Морской гидрофизический журнал. 2019; 35: 248-260
Особенности регионального баланса неорганического углерода морских экосистем в условиях антропогенной нагрузки
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-248-260Аннотация
Цель. Глобальные изменения биогеохимической структуры Мирового океана, наиболее проявляющиеся в региональном масштабе, вызванные ростом потока углерода в водные экосистемы в результате увеличения поступления из атмосферы, береговых источников, первично-продукционных и деструкционных процессов в морской среде, делают актуальными вопросы разделения влияния на цикл углерода природно-климатических и антропогенных факторов. Для количественной оценки и анализа степени влияния факторов, приводящих к трансформации природного цикла углерода, необходимо восстановить его бюджет, который определяется поступлением и выносом углерода, равно как и процессами, в результате которых происходит его перераспределение между различными формами.
Методы и результаты. В работе выполнена оценка бюджета углерода для экосистемы Севастопольской бухты (Черное море), а также анализ вклада антропогенной составляющей по данным многолетних исследований (2007–2018 гг.) гидрохимических и геохимических характеристик. Представлены результаты исследования карбонатной системы донных отложений: вертикальный профиль общего растворенного неорганического углерода, щелочности и рН, а также соотношение между растворенным неорганическим углеродом и щелочностью.
Выводы. Установлено, что окисление органического вещества происходит преимущественно в анаэробных условиях. Величины потока общего растворенного неорганического углерода (JTCO2) на границе вода – донные отложения направлены из донных отложений в придонный слой вод и составляют JTCO2 = 0,42…0,61 моль/(м2∙год). Анализ различных составляющих бюджета неорганического углерода показал, что наибольшую роль играют антропогенные источники, вклад которых составляет не менее 75% от общего поступления неорганического углерода. По величине общего запаса растворенного неорганического углерода и выноса в открытое море сделано предположение, что время полного обновления вод Севастопольской бухты составляет 2 года 4 месяца.
Список литературы
1. Schmidtko S., Stramma L., Visbeck M. Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades // Nature. 2017. Vol. 542, iss. 7641. Р. 335–339. https://doi.org/10.1038/nature21399
2. Declining oxygen in the global and coastal waters / D. Breitburg [et al.] // Science. 2018. Vol. 359, iss. 6371. Eaam 7240. 11 p. doi:10.1126/science.aam7240
3. Physical and biogeochemical modulation of ocean acidification in the central North Pacific / J. E. Dore [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009. Vol. 106, no. 30. P. 12235–12240. https://doi.org/10.1073/pnas.0906044106
4. Acidification of subsurface coastal waters enhanced by eutrophication / W.-J. Cai [et al.] // Nature Geoscience. 2011. Vol. 4, iss. 11. P. 766–770. doi:10.1038/NGEO1297
5. Air-sea exchanges of CO2 in the world’s coastal seas / C.-T. A. Chen [et al.] // Biogeosciences. 2013. Vol. 10, iss. 10. P. 6509–6544. https://doi.org/10.5194/bg-10-6509-2013
6. The marine inorganic carbon system along the Gulf of Mexico and Atlantic coasts of the United States: Insights from a transregional coastal carbon study / Zh. A. Wang [et al.] // Limnology and Oceanography. 2013. Vol. 58, iss. 1. P. 325–342. https://doi.org/10.4319/lo.2013.58.1.0325
7. The changing carbon cycle of the coastal ocean // J. E. Bauer [et al.] // Nature. 2013. Vol. 504, iss. 7478. P. 61−70. doi:10.1038/nature12857
8. Сток реки Черной как фактор формирования водно-солевого режима и экологического состояния Севастопольской бухты // Е. И. Овсяный [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ НАНУ, 2007. Вып. 15. С. 57–65.
9. Овсяный Е. И., Орехова Н. А. Гидрохимический режим реки Черной (Крым): экологические аспекты // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 1. С. 8294. doi:10.22449/0233-7584-2018-1-82-94
10. Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов / В. А. Иванов [и др.]. Севастополь, 2006. 90 с. (Препринт / НАН Украины, МГИ). URL: https://b-ok.org/book/3183138/f51a2a (дата обращения: 15.04.2019).
11. Михайлов В. Н. Гидрологические процессы в устьях рек. М. : ГЕОС, 1997. 175 с.
12. Современные методы гидрохимических исследований океана / Под ред. О. К. Бордовского, А. М. Черняковой. М. : ИО АН СССР, 1992. 201 с.
13. Millero F. J. The Marine Inorganic Carbon Cycle // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107, iss. 2. P. 308–341. doi:10.1021/cr0503557
14. Zeebe R. E., Wolf-Gladrow D. CO2 in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Amsterdam : Elsevier Science, 2001. 360 p. (Elsevier Oceanography Series, vol. 65).
15. Thermodynamics of the carbon dioxide system in seawater. Paris : Unesco, 1987. Р. 3–21. (Unesco Technical Papers in Marine Science, vol. 51). URL: http://www.jodc.go.jp/jodcweb/info/ioc_doc/UNESCO_tech/077668eb.pdf (дата обращения: 13.09.2018).
16. Millero F. J. Chemical Oceanography. Boca Raton : CRC Press, 1996. 469 p.
17. Хоружий Д. С. Использование приборного комплекса AS-C3 для определения парциального давления углекислого газа и концентрации неорганического углерода в морской во-де // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ НАНУ, 2010. Вып. 23. С. 260–272.
18. Хоружий Д. С., Овсяный Е. И., Коновалов С. К. Сопоставление результатов определения карбонатной системы и общей щелочности морской воды по данным различных аналитических методов // Морской гидрофизический журнал. 2011. № 3. С. 33–47. URL: http://мгфж.рф/images/files/2011/03/201103_03.pdf (дата обращения: 13.09.2018).
19. Орехова Н. А., Вареник А. В. Современный гидрохимический режим Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 2. С. 134–146. doi:10.22449/0233-7584-2018-2-134-146
20. Inorganic carbon in the Indian Ocean: Distribution and dissolution processes / C. L. Sabine [et al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2002. Vol. 16, iss. 4. 1067. https://doi.org/10.1029/2002GB001869
21. Redox reactions and weak buffering capacity lead to acidification in the Chesapeake Bay / W.-J. Cai [et al.] // Nature Communications. 2017. Vol. 8. Article 369. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00417-7
22. Орехова Н. А., Коновалов С. К. Кислород и сульфиды в донных отложениях прибрежных районов севастопольского региона Крыма // Океанология. 2018. Т. 58, № 5. С. 739–750. doi:10.1134/S0030157418050106
23. Early diagenetic processes in the muddy sediments of the Bay of Biscay / C. Hyacinthe [et al.] // Marine Geology. 2001. Vol. 177, iss. 1–2. P. 111–128. https://doi.org/10.1016/S0025-3227(01)00127-X
24. Zeebe R. E. On the molecular diffusion coefficients of dissolved CO2, and and their dependence on isotopic mass // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2011. Vol. 75, iss. 9. P. 2483–2498. https://doi.org/10.1016/j.gca.2011.02.010
25. Орехова Н. А., Медведев Е. В., Овсяный Е. И. Влияние вод реки Черной на гидрохимический режим Севастопольской бухты (Черное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2018. Вып. 3. С. 8491. doi:10.22449/2413-5577-2018-3-84-91
26. Течения в Севастопольской бухте по данным ADCP–наблюдений, ноябрь 2014 г. / Е. М. Лемешко [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ НАН Украины, 2014. Вып. 28. С. 25–30.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2019; 35: 248-260
Features of Inorganic Carbon Regional Balance in Marine Ecosystems under Anthropogenic Pressure
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-248-260Abstract
Purpose. Global changes in the ocean biogeochemical structure are mostly pronounced on a regional scale. They are caused by the increased carbon flux to the aquatic ecosystems that is a result of its growing emission from the atmosphere, coastal sinks as well as and the primary production and degradation processes taking place in marine environment. It seems reasonable to separate the enumerated sources to the natural climatic factors and the anthropogenic ones which are considered in the studies of a carbon cycle. To assess the quantitative characteristics of the factor leading to natural carbon cycle transformation, it is necessary to reconstruct its budget, which is governed by the carbon intake and removal, as well as by the processes resulting in its redistribution between various forms.
Methods and Results. The carbon budget in the Sevastopol Bay ecosystem (the Black Sea) is assessed, and contribution of the anthropogenic component is analyzed based on the long-term research (2007–2018) of hydrochemical and geochemical characteristics. The following results of the sediment carbonate system studies, namely the vertical profile of dissolved inorganic carbon (DIC), total alkalinity (ТА) and pH, and the dissolved inorganic carbon and alkalinity ratio show that the organic matter oxidation occurs mainly under the anaerobic conditions. It has been also revealed that the dissolved inorganic carbon flux (JDIC) at the “water – sediment” boundary is directed from sediments to the bottom waters and amounts 0.42–0.61 mol∙m-2∙year-1.
Conclusions. Different components of the inorganic carbon budget showed that the anthropogenic sources were the most important: their contribution constituted not less than 75% of the total inorganic carbon inflow. Based on the value of the dissolved inorganic carbon total reserve and its removal to the open sea, the time of complete renewal of the Sevastopol Bay waters is assumed to be 2 years and 4 months.
References
1. Schmidtko S., Stramma L., Visbeck M. Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades // Nature. 2017. Vol. 542, iss. 7641. R. 335–339. https://doi.org/10.1038/nature21399
2. Declining oxygen in the global and coastal waters / D. Breitburg [et al.] // Science. 2018. Vol. 359, iss. 6371. Eaam 7240. 11 p. doi:10.1126/science.aam7240
3. Physical and biogeochemical modulation of ocean acidification in the central North Pacific / J. E. Dore [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009. Vol. 106, no. 30. P. 12235–12240. https://doi.org/10.1073/pnas.0906044106
4. Acidification of subsurface coastal waters enhanced by eutrophication / W.-J. Cai [et al.] // Nature Geoscience. 2011. Vol. 4, iss. 11. P. 766–770. doi:10.1038/NGEO1297
5. Air-sea exchanges of CO2 in the world’s coastal seas / C.-T. A. Chen [et al.] // Biogeosciences. 2013. Vol. 10, iss. 10. P. 6509–6544. https://doi.org/10.5194/bg-10-6509-2013
6. The marine inorganic carbon system along the Gulf of Mexico and Atlantic coasts of the United States: Insights from a transregional coastal carbon study / Zh. A. Wang [et al.] // Limnology and Oceanography. 2013. Vol. 58, iss. 1. P. 325–342. https://doi.org/10.4319/lo.2013.58.1.0325
7. The changing carbon cycle of the coastal ocean // J. E. Bauer [et al.] // Nature. 2013. Vol. 504, iss. 7478. P. 61−70. doi:10.1038/nature12857
8. Stok reki Chernoi kak faktor formirovaniya vodno-solevogo rezhima i ekologicheskogo sostoyaniya Sevastopol'skoi bukhty // E. I. Ovsyanyi [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : MGI NANU, 2007. Vyp. 15. S. 57–65.
9. Ovsyanyi E. I., Orekhova N. A. Gidrokhimicheskii rezhim reki Chernoi (Krym): ekologicheskie aspekty // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 1. S. 8294. doi:10.22449/0233-7584-2018-1-82-94
10. Gidrologo-gidrokhimicheskii rezhim Sevastopol'skoi bukhty i ego izmeneniya pod vozdeistviem klimaticheskikh i antropogennykh faktorov / V. A. Ivanov [i dr.]. Sevastopol', 2006. 90 s. (Preprint / NAN Ukrainy, MGI). URL: https://b-ok.org/book/3183138/f51a2a (data obrashcheniya: 15.04.2019).
11. Mikhailov V. N. Gidrologicheskie protsessy v ust'yakh rek. M. : GEOS, 1997. 175 s.
12. Sovremennye metody gidrokhimicheskikh issledovanii okeana / Pod red. O. K. Bordovskogo, A. M. Chernyakovoi. M. : IO AN SSSR, 1992. 201 s.
13. Millero F. J. The Marine Inorganic Carbon Cycle // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107, iss. 2. P. 308–341. doi:10.1021/cr0503557
14. Zeebe R. E., Wolf-Gladrow D. CO2 in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Amsterdam : Elsevier Science, 2001. 360 p. (Elsevier Oceanography Series, vol. 65).
15. Thermodynamics of the carbon dioxide system in seawater. Paris : Unesco, 1987. R. 3–21. (Unesco Technical Papers in Marine Science, vol. 51). URL: http://www.jodc.go.jp/jodcweb/info/ioc_doc/UNESCO_tech/077668eb.pdf (data obrashcheniya: 13.09.2018).
16. Millero F. J. Chemical Oceanography. Boca Raton : CRC Press, 1996. 469 p.
17. Khoruzhii D. S. Ispol'zovanie pribornogo kompleksa AS-C3 dlya opredeleniya partsial'nogo davleniya uglekislogo gaza i kontsentratsii neorganicheskogo ugleroda v morskoi vo-de // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : MGI NANU, 2010. Vyp. 23. S. 260–272.
18. Khoruzhii D. S., Ovsyanyi E. I., Konovalov S. K. Sopostavlenie rezul'tatov opredeleniya karbonatnoi sistemy i obshchei shchelochnosti morskoi vody po dannym razlichnykh analiticheskikh metodov // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2011. № 3. S. 33–47. URL: http://mgfzh.rf/images/files/2011/03/201103_03.pdf (data obrashcheniya: 13.09.2018).
19. Orekhova N. A., Varenik A. V. Sovremennyi gidrokhimicheskii rezhim Sevastopol'skoi bukhty // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 2. S. 134–146. doi:10.22449/0233-7584-2018-2-134-146
20. Inorganic carbon in the Indian Ocean: Distribution and dissolution processes / C. L. Sabine [et al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2002. Vol. 16, iss. 4. 1067. https://doi.org/10.1029/2002GB001869
21. Redox reactions and weak buffering capacity lead to acidification in the Chesapeake Bay / W.-J. Cai [et al.] // Nature Communications. 2017. Vol. 8. Article 369. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00417-7
22. Orekhova N. A., Konovalov S. K. Kislorod i sul'fidy v donnykh otlozheniyakh pribrezhnykh raionov sevastopol'skogo regiona Kryma // Okeanologiya. 2018. T. 58, № 5. S. 739–750. doi:10.1134/S0030157418050106
23. Early diagenetic processes in the muddy sediments of the Bay of Biscay / C. Hyacinthe [et al.] // Marine Geology. 2001. Vol. 177, iss. 1–2. P. 111–128. https://doi.org/10.1016/S0025-3227(01)00127-X
24. Zeebe R. E. On the molecular diffusion coefficients of dissolved CO2, and and their dependence on isotopic mass // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2011. Vol. 75, iss. 9. P. 2483–2498. https://doi.org/10.1016/j.gca.2011.02.010
25. Orekhova N. A., Medvedev E. V., Ovsyanyi E. I. Vliyanie vod reki Chernoi na gidrokhimicheskii rezhim Sevastopol'skoi bukhty (Chernoe more) // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2018. Vyp. 3. S. 8491. doi:10.22449/2413-5577-2018-3-84-91
26. Techeniya v Sevastopol'skoi bukhte po dannym ADCP–nablyudenii, noyabr' 2014 g. / E. M. Lemeshko [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : MGI NAN Ukrainy, 2014. Vyp. 28. S. 25–30.
