Исследование изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет

Белов, Александр Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Исследование изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правахрукописи

Белов Александр Александрович

Исследование изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет.

25.00.28. - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 2004

Работа выполнена во Всероссийском институте рыбного хозяйства и океанографии (ФГУП ВНИРО)

Научный руководитель:

доктор географических наук, проф. В.В.Сапожников Официальные оппоненты:

доктор географических наук, проф. САДобролюбов

кандидат географических наук, П.Н.Маккавеев

Ведущая организация: ФГУП Каспийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства, г.Астрахань. (ФГУП КаспНИРХ).

Защита состоится «20» мая 2004 г в 15 часов на заседании диссертационного совета К 327.007.01 в Государственном Океанографическом институте по адресу: 119034, ГСП, г. Москва, Кропоткинский пер. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Океанографического института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

«ГЗ »О.К}1еал&2004 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

| рОС. НАЦИОНАЛЬНА* I

I библиотека |

! „у-зуэд

значительно ускорились, что хорошо прослеживается в изменениях гидрохимических параметров. На особенности гидрохимической структуры Каспийского моря огромное влияние оказывают колебания уровня. В условиях глобального изменения климата и прогнозируемого повышения уровня Каспийского моря весьма важно уметь правильно предсказать изменения гидрохимической структуры и процессов пополнения эвфотического слоя биогенными элементами. Знание тонкой гидрохимической структуры позволяет выделять мезомасштабные вихри, поскольку гидрохимические параметры служат маркерами динамических процессов. Сегодня- гидрохимические исследования Каспия весьма актуальны. Помимо того, что антропогенный прессинг на бассейн остается по-прежнему высоким, положение осложнилось появлением в 1999 году на Каспии гребневика, который к настоящему времени уже распространился почти по всему морю. Гребневик серьезно нарушил трофические связи и кругооборот биогенных элементов, что в высшей степени негативно сказалось на состоянии экосистемы.

Цель исследования. Целью - работы является анализ изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет, которые произошли в результате антропогенного воздействия и процессов, вызванных колебаниями уровня моря.

Задачи работы;

1) выделить основные факторы; которые привели к изменениям гидрохимической структуры Каспийского моря оценить степень их воздействия;

2) выявить влияние изменений гидрохимической структуры вод Каспийского моря- на биологическую продуктивность и трофические связи внутри экосистемы;

3) установить связь между высоким уровнем моря и обеднением эвфотического слоя биогенными элементами;

4) установить связь между высоким уровнем моря и ухудшением условий аэрации глубоководных котловин и нарастанием придонной гипоксии;

5) обосновать механизм формирования гипоксии и последующего образования сероводорода в глубоководных котловинах Каспия.

зарегулирование стока впадающих в Каспий рек. Впервые предпринята попытка не только на качественном, но и на количественном уровне отследить изменения гидрохимических параметров в зависимости от величины уровня моря. Впервые предложен сравнительный анализ между сценариями ухудшения экологической ситуации на Черном и Каспийском море и отмечено их близкое подобие. Появление гребневика Mnemiopsis leidyi в работе впервые связывается с изменениями гидрохимической основы биопродуктивности Каспийского моря и выходом экосистемы из равновесного состояния.

Практическая значимость. Данные и выводы, представленные в работе, имеют значение для оценки современного экологического состояния Каспийского моря, составления долгосрочных экологических прогнозов, разработки методов контроля структуры промысла и численности видов-вселенцев. В работе впервые привлечены данные, комплексных гидрохимических исследований КаспНИРХ и ВНИРО за период 1995-2003 гг., полученные для высокого уровня моря с применением современных CTD-зондов и новейшего лабораторного оборудования. По этим данным были созданы, карты распределения всех гидрологических и гидрохимических параметров. Помимо этого был заново нанесен на карту и материал более ранних исследований, включая съемки СВ.Бруевича. Распределение гидрохимических параметров представлено за различные годы на вековых разрезах, в поверхностном и придонном горизонтах, а также на горизонтах 20, 30,50,100 и 300 метров.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на отчетных конференциях ВНИРО в 2002 и 2003 гг., на международной конференции Aquaculture-2003 в Тронхейме (Норвегия), на международной конференции в рамках совещания SCOR'(Scientific Council for Oceanographic Research) «Integration of Russian and International Science in the Modern Oceanic Research» в Москве (2003), а также обсуждались на коллоквиумах Лаборатории морской экологии ВНИРО.

Публикации. По теме диссертации опубликовано и принято к печати, пять работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 123 страницы, включая 42 рисунка, 2 таблицы и список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна и практическая значимость работы. Приводится информация по новым гидрохимическим данным, которые были использованы в работе.

В первой главе дана физико-географическая характеристика Каспийского моря. Каспийское море является внутренним и располагается в материковой депрессии. Несмотря на то, что Каспийское море не имеет связи с океаном и по определению является озером, оно обладает всеми особенностями моря. Каспийское море вытянуто в меридиональном направлении и расположено между 47°07' и 36°33' с.ш. и 45°43' и 54°03' в.д. Протяженность моря по меридиану составляет около 1200 км при средней ширине в 310 км. Площадь моря при отметке уровня —27,5 м составляет 386,4 тыс. км2 (Гидрометеорология и гидрохимия морей. Том.У!. Каспийское море. Вып.1, Спб.: Гидрометеоиздат, 1992), далее - [Каспийское море, 1992]. Каспийское море в физико-географическом отношении принято делить на три части: северную, среднюю и южную. Такое деление хорошо подчеркивает особенности подводного рельефа моря. Северная часть моря мелководна, для средней и южной характерно наличие глубоководных впадин с максимальными глубинами.соответственно 788 и 1025 м. Агаперонский порог с глубинами в основном менее 100 м отделяет среднюю часть моря от южной. Наиболее крупные реки - Волга, Урал и Терек - впадают в Северный Каспий, при этом они вместе ответственны за 88% годового речного стока. Этим обуславливается особое положение Северного Каспия как источника аллохтонного материала для моря в целом. Эта часть моря отличается очень высокой биологической продуктивностью и служит районом нагула осетровых и других видов рыб. Метеорологические условия в разных частях Каспийского моря неодинаковы вследствие его большой меридиональной протяженности. Северный Каспий располагается в полосе континентального умеренного климата, западное побережье - умеренного теплого, юго-западное - в полосе субтропического. Климат пустынь господствует на восточном побережье. Солевой состав вод Каспийского моря отличается от океанического в силу его замкнутости. Процесс метаморфизации вод моря под влиянием материкового стока приводит к уменьшению относительного содержания хлоридов в общей сумме солей

морских вод, увеличению относительного количества карбонатов, сульфатов, кальция, которые являются основными компонентами в химическом составе речных вод (Гидрометеорология и гидрохимия морей. TOM .VI. Каспийское море. Вып.2. Спб.: Гидрометеоиздат, 1996), далее - [Каспийское море, 1996]. Соленость воды особенно резко изменяется в северной части моря: от 0.1%о в устьевых областях Волги и Урала до 10—11%о на границе со Средним Каспием. В Северном Каспии в течение всего безледного периода с апреля по ноябрь наблюдается соленостный фронт квазиширотного расположения. В средней и южной частях моря колебания солености невелики. В основном она составляет увеличиваясь с севера на юг и с запада на восток.

Особенностью Каспийского моря является отсутствие стабильного галоклина и с глубиной соленость возрастает всего на

Во второй главе приводится краткая история исследований Каспийского моря, начиная со времен Петра I. Более подробно рассматривается история гидрохимических исследований. Первые гидрохимические исследования Каспийского моря были выполнены в 1897 г. А. А. Лебединцевым. В основном им был проанализирован солевой состав каспийской воды и получен хлорный коэффициент. Большое значение имеют исследования Н.М.Книповича, опубликованные им в ряде работ [Книпович, 1921, 1923, 1930]. Комплексная океанографическая съемка всего моря была проведена под руководством С.В.Бруевича в 1933 году. Несмотря на то, что всего два разреза были выполнены в ходе работ, но они пересекли самую глубоководную часть моря, и был получен весьма ценный первичный гидрохимический материал, что позволило СВ.Бруевичу составить первое суждение о вертикальной гидрохимической структуре моря, обоснованное в более поздних работах [Бруевич, 1937]. В конце 1933 года был образован Всесоюзный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии, который получил на Каспии исследовательские суда и рыбохозяйственные базы. Благодаря этому в 1934 году была развернута очень обширная океанографическая деятельность, включая гидрохимические работы. В итоге только в 1934 году были выполнены четыре экспедиции во всех районах моря и во все сезоны. К этому времени уже была организована постоянная гидрометеорологическая служба, которая вела систематические наблюдения на Каспийском море на станциях и постах. Каспийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства (КаспНИРХ) организовал систематические

морские наблюдения по гидрологии, гидрохимии, гидробиологии и ихтиологии, которые продолжаются по настоящее время. С середины 50-х годов в системе Госкомгидромета под методическим руководством ГОИНа были организованы систематические гидролого-гидрохимические работы по всей акватории Каспийского моря. Начиная с 1960 г. планомерные гидрохимические исследования проводила Астраханская гидрометобсерватория. Качественно новый этап в гидрохимических исследованиях Каспийского моря начался в 1995 году после Волго-Каспийской экспедиции ВНИРО, в ходе которой применялись современные зонды и новейшее аналитическое оборудование.

В третьей главе рассматриваются изменения в горизонтальном и вертикальном распределении биогенных элементов в Каспийском море с 30-х годов по настоящее время. В начале главы на основании осредненных гидрохимических данных выделены основные закономерности пространственного распределения, биогенных элементов. Максимум концентраций располагается на устьевом взморье Волги. В Северном Каспии постоянно наблюдается фронтальная зона, при этом трансформированные речные воды отличаются повышенным содержанием биогенных элементов, более низкой температурой и соленостью. При удалении от авандельты Волги и переходе через фронтальную зону наблюдается резкий перепад в концентрациях минерального кремния, фосфатов, аммония, нитритов и нитратов. Положение и ширина гидрофронта характеризуется сильной межгодовой изменчивостью и имеет хорошую корреляцию с водностью Волги. Концентрация фосфатов при переходе через биогидрохимический барьер падают до аналитического нуля, в то время как содержание минерального кремния, который не является лимитирующим элементом, лишь уменьшается на Повышенные концентрации биогенных элементов наблюдаются в

районе Казахского апвеллинга и в центре циклонических круговоротов Среднего и Южного Каспия. Сильное воздействие на пространственное распределение биогенных элементов оказывают вихревые образования. Во второй части главы проводится анализ изменений в химическом стоке реки Волги после зарегулирования. Реки, впадающие в Каспийское море, приносят свыше 270 км3 воды в год, из них на долю Волги приходится 80-90% от величины общего речного стока [Каспийское море, 1996]. Анализ гидрохимических данных позволяет утверждать, что строительство многочисленных водохранилищ на Волге явилось первым фактором, который

привел к серьезным изменениям в экосистеме Каспийского моря. Помимо Волги, были запружены и все остальные крупные реки, впадающие в Каспий: Терек, Сулак, Самур, Кура и даже Урал (в верховьях). В среднем на реку приходится 2-3 плотины, а на Волге их восемь, не считая притоков. Большинство исследователей полагает, что год 1955 был последним годом естественного стока Волги [Барсукова, 1971]. Зарегулирование существенно изменило режим водного стока. Ранее сток Волги в декабре-марте не превышал 11% от общего годового стока. На вегетационный период приходилось в среднем 56% величины годового стока. После зарегулирования (начиная с 1960 г.) эти величины составили соответственно 26% и 44% [Яблонская, Зайцев, 1979]. Таким образом, водный сток Волги в период половодья уменьшился на 50-60%, а в зимние месяцы увеличился на 50-85%. Соответственно изменился и режим поступления биогенных элементов в экосистему моря. Во время «зимнего паводка» утилизация биогенных элементов невозможна, в то время как их поступление в период половодья сократилось. Однако не только режим химического стока подвергся серьезным изменениям, но также и его состав. Зарегулирование Волги фактически превратило реку в цепочку водохранилищ с застойным гидрологическим режимом, высокими концентрациями органического вещества и сложными трофическими связями [Зенин, 1965]. Уменьшения скоростей течений в водохранилищах привело к интенсивному захоронению биогенных элементов. Образовавшиеся водохранилища "зацвели" и большая часть фосфора и азота перешла в органические соединения. Кремний, который выносится реками в виде взвеси и коллоидов, в значительной мере осел в донные отложения водохранилищ. В результате почти вдвое уменьшилось поступление фосфатов и растворенной кремнекислоты, в 1.5 раза - азота и почти втрое взвешенного фосфора и кремния [Винецкая, 1968]. Аналогичные изменения произошли на Черном и Азовском морях. В результате изменений режима и состава химического стока реки Волги продукция фитопланктона и биомасса зоопланктона сократились примерно вдвое по сравнению с периодом естественного стока [Кун, 1965]. В свою очередь это отрицательно сказалось на формировании запасов рыб, питающихся планктоном. К примеру, численность обыкновенной кильки в 1961-1965 гг. уменьшилась в 2.5 раза по сравнению с периодом 1952-1960 гг. [Яблонская, 1979]. Площадь нерестилищ осетровых рыб только на Волге сократилась в 10 раз. Изменения в химическом стоке реки Волги были проанализированы в работах МП.Максимовой [Максимова, 1979, 1981,

1995]. Несмотря на то, что годичный вынос биогенных элементов волжскими водами в замыкающем створе имеет четко выраженную зависимость от водности года, соотношение биогенных элементов в речном стоке от водности не зависит. С конца 60-х годов в волжском стоке отмечается снижение соотношения концентраций минерального растворенного кремния к азоту и фосфору (Рис. 1). М.ПМаксимова объясняет этот факт увеличением содержания азота и фосфора антропогенного происхождения. Однако, как и на Черном море, где концентрации кремния в поверхностном слое после зарегулирования стока рек уменьшились на порядок, именно сокращение в поступлении кремния является основной причиной изменения соотношения Si:N:P. В то же время резко увеличился сброс растворенной органики, аммония и мочевины [Мусатов, 1976]. Следует учесть, что бассейн реки Волги является одним из самых густонаселенных районов России. Здесь расположены крупнейшие промышленные города Нижний Новгород, Самара, Волгоград, Казань, Саратов, Ульяновск, Ярославль и другие. Интенсивное антропогенное воздействие в волжском стоке отмечается с 1960-х [Каспийское море, 1996]. Непрерывно растет объем сбрасываемых в Волгу хозяйственно-бытовых и промышленных стоков. К 1978 году, когда уровень Каспия упал до -29.0 м и был построен весь каскад Волжских водохранилищ, величина безвозвратного водопотребления достигала 45 км3/год.

Э)/ N

а/Р

3.5

2.5-

1.5

3 -

2 -

1930 1940 1950 1960 1970 1980

1930 1940 1850 1960 1970 1980

Рис. 1. Многолетние изменения соотношения минерального растворенного кремния к различным формам азота в волжском стоке (по данным М.П.Максимовой).

Современные модельные расчеты подтверждают, что зарегулирование Волги при современной антропогенной нагрузке приводит к двукратному снижению стока фосфора в Каспийское море [Даценко, 2000]. Концентрации минерального кремния в поверхностном слое Северного Каспия снизились после зарегулирования стока Волги в среднем на ЗрМ [Каспийское море, 1996]. Во время съемок С.В.Бруевича в 30-х годах средние концентрации минерального кремния в поверхностном слое открытой части моря варьировали в пределах 10-15|дМ со средним значением 12.7цМ (Рис. 2). После зарегулирования стока наблюдается падение концентраций кремнекислоты в поверхностном слое, которое усилилось затрудненным обменом с зоной аккумуляции биогенных элементов в условиях повышения уровня моря. Так, в 1998 году, среднее содержание кремния в поверхностном слое составило всего 2.8(.|М. Изменения концентраций фосфатов и нитратов невозможно зафиксировать в силу активного потребления этих соединений сообществом фитопланктона летом. В третьей части главы рассматривается влияние колебаний уровня моря на вертикальное распределение биогенных элементов. Вертикальная гидрохимическая структура Каспийского моря впервые была исследована С.В.Бруевичем,

47 48 49 $0 51 52 53 54 55 47 44 49 50 51 52 53 54 55 47" 4«" 49- 50* 5Г 5Г 53* 54" 55'

Рис. 2. Изменение поверхностных концентраций минерального кремния в

характерные годы (август).

который выделил две основные зоны - поверхностный слой до 100 метров, в котором преобладают процессы потребления биогенных элементов и наблюдаются низкие их концентрации и глубинную зону, где биогенные элементы аккумулируются (от 100 метров до дна). В работе С.В.Бруевича [Бруевич, 1937] в частности указывается, что «...всякое повышение уровня моря сопровождается торможением химического обмена между зонами обеднения и аккумуляции биогенных элементов». Колебания уровня свойственны Каспийскому морю и в течение нашей эры имело место шесть крупных трансгрессий Каспия. С начала инструментальных наблюдений (конец XIX в.) уровень Каспийского моря понижался до 1977 года, когда был зафиксирован минимум за 500 лет (-29 м. от уровня Балтийского футштока). Размах колебаний составил 7 метров. С 1900 по 1929 год уровень изменялся незначительно в районе отметки -26.2 м. В период с 1930 по 1941 гг. уровень резко упал на 1.8 метра и остановился на отметке -28 м. В дальнейшем (40-50е годы) наблюдалось медленное понижение уровня, а в 60е его стабилизация около отметки -28.4 м. В 1977 году уровень достиг минимума (-29.0 м), а уже в 1978 начал повышаться и в 1991 приблизился к отметке -27.1 м. Максимальная величина уровня (-26.2 м) была отмечена в 1995 году, в последние годы уровень колебался в районе -27.0 м. Величина уровня Каспийского моря имеет жесткую корреляцию с его соленостью и падение уровня на 1 метр приводит к осолонению поверхностного слоя приблизительно на 0.26%о и наоборот [Бруевич, 1937]. Отсутствие в Каспийском море четко выраженного галоклина приводит к тому, что даже самые незначительные изменения солености сильно влияют на глубину проникновения конвекции, которая служит основным источником для обновления запаса биогенных элементов в поверхностном слое. Фосфаты наиболее ярко иллюстрируют особенности вертикального распределения биогенных элементов, поскольку восстановление фосфатов происходит значительно труднее, чем нитратов и сульфатов, а потому нет искажений в увеличении концентраций ко дну. Повышенные концентрации фосфатов в придонном слое наблюдались в 1934 году и составляли для

Среднего и 2.7цМдля Южного Каспия (Рис. 3.). Понижение уровня моря в 70-х годах привело к обогащению поверхностного слоя за счет вовлечения в процессы формирования биопродуктивности биогенных элементов из зоны аккумуляции и даже из донных отложений. Разница в концентрациях для

поверхностного слоя по сравнению с периодом высокого уровня была

положительна и колебалась в пределах 0.4-0.бцМ [Добровольский и др., 1986]. Средняя концентрация фосфатов в поверхностном слое для периода 1962-1969 гг. составляла 0.16цМ. За период 1970-1977 гг. эта

Рис. 3. Концентрации фосфатов (рМ) на разрезе Дивичи-Кендерли в Среднем Каспии в характерные годы (август).

величина составила уже 0.73(1М. Одновременно было отмечено снижение концентраций в нижележащих слоях моря. Последующее повышение уровня и ухудшение условий вертикального перемешивания способствовали процессу накопления биогенных элементов в глубинных слоях. В 1983 году придонные концентрации фосфатов в Среднем и Южном Каспии составляли 1.1 цМ и 1.7цМ. Аналогичные изменения прослеживаются по минеральному азоту и кремнию. В начале века придонные концентрации силикатов в Среднем Каспии составляли 130|1М. Затем последовало их резкое снижение до 30-50цМ в 1976 году и восстановление значений 30-х годов в 1983. В настоящий момент процесс накопления кремния в придонных слоях продолжается и концентрации в Дербентской впадине достигли Подтверждение описанным выше

процессам может быть найдено и в биологических данных. Так в работе Кузьмичевой [1991] отмечено, что многолетние изменения биомассы эвритеморы - одного из трех основных видов каспийского зоопланктона — отражают изменения первичной продуктивности глубоководной части моря. В 1935-1943 гг. биомасса находилась на низком уровне, а в конце 40-х - начале 50-х годов

достигала максимальных значений в Среднем Каспии и несколькими годами позднее - в Южном. Она была в 5-6 раз выше, чем в ЗО-х годах. В дальнейшем наблюдалось постепенное снижение биомассы эвритеморы. В настоящий момент основное влияние на распределение зоопланктона оказывает гребневик.

В четвертой главе рассматривается распределение органического вещества в Каспийском море, его качественные и количественные изменения за последние 70 лет. Изучение растворённого (РОВ) и взвешенного (ВОВ) органического вещества, изменчивости его концентраций' и биохимического состава во времени и пространстве необходимо для понимания процессов, формирующих и поддерживающих функционирование морской экосистемы. Многочисленными исследованиями показано, что РОВ и ВОВ, а также их биохимический состав меняются как в зависимости от интенсивности первичного продуцирования, т.е. от трофности вод, так и от интенсивности преобразования органического вещества (ОВ) - соотношения скоростей продукционно-деструкционных процессов. Проведённые ранее в Каспийском море наблюдения [Дацко, 1936] органического вещества не отражают современного состояния экосистемы, которая за прошедшие 70 лет претерпела значительные изменения. Методы определения содержания ОВ в морских водах за истекший период также существенно изменились. Поэтому, проводимые ВНИРО начиная с 1995 г. биохимические анализы каспийских вод стали по настоящему первыми исследованиями такого рода. Содержание ОВ в Каспийском море в среднем в 2-3 раза выше, чем в Черном море, что обусловлено замкнутостью бассейна [Яблонская, 1971]. Более 90% азота и фосфора в эвфотическом слое находятся в составе органических соединений. Концентрация растворенного в Каспийском море колеблется в очень

широких пределах (7-15 мг/л) [Сапожников и др., 1996]. Это указывает на неоднородность процессов, формирующих экосистему. Распределение органического вещества по акватории Каспийского моря обусловлено положением зон интенсивного первичного продуцирования с одной стороны, динамикой вод и аллохтонным поступлением ОВ с другой. В летне-осенний, период большая часть ОВ имеет автохтонное происхождение и создается в максимуме фитопигментов. В Северном Каспии и в северных районах Среднего Каспия значительная часть ОВ является аллохтонным. В положительную часть баланса органического вещества входят первичная продукция, сток рек, атмосферные осадки, адвективный перенос и разложение детрита. В

отрицательную - расход на продукцию зоопланктона, потребление бактериями, седиментация взвешенного ОВ и вынос в соседние акватории. Большие концентрации органического вещества, таким образом, наблюдаются в Северном Каспии, продуктивность которого велика по сравнению с другими районами моря и здесь же значителен вклад аллохтонной органики, поступающий со стоком Волги. Западная часть Мангышлакского порога подвержена интенсивному влиянию трансформированных волжских вод, несущих высокие концентрации ОВ - в отдельных случаях до 12 мг/л. Для сравнения - предел растворенного органического вещества в океанской воде, поддерживаемый деятельностью бактерий составляет около 10 мг/л [Sveгdгup, 1957]. Повышенные концентрации ОВ наблюдаются в районе Казахского апвеллинга (10-12 мг/л С0рГ) за счет подтока биогенных элементов из глубинных слоев и большой интенсивности фотосинтеза, которая зависит от степени развития апвеллинга [Гершанович, 1990]. Области высоких концентраций в летний период прежде всего определяются положением зон интенсивного первичного продуцирования. По вертикали наибольшие концентрации приурочены к слою максимального содержания хлорофилла и максимального пересыщения вод кислородом: В 1936 году ВХ.Дацко определил содержание органического вещества в водах Среднего Каспия колориметрическим методом. Анализ этих данных позволяет предположить, что среднее содержание органического углерода в открытых частях Каспийского моря было близко к 6 мг/л. Концентрации в 1963 году согласно данным, приведенным в работе А.С.Пахомовой и Б.М.Затучной [1966], составили уже 8.3 мг/л. Эвтрофикация водохранилищ, построенных на реках, впадающих в Каспий, привела к резкому увеличению в поступлении органических соединений, аммония и мочевины. Средние концентрации растворенного органического углерода, полученные в ходе работ ВНИРО с 1995 г. по настоящее время, превышают 9 мг/л. Это означает, что концентрации ОВ в Каспийском море возросли по сравнению с 40-ми годами на 30%, а в отдельных районах - в два раза [Сапожников и др, 2003]. Бурное развитие, нефтедобычи на Каспии усиливает эвтрофикацию бассейна за счет поступления готового органического вещества в виде нефтепродуктов. Существующие оценки запасов каспийской нефти варьируют в пределах 7-22 млрд. тонн. Объемы добычи неуклонно растут, проводятся разведки и бурение в Северном Каспии, что никогда не имело места в прошлом. Необходимо отметить, что в

целом экосистема Каспийского моря приспособлена к большому количеству поступающих углеводородов. Поскольку нефть всегда поступала в бассейн естественным путем, то в Каспийском море присутствует специфическая микрофлора, специализирующаяся на утилизации и переработке нефтяных загрязнений. При поступлении нефтепродуктов в каспийскую воду, на них быстро развиваются бактерии и грибы, которые переводят нефть в более безопасные для экосистемы соединения. Однако, даже при безаварийной, нормальной работе каждая буровая сбрасывает в море 30-120 тонн нефти, 150400 тонн бурового шлама, 200-1000 тонн буровых выработок в год [Хубларян, 2000]. На Северном море. суммарные. потери составляют. 0.1% от добытой нефти. Если принять.такую же цифру для Каспия, то в море ежегодно будет поступать порядка 370 тысяч тонн нефти. Как показали исследования КаспНИРХ, продукция фитопланктона в районах бурения может снижаться на 40-50%. При концентрациях отходов бурения в 0.5-2.0 г/л токсикологический эффект сказывается и на рыбах [Горбунова и др., 2001]. В местах постоянного загрязнения нефтью происходит снижение биомассы бентоса [Карпинский, 2002]. Зоопланктон более подвержен воздействию бурового шлама, чем бурового раствора. К поражающим факторам следует отнести физическое повреждение органов фильтрации, питания и дыхания. Совместно с гребневиком этот фактор способствует сильному угнетению зоопланктона и недостатку питания пелагических рыб. Эвтрофикация бассейна приводит к смещению равновесия в трофических связях в сторону бактерий и простейших, которые способны быстро усваивать органическое вещество и менять свой метаболизм, то есть быстро переключаться на тот источник энергии, который присутствует в экосистеме в большом количестве. При этом микрогетеротрофы меняют параметры среды, что плохо сказывается на остальных звеньях трофической цепи. Таким образом, баланс в процессах трансформации энергии смещается в сторону низших гетеротрофных уровней, в то время как более высокие испытывают недостаток в питании. Процесс перестройки трофических связей открывает много новых экологических ниш, при этом преимущество, получают виды, способные давать вспышки численности, не требовательные к среде обитания и приспособленные к усвоению широкого пищевого спектра. Немаловажную роль играет также изолированность бассейна и сравнительная видовая бедность фауны Каспийского моря. Таким образом, создаются условия для появления видов-вселенцев, подобных гребневику Mnemiopsis 1в1(1у1,

которые с экологической точки зрения являются «трофическими тупиками». В результате веками отлаженная пищевая цепь в экосистеме разрушается. Гребневик был впервые обнаружен на Каспии летом 1999 года и за год распространился по всему морю. Меридиональное расположение Каспийского моря и очень большой горизонтальный градиент температуры позволяют гребневику сохранять постоянную популяцию на юге моря. Основу ихтиофауны пелагиали Каспийского моря составляют три вида килек, которые достигали в общих промысловых уловах России до инвазии мнемиопсиса около 70%. За последние три года только российские уловы килек снизились с 150,6 тыс.т в 1999 г. до 32,0 тыс.т в 2002 г [Биологическое обоснование по вселению Вегое оуШа в Каспийское море, 2003]. С появлением в водоеме мнемиопсиса уже к 2001 г. резко сократился видовой состав зоопланктона Среднего и Южного Каспия. Биомасса зоопланктона в Южном Каспии сократилась в 10 раз, в Среднем Каспии - в 6 раз. Гребневик мнемиопсис, подорвав биомассу зоопланктона, стал конкурентом в питании планктоноядных рыб и, в первую очередь, трех видов килек. Вселение гребневика в море привело к тому, что определяющая роль в потоке вещества и энергии стала принадлежать низшим гетеротрофным уровням. Исследования бактериофауны, проведенные в Северном Каспии в августе 2002 г., подтверждают данный вывод. Численность бактериопланктона резко возрастает в водах Среднего Каспия и имеет четкую корреляцию с численностью гребневика. Гребневики - важнейшие участники круговорота биогенных веществ в водоеме. В процессе интенсивного питания зоопланктоном в окружающую среду гребневиком выделяется большое количество легко разлагаемого органического вещества. В период своего массового развития гребневик может занимать ведущее место в деструкционных процессах азотсодержащих компонентов зоопланктона и циклах превращения азота в экосистеме. Массовое развитие гребневика находит отражение в гидрохимических параметрах. В августе 2002 года в Северном Каспии производились одновременные исследования численности и биомассы гребневика, характеристик фито- и зоопланктона [Шиганова и др.,. 2003] и определялись гидрохимические параметры [Сапожников и др., 2003]. Была отмечена хорошая корреляция максимумов численности гребневика с максимальными концентрациями аммонийного азота, а также органического азота (Рис. 4.).

47* 48" 49' 50* 5Г 52* 53* 47* 48' 49' 50* 5Г 52* 53*

Рис. 4. Численность гребневика Mnemiopsis 1в1(1у1 (экз./м2) - (а) и концентрация растворенного органического азота (рМ) - (б) в поверхностном слое Северного Каспия в августе 2002 г [Шиганова и др., 2003].

Вселение гребневика способствует изменению экосистемы Каспийского моря в следующих направлениях: 1) повышение концентраций органического вещества в воде и в донных отложениях, 2) усиление бактериальных процессов, 3) ускорение кругооборота биогенных элементов и синтеза первичного органического вещества, 4) увеличение площадей, охваченных гипоксией, в придонном горизонте Северного Каспия. Для Каспийского моря проблема гребневика осложняется тем, что за прошедшие три года исследований (20002003 гг.) не выявлено сколько-нибудь существенного его потребления местными аборигенными гидробионтами. В силу этого обстоятельства рассматривается вопрос о вселении в Каспийское море гребневика Вегое оуШа, который является облигатным хищником по отношению к Mnemiopsis leidyi. Однако в настоящий момент трудно представить себе долгосрочные последствия для экосистемы от вселения нового вида гребневика. В заключительной части главы анализируются данные по первичной продукции (ПП). Первые измерения ПП были выполнены во время экспедиции 1934 г. С.В.Бруевичем. Однако ввиду того, что метод суточных станций был весьма несовершенен, эти данные сложно использовать. До зарегулирования стока р.Волги первичная продукция в Северном Каспии определялась Н.И.Винецкой [1957]. Средние значения суточной продукции составили 0.19 гС/м3. Сопоставление данных Н.И.Винецкой с определениями ПП в 1971 году показывает, что за 15 лет значения возросли в 1.5-2 раза [Салманов, 1999]. Увеличение значений ПП следует связывать с возрастанием потока

органического вещества и доли продукции, создаваемой на рециклинге биогенных элементов. В 1995 году прямые определения первичной продукции проводились ВНИРО в водах Среднего Каспия. На большей части акватории ПП превышала 1.0 г-С/м2-сут, достигая значений 3.0 гС/м2хут в районе Казахского залива [Сапожников и др., 1996]. Преобладание аммония в минеральных соединениях азота и большие величины БПК (0,15 мл О2/л) свидетельствуют о значительном вкладе в продукцию процессов регенерации биогенных элементов и их последующей утилизации при создании ПП на рециклинге. В ходе биохимических исследований удалось оценить активность фермента щелочной фосфатазы. Средняя величина составила 0.005 мг-атР/м3 [Агатова и др., 2001]. Поскольку в период наблюдений (август) концентрации азота и фосфора в поверхностном слое были близки к аналитическому нулю, а продукционные процессы. по-прежнему продолжались, очевидно, что сообщество фитопланктона полностью перешло на существование за счет высвобождения фосфата при разложении органического вещества. При расчете было учтено, что большая часть регенерированных биогенных элементов будет потреблена бактериями, которым требуется в 4 раза: больше фосфора, чем водорослям. При средней толщине эвфотического слоя 20 метров продукция фитопланктона на рециклинге биогенных элементов может, быть оценена в 0.36 гС/м2-сут. Таким образом, доля продукции, создаваемой: на рециклинге биогенных элементов превышает'30%. Параллельно проведен расчет «новой» первичной продукции по зимнему запасу биогенных элементов и их убыли в эвфотическом слое после начала вегетации. Доля «новой» первичной продукции колеблется в пределах 50-60%. Можно предположить, что ограничение вертикальной циркуляции в условиях высокого уровня моря, увеличение скоростей продукционно-деструкционных процессов, вызванное эвтрофикацией и воздействием гребневика, приведут к дальнейшему снижению величин «новой» первичной продукции.

В; пятой главе анализируются' многолетние колебания содержания растворенного кислорода в глубинных слоях Каспийского моря. В ходе работы Каспийской экспедиции 1914-1915 гг. ниже 400-500 метров были зафиксированы. концентрации кислорода, не превышающие 2мл/л. У дна кислород не был обнаружен вовсе. Спустя 20 лет, во время исследований С.В.Бруевича, когда, как и сейчас, наблюдался высокий уровень моря, концентрации кислорода в глубинных слоях Южного Каспия были очень малы

и составляли в среднем всего 0.5мл/л. Более того, в придонном слое Южного Каспия был обнаружен сероводород в концентрациях 0.1-0.3мл/л. Резкое понижение уровня моря в 30-е годы существенно изменило гидрохимический режим моря. Произошло значительное обогащение придонных слоев за счет более интенсивной зимней вертикальной циркуляции в условиях осолонения поверхностного слоя, поскольку ведущая роль в формировании гидрологической структуры моря принадлежит именно процессам конвективного перемешивания [Каспийское море, 1996]. При понижении уровня моря дефицит кислорода в придонных слоях впадин Среднего и Южного Каспия сильно уменьшился. К концу 50-х - началу 60-х насыщение кислородом глубинных вод Среднего Каспия на горизонтах 400 и 600 м возросло на 11 и 16% соответственно по сравнению с 1930-1940 гг. Отмечал ось"! усиление осеннее-зимней конвекции и возрастание придонных концентраций до 3.0-3.5мл/л в Среднем Каспии и 2.0мл/л в Южном [Пахомова, 1966]. В 1977 . году была достигнута минимальная отметка уровня моря, после чего уровень начал подниматься. В глубинных слоях наблюдался процесс повышения солености и повышения статической устойчивости каспийских вод. Тем не менее, содержание кислорода оставалось высоким вплоть до 1983 года, когда концентрации в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия составили соответственно 2.4 и 3.6 мл/л.

Рис. 5. Придонные концентрации растворенного кислорода (мл/л) по материалам съемок в августе 1983,1998 и 2002 гг.

По данным ВНИРО отмечается последовательное уменьшение содержания кислорода у дна с 1983 года по настоящее время в соответствии с повышением уровня моря. Как видно из сопоставления данных о распределении растворенного кислорода у дна в 1983 году и в последние годы, зоны с придонной гипоксией заметно увеличиваются как в Среднем, так и в Южном Каспии (Рис. 5.). Одновременно отмечается процесс накопления биогенных элементов в глубоководных впадинах. Особенности конвективного' перемешивания в Среднем и Южном Каспии позволили сделать прогноз появления сероводорода в ближайшие годы в Южнокаспийской котловине [Сапожников, Белов, 2003]. Максимальные значения сероводорода в глубинных слоях были зафиксированы СВ.Бруевичем в 1934 году в Южнокаспийской впадине и равнялись 0.29 мл/л. Лаборатория морской экологии ВНИРО ведет мониторинг содержания кислорода в придонных слоях Каспийского моря с 1995г, когда практически закончился подъем уровня и дальнейшие его колебания происходили в районе отметки -27.0 м. Предполагалось, что сохранение высокого уровня в течение 3-5 лет приведет к появлению устойчивой стратификации из-за распреснения поверхностного слоя и ограничения глубины проникновения зимней вертикальной циркуляции. Однако более глубокие исследования процессов, определяющих аэрацию глубинных вод и нарастание гипоксии, показали, что высокий уровень является лишь необходимым, но недостаточным условием возникновения сероводорода. Гидролого-гидрохимические исследования, выполненные в августе-сентябре 2002 в Среднем и Южном Каспии на НИС "Исследователь Каспия", позволили зафиксировать существенное нарастание гипоксии у дна в котловине Южного Каспия по сравнению с предшествующим годом. В Южнокаспийской котловине в 2001 году придонные значения кислорода равнялись 1.4 мл/л на глубине 900 метров, в то время как придонные значения растворенного кислорода в Среднем Каспии на глубине 700 м не превышали 0.7 мл/л. Предыдущее лето 2000 г было очень жарким и поверхностные воды Южного Каспия прогрелись до 30°С. За счет сильного испарения на поверхности могут, удерживаться воды с соленостью до 12.9%о. При охлаждении до 6°С зимой достигается значение условной плотности а|=10.2 ед., что обеспечивает перемешивание до дна [Сапожников, 2002а]. В 2002 году концентрация растворенного кислорода в Дербентской впадине осталась на том же уровне, в то время как в Южнокаспийской котловине содержание кислорода упало на 1

мл/л и составило лишь 0.35-0.4 мл/л. Очевидно, что в Южном Каспии зимняя вертикальная циркуляция не достигла дна. Летом 2001 года поверхностные южно-каспийские воды не были достаточно прогреты (25°С), что уменьшило интенсивность испарения. Вследствие этого в августе 2002 г в поверхностном слое центральной части Южного Каспия соленость составила лишь 12.7%о, что негативно повлияло на глубину проникновения вертикального перемешивания. Нарушение процессов перемешивания немедленно нашло отражение в повышении придонных концентраций биогенных элементов по сравнению с 2001 г [Сапожников и др., 2003]. Наблюдаемое состояние водной толщи в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия достаточно устойчиво. Для полного исчерпания кислорода и появления сероводорода в придонных водах Среднего Каспия необходимо несколько теплых зим подряд, когда» конвекция не будет достигать дна. В Южном Каспии условием образования сероводорода является, очевидно, несколько относительно прохладных летних периодов, когда не формируются высокосоленые поверхностные воды. Таким образом, для полного исчерпания кислорода и появления сероводорода требуются аномальные условия, вероятность наступления которых невелика. Очевидно, именно поэтому при всех достоверных случаях обнаружения сероводорода фиксировались малые его концентрации. При средних величинах биологического потребления кислорода за одни сутки БИК\ = 0.01 мл/л очевидно, что за 100 суток будет израсходован 1 мл/л растворенного кислорода, т.е. скорости утилизации кислорода, даже с учетом падения температуры воды ко дну, очень велики [Сапожников, 1996]. Если бы периодически не происходила аэрация глубинных вод, весь кислород был бы давно утилизирован, более того, было бы достаточно велико содержание сероводорода. Однако отсутствие мощного пикноклина в Каспии обеспечивает достаточную аэрацию глубинных вод, и для появления даже небольших количеств сероводорода требуется сочетание аномальных условий, ограничивающих зимнюю вертикальную циркуляцию. Появление сероводорода завершит перестройку гидрохимической структуры Каспия, которая началась при подъеме уровня до -27.0 м. Максимально увеличатся концентрации кремнекислоты и фосфатов в глубинных котловинах Среднего и Южного Каспия, а вместо нитратов, которые в сероводородных водах будут полностью израсходованы в процессе тиоденитрификации, появятся довольно высокие значения аммонийного азота. Таким образом, произойдет дальнейшее

обеднение поверхностного слоя в отношении биогенных элементов, т.е. уменьшится «новая» первичная продукция, и, как следствие, ухудшатся условия питания кильки и других пелагических рыб.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.

1. Показано, что изменение гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет является результатом как интенсивного антропогенного воздействия, так и процессов, вызванных естественными колебаниями уровня моря.

2. Выделен основной антропогенный фактор в изменении гидрохимической структуры - зарегулирование стока р. Волги и других рек, впадающих в Каспийское море. Показано, что изменениям подверглись как режим поступления биогенных элементов в экосистему моря, так и состав химического стока.

3. Показано ослабление процессов конвективного перемешивания в условиях высокого уровня Каспийского моря, что приводит к' недостаточному поступлению биогенных элементов в эвфотический слой и их накоплению в глубинных слоях.

4. Продемонстрировано увеличение зон гипоксии в придонном слое глубоководных впадин Каспийского моря в последние годы. Сформулированы необходимые и достаточные условия появления сероводорода в Дербентской и Южнокаспийской впадинах.

5. Проведена аналогия между сценариями развития экологической ситуации в Азово-Черноморском бассейне и в Каспийском море и отмечено их близкое подобие.

6. Показано, что антропогенное воздействие на Каспийское море посредством зарегулирования стока, сброса хозяйственно-бытовых и промышленных стоков и загрязнения при нефтедобыче, привело к сильно выраженной эвтрофикации бассейна.

7. Проведен анализ причин появления гребневика Mnemiopsis 1е1(1у1 в Каспийском море, при этом главенствующая роль отдана фактору эвтрофикации и нарушения равновесия в экосистеме моря.

8. Выдвинуто предположение о том, что величины «новой» первичной продукции в дальнейшем будут уменьшаться вследствие обеднения поверхностного слоя биогенными элементами в условиях ограничения обмена с зоной аккумуляции биогенных элементов и увеличения скоростей продукционно-деструкционных процессов при сохранении высокого уровня.

Публикации по теме диссертации.

1. Сапожников В.В., Белов АЛ., Зозуля Н.М., Мартынова ЕЛ.

Гидрохимические исследования Северного Каспия на НИС "Медуза", август 2002 г // Океанология 2003. Т.43. №4. С.627-631

2. Сапожников В.В., Белов АЛ. Условия появления сероводорода в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия // Океанология. 2003. Т.43. №3. С.368-370.

3. Шиганова Т.А., Сапожников В.В., Белов А.А., Мусаева Э.И., Доманов М.М., Булгакова Ю.В., Зернова В.В., Кулешов А.Ф., Условия, определяющие распределение гребневика Mnemiopsis leidyi и его воздействие на экосистему Северного Каспия // Океанология. 2003. Т.43. №5. С.716-733.

4. Belov A. The changes in the chemical basis ofbiological productivity of the Caspian Sea as the main cause of biological catastrophe // Тезисы докладов международной конференции «Integration of Russian and International Science in the Modern Oceanic Research», M, ИО PAH, 2003.

5. Sapozhnikov V., Belov A. Changes in the chemical basis of the biological productivity of the Black, Azov, and Caspian seas as the main cause of ecosystem's balance disturbance leading to biological catastrophes // Materials of the "Aquaculture-2003" conference, Trondheim, 2003. p.25-29.

Подп. в печать 13.04.04 Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 42 ВНИРО. 107140, Москва, В. Красносельская, 17

ч 7327

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Белов, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ. стр.

ГЛАВА 1. Физико-географическая характеристика Каспийского моря. стр.

1.1 Географическое положение и рельеф. стр.

1.2 Метеорология и гидрология.стр.

ГЛАВА 2. История исследований Каспийского моря. стр.

2.1 Географические исследования. стр.

2.2 Гидрометеорологические и гидрохимические исследования. стр.

2.3 Методы гидрохимических исследований и сравнимость данных. стр.

ГЛАВА 3. Изменения в распределении биогенных элементов. стр.

3.1 Основные закономерности пространственного распределения биогенных элементов в поверхностном слое. стр.

3.2 Изменения в химическом стоке реки Волга после зарегулирования. стр.

3.3 Влияние колебаний уровня моря на пространственное и вертикальное распределение биогенных элементов. стр.

ГЛАВА 4. Изменения в концентрациях органического вещества. стр.

4.1 Методы определения органического вещества. стр.

4.2 История исследования органического вещества в Каспийском море. стр.

4.3 Пространственное распределение органического вещества. стр.

4.4 Изменения концентраций органического вещества с 1940-х гг.стр.

4.5 Гребневик Л/лет/о/ш'^ Ыйу1 и его влияние на экосистему моря. стр.

4.6 Анализ величин первичной продукции фитопланктона. стр.

ГЛАВА 5. Развитие гипоксии в глубинных слоях впадин Каспийского моря и основные закономерности появления сероводорода. стр.

5.1 Сезонная гипоксия в Северном Каспии.стр.

5.2 Развитие представлений о механизмах аэрации глубинных слоев Каспийского моря. стр.

5.3 Многолетние колебания растворенного кислорода в глубоководных впадинах моря. стр.

5.4 Условия появления сероводорода в глубоководных впадинах. стр.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет"

Актуальность проблемы. Каспийское море является самым крупным солоноватоводным водоемом мира с целым рядом уникальных физических, химических и биологических свойств. Фауна Каспия, сформированная в условиях длительной изоляции бассейна, состоит на 46% из эндемиков Каспия, а еще 20% встречаются только в Понто-Каспийском регионе [Зенкевич, 1963]. Первые серьезные гидрохимические исследования моря были проведены в начале XX века и связаны с именами А.А.Лебединцева, Н.М.Книповича и С.В.Бруевича. Эти работы по времени совпали с периодом высокого уровня Каспийского моря. Несмотря на высокую квалификацию исследователей, существующие в то время методы анализа не позволили накопить данные, свойственные периоду высокого уровня, по всем биогенным элементам и органическому веществу. В дальнейшем регулярные гидрохимические съемки проводились Каспийским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства (КаспНИРХ) и Всероссийским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО). С середины 50-х годов систематические исследования по всей акватории моря проводились под методическим руководством Государственного океанографического института (ГОИН). Следует отметить, что работы на Каспии осложнялись отсутствием удобных научно-исследовательских судов и недостатком современного океанографического оборудования. Лишь после экспедиции ВНИРО в 1995 году стали регулярно применяться зонды для получения непрерывных по глубине гидрологических данных и гидрохимические проточные анализаторы. В период 1995-2003 гг. КаспНИРХ совместно с ВНИРО ежегодно проводил гидрохимические съемки во всех частях Каспийского моря с применением новейшего оборудования. Собранные данные позволяют на новом уровне рассмотреть вопросы гидрохимической структуры моря и ее временного изменения. Знание гидрохимических особенностей водоема совершенно необходимо для правильной оценки его биологической продуктивности, для прогнозирования дальнейших изменений экосистемы и для контроля структуры промысла. Анализ многолетних гидрохимических данных позволяет судить о процессах, происходящих на площади водосборного бассейна и выделить фактор антропогенного воздействия. После зарегулирования стока впадающих в Каспий рек процессы эвтрофикации и накопления органического вещества значительно ускорились, что хорошо прослеживается в изменениях гидрохимических параметров. На особенности гидрохимической структуры Каспийского моря огромное влияние оказывают колебания уровня. В условиях глобального изменения климата и прогнозируемого повышения уровня Каспийского моря весьма важно уметь правильно предсказать изменения гидрохимической структуры и процессов пополнения эвфотического слоя биогенными элементами. Знание тонкой гидрохимической структуры позволяет выделять мезомасштабпые вихри, поскольку гидрохимические параметры служат маркерами динамических процессов. Сегодня гидрохимические исследования Каспия весьма актуальны. Помимо того, что антропогенный прессинг на бассейн остается по-прежнему высоким, положение осложнилось появлением в 1999 году на Каспии гребневика, который к настоящему времени уже распространился почти по всему морю. Гребневик серьезно нарушил трофические связи и кругооборот биогенных элементов, что в высшей степени негативно сказалось на состоянии экосистемы.

Цель исследования. Целью работы является анализ изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет, которые произошли в результате антропогенного воздействия и процессов, вызванных колебаниями уровня моря. Задачи работы:

1) выделить основные факторы, которые привели к изменениям гидрохимической структуры Каспийского моря оценить степень их воздействия;

2) выявить влияние изменений гидрохимической структуры вод Каспийского моря на биологическую продуктивность и трофические связи внутри экосистемы;

3) установить связь между высоким уровнем моря и обеднением эвфотического слоя биогенными элементами;

Научная новизна. В работе впервые предложена схема, в которой на первое место в комплексе негативных факторов, приведших к изменениям гидрохимической структуры и биологической продуктивности, выдвигается зарегулирование стока впадающих в Каспий рек. Впервые предпринята попытка не только на качественном, но и на количественном уровне отследить изменения гидрохимических параметров в зависимости от величины уровня моря. Впервые предложен сравнительный анализ между сценариями ухудшения экологической ситуации на Черном и Каспийском море и отмечено их близкое подобие. Появление гребневика Мпетюрз15 1е1'с1у1 в работе впервые связывается с изменениями гидрохимической основы биопродуктивности Каспийского моря и выходом экосистемы из равновесного состояния.

Практическая значимость. Данные и выводы, представленные в работе, имеют значение для оценки современного экологического состояния Каспийского моря, составления долгосрочных экологических прогнозов, разработки методов контроля структуры промысла и численности видов-вселенцев. В работе впервые привлечены данные комплексных гидрохимических исследований КаспНИРХ и ВНИРО за период 1995-2003 гг., полученные для высокого уровня моря с применением современных СГО-зондов и новейшего лабораторного оборудования. По этим данным были созданы карты распределения всех гидрологических и гидрохимических параметров. Помимо этого был заново нанесен на карту и материал более ранних исследований, включая съемки С.В.Бруевича. Распределение гидрохимических параметров представлено за различные годы на вековых разрезах, в поверхностном и придонном горизонтах, а также на горизонтах 20, 30, 50, 100 и 300 метров.

Гидрохимические данные 1995-2003 гг. Лаборатория морской экологии ВНИРО совместно с КаспНИРХ с 1995 г. по настоящее время проводит в Каспийском море ежегодные съемки с определением всех основных гидрохимических параметров по современным методикам [Справочник, 1991]. В приведенной ниже таблице представлен хронологический список рейсов, данные которых были использованы в настоящем исследовании с указанием количества выполненных станций для каждого из районов моря и набора определявшихся параметров (Табл. 1). В ряде рейсов также определялся окислительно-восстановительный потенциал, цвет, прозрачность и мутность морской воды, концентрации мочевины, пестицидов, насыщенных и ароматических углеводородов, тяжелых металлов. В 1995 году был выполнен полный комплекс биохимических работ, определения концентраций хлорофилла и оценка первичной продукции скляночным методом.

Применение современной зондирующей аппаратуры позволило накопить массив не только качественно новых гидрологических данных, свойственных периоду высокого уровня, но и чисто гидрохимических - благодаря датчикам растворенного кислорода, хлорофилла и концентрации водородных ионов. Поскольку эти данные уже не дискретны по глубине, то становится возможным подойти к гидрохимическим проблемам на качественно новом уровне. Столь же позитивные изменения можно отметить и в лабораторном аналитическом оборудовании. Возросла точность и скорость определения основных биогенных элементов за счет применения скоростных проточных автоанализаторов, таких как «Техником», «Алпкем» и «Бран+Луббе». Данные по растворенным органическим формам, полученные на высокотемпературном анализаторе

ТОС-5000А компании «Шимадзу» по точности значительно превосходят данные всех предыдущих исследований.

Год

1996 1998 2000 2001 2002

Судно

Медуза" "Медуза" "Медуза" "Мидии"

1976 1983

1983 1995

1990

1999

2000 2001 2002 2003

ВНИРО "Параллель" "Петр Агафонов"

ТС-194"

Исследов.

Каспия"

Исследов

Каспия"

Исследов.

Каспия"

Исследов

Каспия"

Исследов

Каспия"

Исследов.

Каспия"

Месяц

Июль

Авг-Сен

Июль

Октябрь

Август

Август Август

Август Сен

Сен

Август

Октябрь

Авг-Сен

Октябрь

Са.

36 33 39 35 29

Юж

9 7 12 7 7 1

Т | 5 | Д|| рН | О; I РО. ЭЮ; ЫН, МО, МО) Р. N. Со, ■ - ■■

Табл. I Количество станций и набор параметров, полученные в экспедициях с участием Лаборатории морской экологии в период 1976-2003 гг.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Белов, Александр Александрович

Выводы:

1. Изменение гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет является результатом интенсивного антропогенного воздействия, а также естественного колебания уровня моря.

2. Основным антропогенным фактором в изменении гидрохимической структуры является зарегулирование стока р. Волги и других рек, впадающих в Каспийское море. Изменениям подверглись как режим поступления биогенных элементов в экосистему моря, так и состав химического стока.

3. Показано ослабление процессов конвективного перемешивания в условиях высокого уровня Каспийского моря. Наблюдается недостаток в поступлении биогенных элементов в поверхностный слой, в то время как в глубинных слоях происходит их накопление.

4. В последние годы отмечено усиление гипоксии в придонном слое глубоководных впадин Каспийского моря и в ближайшие годы ожидается появление сероводорода.

5. Проведена аналогия между сценариями развития экологической ситуации в Азово-Чсрноморском бассейне и в Каспийском море и отмечено их близкое подобие.

6. Антропогенное воздействие на Каспийское море посредством зарегулирования стока, сброса хозяйственно-бытовых и промышленных стоков и загрязнения при нефтедобыче, привело к сильно выраженной эвтрофикации бассейна.

7. Основной причиной появления гребневика Мпетюрз'и \eidyi на Каспийском море является эвтрофикация бассейна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ многолетних гидрохимических данных позволяет выделить две основные группы факторов, лежащих в основе серьезных изменений экосистемы Каспийского моря, которые привели в конечном итоге к появлению новых видов-вселенцев и многократному падению уловов пелагических рыб.

Первая группа включает в себя факторы антропогенного воздействия: зарегулирование стока рек, впадающих в Каспий, сброс промышленных и хозяйственно-бытовых вод, безвозвратное изъятие речного стока, загрязнение вод при нефте- и газодобыче. Зарегулирование стока реки Волги и всех остальных рек бассейна Каспийского моря является наиболее существенным антропогенным фактором.

Помимо Волги, были запружены и все остальные крупные реки, впадающие в Каспий: Терек, Сулак, Самур, Кура и даже Урал (в верховьях). Причем в среднем на реку приходится 2-3 плотины, а на Волге в период 1930-1960 гг. их было построено восемь, не считая притоков. Общая площадь зеркала водохранилищ Волжско-Камского каскада составляет 20.700 км2, а объем - более 143 км3. Большинство исследователей полагает, что год 1955 был последним годом естественного стока Волги.

Зарегулирование рек изменило режим водного стока и, соответственно, режим поступления биогенных элементов в экосистему моря. До зарегулирования сток Волги в декабре-марте составлял не более 11% от общего годового. На половодье приходилось в среднем 60% величины годового стока. Начиная с 1960 г. эти величины составили соответственно 26% и 44% [Яблонская, Зайцев, 1979]. Таким образом, водный сток Волги в период половодья уменьшился на 50-60%, а в зимние месяцы увеличился на 50-85%. Вместе с паводковыми водами в море поступало большое количество взвешенных биогенных веществ. В работе Л.А.Барсуковой [1957], посвященной химии волжского стока в период до зарегулирования, в частности, указывается, что максимальные концентрации минерального азота наблюдались в речной воде в самом начале паводка за счет первых снеговых вод. обогащенных этими соединениями. При этом преобладали взвешенные формы, почти в два раза превышая растворенные. Около 50% соединений фосфора также находилось во взвешенной форме.

Однако не только режим химического стока подвергся серьезным изменениям, но, что гораздо важнее, и его состав. Зарегулирование Волги фактически превратило реку в цепочку водохранилищ с застойным гидрологическим режимом, высокими концентрациями органического вещества и сложными трофическими связями [Зенин, 1965]. Исследования продукционно-деструкционных процессов, проведенных в 1994 году, наглядно показали, что в водохранилищах преобладают процессы накопления [Сапожников, 1996]. Образовавшиеся водохранилища "зацвели" и большая часть фосфора и азота перешла в органические соединения, которые вместе с аммонием и мочевиной стали выноситься в морс вместо фосфатов и нитратов. Кремний, который выносится реками в виде взвеси и коллоидов, в значительной мере осел в донные отложения водохранилищ. В результате почти вдвое уменьшилось поступление фосфатов и растворенной кремнекислоты, в полтора раза - азота и почти втрое взвешенного фосфора и кремния [Винецкая, 1968]. Резко возросло количество выносимого органического вещества, причем в течение всего года [Мусатов, 1976]. Увеличение выноса органического вещества речным стоком после зарегулирования всех рек и развитие процессов эвтрофикации привело к резкому усилению гетеротрофных источников питания организмов планктона и бентоса.

Уменьшение содержания в волжской воде биогенных элементов и детрита, который быстро утилизировался экосистемой Северного Каспия, привело к двукратному снижению продукции фитопланктона и уменьшению биомассы зоопланктона по сравнению с периодом естественного стока [Кун, 1965]. В свою очередь это отрицательно сказалось на формировании популяции рыб, питающихся планктоном. К примеру, численность обыкновенной кильки в 1961-1965 гг. уменьшилась в 2.5 раза по сравнению с периодом 1952-1960 гг. [Яблонская, 1979]. Площадь нерестилищ осетровых рыб только на Волге сократилась в 10 раз.

С конца 60-х годов в волжском стоке отмечается снижение соотношения концентраций минерального растворенного кремния к азоту и фосфору [Максимова, 1979]. М.П.Максимова объясняет эти факты увеличением содержания азота и фосфора антропогенного происхождения. Однако, как и на Черном море, где концентрации кремния в поверхностном слое после зарегулирования стока рек уменьшились на порядок, именно сокращение поступления кремния является основной причиной изменения соотношения 8кЫ:Р [Сапожников, 20006].

Многолетние данные Каспийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства (КаспНИРХ) свидетельствуют о падении поступления взвешенных органических соединений азота и фосфора и увеличении поступления растворенных органических форм [Гидрометеорология, 1996]. Современные модельные расчеты подтверждают, что зарегулирование Волги при современной антропогенной нагрузке приводит к двукратному снижению стока фосфора в Каспийское море [Дацснко, 2000]. Средние концентрации минерального кремния в поверхностном слое Северного Каспия с 1961 по 1983 гол снизились на ЗрМ [Гидрометеорология, 1996]. Во время съемок С.В.Бруевича в 30-х годах средние концентрации минерального кремния в поверхностном слое Среднего и Южного Каспия варьировали в пределах 10-15рМ со средним значением 12.7рМ. После зарегулирования стока наблюдается падение концентраций кремнекислоты в поверхностном слое, которое усилилось затрудненным обменом с зоной аккумуляции биогенных элементов в условиях повышения уровня моря. Так, в 1998 году, среднее содержание кремния в поверхностном слое составило всего 2.8^М.

Одновременно с сокращением стока минеральных соединений биогенных элементов, резко увеличился сброс растворенной органики, аммония и мочевины за счет эвтрофикации водохранилищ и увеличения объемов промышленных и хозяйственно-бытовых стоков.

В 1936 году В.Г.Дацко определил среднее содержание органического углерода в водах Среднего Каспия в 6 мг/л. Согласно данным, приведенным в работе А.С.Пахомовой и Б.М.Затучной [1966], концентрации растворенного органического углерода в 1963 году составили уже 8.3 мг/л. Современные определения растворенного органического углерода, проводимые в экспедициях ВНИРО ежегодно начиная с 1995 г. дают средние значения, превышающие 9 мг/л. Таким образом, можно предположить, что концентрации органического вещества (ОВ) в Каспийском море возросли по сравнению с 40-ми годами на 30%, а в отдельных районах - в два раза [Сапожников и др., 2003]. Активные разработки нефтяных и газовых месторождений на Каспии в последние годы усиливают эвтрофикацию бассейна за счет поступления готового органического вещества в виде нефтепродуктов. Биохимические исследования выявили повышенные концентрации липидов во многих районах нефтедобычи, в то же время высокие концентрации нуклеиновых кислот свидетельствуют о большой биомассе бактериопланктона, интенсивно развивающегося в загрязненных водах. Как показали исследования КаспНИРХ, продукция фитопланктона в районах бурения может снижаться на 40-50%. При концентрациях отходов бурения в 0.5-2.0 г/л токсикологический эффект сказывается и па рыбах [Горбунова и др., 2001]. В местах постоянного загрязнения нефтью происходит снижение биомассы бентоса [Карпинский, 2002]. Буровой шлам оказывает значительное воздействие на зоопланктон, вызывая повреждения органов фильтрации, питания и дыхания.

Результатом эвтрофикации бассейна является наблюдаемой смещение равновесия в трофических связях в сторону бактерий и простейших, которые способны быстро усваивать органическое вещество и менять свой метаболизм, то есть быстро переключаться на тот источник энергии, который присутствует в экосистеме в большом количестве. При этом микрогетеротрофы меняют среду, что плохо сказывается на следующих звеньях трофической цепи. Таким образом, трансформация энергии происходит на низших трофических уровнях, в то время как более высокие испытывают недостаток в питании. Процесс перестройки трофических связей открывает много новых экологических ниш. Преимущество получают виды, способные давать вспышки численности, не требовательные к среде обитания и приспособленные к усвоению широкого пищевого спектра. В условиях изолированности бассейна Каспия и сравнительной видовой бедности его фауны создаются условия для появления видов-вселенцев, подобных гребневику Мпетюрэгз Шйу1, которые с экологической точки зрения являются «трофическими тупиками». В результате веками отлаженная пищевая цепь в экосистеме укорачивается.

Гребневик был впервые обнаружен на Каспии летом 1999 года и за год распространился по всему морю. В 2000 году были отмечено следующее воздействие гребневика на экосистему Каспийского моря: снижение численности зоопланктона в 5.3 раз, биомассы - в 6 раз (наибольший урон понесли виды копепод); пострадали планктоноядпые рыбы и их уловы упали более чем в два раза. С появлением в водоеме мнемиопсиса уже к 2001 г. резко сократился видовой состав зоопланктона Среднего и Южного Каспия. Вселение гребневика в море привело к тому, что определяющая роль в потоке вещества и энергии стала принадлежать низшим гетеротрофным уровням. Численность бактериопланктона резко возрастает в водах Среднего Каспия и имеет четкую корреляцию с численностью гребневика.

Гребневики - важнейшие участники круговорота биогенных веществ в водоеме. В процессе интенсивного питания зоопланктоном в окружающую среду гребневиком выделяется большое количество легко разлагаемого органического вещества, что приводит к массовому развитию микрогетеротрофов и ускорению продукционно-деструкционных процессов. Массовое развитие гребневика хорошо прослеживается в изменении гидрохимических параметров. В августе 2002 года в ходе выполнения рейса на НИС «Медуза» в Северном Каспии производились одновременные исследования численности и биомассы гребневика, характеристик фито- и зоопланктона [Шиганова и др., 2003] и определялись гидрохимические параметры [Сапожников и др., 2003].

Максимумы численности гребневика соответствуют повышенным концентрациям аммонийного и растворенного органического азота. Вселение гребневика способствует изменению экосистемы Каспийского моря в следующих направлениях:

- повышение концентраций органического вещества в воде и в донных отложениях;

- усиление бактериальных процессов;

- увеличение площадей с гипоксией в придонном горизонте Северного Каспия;

- ускорение кругооборота биогенов и синтеза первичного органического вещества.

До зарегулирования стока р.Волги средняя величина первичной продукция (ПП) в Северном Каспии по некоторым оценкам составляла 0.19 г С/м3 [Винецкая, 1957]. Сопоставление данных Н.И.Винецкой с определениями ПП в 1971 году показывает, что за 15 лет значения возросли в 1.5-2 раза [Салманов, 1999], что следует связывать с эвтрофикацией и возрастанием доли продукции, создаваемой на рециклинге биогенных элементов. В 1995 году прямые определения первичной продукции проводились ВНИРО в водах Среднего Каспия. Преобладание аммония в минеральных соединениях азота и большие величины БПК] (0,15 мл Ог/л) свидетельствуют о значительном вкладе в продукцию процессов регенерации биогенных элементов и их последующей утилизации при создании ПП на рециклинге. В ходе биохимических исследований удалось оценить активность фермента щелочной фосфатазы. Средняя величина составила 0.005 мг-ат Р/м3 [Агатова и др., 2001]. Поскольку в период наблюдений (август) концентрации азота и фосфора в поверхностном слое были близки к аналитическому нулю, а продукционные процессы по-прежнему продолжались, очевидно, что сообщество фитопланктона полностью перешло на существование за счет высвобождения фосфата при разложении органического вещества. Большое количество органического вещества приводит к бурному развитию микрогетеротрофов, которые потребляют много фосфора при построении белка собственных тел, в водную же толщу высвобождается 20-30% фосфатов. При средней толщине эвфотического слоя 20 метров продукция фитопланктона па рециклинге биогенных элементов может быть оценена в 0.36 г СУм* сут. Таким образом, доля продукции, создаваемой на рециклинге биогенных элементов превышает 30% от общей продукции [Сапожников и др., 1996]. Проведен также расчет продукции фитопланктона на основе убыли биогенных элементов в эвфотическом слое в течение периода от начала вегетации до момента исследований, который показал, что на долю "новой" продукции приходится от 30 до 60%» общей первичной продукции. Можно предположить, что ограничение вертикальной циркуляции в условиях высокого уровня моря, увеличение скоростей продукционно-деструкционных процессов, вызванное эвтрофикацией и воздействием гребневика, приведут к дальнейшему снижению величин «новой» первичной продукции.

Вторая группа факторов, имеющих основное влияние на перестройку гидрохимической структуры Каспийского моря, включает в себя процессы, связанные с естественными для данного водоема колебаниями уровня.

В работе С.В.Бруевича [1937] говорится, что «.всякое повышение уровня моря сопровождается торможением химического обмена между зонами обеднения и аккумуляции биогенных элементов». Величина уровня Каспийского моря имеет жесткую корреляцию с его соленостью и падение уровня на 1 метр приводит к осолонению поверхностного слоя приблизительно на 0.26%о и наоборот [Бруевич, 1937]. Отсутствие в Каспийском море стабильного галоклина приводит к тому, что даже самые незначительные изменения солености сильно влияют на глубину проникновения конвекции, которая служит основным источником для обновления запаса биогенных элементов в поверхностном слое. Колебания уровня свойственны Каспийскому морю, и в течение нашей эры имело место шесть крупных трансгрессий Каспия. За период инструментальных наблюдений в ходе уровня можно выделить семь основных этапов: 1900-1929 квазистационарное положение высокого уровня 1930-1941 резкое понижение уровня 1941-1959 медленное понижение уровня 1960-1969 квазистационарное положение уровня низкого уровня 1970-1977 дальнейшее понижение уровня 1978-1995 повышение уровня

1995-2003 квазистационарное положение высокого уровня

Каждому из положений уровня соответствуют свои особенности гидрохимической структуры. Несмотря на то, что в 1933-1934 гт. уровень начал постепенно понижаться, полученные С.В.Бруевичем гидрохимические данные характеризуют период высокого уровня, который находился в квазистационарном положении в течении 30 лет. Данные С.В.Бруевича имеют особо важное значение как начальная точка отсчета для анализа последующих изменений гидрохимической струюуры при резком падении уровня, а затем при его повышении до современных значений.

В 30-х годах в глубоких слоях Среднего и Южного Каспия были зафиксировано высокое содержание фосфатов и минерального кремния, что связано с ограничением глубины проникновения вертикального перемешивания в условиях высокого уровня моря и накоплением биогенных элементов у дна. Придонные концентрации фосфатов в 1934 году составили 1.7|хМ для Среднего и 2.7цМ для Южного Каспия, кремнекислоты -130цМ и ЮОцМ соответственно. По этой же причине концентрации этих элементов в поверхностном слое были невелики. В летний период фосфаты и нитраты были полностью утилизированы фитопланктоном, однако содержание кремния, не являющегося лимитирующим элементом, составляло 10-15рМ. Слабая аэрация глубоководных котловин объясняет низкие значения растворенного кислорода, которые не превышали 1-1.5мл/л для Среднего и 0.5мл/л для Южного Каспия. Более того, в придонном слое Южного Каспия был обнаружен сероводород в концентрациях 0.1-О.Змл/л. Низкие значения кислорода в глубинных слоях Каспийского моря приводят к формированию четко выраженного промежуточного максимума нитратов, который был назван С.В.Бруевичем нитратной подзоной. В то время как концентрация нитратов минимальна на поверхности за счет их потребления в процессе фотосинтеза, концентрации убывают ко дну за счет процессов нитрат-редукции. В океане нитрат-редукция регистрируется при пороговых концентрациях растворенного кислорода порядка 0.2мл/л. Однако в Каспийском море нитрат-редукция происходит при относительно высоком его содержании (0.76-0.90 мл/л) за счет большого количества органического вещества (12-15 мг С/л). Уменьшение концентраций нитратов в 30-е годы могло происходить под влиянием восстановленных форм серы (тиоденитрификация). Слой максимума нитратов в залегал на глубинах 200-400 м и составлял 11.5рМ Южном Каспии и 9.3рМ в Среднем [Бруевич, 1937].

Значительное понижение уровня моря в конце 30-х годов существенно изменило гидрохимический режим моря. Произошло значительное обогащение кислородом придонных слоев за счет более интенсивной зимней вертикальной циркуляции в условиях осолонения поверхностного слоя, поскольку ведущая роль в формировании гидрологической структуры моря принадлежит именно процессам конвективного перемешивания [Гидрометеорология, 1996].

Резкое падение уровня моря в период 1970-1977 гг. привело к обогащению поверхностного слоя биогенными элементами за счет вовлечения в процессы формирования биопродуктивности биогенных элементов из зоны аккумуляции и даже из донных отложений. Средняя концентрация фосфатов в поверхностном слое составила 0.7цМ, то есть увеличилась более чем в три раза по сравнению с предшествующим периодом. Одновременно было отмечено снижение концентраций всех основных биогенных элементов в глубинных слоях моря. К началу 60-х годов насыщение кислородом глубинных вод Среднего Каспия на горизонтах 400 и 600 м возросло на 11 и 16% соответственно по сравнению с 1930-1940 гг. Отмечалось усиление осеннее-зимней конвекции и возрастание придонных концентраций до 3.0-3.5мл/л в Среднем Каспии и 2.0мл/л в Южном [Пахомова, 1966].

В 1977 году была достигнута минимальная отметка уровня моря, после чего уровень начал подниматься. В глубинных слоях наблюдался процесс повышения солености и статической устойчивости каспийских вод. Тем не менее, содержание кислорода оставалось высоким вплоть до 1983 года, когда концентрации в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия составили соответственно 2.4 и 3.6 мл/л. Вновь начался процесс накопления биогенных элементов в глубинных слоях. В 1983 году придонные концентрации фосфатов в Среднем и Южном Каспии превышали значения 70-х годов на 30-40%.

Подтверждение описанным выше процессам может быть найдено и в биологических данных. Так в работе Кузьмичевой [1991] отмечено, что многолетние изменения биомассы эвритеморы - одного из трех основных видов каспийского зоопланктона - отражают изменения первичной продуктивности глубоководной части моря. В 1935-1943 гг. биомасса находилась на низком уровне, а в конце 40-х - начале 50-х годов достигала максимальных значений в Среднем Каспии и несколькими годами позднее - в Южном. Она была в 5-6 раз выше, чем в 30-х годах. В дальнейшем наблюдалось постепенное снижение биомассы эвритеморы.

Квазистационарное положение высокого уровня в современный период способствовало формированию гидрохимической структуры, во многом схожей с ситуацией 30-х годов.

В Дербентской впадине концентрация фосфатов составляет в последние годы 1.4-1.6рМ, нитратов - 9-11цМ, кремния - 100-120рМ. Таким образом, значения очень близки к измеренным С.В.Бруевичем. Слой максимума нитратов характеризуется такими же как в 30-е годы абсолютными величинами, однако изменилась глубина его залегания до 400500 м. По всей видимости, это связано с более слабым развитием процессов нитрат-редукции, поскольку содержание кислорода в придонном слое глубоководных впадин пока еще выше значений 30-х годов.

Максимальные значения сероводорода в глубинных слоях были зафиксированы С.В.Бруевичем в 1934 году в Южнокаспийской впадине и равнялись 0.29 мл/л. Лаборатория морской экологии ВНИРО ведет мониторинг содержания кислорода в придонных слоях Каспийского моря с 1995г, когда практически закончился подъем уровня и дальнейшие его колебания происходили в районе отметки -27.0 м. Ранее предполагалось что сохранение высокого уровня Каспия в течение 3-5 лет приведет к появлению устойчивой стратификации из-за распреснения поверхностного слоя и ограничения глубины проникновения зимней вертикальной циркуляции. В параграфе 3 главы 3 на основании последних данных рассмотрены процессы, приводящие к нарастанию гипоксии в придонном слое Среднего и Южного Каспия.

Высокий уровень моря является лишь необходимым, но недостаточным условием возникновения сероводорода. Для полного исчерпания кислорода и появления сероводорода в придонных водах Среднего Каспия необходимо несколько теплых зим подряд, когда конвекция не будет достигать дна. В Южном Каспии сероводород может появится после нескольких относительно прохладных летних периодов, когда не формируются высокосоленые поверхностные воды. Таким образом, для полного исчерпания кислорода и появления сероводорода требуются аномальные условия, вероятность наступления которых невелика. Очевидно, именно поэтому при всех достоверных случаях обнаружения сероводорода фиксировались малые его концентрации. При средних величинах биологического потребления кислорода за одни сутки БПКг = 0.01 мл/л очевидно, что за 100 суток будет израсходован 1 мл/л растворенного кислорода, т.е. скорости утилизации кислорода, даже с учетом падения температуры воды ко дну, очень велики [Сапожников, 1996]. Если бы периодически не происходила аэрация глубинных вод, весь кислород был бы давно утилизирован, более того, было бы достаточно велико содержание сероводорода. Однако отсутствие мощного пикноклина в Каспии обеспечивает достаточную аэрацию глубинных вод, и для появления даже небольших количеств сероводорода требуется сочетание аномальных условий, ограничивающих зимнюю вертикальную циркуляцию.

Появление сероводорода завершит перестройку гидрохимической структуры Каспия, которая началась при подъеме уровня до -27.0 м. Максимально увеличатся концентрации кремнекислоты и фосфатов в глубинных котловинах Среднего и Южного Каспия, а вместо нитратов, которые в сероводородных водах будут полностью израсходованы в процессе тиоденитрификации, появятся довольно высокие значения аммонийного азота.

Антропогенное воздействие на Каспийское море достигло такого уровня, что уже само по себе оно является достаточным фактором для коренных изменений экосистемы водоема. Развитие экологической ситуации на Каспийском, Черном и Азовском морях имеет между собой очень много схожих черт. На первом месте в ряду различных видов антропогенного воздействия находится зарегулирование стока рек, которое изменило режим поступления биогенных элементов в море и состав химического стока. Совместно с загрязнением, поступающим с промышленными и хозяйственно-бытовыми стоками, а также при разработке нефтяных и газовых месторождений зарегулирование сильно способствовало повышению уровня эвтрофикации, что создало благоприятные условия для появления видов-вселеицев, значительно влияющих на перестройку трофической цепи внутри экосистемы и вызывающих уменьшение ее продуктивности. Воздействие человека на Каспийское море в настоящее время усугубляется и естественными причинами и в первую очередь высоким уровнем моря. Ограничение глубины проникновения вертикального перемешивания приводит к обеденению поверхностного слоя биогенными элементами, уменьшению «новой» первичной продукции и ухудшению условий питания пелагических рыб.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Белов, Александр Александрович, Москва

1. Агатова А.И. Рекомендации по определению биохимического состава различных форм органического вещества в морских водах. М.: ВНИРО, 1983.

2. Агатова А.И., Лапина Н.М., Торгунова Н.И., Кирпичев К.Б. Биохимические исследования морских экосистем солоноватых вод // Водные ресурсы. 2001. Т.28. №4. С.470-479.

3. Архипкин B.C. Особенности структуры и динамики прибрежного апвеллинга в Каспийском море // Каспийское море. Структура и динамика. М.: Наука, 1990. С.61-74.

4. Архипова Е.Г., Герштанский Н.Д., Скриптунов H.A., Фомина Н.Д. Основные черты гидрологических и гидрохимических условий Каспийского моря // Труды ГОИН. 1972. Вып. 108. С. 98-104.

5. Бардан С.И., Дружинин С.Н., Катунин Д.Н. Об особенностях гипоксии в Северном Каспии // Каспийское море. Структура и динамика вод. М.: Наука, 1990. С. 84-88.

6. Барсукова Л.А. Волжский биогенный сток в Каспийское море до гидростроительства//Труды КаспНИРО. 1957. Вып. 13. С. 253-273.

7. Барсукова Л.А. Многолетний биогенный сток р.Волги у г.Астрахани // Труды КаспНИРХ. 1971. Т.26.

8. Баулин Е.В. и др. Исследование полей флуоресценции фитопланктона в Каспийском море // Каспийское море. Структура и динамика вод. М.: Наука, 1990. С. 79-84.

9. Биологическая продуктивность Каспийского моря. М.: Наука, 1974. 242 с.

10. Биологическое обоснование по вселению Beroe ovata в Каспийское море. Астрахань. 2003. 29 с.

11. Блинов Л.К. О поступлении морских солей в атмосферу и о значении ветра в солевом балансе Каспийского моря // Труды ГОИН. 1950. Вып. 12. С. 67-112.

12. Бондаренко А.Л. Водо-солеобмен между западной и восточной частями Северного Каспия // Каспийское море. Структура и динамика вод. М.: Наука, 1990а. С. 27-29.

13. Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Механизм формирования гидрофронта в Северном Каспии // Каспийское море. Структура и динамика вод. М.: Наука, 19906. С. 74-78.

14. Бондаренко А.Л., Ведев Д.Л., Комков И.А., Щевьев В.А. Экспериментальные исследования волновых течений в Среднем Каспии // Водные ресурсы. 1993. Т.20. №1. С.128-131.

15. Бруевич C.B. Гидрохимия Среднего и Южного Каспия. M-JI.: Изд. АН СССР, 1937. 329 с.

16. Бруевич C.B. Распределение вещества среди отдельных групп организмов Каспийского моря // Труды по комплексному изучению Каспийского моря. 1941. Вып. 14. С. 77-86.

17. Бруевич C.B. О балансе биогенных элементов в Каспийском море // Труды по комплексному изучению Каспийского моря. 1941а. Вып.14. С. 66-75.

18. Бруевич C.B. Химия волжского стока в Каспийское море // Гидрохимические материалы. 1949. Т. 16. С. 72-87.

19. Васильев А.С., Белов А.Б., Коновалов M.JI. О сезонной изменчивости термохалинных и динамических процессов Каспийского моря // М.: ГОИН, 2002. 32 с.

20. Вииецкая Н.И. Первичная продукция Северного Каспия // Первичная продукция морей и внутренних вод. Минск. Высшая школа, 1961. С. 52-59.

21. Винецкая Н.И. Гидрохимический режим Северного Каспия после зарегулирования стока Волги //Труды КаспНИРХ. 1968. Т. 24. С. 78-99.

22. Виноградов М.Е. и др. Взаимодействие популяций гребневиков Mnemiopsis leidyi и Beroe ovaîa у кавказского побережья Черного моря // Океанология. 2002. Т.42. №5. С.693-701.

23. Гершанович Д.Е. Взвешенное вещество, фитопланктон и хлорофилл в Каспийском море // Каспийское море. Структура и динамика. М.: Наука, 1990. С. 49-61.

24. Гидрометеорология и гидрохимия морей. T.VI. Каспийское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. 360 с.

25. Гидрометеорология и гидрохимия морей. T.VI. Каспийское море. Вып. 2. Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биологической продуктивности. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1996. 323 с.

26. Горбунова Т.С. и др. Влияние отходов бурения на биоту Каспия // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2000г. Астрахань: из-во КаспНИРХ, 2001. С. 85-89.

27. Гребневик Mnemiopsis leidyi (H.Agassiz) в Азовском и Черном морях: биология и последствия вселения. Ростов-на-Дону, 2000. 498 с.

28. Даценко Ю.С. Оценка влияния каскада волжских водохранилищ на среднемноголетний вынос фосфора в Каспий // Водные ресурсы. 2002. Т.29. №5. С.636-638.

29. Дацко В.Г. Основные вопросы изучения органического вещества в природных водах // Гидрохимические материалы. Вып. 26. 1956.

30. Дацко В.Г. Органическое вещество в водах южных морей СССР. М. АН СССР, 1959.

31. Зенин A.A. Гидрохимия Волги и ее водохранилищ. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1965. 180 с.

32. Зенкевич Л.А. Биология морей СССР. М.: Наука, 1973. 739 с.

33. Иванов К. И. Основные черты гидрохимического режима Предустьевого пространства р.Волги и Северного Каспия. Тр.ГОИН. Вып.4(16). 1948.

34. Карпинский М.Г. Экология бентоса Среднего и Южного Каспия. М: Из-во ВНИРО, 2002. 284 с.

35. Каспийское море. М: Изд-во Московского Университета, 1969. 264 с.

36. Каспийское море. Фауна и биологическая продуктивность. М.: Наука, 1985. 276 с.

37. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия. М.: Наука, 1986. 260 с.

38. Касымов А.Г. Каспийское море. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. С. 6

39. Катунин Д.Н., Косарев А.Н. Соленость и биогенные вещества в Северном Каспии // Водные ресурсы. 1981. Т. 18. №3. С.454-458.

40. Катунин Д.Н. Изменение гидрологического режима в дельте Волги в период зарегулирования стока. Сб. 1-го Конгресса ихтиологов России. Астрахань. 1995. С. 425.

41. Катунин Д.Н., Сапожников В.В. Комплексные исследования экосистемы Южного Каспия (сезонные съемки на НИС «Гилян» российско-иранской экспедиции, август-сентябрь 1994 г- февраль 1996 г) // Океанология. 1997. Т.37. №1. С.152-154.

42. Катунин Д.Н. и др. Гидролого-гидрохимический режим Нижней Волги и Каспийского моря // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2000г. Астрахань: из-во КаспНИРХ, 2001. С. 21-34.

43. Катунин Д.Н. и др. Продукционно-деструкционные процессы фитопланктона в Северном Каспии // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2000г. Астрахань: из-во КаспНИРХ, 2001а. С. 41-48.

44. Катунин Д.Н. и др. Эколого-токсилогическая характеристика Волго-Каспийского бассейна в современных условиях // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2000г. Астрахань: из-во КаспНИРХ, 20016. С. 52-69.

45. Кирпичев К.Б. Органическое вещество Среднего Каспия // Дипломная работа. М.: МГУ, 1993. с.26.

46. Книпович Н.М. Гидрологические исследования в Каспийском море в 1914-1915 гг. Труды Каспийской экспедиции 1914-1915 гг. Петроград, 1921. 130 с.

47. Книпович Н.М. Каспийское море и его промыслы. Берлин: Гос. изд. РСФСР, 1923. 87 с.

48. Книпович Н.М. Вертикальная циркуляция и распределение кислорода в морях Черном и Каспийском // Известия Государственного гидрологического института. 1930. Вып. 31. С. 23-42.

49. Книпович Н.М. Гидрология морей и солоноватых вод. M.-JI., 1938. 297 с.

50. Косарев А.Н. Гидрологическая структура вод // Каспийское море. М., 1969. С. 184228.

51. Косарев А.Н., Полякова A.B. О распределении кислорода в средней и южной частях Каспийского моря // Комплексные исследования Каспийского моря. М.: Изд-во МГУ, 1970. Т. 1. С. 185-196.

52. Косарев А.Н. Колебания современного гидрохимического режима Каспийского моря // Биологическая продуктивность Каспийского моря. М.: Наука, 1974. С. 3953.

53. Косарев А.Н. Гидрология Каспийского и Аральского морей. М.: изд-во МГУ, 1975. 272 с.

54. Косарев А.Н., Бондаренко A.J1. О некоторых особенностях течений Северного Каспия // Каспийское море. Структура и динамика. М.: Наука, 1990. С. 15-22.

55. Косарев А.Н., Тужилкин B.C. Климатические термохалинные поля Каспийского моря. Москва, 1995. 54 с.

56. Красножон Г.Ф. Проблема исследования устьев рек, береговой и шельфовой зоны Северного Каспия с помощью методов космической фотосъемки // Гидрофизика Северного Каспия. М., 1985. С.50-62.

57. Красножон Г.Ф. Загрязнение Каспийского моря // Защита окружающей среды в нефтегазоносном комплексе. 2001. №5-6, С.32-36.

58. Кузьмичева В.И. Экология основных видов зоопланктона Каспийского моря // Рыбохозяйственные исследования планктона. Часть II. Каспийское море. Москва, 1991. С. 129-146.

59. Кун М.С. Планктон Каспийского моря в условиях зарегулированного стока Волги // Изменение биологических комплексов Каспийского моря за последние десятилетия. М., 1965. С. 54-98.

60. Куприн П.Н. Апшеронский порог и его роль в процессах осадкообразования и формирования гидрологических режимов бассейнов Южного и Среднего Каспия // Водные ресурсы. 2002. Т.29. №5. С.517-529.

61. Лебединцев A.A. Некоторые данные по химии Каспийского моря // Зап. по гидрограф. Пб., 1901. Вып. 23.

62. Лебединцев A.A. Журнал гидрологических и метеорологических наблюдений Каспийской экспедиции 1904 г // Труды Каспийской экспедиции 1904 г. Т.З. Петербург, 1913. 213 с.

63. Левшакова В.Д. Многолетние изменения весеннего фитопланктона Северного Каспия // Труды КаспНИРХ. 1967. Т. 23. С. 66-73.

64. Леонов A.B., Стыгар О.В. Сезонные изменения концентраций биогенных веществ и биопродуктивность вод северной части Каспийского моря // Водные ресурсы. 1999. Т.26. №6. С.743-756.

65. Леонов A.B., Сапожников В.В. Анализ динамики концентраций органогенных веществ и скоростей продукционно-деструкционных процессов в водах северной части Каспийского моря // Океанология. 2000.Т40.№1. С. 37-43.

66. Леонов A.B., Дубинин A.B. Взвешенные и растворенные формы биогенных элементов, их соотношение и взаимосвязь в основных притоках Каспийского моря // Водные ресурсы. 2001. Т.28. №3. С.261-279.

67. Леонов A.B. Биогенный речной сток в Каспийское море. // Океанология. 2002. Т.42. №5. С.683-692.

68. Максимова М.П., Катунин Д.Н., Елецкий Б.Д. Баланс биогенных элементов Каспийского моря в период зарегулированного стока // Океанология. 1978. Т. 18. Вып. 3. С. 454-458.

69. Максимова М.П. Критерии антропогенного эвтрофирования речного стока и расчет антропогенной составляющей биогенного стока рек // Водные ресурсы. 1979. Вып.1. С.35-40

70. Максимова М.П., Метревели М.П. Органическое вещество в дельте и авандельте реки Волги // Водные ресурсы. 1984. №4. С. 100-109.

71. Максимова М.П. Критерии оценки антропогенных изменений и расчет антропогенной составляющей ионного стока рек // Водные ресурсы. 1985. №3. С. 71-75.

72. Максимова М.П. Антропогенные изменения ионного стока крупных рек Советского Союза // Водные ресурсы. 1991. №5. С. 65-69.

73. Марков A.C. Петр Первый и Астрахань. Астрахань: Форзац. 1994. - С. 75.

74. Миронов О.Г. Нефтеокисляющие микроорганизмы в море. Киев: Наук.думка, 1971. 234 с.

75. Мусатов А.П. Антропогенное эвтрофирование водоемов // Водные ресурсы. 1976. № 3. С. 85-104.

76. Научные основы устойчивого рыболовства и регионального распределения промысловых объектов Каспийского моря. М: Из-во ВНИРО, 1998. 168 с.

77. Парсонс Т.Р. и др. Биологическая океанография. М.: Наука, 1982.

78. Пахомова A.C. Органическое вещество в донных отложениях Каспийского моря // Труды ГОИН. 1961. Вып. 59. С. 58-84.

79. Пахомова A.C., Затучная Б.М. Гидрохимия Каспийского моря. JI: Гидрометеоиздат, 1966. 343 с.

80. Пахомова A.C. Изменение газового режима вод глубоководной части Каспийского моря // Химические процессы в морях и океанах. М.: Наука, 1966а. С. 152-159.

81. Пахомова A.C. Биогенные элементы в водах глубоководной части Каспийского моря // Химические ресурсы морей и океанов. М.: Наука, 1970. С 167-182.

82. Перминов С.М., Чечель И.И. Исследование течений, горизонтальной циркуляции вод и водообмена между восточной и западной частями Северного Каспия // Гидрофизика Северного Каспия. М., 1985. С.25-50.

83. Полянинова A.A. и др. Гидробиологическая характеристика условий нагула промысловых рыб в Каспийском море в 2000 году // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2000г. Астрахань: из-во КаспНИРХ, 2001. С. 110-114.

84. Рычагов Г.И. Плейстоценовая история Каспийского моря. Автореф. дис. д-ра геогр. наук. М.: МГУ, 1977. 62 с.

85. Салманов М.А. Экология и биологическая продуктивность Каспийского моря. Баку, 1999.337 с.

86. Самойленко B.C., Курсанова И.А. Климатический и гидрологический атлас Каспийского моря. М., 1955. 62 с.

87. Сапожников В.В. Комплексные гидрохимические и биохимические исследования Волго-Каспийской экспедиции на судах «Антарес» и ГС-194 (4 августа-Юсентября 1995г.)//Океанология. 1996. Т.36.№ 1.С.148-151.

88. Сапожников В.В. Комплексные экосистемные исследования Северного Каспия на НИС «Медуза» и э/с «Севрюга» (июль-сентябрь 1996 г.) // Океанология. 1997. Т.37. №4. С.624-627.

89. Сапожников В.В., Метревели М.П. Оценка современного состояния экосистемы Каспийского моря // Океанология. 20006. Т.40. №6. С.845-849.

90. Сапожников В.В., Катунин Д.Н., Беспарточный Н.П. и др. Гидролого-гидрохимические исследования Каспийского моря в рейсах НИС "Исследователь Каспия" и НИС "Мидия" (11-25 октября 2001 г.) // Океанология. 2002а. Т.42. №4. С.634-638.

91. Сапожников В.В. Процессы накопления биогенных элементов в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия // Океанология. 20026. Т.42. №5. С.677-682.

92. Сапожников В.В. Изменение гидрохимических основ биопродуктивпости южных морей России за последние 70 лет // Тезисы доклада международной конференции

93. Современные проблемы океанологии шельфовых морей России" 13-15.06.2002. Ростов-на-Дону. 2002в. С.211-213.

94. Сапожников В.В., Белов A.A. Условия появления сероводорода в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия. // Океанология 2003а. Т.43. №3. С.368-370.

95. Сапожников В.В., Зозуля Н.М., Белов A.A., Мартынова Е.А. Гидрохимические исследования Северного Каспия на НИС "Медуза", август 2002 г. // Океанология 20036. Т.43. №4. С.627-631.

96. Сапожников В.В., Катунин Д.Н., Кирпичев К.Б., Лукьянова О.Н., Мурый Г.П., Фесенко В.И. Гидролого-гидрохимические исследования Каспийского моря в рейсе "Исследователь Каспия" (23 августа 8 сентября 2002 г.) // Океанология 2003в. Т.43. №4. С.529-534.

97. Сапожников В.В. и др. Гидролого-гидрохимические исследования Каспийского моря в рейсе НИС «Исследователь Каспия» в октябре 2003 года // Океанология. 2004, в печати.

98. Скороход А.И. Особенности солевого состава вод Каспийского моря. Автореферат канд. дисс. М.:, ГОИН. 1996.

99. ЮЗ.Скриптунов H.A. Схемы течений Северного Каспия // Труды ГОИН. Вып. 172. М., 1984. С.32-47.

100. Скриптунов H.A. Водообмен между западной и восточной частями Северного Каспия, обусловленный ветром //Труды ГОИН. Вып.179. М:, 1986. С.120-138.

101. Скриптунов H.A., Демиденко H.A. Временная изменчивость мутности воды на устьевом взморье Волги //Труды ГОИН. Вып. 179. М:, 1986. С. 90-105.

102. Сокольский А.Ф., Умербаева Р.И. Состояние микрофлоры в Северном Каспии // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2000г. Астрахань: из-во КаспНИРХ, 2001. С. 101-104.

103. Справочник гидрохимика: рыбное хозяйство. М.: Агропромиздат. 1991. 224с.

104. Татарипцева Т.А. Характеристика фитопланктона Среднего Каспия в зимний период // Рыбохозяйственные исследования планктона. Часть И. Каспийское море. Москва, 1991. С. 96-102.

105. Ю.Торопицын И.В. В.Н.Татищев исследователь Каспия // Каспийский плавучий университет. Научный бюллетень. 2001. №2. С. 115-118.

106. Федосов М.В. Изменения гидрологического и гидрохимического режима Каспийского моря // Труды ВНИРО. Том XXXVIII. Москва, 1959. С. 5-9

107. Ферронский В.И., Брезгунов B.C., Власова JI.C., Поляков В.А., Фрелих К., Ружанский К. Исследование водообменных процессов в Каспийском море на основе изотопных и океанографических данных // Водные ресурсы. 2003. Т.30. №1. С.15-28.

108. Яблонская Е.А. Пищевые цепи населения южных морей СССР // Основы биологической продуктивности океана и ее использование. Москва, 1971. С. 12-31

109. Яблонская Е.А. Влияние изменения биогенного стока на планктон и бентос Каспийского моря. М.: Наука, 1974. С. 71-93.

110. Яблонская Е.А., Зайцев А.И. Современное состояние и проблемы повышения биологической продуктивности Каспийского моря // Водные ресурсы. 1979. №1. С.41-50.

111. Kideys А.Е. Fall and rise of the Black sea ecosystem // Science. 2002. vol.297. P. 14821484.

112. Komarov A.V., Pikovskiy J. Peculiarities of distribution of oil products and polyaromatic hydrocarbons in sea water and sediments of the north-eastern shelf of the Black Sea. Ankara. 1993. P. 64

113. Lee C., Wakeham G. Organic matter in seawater: Biogeochemical processes // Chemical oceanography. 1988.

114. Trukhchev D., Kosarcv A., Ivanova D., Tuzhilkin V. Numerical analysis of the general circulation in the Caspian sea // Comptes rendus de l'Academie Bulgare des sciences. 1995. vol.48. №11-12, P.31-34.

115. Zo-BelI C.E. Microbial modification of crude oil in the sea // Proc. APJ Joint Conference for the prevention of oil spills. N.Y. 1969. P. 317-326.

Информация о работе

Белов, Александр Александрович
кандидата географических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.28

Диссертация

Исследование изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы