидрологического поста «Комсомольск-на-Амуре»). Летне-осенний максимум не проявился из-за недостаточного количества атмосферных осадков (рис. 2, 3, 1). Учитывая время добегания речных вод от начала трансекты в эстуарий ~7–8 сут [19], исследования 2005 г. выполнялись в кульминацию весеннего половодья на фоне подъема уровня реки до 350 см. Весеннее половодье 2006 г. (рис. 2, 3, 2) оказалось маловодным. Его кульминация наступила на полмесяца раньше предыдущего года в середине мая, когда расходы воды поднялись до 13 700 м³с^–1. В июне сток ослабел – среднемесячный расход составил 11 600 м³/с (вдвое ниже 2005 г.), а минимальный достигал 9340 м³с^–1. Как видно, период работ совпал не только с низкими расходами, но и вообще со спадом половодья. К окончанию исследований уровень реки снизился до минимального для межени значения 35 см.

 

Рис. 2. Гидрографы стока р. Амур: 1 – низкий сток, 2 – высокий сток, 3 – среднемноголетний, 4 – 2005 г., 5 – 2006 г. (данные гидрологического поста «Комсомольск-на-Амуре», https://portal.grdc.bafg.de/)

 

Рис. 3. Изменения уровня воды р. Амур весной–летом 2005 (1) и 2006 (2) гг. Сегменты (3) указывают на периоды работ (данные гидрологического поста «Комсомольск-на-Амуре», https://portal.grdc.bafg.de/). 4 – уровень воды в Амуре, соответствующий началу затопления поймы (380 см)

 

Преобладание в водном балансе снеговых и подземных вод отразилось в изменении температуры воды не только в нижнем течении Амура, но и в Амурском лимане. по сравнению с 2005 г. среднее (интегральное по вертикали) значение в сегментах ALS и ARE снизилось от 19,5 до 16,9 °C, в ARL – от 14,8 до 12,7 °C (табл. 2; рис. 4, 5).

 

Таблица 2 Изменчивость характеристик поверхностных вод на трансекте река–море

Характеристика		ALS + ARE	ARL	OSE4	JSE4
S, ‰2	2005	0,03÷0,04/0,03	0,03÷13,1/3,7	0,2÷29,24/8,7	18,8÷27,04/23,4
	2006	0,03÷0,05/0,04	0,04÷15,9/5,8	0,9÷27,64/8,2	11,6÷26,64/21,0
TоC3	2005	18,0÷20,2/19,5	9,3÷18,5/14,8	13,9÷15,1/14,6	9,4÷11,1/10,1
	2006	15,7÷18,3/16,9	9,7÷14,8/12,7	10,8÷16,8/12,7	9,7÷14,1/10,9
SPM, мг л–1	2005	14,2÷30,1/20,4	10,2÷33,6/ 18,4	5,2÷7,5/6,1	3,3÷11,6/5,9
	2006	15,3÷24,8/19,9	15,3÷61,2/ 32,4	9,1÷71,0/27,4	8,7÷31,1/17,1
POC, %	2005	0,8÷1,4/1,3	1,1÷1,2/1,2	1,2÷3,1/2,4	0,9÷10,6/5,8
	2006	0,7÷2,1/1,1	0,4÷1,7/1,0	0,6÷8,2/5,0	2,2÷2,3/2,3
TN, %	2005	0,10÷0,17/0,13	0,13÷0,15/0,14	0,16÷0,38/0,27	0,10÷1,29/0,62
	2006	0,09÷0,30/0,15	0,02÷0,19/0,10	0,06÷0,90/0,51	0,23÷0,28/0,25
РОС/ТN	2005	7,8÷9,8/8,2	8,0÷8,1/8,1	7,8÷8,4/8,1	8,2÷9,1/8,7
	2006	6,8÷9,9/7,5	9,1÷10,3/9,7	5,6÷9,2/7,2	9,1÷9,9/9,5
δ13С, ‰	2005	–29,5÷ –27,9/–28,9	–28,8÷–28,7 /–28,8	–27,4÷–25,7/–26,6	–26,6÷–24,9/–25,7
	2006	–29,9÷–28,7/–29,4	–27,5÷–26,4/ –27,2	–26,2÷–23,6/–24,6	–28,7÷–24,2/–25,9
δ15N, ‰	2005	5,0÷7,2/6,1	7,2÷8,2/7,7	5,6÷6,5/6,0	4,9÷8,1/6,5
	2006	3,3÷4,1/3,7	5,2÷8,4/6,1	6,7÷7,9/7,2	5,9÷6,6/6,4

Примечание. ¹мин-макс/среднее, ²соленость, ³температура, ⁴с учетом значений на широтных разрезах через северную и южную границы сегмента ARL.

 

Рис. 4. Изменчивость гидрологических параметров и биогеохимических характеристик SPM-POM на трансекте нижнее течение реки – устье Амура (сегменты ALS, ARE). Июнь 2005 г.

 

Рис. 5. Изменчивость гидрологических параметров и биогеохимических характеристик SPM-POM на трансекте нижнее течение реки – устье Амура (сегменты ALS, ARE). Июнь 2006 г.

 

Возобновление свободного водообмена между сегментами ARL и OSE произошло на рубеже мая–июня. Триггером гидравлического удара, выбившего из вершины Сахалинского залива дамбу нагроможденных ледяных торосов, мог быть первый положительный экстремум весеннего половодья в Амурском лимане, который спровоцировал подпор вод на северной и южной границах лимана.

Масштабы межгодовой изменчивости литодинамического сигнала SPM

В 2005 и 2006 гг. на 560 км участке нижнего течения до устья соленость не превышала 0,04 ‰ (табл. 1). Сегмент ARE выделялся только по дальности проникновения вверх по реке колебаний уровня морского происхождения.

Содержание SPM к устью в 2005 г. сократилось более чем в 2 раза (от 30,1 до 14,5 мг л^–1, среднее 20,4 мг л^–1), что отражало усиление седиментации частиц под влиянием приливного подпора. Несмотря на значительно меньшую водность реки, в 2006 г. содержание изменилось незначительно (15,3–24,8 мг л^–1, среднее 19,9 мг л^–1). Стабильным был и тренд снижения значений к устью в 1,6–2 раза. В то же время распределение значений на трансекте отличалось прежде всего вследствие ослабления транспортирующей способности речного потока в 2006 г. На первый взгляд, неупорядоченные колебания содержания SPM отражали локальные участки турбулизации потока над неоднородностями донного рельефа. В 2005 г. такие участки сглаживались повышенной водностью Амура. Пересечение глубоководных участков русла сопровождалось снижением содержания SPM, что и было зарегистрировано в вершине сегмента ARE. Большие глубины (до 23–26 м) и значительная ширина русла (до 5–10 км) приводили к распластыванию и ослаблению взвесенесущего потока, а колебания уровня морского происхождения здесь угасали. Эрозия мелководий приводила к обратному эффекту.

Несмотря на различные режимы прохождения весеннего половодья, сопоставимый литодинамический сигнал по содержанию SPM сохранился в 2005 и 2006 гг., что с определенными допущениями позволяет считать его фоновым, кроме периодов с аномалиями стока в этот сезон.

В 2005 и 2006 гг. пресные воды (S <0,05‰) занимали значительную часть Амурского лимана, веерообразно растекаясь по его поверхности в диаметрально противоположных направлениях до островного берега. В северной части лимана на границе взаимодействия речного шлейфа с интрузией охотоморских вод сформировался соленостный фронт. Такой же гидрологический раздел прослеживался в южной части лимана, куда проникали япономорские воды (рис. 6, 7). Внутрисуточная изменчивость гидрологических характеристик выделялась небольшими амплитудами, отсутствием выраженных периодических составляющих. Направление течения ограничивалось сектором 260–350°, без типичного для приливных колебаний вращения [20].

 

Рис. 6. Изменчивость гидрологических параметров и биогеохимических характеристик SPM-POM через сегменты ARL, OSE, JSE. Июнь 2005 г.

 

Рис. 7. Изменчивость гидрологических параметров и биогеохимических характеристик SPM-POM через сегменты ARL, OSE, JSE. Июнь 2006 г.

 

Содержание SРМ в июне 2005 г. колебалось между 10,2–33,6 мг л^–1 (среднее значение 18,4 мг л^–1), а это сопоставимо с водами сегмента ARE. Область максимальных значений была сконцентрирована вдоль устьевого створа. В водах осевой части лимана содержание уменьшалось до 10–20 мг л^–1 с усилением данного тренда к сегментам ОSЕ и JSE В июне 2006 г. содержание SРМ возросло до 15,3–61,2 мг л^–1 (среднее значение 32,4 мг л^–1) (рис. 6, 7). Резкое увеличение значений до максимальных на границе ARL-ОSЕ обусловлено торможением стокового шлейфа охотоморским приливом. К югу от устья содержание SРМ сокращалось до 17 мг л^–1 у границы с JSE. Содержание SРМ в 2005 и 2006 гг. в лимане не относилось даже к повышенному, поскольку было ниже периода осеннего дождевого паводка в несколько десятков раз. Движение стокового шлейфа в OSE отклонялось вправо к о-ву Сахалин, в соответствии с действием силы Кориолиса в Северном полушарии. На внешней границе шлейфа сформировалась полузамкнутая антициклоническая циркуляция [20]. Наблюдалось устойчивое снижение значений SРМ на трансекте из лимана в ОSЕ и JSE. Уровень содержания в июне 2005 г. в ОSЕ составил 5,2–7,5 мг л^–1 (среднее 6,1 мг л^–1). Это означало троекратные потери SРМ в результате седиментации на фоне роста солености. Аналогичное распределение отмечено и для сегмента JSE (3,3–11,6 мг л^–1, среднее 5.9 мг л^–1).

В июне 2006 г. содержание SРМ оказалось выше в сравнении с 2005 г. Максимум обнаружен на замыкающем северном створе лимана, откуда значения в шлейфе стоковых вод снижались (рис. 7). Горизонтальный градиент изменения содержания SРМ на этом участке составлял 0,9 мгл^–1км^–1 (в июне 2005 г. – 0,06 мгл^–1км^–1). Измерения выполнялись в прилив, так как синхронно с ростом солености происходило снижение значений SРМ. Оно обусловлено торможением стокового шлейфа на границе раздела с солевым клином (коэффициент корреляции r для 2005 и 2006 гг. соответственно –0,6 и –0,8).

Таким образом, в 2006 г. выявлен двукратный рост содержания SPM в сегменте ARL и трехкратный – в сегментах OSE и JSE относительно предыдущего года. Содержание в сегментах нижнего течения Амура ALS, ARE и в Амурском лимане в 2005 г. было сопоставимо. На следующий год значения SPM в ARL увеличилось в 1,6 раза по сравнению с нижним течением реки по причине гидродинамической ресуспензии. На это указывают придонные максимумы значений SPM до 94 мг л^–1 (табл. 1; рис. 4–7) в градиентной осевой части лимана. Повышение содержания в сегментах OSE и JSE обеспечивали стоковые течения, транспортирующие ремобилизованный SPM за пределы ARL.

Масштабы межгодовой изменчивости биогеохимического сигнала РОМ

В нижнем течении Амура вариации значений элементно-изотопных характеристик РОM в июне 2005 и 2006 гг. выражены следующими диапазонами: РОС (0,7–2,1%, среднее = 1,2%), TN (0,09–0,30%, среднее = 0,14%), РОC/ТN (6,8–9,9, среднее = 7,8), δ¹³С (от –29,9 до –27,9‰, среднее = –29,1‰) и δ¹⁵N (3,3–7,2‰, среднее = 4,9‰) (табл. 1; рис. 4, 5). Для ARL, в условиях начальной стадии смешения вод, диапазоны изменяются. Значения РОС колебались от 0,4 до 1,7% (среднее 1,1%), TN – от 0,02 до 0,15% (среднее 0,12%), РОC/ТN – от 8,0 до 10,3 (среднее 8,9), δ¹³С – от –28,8 до –26,4‰ (среднее – 28,0‰) и δ¹⁵N – от 5,2 до 8,4‰ (среднее 4,9‰). по сравнению с сегментами ALS, ARE, ARL в ОSЕ и JSE содержание РОС увеличивалось в несколько раз. Более низкие значения в июне 2005 г. в ОSЕ свидетельствуют о лимитировании продуктивности вод повышенным содержанием SPM по сравнению с JSE. Возможно, такое ограничение обусловлено происшедшим две недели назад залповым выбросом из лимана огромного объема относительно теплой и мутной пресной воды. Он вызвал разрушение зимней стратификации вод в восточной части Сахалинского залива, которая по мере заполнения стокового шлейфа на момент исследований приобрела черты двухслойной циркуляции, типичной для эстуариев. В 2006 г. ослабленный стоковый шлейф способствовал задержке выноса припайного льда из залива. Близость фронта холода проявилась в более низкой температуре воды. Лед вытеснялся к периферии стокового шлейфа, таял и обогащал прилегающие воды биогенными компонентами. Все это способствовало условиям для развития планктона.

Схожий тренд отмечен и в изменении содержания TN. Диапазон величин РОC/ТN в ОSЕ колебался от 5,6 до 9,2 (среднее 7,6), тогда как в JSE был ограничен диапазоном 8,2–9,9 (среднее 9,1). Межгодовые изменения, обусловленные колебаниями водности реки, просматриваются и в значениях δ¹³С. Средний изотопный состав РОС в водах JSE в 2005 и 2006 гг. сохранялся на уровне –25,8‰. В Сахалинском заливе и Татарском проливе диапазон значений δ¹³С был менее широк в 2005 г. в противоположность 2006 г. Это видно по крайним значениям: от –26,2 до –23,6‰ и от –28,7 до –24,2‰ соответственно для ОSЕ и JSE (табл. 1; рис. 6, 7).

Оценка возможных источников РОМ

В июне 2005 г. соленость и температура поверхностных вод на всем протяжении трансекты в сегментах ALS–ARE оставались стабильными (соответственно, ~0,03‰ и 18–20,2 °С). Значения SPM, POC и TN вниз по течению плавно снижались и незначительно увеличивались в устье (ст. 12, 13) (рис. 4). Величины δ¹³С – terrРОС на трансекте до устья представлены диапазоном –29,5 ÷ –27,9 ‰, сравнимом с δ¹³С типичной наземной С3 растительности [21]. Содержание δ¹⁵N от 5,0 до 7,2‰ в целом отвечало терригенному органическому материалу взвеси (SPM-terrРОМ) [22]. Поведение δ¹⁵N и δ¹³С на трансекте до устья хорошо согласовывалось между собой (r = 0,66). Данное обстоятельство позволило предположить схожесть процессов, влияющих на изотопные эффекты. Так, они могут обусловливаться ассимиляцией фитопланктоном NO₃, фиксацией N₂ и денитрификацией водной экосистемы. Отношение POC/TN указывало на генетическую связь с источником SPM-terrРОМ и степень его раннедиагенетической минерализации. Значения отношения от 7,8 до 9,8 отражали невысокое содержание РОС и TN (r = 0,76), с трендом слабого роста к устью. Обычно SPM-terrОМ характеризуется значениями отношения от 12–15 [23]. При разнообразии и неопределенности степени преобразованности terrОМ в результате окислительно-восстановительного диагенеза выявленный диапазон величин объясняется смешением ОМ терригенной наземной и водной экосистем.

В направлении максимального стока амурских вод (на север лимана) происходило слабое облегчение изотопного состава ¹³С и ¹⁵N, а также незначительное снижение содержания POC и TN. Противоположное поведение этих характеристик отмечено в водах, транспортируемых в Татарский пролив. Выявлена корреляция указанных характеристик с температурой поверхностной воды (наблюдалось снижение температуры почти на 5 °С из-за подпора япономорским приливом в узле эрозионных желобов на юге лимана. Здесь происходило концентрирование SPM-POM, вызывающее слабый рост POC и TN. Результирующий элементный и изотопный терригенный сигнал SPM-РОМ в сегментах ARL, ALS и ARE, формирующийся в результате смешения разнообразных наземных источников и речного планктона, схож. К границе ОSE с лиманом произошли троекратное увеличение содержания РОС (от 1 до 3 %) и TN (от 0,15 до 0,48%), как рефлекс на слабый рост солености и уменьшение содержания SPM. Изменения TN, вероятно, связаны с увеличением содержания органического и неорганического N, что, скорее всего, и отразилось в снижении величины POC/TN от 8,7 до 7. Отмечены слабое утяжеление стабильного изотопа ¹³С (от –28,5 до –27,3‰) и облегчение изотопа ¹⁵N (от 8,2 до 6,5‰). В вершине Сахалинского залива поведение характеристик SPM-РОМ стабилизировалось. К северной точке трансекты S возросла на 5‰ (до 7‰), температура снизилась на 3 °С (до 14 °С). Содержание РОС сохранилось на уровне ~3%, TN снизилось на 0,13 %, величина POC/TN несущественно возросла (от 7 до 8). Утяжеление изотопа ¹³С достигло –26,7‰, величина стабильного изотопа ¹⁵N возросла до 6‰ (рис. 6; табл. 1).

На внешнем устьевом баре в вершине Сахалинского залива в результате гравитационных и биогеохимических процессов содержание снижалось в 3 раза по сравнению с водами ARL. За счет потери гидравлически крупной SPM в транзите оставались преимущественно ее алевритово-пелитовые фракции. Минеральная матрица глинистых частиц участвует в сорбции DОМ речных гуминовых веществ, результат которой проявляется в увеличении содержания РОС. Его среднее содержание, как и ТN сегмента OSE, увеличилось в 2 раза, как по указанной причине, так и вследствие роста пула морского источника РОМ. В то же время cредняя величина POC/TN равная 8,1 в OSE не изменилась относительно SPM сегментов ALS, ARE и ARL, однако облегчился состав δ¹⁵N и утяжелился δ¹³С, а это признаки усиления влияния морского планктона и «свежести» РОМ, как отмечалось в работе [17].

При количественной оценке относительного вклада terrOC использовалось уравнение изотопного материального баланса [23, 24]. В качестве реперных значений использовалась величина ¹³С охотоморского планктона (δ¹³С_mar), соответствующая –21,7‰ [25] и ¹³С терригенного источника –27,6‰ [11]. Тренд снижения значений terrOC от 100 до 78% (среднее 89%) в сторону Охотского моря означал латеральное перераспределение доли источников РОС, в частности увеличение содержания морского РОС (marРОС).

Более сложное распределение биогеохимических характеристик SРМ-РОМ наблюдалось в направлении сегмента JSE, куда транспортировалась треть водного стока Амура. Начало роста солености приурочено к узлу разветвления эрозионных желобов, в 30 км от пролива Невельского. В самом проливе S достигла 12–18‰ и продолжила увеличиваться к югу. по сравнению с ОSЕ количественные характеристики фитопланктона, концентрация биогенных элементов были ниже, но интенсивный фотосинтез обеспечил JSE статус эвтрофного бассейна [26]. На фоне роста солености поведение SРМ проявило консервативный характер, снизившись от узла разветвления желобов к южной станции трансекты в несколько раз (r = –0,59). Аналогичное поведение проявил ¹³С – он утяжелился с –28,7 до –24,9‰ при росте S от 12 до 27‰ (r = 0,88). При достижении S = 22‰ содержание РОC и TN увеличилось почти на порядок, поэтому величина POC/TN сохранилась в диапазоне 8,2–9.1. Содержание ¹⁵N снизилось от 8,1 до 4,9‰. Очевидно, что влияние морского планктона на состав SРМ-РОМ более значимо в сегменте JSE. Вклад terrРOC сократился в JSE почти в 2 раза (от 93 до 44%, среднее 61%), и, таким образом, вклад marРOС достигал 56%.

Ожидалось, что невысокий водный сток в июне 2006 г. должен был привести к ослаблению мобилизационного потенциала терригенного материал в водосборе Амура. Между тем содержание SРМ в сегментах ALS, ARE было сопоставимо с июнем 2005 г. Это может означать, что недостающий объем терригенного материала компенсируется продуктами размыва низкой поймы и русловых аккумулятивных образований. Поэтому в нижнем течении реки наблюдались колебания содержания SРМ от 3,2 до 24,8 мг л^–1. К примеру, отмечено увеличение содержания над мелководными эродируемыми участками русла и резкое снижение над глубоководными плесами. К последним также приурочено увеличение содержания изотопов ¹³С до –29,9‰ и ¹⁵N до 4,1‰ (рис. 5). Выявленное облегчение δ¹³С, возможно, связано с изотопным фракционированием РОМ, сопровождающим усиление цветения диатомовых водорослей. На интенсификацию первичного продуцирования могли повлиять концентрация О₂ в нижнем течении реки, близкая к равновесной с атмосферной, рост в 3,5 раза по сравнению с июнем 2005 г. содержания хлорофилла, невысокое содержание гуминовых веществ (в несколько раз ниже), лимитирующих доминирование деструкционных процессов [27].

По понятным причинам максимум содержания SРМ приурочен к границе с Сахалинским заливом. Тренды распределения изученных характеристик SРМ-РОМ в ОSЕ и JSE в целом сохранились. Как и в 2005 г., четко обозначенные градиентные зоны формировались на севере и юге Амурского лимана. На границе между OSE и ARL, например, в начальную стадию смешения вод (S ~5‰) быстро сокращалось содержание SРМ (градиент SРМ = 0,73 мг л^–1км^–1, градиент S = 0,15‰). Увеличилось содержание РОС (градиент 0,02%) и ¹³С (Δ = –2,6‰) и ¹⁵N (Δ = 1,2‰). Содержание TN при пересечении градиентной зоны в OSE возросло в 5 раз (и в 2,5 раза в JSE), но величина РОС/ TN снизилась (коэффициент корреляции r между TN и РОС/ TN составил –0,80). Аналогичное распределение характерно и для сегмента JSE.

Вариации доли terrРOC в нижнем течении Амура и лимане оценены в 95–100% (т.е. marРOC = 0–5%), в OSE – 43–87% (marРOC = 13–57%) и в JSE – от 44 до 93% (marРOC = 7–56%).

Выводы

В весеннее половодье 2005 и 2006 гг. в нижнем течении и эстуарии реки Амур выполнены наблюдения за изменчивостью литодинамических и биогеохимических характеристик взвеси. Периоды исследований кардинально различались между собой по водности, условиям мобилизации терригенного материала в водосборе. Работы в июне 2005 г. выполнены в кульминацию достижения высокого уровня реки, а в следующем году – в кульминацию наинизшего меженного уровня Амура.

В периоды работ 2005 и 2006 гг. не выявлено значимых отличий содержания SPM в нижнем течении Амура, однако они проявились в морских сегментах эстуария. В Амурском лимане уровень содержания регулировался процессами волновой эрозии обширных мелководий – первопричины 2–3-кратного роста содержания в 2006 г. В сегментах ОSЕ и JSE поведение SPM контролировалось изменениями солености. Результирующий вклад терригенного источника РОС отражали значения δ¹³С от –28 до –29‰, δ¹⁵N – от 7,3 до 5,7‰, отношения POC/TN – от 8 до 10. В двухлетнем цикле выполненных наблюдений существенных изменений в распределении не установлено.

Межгодовые различия водности реки проявились в распространении стокового шлейфа в ARL, ОSЕ и JSE. Транзит вод через эти сегменты сопровождался выведением из переноса гидравлически крупных частиц, ассоциирующих с тяжелыми минералами. Глинистая компонента SPM чутко реагировала на увеличение солености, вызывая рост значений не только terrРОС, но и вклада планктогенного marРOC. На удаленных от границ лимана станциях трансекты его вклад достигал 57%, а элементно-изотопный сигнал характеризовался утяжелением δ¹³С до –25‰, δ¹⁵N – до 8‰, снижением величины POC/TN до 7–8.

В обстановке современных глобальных климатических изменений результаты работы могут быть полезным при мониторинге экспорта терригенного материала в окраинно-тихоокеанские моря.

About the authors

Oleg V. Dudarev

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS; International Centre of the Far-Eastern and Arctic seas named by Admiral S.O. Makarov, Sakhalin State University–SakhalinTECH; Tomsk State University

Email: dudarev@poi.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-9432-8992

Doctor of Sciences in Geology and Mineralogy, Chief Researcher

Russian Federation, Vladivostok; Yuzhno-Sakhalinsk; Tomsk

Alexander N. Charkin

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: charkin@poi.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0001-9273-9950

Candidate of Sciences in Geology and Mineralogy, Head of Laboratory

Russian Federation, Vladivostok

Denis V. Chernykh

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS; International Centre of the Far-Eastern and Arctic seas named by Admiral S.O. Makarov, Sakhalin State University–SakhalinTECH; Tomsk State University

Email: denis.chernykh.vl@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6814-7100

Candidate of Sciences in Technique, Senior Researcher

Russian Federation, Vladivostok; Yuzhno-Sakhalinsk; Tomsk

Alexey S. Ruban

Tomsk Polytechnic University

Email: ruban@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5852-8201

Candidate of Sciences in Geology and Mineralogy, Associate Professor

Russian Federation, Tomsk

Irina I. Pipko

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS; International Centre of the Far-Eastern and Arctic seas named by Admiral S.O. Makarov, Sakhalin State University–SakhalinTECH

Email: irina@poi.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-2480-9563

Candidate of Sciences in Geography, Leading Researcher

Russian Federation, Vladivostok; Yuzhno-Sakhalinsk

Svetlana P. Pugach

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS; International Centre of the Far-Eastern and Arctic seas named by Admiral S.O. Makarov, Sakhalin State University–SakhalinTECH

Email: pugach@poi.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-0163-043X

Candidate of Sciences in Geography, Senior Researcher

Russian Federation, Vladivostok; Yuzhno-Sakhalinsk

Vyacheslav A. Dubina

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: dubina@poi.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0003-3273-8977

Candidate of Sciences in Geography, Head of Laboratory

Russian Federation, Vladivostok

Igor P. Semiletov

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS; International Centre of the Far-Eastern and Arctic seas named by Admiral S.O. Makarov, Sakhalin State University–SakhalinTECH; Tomsk State University

Author for correspondence.
Email: ipsemiletov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3012-4739

Corresponding Member of RAS, Doctor of Sciences in Geography, Head of Laboratory

Russian Federation, Vladivostok; Yuzhno-Sakhalinsk; Tomsk

References

Supplementary files