Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 2, стр. 208-215

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Комплексные исследования вод главного русла р. Лены в среднем и нижнем течениях (граница между ними определена местом впадения левобережного притока Вилюя [11]) были проведены в июле 2017 г. (рис. 1). Работы выполнялись с борта маломерного судна (средняя скорость 30 км час^–1) в фарватере реки в диапазоне глубин 7–28 м (табл. 1); образцы воды отбирались с поверхностного и придонного горизонтов. Из 32 комплексных станций две (ст. 4 и 9) были выполнены в устьях притоков Алдана и Вилюя (в пяти и трех километрах от места впадения соответственно, рис. 1 a). Были проведены измерения рН, общей щелочности (А_Т), растворенного органического углерода (РОУ), спектров абсорбции окрашенной фракции РОВ. На основе измеренных спектров были рассчитаны другие оптические характеристики РОВ – коэффициент поглощения (a₂₅₄), углы наклона спектра в интервалах длин волн 275–295 нм (S_275–295) и 350–400 нм (S_350–400), отношение углов наклона в этих интервалах длин волн (S_R), а также степень ароматичности (C_Ar). В речных водах также определялись температура, содержание взвешенного материала (ВМ) и растворенного кислорода. В приводном слое атмосферы регистрировались содержание СО₂, скорость и направление ветра, давление и влажность воздуха. На основе измеренных параметров карбонатной системы (рН и А_Т) рассчитывались концентрации растворенного СО₂, растворенного неорганического углерода (C_Т), величины парциального давления СО₂ (рСО₂) в речных водах, а также потоки СО₂ (F_СО2) между водой и атмосферой. Методы измерения и расчетов подробно описаны в [6, 7, 12, 13].

Рис. 1.

Карта района исследований, положение комплексных станций и гидропостов (отмечены красным цветом), гидрограф реки в 2017 г. (гп Кюсюр, [2]) (а), уровень воды на различных гидропостах в главном русле р. Лены (https://allrivers.info/region/russia/dvfo-sever) (б), расход воды в притоках Алдан (гп Верхоянский перевоз) и Вилюй (гп Хатырык-Хомо) (https://gmvo.skniivh.ru/) (в) во время работ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ДИСКУССИЯ

Распределение растворенных форм углерода в поверхностных водах главного русла реки в июле 2017 г. демонстрировало значительную пространственную динамику (рис. 2, 3).

Рис. 2.

Распределение общей щелочности, (a), рН_{in situ} (б), растворенного неорганического углерода (в), растворенного CO₂ (г), парциального давления СО₂ (д) в поверхностных водах р. Лены, потоков СО₂ между водой и атмосферой (е). Граница между средним и нижним течениями показана пунктирной линией.

Рис. 3.

Осредненные оптические спектры РОВ в поверхностных водах среднего и нижнего течения реки (а), распределение коэффициента абсорбции (б), угла наклона спектра в интервале длин волн 275–295 нм (в), степени ароматичности РОВ (г) и взвешенного материала (д). Граница между средним и нижним течениями показана пунктирной линией.

Наибольшие амплитуды величин были обнаружены в области среднего течения реки; в водах этого участка были определены экстремальные значения параметров карбонатной системы (рН, A_T, С_T, pСО₂), а также оптических характеристик РОВ (рис. 2, 3). Разброс значений рН составлял около 1 ед. рН, А_Т и С_Т изменялись более, чем в два раза, а рСО₂ – почти в три раза. При этом максимальное содержание растворенного в речных водах СО₂ более, чем троекратно превышало атмосферные величины.

Работы на первых станциях (ст. 1–3) совпали с пиком летнего дождевого паводка, превосходящего по интенсивности весеннее половодье на данном участке реки (рис. 1 б). Это обусловило наиболее значимое влияние почвенных вод, обогащенных органическим веществом и CO₂, на распределение гидрохимических параметров в русле. Уровень воды на этих станциях почти в два раза превышал среднюю за последние 14 лет величину (470 см) и был близок к абсолютному максимуму за указанный период наблюдений (816 см, гп Табага, https://allrivers.info/region/russia/dvfo-sever). Следует отметить, что мощные летние паводки и сравнительно слабо выраженное весеннее половодье характерны для водного режима этого участка р. Лены, формирующегося под влиянием правобережных притоков Витима и Олекмы [14]. Влияние паводковых вод выражалось как в наименьших величинах рН и А_Т, так и в высоких значениях рСО₂ и РОУ. Содержание РОУ на станциях 1–3 было наибольшим из измеренных в главном русле реки (9.3 мг л^–1 при диапазоне изменчивости 4.0–9.3 мг л^–1); распределение оптических характеристик (максимальные значения а₂₅₄, C_Ar, минимальные величины S_275–295 и пониженные S_350–400) указывало на присутствие высокомолекулярного ароматического РОВ, способного к фото- и биоразложению [3, 15] (рис. 3). Паводковая волна сопутствовала исследованиям в русле реки на протяжении всего среднего течения, но на ст. 5–8 ее уровень еще не достиг максимума (рис. 1 б).

Неоднородность исследуемых величин в среднем течении реки определялась и водами Алдана, крупнейшего притока р. Лены и шестого по объ-ему стока среди всех российских рек. Река протекает в гористой местности, дренируя комплексы кристаллических и метаморфических пород, и лишь в низовьях – по межгорной равнине. Воды Алдана по химическому составу гидрокарбонатно-кальциевые, почвы водосбора – нейтральные и слабощелочные. Подземное питание может достигать 20–30% от общего стока [11]. Во время работ расход воды в Алдане был низким, соответствующим периоду летней межени (рис. 1 в). Специфика дренируемых пород и режим питания определяли повышенные А_Т и рН, относительно низкие величины рСО₂ и минимальное для разреза содержание ВМ в водах реки (рис. 3). К характерным особенностям вод р. Алдана в июле 2017 г. можно отнести низкое содержание РОУ (4.2 мг л^–1), минимальные для района исследований величины a₂₅₄ и С_Ar, а также максимальные значения S_275–295, что свидетельствует об ограниченном поступлении почвенного РОВ и/или о более высокой степени его фоторазложения. Это также могло быть одним из факторов, определяющих пониженные величины рСО₂ в устьевой области р. Алдана. Отметим, что измеренные здесь значения А_Т оказались в 1.5 раза выше обнаруженных нами ранее величин [6, 7], в первую очередь, вследствие маловодности притока в исследуемый период.

В июле 2017 г. р. Вилюй также характеризовалась очень низкой водностью (рис. 1 в), что в данной гидрологической ситуации обусловило слабое влияние вод притока на распределение изучаемых параметров в главном русле р. Лены (рис. 2, 3).

В нижнем течении мы не наблюдали большой изменчивости исследуемых характеристик (рис. 2, 3). Это определялось как гидрографом реки – на данном участке мы исследовали не паводковые, а более “старые” воды, поступившие в реку в период летней межени, так и отсутствием крупных притоков (рис. 1). Отметим, что в экспедиции 2017 г. в нижнем течении реки не были обнаружены локальные участки с характеристиками, резко отличающимися от фоновых, аналогичные выявленным летом 2003 г. [6, 16].

Сопоставление средних величин изучаемых параметров, рассчитанных для двух участков реки, показало их существенное различие (табл. 2), что определялось, главным образом, изменением режима стока – высоким дождевым паводком в среднем течении и периодом летней межени в низовьях р. Лены (рис. 1). Так, концентрация растворенного СО₂ в среднем течении была в 1.5 раза выше по сравнению с нижним; величины РОУ, рН, а₂₅₄ и S_275–295 также статистически значимо отличались. Анализ оптических характеристик РОВ показал неидентичность его качественного состава на разных участках реки; осредненные оптические спектры РОВ имели специфические особенности (рис. 3 а). Высокая оптическая плотность вод в области коротких длин волн, пониженные величины S_275–295 и S_350–400 и повышенные C_Ar в водах среднего течения свидетельствовали о присутствии более лабильного РОВ, способного к фото- и биодеструкции, а также о более коротком времени пребывания этого органического вещества в речных водах [3, 15].

Поверхностные воды были пересыщены СО₂ относительно его содержания в атмосфере (рис. 2). Устойчивые корреляционные связи оптических параметров с концентрациями растворенного СО₂ в русле реки свидетельствовали о тесной взаимосвязи последних с составом РОВ (табл. 3). Содержание СО₂ было значительно выше в водах среднего течения (табл. 2), что было обусловлено более высокими концентрациями СО₂ и лабильного РОВ, вымываемых из почв. При этом, как было показано ранее, в нижнем течении РОВ было в меньшей степени способным к био- и фоторазложению, что определялось как поступлением деградированного РОВ из более глубоких почвенных горизонтов в период летней межени, так и более длительным временем его пребывания в речных водах [3]. О более активных процессах деструкции органического вещества в водах среднего течения свидетельствовали и низкие концентрации растворенного кислорода, степень насыщения которым снижалась здесь до 84%, тогда как в дельте Лены вблизи устья Быковской протоки она возрастала до 98%.

Выполненные синхронно с гидрохимическими анализами метеорологические наблюдения позволили рассчитать потоки СО₂ (F_CO$_{{_{2}}}$) в системе вода– атмосфера в главном русле реки Лены (рис. 2 е, табл. 4). Поток СО₂ на протяжении исследованной части русла был направлен в атмосферу, средняя скорость эвазии составила 31.3 ммоль м^–2 сутки^–1. Величины F_СО$_{{_{2}}}$ широко варьировали в соответствии с изменением рСО₂ и коэффициента газопереноса, однако статистически значимой разницы в средних значениях не наблюдалось (табл. 4). Повышенные значения рСО₂ в среднем русле в значительной степени компенсировались более высокими скоростями ветра на нижнем участке реки.

Полученные значения F_CO$_{{_{2}}}$ оказались сопоставимы с величинами потоков в системе вода–атмосфера в период летней межени в главном русле другой “мерзлотной” реки – Колымы [17] и более чем в три раза ниже потоков, рассчитанных для вод р. Оби в летний сезон 2016 г. (102.1 ммоль м^–2 сутки^–1, [12]). Такое различие в величинах F_CO$_{{_{2}}}$ определялось более высокой степенью пересыщения вод Оби СО₂, обусловленной, в первую очередь, состоянием многолетнемерзлых пород в бассейне реки. В отличие от восточно-сибирских рек, подстилаемых, главным образом, сплошной многолетней мерзлотой, здесь преобладает прерывистая, массивно-островная и островная мерзлота, в большей степени подверженная влиянию климатических изменений. При этом, как показано в [12, 18], наиболее значимые биогеохимические последствия деградации многолетнемерзлых пород, приводящие, в том числе, к увеличению содержания СО₂ в наземных водах, наблюдаются в зоне распространения прерывистой мерзлоты. Значимым фактором формирования различий являлись и обширные торфяники в водосборе р. Оби, в частности, крупнейшее в мире Васюганское болото с огромными запасами лабильного органического вещества [19].

ВЫВОДЫ

Исследована динамика форм растворенного углерода в главном русле р. Лены от среднего течения (г. Якутск) до придельтовой зоны моря Лаптевых в июле 2017 г.; определены оптические характеристики РОВ речных вод. Для среднего и нижнего течений реки были рассчитаны скорости обмена СО₂ между водами главного русла р. Лены и атмосферой. Показано, что в летний период речные воды являлись поставщиком СО₂ в атмосферу и на арктический шельф, что определялось как протекающими непосредственно в них процессами деструкции лабильной части органического вещества, так и высокими концентрациями вымываемого из почв СО₂. Интенсивность поступления СО₂ в атмосферу изменялась от 0.8 до 137.9 ммоль м^–2 сутки^–1 при среднем значении 31.3 ммоль м^–2 сутки^–1. В результате в июле 2017 г. с исследуемой части реки (1628 км русла при средней ширине 2 км) в атмосферу поступило порядка 3.8 × 10⁴ т С в форме СО₂, что лишь на порядок ниже среднемесячного выноса водами реки растворенного органического и неорганического углерода, рассчитанного для замыкающего створа (4.8 × 10⁵ т С и 7.8 × 10⁵ т С соответственно).

Наибольшая пространственная изменчивость и экстремальные величины изучаемых параметров зарегистрированы в зоне среднего течения, где исследования совпали по времени с пиком дождевого паводка, превосходящим по расходу и уровню воды весеннее половодье. Влияние паводковых вод с высоким содержанием органического вещества и СО₂ модифицировалось в некоторой степени водами крупных притоков, фаза водного стока которых соответствовала периоду малой водности.

Значимые различия средних величин исследуемых параметров на двух участках реки определялись, в первую очередь, водным режимом – высоким дождевым паводком в среднем течении и периодом летней межени – в нижнем.

Анализ качественного состава РОВ, выполненный на основе его оптических характеристик, показал присутствие более лабильного РОВ в среднем течении реки по сравнению с нижним. Установлена связь оптических характеристик и состава РОВ с концентрациями растворенного СО₂ в главном русле р. Лены. Показано, что оптические параметры являются полезным инструментом для понимания динамики и качества речного РОВ, а также его взаимосвязи с потоками СО₂ в арктических реках.