Динамика растворенных веществ в водных потоках: гидрологические и биогеохимические процессы

Растворенные вещества представляют собой химические соединения, перешедшие в водную фазу, включая катионы (положительно заряженные ионы) — кальций, магний, натрий, калий — и анионы (отрицательно заряженные ионы) — хлорид, сульфат, силикат, бикарбонат, а также органические молекулы. В отличие от обычных растворенных компонентов, встречающихся в природных водах в относительно высоких концентрациях, биологически значимые вещества, такие как фосфаты и нитраты, обычно присутствуют в очень низких количествах.

Поступление растворенных веществ в водотоки осуществляется из трех природных источников: атмосферы (дождевая вода содержит хлориды, натрий, сульфаты), почв и горных пород в результате выветривания (источник кальция, фосфата, кремнезема, магния) и биологических процессов. Например, нитраты образуются при атмосферных осаждениях, выветривании или фиксации азота цианобактериями, тогда как неорганический углерод (CO₂, бикарбонат, карбонатная кислота) поступает из атмосферы, процессов выветривания и дыхания почвенных и речных организмов. Дополнительно точечные источники (промышленные трубы) и неточечные источники (сельскохозяйственный сток) часто служат основными антропогенными путями привноса растворенных веществ в водные системы.

Динамика растворенных веществ описывает пространственно-временные закономерности переноса и трансформации этих компонентов (Stream Solute Workshop, 1990), причем данные процессы тесно связаны с движением воды во всех экосистемах, особенно в малых реках и ручьях. Поскольку химические элементы циркулируют между биотическими и абиотическими компонентами речных экосистем, они непрерывно или периодически смещаются вниз по течению, что приводит к продольному растяжению биогеохимических циклов и формированию так называемых спиралей (Webster and Patten, 1979; Newbold, 1992). Хотя поведение многих растворенных веществ преимущественно определяется биогеохимическими и гидрологическими взаимодействиями в масштабе всего водосбора (Webb and Walling, 1992), в самих водотоках также наблюдаются значительные изменения динамики (Peterson et al., 2001). Изучение динамики растворенных веществ позволяет получить информацию двух типов: скорости переноса и трансформации (что критически важно для оценки их доступности и экологической роли), а также количественные характеристики гидродинамических свойств потока. Данная глава описывает исследования динамики растворенных веществ с обеих указанных позиций (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Полевая установка для выделения растворенных веществ. Эта установка использовалась на небольшом сельскохозяйственном участке в Северной Каролине. 20-литровая бутыль содержала смешанный раствор для выделения, а небольшой столик в ручье использовался для стабилизации дозирующего насоса и батареи. Раствор капал в центр потока, где к шлангу была привязана розовая ленточка. Фото Роба Пейна.

Растворенные вещества в водотоках классифицируют несколькими способами (Stream Solute Workshop, 1990). Питательные вещества — это компоненты, необходимые для роста, поддержания жизнедеятельности или размножения организмов; их количество может стать лимитирующим при концентрациях, недостаточных для удовлетворения биологических потребностей. Другие вещества, например тяжелые металлы, способны оказывать ингибирующее или токсическое действие на водные организмы. Альтернативная классификация основана на биологической и химической реактивности: концентрация неконсервативных растворенных веществ изменяется под действием биотических или абиотических процессов, тогда как концентрация консервативных растворенных веществ не меняется иначе, как за счет разбавления.

К консервативным относят вещества, не являющиеся питательными и не вступающие в химические реакции с водой или вмещающими породами, например литий или бромид (Bencala et al., 1991). Некоторые неконсервативные вещества могут присутствовать в столь высоких концентрациях, что биотический и абиотический обмен не оказывает заметного влияния на их содержание в потоке, и они ведут себя как консервативные; хлорид, будучи биологически важным, в большинстве водотоков встречается в концентрациях, намного превышающих биологическую потребность, и поэтому часто используется в качестве консервативного индикатора (Triska et al., 1989).

А. Динамика консервативных растворенных веществ. Динамика консервативных растворенных веществ в потоках определяется двумя основными процессами: адвекцией и рассеиванием. Адвекция представляет собой перенос воды вниз по течению со средней скоростью, тогда как рассеивание возникает за счет молекулярной диффузии, но в водотоках преимущественно обусловлено турбулентностью. Эти процессы описываются дифференциальным уравнением в частных производных:

где C — концентрация растворенного вещества, *t* — время, *x* — расстояние в направлении течения, *u* — скорость воды, D — коэффициент дисперсии. Данное уравнение применимо только для консервативных растворенных веществ в однородных руслах с постоянным расходом. Для учета изменчивой морфологии ручья, поступления грунтовых вод и временного накопления (задержки растворенных веществ в воде, движущейся медленнее основного потока, — например, в гипорейных зонах, плесах и заводях) в уравнение вводят дополнительные члены (Bencala and Walters, 1983; Bencala et al., 1984; Harvey et al., 1996). Это преобразует исходное уравнение в систему:

где Q — расход, A — площадь поперечного сечения потока, Q_L — боковой приток из подземных вод, C_L — концентрация растворенного вещества в этом притоке, α — коэффициент обмена с зонами временного хранения, A_s — площадь поперечного сечения зон временного хранения, C_s — концентрация в них. Из этих параметров можно получить другие показатели временного накопления (Harvey and Wagner, 2000; Runkle, 2002). Поскольку расход Q и площадь поперечного сечения A зависят от расстояния вдоль потока, они должны быть явно заданы в уравнениях. Несмотря на кажущуюся сложность, данная модель является упрощением реальных потоков (на практике существует множество зон временного хранения), однако она хорошо работает для многих водотоков.

В. Динамика неконсервативных растворенных веществ. Динамика неконсервативных растворенных веществ более сложна из-за процессов продукции и потребления в самом потоке, большинство из которых происходит на дне малых водотоков. Эти процессы включают абиотические механизмы — адсорбцию, десорбцию, осаждение, растворение, — а также важнейшие биотические процессы — гетеротрофное (микробиологическое) поглощение, поглощение растениями и минерализацию. Совокупность абиотических и биотических процессов, удаляющих растворенные вещества из водной толщи, называется иммобилизацией. В водотоках наиболее значимыми механизмами иммобилизации биологически важных растворенных веществ (питательных веществ) являются адсорбция (особенно для фосфатов), гетеротрофное поглощение и ассимиляция водорослями. Если пренебречь сложностями, описанными в системе уравнений 8.2, динамику неконсервативного растворенного вещества можно выразить как:

где C — концентрация неконсервативного растворенного вещества, λC — полная динамическая скорость поглощения (размерность — обратное время), а остальные члены определены ранее. Иммобилизованные питательные вещества могут в конечном итоге минерализоваться и возвращаться в толщу воды; это отражается добавлением члена в уравнение 8.3 и включением уравнения для иммобилизованного вещества:

где C_B — количество иммобилизованных (донных) питательных веществ на единицу площади, *z* — глубина, λ_B — степень минерализации. Эти модели динамики растворенных веществ могут значительно усложняться; приведенные уравнения основаны на работе Stream Solute Workshop (1990). Простейшее уравнение (8.1) решается аналитически, тогда как для остальных требуются компьютеры и численные методы.

При переходе атома питательного вещества из неорганической формы в органическую и обратно длина спирали (spiral length) — это расстояние, проходимое атомом за один полный цикл (Newbold et al., 1981; Elwood et al., 1983). За это время питательное вещество превращается из абиотического в биотическое и снова в абиотическую форму. Длина спирали состоит из двух компонентов: (1) длины поглощения (S_w) — расстояния, проходимого в растворенной неорганической форме до извлечения из раствора, и (2) длины оборота (S_B) — расстояния, проходимого до минерализации и возврата в водную толщу: S_spiral = S_w + S_B.

Поскольку большая часть органического материала в малых ручьях сосредоточена в донных отложениях (Fisher and Likens, 1973), а движение частиц намного медленнее движения растворенных компонентов (Newbold et al., 1983; Minshall et al., 2000), в верховьях ручьев длина поглощения преобладает над общей длиной спирали (Newbold et al., 1983; Mulholland et al., 1985). Соответственно, в данной главе основное внимание уделяется динамике растворенных неорганических питательных веществ, описываемой через S_w и связанные с ней показатели. Математически длина поглощения может быть связана с предыдущими уравнениями как величина, обратная продольной скорости поглощения:

где продольная скорость поглощения (k_w) — это динамическая скорость поглощения (λC), деленная на скорость воды. Поскольку S_w представляет собой расстояние переноса, на нее сильно влияют расход и скорость потока. Для сравнения динамики растворенных веществ в разных системах S_w часто стандартизируют, преобразуя в коэффициент массопереноса (Stream Solute Workshop, 1990), который описывает теоретическую скорость движения питательного вещества к месту иммобилизации (например, к руслу ручья). Недавно этот коэффициент назвали скоростью поглощения (v_f) (Peterson et al., 2001; Valett et al., 2002). Скорость поглощения корректирует S_w на скорость потока и глубину и рассчитывается как:

Соотношение v_f с концентрацией питательных веществ в окружающей среде (C) дает показатель общего поглощения (U):

Площадное поглощение (масса на единицу площади русла в единицу времени) — это интегральный показатель круговорота питательных веществ, аналогичный используемым в других экосистемах. U отражает величину потока неорганических элементов из водной толщи в биоту. Вместе показатели S_w, v_f и U образуют триаду характеристик спирального распределения питательных веществ (рис. 8.2). S_w дает важную информацию о биотическом потреблении, но не содержит пространственной информации о питательных веществах. Скорость поглощения v_f стандартизирует длину поглощения с учетом расхода (глубины и скорости) и лучше подходит для сравнения динамики в разных потоках, хотя на нее сильно влияет концентрация питательных веществ. Рисунок 8.2 также показывает, что v_f является показателем эффективности усвоения относительно доступности питательных веществ (Davis and Minshall, 1999), что видно из переписанного уравнения 8.9: v_f = U / C.

Рис. 8.2. Триада показателей для определения динамики питательных веществ в речных экосистемах. Обозначения символов приведены в тексте.

Цель экспериментов, описываемых в этой главе, — изучение динамики как консервативных, так и неконсервативных растворенных веществ (питательных веществ) в одном или нескольких водотоках. Учитывая разнообразие доступного оборудования и высокую вариабельность химического состава потоков, предлагается несколько методических и экспериментальных подходов. Минимально необходимые измерения включают определение расхода, скорости, оценку параметров временного хранения и поглощения питательных веществ. Однако предложенный здесь метод оценки поглощения питательных веществ требует повышения их концентрации, что может снизить поглощение по сравнению с фоновым уровнем (Mulholland et al., 2002).

Для измерения поглощения, на которое не влияет повышение концентрации выше природного уровня, необходимы радиоактивные (например, Newbold et al., 1983) или стабильные изотопы (например, Peterson et al., 2001; Webster et al., 2003), но эти методы трудоемки, дороги и иногда запрещены. Более новый подход, описанный Payn et al. (2005), предусматривает многократное внесение питательных веществ при разных концентрациях; он требует значительно больших усилий, но его следует использовать по возможности. Метод однократного внесения питательных веществ может занижать реальное поглощение, однако при аккуратном применении он остается полезным инструментом для сравнения поглощения на разных участках или в различных экспериментальных условиях.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ф. Ричард Хауэр и Гэри А. Ламберти

Источник: Методы в экологии ручьев

Данные публикации будут полезны студентам экологических и географических специальностей, начинающим специалистам в области гидрологии, геоморфологии и управления водными ресурсами, а также всем, кто интересуется динамикой речных экосистем и вопросами охраны природных ландшафтов.