Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Основные закономерности глобального стока фосфора

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Основные закономерности глобального стока фосфора"

. . г,

7 1 ......

' МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

ЗАХАРОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

УДК 551.48

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЛОБАЛЬНОГО СТОКА ФОСФОРА

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши Московского государственного университета км. М. В Ломоносова

Научный руководитель доктор гсолого-мянералогачсских наук сдл. В.ССавснко

Официальные оппоненты

доктор геолого-минералогических наук сл-с. Батурин Г.Н. кандидат географических наук слл. Сазпанкин В.П.

Ведущая организация

Институт географии РАН

Защита состоится "¿> " ^'У/Э-РаЛ 1995 г. в /б"""** ч.на заседании диссертационного совета Д-053.05.30 при Московском Государственном университете им. М.В Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18-й этак, ауд. 1801.

С диссипацией можно ознакомится в библиотеке географического факультета МГУ на 21-ом этаже.

автореферат разослан " С" 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

Введение

Актуальность темы. Антропогенное эвтрофированис вод стало в поящее время широко распространенным явлением. Для большинства щых объектов общепркзнана доминирующая роль фосфора в развитии >го процесса. Антропогенная перестройка круговорота фосфора идет в зрону увеличения его транзитных потоков, в глобальной гидрографической ¡и. В результате, если ранее рассматривалось эвтрофированис озер и цохряшшпц, то теперь' приходится говорить об эвтрофированин ютшектадьных ¿од в целом, включая реки , внутренние моря и прибрежные цы океана [Коплан-Днкс,1988]. .

Выявление основных закономерностей миграции фосфора в водных зснстемах является весьма сложной проблемой, требующей привлечения ширных материалов наблюдений и анализа факторов перераспределения Р jipa отдельных звеньев этих систем. Малоизученными остаются некоторые цгетаенные стороны взаимоотношений потоков фосфора на границах ■юсфера - первичная гидрографическая сеть и река - океан, открытым гается вопрос о трансформирующей роли различных факторов в этих граничных системах.

Геохимические циклы многих элементов обнаруживают ишосвязь на отдельных этапах своих круговоротов. В связи с этим, большое геенне имеет проблема отношений фосфора с другими компонентами ■ллеского состава природных вод в масштабах различных объектов: в водах лых водосборов, реках и их устьях.

Цель работы. Цель данной работы состояла в выявлении зевных закономерностей, миграции фосфора на различных • этапах урологического цикла: в атмосфере, в водах первичной гидрографической а, в реках и устьевых областях рек.

Основные задачи работы заключались в:.

а) обобщении обширной информация о содержании фосфора в ¿осфсрных осадках, водах первичной гидрографической сети (ПГС), в сах, о поведении его в устьевых зонах, а также оценке глобальных средних шчин концентраций Р в каждой из этих систем;

б) определении основных факторов, влияющих на содержание , фосфора в водах различного генезиса;

в) определении величин потоков фосфора на различных этапах

его континентального стока

Научная новизна. Проведенное обобщение данных о держании фосфора 1) в воздухе и атмосферных осадках в более чем 140 жах Земного шара, 2) в водах 182 малых водосборов и 180 рек мира, 3) по ведению фосфор*, в _40 устьях и заливах позволила существенно уточнить Енкв потоков Р в глобальном гидрологическом цикле. В глобальном яптабе выявлена взаимосвязь, циклов фосфора и азота в транзитных sacHCTtatax суши, обусловленная однонаправленным антропогенным «снением потоков этих элементов. Впервые было исследовано поведение

фосфора в зонах смешения морских вод Белого моря с пресными водами различного генсзиса (с водами поверхностного склонового стока, стока из озер, водами малых и крупных рек); определены факторы, направленность и величины трансформации патока фосфора в изученных объектах.

Научно-практическая ценность. Результаты работы важны для _ описания и прогнозирования процессов эвтрофированвя, водных объектов. Полученные выводи могут быть использованы при оценках возможных фосфорных нагрузок на экосистемы устьевых областей рек и прибрежных вод. Результаты полевых работ в Кандалакшском заливе Белого моря могут быть использованы при разработке технологии промышленного производства марикупьтуры в этом районе.

Апробаиия работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры гидрологии суши географического факультета- МГУ в 1992- 1994 гг, на Агежлайораторном семинаре ин-та водных проблем РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 3 находятся в печати.

Струп-ура и объем работ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, включает 18 таблиц и 37 рисунков. Список литературы содержит 319 наименовании.

Введение. Во введении обосновывается актуальность рабегш, формулируются цели и задачи исследования. -

Глава 1. Структура биогсохимического круготюоота фосфора.

Глава состоит из двух разделов, в которых даются основные понятия о биогеохиноческом круговороте веществ и биогеохимыческом щгкле фосфора.

В первом разделе представлены основные положения теории биогеохимических циклов В.И.Вернадского. В учении о биосфере Вернадский показал, что миграция химических элементов на земной поверхности в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или тис протекает в среде, геохимические особенности которой .обусловлены живым веществом {Вернадский, 1965]. Раскрывая роль живого вещества в миграции элементов Вернадский пришел г выводу, что оно является "сильным и постояннодействующдм геохимическим фактором" [Вернадский, 1965]. Рассмотрены два подхода т типизации круговоротов. Первый из них основан на выделении круговороте веществ в отдельных объектах или системах: гидробиологический, внутрнпочвенный, внутриорганизменный. Он не учитывает взаимосвязей объектов друг с другом и с внешней средой, такие круговороты характеризуются большой незамкнутостъю. Другой подход основан на выделение различных уровней биогеохимического круговорота веществ, - на каждом из которых протекают круговороты разной емкости и интенсивности. Отмечается, что в настоящее время большое значение приобретает

антропогенное изменение циклических процессов, что приводит к необходимости их изучения.

Во втором разделе рассматриваются современные взгляды различных авторов на структуру круговорота фосфора. Приводятся данные по существующим оценкам запасов и потоков Р в отдельных геосферах. Отмечается, что оценки величин потока фосфора m атмосферы ' на земную поверхность, а также сто речной сток различаются на порядок величин. Впслне вероятно, что оценки выноса фосфора в открытый океан завышены, так как ни в одной из работ пе рассматривались процессы трансформации речного стока Р ? устьевых областях рек, где, как известно, для многих химические элементов существует геохимический барьер.

Глава 1. Поток Фосфора из атмосферы на земную поверхность .

В главе излагаются результаты обобщения и анализа данных по содержанию фосфора в атмосферных осадках и величин сто удельного поступления с целью уточнения его потока из атмосферы на земную поверхность и выявлений формирующих его факторов. Поступление фосфора 4 из атмосферы зависит от многих факторов и в первую очередь от его содержания в воздухе и в атмосферных осадках. На основании оценок мощности источников Р в атмосфере можно прийти к выводу, что над континентами содержание фосфора в воздухе гораздо выше, чем над океанами, в виду большой запыленности атмосферы, а также концентрирования Р в естественных услоигзх в биогенном материале и в технологических процессах, сопровождающихся выбросами. Средняя концентрация фосфора в воздухе над г^нтинентами составгаст 51 ет/м3, • в то время как- над океанами - 7 нг/м3. Ак;ропогеннь:е источники значительно повышают содержание фосфора в БО?духе как за счет увеличения запыленности, так и за счет увеличения содержания Р в твердых частицах антропогенного происхождения. Наибольшие величины содержания фосфора в воздухе наблюдались в промышленно развитых городах: 1450 нг/м3 в гЛос-Анджсгес н 801 нг/м3 в г.Сент-Луис (США).

Один из путей переноса фосфора из атмосферы на поверхность ■ Земли - это поступление с атмосферными осадками. Функции распределения вероятностей концентраций фосфора в суммарных атмосферных осадках свидетельствуют о близком к логнормальному законе распределения. В связи с этим, наилучшей оценкой средних величин содержания фосфора в осадках служит медиана, которая практически не учитывает при достаточно больших рядах каблхздеяий редко встречающиеся аномально высокие значения. Эти оценки составляют 13 мкгР/л Рмнн и 34 мкгР/л Рвал.

Несмотря на то, что содержание некоторые из фосфора в суммарных атмосферных осадках определяется факторами, которые изменяются зональноч (количество осадков), зональных закономерностей в распределении содержания Р в осадках не наблюдается. В настоящее время основный фактором, определяющим концентрацию фосфора в атмосферных осадках служит степень и вид хозяйственной освоенности территории.

Наибольшие концентрации Р в атмосферных осадках наблюдаются над городами и крупными сельскохозяйственными регионами. Содержание Р в атмосферных осадках над океанами характеризуется пониженными значениями, по сравнению с континентами. Обусловлено это уменьшением содержания в морском воздухе- твердых ' частиц континентального происхождения, являющихся основным источником Р в атмосфере. -у

Величина поступления фосфора из атмосферы на земную поверхность складнвастся из двух величин : выпадение влажных осадков и осаждение аэрозокй. Сухое осаждение зависит от концентрации фосфора в воздухе, а также от соотношения скорости ветра и крупности аэрозольних частиц. Влажное поступление определяется концентрацией вещества в воздухе и количеством осадков. Сухое поступление 2 большей степени определяет динамику атмосферного потока, что подтверждаете.- отсутствием взаимосвязи между величинами удельного годового поступления фосфора из атмосферы и величиной жидких осадков. В то же время наблюдаются достаточно тесные линейные зависимости (коэффициент корреляции г = 0.900.94) между поступлением Р и его концентрацией в суммарных _ осадках. Рассчитанные средние величины поступления фосфора из зтмосферы с суммарными осадками составляют 0.093 и 0.230 кгР/га год соответственно для Рмин и Рвал (медианные значения).

Испохьзуя полученные оценки в качестве средних для всего Земного шара мы можем рассчитать величину поступления фосфора из атмосферы в глобальном, масштабе. Принимая плошадь суши, без Антарктиды 13*10-9 га [У/огИ Кмотжик, 1993], по формуле . А= П * Б, .

где А - поток фосфора из "атмосферы на сушу (млн.т/год), П -удельное поступление фосфора (кг/га год), Б - площадь суши (га) мы получаем поток фосфора из атмосферы на сушу равный 1.2 млн.т/год и 3.0 млн.т/год. соответственно для Рюш и Рвал.

Можно подойти к оценке глобального поступления фосфора из атмосферы другим путем, используя вычисленные ранее величина средних концентраций Рмин и Рвал в суммарных осадках и величины годового о&ьема выпадения атмосферных осадков (V/)- 119 тыс. кмЗ по формуле А=Ср*\¥, где СР концентрация фосфора в суммарных атмосферных осадках . При этом получаем следующие величины:. Р минеральный - 13 млн.т/год н Р валовый -3.3 млн.т/год. Как видно, медианные значения ^оценок двумя разными способами близки между собой, а также к данным работы • ^гаЬап^Оисе.ШЭ] для Рвал - 3.2 млн.т/год, где был использован несколько иной подход к расчетам: разделение потоков Р на составные части согласно источникам поступления Р в атмосферу.

Глава 3. Фосфоо в волах первичной гидрографической сети. Рассматриваются основные закономерности стока фосфора в первичной гидрографической сети (ПГС). Проводится анализ данных по содержанию фосфора в водах малых водосборов, расположенных в различных

географических поясах и на различных материках. Для анализа выбраны только те водосборы, для которых существовали годовые или многолетние наблюдения.

Функции распределения вероятностей концентраций Рвал и Рмин, показывают, что распределение величин содержания фосфора в водах первичной гидрографической сети (ПГС) близко к логнормальному. В связи с этим для характеристики среднего содержания растворенного фосфора в водах ПГС выбрано медианной значение, которое для Рмин составляет 0.031 мгР/л и Рвал 0.095 мгР/л.

Факторы, определяющие химический состав вод, дренирующих малые водосборы и важные для формирования стока фосфора в частности, можно подразделить на две большие группы: природные и антропогенные. К первой группе факторов относятся ггип и состав . почв, количество атмосферных осадков, температурный режим, характер и продуктивность растительных сообществ. Кроме того, при антропогенных изменениях некоторых из перечисленных факторов (почвенного покрова, растительности) на химический сток могут оказывать влияние морфометрические характеристики бассейнов - уклоны, длины склонов, их экспозиция . Среди антропогенных факторов, влияющих на сток фосфора в ПГС важны следующие: интенсивность хозяйственной деятельности, ее характер -промышленное или сельскохозяйственное производство, коммунально бытовые застройки.

На основании имеющихся различий в условиях формирования стока и процессов, происходящих на водосборах, все объекты, были подразделены на четыре группы:" 1) естественные' водосборе; (почти все они-расположены в зоне лесов); 2)сельскохозяйственные (полеводческие и животноводческие) со степенью использования земеаь более 50%; 3)городские; 4) смешанные, где использование земель составляет менее 50%.

Низкие концентрации фосфора в водах лесных водосборов обусловлены низкой растворимостью его минералов (фосфатов железа, алюминия , кальция), а также высокой потребностью в нем растений. Медианные концентрации растворенного фосфора в водах естественных водосборов составляют 0.007 мгР/л минерального и 0.028 мгР/л валового Р. По мере усиления степени освоенности водосборов человеком наблюдается увеличение концентраций Р. Так, в смешанных водосборах, где доля используемых земель менее 50%, концентрация Рмин. и Робщ. составляет 0.048 и 0.090 мгР/л, тогда как на водосборах сельскохозяйственного типа с вовлечением более чем 50% территории в хозяйственное производство происходит увеличение средних концентраций соответственно до 0.116 и 0.250 мкгР/л. Основной" вклад в повышение концентраций фосфора в водах сельскохозяйственных водосборов вносят минеральные удобрения. Непосредственный механический вынос Р в твердом или растворенном виде з водные объекты могут составлять до 80 % [Минеев, 1983]. Минеральные удобрения вызывав также изменения з структуре распределения форм

0 нахождения биогенных элементов в почвах, а именно : лриьодят х значительному увеличению в почвах доли рыхлосвязанных фосфатов, которые вымываются в первичную гидрографическую сеть. Большое влияние на стох Р оказывает другая отрасль сельского хозяйства- животноводство. Огсгс отводов с территорий ферм, непосредственные сбросы жидких стоков с з также

споки из силосных хранилищ характеризуются высокими концентрациями" фосфора в воде. Для первичной гидрографической сети городских аодссборов наблюдаются наиболее высокие концентрации растворенного Е?а»н и Рвал - в несколько раз превышающие концентрации Р в водах сельскохозяйственных водосборов. Наиболее вероятным объяснением этого факта является предположение об - исключительно большом значении коммунально-бъггссых сточных вод в формировании качества вод ПГС городских ландшафтов. Косвенным подтверждением этого служит найденная тенденция увеличения содержания Р в водах с увеличением плотности населения на водосборах.

Рассчитанные _ коэффициенты корреляции между

концентрациями минерального в общего фосфора, компонентов основного солевого состава, рН, различных форм азота и органического углсрсда (табл.1) показывают, что между содержанием минерального и общего фосфора имеется положительная корреляция, отчетливо проявляющаяся в сельскохозяйственных водосборах (г=0.75), но ослабевающая в лесных водосборах (г=0.56). Для минерального фосфора тесная связь устанавливается только с нитратным азотом в обоих типах водосборов (г=0.83-0.86) при отсутствии корреляции с другими формами азота. Общий фосфор показывает плотную корреляционную .связь, с .аммонийным азотом в лесных-жэдосборах (г=0.85) и менее тесную в сельскохозяйственных (г=0.б9). Кроме того, концентрация Робщ связана с концентрацией органического углерода с коэффициентом корреляции 0.79 в лесных водосборах (данных для анализа корреляционной зависимости Робщ г Сорг в сельскохозяйственных водосборах оказалось недостаточно).

Значимая корреляционная связь фосфора с азотом логично вытекает из того обстоятельства, что оба этих элемента активно участвуют в биохимических процессах. Они примерно с одинаковой интенсивностью накапливаются живыми организмами и входят в качестве основных компонентов в состав удобрений. Вместе с тем, практическое отсутствие корреляции минерального н общего фосфора с нитратами - наиболее окисленной формой азота, указывает, на то, что в процессе окисления органического вещества пути миграции фосфора и азота расходятся. Косвенным подтверждением этого могут служить с одной стороны - высокие коэффициенты корреляции Робщ (значительная доля которого представлена органическими формами) и N-N114 при низких коэффициентах корреляции Робщ с N-N02 , а с другой стороны - высокие коэффициенты корреляции минерального фосфора с

Таблица 1

Корредядтонные связи минерального и общего фосфора в годах малых __водосборов

KoiriiioHegT лесине водосборы сельскохозяйственные

водосборы

Рюш Рвал Рмин Рвал

рн -0.06 - 0.64 -

CI -0.22 0.65 - -

S04 - -0.24 - - -

нее: -0.21 - - -

Са -0.18 -0.33 - -

Mg 0.00 -0.30 - -

Na+K -0.06 0.98 - -

Мш-»ерал1гацня - - - - -

Гмин 1 0.56 1 0.75

Рвал 0.56 1 0.75 I

N-N03 0.36 0.11 -0.07 -0.20

N-N02 0.83 ■ 0.02 0.86 -

N-NH4 -0.06 0.85 0.29 0.69

Nean 0.50 0.52 0.04 0.32

Сорг -0.05 0.79 - -

нитритным азотом при слабой-корреляционной связи с аммонийным азотом.. Таким образом, коррелятивная связь фосфора с азотом, свойственная свежеобразоканкому органическому веществу, в значительной степени сохраняется на начальных стадиях деструкции последнего и полностью исчезает на конечных стадиях.

Глава 4. ФосФор в речном стоке,

В главе установлены основные закономерности поведения фосфора в речном стоке, а также проведена оценка величины речного стока фосфора в океан в современный период.

Большинство факторов, контролирующих концентрации химических вешеств в реках связаны с географической зональностью. Например, степень климата определяет процессы выветривания; биологическая

лродуктикюса - высвобождение и скорость поглощения биогенных всщсств;0кг?7г?.тс;игйя температура - биологическую активность почв, кинетику реакции выветривания [МеуЬеск, 1986]. В связи с этим, при анализе пространственного распределения еодержашщ фосфора в речных водах все рекн подразделены на!,с; - на четыре группы по географическим зонам: I) арктические и субарктические реки; 2) реки умеренного пояса; 3) рекк Елажкых тропихоБ и суштюзкков; 4) реки

Рис. 1 Функции распределения концентраций фосфора в речных водах.

сухих тропиков и субтропиков. Распределение среднегодовых концентраций Рмпни Рвал в реках в целом и в реках выделенных нами географических зон носит логонормальный характер (рис.1), поэтому мы использовали медианные значения концентраций растворенного Рмин и Рвал для характеристики средних величин. Минимальные концентрации- минерального и валового Р: 0.006 и 0.019. мгР/л соответственно наблюдаются в реках арктического и субарктического пояса, где значительно медленнее протекает биогеохимический круговорот элементов и не так велико антропогенное изменение окружающей среды. Наибольшие концентрации Рмин. отмечены для рек умеренного пояса - 0.032 и 0.106 мгР/л - и зоны сухих тропиков н субтропиков - 0.031 и 0.175 мгР/л , что, по-видимому, объясняется большим антропогенным давлением на природу этих регионов, а - также благоприятными условиями для вовлечения фосфора в биогсохимический

круговорот. Максимально зарегистрированные среднегодовые значения наблюдались в рек«, подверженных сильному антропогенному влиянию, и составляли для Рмин. - 2,475 мгР/л (р.Темза) и Рвал. - 1,860 мгР/л (р.Шельда ). Глобальные средние концентрации фосфора в речных водах составляют 0.028 и 0.085 мгР/л соответственно для Рмин. и Рвал.

Рассчитанные средневзвешенные по стоку глобальные концентрации Рмин я Рвал в речных водах составили соответственно 0,038 н 0,108 мгР/л. Сравнение последних со средними концентрациями, полученными при статистической обработке данных, показало, что средневзвешенные концентрации Рмин. и Рвал, намного ниже среднеарифметических и приближаются к медианным значениям, что подтверждает' решение о целесообразности применения медианных значений к оценкам средних концентраций фосфора в речных системах.

Большое значение биологических факторов в формировании речного стока химических веществ является хорошо известным фактом. Поэтому нами была предположена возможность существования связи между содержанием Р з речных водах и количественным показателем растительного вещества в наземных экосистемах, который имеет также зональный характер распределения. В качестве такого показателя была ыбрана первичная продуктивность фктом^ссы на Земле, характеризующая вероятную скорость утилизации вещества из печв. Характер зависимости свидетельствует о подчиненном значении биологических факторов в пространственном распределении концентраций фосфора в-реках. - -" •

В речных водах отчетливо проявляется тенденция увеличения концентрации растворенного фосфора с увеличением плотности населения на водосборах (рис.2). Это указывает на то, что хозяйственная деятельность в последнее время является важным фактором, определяющим сток фосфора в глобальном масштабе.

Корреляционный анализ выявил- существование тесной связи между концентрацией фосфора и минерализацией вод (рис,3). Это может быть обусловлено двумя причинами. Во-первых, как известно,- минерализация-речных вод увеличивается с севера на юг, по мере увеличения аридности климата. Во-вторых, плотность населения также выше " в более теплых климатических зонах "(Борисенков, 1982]. Таким образом, параллельно с увеличением минерализации речных вод растет и плотность населения на водосборах, следовательно, возрастает вклад антропогенных источников фосфора и растет его концентрация.

На начальном этапе формирования стока (т.е. в водах первичной гидрографической сети) содержание Рмин тесно связано с содержанием N-N02, в то время как Рвал - с содержанием N- NH4. Как отмечалось, это обусловлено биохимическими факторами определенной последовательностью

высвобождения и порядком трансформации форм азота и фосфора в процессе разложения

1 о

Рис. 2 Зависимость концентрации фосфора в речных водах от плотности населения на водосборах

Р-Р04

ыг/л 0.6 ■ .^=055. £у=0.045

0.5 -

0.4 ■ 03 - в в-

0.2 ■ в ^

0.1 • 0 •

0 300 1000 М, мг//

Рвал мг/л г=050.8у=0£85

0.2 ■

0.6 в а «1 в о

0.4 0.2 ' & ал

0

0 500 1000 М, ¡'Г/л

Рис. 3 Зависимость концентрации фосфора в речных водах «я их минерализации

органических, веществ. По мерс движения вод к рекам трансформация продолжается в направлении дальнейшего увеличения степени окисления азота, и а реках высокие коэффициенты корреляции наблюдаются между Рмик. и мпритамя (г=0.91), а также Рмин. и нитратами (г=0.83). Для общего фосфора взаимосвязь с аммонийным азотом дополняется взаимосвязью с ■ валовым содержанием N (г=0.79). Это связано, по-видимому, с деструкцией органичесхого вещества автохтонного происхождения.

Проведенные на базе собранных обширных материалов расчеты показывают (табл.2), что вынос растворенного общего фосфора в три раза превышает вынос минерального Р и эти величины соответственно равны 1,48 млн. т/год и 4,15 млн.т/год. Таким образом, можно считать, что в среднем в речном стоке растворенный минеральный фосфор составляет около 30% ох растворенного валового.

Глава 5. Мигрзпия ФосФора в зоне смешения морехзп и речных вод.

В главе анализируются данные о поведении растворенных форм фосфора4 з устьях рек на базе сравнения теоретических и эмпирических кривых смешения морских и речных вод, собранных по литературным источникам и во зремя экспедиций в Кандалакшском заливе Белого моря.

На основании графиков смешения в рамках одномерной модели смешения Офисера [ОйдссгДЭВО] рассчитаны величины удаления или поступления фосфора в устьях рек. Суть метода Офисера состоит в нахождении величины теряемой или поступающей фракции (Ср-Ср*/Ср), где Ср* находится по формуле Ср* =См Бм ( и представляет собой точку

пересечения касательной линии к кривой смешения, проведенной в точке с соленостью морехой воды и осью ординат (См - концентрация Р в морской воде с соленостью Бм; Ср - концентрация фосфора в речной воде).

Основными факторами, влияющими на трансформацию стока фосфора в устьевых бластях рек, служат биологические(продуыщя и деструкция органического вещества, биоаккумуляция, биофильтрация, биоседиментация) и химические процессы (осаждение и растворение твердых фаз, коагуляция, сорбция и десорбция, соосаждение).

Влияние этих процессов приводит к неконсервативному поведению фосфора. Анализ обобщенных данных показывает, что поведение Р в устьях рек может быть как неконсерватикным, так н консервативным.

НЕКОНСЕРВАТИВНОЕ ПОВЕДЕНИЕ Характерными примерами устьев рек с биологическим удалением фосфора служат устья Невы, Печоры, Миссиссиппи, Делавэр, Потомак, Пис, Ориноко, Амазонки, Янзцы, Йодо, Рижский залив, залив Виго (Испания) и лагуна Ньюзаче-Кайманеро (Мексика). О важной роли биологических процессов в трансформации химического стока фосфора свидетельствует одинаковое поведение Р и других биогенных элементов (К и Йх) в устьевых зонах, кроме того, на это могут указывать характеристики прямо или косвенно связанные с биологическими процессами - величины продукции и деструкции

ТпОлида 2

Сток фосфора в океан с материков, тыс.т/год

Континент Водный Учтенный водный сток, Учтенный сток фосфора, Полный сток фосфора

сток, кмЗ/год {% от общего) тыс.т/год тыс. т/год ,1

кмЗ/год Для Рмин. Для Робщ. Рмин. Робщ. Рмин. Робщ.

Европа 2365 1888 (80) 1219 (52) 92,3 160 116 310

Азия 10152 5425 (53) 484 913. 1094

Америка 7840 948 (12) 1914 (24) 9,8 237 82 988

Ю-Амсрнка 1X700 9855 (84) 2573 (22) 124 286 148 1300

Австралия п 2370 99,5 (4) 14 (1) 1,9 1,2 <18 205

Океания

Африка •4110 1599 (49) 1414 (34) 58 85 120 249

Бее материки 38537 20215 (52) 7134 (19) 770 769 1481 4154

органического вещества, концентрации кислорода, хлорофилла и органического вещества, биомасса гвдробионтов,измснения величин рН.

Удаление фосфора в зоне смешения соленых и пресных вод в результате сорбции и соосаждения наблюдается в устьях многих рек Рарлтан, Амазонки,Меконг, Хлайд, Памлико. Происходит это, как правило, в период низхой биологической продуктивности и почти всегда в условиях относительно низкого содержания минерального фосфора в речных водах: 0,012 - 0.062 мгР/л. Возможно, эти процессы играют более существенную роль, чем обычно предполагается ,но точно определить их вклад трудно из-за наложения других процессов и отсутствия наблюдений с такой детальностью, которая необходима для разделения ях относительного вклада.

Величины потерь растворенного фосфора, обусловленных химическими процессами, сильно варьируют и могут достигать почтя 100% от речного стока. Они зависят от факторов, контролирующих процессы сорбции и соосаждсния: химического состава речных вод и взвесей, особенно от величины рН, концентраций Ре, А1 и растворенного органического вещества. *

Некоторые кривые смешений имеют прогиб в диапазоне солености от 0 до 5-9 %а . Аналогичный характер распределения концентраций Р, Ре и А1 при отсутствии явных признаков биологического потребления Р свидетельствует в зтях случаях о физико-химическом удалении Р из раствора в результате соосаждсния с гидрокездами железа и алюминия.

Поступление Р з воду в результате десорбции со взвесей было отмечено в устьях следующих рек Олд Милл Крик, Ориноко, Амазонки, Заир, Меконг, Янзцы. Величина относительного увеличения концентраций фосфатов в воде может достигать сотен процентов, например, до 300% в устье Меконга, что свидетельствует о значительном изменении соотношений между Езвашешзой и растворенной формами Р. Максимальные величины десорбции на графиках смешения наблюдаются в диапазоне солености 15 - 20 %о, далее, как правило, происходит консервативное смешение обогащенных Рмнн вод средней части эстуария с морскими. • . ,

Процессы сорбции и десорбции Р_ в устьях > рек' обычно пространственно разделены. Первые преобладают в пресноводной части зоны смешения, вторые - в более мористой, что подтверждается уменьшением степени взаимосвязи Р-Рс и уменьшением содержания Р в донных отложениях по мере приближения к морскому краю устьевой зоны. Подобное сочетание сорбции и десорбции в эстуариях получило название "фосфатного буферного механизма".

КОНСЕРВАТИВНОЕ ПОВЕДЕНИЕ Несмотря на активное участие Р в биологических ' и химических процессах, нередко встречаются случаи консервативного его поведения при смешении речных и морских вод. Подобное поведение является нехарактерным для Р и встречается в особых условиях, когда биологические и химические процессы в устьях рек подавлены в результате неблагоприятного сочетания природных и антропогенных факторов. Как правило, консервативное поведение Р наблюдается в устьях

сильнозагрязненных рек, таких как Рейн и Маас, Шельда, Эльба, Всзер, Эмс, Тибр, Рона, Клайд, Миссиссиппи. Концентрации Рмин в них на порядок выше средней концентрации для рек мира и достигает 520 мкгР/л (р.Всзер). Одновременно с этим, повышенные концентрации Рмин наблюдаются и на морском крае зоны смешения вод - до 280 мкгР/л в устье р. Тибр. Консервативное поведение Р в устьях указанных рек обусловлено невысокой биологической активностью, которая связана с осенне-зимним периодом наблюдений (устья Шельды, Миссиссиппи, Эмса, Всзсра), а также с неблагоприятным токсикологическим состоянием водкой среды.

Отдельный раздел главы посвяшен поведению фосфора в устьевых областях малых водотоков и рек Кандалакшского залива Белого моря, и основан на данных, полученных в 1990 - 1994 гг. со время полевых работ на Беломорской биологической станции МГУ.

Поведение фосфору "в летний период в устьях беломорских водотоков -. и рек в основном обусловлено интенсивностью протекания биологических процессов. Другим фактором служат морфомсгрические и гидрологические, особенности устьевых областей : наличие мелководных лагун и степень их ; проточности, а также глубина на приустьсмм взморье.. На малопроточных

! участках устьевых областей наблюдалось неконсервативное поведение

i Рмин и Робщ, связанное с участием фосфора s продукционно-

• деструкционных процессах, которые протекают здесь более интенсивно, пз-за

; благоприятных температурных условий, обусловленных хорошим прогретом

еод. Медленный режим водного стока из лагун и скопление на литорали большого количества органического вещества ьо время штормов способствует значительному обогащению вод фосфором - до 20 мкгРмин/л и до 150 i мкгРобщ/л. Для устьевых областей многих беломорских рек характерным

! является квазиконсерватиЕнсе поведение фосфора, при котором несмотря на

активно идущие биологические процессы концентрация Р на графиках J смешения колеблется вокруг прямой линии. Подобное поведение обусловлено

! хорошей сбалансированностью продукционно-деструкционных процессов, о

I чем свидетельствуют удаление из вод в аэробных условиях нитратного азота,

| а также высокая степень фосфатазной активности, наблюдаемая в лстнеп

j период в Есдах Белого моря.

I Неконсервативнос поведение фосфора наблюдалось з устьях рек Нива,

i Керсть и Пулоньга. Расчет величин потерь растворенного Робщ покатывает, что

они составляв 45% в эстуарии Ксретк, 55% в эстуарии Пулоньги. Одновременно с потерями растворенных форм Р в устьях рек наблюдалось увеличение дата его взвешенных форм : 120S в устье Ксретн и 50% в устье Нивы. Наиболее вероятной причиной этого являются биологические процессы, в результате которых увеличивается количество Р в составе взвешенного оргатиеского вещества, при подчиненном значении взмучкванм донных отложений.

Для количества шой оценки преобразований потоков фосфора в эстуариях были выбраны данные балансовых исследований в заливах Микава (Япония), лагу;! Хнзаче-Кайманеро (Мексика), Рижского залива, залива Вито (Испания), рек Делавэр, Потомак. Балансовые расчеты показывают, что в среднем за год в устьях рек происходит задержка фосфора. Максимальные величины осаждения характерны для суммарного валового Р, включающего в себя взвешенную фракцию, - 80 - 94 'Д при , этом лишь треть этой величины связана с механической седиментацией со взвесями, остальная часть выводится при биологическом осаждении. ^

Биологические процессы яграют основную роль и в осаждении растворенного минерального фосфора, переводя его в органическую форму, которая осалдзется с детритом. Величины задержки минерального растворенного Р достигают Рачительных величин 40.- 81%. Растворенный валовый фосфор задерхиЕается б устьях рек в значительно меньших количествах - от 7 до 38%.

Если в качестве грубо ориягтировочных величин задержки растворенного 1 фосфора принять средние значения, полученные по балансовым исследованиям, то удаление Рмин и Робщ составляет около 60% и 20% соответственно. В, предыдущей главе суммарный речной сток растворенного Рмин и Робщ был оценен в 1481 и 4154 тыс.т Р/год. При этом 62 и 110 тыс.т Рмин и Робщ поступает в бессточные области. С учетом задержхи в устьевых областях в открытый океан проникает около 592 и 3198 тыс.т Рмин и Робщ соответственно.

Выводы:

1. Создан банк данных по концентрациям растворенного минерального и валового фосфора в атмосферных осадках, в водах первичной гидрографической сети, в речных водах. На его основе оценены средние концентрации фосфора в водах различного генезиса. Так как в рассматриваемых средах концентрации Р имеют логаормальный характер распределения, в качестве средних концентраций выбраны медианные значения, которые составляют в атмосферных осадках для Рмин и Рвал 0.013 и 0.034 мгР/л, в. водах первичной гидрографической сети 0.031 и 0.095 мгР/л, в речных водах 0.028 и 0.085 мгР/л соответственно.

2. Атропотснный фактор в настоящее время является одним из основных факторов, контролирующих концентрации фосфора в атмосферных осадках, водах первичной гидрографической сети и в речных водах. В глобальном масштабе влияние природных факторов на изменчивость содержания Р в водах различного генезиса не столь заметно на фоне крупномасштабных антропогенных изменений.

3. Глобальные потоки фосфора из атмосферы на земную поверхность, а также вынос его растворенных форм с речным стоком в океан составляют соответственно для Рмин и Рвал 1.2 и 3.1 млн. т и 0.6 и 3.2 млн.т.

4. Биологические процессы играют основную роль в трансформации потока фосфора в устьевых областях рек. При этом наибольшие потери

1 с

наблюдаются для минерального фосфора, что приводит к увеличению доли неминеральных форм Р, выносимых в океаны. В качестве, приблизительных оценок лагерь Р в устьевых областях можно принять величины 20 % для Рмин и 60 % для Рвал. Высокая антропогенная нагрузка на реки и их устья, может приводить к консервативному поведению Р в зонах смешения.

По теме диссертации имеются следующие рг.боты

1. Захарова ЕА, Савенко B.C. Осредненные данные по содержанию фосфора в водах рек и малых водосборов Земного шара. Дел. ВИНИТИ N 1237-В93. 80с.

2. Захарова ЕА, Савенко B.C. Биогсякыс элементы в эстугррях малых рек Кандалакшского залива Безюго моря. //Всслепс МГУ. Сьр.5, География. 1993. N 6. С.64-67.

3. Панголин А.Н.,Повалишникова ЕС., Захарова ЕЛ., Хоулеад Р. Гидрологические и гидрохимические особенности . малых эстуариев Кандалакшского залива Белого моря. //Вссшвк МГУ. Сер.5, Геохрафия. 1S94. N5.C.86-96.

4. Савенко B.C.,Захарова ЕА. Фосфор в репном стоке. //ДАН. 1995. в

печати.

5. Савенко B.C.,Захарова ЕА Основные закономерности поведения фосфора в рентном стоке. //Водные ресурсы. 1995. в печати.

6. Савскко B.C.,Захарова ЕА Фосфор в вад*х первичной гидрографической сети. //Водные ресурсы. 1995. в печати.

Подписано к печати У оэ 19эЗг. Отпечатано ва ротапринте в Фориат бумаги 30x42/4 Производственном комбинате Обьек^^Дшл. Литературного фонда Зак. Тир. 100