Сухие и мокрые атмосферные выпадения органического углерода на побережье и акватории северо-восточной части Азовского моря
Приведены новые данные о содержании органического углерода в эоловом материале и атмосферных осадках, поступающих на побережье и акваторию северо-восточной части Азовского моря. Пробы для химического анализа атмосферных выпадений отбирали в период 2006–2014 гг. Содержание взвешенного органического углерода в пробах эоловой пыли варьировало в пределах от 4 до 27%. Диапазон концентраций растворенного органического углерода в дождевой воде составлял 1.6–4.3, в снеге – 0.9–16.6 мгС/л, содержание взвешенного органического углерода в пробах снега изменялось от 2 до 43%. Интенсивность осаждения эоловой пыли уменьшалась от 178 до 33 мг/м2 в сутки по мере удаления от источников пыли, при этом в ее составе увеличивалось относительное содержание органического вещества. Поток эолового органического углерода в весенне-летний период в пределах г. Ростова-на-Дону составлял 12–18, на побережье Таганрогского залива – 28–48, в акватории залива – 20–80 мгС/м2 в сутки.
ВВЕДЕНИЕ
Воздушные и водные потоки являются главными путями переноса осадочного вещества с суши. Если речь идет о морской седиментации, основное внимание традиционно уделяется речному стоку. Вместе с тем в ряде работ указывается на значимость эолового фактора в процессах осадконакопления, формирования уровней накопления различных веществ в воде и подчеркивается важность изучения пространственной изменчивости переноса аэрозолей и баланса примесей [6–10; 21, 33–38, 40, 41, 43, 44 и др.]. Актуальным является изучение аэрозолей в береговой зоне и, особенно, над поверхностью морей и океанов.
Эоловый перенос вещества имеет особое значение для континентальных морей семиаридной зоны, таких как Азовское и Северный Каспий, отличающихся небольшими глубинами и расположением на пути воздушных потоков из глубины континента. Источниками пылевого аэрозоля являются полупустынные и пустынные территории Калмыкии и Казахстана, откуда пыль переносится на большие расстояния. Ветровой эрозии также подвержены практически все сельскохозяйственные угодья Донецкой, Ростовской областей и Краснодарского края. Выдуванию верхнего слоя почвенного покрова способствуют частые сильные ветры восточной составляющей преимущественно в зимне-весенний период. Несмотря на то, что пыльные бури в южном макрорегионе носят эпизодический характер, их выносы на морские акватории иногда намного превышают объемы твердого стока рек, продуктов разрушения пород берегов морей [30].
Значимость эолового фактора для процессов накопления донных осадков в Азовском море и их геохимии показана в работах [14, 31, 32, 34, 35]. Литературные источники содержат данные о химическом составе аэрозолей над акваторией Азовского моря, но при этом количественную оценку содержания органического углерода в эоловом материале удалось найти лишь в работе Александровой [2]. Вклад атмосферных выпадений до сих пор не учитывается в балансе углерода Азовского моря. ).
Между тем, многочисленные исследования, выполненные в последние годы, свидетельствуют о том, что органическое вещество является главным или одним из основных компонентов атмосферных аэрозолей в воздухе над морями и океанами [10, 17, 19, 37,45 и др.], а эоловый транспорт углерода в системе суша–океан занимает по величине второе место после речного стока [18, 20]
Аэрозоли поступают в воздух и удаляются из него в форме сухих осаждений, а также вместе с атмосферными осадками. «Сухие» и «мокрые» выпадения позволяют количественно оценить роль атмосферы в круговороте органического вещества, в балансе органической составляющей природных вод.
Комплексные работы, выполняемые Южным научным центром Российской академии наук (ЮНЦ РАН) и Институтом аридных зон ЮНЦ РАН (ИАЗ ЮНЦ РАН) в последние годы, связаны с изучением закономерностей продуцирования и трансформации органического вещества в экосистеме Азовского моря. Эта работа включает в себя рассмотрение внешних потоков вещества в морскую экосистему, в частности, атмосферных выпадений, а также оценку их вклада в современный баланс углерода Азовского моря.
Целью настоящего исследования является количественная оценка органического углерода в составе «сухих» и «мокрых» атмосферных выпадений, расчет его потоков на побережье и акваторию северо-восточной части Азовского моря.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Отбор проб эоловых выпадений выполняли в 2009–2013 гг. в акватории Таганрогского залива Азовского моря на научно-исследовательских судах «Профессор Панов» (тип судна – Ярославец) и «Денеб» (тип судна – ПТР), на побережье Таганрогского залива (научно-экспедиционная база ЮНЦ РАН в селе Кагальник; стационар «Донской» в хуторе Донском; село Приморка), а также на территории ЮНЦ РАН в городе Ростов-на-Дону (40 км от Таганрогского залива) (Рисунок 1).
В современных исследованиях для отбора проб эоловых частиц используют в основном два метода: пассивный сбор аэрозольных выпадений (твердых и жидких) на планшеты и активное осаждение пыле-аэрозольных частиц на фильтры путем прокачки сквозь них воздуха с помощью аспирационных установок. Считается, что планшетные сборы сухих выпадений воспроизводят их реальное поступление на поверхность, тогда как количественные характеристики аэрозольной нагрузки, полученные методом активного сбора, отражают потенциальные запасы дисперсного вещества в приземном слое воздуха, которое не всегда и не полностью выпадает на поверхность. Очевидно, что изучение динамики поступления органического углерода и других элементов на поверхность с помощью метода пассивного сбора сухих аэрозолей более информативно.
В настоящем исследовании для сбора «сухих» атмосферных выпадений использовали плоские емкости (своеобразные ловушки). Пылеуловитель представляет собой открытый прямоугольный пластиковый контейнер площадью 0.0297 м2, выложенный в 2 слоя стеклянными шариками диаметром 14 мм (256 шт), аналогично, например, [39, 42]. Использование наполнителя (стеклянные шарики), выложенного на дно ловушки, во-первых, препятствует случайному выдуванию осевшей в контейнер пыли, во-вторых, исключает возможность трансформации органи¬ческого вещества при экспонировании (в отличие от использования ловушек с водой).
В морских рейсах пылеуловитель устанавливали в наиболее высоком месте на судне (на крыше рулевой рубки НИС «Профессор Панов», в носовой части НИС «Денеб»), во время его стоянок в ночное время или на суточных станциях (Таблица 1). На суше были организованы стационарные площадки, где устанавливали контейнер на высоте 2.5–3 м от земной поверхности. Время экспонирования на суше составляло от 1.90 до 30 суток, над водной поверхностью – от 1.46 до 3.26 суток.
| № станции | Координаты станции | Научно-исследовательское судно | Период экспозиции | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Широта(N) | Долгота(E) | начало | конец | ||
| 1 | 47°04'44" | 38°33'14" | «Профессор Панов» | 18.06.2010 (21:00) | 19.06.2010 (7:30) |
| 2 | 47°05'24" | 38°28'15" | «Профессор Панов» | 19.06.2010 (21:00) | 20.06.2010 (7:40) |
| 3 | 47°05'09" | 38°21'04" | «Профессор Панов» | 20.06.2010 (16:00) | 21.06.2010 (6:30) |
| 4 | 47°00'59" | 38°52'02" | «Профессор Панов» | 12.07.2010 (20:00) | 13.07.2010 (7:15) |
| 5 | 46°40'12" | 37°57'11" | «Профессор Панов» | 13.07.2010 (19:30) | 14.07.2010 (1:35) |
| 6 | 47°06'05" | 38°26'58" | «Профессор Панов» | 14.07.2010 (22:00) | 15.07.2010 (9:20) |
| 7 | 46°57'07" | 38°33'20" | «Профессор Панов» | 15.07.2010 (19:40) | 16.07.2010 (9:30) |
| 8 | 47°01'59" | 38°10'26" | «Профессор Панов» | 20.06.2011 (17:00) | 21.06.2011 (1:45) |
| 8* | 47°01'59" | 38°10'26" | «Профессор Панов» | 21.06.2011 (2:00) | 21.06.2011 (8:00) |
| 9 | 46°54'35" | 38°31'48" | «Профессор Панов» | 22.06.2011 (14:00) | 23.06.2011 (12:15) |
| 10 | 47°02'26" | 38°53'44" | «Профессор Панов» | 23.06.2011 (15:00) | 24.06.2011 (11:20) |
| 11 | 46°42'04" | 37°44'04" | «Профессор Панов» | 22.05.2012(21:50) | 23.05.2012 (10:40) |
| 12 | 46°46'05" | 38°17'35" | «Профессор Панов» | 23.05.2012 (21:55) | 24.05.2012 (10:35) |
| 13 | 47°09'46" | 38°56'42" | «Профессор Панов» | 24.05.2012 (20:15) | 25.05.2012 (10:10) |
| 14 | 47°05'53" | 38°34'03" | «Профессор Панов» | 20.06.2012 (21:00) | 21.06.2012 (8:00) |
| 15 | 47°00'34" | 38°45'55" | «Денеб» | 03.07.2013 (16:45) | 04.07.2013 (10:40) |
| 16 | 47°01'14" | 38°31'26" | «Денеб» | 04.07.2013 (18:35) | 05.07.2013 (11:45) |
Примечание. 8* – проба атмосферных осадков.
Отбор проб осуществляли весной и летом, исключая периоды дождевых выпадений. В случае, когда количества собранной пыли было недостаточно для проведения аналитических работ или в случае выпадения атмосферных осадков, контейнер снимали, консервировали и через некоторое время выставляли повторно. В морских рейсах продолжали отбор проб в этот же контейнер.
После экспонирования контейнер с пылью анализировали в Междисциплинарной аналитической лаборатории ЮНЦ РАН. Процедура обработки проб: в контейнер с собранной пылью добавляли определенный объем бидистиллированной воды и обрабатывали ультразвуком в течение 5–10 мин. Ультразвуковая обработка позволяла более полно извлечь вещество, попавшее в ловушку (ориентировочно на 5–10%) [29]. В случае же снятия пыли с шариков без использования воды (сухой щеткой) не учитывается 10–15% пыли [42].
Полученную пробу воды фильтровали через стекловолокнистый фильтр MGF (Sartorius) с порами диаметром 0.7 мкм. Фильтр высушивали при температуре 60?С до постоянного веса и рассчитывали привес пыли на фильтре. Органическое вещество, выделенное на стекловолокнистых фильтрах, определяли способом мокрого сожжения с бихроматом калия при нагревании в присутствии сернокислого серебра. Концентрацию взвешенного органического углерода (ВОУ) определяли путем умножения полученного значения бихроматной окисляемости на коэффициент 0.375 в соответствии с [1].
В оставшейся после фильтрования воде определяли содержание растворенного органического углерода (РОУ) с использованием анализатора multi N/C 3100 фирмы Analytik Jena. Использовали метод высокотемпературного сжигания (850?С, катализатор – оксид церия), детекторы – бездисперсионный инфракрасный в соответствии с «Руководством по определению общего органического углерода (ООУ)» (Международный стандарт ИСО 8245-87).
Пробы дождя отбирали в городской черте (г. Ростов-на-Дону, г. Таганрог) в 2006–2011 гг. Одну пробу удалось получить в период рейса НИС «Профессор Панов» в Таганрогском заливе в 2011 г. (точка отбора пробы № 8 в соответствии с рисунком). Атмосферные осадки собирали в чистые пластиковые емкости в течение всего времени их выпадения. В предварительно профильтрованных пробах дождевой воды определяли РОУ с использованием анализатора multi N/C 3100. Взвешенное органическое вещество не определяли.
Пробы снега отбирали в период 2007–2014 гг. с поверхности льда на берегу Таганрогского залива в селах: Стефанидинодар, Порт-Катон, Займо-Обрыв, Петрушино; а также с поверхности льда рукавов и протоков дельты Дона в с. Кагальник (протоки Свиной, Кривой), хут. Донской (рукав Старый Дон), в Кумжинской роще (юго-западная часть г. Ростов-на-Дону, на стрелке мыса, образованного ответвлением р. Мертвый Донец от р. Дон) (Рисунок 1); в г. Ростов-на-Дону, г. Азов, г. Аксай. Воду после растопления снега фильтровали через стекловолокнистые фильтры MGF (Sartorius). Последующая процедура определения общей взвеси, ВОУ и РОУ аналогична описанной выше
РЕЗУЛЬТАТЫ
Проведенные исследования позволяют количественно оценить потоки взвешенного вещества и органического углерода из атмосферы на земную и водную поверхность в регионе с недостаточным увлажнением, проследить изменчивость этих потоков в пространстве на фоне преобладающего над исследуемой территорией в течение года восточного переноса воздушных масс.
«Сухие» атмосферные выпадения. В центральной части г. Ростов-на-Дону (территория ЮНЦ РАН) поток эолового вещества составил в среднем 164 мг/м2 в сутки (Таблица 2). Интенсивность осаждения эоловой пыли на побережье Таганрогского залива (с. Кагальник, с. Приморка, хут. Донской) варьировала в пределах 82–177 мг/м2 в сутки, непосредственно в Таганрогском заливе – 33–138 мг/м2 в сутки. Следует отметить, что минимальное значение (33 мг/м2 в сутки) в приведенном диапазоне величин связано со сбором аэрозолей после прохождения ливневых осадков, а максимальное (138 мг/м2 в сутки) – со сбором аэрозолей во время стоянки НИС «Профессор Панов» вблизи г. Таганрог, крупного промышленного центра и морского порта.
| Место отбора проб | Экспозиция (сутки) | Привес пыли на фильтре (нерастворимое вещество), мг | Поток пыли, мг/м2/сут | ВОУ | Поток ВОУ (нерастворимый органический углерод), мг/м2/сут | РОУ | Поток органического углерода (ВОУ+РОУ), мг/м2/сут | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| мг | % сухой массы | мгС/л | мг в пробе | ||||||
| г. Ростов-на-Дону, территория ЮНЦ РАН | 30 | 158,3 | 178 | 8 | 5 | 9 | 8,1 | 8,1 | 18 |
| 22,9 | 102,9 | 151 | 4,1 | 4 | 6 | 4,4 | 3,95 | 12 | |
| с. Кагальник, научно-экспедиционная база ЮНЦ РАН | 3,87 | 20,4 | 177 | 2,31 | 11 | 20 | 2,1 | 2,94 | 46 |
| 4,65 | 14,6 | 106 | 2,1 | 14 | 15 | 3,5 | 2,97 | 37 | |
| с. Приморка | 7,97 | 31,3 | 132 | 2,97 | 9 | 13 | 3,4 | 3,68 | 28 |
| хут. Донской, стационар «Донской» | 1,9 | 4,6 | 82 | 1,23 | 27 | 22 | 2,4 | 1,5 | 48 |
| 14 | 35,1 | 84 | 7,6 | 22 | 18 | - | - | - | |
| Комплексная проба (станции 1-7)1 | 3,26 | 8,3 | 86 | 1,15 | 14 | 12 | 4,6 | 6,64 | 80 |
| Комплексная проба (станции 8-10) 1 | 2,14 | 2,1 | 33 | 0,53 | 25 | 8 | 1,9 | 0,77 | 20 |
| Комплексная проба (станции 11-14)1 | 2,1 | 8,6 | 138 | 1,35 | 16 | 22 | 2,7 | 2,19 | 57 |
| Комплексные пробы, параллельные определения (станции 15-16) 1 | 1,46 | 4,9 | 113 | 1,3 | 27 | 30 | 3,4 | 1,52 | 65 |
| 1,46 | 4,8 | 111 | 1,2 | 25 | 28 | 3,5 | 1,58 | 64 | |
| Среднее медианное значение | |||||||||
| г. Ростов-на-Дону | 164 | 5 | 8 | 6,2 | 15 | ||||
| Побережье Таганрогского залива | 106 | 14 | 18 | 2,9 | 41 | ||||
| Акватория Таганрогского залива | 98* | 25 | 22 | 3,4 | 64 | ||||
| Среднее арифметическое значение | |||||||||
| г. Ростов-на-Дону | 164 | 5 | 8 | 6,2 | 15 | ||||
| Побережье Таганрогского залива | 116 | 17 | 18 | 2,8 | 40 | ||||
| Акватория Таганрогского залива | 96 | 21 | 20 | 3,2 | 57 | ||||
| Стандартное отклонение | |||||||||
| г. Ростов-на-Дону | 18,6 | 0,8 | 2 | 4 | |||||
| Побережье Таганрогского залива | 39,8 | 7,3 | 4 | 9 | |||||
| Акватория Таганрогского залива | 39,8 | 6 | 10 | 22 | |||||
Примечание. 1 Условия отбора комплексных проб эоловых выпадений в Таганрогском заливе представлены в таблице 1.
*Вычислено без учета значения 138 мг/м2/сут.
Для представления средних значений потока эолового материала использовали медиану распределения величин, которая составила для побережья Таганрогского залива 106, а для его акватории – 98 мг/м2 в сутки.
В распределении эоловых потоков органического углерода наблюдалась прямо противоположная картина. Наибольшими величинами потока ВОУ характеризовалась акватория Таганрогского залива, в среднем – 22, при колебаниях от 8 до 30 мгС/м2 в сутки. На побережье поток ВОУ изменялся в пределах 13–22, а среднее медианное значение составило 18 мгС/м2 в сутки. В г. Ростов-на-Дону величина потока взвешенного органического углерода из атмосферы на земную поверхность уменьшилась до 6–9 мгС/м2 в сутки (Таблица 2).
Несоответствие в рассчитанных потоках атмосферной пыли и взвешенного органического углерода связаны с неодинаковым содержанием ВОУ в пробах, собранных в городских районах и относительно менее запыленных районах побережья и акватории Таганрогского залива. Наименьшее содержание органического углерода в пыли отмечено в городской черте, в процентном отношении порядка 4–5% сухой массы пробы. По мере приближения к морю содержание ВОУ в пробах увеличилось до 9–27%. На побережье содержание ВОУ в среднем составило 14, а над акваторией залива – 25% (Таблица 2).
Таким образом, полученное пространственное распределение потоков вещества из атмосферы на земную поверхность подтверждает, что по мере удаления от источников пыли ее содержание в воздухе уменьшается и, вместе с тем, в ее составе увеличивается доля органического вещества.
При обработке собранных сухих проб пыли бидистиллированной водой было обнаружено, что в литре растворяется порядка 3–4 мг органического углерода (Таблица 2). Если выполнить пересчет концентрации РОУ (мгС/л) в единицы массы (мг в пробе), получаем, что растворяется в среднем столько же органического углерода, сколько его остается во взвешенном состоянии. В таком случае, при расчетах содержания и интенсивности поступления органического вещества на поверхность суши и водоема необходимо учесть растворившийся в период обработки проб углерод. Общее (валовое) содержание органического углерода получили путем сложения масс ВОУ и РОУ в отдельно взятой пробе. Затем вычислили поток валового органического углерода. Этот поток составил в среднем для города Ростов-на-Дону – 15, для побережья Таганрогского залива – 41, а для его акватории – 64 мгС/м2 в сутки в весенне-летний период. Данные величины больше потока взвешенного органического углерода в среднем в два раза для города и побережья Таганрогского залива и в три раза для акватории залива.
Исследование содержания ВОУ в пыли и РОУ, образовавшегося в результате обработки проб бидистиллированной водой, подтверждает следующие факты. На большее расстояние переносятся частицы, обладающие меньшей массой и меньшей плотностью, к которым относятся органические частицы. Кроме того, на большее расстояние переносятся более мелкие частицы, которые обладают большей удельной поверхностью, что способствует переносу органики в составе аэрозолей.
При проведении балансовых оценок и рассмотрении гидрохимических вопросов нужно учитывать, что при попадании эолового материала в морскую воду в естественных условиях так же, как и в проведенных лабораторных исследованиях с использованием бидистиллированной воды, происходит растворение определенной части органических веществ. Это утверждение требует постановки специальных экспериментов с использованием морской воды.
«Мокрые» атмосферные выпадения. В теплое время года анализировали жидкие атмосферные осадки (дождевую воду), в зимний период – снежный покров (снег лежалый и свежевыпавший).
По результатам определений, выполненных в Междисциплинарной аналитической лаборатории ЮНЦ РАН в 2006–2013 гг., диапазон концентраций растворенного органического углерода в дождевой воде составляет 1.6–4.3 мгС/л. Пробы, отобранные в городской черте, иногда имеют повышенные концентрации, например, дождь промышленной зоны г. Таганрог – 35.0, центральной части г. Ростов-на-Дону – 16.3–19.4 мгС/л. На акватории Таганрогского залива содержание РОУ в дождевой воде – 1.8 мгС/л (Таблица 3).
| Место отбора пробы | Дата отбора пробы | РОУ, мгС/л |
|---|---|---|
| г. Ростов-на-Дону | 14.11.2006 | 4,1 |
| – // – | 14.11.2006 | 2,2 |
| – // – | 30.01.2007 | 4,3 |
| – // – | 27.11.2009 | 16,3 |
| – // – | 17.08.2011 | 19,4 |
| – // – | 09.09.2011 | 1,6 |
| г. Таганрог, промышленная зона | 26.01.2007 | 35 |
| Таганрогский залив,(станция № 8) 1 | 21.06.2011 | 1,8 |
Примечание. 1 Условия отбора пробы атмосферных осадков в Таганрогском заливе представлены в таблице 1.
Минимальные концентрации РОУ обнаружены в снеге с. Кагальник – 0.9–1.3, в свежевыпавшем снеге – 2.6 мгС/л (Таблица 4). Для континентальных условий это невысокие концентрации. В среднем концентрация РОУ в зимних атмосферных осадках в селах и хуторах побережья Таганрогского залива составила 3.1 мгС/л. Только одна проба лежалого, значительно запыленного снега (содержание взвешенного вещества – 157.3 мг/л) имела высокую концентрацию РОУ – 11.1 мгС/л.
| Место отбора пробы | Дата отбора пробы | Взвесь общая, мг/л | ВОУ, мгС/л | ВОУ,% общей взвеси | РОУ, мгС/л |
|---|---|---|---|---|---|
| г. Ростов-на-Дону | 05.02.2007 | - | - | - | 16,6 |
| – // – | 24.12.2009 | - | - | - | 9 |
| – // – | 24.12.2009 | - | - | - | 9,2 |
| – // – | 02.02.2014 | 28,6 | 5,6 | 19 | - |
| – // – | 22.01.2010 | - | - | - | 15 |
| – // – | 25.01.2011 | 9,3 | 2,8 | 30 | 9 |
| – // – | 02.02.2011 | 40,3 | 4,2 | 11 | 1,8 |
| г. Азов | 01.02.2014 | 20,2 | 3,5 | 17 | - |
| – // – | 03.02.2014 | 0,8 | 0,3 | 43 | - |
| г. Аксай, пляж | 02.02.2014 | 16,8 | 2,3 | 13 | - |
| Кумжинская роща | 02.02.2014 | 45 | 8,5 | 19 | - |
| с. Кагальник | 07.02.2007 | - | - | - | 1,6 |
| – // – | 07.02.2007 | - | - | - | 1,3 |
| – // – | 27.01.2011 | 4,1 | 0,8 | 19 | 0,9 |
| – // – | 05.02.2013 | 3,1 | 1,1 | 34 | 2,6 |
| – // – | 19.02.2013 | 157,3 | 10,2 | 6 | 11,1 |
| – // – | 28.01.2014 | 4,2 | 0,8 | 19 | - |
| с. Кагальник (проток Кривой) | 30.01.2014 | 23,8 | 3,3 | 14 | - |
| с. Кагальник | 31.01.2014 | 11,8 | 1,7 | 15 | - |
| – // – | 31.01.2014 | 19 | 2,4 | 13 | - |
| хут. Донской | 15.02.2012 | 24,4 | 3,7 | 15 | 2,6 |
| – // – | 15.02.2012 | - | - | - | 2,3 |
| с. Стефанидинодар | 28.01.2010 | 174,4 | 3,2 | 2 | 5,1 |
| – // – | 28.01.2010 | - | - | - | 4,7 |
| с. Порт-Катон | 28.01.2010 | 16,3 | 0,6 | 4 | 2 |
| с. Петрушино | 29.01.2010 | 30,9 | 2,1 | 7 | 5,4 |
| – // – | 29.01.2010 | - | - | - | 5,4 |
| с. Займо-Обрыв | 03.02.2014 | 6,3 | 0,4 | 6 | - |
В пределах г. Ростов-на-Дону величина РОУ снега изменялась от 1.8 до 16.6, причем свежевыпавший снег содержал 9.0 мгС/л (Таблица 4).
Снежный покров является хорошим аккумулятором осадочного вещества, поступающего из атмосферы на земную поверхность. Анализ проб талой воды позволил определить концентрацию общей взвеси и взвешенного органического углерода.
Концентрация общей взвеси в снеге зависит от места отбора проб и времени, в течение которого накапливался снежный покров. Малая концентрация общей взвеси обнаружена в свежевыпавшем снеге: для города ее величина составила 9.3, для сельской местности – 3.1–4.2 мг/л (Таблица 4). При этом содержание ВОУ в этих пробах высокое, 19–34% общей взвеси. Большая концентрация взвешенного вещества характерна для проб снега, отобранных в городе или вблизи автомобильных дорог, диапазон ее изменений – 16.8–174.4, а средняя величина – порядка 25 мг/л. Содержание ВОУ в этих пробах варьировало от 2 до 19%, уменьшаясь в пробах, содержащих больше общей взвеси.
В сельской местности и вдали от источников пыли концентрация взвешенного вещества в снеге меньше. Она изменялась в пределах 0.8–30.9 (Таблица 4) и в среднем составила 12 мг/л. Содержание ВОУ в пробах снега варьировало в широких пределах от 2 до 43%, а медиана распределений его значений оказалась равной 14%.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные в настоящей работе результаты согласуются с данными независимых исследований.
Так, в работе [16] при проведении зимних геоэкологических исследований в 1995–2000 гг. в г. Ростов-на-Дону, была определена пылевая нагрузка, которая составила в среднем 180 мг/м2 в сутки (масса нерастворимой части пыли) при колебаниях от 40 (в наименее запыленных районах) до 620 мг/м2 в сутки (на пересечении крупных автомобильных дорог). Содержание органического вещества (удвоенное содержание Сорг) в пыли г. Ростов-на-Дону изменялось от 6 до 39% и в среднем составило 14% [16]. Эти данные сопоставимы с нашими оценками потока эоловой пыли (151–178 мг/м2 в сутки) и величинами ВОУ (4–5% сухой массы).
В акватории Азовского моря, по данным работы [34], интенсивность осаждения аэрозолей может колебаться от 50 до 2520 мг/м2 в сутки. Она в среднем составляет 100 мг/м2 в сутки в центральной части Таганрогского залива при низкой влажности и скорости ветра не более 5 м/с [34]. По нашим оценкам интенсивность осаждения эолового материала составляет в Таганрогском заливе в среднем – 98, в районе дельты р. Дон – 82–177 мг/м2 в сутки. Принимая во внимание все данные можно в среднем оценить диапазон потоков эолового материала на большей части Таганрогского залива как 50–200 мг/м2 в сутки, при этом взвешенный органический углерод составляет 14–27% от общей величины потока в весенне-летний период.
Для сравнения, интенсивность выпадения эоловой пыли на суше в семиаридных районах Аргентины (районы, окружающие Пампу) составила 85, Северной Америки – 30–80, Австралии – 50–280 мг/м2 в сутки, а среднее содержание органического вещества в пробах сухих атмосферных выпадений Австралии – 14% [39].
В работе [22] определена фоновая пылевая нагрузка для континентальных территорий (10–20 мг/м2 в сутки). Для Ростовской области за фоновую величину принята пылевая нагрузка в Шолоховском районе, вдали от крупных промышленных центров, зимой она составляла 13–18, в теплый сухой период – 26–40 мг/м2 в сутки, при содержании взвешенного органического вещества в пробах порядка 50% [16]. В настоящем исследовании минимальная величина потока эоловой пыли на акваторию Таганрогского залива после выпадения атмосферных осадков составила 33 мг/м2 в сутки, что позволяет принять эту оценку в качестве наименьшей для акватории в весенне-летнее время. При этом содержание ВОУ в эоловом материале составило 25% сухой массы.
По имеющимся в литературе оценкам, содержание органического углерода в эоловых выпадениях может варьировать в диапазоне 2.39–50 % [10, 15, 17, 18, 25, 36, 37, 38, 45]. В наиболее близко расположенном от Азовского моря Среднем Каспии содержание органического вещества (удвоенное содержание Сорг) в аэрозолях в приводном слое в осенне-зимнее время изменялось от 2.14 до 30.86% [9].
Специальных работ по оценке органического углерода в эоловом материале над акваторией Азовского моря ранее не проводилось. По данным [2], содержание Сорг аллохтонного происхождения в эоловой взвеси, собранной с поверхности льда в разных районах моря после пыльной бури 1969 г., составило 2.6%. Данная оценка близка по величине к содержанию органического углерода в верхнем слое почв на территории, окружающей Азовское море. Непосредственно в районе исследования распространены черноземы обыкновенные. Верхний пахотный горизонт таких почв содержит обычно 1.8–2.4% органического углерода [3, 5]. На севере Ростовской области распространены черноземы южные, на востоке – каштановые солонцеватые почвы (1.3–1.5% органического углерода в поверхностном слое) [3].
В спокойных метеорологических условиях, по нашим оценкам, в приводном слое в весенне-летний период в составе взвешенных в воздухе частиц доля органического углерода может составлять 25% и более, так как содержание органического вещества увеличивается с понижением общей концентрации аэрозолей. Концентрация же аэрозолей в большой степени зависит от содержания терригенного минерального вещества в воздухе, что отмечается в наиболее запыленных районах.
С точки зрения гидрохимии наряду с определением поступления из атмосферы пыли на поверхность континента важным является определение поступления количества и состава растворимой части эоловых выпадений и осадков отдельно на поверхность морей и прочих водоемов [12]. По нашим оценкам, учет растворимой части органических соединений, присутствующих в пробах эолового материала, увеличивает поток органического углерода из атмосферы на водную поверхность Азовского моря как минимум в 2 раза.
Данных о концентрации растворенного органического углерода в атмосферных осадках на водосборе Азовского моря очень мало. Береговые станции Гидрометслужбы контролируют объем выпавших осадков и состав главных ионов и не имеют сведений об органических соединениях. Поэтому полученные в настоящем исследовании оценки содержания растворенной и взвешенной органики (органического углерода) в атмосферных осадках имеют большое значение для определения эколого-геохимического состояния бассейна Нижнего Дона и Азовского моря.
По нашим данным концентрация РОУ на исследуемой территории в большинстве случаев может изменяться в дождевой воде от 1.6 до 4.3, в снеге – от 0.9 до 5.4 мгС/л. Варьирование концентрации РОУ может происходить в соответствии с количеством находящихся во взвешенном состоянии в подоблачном слое частиц почвенной пыли, примесей промышленного происхождения, частиц удобрений, ядер конденсации. Как показали исследования, в промышленных зонах городов она может увеличиться до 25–35 мгС/л. Повышенными концентрациями РОУ отличаются пробы свежевыпавшего снега (на побережье Таганрогского залива – 2.6, в городе Ростове-на-Дону – 9.0 мгС/л), где содержание ВОУ также значительное (19–34% общей взвеси). С увеличением запыленности проб снега в них уменьшается доля ВОУ (2–19% общей взвеси).
По литературным данным, атмосферные воды содержат в среднем 1–6 мгС/л [26]. В работах Гидрохимического института, например, [13, 23, 24, 27 и др.], приведены значения содержания органического вещества в единичных пробах атмосферных осадков, отобранных в 1965–1975 гг. на территории степной зоны исследуемого региона (города Новочеркасск, Сальск). Диапазон изменений содержания органического углерода в дождевых водах составил 1–24 мгС/л, в снежном покрове – 1.5–7.5 мгС/л. Содержание валового органического углерода определяли методами сухого сожжения в расплавленной селитре, перманганатной и бихроматной окисляемости [26], а также фотохимическим методом [28].
Таким образом, можно отметить, что средние уровни концентрации органического углерода терригенного, морского и антропогенного происхождения не выходят за рамки имеющихся литературных данных о его содержании в атмосфере исследуемого региона и других территорий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали значительное содержание органического углерода в эоловом материале и атмосферных осадках, выпадающих на побережье и акваторию Азовского моря. Содержание взвешенного органического углерода в пробах эоловой пыли в весенне-летнее время изменялось от 4 до 27%, в пробах снега – от 2 до 43%.
Пробы, отобранные на суше в пределах городов, отличались большим количеством выпавшей пыли (151–178 мг/м2 в сутки) и содержали меньше органического углерода (4–5% сухой массы) по сравнению с пробами, отобранными на побережье и в акватории Таганрогского залива. По мере продвижения от источников пыли на суше в открытую часть залива происходило уменьшение пылевых выпадений (до 33 мг/м2 в сутки) и накопление ВОУ в эоловом материале (до 27% сухой массы), что полностью согласуется с общей закономерностью (циркумконтинентальная зональность).
Полученные величины содержания ВОУ в эоловой пыли (в среднем над акваторией Таганрогского залива – 25%) почти в 10 раз больше ранее определенной величины (2.6%) [2] и во столько же раз больше содержания органического углерода в почвах прилегающих территорий (1.3–2.4%), что говорит о преобладании в составе эоловой взвеси материала биогенного происхождения.
Использованная методика позволила определить часть органического углерода, растворившегося в бидистиллированной воде при обработке проб эоловой пыли. Получено, что растворяется в среднем столько же органического углерода, сколько его остается во взвешенном состоянии. С учетом этого поток органического углерода (в составе потока сухих атмосферных выпадений) в пределах г. Ростов-на-Дону составил 12–18, на побережье Таганрогского залива – 28–48, в акватории Таганрогского залива – 20–80 мгС/м2 в сутки.
Дополнительным источником органического вещества в Азовском море являются атмосферные осадки. Диапазон концентраций растворенного органического углерода в дождевых водах составил 1.6–4.3, в снеге – 0.9–16.6 мгС/л.
Расчеты баланса углерода в Азовском море [4, 11] не учитывают вклад атмосферных выпадений. Роль атмосферы в поставке органических веществ в Азовское море не оценена. По предварительным расчетам она сопоставима со стоком рек Дон и Кубань. На основании полученных результатов следует пересмотреть баланс углерода в Азовском море с учетом выпадений из атмосферы.
Результаты работы следует учитывать при рассмотрении многих вопросов геохимии седиментогенеза и функционирования экосистемы моря, так как аэрозоли участвуют в переносе большого числа химических веществ (радионуклидов, загрязняющих примесей); многие микроэлементы мигрируют в виде органоминеральных комплексов, в том числе в составе аэрозолей.
Авторы благодарят за помощь в сборе и обработке проб Е.П. Пономаренко, С.В. Кумпан, В.В. Поважного.
Работа выполнена в рамках Государственного задания по теме «Современное состояние и многолетняя изменчивость прибрежных экосистем южных морей России» (№ гос. регистрации 01201363187), при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 14-05-31322, 15-05-08547).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопинцев Б.А. Руководство по химическому анализу вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 268 с.
- Александрова З.В. Органическое вещество в донных осадках Азовского моря // Изв. СКНЦ ВШ. Естественные науки. 1975. № 1. С. 77–81.
- Безуглова О.С. Гумусное состояние почв юга России. Ростов-на-Дону: Изд. СКНЦ ВШ, 2001. 228 с.
- Дацко В.Г. Органическое вещество в водах южных морей СССР. М.: Изд. АН СССР, 1959. 271 с.
- Ильина Л.П. Качественный состав гумуса локально переувлажненных почв склонов Нижнего Дона // Вестник ЮНЦ РАН. 2006. Т. 2. № 2. С. 68–74.
- Клювиткин А.А., Лукашин В.Н., Новигатский А.Н. и др. Минеральные аэрозоли, их концентрации, состав и потоки на океанскую поверхность // Океанология. 2004. Т. 44. № 5. С. 756–767.
- Лисицын А.П. Процессы океанской седиментации: литология и геохимия. М.: Наука, 1978. 392 с.
- Лисицын А.П. Аридная седиментация в Мировом океане. Рассеянное осадочное вещество атмосферы // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 10. С. 1398–1439.
- Лукашин В.Н., Новигатский А.Н. О химическом составе аэрозолей в приводном слое атмосферы Среднего Каспия зимой и осенью 2005 г. // Океанология. 2013. Т. 53. № 6. С. 813–824.
- Лукашин В.Н., Шевченко В.П., Лисицын А.П. и др. Распределение, вещественный и химический состав аэрозолей над западной частью Тихого океана // Океанология. 1996. Т. 36. № 2. С. 288–298.
- Максимова М.П. Сравнительная гидрохимия морей // Новые идеи в океанологии. Т. 1: Физика. Химия. Биология. / Отв. ред. Виноградов М.Е., Лаппо С.С. М.: Наука, 2004. С. 168–189.
- Матвеев А.А., Башмакова О.И. Вынос из атмосферы растворенных веществ на поверхность малых водоемов // Гидрохим. материалы. Л: Гидрометеоиздат, 1968. Т. 44. С. 5–15.
- Матвеев А.А., Ткачева В.И. Содержание органического вещества в атмосферных осадках некоторых пунктов Северного Кавказа и Крыма и поступление его на поверхность Земли // Гидрохим. материалы. Л: Гидрометеоиздат, 1978. Т. 71. С. 3–7.
- Панов Д.Г., Малик С.А., Спичак М.К. О некоторых последствиях пыльной бури 1960 года в Азовском море. // Автофер. научно-исслед. работ Ростовского гос. ун-та за 1960. Ростов-на-Дону, 1961. С. 139 –140.
- Пересыпкин В.И., Лукашин В.Н. Лигнин в аэрозолях и донных осадках тропической части Атлантического океана // Океанология. 2001. Т. 41. № 1. С. 121–128.
- Приваленко В.В., Безуглова О.С. Экологические проблемы антропогенных ландшафтов Ростовской области. Т. 1. Экология Ростова-на-Дону. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. 290 с.
- Романкевич Е. А. Геохимия органического вещества в океане. М.: Наука, 1977. 256 с.
- Романкевич Е.А., Ветров А.А. Цикл углерода в арктических морях России. М.: Наука, 2001. 302 с.
- Романкевич Е.А., Ветров А.А., Виноградов М.Е. и др. Компоненты цикла углерода в арктических морях России: Потоки углерода с суши, углерод в донных осадках, элементы баланса // Океанология. 2000. Т.40. № 3. С. 363–372.
- Романкевич Е.А., Ветров А.А., Пересыпкин В.И. Цикл углерода в современном океане и актуальные проблемы биогеохимии // Океанология на старте 21-го века / Ред. Верещака А.Л. М.: Наука, 2008. С. 78–107.
- Савенко В.С. Роль эолового терригенного материала в осадконакоплении // Литология и полезные ископаемые. 1988. № 1. С. 29–40.
- Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
- Семенов А.Д., Немцева Л.И., Кишкинова Т.С. и др. О содержании отдельных групп органических веществ в атмосферных осадках // Гидрохим. материалы. Л: Гидрометеоиздат, 1966. Т. 42. С. 17–21.
- Семенов А.Д., Немцева Л.И., Кишкинова Т.С. и др. Об органических веществах атмосферных осадков // Докл. АН СССР. 1967. Т. 173. № 5. C. 1185–1187.
- Серова В.В., Горбунова З.Н. Минеральный состав почв, аэрозолей, взвешенного вещества и донных осадков устьевой части реки Лены и моря Лаптевых // Океанология. 1997. Т. 37. № 1. С. 131–135.
- Скопинцев Б.А. Некоторые аспекты современного изучения органического вещества природных вод // Гидрохим. материалы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. Т 56. С. 74–83.
- Скопинцев Б.А., Бакулина А.Г., Мельникова Н.И. Валовой органический углерод в атмосферных осадках // Гидрохим. материалы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. Т. 56. С. 3–10.
- Сойер В.Г., Семенов А.Д. Фотохимический метод определения органического углерода // Гидрохим. материалы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. Т. 56. С. 111–120.
- Сорокина В.В., Пономаренко Е.П., Сойер В.Г. Методика определения органического вещества сухих эоловых выпадений на территориях с семиаридным климатом // Вестник южного научного центра РАН. 2010. Т. 6. № 4. С. 57–60.
- Хрусталев Ю.П. Закономерности осадконакопления во внутриконтинентальных морях аридной зоны. Л.: Наука, 1989. 261 с.
- Хрусталев Ю.П. Основные проблемы геохимии седиментогенеза в Азовском море. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1999. 247 с.
- Хрусталев Ю.П., Грудинова Л.Я., Серова В.В. и др. Роль эолового материала в морском седиментогенезе аридной зоны (на примере Азовского моря) // Литология и полезные ископаемые. 1988. № 2. С. 55–64.
- Хрусталев Ю.П., Денисов В.И., Шевченко В.П. Поставка аэрозольного материала на шельф Черного моря // Океанология. 2002. Т. 42. № 1. С. 139–142.
- Хрусталев Ю.П., Ивлиева О.В. Проблемы антропогенной морской седиментологии (на примере Азовского моря). Ростов-на-Дону: Гефест, 1999. 196 с.
- Хрусталев Ю.П., Федюнина В.И. Роль эолового фактора в современном осадконакоплении Азовского моря // Докл. АН СССР. Т. 224. 1975. № 2. С. 434–436.
- Шевченко В.П. Влияние аэрозолей на среду и морское осадконакопление в Арктике. М.: Наука, 2006. 226 с.
- Шевченко В.П., Лисицын А.П., Купцов В.М. и др. Состав аэрозолей в приводном слое атмосферы над морями западного сектора Российской Арктики // Океанология. 1999. Т. 39. № 1. С. 142–151.
- Шевченко В.П., Штайн Р., Виноградова А.А. и др. Элементный состав аэрозолей в приводном слое атмосферы над морем Лаптевых в июле-сентябре 1995 г. // Океанология. 2004. Т. 44. № 4. С. 616–624.
- Cattle S.R., McTainsh G.H., Elias S. Aeolian dust deposition rates, particle-sizes and contributions to soils along a transect in semi-arid New South Wales, Australia // Sedimentology. 2009. V. 56. № 3. P. 765–783.
- Duce R.A., Liss P.S., Merrill J.T. et al. The atmospheric input of trace species to the World ocean // Global Biogeoch. Cycles. 1991. V. 5. № 3. P. 193–259.
- Guieu C., Martin J.-M., Tomas A.J., Elbaz-Poulichet F. Atmospheric versus river inputs of metals to the Gulf of Lions. Total concentrations, partitioning and fluxes // Marine Pollution Bulletin. 1991. V. 22. P. 176–183.
- Offer Z.Y., Sarig S., Steinberger Y. Dynamics of nitrogen and carbon content of aeolian dry deposition in an arid region // Arid Soil Research and Rehabilitation. 1996. V. 10. Is. 2. P. 193–199.
- Prospero J.P. Eolian transport to the World Ocean // The Sea / Ed. Emiliani C. New York: Wiley, 1981. V. 7. P. 801–874.
- Pye K. Aeolian Dust and Dust Deposition. London: Academic Press, 1987. 334 p.
- Shevchenko V.P. Aerosols over the Russian Arctic seas // Seabed Morphology of the Russian Arctic Shelf / Ed. Nikiforov S. New York: Nova Science Publishers, 2010. P. 87–92.