От пепла к планктону

Вулканическая активность на Камчатке служит мощным источником поступления биогенных элементов в океан, создавая условия для высокой биологической продуктивности у восточного побережья полуострова. К таким выводам пришли учёные Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичева ДВО РАН. Их работа раскрывает механизмы влияния вулканизма на морские экосистемы.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Начиная с 2023 года организован мониторинг крупнейшей реки региона — Камчатки (длина 758 км). Пробы воды отбираются в фиксированные даты по всей длине реки. Для сравнения ведутся аналогичные работы на западной Камчатке, на реке Пенжина, в бассейне которой нет вулканов.

В августе 2023 года в Камчатском заливе на судне «Академик Опарин» была проведена масштабная экспедиция с установкой 70 океанологических станций, а на западном побережье — 108 станций. «Мы сделали комплексную съемку от севера до юга Камчатки, от берега до 300 км в океан, получив данные по реке, пеплу, снегу и состоянию вод после пеплопада», — отметил Павел Семкин, заведующий лабораторией гидрохимии института.

В нижнем течении реки Камчатки, где расположены активные вулканы Ключевской группы, концентрации растворенного неорганического фосфора и азота оказались сопоставимы с загрязнёнными реками урбанизированных регионов Азии. После мощного извержения вулкана Шивелуч в апреле 2023 года, когда пеплом покрыло долину реки, майнее таяние снега привело к максимальной зафиксированной концентрации фосфора и изменению цвета воды.

Лабораторный эксперимент подтвердил, что пепел, содержащий оксид фосфора, быстро отдаёт биодоступные элементы в воду. Кроме прямого попадания пепла, важную роль играет обогащение подземных вод, которые питают реки на 70%. «Анализ изотопного состава показал, что вулканизм влияет на сток и через контакт вод с вулканическими породами и гидротермами», — пояснил Семкин.

Расчёты показали, что годовой поток растворенного фосфора с рекой Камчаткой в океан в 10-14 раз превышает аналогичный показатель для реки Пенжина.

Спутниковые данные за 20 лет демонстрируют устойчивую связь весенне-летнего стока реки Камчатки с ростом концентрации хлорофилла-а (индикатора фитопланктона) вдоль всего восточного побережья. Речной сток создаёт опреснённый «плюм», заметный на глубине до 500 м и в 150 км от берега.

Этот процесс напрямую влияет на пищевую цепь. В августе 2023 года биомасса зоопланктона в Камчатском заливе была в 3-5 раз выше, чем на западе. Именно фитопланктон, стимулированный вулканическими «удобрениями», служит кормовой базой для зоопланктона, а тот — для рыб.

Исследование важно для понимания причин «красных приливов» — цветения токсичных водорослей, которое в сентябре 2020 года привело к массовой гибели животных у Халактырского пляжа. Одним из ключевых триггеров этих явлений является поступление биогенных элементов, которое обеспечивает вулканизм.

Учёные отмечают, что на фоне климатических изменений — роста температур и таяния ледников, обогащённых пеплом, — поступление питательных веществ в океан может увеличиться, влияя на интенсивность и сроки цветения. «Понимание этих механизмов позволяет прогнозировать изменения в прибрежных водах», — отметила и.о. ректора КамГУ им. Витуса Беринга Ольга Ребковец.

Павел Семкин, заведующий лабораторией гидрохимии Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичева ДВО РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— В чем заключается главное открытие ученых?

— Мы установили, как именно вулканизм влияет на морские экосистемы восточного побережья Камчатки. Вулканы поставляют в реку Камчатку растворенный неорганический фосфор и другие биогенные элементы в концентрациях, сопоставимых с урбанизированными реками, где источниками служат канализационные стоки и сельскохозяйственные удобрения. Эти вещества становятся триггером для весенне-летнего цветения фитопланктона в Камчатском заливе, что объясняет 20-кратную разницу в биомассе зоопланктона между восточным и западным побережьями полуострова.

— Каким образом вулканы «удобряют» океан?

— Вулканизм влияет на речной сток через два механизма. Первый — прямое попадание пепла. Пепел содержит оксид фосфора, который быстро реагирует с водой, образуя биологически доступные формы фосфора. Лабораторный эксперимент показал, что фосфор переходит в воду в течение первых минут после контакта. Когда весной начинается таяние покрытого пеплом снега, эти вещества смываются в реки и поступают в океан.

Второй механизм — обогащение подземных вод. Реки Камчатки на 70% питаются подземными водами, которые проходят через вулканические почвы и породы, обогащенные биогенными элементами, и контактируют с гидротермальными источниками. Проанализировав изотопный состав воды и нитратов, мы пришли к выводу, что вулканизм влияет на речной сток не только через прямое попадание пепла, но и через обогащение подземных вод. Это объясняет систематическое повышение концентраций фосфора в нижнем течении реки Камчатки во все сезоны, включая период с наименьшим стоком в апреле.

— Какие доказательства подтверждают эту связь?

— Начиная с 2023 года на реке Камчатке организован мониторинг. Мы отбираем пробы воды в фиксированные даты — 1 апреля, 22 мая, 17 июня и 6 сентября, проезжая всю реку от истоков до устья за один день. Для сравнения проводятся аналогичные работы на реке Пенжина на западе Камчатки, в бассейне которой отсутствует вулканическая активность.

Годовой поток растворенного неорганического фосфора с рекой Камчаткой в принимающий бассейн составил 2705 тонн, общего фосфора — 4565 тонн. Для реки Пенжина эти показатели оказались в 10 и 14 раз ниже — 264 и 330 тонн соответственно. Поток растворенного неорганического азота различался в шесть раз, растворенного кремния — в три раза.

В августе 2023 года на научно-исследовательском судне «Академик Опарин» мы провели морскую экспедицию в Камчатский залив с установкой 70 океанологических станций. На западном побережье в Пенжинской губе и заливе Шелихова было организовано 108 станций. Мы сделали комплексную съемку, начиная с севера Камчатки и до самого юга, от береговой линии и на расстоянии примерно до 300 км в океан. Таким образом получили данные и по реке Камчатке, и по пеплу, и по снегу, и по тому, что происходит в тихоокеанских водах после пеплопада.

Спутниковые наблюдения за концентрацией хлорофилла-а в период с 2003 по 2023 год показали устойчивую связь между увеличением стока реки Камчатки с мая по июль и ростом концентрации хлорофилла вдоль всей береговой линии Камчатского залива.

11 апреля 2023 года произошло одно из сильнейших извержений вулкана Шивелуч за несколько десятилетий. Пепловый шлейф покрыл долину реки Камчатки на расстоянии около 200 км. Когда в мае началось таяние снега, покрытого пеплом, мы зафиксировали максимальную концентрацию растворенного неорганического фосфора — 3,87 мкмоль/л — на нижней станции наблюдений. Вода в реке приобрела коричневато-красный оттенок от насыщенного пеплом поверхностного стока.

— К каким биологическим последствиям это приводит?

— Опресняющий эффект речного стока прослеживается не только в поверхностном слое, но и на глубине до 500 м и на расстоянии до 150 км от берега в тихоокеанских водах вдоль восточной Камчатки. Поступление биогенных элементов запускает цветение фитопланктона. Максимальные значения концентрации хлорофилла-а до 15 мг/куб. м отмечались в зоне речного плюма — области распространения речных вод в море.

Биомасса зоопланктона в Камчатском заливе в августе 2023 года достигала 2040 мг/куб. м, что в три—пять раз превышает показатели Пенжинской губы и залива Шелихова, где биомасса не превышала 106 мг/куб. м. Зоопланктон питается фитопланктоном и служит пищей для рыб и других морских обитателей. Основу зоопланктонного сообщества на обоих побережьях составляли холодноводные виды веслоногих ракообразных.

— Как это открытие помогает объяснить «красные приливы»?

— Полученные данные важны для понимания механизмов формирования красных приливов — массового цветения токсичных динофлагеллят, которые периодически наблюдаются у берегов Камчатки с 1940-х годов. В сентябре 2020 года такое цветение привело к массовой гибели морских организмов на Халактырском пляже. Одним из основных триггеров красных приливов является поступление биогенных элементов и микроэлементов, которое обеспечивается вулканизмом. Вулканическую активность и выпадение пепла можно рассматривать как эффект естественной фертилизации через реки и атмосферу восточной Камчатки.

— Почему это исследование важно для прогнозирования будущего экосистемы?

— С начала 1990-х годов среднегодовая температура в бассейне реки Камчатки в районе Ключевской группы вулканов изменилась с отрицательной на положительную и продолжает расти. Площадь ледников на полуострове сократилась с 800,6 кв. км в 2000 году до 646,7 кв. км в 2014 году. Таяние ледников, обогащенных пеплом и питательными веществами, может увеличить поступление биогенных элементов в реки и повлиять на сроки и интенсивность цветения фитопланктона.

Наиболее интенсивного цветения фитопланктона в прилегающей части Тихого океана следует ожидать в годы, когда предыдущей зимой выпало большое количество снега, а температура воздуха достаточно высокая для интенсивного таяния снега в высокогорье в июне—июле и формирования стратификации воды. Понимание того, как вулканизм влияет на морские экосистемы, позволяет прогнозировать изменения в прибрежных водах.

Татьяна Мейлахс