Особенности использования результатов химических анализов поверхностных вод бассейна Р. Енисей

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 577.1. 41 Н. Д. Гайденок, Г. М. Чмаркова
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ХИМИЧЕСКИХ АНАЛИЗОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД БАССЕЙНА р. ЕНИСЕЙ
Рассмотрена сравнительная динамика гидрохимических показателей в Енисее и ряде водоемов зон южной и средней тайги. Анализируются вопросы статуса, лимитирующего элемента для фитопланктона.
Введение. Классическое положение (Одум, 1975- Бикбулатов, 1979) говорит о том, что скорость образования органического вещества автотрофами при прочих равных условиях зависит не только от величин концентраций биогенных элементов (в большинстве случаев азота N и фосфора Р), но и от соотношения данных величин, которое определяет лимитирующий элемент из биогенов.
Об этом ярко свидетельствует классическое соотношение Ричардса, показывающие стехиометрический состав живого вещества в водных экосистемах:
Г106: 16: 1, атомной форме
С: N: Р = ^
[41: 7. 2: 1, элементной форме
Однако соотношение Ричардса характерно не только для водных сообществ — в наземных сообществах существуют его «безымянные» аналоги. Например, если воспользоваться работой (Глазовская, 1988), где приводятся результаты исследований Т. И. Евдокимовой с коллегами, то обнаружим следующие сведения по вовлечения в биологический круговорот (табл.).
Вычисление 95% границ вариации среднего для последнего столбца таблицы дает 6,13−9,88, куда попадает величина отношения №Р Ричардса.
Вовлечение в круговорот биогенных элементов, кг/га/год
Ценоз N Р №Р
Тайга, лес 87,3 8,0 10,9
Тайга, агроценоз 160,0 26,0 6,2
Тайга, луг 70,0 10,5 6,7
Лесостепь (современ.) 117,0 16,1 7,3
Лесостепь (естеств.) 130,0 14,0 9,3
В сухом органическом веществе, в целом, содержится С ~ 46−52%, N ~ 5−16%, Р ~ 0,8−1,2% (Виноградов, 2001). Естественно, в действительности наблюдаются те или иные отклонения от указанных констант как процентного содержания, так и соотношений элементов. Например, согласно работе (Вотинцев и др., 1975), в
оз. Байкал «отношение минерального азота к минеральному фосфору в среднем за год для всей толщи озера составляет 7,86 с максимумом в слое 10−25 м». Расчет доверительного интервала для указанного выше среднего (при уровне значимости 0,95) дает границы: 7,186 и 8,53. Принятые парадигмы статистического анализа не позволяют отрицать справедливость соотношения, указанного выше, для Байкала.
Рассмотрим особенности минерального питания автотрофов. При превышении соотношения №Р & gt- 7,2 элементом, лимитирующим развитие растений, становится Р- при соотношении №Р & lt- 7,2 — азот.
Исследование особенностей обеспечения минеральным питанием фитопланктона водоемов гидрографической сети Енисея на основе гидрохимических данных, полученных Красноярским филиалом гидрометеорологической службы России (ГМС), показывает значительное превышение минерального азота над минеральным фосфором на протяжении всего периода вегетации.
Последний результат является существенным противоречием к существующим нормам для слабо урбанизированного бассейна Енисея. Для выяснения реального положения дел в настоящей работе были проведены исследования, результаты которых представлены ниже.
Материалы и методы. В качестве одного из методов решения данной проблемы был использован традиционный анализ результатов исследований других авторов по водоемам зоны южной и средней тайги территории России.
Выбор водоемов аналогов представлял определенную проблему, так как необходимо было отобрать те водоемы, где:
а) анализы проводились на «натуральных» пробах, а не на консервированных-
б) степень урбанизации территории бассейна соответствовала бы таковой для Енисея.
К числу таких водоемом с уверенностью можно отнести притоки южной части бассейна оз. Байкал, находящиеся в непосредственной близости от стационарных гидрохимических пунктов Лимнологического института (Вотинцев и др., 1965), и результаты стационарных исследований на Валдайской возвышенности (Алексеенко В.А. и др., 1988).
Параллельно поиску литературных данных был проделан собственный эксперимент по анализу содержания минеральных форм азота и фосфора в атмосферных осадках, поверхностном и грунтовом стоках для двух участков в верхнем течении Енисея, расположенных в верхнем (п. Шумиха) и нижнем бъефе (ст. Тростенцово) Красноярского водохранилища (рис. 1). Определение проводилось по стандартным методикам гидрохимического анализа природных вод.
При обработке собственных и заимствованных экспериментальных результатов гидрохимических исследований использовались стандартные алгоритмы статистического анализа.
Рис. 1. Район экспериментальных исследований
Результаты исследований. Проблема корректности результатов ГМС также рассматривается в работе (Гордеев, 2004) на примере «парадокса сибирских рек», который вышел на мировую арену: «В конце 90-х годов прошлого века группа российских и американских специалистов обобщила данные Гидромет-службы СССР и России за период с 1970 по 1995 год. Были рассчитаны средние концентрации нитратного и аммонийного азота и фосфатов, их среднемесячные и годовые потоки для 15 крупных рек Сибири. Результаты некоторых подсчетов оказались довольно неожиданными. Так, годовой вынос аммонийного азота Обью и Енисеем оказался в 2−2,5 раза выше, чем крупнейшей рекой мира Амазонкой, чей водный сток на порядок выше, чем сток этих сибирских рек. Кроме того, концентрация аммонийного азота во всех 15 реках оказалась выше суммы всех остальных форм неорганического азота, тогда как обычно в речных водах преобладают нитраты. Возник вопрос — действительно ли реки Сибири уникальны по составу гидрохимического стока и роли в глобальном биогеохимическом цикле азота, либо имеющиеся данные по аммонийному азоту резко завышены?
Чтобы ответить на этот вопрос, были организованы экспедиции в устья Оби и Енисея с участием российских и американских специалистов, где были отобраны пробы воды Оби и Енисея, которые анализировались в местных лабораториях Гидрометслужбы России на содержание аммонийного и нитратного азота и фосфатов параллельно следующим группам аналитиков — из Вудс-Холла (США), Ростовского гидрохимического института и Института океанологии (Москва) — и специалистами Гидрометслужбы России. Основной
вывод этой работы состоял в том, что концентрации нитратов и фосфатов (а также растворенного неорганического кремния) были достаточно хорошо сходимы, тогда как концентрации аммонийного азота, определяемые в лабораториях Гидрометслужбы России с помощью метода Неслера, оказались на один-два порядка выше, чем определенные в тех же пробах другими методами».
Однако вышеприведенная критика как-то обходит стороной те превращения форм азота и фосфора, которые происходят в пробах при консервации. Здесь остается нерешенной проблема влияния консервации на соотношение между растворимыми и нерастворимыми формами фосфора. Можно с достаточной степенью уверенности предположить, что даже вышеописанный анализ с «международным участием» ее не решает. Действительно, доставка проб по различным лабораториям производилась в консервированном виде и поэтому решался вопрос о сопоставимости результатов анализа консервированных проб и вовсе ненатуральных, где вполне не только может быть, но и фактически оказывается иным соотношение между растворимыми и нерастворимыми формами фосфора. Об этом, по крайней мере, говорят результаты исследований Зоологического института РАН (оз. Красное, Центральная Карелия) (Биологическая … 1976), кафедры гидробиологии МГУ (Белая, Фодоров, 1972) и Лимнологического института (оз. Байкал) (Вотинцев, 1961). Первое, что необходимо отметить — концентрация N — NH4 в данных водоемах (как и следовало ожидать) находилась в «следовых количествах» по сравнению с вышеизложенной ситуацией. Поэтому анализировалась проблема отношения нитратного азота к фосфатному (минеральному) фосфору (рис. 2−4).
Как легко видеть из представленных материалов, лимитирующим фактором здесь является азот. Особенно в этом плане показательным является рисунок 3, где при достаточно высоком уровне фосфатов (пороговая концентрация Р — РО4 равна 1 мгР/м3) происходит падение пика биомассы фитопланктона, которое явно корреллирует с одержанием N — N03.
Для проверки истинного положения дел с гидрохимическими показателями в Енисее была принята следующая стратегия — сбор результатов по водоемам — аналогам данного региона (Южная и юг Средней Тайги) для получения средних (медианных) показателей и сопоставление с енисейскими данными, полученными на основе результатов исследований Красноярского УГМС России (Ежегодные данные …, 1962−1989) (рис. 5−6).
На рисунке 5 показана динамика концентраций нитратного азота и фосфатного фосфора в Енисее и водоемах-аналогах. Здесь примечательным является тот факт, что концентрация нитратного азота в Енисее всегда выше, а фосфатного фосфора всегда ниже, чем в других водоемах.
Это можно легко объяснить. Формально, консервация кислотой, проводимая ГМС России, повышает количество окисленных форм в растворе и понижает уровень восстановленных, т. е. следует ожидать повышения уровня нитратов как самой окисленной из минеральных форм азота.
I II III IV V 1II VII VIII I)! X XI XII
Рис. 2. Динамика содержания N — N03 (мгШм3) и Р — РО4 (мгР/м3) в Кандалакшском заливе Белого моря (Белая, Федоров, 1972)
Рис. 3. Динамика концентрации нитратного азота, минерального фосфора (слой 0−25 м) в оз. Байкал за 1948−1955 гг. (Вотинцев, 1961)
* IV '- V '- VI '- VII '- VIII '- IX '- ~х
т77 V '- VI ' уп '- V/// '- Тх
1
---------1---------1---------1________I_________I________1_________и
// У'- V/ У// /ш /& gt-Г X
Рис. 4. Сравнительная динамика концентрации нитратного азота, минерального фосфора (слой 0−8 м), биомассы и валовой продукции фитопланктона (слой 0−4 м) в оз. Красное за 1971 г.
(Биологическая…, 1976)
Относительно фосфора справедлива следующая ситуация. Как известно (Хатчинсон, 1969), фосфаты образуют ряд соединений с алюминием и железом. Причем фосфаты Fe2+ растворимы, а Fe3+ выпадают в осадок. Присутствие кислоты очевидным образом снижает концентрацию Fe2+ и повышает Fe3+ и, как следствие, содержание минерального фосфора в растворе.
Отношение №Р для Енисея, рассчитанное по медианам, завышено в 5,44, а по средним — в 6,49 раза (рис. 7). Следовательно, при расчете конкретных величин отношений №Р для Енисея по данным ГМС его необходимо делить в общем случае на 6. После чего величина отношения №Р уже всегда ниже соотношения Ричардса и лимитирующим элементом в силу этого является азот.
----Вл минер мгР/1… СмгР/л -«-Родник mgPk/l -*- БмгР/л --ТмгР/л------КмгР/л------Ен_Р
а б
Рис. 5. Динамика концентраций нитратного азота (а) и фосфатного фосфора (б)
в Енисее и водоемах-аналогах
Можно заметить, что лимитирующий статус азота справедлив и для Енисейской губы (Ведерников, 1994), где также анализировались «натуральные» пробы.
Хотя вышеизложенные факты неорганической химии довольно понятны и банальны, они порождают «енисейский биогенный феномен», графический образ которого получен на основе результатов исследований Красноярского УГМС России (Ежегодные данные …, 1962−1989).
а? ї1 і і і

0,40& quot- /
00 мг№л '-'- N Ч ч / / /
00 ч ч N У у'- '-'-'- /
0 / 4 /
0,10-
с 0 0
0,00 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 2 3 4 9 10 11 12
---------Ен_Р ---------------------Мед мгР/л
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01
0. 00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
а б
Байкал+Реки Валдай+Реки Байкала+Полезная+Енисей С N Р
Рис. 6. Динамика концентрации нитратного азота (а) и фосфатного фосфора (б) в Енисее и медианы концентраций по водоемам-аналогам
Ен_Ш_Рек----------Ен_Р/Р_Рек
а б
Рис. 7. Динамика отношения концентрации в Енисее и медианы концентрации по водоемам-аналогам (а) и (б) — медиана и среднее значение для нитратного азота и минерального фосфора
Заключение. Для Енисея справедливы классические положения о минеральном питании фитопланктона.
При использовании данных ГМС необходим пересчет результатов исследований: концентрации нитратов
необходимо уменьшать в 2,23 раза- концентрации фосфатов необходимо увеличивать в 2,67 раза.
Литература
1. Алексеенко, В. А. Водная миграция биогенных и огранических веществ на лесном полигоне северо-запада ЕТС / В. А. Алексеенко, Н. А. Кудрявцева, С. В. Марунич // Гидрохимические материалы: Взаимодействие воды водных объектов с породами и донными отложениями. — Л.: ГМИ, 1988. — Т. 103. — С. 17−33.
2. Белая, Т. И. Гидрологические и гидрохимические особенности Белого моря как условия, определяющего уровень его первичной продукции / Т. И. Белая, В. Д. Федоров // Комплексные исследования природы океана. — М.: Изд-во МГУ, 1972. — Вып. 3. — С. 214−232.
3. Бикбулатов, Э. С. Химический состав органического вещества фитопланктона / Э. С. Бикбулатов // Микробиологические и химические процессы деструкции органического вещества в водоемах. — Л., 1979. -С. 151−158.
4. Биологическая продуктивность озера Красного. — Л.: Наука, 1976. — 208 с.
5. Ведерников, В. И. Первичная продукция и хлорофилл в Карском море в сентябре 1993 г. / В. И. Ведерников // Океанология. — 1994. — Т. 54. — № 5. — С. 693−705.
6. Виноградов, А. П. Химический элементарный состав организмов моря / А. П. Виноградов. — М.: Наука, 2001. — 624 с.
7. Вотинцев, К. К. Гидрохимия озера Байкал / К. К. Вотинцев // Тр. Байкальской лимн. стан. — М.: Наука, 1961. — Т. 20. — 312 с.
8. Вотинцев, К. К. Гидрохимия рек бассейна озера Байкал / К. К. Вотинцев, И. В. Глазунов, А. П. Толмачева // Тр. ЛИН. — М.: Наука, 1965. — Т. 8(28). — 496 с.
9. Вотинцев, К. К. Круговорот органического вещества в озере Байкал / К. К. Вотинцев, А. И. Мещерякова, Г. И. Поповская. — Новосибирск: Наука, 1975. — 192 с.
10. Глазовская, М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР / М. А. Глазовская. — М.: Высш. шк., 1988. — 328 с.
11. Гордеев, В. В. Реки Российской Арктики: потоки осадочного материала с континента в океан / В. В. Гордеев // Новые идеи в океанологии, геологии. — М.: Наука, 2004. — Т. 2. — 408 с.
12. Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. Красноярский край // Тр. Краснояр. территориального управления ГМС России. — Красноярск, 1962−1989. — Т. 1(22).
13. Хатчинсон, Д. Лимнология / Д. Хатчинсон. — М.: Мир, 1969. — 600 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой