Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Гидрохимическая структура и биопродуктивность районов фронтальных зон атлантического сектора Южного океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Гидрохимическая структура и биопродуктивность районов фронтальных зон атлантического сектора Южного океана"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В ЛОМОНОСОВ А

Дафнер Евгений Викторович

ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И БИОПРОДУКТИВНОСТЬ РАЙОНОВ ФРОНТАЛЬНЫХ ЗОН АТЛАНТИЧЕСКОГО СЕКТОРА ЮЖНОГО ОКЕАНА

11.00.08 - Океанология

0Л ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 551.464:639.2.053(269.4)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - ¡994

о

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО).

Научный руководитель -

доктор географических наук В.В.Сапожников

Научный консультант

кандидат географических наук А.В.Полякова

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Ю.И-.Ляхин

доктор химических наук С.Г.Орадовский

Ведущая организация - Атлантический научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (АтлантНИРО).

Защита состоится из» _ 1994 г

в часов на заседании специализированного гидрометеорологического совета Д-053.05.30 в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу:

I19899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, ауд. 18-01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь специализированного гидрометеорологического совета при

МГУ, кандидат географических наук

С.Ф.Алексеева

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Освоение, рациональное использование и охрана отологических, ресурсов Мирового океана - одна из наиболее важных проблем нашего времени. Ее решение тесно связано с. комплексным исследованием вод океана, как среды обитания морских организмов, с целью установления взаимосвязей абиотических факторов и биологической продуктивности. К числу наиболее продуктивных в биологическом отношении районов Мирового океана относится Южный океан.

В настоящее время практически не исследован вопрос об изменчивости гидрохимической структуры Южного океана в различных пространственно-временных масштабах. В то же время на основе анализа совокупности гидрохимических показателей, в частности, распределению биогенных элементов и их органических соединений, можно оценить интенсивность продукционно-деструкционных процессов и тем самым установить определенные закономерности формирования региональных особенностей биологической продуктивности. Процессы продукции и деструкции органического вещества (ОВ) взаимосвязаны с изменчивостью гидрохимической структуры вод океана.

Обсуждение этих вопросов для атлантического сектора" Южного океана имеет научное и'практическое значение в связи с выявлением пространственных и временных неоднородностей поля биопродуктивности, оценкой их величин, а также осуществлением стратегии поиска и облова промысловых объектов.

Цель и задачи работы заключаются в изучении гидрохимических основ формирования биологической продуктивности атлантического сектора Южного океана, изменчивости гидрохимической структуры и прежде всего фронтальных зон, факторов ее определяющих и оценки величин продуктивности в различных пространственно-временных маса-

табах. В связи с этим в работе решали следующие задачи:

■I. Получение новых данных о распределении органических соединений биогенных элементов и органического углерода в районах Полярной и Вторичной фронтальных зон в различные сезоны.

2. Изучение продукционно-деструкционных процессов в Полярной и Вторичной фронтальных зонах в различных пространственно-временных масштабах и оценка трофности их вод по данным о распределении органического вещества (по данным натурных исследований).

Я. Формирование массива океанологических параметров: температуры, солености, кислорода, фосфатов, кремния; их картирование по всем сезонам для горизонтов: 0, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 м.

4. Выделение градиентных зон по гидрохимическим характеристикам (кислороду, фосфору, кремнию) и их сопоставление с термохалин-ными фронтами на основе осреднения сформированного массива данных и по результатам экспедиционных исследований.

5. Анализ особенностей сезонной изменчивости величин гидрохимической структуры вод в регионе и в районе фронтальных зон.

■ 6. Оценка внутригодовой изменчивости величин новой продукции, полученных расчетными методами по изменению полей фосфатов и кремния.

Использованный материал и методы исследования. В работе используются данные о пространственно-временной изменчивости распределения биогенных элементов, хлорофилла "а", растворенного и валового органического углерода (С0рГ), валового органического азота (N0pr) в районах фронтальных зон атлантического сектора Южного океана, полученные весной-летом 1988 и летом-осенью 1990 гг.

При определении основных биогенных элементов, CQpr и NQpr использовали стандартные методы их определения с применением проточного автоанализатора Technicon (США), фитопигменты определяли

спектрофотометрическим методом.

Кроме собственного материала был сформирован массив данных, состоящий из порейсового массива Гордона и Молинелли для атласа распределения океанологических параметров Южного океана, дополненного первичным материалом, поступившим в МЦД г. Обнинска до 1989 года. В общей сложности к обработке было привлечено около 7 тыс. станций.

Научная новизна. Для атлантического сектора Южного океана создан наиболее полный массив гидрохимических данных. На основании этого массива получены уточненные поля распределения растворенного кислорода, фосфатов и кремния, расчитаны величины новой продукции, изучена их сезонная изменчивость.

Впервые получен массовый материал по распределению органического углерода и органического азота в юго-западной части атлантического сектора Южного океана, который позволили отнести районы Полярной и Вторичной фронтальных зон к наиболее продуктивным в Мировом океане.

Практическая ценность. Полученные закономерности распределения гидрохимических характеристик позволили проследить положение и изменчивость основных фронтальных разделов, с которыми связаны основные промысловые районы атлантического сектора Южного океана в различных пространственно-временных масштабах. Изучение закономерностей распределения соединений органических форм'биогенных элементов и величин новой продукции позволило более глубоко понять механизмы формирования высокой биопродуктивности и круговорота углерода в районах фронтальных зон.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном симпозиуме "Экосистемы пелагиали Южного океана" (г.Москва, ноябрь 1989), конференции по комплексному изучению при-

роды Атлантического океана (г. Калининград, апрель 1991 г), на IX конференции по промысловой океанологии (г.Калининград, сентябрь 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

_Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения и приложения. Объем работы включает 148 страниц • текста, II таблиц, 38 рисунков и 63 приложения. Список литературы включает 91 наименование на русском и 59 на иностранных языках.

Содержание работы.

Во введении показана актуальность выбранной темы, сформулированы основные цели и задачи исследования.

В первой главе рассматривается физико-географическая характеристика атлантического сектора Южного океана: рельеф дна, ледовый режим, водные массы и циркуляция вод.

Регион характеризуется наличием крупномасштабных образований рельефа дна, представленного котловинами, хребтами различного простирания и океаническими желобами.

Наличие ледяного покрова в антарктических водах выступает ограничивающим фактором для развития фитопланктона. Ледяной покров устанавливается на время от 2-3 месяцев южнее Полярной фронтальной зоны (ПФЗ), до 9 месяцев в районе шельфа Антарктиды. Поэтому вегетационный период сокращается от 3-5 месяцев на границе распространения льда до 1-2 месяца на шельфе ледяного континента.

Значительная протяженность региона с севера на юг от низких и умеренных широт до высоких широт определяет разнообразие водных масс и их модификаций.

В атлантическом секторе Южного океана существует несколько элементов крупномасштабной циркуляции вод: на севере - южная пери-

ферия субтропического круговорота; в зоне между Субтропической (СТФЗ) и Вторичной фронтальными зонами Антарктическое циркумполярное течение (АЦТ); циклонический круговорот моря Уэдделла и Антарктическое прибрежное течение. Вдоль побережья Южной Америки выделяют Бразильское и Фолклендское течения.

Во второй главе дается характеристика основных фронтальных зон региона. При физико-географическом районировании Южного океана принято выделять субантарктическую и антарктическую зоны, граница между которыми проходит вдоль ПФЗ. Северная граница субантарктической зоны проходит по Субтропической конвергенции (более раннее название СТФЗ). Поверхностные вода южной периферии АЦТ и высокоширотной модификации разделяются Вторичной фронтальной зоной (ВФВ), которая также как СТФЗ и ПФЗ циркумполярная. Происхождение СТФЗ, ПФЗ, ВФЗ неразрывно связано с АЦТ.

Субтропическая фронтальная зона. Многими исследователями предлагались различные критерии для выделения СТФЗ: по горизонтальному градиенту температуры на поверхности ее выделял Дикон (Deacon, 1937) и другие исследователи (Valentine and Lutjeharms, 1983); по поверхностному положению изохалины 34.9t (Deacon, 1982). При исследовании гидрохимической структуры СТФЗ было установлено, что, хорошими гидрохимическими паказателями СТФЗ в поверхностном слое служат содержание нитратов, растворенного кислорода и фосфатов.

Переход между субантарктическими водами, относительно бедными питательными веществами, и богатыми антарктическими водами происходит в Полярной фронтальной зоне. Для выявления северной и южной границ ПФЗ к настоящему времени Еыработан комплекс наиболее характерных признаков, в основе которых лежат феноменологические признаки - вертикальное распределение температуры и солености. По

гидрохимическим параметрам на поверхности северная граница ПФЗ -Субантарктический фронт (САФ), хорошо выделяется по горизонтальному градиенту кислорода, южная - Антарктический полярный фронт по горизонтальному градиенту кремния.

Как основной метод выделения Вторичной фронтальной зоны используется анализ термической структуры и наилучшим показателем ВФЗ можно считать положение глубинного максимума температуры. По распределению гидрохимических характеристик в поверхностном слое наиболее четко эта фронтальная зона выявляется по горизонтальному градиенту кремния и отношению кремния к фосфатам, а также по содержанию растворенного кислорода в минимуме и глубине его залегания на верхней границе Антарктической глубинной водной массы (АГВ).

В третьей главе рассматриваются методы сбора первичного материала, общие принципы систематизации, обработки и картирования данных, обосновываются принципы выбора полигонов и разрезов в экспедиционных исследованиях, описываются методы определения биогенных элементов, С0рГ. Л0рГ и метод расчета величин новой продукции.

Для анализа сезонной изменчивости гидрохимической структуры и положения фронтальных зон в регионе были привлечены данные многолетних наблюдений. В основе сформированного массива данных лежит порейсовый массив для атласа Южного океана, дополненный материалом поступившим в ВНИИГМИ г.Обнинска до 1989 года.

Для всего атлантического сектора Южного океана (35-78° ю.ш., 20° в.д.-70° з.д.) за единицу осреднения принят одноградусный "квадрат". В сформированный массив вошли данные измерений температуры, солености, кислорода, фосфатов, кремния. Дополнительно к анализу был привлечен материал, собранный в экспедициях лаборатории морской экологии ВНИРО (с участием автора) по распределению

кислорода, фосфатов, кремния, различных соединений азота - нитратного, нитритного, аммиака, мочевине, органическому азоту, органическому фосфору (Рорг) и Сорг.

Собранные данные распределены неравномерно во времени и в пространстве. Больше всего данных приходится на лето-осень, меньше - на зиму-весну. Максимальное количество наблюдений выполнено на Патагонском шельфе, в районах моря Скотия и Антарктического полуострова. Менее всего данных приходится на районы открытого океана, приблизительно от 45° з.д. - до 20° в.д. Больше всего станций с измерениями температуры, солености, растворенного кислорода, и значительно меньшее количество определений кремния и фосфатов.

При расчете величин новой продукции по потреблению фосфатов использовали соотношение С:Р=106:1 (Rediield et al., 1963), по потреблению кремния - соотношение 0:Si=23:I (Раймонт, 1983).

Продукционно-деструкционные процессы в районе градиентных зон ПФЗ изучали в XIV рейсе РТМС "Возрождение" весной-летом 1988 года, когда на фоне основного полигона (26-40° з.д., 48-52° ю.ш.) было выполнено четыре полигона мезомасштаба. Их размер составлял от 15 до 25 миль, расстояния между станциями - от 5 до 7 миль, время выполнения - от 1.5 до 2.0 суток.

В XXV рейсе НПО "Академик Книпович" летом-осенью 1990 года продукционно-деструкционные процессы изучал! на двух повторяющихся разрезах через ПФЗ по 40° з.д., разрезу от ПФЗ до Вторичной фронтальной зоны, а также на шельфе острова Южная Георгия.

Изучение гидрохимической структуры состояло из определений растворенного кислорода, кремния, фосфатов, различных форм азота -N0pr, аммонийного, нитритного, нитратного, мочевины, С0рГ, фито-пигментов. Все указанные элементы (кроме фитопигментов) определяли на проточном автоанализаторе Technicon II-АС по стандартным мето-

дикам. Вертикальное распределение хлорофилла "а" получали с помощью погружаемого комплекса "Акватрака".

Валовый N0pr определяли по методу Королева-Вальдеррама с добавлением персульфата калия в присутствии борной кислоты и щелочи автоклавированием в течение одного часа. Полученные окислы азота определяли на проточном автоанализаторе Technlcon AA-IIC.

В основе метода определения С0рГ на проточном автоанализаторе Technlcon лежит окисление углерода ОВ до С02 с помощью ультрафиолетового облучения в присутствии персульфата калия. Точность метода составляет ±0.02 мг/л при содержании CQpr меньше 1.2 мг/л и ±0.04 мг/л при содержании С0рГ более 1.2 мг/л. Весной 1988 определение CQpr проводили в фильтрованных пробах (использовали стекло-волокнистый фильтр GF/F), в 1990 году определяли валовый С0рГ и валовый NQpr.

В четвертой главе на основе сформированного средаемноголетне-го массива данных рассматриваются общие закономерности распределения кислорода, фосфатов и кремния. Увеличение концентраций этих гидрохимических характетистик происходит в южном направлении; отклонение от зональности отмечается меридионально вдоль побережья Южной Америки в Бразильском и Фолклендском течении, а также в море Скотия, где АЦТ принимает меридиональное направление.

На горизонтах 100, 150 и 200 м концентрация кислорода возрастает до зоны Антарктичекой дивергенции (АД), где происходит подъем теплой антарктической глубинной воды. Карты распределения кислорода показывают, что положение АД не стационарно и зависит от времени года. Крайне северного положения зона АД достигает в весенний период, когда она имеет максимальные размеры (60-65° ю.ш., 5-15° в.д.). В летний период зона АД смещается в юго-восточном направлении, приближаясь к побережью Антарктиды.

Для распределения фосфатов характерно увеличение их концентраций от 0.2 в субтропических, до более 2.4 мкг-ат/л в антарктических водах. В Бразильском течении содержание фосфатов изменяется от 0.2 до 1.4 мкг-ат/л. Зона АД по распределению фосфатов не выделяется .

Содержание кремния увеличивается от 5 мкг-ат/л на северной границе ПФЗ, до более 70 мкг-ат/л у берегов Антарктиды. Субантарктические воды характеризуются малыми значениями кремния весной, летом и осенью - до 5 мкг-ат/л. Зимой его содержание незначительно увеличивается до 10 мкг-ат/л. Количество кремния в районе Аргентинского побережья остается невысоким в течение всего года - около 2-5 мкг-ат/л.

Карты распределения гидрохимических величин позволяют проследить их сезонную изменчивость. Максимальное содержание величн гидрохимических характеристик отмечается в зимний период, минимальное - в летний. Например, от зимы к лету в Антарктике местами происходит уменьшение концентрации фосфатов от 2.4 до 1.25 мкг-ат/л, весной и осенью отмечаются промежуточные значения - 1.8-2.0 мкг-ат/л.

Анализ вертикального распределния растворенного кислорода, фосфатов и кремния показал, что нижняя граница их наибольшей изменчивости располагается на горизонте 50 м. Хотя концентрация фосфатов на горизонте 50 м остается высокой в течение всего года -около 1.8-2.0 мкг-ат/л (за исключением летнего периода).

Наиболее обеспеченна данными западная часть региона, поэтому здесь по распределению отдельных гидрохимических параметров выделили некоторые фронтальные зоны. Для всех карт характерно квазистационарное положение градиентной зоны вдоль побережья Южной Америки, связанное с взаимодействием субтропических и субантарктических вод. Исключение составляет кремний, содержание которого

невелико в этих водах.

По горизонтальному 'Градиенту кремния в период предшествующий развитию продукционных процессов хорошо выделяется Антарктический полярный фронт и Вторичная фронтальная зона. По осредненным картам от поверхности до 200 м в летний период на юго-западе моря Скотия можно выделить градиентные зоны кремния, соответствующие только ВФЗ. Распределение кремния в зимний и осенний период южнее АПФ носит равномерный характер.

На верхней границе АГВ по сгущению изооксиген выделяется Вторичная фронтальная зона. Весной содержание кислорода в этой зоне меняется от 5.5 до 7.25, летом от 5.5 до б.О, осенью от 6.5 до 6.0 мл/л.

Как было установлено в экспедиционных исследованиях, Субантарктический фронт хорошо выделяется по горизонтальному градиенту кислорода. Но по среднемноголетним данным это удалось проследить только для весны на горизонтах 100 м и 200 м, очень четко для лета на горизонте 200 м и осени на горизонте 100 м.

Рассматриваемый регион Южного океана подвержен значительной многолетней изменчивости, поэтому обострение горизонтальных градиентов гидрохимических параметров отмечается фрагментарно, лишь на горизонтах наименьшей изменчивости - 100, 150 и 200 м в наиболее обеспеченной гидрохимическими данными западной части региона.

К настоящему времени выполнено множество океанологических разрезов, описывающих структуру Южного океана. Все они отличаются друг от друга различным пространственным разрешением и комплексом определяемых гидрохимических параметров. Поэтому для анлиза гидро-химимической структуры региона и фронтальных зон был составлен сводный разрез распределения океанологических параметров.

При рассмотрении распределения температуры, солености, плот-

ности, растворенного кислорода, фосфатов, нитратов и кремния большинство выдающихся особенностей на вертикальных разрезах связано с фронтами. Фронты АЦТ легко выделяются как узкие районы резких горизонтальных градиентов всех параметров, которые простираются от поверхности в глубину.' В вертикальной плоскости фронты явно выделяются как районы увеличения наклона изолиний в общем южном направлении к антарктическому шельфу. Так как-большая часть промежуточной и глубинной воды в АЦТ состоит из единой водной массы -Циркумполярной глубинной воды (другое название АГВ), фронты легко выделяются один от другого в поверхностном слое, где они являются границами между различными водными массами. С глубинной фронты выделяются главным образом горизонтальными градиентами рассматриваемых параметров, которые характеризуются крутизной кроссфронталь-ного наклона изолиний.

В пятой главе по результатам экспедиционных исследований рассматривается гидрохимическая структура Полярной фронтальной зоны, ее сезонная изменчивость и факторы ее определяющие (прежде всего биотические). Весной 1988 года в период, предшествовавший началу развития процессов вегетации, САФ хорошо прослеживали по горизонтальному градиенту кислорода - 0.04 мл/л на милю, АПФ - по градиенту кремния - до 1.5 мкг-ат/л на милю.

После выявления градиентных участков в ПФЗ на фоне основного полигона было выполнено четыре съемки мезомасштаба. Период между выполнением фоновой и мезосъемок характеризовался значительным изменением гидрохимической структуры ПФЗ в поверхностном слое, особенно в районе Полярного фронта. За время между двумя съемками пересыщение вод кислородом превысило 15%, содержание фосфатов в районе АПФ уменьшилось с 2.0 до 0.85, кремния с 10-50 до менее 2.0 мкг-ат/л при неизменной гидрологической структуре вод. Концентра-

ция хлорофилла "а" стала достигать 4.5 мкг/л, причем минимальные величины хлорофилла "а" были характерны для участков с невысокой устойчивостью вод, максимальные - для трансформированных антарктических вод с повышенной вертикальной устойчивостью.

В период выполнения мезосъемок произошло изменение конфигурации изолиний гидрохимических характеристик, в результате чего нарушилось их совпадение с горизонтальными градиентами температуры и солености. В процессе жизнедеятельности фитопланктона отмечается перераспределение кислорода и биогенных элементов по пространству, в результате чего они оконтуривают пятнистое распределение фитопланктона. На границе зон цветения образуются градиентные зоны, наиболее ярко выделяемые по кремнию, которые можно условно назвать "биологическими" фронтами.

Фитопланктон и презде всего диатомовые водоросли потребляют биогенные элементы согласно стехиометрического соотношения, которое показывает, что больше всего в абсолютном выражении потребляется кремния. Поэтому из всех биогенных элементов наиболее обостренным на "биологических" фронтах является горизонтальный градиент кремния - до 3.5 мкг-ат/л на шлю.

По данным наших исследований в районе ПФЗ (к северо-востоку от острова Южная Георгия) в 1987-1990 гг проследили за сезонной и многолетней изменчивостью гидрохимической структуры (таблица I). В результате установили, что изменчивочть гидрохимической структуры находится под влиянием двух факторов: адвекции трансформированных уэдделломорских вод и интенсивностью продукциошо-деструкционных процессов. Первый фактор определяет тепловое состояние поверхностного 200-метрового слоя, в значительной степени определяя развитие фитопланктона.

Таблица I.

Сезонная изменчивость гидрохимических параметров в районе ПФЗ за период с октября 1987 г. по апрель 1990 г (в поверхностном слое)

Время °2 si-sio4 Р-Р04 N-N03 Si/P

наблюдений МЛ/Л мкг-ат/л

Октябрь, 1987* 6.8-8.2 10-50 1.4-2.2 20-32 5-25

Декабрь, 1987 6.8-8.4 5-25 1.0-2.0 10-25 <2.5- 15

Март-апрель, 1988 6.5-7.5 5-40 0.8-1.5 10-25 5-15

Июнь 1988 6.5-7.8 5-45 0.8-1.8 10-25 5-25

Июнь 1989 7.0-8.4 <5-35 0.8-2.0 10-25 <3 - 15

Октябрь, 1988 6.8-8.4 10-50 1.6-2.2 24-32 5-25

Январь, 1990** ** Апрель, 1990 6.5-7.8 <1-<1 - <Л0-<20 _

6.2-7.6 <2-> 10 < 1.0-> 1.6 <5->20 2.5- 8

Первая цифра соответствует субантарктическим водам в районе САФ; вторая - антарктическим водам в районе АПФ. ** Данные относятся к разрезу по 40° з.д.

Анализ проб, отобранных с поверхности при следовании через море Скотия (от Фолклендских до Южных Оркнейских островов) в летом 1990 года, показал практически полное потребление биогенных элементов фитопланктоном. Это привело к тому, что ПФЗ и ВФЗ по биогенным элементам выделить не удалось. Незначительное увеличение кремния - до 10 мкг-ат/л, отмечали только в районе Вторичной фронтальной зоны.

В шестой главе обсуждается распределение ОВ в Полярной фронтальной зоне весной 1988 года, в южной и юго-восточной частях моря Скотия летом-осенью 1990 года. В целом за исследованный период содержание С в ПФЗ, ВФЗ и на шельфе острова Южная Георгия харак-

теризовалось значительным разбросом величин - от аналитического нуля, до величин порядка 8.0 мгС/л.

Весной в период развития продукционных процессов максимальное содержание растворенного С0рГ в ПФЗ - до 8.0 мг/л, отмечали в районах с повышенной мезомасштабной завихренностью в поле течений. В вертикальном распределении растворенного С0рГ фиксировали несколько максимумов, связанных как с процессами продуцирования 0В в поверхностном слое, так и его накоплением, как правило, на границах Антарктической промежуточной водной массы (200-1000 м).

Летне-осенний сезон 1990 года был аномально теплым, поэтому весеннее цветение фитопланктона началось раньше, что отмечали по гидрохимическим показателям. В этот период на разрезе по 40° з.д. фоновое содержание валового С0рГ составляло около 0.2 мг/л, и увеличивалось до 2.94 мг/л в фотическом слое. Максимальное содержание валового С в слое 400-800 м - до 2.5 мг/л совпадало с повышен-

г

ным содержанием биомассы сестона и располагалось на границах Антарктической промежуточной водной массы (АПрВ). При движении на север с этой водной массой часть органического вещества, продуцируемого за вегетационный период, выносится за пределы экосистемы Антарктики в низкие широты.

В это же время в районе Вторичной фронтальной зоны накопление ОВ отмечали на верхней границе Антарктической глубинной водной массы. В водах нжной периферии АЦТ активно протекали процессы минерализации ОВ (минеральный азот превышал 70% от валового).

Для шельфовых и склоновых вод острова Южная Георгия было характерно незначительное содержание ОВ с концентрацией валового С0рГ около 0.2 мг/л. Однако содержание форм азота было довольно высоким: аммонийного до 1.6 мкг-ат/л, нитритного - до 0.5 мкг-ат/л, органического - до 20 мкг-ат/л. Из того, что отмечали повышенные

величины валового Ы0рГ вытекает, что также должно было быть повышенным содержание валового С0рГ, чего на самом деле не наблюдали. Очевидно, ОВ в этот период имеет состав, плохо поддающийся окислению до С0г УФ-окислением в присутствии персульфата калия.

Отношение валового С0рГ к валовому И0рГ подвержено значительной изменчивости. Как видно из таблицы 2, отмечается тенденция к уменьшению отношения от января к апрелю, что, очевидно, объясняется трансформацией ОВ от весны к осени. Наиболее изменчиво отношение валовых С0рГ и Ы0рГ в водах южной периферии АЦТ.

Таблица 2.

Отношение валового С к валовому N летом-осенью 1990 года.

Район исследования п -и

макс. миним. среднее

40°з.д., январь 7.7 0.8 3.9

40°з.д., апрель 4.9 0.1 0.8

шельф о.Южная Георгия, 2.3 0.1 0.2

февраль

разрез ПФЗ - Южные 9.8 0.1 2.8

Оркнейские острова,

март

Как правило, на участках, охваченных фотосинтезом, отношение валовых Сорг:Иорг было близко к 6 (т.е. к соотношению Редфилда), а где происходила минерализация ОВ отношение валовых С зна-

Р г

чительно ниже 6, видимо, в связи с недоокислением органического углерода до С02 при его определении.

В седьмой главе по среднемноголетним полям фосфатов и кремния

обсуждаются расчитанные величины новой продукции и их сезонная изменчивость, анализируется карта распределения значений первичной продукции (ГШ), построенная с привлечением литературных источников и карта основных факторов ее определяющих.

Первичную продукцию, создаваемую фитопланктоном, разделяют на новую, создаваемую при потреблении поступающих в эвфотический слой биогенных элементов, и регенирированную, создаваемую на основе рециклинга биогенных элементов. Для оценки продуктивности атлантического сектора Южного океана мы использовали метод расчета величин новой продукции, основанный на определении количества органического углерода ассимилированного фитопланктоном в единицу времени при потреблении одного из биогенных элементов. При этом не учитывается оборачиваемость биогенных элементов, поэтому получаемые величины новой продукции принимают как минимальные.

За первоначальные величины содержания кремния и фосфора принимали их концентрации в зимний период. Новую продукцию расчитывали на поверхности между зимой и весной, зимой и летом, зимой и осенью.

Новая продукция, расчитанная по сезонной изменчивости полей фосфатов, распределяется по пространству квазизонально и максимального значения достигает за период зима-лето и зима-осень (до 1600 мг С м-3), промежуточных за период зима-весна (1000-1200 мг С м-)3. Во все указанные периоды повышенные величины новой продукции отмечаются в районе Антарктического полуострова, где расположена Вторичная фронтальная зона.

По иному выглядит распределение новой продукции вдоль побережья Южной Америки - она здесь остается довольно высокой на протяжении всех трех периодов - более 1400 мг С м-3. Но своего максимального значения достигает в периоды зима-весна и зима-осень, что

очевидно связано со скоростью регенерации фосфатов.

Распределение новой продукции, расчитанной по изменению кремния, по сезонам различается незначительно. В периоды зима-весна и зима-лето наблюдается увеличение продукции в направлении южной

—3 —3

части моря Уэдделла до 2200 мг С м и до 2ООО мг С м соответственно. Осенью практически на всей поверхности моря Уэдделла не отмечается изменения содержания кремния, что вероятно, связано с наступлением процесса осенне-зимней конвекции.

Район с максимальной величиной годовой продукции, расчитанной по изменению кремния, располагается в проливе Брансфилд со значе-

з

нием около 1.2 г С/м в год. Увеличение продукции также отмечается

к северо-востоку от о.Южная Георгия. Здесь величина новой продук-

з

ции превышает 1.4 г С/ м в год.

При оценке величин годовой продукции по изменению фосфатов установили, что район с максимальными ее величинами - более 4.7

з

гС/м в год, расположен на Патагонском склоне. Здесь же необходимо выделить район Южных Оркнейских островов, где продукция составляет

о ,

более 1.0 г С/м в год.

На основании полученных карт величин новой продукции и по данным литературных источников построены карта распреления величин первичной продукции в весенний период, и карта районирования факторов, определяющих уровень развития первичной продуктивности в регионе. Интенсивность развития фитопланктона зависит от освещенности, содержания биогенных элементов и стратификации поверхностного слоя. Как правило, в рассматриваемом регионе очень сложно выделить преобладающий фактор, т.к. их влияние взаимосвязано и они проявляются комплексно.

Приблизительно к югу от 45° ю.ш. и до побережья Антарктиды огромное влияние оказывает освещенность, которая увеличивается с

наступлением весны. В неритических районах процессы первичного продуцирования в значительной степени зависят от стратификации, которая кроме прогрева и распреснения поверхностного слоя во многом определяется ветровым перемешиванием.

В субантарктических водах основным фактором, лимитирующим развитие фитопланктона, является концентрация биогенных элементов. Вдоль побережья Южной Америки количество биогенных элементов во многом определяется речным стоком, в первую очередь соединениями фосфора и азота. В антарктических водах основным биогенным элементом выступает кремний, который определяет развитие всей антарктической экосистемы.

Наиболее продуктивные районы с продукцией до 5.0 гС (мг в сутки)-1 циркумполярно опоясывают Антарктиду, именно в этой зоне отмечаются самые большие для Южного океана концентрации биогенных элементов.

На фоне низких величин первичной продукции в открытой части атлантического сектора Южного океана выделяются вытянутые в широтном направлении своеобразные "оазисы", соотвествующие неритическим областям и фронтальным зонам. Повышенная первичная продуктивность во фронтальных зонах определяется фронтальными процессами, которые условно можно разделить на гидрологические и биологические.

Циркумполярно водль ПФЗ следует зона с величиной продукции от 0.75 до 1.0 гС (м2 в сутки)-1, которая также находится под воздействием распреснения при весеннем таянии льда. Повышение величин ПП отмечается в неритических районах - в районе о.Южная Георгия, Фолклендских, Южно-Оркнейских островов, в районе о.Буве. Увеличение продуктивности вокруг островов происходит вследствие подъема вод и постоянному подтоку биогенных элементов.

Более 1.0 гС (м^ в сутки)-1 - такими величинами ПП характери-

зуется район Патагонского шельфа. Постоянное взаимодействие субантарктических и субтропических вод в этом районе приводит к образованию вихрей различного масштаба, в результате чего поверхностный слой обогащается биогенными элементами. Огромное влияние на первичную продуктивность в районе оказывает приток биогенных элементов с речным стоком.

Таким образом, по величинам первичной продукции атлантический сектор Южного океана является одним из самых продуктивных районов Мирового океана, что создает благоприятные условия для биопродуктивности других трофических звеньев, от зоопланктона до рыб и китообразных.

В заключении сформулированы основные научные результаты работы:

1. Сформирован наиболее полный массив многолетних гидрохимических данных, включающий материалы экспедиционных исследований ВНИРО, порейсовый массив для атласа Южного океана Гордона и Молинелли и данных, поступивших в ВНИИГМИ г.Обнинска до 1989 года. На основании этого массива проведен анализ полей основных гидрохимических показателей (растворенного кислорода, фосфатов и кремния), а также температуры и солености в масштабах всего атлантического сектора Южного океана.

Определены закономерности их пространственно-временной изменчивости. По основным гидрохимическим параметрам выделены фронтальные зоны, которые хорошо согласуются с гидрологическими.

При анализе гидрохимической структуры показано, что основные гидрологические фронты и Вторичная фронтальная зона наиболее четко выделяются в поверхностном слое, где они разграничивают различные водные массы.

2. Фронты хорошо проявляются в полях гидрохимических характеристик

-гона горизонтах наименьшей изменчивости: в поле растворенного кисло рода - Субантарктический фронт, в полях растворенного кислорода ] кремния - Вторичная фронтальная зона, в полях фосфатов и кремния ■ фронтальная зона Патагонского склона.

3. По данным экспедиционных^исследований весной-летом 1988 года 1 районе Полярного фронта по горизонтальным градиентам гидрохимических параметров выявлено наличие мезомасштабных областей активног< фотосинтеза. Условно эти градиентные участки можно назвать "биологическими" .фронтами. Лучше всего они идентифицируются по горизонтальному градиенту кремния, что связано с преобладанием диатомовых в популяции фитопланктона в Южном океане.

4. Анализ сезонной изменчивости полей гидрохимических характеристик позволил определить, что максимальное содержание растворенного кислорода, фосфатов и кремния характерно для зимнего периода, минимальное - для летнего.

Весной, при исследовании гидрохимических процессов в Юго-западной части атлантического сектора Южного океана (от Фолклендских до Южных Оркнейских островов), зафиксировали практически полное потребление биогенных элементов фитопланктоном, что привело I исчезновению градиентных зон гидрохимических параметров в района} Полярной и Вторичной фронтальных зон.

5. По минимальному содержанию величин кремния и фосфатов и максимальным концентрациям хлорофилла "а" установлено, что весеннее цветение фитопланктона в районе ПФЗ начинается в антарктическю водах на участках, вытянутых вдоль Полярного фронта и имеющих вид пятен с характерным масштабом порядка 10-15 миль.

6. Сезонная и многолетняя изменчивость гидрохимической структуры.! районе ПФЗ (к северо-востоку от острова Южная Георгия) определяется адвекцией трансформированных вод моря Уэдделла и интенсивность»

первичного продуцирования, обусловленной в значительной степени тепловым состоянием этих вод. В период холодной весны происходит значительно позднее, но более интенсивное цветение фитопланктона; в теплый период - цветение фитопланктона начинается раньше и протекает менее интенсивно.

7. Органическое вещество в поверхностном слое Полярной фронтальной зоны накапливается в районах с повышенной мезомасштабной завихренностью в поле течений; в глубинных слоях на границах Антарктической промежуточной и верхней границе Антарктичекой глубинной водных масс.

8. В Юго-западной части атлантического сектора Южного океана прослежена пространственно-временная неоднородность трансформации органического вещества. В то время как в районе ПФЗ происходит аккумуляция ОВ, в водах южной периферии АЦТ преобладает процесс его минерализации.

9. На основании полученных данных о распределении величин новой продукции выделены наиболее продуктивные районы атлантического сектора Южного океана (Патагонского склона, Антарктического полуострова, неритические области) и установлены пространственно-временные неоднородности в распределении популяции фитопланктона.

По содержанию хлорофилла "а", органического вещества, расчи-танным величинам новой продукции районы Полярной и Вторичной фронтальных зон относятся к наиболее продуктивным районам Мирового океана.

По теые диссертации опубликованы следующие работы:

I. Особенности гидрохимического режима вод в районе ЮПФЗ юго-западной части Атлантического океана. В сб.: Электрона карлсберга в Южной полярной фронтальной зоне. М., 1990, ВНИРО, с.90-109

- гг -

(Совместно с Мордасовой Н.В., Зубаревичем В.Л., Михайловским Ю.А., Селиным П.Ю., Бондаренко А.И).

2. Гидрохимия фронтальных зон Юго-Западной части атлантического сектора Антарктики. Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по комплексному изучении природы Атлантического океана. Калининград, 20-26 апреля 1991 года. (Совместно с Селиным П.Ю.).

3. Фронтальные зоны как экологические границы в атлантическом секторе Южного океана. Тезисы 'докладов IX конференции по промысловой океанологии. М., 1993, с.22-24.

4. Условия развития фитопланктона у южной границы Полярной фронтальной зоны атлантического сектора Антарктики. 1993.В: Пелагические экосистемы Южного океана. М.: Наука, с.125-126 (Совместно с Н.В.Мордасовой).

5. Dissolved organic carbon in waters of the Polar Frontal Zone ol the Atlantic Antarctic in the spring-summer'ol 1988-1989. 1992. Marine Chemistry, 37: 275-283.

6. Total organic carbon in waters of the southwestern Atlantic Antarctic during the summer-autumn season ol 1990. 1993. Russian Journal ol Aquatic Ecology, vol.2, N2: III-I22 (with P.Yu. Selln).

7 Influence of biotic factors on the hydrochemlcal structure of surface water in the Polar frontal Zone of the Atlantic Antarctic. 1994. Marine Chemistry, 45: 137-149 (with N.V.Mordasova).