ON THE ORGANIC CARBON CONTENT IN UNDERWATER SOILS OF BUKHTA TROITSY (SEA OF JAPAN)

СОДЕРЖАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В ПОДВОДНЫХ ПОЧВАХ БУХТЫ ТРОИЦЫ (ЯПОНСКОЕ МОРЕ)

Научная статья

Полохин О.В.^1, *, Макаревич Р.А.², Клышевская С.В.³

¹ ORCID: 0000-0002-5519-5808;

² ORCID: 0000-0002-6787-6870;

³ ORCID: 0000-0002-3730-6869;

^{1, 3} Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН, Владивосток, Россия;

² Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, Владивосток, Россия

* Корреспондирующий автор (o.polokhin[at]mail.ru)

Аннотация

Представлены результаты исследования содержания органического углерода в подводных морских почвах бухты Троицы (залив Петра Великого, Японское море). Установлено, что наибольшее содержание органического углерода наблюдается в почвах, сформированных под зарослями морских трав (акваземы органобиогенные) и почвах глубоководных частей акватории (акваземы криптобиогенные). Показано, что спецификой качественного состава общего органического углерода подводных морских почв является высокое содержание негидролизуемого остатка. Отношения содержания углерода гуминовых кислот к содержанию углерода фульвокислот показали, что тип гумуса во всех классах подводных почв гуматный. Изучение содержания и качественного состава органического углерода в морских почвах способствует решению как фундаментальных проблем почвоведения (построение классификации подводных морских почв), так и прикладных задач (установление экологического состояния подводных ландшафтов).

Ключевые слова: органический углерод, подводные почвы, бухта Троицы, Японское море.

ON THE ORGANIC CARBON CONTENT IN UNDERWATER SOILS OF BUKHTA TROITSY (SEA OF JAPAN)

Research article

Polokhin O.V.^1, *, Makarevich R.A.², Klyshevskaya S.V.³

¹ ORCID: 0000-0002-5519-5808;

² ORCID: 0000-0002-6787-6870;

³ ORCID: 0000-0002-3730-6869;

^{1, 3} Federal Scientific Center of the East Asia Terrestrial BiodiversityFar Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia;

² The Pacific Geographical Institute of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (o.polokhin[at]mail.ru )

Abstract

The article presents the results of a study of the organic carbon content in the underwater marine soils of Bukhta Troitsy (Peter the Great Gulf, Sea of Japan). The authors establish that the highest content of organic carbon is observed in soils formed under thickets of sea grasses (organobiogenic paddy soils) and soils of deep-water parts of the water area (cryptobiogenic paddy soils). It is shown that the specificity of the qualitative composition of the total organic carbon of underwater marine soils is the high content of non-hydrolyzable residue. The ratio of the carbon content of humic acids to the carbon content of fulvic acids indicates that the type of humus in all classes of underwater soils is humate.  The study of the content and qualitative composition of organic carbon in marine soils contributes to solving both fundamental problems of soil science (classification of underwater marine soils) and applied problems (establishment of the ecological state of underwater landscapes).

Keywords: organic carbon, underwater soils, Bukhta Troitsy, Sea of Japan.

Введение

Интерес к изучению содержания органического углерода в подводных морских почвенных образованиях вызван рядом причин, таких как результаты жизнедеятельности подводной биоты и привноса веществ терригенного материала из-за абразии берегов и эолового переноса. Исследования этих процессов носят как фундаментальный, так и прикладной характер. Наши исследования отличаются от ранее проведенных тем, что мы предложили авторскую классификацию подводных морских почв на основе содержания органического углерода. В соответствии с ней в Мире почв выделяется дополнительно Царство аквагенных (подводных) почв (акваземы). Оно дифференцируется по способам биогенного преобразования исходного субстрата в почвенный профиль на три класса: органобиогенных акваземов (собственно)(ОБ), аллохтонно-органобиогенных (АОБ) и криптобиогенных (скрытобиогенных)(КБ) акваземов [9]. Целью исследований являлось изучение содержания органических веществ в акваземах данных классов. В задачи исследований входило изучение, как содержания, так и качественного состава органического вещества, изучение гранулометрического состава почв.

Материалы и методы

Исследования проводились в бухте Троицы залива Петра Великого Японского моря. Отбор почвенных проб проводился с помощью легководолазного снаряжения на глубину 0-10 см (на малых глубинах использовался и пробоотборник). Образцы были отобраны по периферии бухты (2012 и 2014 гг.) под зарослями Zostera marina. Под данным типом растительности развиты акваземы органобиогенные, а также с рядом расположенных открытых участках (акваземы аллохтонно-органобиогенные) и от мелководной части к глубоководной (2017г.) (акваземы криптобиогенные), с учетом почв под порядками гидробионтов. Пробы отбирались в 3-5 кратной повторности. Определение общего органического углерода проводилось по методу И.В. Тюрина, качественного состава органических веществ по ускоренному методу М.М. Кононовой и Н.П. Бельчиковой [1], [12]. Гранулометрический анализ выполнен по методу Н.А.Качинского [12]. Было проанализировано 92 почвенных пробы.

Результаты исследования и обсуждение

Бухта Троицы вдается на 5 км к северу в берег залива Китовый и ограничена мысом Слычкова и расположенным в 1,5 км от него к востоку-юго-востоку мысом Стенина. Бухта представляет собой обширный бассейн овальной формы, ширина которого в средней части достигает 3 км. Площадь бухты – 16,9 км², протяженность береговой линии – 20 км, расстояние между входными мысами – 1,8 км. Западный и восточный берега бухты Троицы высокие, скалисты и изрезаны. Выступающие мысы окаймлены рифами, простирающимися на 1-1,5 км от береговой черты. Северо-западный берег между м. Шульца и Небольсина сложен скальными породами. Кутовая часть водоёма представлена безымянной бухточкой, ограниченной с востока и запада входными мысами Небольсина и Максутова. Берег пологий, низкий, покрыт травянисто-кустарниковой растительностью [3], [7].

Глубина в прибрежной части бухты – 2-9 м, в центральной части – 12-23 м, в районе фарватера между входными мысами – 24-33 м. Северная часть бухты наиболее мелководная. Бухта испытывает длительное антропогенное воздействие в качестве портовой акватории и мест баз отдыха [10], [11].

Распределение температуры воды на поверхности бухты почти однородное, в вершине бухты несколько выше за счет малых глубин. Течения в бухте Троицы зависят от направления и силы ветра. Здесь существуют постоянные течения, направленные по часовой стрелке. Обусловлены они, главным образом, характером проникновения в бухту приливной волны и распределением над ней ветровых потоков. В поверхностном слое воды скорость течений, в указанном круговороте, составляет 5-7 см/с, в придонном в 2 раза меньше. Приливные течения в бухте Троицы имеют смешанный характер. В целом течения в исследуемом районе довольно слабые. Преобладающим направлениями течений являются северные и северо-восточные [7].

В результате исследований установлено, что по гранулометрическому составу подводные почвы исследуемой акватории – илистые, песчаные, каменистые, галечные с примесью остатков ракушечного материала. В северо-западной части бухты, от береговой линии и до глубин 6 м дно песчаное, песчано-галечное, далее вглубь бухты грунты представлены в основном иловыми отложениями. Наибольшее количество обломочного раковинного материала отмечено на участке Морской экспериментальной станции Тихоокеанского института биоорганической химии им. Г.Б.Елякова ДВО РАН, где воспроизводятся подсевы молоди морских гидробионтов в естественных условиях (ст. М 17-5 пастбище). В формировании неоднородных грунтовых отложений в прибрежной части большое значение имеет эрозия берега бухты сгонно-нагонным течением. При этом под зарослями морских трав в акваземах органобиогенных содержание фракции ила несколько выше, чем на открытых участках (акваземы аллохтонно органо-биогенные) (табл. 1).

 

Таблица 1– Содержание органического вещества и илистых частиц в подводных почвах бухты Троицы

№ станции	Глубина, м	Координаты	Сорг, %	Ил, %
М 12-4 (2) ОБ	3,5	42°39'29.16"С 131°7'19.56"В	0,74	5,80
М 12-4(3) АОБ	3,5	42°39'29.16"С 131°7'19.56"В	0,40	3.40
М 12-5(2) ОБ	5,0	42°38'36.24"С 131°7'27.12"В	1,54	9,00
М 12-5(3) АОБ	5,0	42°38'36.24"С 131°7'27.12"В	0,91	10,00
М 12-6(2) ОБ	1,5	42°38'36.24"С 131°7'33.96"В	1,40	9,10
М 12-6(3) АОБ	1,5	42°38'36.24"С 131°7'33.96"В	0,59	7,20
М 12-7(2) АОБ	2,0	42°38'11.04"С 131°7'29.64"В	1,45	3,20
М 12-7(3) ОБ	2,0	42°38'11.04"С 131°7'29.64"В	2,01	4,70
М 12-8(2) ОБ	1,5	42°37'36.90"С 131°8'8.38"В	0,55	4,10
М 12-8(3) АОБ	1,5	42°37'36.90"С 131°8'8.38"В	0,37	3,30
М 14-1 (1) ОБ	3,8	42°39'39.70"С 131°5'40.40"В	0,44	4,80
М 14-1(2) АОБ	3,8	42°39'39.70"С 131°9'40.40"В	0,39	3,10
М 14-2(1) ОБ	2,9	42°40'3.70"С 131°6'25.60"В	0,49	2,60
М 14-4(1) ОБ	3,2	42°38'27.30"С 131°7'27.06"В	0,88	2,70
М 14-4(2) АОБ	3,2	42°38'27.30"С 131°7'27.06"В	0,79	1,50
М 14-5(1) ОБ	3,9	42°38'11.04"С 131°7'30.36"В	1,30	0,90
М 14-5(2) АОБ	3,9	42°38'11.04"С 131°7'30.36"В	1,01	0,70
М 14-6(1) ОБ	2,4	42°38'1.60"С 131°08'8.7"В	0,67	1,80
М 17-2	19,2	42º37'38.28″С 131º07’33.03″B	4,99	14,10
М 17-3	19,2	42º37'38.28″С 131º07’33.03″B	4,53	15,40
М 17-4	19,2	42º37'38.28″С 131º07'33.03″B	4,70	14,80
М 17- 5 АОБ (пастбище)	9,9	42 º 37'38.60″C 131º07'53.38″B	2,62	3,10
М 17-6 АОБ (кутовая часть бухты)	3,4	42 º 39'33.98″C 131º05'39.82″B	0,65	1,50
М 17- 7 КБ	13,5	42 º 39'21.07″C 131º06'24.28″B	3,46	5,40
М 17- 8 КБ	15,5	42 º 39'7.27″C 131º06'41.06″B	2,31	10,10
М 17- 9 КБ	7,5	42 º 39'3.95″C 131º07'2.14″B	2,05	9,60

Морские травы представлены 3 видами: Zostera marina, Z. asiatica (встречается редко) и Phyllospadix iwatensis. Заросли морской травы Z. marina занимают значительные площади дна. Роль этих макрофитов в функционирующей экосистеме бухты значительна: они являются продуцентами органического углерода, представляют субстрат для развития и роста молоди большого количества гидробионтов, создают кормовую базу для обитателей прибрежной зоны. Заросли зостеры снижают скорости потока, способствуют осаждению взвешенных в воде веществ. Они служат мощным биогеохимическим фильтром [5]. Под зарослями зостеры в почвах содержание органического углерода выше, чем в почвах рядом расположенных свободных от трав участках. Эту закономерность отмечают и другие исследователи [4].

В органобиогенных акваземах отмечается повышенное количество микроорганизмов деструкторов органического вещества. В частности на биоразнообразие грибов акваземов оказывает влияние содержание общего углерода в почве. Наиболее обильными по количеству грибных изолятов (424) были органобиогенные и криптобиогенные почвы с повышенным и средним содержанием общего органического углерода (по сравнению с грибными комплексами почв, обедненных углеродом) [8].

Более высокие количества иловых частиц отмечаются также по направлению к центру бухты (табл.). В наземных почвах до 90% гумуса (органического углерода) сосредоточено в илистой части. Подобное мы можем наблюдать и в подводных почвах. Установлено, что чем выше количество ила, чем больше, как правило, в подводной почве содержится органических веществ (табл.). Как отмечают многие исследователи органическое вещество, опускаясь на дно водоема, подвергается гумификации, при которой резко увеличивается количество гуминовых и трудно растворимых веществ. Происходит снижение количества липидов и протеинов при возрастании доли углеводов и увеличении окисленности органического вещества в процессе седиментации. В подводные почвенные образования попадают уже стойкие лабильные компоненты этих веществ. В результате жизнедеятельности морских организмов образуются фекальные пеллеты, которые, достигая дна, перерабатываются переработке микроорганизмами и детритоедами. В изученных нами вытяжках гуминовые кислоты аквального происхождения имели довольно слабую окраску или были почти бесцветными. Это, скорее всего, обусловлено отсутствием в составе источников органического вещества акваземов лигнина и дубильных веществ [3], [6], [7]. Полагаем, что эти труднорастворимые органические вещества представлены хитином. Характерной особенностью подводных почв является высокое содержание гуминов до 84% (табл.). Содержание органического вещества в глубоководных акваземах составляет 2,3-3,4% (9,9 — 19,2 м). Немного увеличенное содержание органического углерода под порядками в образцах М17-2; М17-3; М17-4; на глубине 19,2м (4,5-4,9%)(Таблица). Этот углерод является результатом жизнедеятельности культивируемых гидробионтов. Как отмечают исследователи акватории бухты недостаточно высокие показатели содержания органических веществ в этих зонах могут быть вызваны сносом их в глубоководную (20 - 27м) южную треть бухты [3].

В подводных почвах бухты Троицы в составе органического вещества на долю углерода гуминовых кислот приходится от 11,9 до 42 % от общего органического углерода. Отношение Сгк/Сфк составляет 1,75-3,45, что свидетельствует о гуматном типе гумуса. Такой соотношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот также является отличительной чертой морских почв.

Выводы

1. В подводных почвах бухты Троицы выделены органобиогенные (собственно), аллохтонно-органобиогенные и криптобиогенные (скрытобиогенные) классы почв, дифференцированные по способам биогенного преобразования исходного субстрата в почвенный профиль.
2. Наибольшее содержание органического углерода выявлено в почвах под зарослями Zostera marina (органобиогенные аквазем) и акваземах криптобиогенных.
3. Отличительной особенностью подводных морских почв является высокое содержание негидролизуемого остатка и гуматный тип гумуса.
4. На содержание органического углерода влияет содержание мелкодисперсных частиц (ила), рельеф (глубина формирования почв), гидродинамические условия и тип растительности.

Финансирование Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 19-04-00697 А).

Funding The work was carried out with the financial support of the RFBR (grant No. 19-04-00697 А).

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, –1975. 656 с.
2. Белоус О. С. Бухта Троицы (залив Петра Великого, Японское море): физико-географическая характеристика, макробентос / О.С. Белоус, А.Л. Дроздов. – Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН, – Владивосток, 2015. – 12 с.
3. Галышева Ю.А. Гранулометрический состав и органическое вещество мягких осадков прибрежных морских экосистем северо-западной части Японского моря / Ю.А. Галышева., О.В. Нестерова, Р.П. Гришан // Известия ТИНРО. – 2008. – № 154. – С.103-113.
4. Жакин А.В. Содержание органического углерода в верхнем слое рыхлых донных осадков на примере бухты Новгородской Японского моря / А.В. Жакин // Биология моря, – 1990. – №1, – С. 56-59.
5. Жирков И.А. Жизнь на дне. Био-география и био-экология бентоса / И.А. Жирков – М.: Т-во научных изданий КМК, 2010. – 453 с.
6. Лисицин А.Б. Осадкообразование в океанах / А.Б. Лисицин. – М.: Наука, 1974. – 265 с.
7. Нестерова О.В. Особенности процессов гумусообразования в морской среде на примере залива Петра Великого: дис… канд. биол. наук:03.00.27: защищена 05.10.2005 / Нестерова Ольга Владимировна. – Владивосток, 2005. – 20 с.
8. Пивкин М.В. Морские грибы и их метаболиты / М.В. Пивкин, Т.А. Кузнецова, В.В. Сова. – Владивосток: Дальнаука, 2006.–. 247 с.
9. Полохин О.В. К вопросу о классификации подводных почв / О.В. Полохин // Современные почвенные классификации и проблемы их региональной адаптации. Материалы всероссийской научной конференции. – Владивосток, 2010. – С. 58-60.
10. Полохин О.В. Свойства подводных почв Японского и Охотского морей / О.В. Полохин О.В., М.В. Пивкин, Н.Н. Киричук Н.Н // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – №6.
11. Преображенский Б.Ф. Основы морского природопользования / Б.Ф. Преображенский/ТИГ ДВО РАН. Владивосток, – 2002. – 6 с.
12. Рагимов А. О. Почвоведение: лаб. практикум / А. О. Рагимов, М. А. Мазиров, Е. М. Шентерова ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2017. – 120 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Agrohimicheskie metody issledovanija pochv [Agrochemical methods of research of soils]. – M.: Nauka, 1975. – 656 p. [in Russian]
2. Belous O. S. Buhta Troicy (zaliv Petra Velikogo, Japonskoe more): fiziko-geograficheskaja harakteristika, makrobentos [Trinity Bay (Peter the Great Bay, Sea of Japan): physical and geographical characteristics, macrobentos] / O. S. Belous, L. Drozdov // Tihookeanskij institut bioorganicheskoj himii im. G.B. Eljakova DVO RAN. – Vladivostok., 2015. – 12 p. [in Russian]
3. Galysheva Ju.A. Granulometricheskij sostav i organicheskoe veshhestvo mjagkih osadkov pribrezhnyh morskih jekosistem severo-zapadnoj chasti Japonskogo morja [Grain-size composition and organic matter of soft botton sediments in several coastal areas of the northwestern Japan Sea] / Ju.A. Galysheva., O.V. Nesterova, R.P. Grishan // Izvestija TINRO. – 2008. – № 154. – P.103-113. [in Russian]
4. Zhakin A.V. Soderzhanie organicheskogo ugleroda v verhnem sloe ryhlyh donnyh osadkov na primere Novgorodskoj Japonskogo morja [The content of organic carbon in the upper layer of loose bottom sediments on the example of the bay of the Novgorod Sea of Japan] / A.V. Zhakin // Biologija morja, – 1990. – №1, – P. 56-59. [in Russian]
5. Zhirkov I.A. Zhizn' na dne. Bio-geografija i bio-jekologija bentosa [Life at the bottom. Bio-geography and bio-ecology of benthos] / I.A. Zhirkov – M.: Publishing house KMK, 2010. – 453p. [in Russian]
6. Lisicin A.B. Osadkoobrazovanie v okeanah [Sedimentation in the oceans] / A.B. Lisicin. – M.: Nauka, 1974. – 265 p. [in Russian]
7. Nesterova O.V. Osobennosti processov gumusoobrazovanija v morskoj srede na primere zaliva Petra Velikogo [Features of the processes of humic formation in the marine environment on the example of the Gulf of Peter the Great]: dis… of PhD in Biological:03.00.27: defense of the thesis 05.10.2005 / Nesterova Ol'ga Vladimirovna. – Vladivostok, 2005. – 20 p. [in Russian
8. Pivkin M.V. Morskie griby i ih metabolity [Marine fungi and their metabolites] / M.V. Pivkin, T.A. Kuznecova, V. Sova. – Vladivostok: Dal'nauka, 2006.–. 247p. [in Russian]
9. Polokhin O.V. K voprosu o klassifikacii podvodnyh pochv [On the classification of subaqueous soils] / O.V. Polohin // Sovremennye pochvennye klassifikacii i problemy ih regional'noj adaptacii. Materialy vserossijskoj nauchnoj konferencii. [Modern soil classifications and problems of their regional adaptation. Materials of the All-Russian Scientific Conference]. – Vladivostok, 2010. – P. 58-60. [in Russian]
10. Polokhin O.V. Svojstva podvodnyh pochv Japonskogo i Ohotskogo morej [Properties of subaqueous soils of the Sea of Japan and the Sea of Okhotsk] / O.V. Polohin O.V., M.V. Pivkin, N.N. Kirichuk N.N // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija.[ Modern problems of science and education]. – 2013. – №6. [in Russian]
11. Preobrazhenskij B.F. Osnovy morskogo prirodopol'zovanija [Fundamentals of Marine Nature Management] / F. Preobrazhenskij. TIG DVO RAN. Vladivostok, – 2002. – 6 p. [in Russian]
12. Ragimov, A. O. Pochvovedenie : lab. praktikum [Soil science: lab. Workshop] / A. O. Ragimov, M. A. Mazirov, M. Shenterova ; Vladim. gos. un-t im. A. G. i N. G. Stoletovyh. – Vladimir : publishing house VlGU, 2017. – 120 p. [in Russian]