Океанология, 2020, T. 60, № 6, стр. 843-850

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы исследователи все большее внимание уделяют морям Северного Ледовитого океана. Колоссальное количество потенциальных энергоресурсов на арктическом шельфе, огромное влияние речного стока на окраинные моря, а также общие вопросы изменения климата и асидификации океана делают этот район чрезвычайно привлекательным для океанологов самых различных профилей. Общий бассейн водосбора многочисленных рек, впадающих в Северный Ледовитый океан, столь разнообразный по видам почв, растительности и ландшафта, составляет около 17 × 10⁶ км². Однако большая часть стока выносится четырьмя реками: Обью, Енисеем и Леной в Евразии и рекой Маккензи в Северной Америке [17].

Лена – одна из крупнейших рек на Земле. По длине она занимает десятое место среди рек планеты, по полноводности – восьмое в мире и второе среди рек России (после Енисея). Река Лена берет начало на западном склоне Байкальского хребта на высоте 930 м в 7 км от озера Байкал и несет свои воды на протяжении 4270 км до Северного Ледовитого океана. Площадь бассейна реки составляет 2.42 × 10⁶ км². В среднем течении ширина Лены достигает 15 км, ширина русла в низовьях — до 20–25 км. Средний годовой расход воды в устье составляет около 17 000 м³/с. Средний годовой сток в море Лаптевых около 540 км³. Река Лена ежегодно выносит в море около 12 млн т. взвешенных наносов и 41 млн т. растворенных веществ [11, 13].

Большая часть бассейна р. Лена расположена в области повсеместного распространения многолетнемерзлых горных пород и грунтов и покрыта тайгой (за исключением небольшого участка севернее 71° с.ш., лежащего в тундре и лесотундре) [3]. Питание реки смешанное: снеговое, дождевое и за счет подземных вод. В верхнем течении реки (до впадения р. Витим) питание сильно зависит от метеорологических условий, при этом на долю подземных вод, находящихся в условиях вечной мерзлоты, приходится 35–45% годовой величины. В среднем течении (от устья р. Витим до впадения р. Алдан) река питается преимущественно дождевыми водами. В нижнем течении основным является снеговое питание, а доля подземных вод в питании реки не превышает нескольких процентов [11].

Примерно в 150 км от моря Лаптевых р. Лена образует обширную дельту, которая простирается на 45 000 км². Река распадается на многочисленные протоки (около 150), из которых три главные: западная Оленекская, средняя Трофимовская и восточная Быковская (подробнее в [16]).

За последние 20 лет был проведен ряд экспедиций, как отечественных, так и международных, посвященных изучению ленских вод и влиянию терригенного стока на бассейн моря Лаптевых. Как результат этих проектов, был выпущен ряд статей, описывающих экосистемные процессы моря Лаптевых, такие как динамику гидрохимических параметров, органического вещества и карбонатной системы [5, 6, 10, 21, 22, 24, 27, 28], особенности распределения фито- и зоопланктона [15, 30], хлорофилла-а и первичной продукции [1, 2].

Цель нашей работы – рассмотреть особенности гидрохимической структуры в районе смешения ленских вод с водами моря Лаптевых и определить происхождение биогенных элементов в придонном слое приэстуарной зоны дельты р. Лена.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Данные, приведенные в работе, были получены в сентябре 2015 года в 63-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш”. Исследования проводились в восточной части моря Лаптевых на 384-мильном разрезе, берущем начало из бухты Тикси и заканчивающемся в точке с координами 78° 22′ с.ш. и 130°30′ в.д. В работе приведены материалы, собранные на 14 станциях (32 горизонта) в верхнем 60-м слое воды. Схема расположения станций показана на рис. 1. Во всех пробах по стандартным методикам [12] определялись основные гидрохимические параметры. Содержание растворенного кислорода определялось методом Винклера. Для определения общей щелочности использовался титриметрический метод Бруевича. Величина водородного показателя pH определялась в открытой ячейке в единицах шкалы NBS и приводилась к условиям in situ. Комплекс основных биогенных элементов, включающий в себя минеральный фосфор, силикаты, нитраты, нитриты, аммоний, определялся на спектрофотометре Hach-Lange DR 2800.

Рис. 1.

Район исследований и станции “Ленского” разреза, выполненные в 63-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” в сентябре 2015 г.

Для определения хлорофилла-а и доли феофитина (неактивной формы хлорофилла-а) в их общей сумме использовался стандартный экстрактный флюориметрический метод [23]. Измерения проводились на флюориметре Trilogy Turner Designs (США). Подробно примененный метод определения хлорофилла-а и доли феофитина изложен в работе [1]. За нижнюю границу эвфотического слоя была принята глубина, на которой освещенность составляла 1% от освещенности на поверхности. Согласно [29] глубиной эвфотического слоя считалась глубина видимости диска Секки, умноженная на коэффициент три.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Величина солености на разрезе изменялась от 3.012 на ст. 5216 на горизонте 0 м до 34.453 PSU на горизонте 60 м на ст. 5228 (рис. 2). Эстуарная часть разреза характеризовалась резким галоклином: на ст. 5216 соленость у дна достигала 29.405 PSU при глубине 9 м. Согласно глубине видимости диска Секки мощность эвфотического слоя в речной части разреза составляла 3–15 м и увеличивалась на разрезе по мере удаления от дельты Лены (рис. 2–3). Низкая прозрачность, наблюдаемая в приэстуарном районе, обусловлена высокой концентрацией взвеси [15], выносимой речным стоком. На самой удаленной от берега станции глубина эвфотического слоя составила 36 м.

Рис. 2.

Распределение солености на “Ленском” разрезе [5, 14]. Черной линией изображена граница эвфотического слоя.

Пространственное распределение гидрохимических параметров, хлорофилла-а и доли феофитина на разрезе вдоль выноса реки Лены представлено на рис. 3. Содержание кремния в исследуемом районе изменялось от 2.16 до 66.61 μM, а минерального фосфора и нитратного азота – от 0.07 до 0.76 μM и от 0.14 до 17.33 μM соответственно. Отличительной особенностью распределения минерального фосфора и нитратного азота было увеличение содержания этих параметров под эвфотическим слоем в речной части разреза с максимальным содержанием у дна. Минимальные величины щелочности были отмечены в распресненных водах (1.073 mM), максимальные – в водах с морской соленостью (2.431 mM).

Рис. 3.

Распределение параметров на исследуемом разрезе: а) общей щелочности, mM [14]; б) кремния, μM [6, 14]; в) нитратов, μM [6, 14]; г) фосфатов, μM [6, 14]; д) аммонийного азота, μM [14]; е) водородного показателя (pH) [5, 6]; ж) растворенного кислорода, мл/л [6]; з) растворенного кислорода, % [14]; и) хлорофилла-а, мг/м³ [2]; к) доли феофитина (%) в сумме хлорофилл-а и феофитин. Черной прерывистой линией изображена граница эвфотического слоя.

Концентрация растворенного кислорода на разрезе варьировала от 4.99 до 8.04 мл/л с минимумом в придонных слоях речной части исследуемого района. Процентное содержание растворенного в воде кислорода на протяжении всего разреза не поднималось выше 97%. Таким образом, даже на поверхности содержание кислорода не достигало равновесной концентрации с содержанием кислорода в атмосфере. Под эвфотическим слоем в речной части зоны смешения, процентное содержание кислорода понижалось до 64%.

Распределение pH было схоже с распределением растворенного кислорода и характеризовалось минимальными величинами под слоем фотосинтеза в речной части зоны смешения (7.32 на станции 5216) и ростом значений по мере усиления влияния морских вод (в среднем до 7.9).

Концентрация Chl-a изменялась в пределах от 0.01 до 1.21 мг/м³. Максимальное содержание Chl-a было отмечено на поверхности в речной части разреза. При этом доля феофитина была довольно высокой (в среднем по разрезу 0.58) и колебалась от 0.18 на поверхности до 0.92 у дна.

С использованим полученных данных были построены диаграммы зависимости щелочности, кремния, минерального фосфора и нитратного азота от солености (рис. 4). Щелочность имеет консервативное распределение, что характерно для большинства зон смешения пресных и морских вод. Кремний отклоняется от консервативности в водах под эвфотическим слоем в районе влияния речного стока. Тем не менее, общая тенденция распределения кремния типична для большинства зон смешения и характеризуется уменьшением содержания кремния по мере усиления влияния морских поверхностных вод. Диаграмма зависимости нитратного азота от солености демонстрирует неконсервативное распределение нитратов и незначительный их вынос из реки в море по сравнению с их содержанием под слоем фотосинтеза в примыкающей к дельте части разреза. Диаграмма зависимости минерального фосфора от солености показывает равномерное распределение фосфатов в трансформированных водах. Существенное увеличение содержания фосфатов и нитратов происходит под эвфотическим слоем в речной части разреза.

Рис. 4.

Графики зависимости щелочности, минерального фосфора, кремния, и нитратов от солености на разрезе вдоль выноса р. Лены (серыми кругами обозначены поверхностные трансформированные воды и морские воды в северной части разреза, черными треугольниками – воды, расположенные под эвфотическим слоем в речной зоне разреза).

ОБСУЖДЕНИЕ

Термохалинная структура вод, динамические процессы в толще, а также фронтальные зоны, формирующиеся на границах взаимодействия речных вод р. Лена и морских вод моря Лаптевых, подробно описаны в [15]. Показанные нами распределения биогенных элементов и параметров карбонатной системы подчеркивают эти исследования. Так, по распределению общей щелочности (рис. 3а) хорошо видно выделенную в [15] область внутреннего шельфа с высоким градиентом солености и высокой температурой в поверхностном слое. А распределение аммонийного азота (рис. 3д) подчеркивает область локального поднятия пикноклина с сопутствующим уменьшением верхнего квазиоднородного слоя на станции 5215-2. Здесь же зарегистрирован локальный максимум биомассы водорослей – 97 мг/м³ [15], что может быть связано с поступлением необходимого для фитопланктона количества биогенных элементов.

Полученные нами величины содержания основных биогенных элементов хорошо согласуются с результатами предыдущих работ [18, 20, 26, 30]. Согласно обобщенным исследованиям, среднее содержание биогенных элементов в стоке разных рек арктического бассейна, в том числе и Лены, составляет: 70.00 μM кремния, 3.00 μM нитратов, 3.00 μM аммонийного азота, 0.30 μM минерального фосфора [20]. Согласно другим наблюдениям, проводившемся в сентябре 1989 и 1991 гг., средние значения кремния, нитратного азота и фосфатов в дельте Лены составляли 72.00, 6.00 и 0.80 μM соответственно [18]. Авторы работы [25], проводившие исследования в июле 1994 г. непосредственно в реке и ее притоках, сообщают о схожих концентрациях фосфатов и кремния, но о гораздо более низких значениях нитратного и аммонийного азота (средние значения нитратов, нитритов, аммония, фосфатов и кремния были равны 0.6, 0.07, 0.13, 0.5 и 66 μM соответственно). Авторы предполагают, что низкие величины неорганического азота могли быть связаны с предшествующим “цветением” фитопланктона, либо со спецификой Ленских вод. В работе [26] диапазон вариабельности кремния в водах реки Лены составляет 50–72 μM (пробы отбирались с 4 по 14 сентября 1989 г.). В ряде работ делается упор на низкие концентрации минерального фосфора и азота в распресненных поверхностных водах [18, 25, 30]. Увеличение содержания биогенных элементов происходит под эвфотическим слоем в водах, прилегающих к дельте [9]. Накопление биогенных элементов может происходить как следствие разложения органической составляющей взвеси (детрит), оседающей с поверхности на маргинальном фильтре [4]. На разложение взвеси расходуется кислород, поступление которого с поверхности затруднено по причине стратификации вод (рис. 2).

В работе [9] говорится о том, что типичной особенностью придонной структуры юго-восточной части моря Лаптевых, подверженной влиянию речного стока, является наличие так называемых “застойных” зон, насыщенных кислородом всего на 30–50% и с относительно высоким содержанием кремния (750–1000 мкг/л или ~26–36 μM), фосфатов (40–50 мкг/л или 1.30–1.60 μM) и нитратов (130–150 мкг/л или 9–11 μM). В нашем случае содержание кислорода понижалось до 64%, а величина минерального фосфора, нитратов и кремния у дна в речной части разреза составляло, соответственно, в среднем 0.8, 10 и 32 μM. При этом среднее значение для минерального фосфора, азота и кремния на станциях 5216–5219 на поверхности составило соответственно 0.11, 4 и 59 μM. Таким образом, содержание минерального фосфора и нитратов у дна в 8 и 2.5 раза, соответственно, больше, чем в распресненных водах. Поэтому можно предположить, что накопление минерального фосфора и нитратов в исследуемом районе происходит в большей степени не за счет выноса речных вод, а за счет разложения органического вещества в застойных водах с морской соленостью, т.е. за счет рециклинга биогенных элементов.

Увеличение содержания биогенных элементов под эвфотическим слоем в прилегающих к дельте водах шельфа сопровождалось увеличением доли феофитина. На станциях 5216–5218 на глубине 9–10 м доля феофитина составляла 0.7, у дна на ст. 5218 на глубине 15 м – 0.83. Согласно [8] увеличение доли феофитина до 40–65% в сумме пигментов свидетельствует об угнетенном состоянии фитопланктона с пониженной физиологической активностью и низким продукционным потенциалом. При доле феофитина более 65% клетки водорослей не обладают нужным для фотосинтеза потенциалом и отмирают. В этой же работе отмечено увеличение доли феофитина на горизонтах ниже слоя фотосинтеза, что объясняется авторами как накоплением в этих горизонтах оседающих погибших клеток, так и процессом феофитинизации живых водорослей при недостатке света. В работе [7] установлена сильная отрицательная линейная зависимость между первичной продукцией и долей феофитина, что позволяет рассматривать величину доли феофитина в качестве потенциальной фотосинтетической способности одноклеточных водорослей. Таким образом, рост доли феофитина, увеличение содержания биогенных элементов, а также уменьшение pH и снижение содержания растворенного кислорода под слоем фотосинтеза в речной части разреза (рис. 3) указывает на превалирование деструкционных процессов над продукционными в этом районе.

Зависимость концентрации Chl-a от солености воды, приведенная на рис. 5, демонстрирует снижение содержания Chl-a по направлению от реки к морю. В этом же направлении убывает содержание кремния и увеличивается величина щелочности (рис. 4). Чтобы оценить влияние химического состава речных вод на развитие фитопланктона в зоне смешения, нами были рассчитаны коэффициенты корреляции для гидрохимических параметров и Chl-a, измеренных на протяжении всего разреза в интервале солености от 3 до 30 PSU. Коэффициент корреляции между фосфат-ионом и Chl-a составил R = –0.53 (n = 61), между Chl-a и нитрат-ионом – (R = –0.47, n = 61), между Chl-a и кремнием (R = 0.66, n = 61).

Рис. 5.

Диаграмма зависимости хлорофилла-a от солености на разрезе.

Обратная зависимость между Chl-a и нитратным азотом, а также между Chl-a и фосфат-ионом, не так очевидна, как связь Chl-a с щелочностью и соленостью. Между Chl-a и общей щелочностью коэффициент корреляции R составил (–0.84), n = 61. При этом коэффициент корреляции между Chl-a и щелочностью оказался очень близок к коэффициенту корреляции между Chl-a и соленостью (R = –0.82, n = 61). Поскольку соленость, общая щелочность и кремний выступают в роли индикаторов речных вод, можно заключить, что снижение концентрации Chl-a в поверхностных водах связано с изменениями условий, которые определяются “разбавлением” речного стока вод морскими водами. Поэтому, с учетом коэффициентов корреляции между Chl-a, кремнием, щелочностью и соленостью, Сhl-a в данном случае можно рассматривать как маркер речного стока.

ВЫВОДЫ

Распределение гидрохимических параметров в зоне смешения вод р. Лена с водами моря Лаптевых хорошо согласуется не только с термохалинной структурой вод, но и с биологическими данными, что подчеркивает важность комплексных исследований в зоне смешения река–море.

Сравнение полученных нами гидрохимических данных с ранее опубликованными демонстрирует довольно устойчивую на протяжении долгих лет гидрохимическую ситуацию в районе смешения вод моря Лаптевых и вод стока Лены. Судя по станции, в области сильного воздействия речного стока (соленость 3.012 PSU) был отмечен существенный вынос кремния водами Лены – 66.6 μM, при среднем уровне содержания нитратов – 3.87 μM и низком – минерального фосфора – 0.08 μM. Показано, что поступление минеральных форм азота и фосфора в мористый район дельты р. Лена происходит не столько с материковым стоком, сколько за счет разложения органического вещества в застойных водах с морской соленостью, т.е. за счет рециклинга биогенных элементов.

В период исследований обратная зависимость между хлорофиллом-а и нитратами, а также между хлорофиллом-а и фосфат-ионом, была слабее, чем прямая зависитость хлорофилл-а от солености, щелочности и кремния. Это позволяет в данном случае рассматривать концентрацию хлорофилл-а на шельфе моря Лаптевых как маркер воздействия стока Лены.

В прилежащей к дельте Лены области шельфа под галоклином отмечено низкое – до 64% – процентное содержание кислорода. Снижение содержания кислорода сопровождалось увеличением доли феофитина до 0.83. Подобное соотношение хлорофилла-а и феофитина говорит о стагнации фитопланктона, что вероятнее всего связано с недостатком света. Низкое содержание кислорода, увеличение доли феофитина в сумме пигментов, рост концентрации минерального фосфора, нитратов и кремния, а также уменьшение pH указывает на преобладание деструкционных процессов над продукционными в этой зоне.

Благодарности. Авторы выражают благодарность начальнику экспедиции М.В. Флинту за предоставленную возможность участия в 63-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш”, П.Н. Маккавееву за помощь при выполнении работы и плодотворные дискуссии и А.Б. Демидову за предоставленные данные по хлорофиллу-а и глубине видимости диска Секки, а также за обсуждение материала и ценные замечания. Авторы признательны анонимному рецензенту за внимательное прочтение работы и полезные рекомендации по представлению материала.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках Госзадания ИОРАН (тема № 149-2019-0008), а также при поддержке грантов РНФ (№ 19-17-00196, обработка гидрохимических данных) и РФФИ (№ 18-05-60069, обработка биологических данных).