Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Количественная оценка фитопланктона Атлантического океана картографическим методом исследования

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Михаськов, Владимир Владимирович, Москва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи МИХАСЬКОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ФИТОПЛАНКТОНА АТЛАНТИЧЕСКОГО ОКЕАНА КАРТОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ИССЛЕДОВАНИЯ.

25.00.36 - ГЕОЭКОЛОГИЯ

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ГЕОГРАФИЧЕСКИХ НАУК.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

доктор географических наук, профессор |О.П. Добродеев

кандидат географических наук, доцент Т.С. Лукьянова

МОСКВА 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Введение...........................................................................6

Глава I. Закономерности распределения фитопланктона и факторы, их определяющие.

1. Основные понятия: биомасса и продуктивность фитопланктона.................................................................10

2. Пространственная изменчивость в распределении биопродуктивности в Атлантическом океане...........................14

2.1. Зональные особенности распределения биопродуктивности (глобальная изменчивость)................................................ 15

2.1.1. Широтная зональность............................................16

2.1.2. Циркумконтинентальная зональность.........................20

2.1.3. Вертикальное распределение фитопланктона................21

2.2. Локальная изменчивость биопродуктивности....................26

2.2.1. Неоднородности масштаба синоптических явлений

100 км)....................................................................26

2.2.2. Мезомасштабные неоднородности (1-10 км).................27

2.2.3. Неоднородности, соизмеримые стойкими гидрофизическими структурами (10м-1 км)........................28

2.2.4. Микронеоднородности (1 см-1 м)...............................29

3. Физические факторы биологической продуктивности..............30

3.1. Освещенность...........................................................31

3.2. Температура.............................................................34

3.3. Соленость................................................................35

3.4. Плотность................................................................36

3.5. Циркуляция вод........................................................36

3.6. Пресные воды...........................................................41

3.6.1. Осадки.................................................................41

3.6.2. Материковый сток..................................................42

3.6.3. Морские льды.......................................................42

3.7. Геологические факторы...............................................43

3.7.1. Рельеф.................................................................43

3.7.2. Донные осадки......................................................50

4. Гидрохимические факторы биологической продуктивности.....52

4.1. Фосфаты, нитраты и кремнекислота................................55

4.2. Кислород.................................................................60

4.3. Микроэлементы........................................................63

4.4. Органическое вещество...............................................64

5. Биологические факторы (зоопланктон)................................69

6. Методы сбора фитопланктона...........................................73

Глава II. Фитопланктон Атлантического океана: планктонные сообщества и сезонные циклы.

1. Основные систематические группы фитопланктона............74

1.1. Диатомовые (О^отеае)..............................................74

1.2. Динофитовые (Отор11у1а) (Перидинеи, Динофлагеллаты (Бто1^е11а1а)................................................................77

1.3. Кокколитофориды (СоссоШИакз)...................................77

1.4. Кремнежгутиковые (8ШсоАа£е11а1а, СЬгузорЬусеае)...........78

1.5. Сине-зеленые водоросли (СуапорИу1л).............................78

2. География фитопланктона.

2.1. Географические элементы флоры...................................79

2.2. Фитогеографическое районирование.

2.2.1. Районирование, как следствие широтной зональности....81

2.2.2. Районирование, как следствие диркумконтинентальной зональности..................................................................83

2.2.3. Сравнительная характеристика фитопланктона Атлантического и других океанов.....................................86

3. Фитопланктонные сообщества Атлантического океана............87

3.1. Сообщества бореальных вод.........................................87

3.2. Сообщества антарктических и субантарктических вод........88

3.3. Тропические сообщества.............................................88

4. Сезонные циклы фитопланктона........................................90

4.1. Бореальное сообщество...............................................92

4.2. Антарктическое сообщество.........................................94

4.3. Сравнительная характеристика бореального

и антарктического сообществ.............................................96

4.4. Сообщества тропических антициклональных круговоротов..................................................................97

4.5. Экваториальное сообщество.........................................98

4.6. Восточные дальненеритические сообщества.....................99

4.7. Западные дальненеритические сообщества.....................100

Глава III. Исследования биопродуктивности фитопланктона Атлантического океана 1985—2000 гг.

1. Концентрация хлорофилла «а» как показатель биопродуктивности фитопланктона океана...........................101

2. Методы определения концентрации хлорофилла «а».............105

2.1. Лабораторные методы определения концентрации хлорофилла «а».............................................................105

2.2. Оптические методы..................................................108

3. Аркто-Бореальная область (субарктический и умеренный пояса). Бореальное сообщество.

3.1. Неритовая зона.

3.1.1. Побережье Северной Америки................................110

3.1.2. Побережье Европы...............................................111

3.1.3. Северное море.....................................................112

3 .2. Океаническая зона....................................................114

4. Тропическая область. 4.1. Северное переходное сообщество (северный субтропический

пояс).

4.1.1. Неритовая зона.

4.1.1.1. Побережье Северной Америки.............................115

4 Л. 1.2. Побережье Европы...........................................116

4.1.1.3. Средиземное море............................................117

4.1.2. Океаническая зона................................................119

4.2. Северное центральное сообщество (северный тропический пояс)...........................................................................119

4.3. Экваториальное сообщество (экваториальный

и субэкваториальный пояса).............................................120

4.4. Южное центральное сообщество (южный тропический пояс)...........................................................................121

4.5. Южное переходное сообщество (южный субтропический пояс)...........................................................................121

4.6. Дальненеритическое и неритическое сообщества восточные сообщества.

4.6.1. Тепловодное сообщество........................................122

4.6.2. Холодноводное сообщество Канарского течения..........123

4.6.3. Холодноводное сообщество Бенгельского течения........123

4.7. Дальненеритическое и неритическое сообщества западные сообщества.

4.7.1. Побережье Северной Америки................................124

4.7.2. Мексиканско-Карибский бассейн.............................125

4.7.3. Побережье Южной Америки...................................125

5. Антарктическая область. Антарктическое сообщество.

5.1. Северная зона (южный умеренный пояс).

5.1.1. Неритовая зона....................................................126

5.1.2. Океаническая зона................................................126

ГЛАВА IV. Корреляционный и регрессионный анализ биопродуктивности Атлантического океана........................127

1. Коэффициенты корреляции............................................128

2. Уравнения регрессии.....................................................132

2.1. Уравнения линейной регрессии...................................133

2.2. Методы регрессионного анализа...................................134

3. Корреляционный анализ связей биомассы фитопланктона

с природной средой Атлантического океана............................135

3.1. Атлантический океан в целом......................................138

3.2. Аркто-Бореальная область. Бореальное сообщество (субарктический и умеренный пояса)..................................138

3.3. Тропическая область. Переходные сообщества (северный

и южный субтропические пояса без Средиземного моря)........140

f

3.4. Северное переходное сообщество (северный субтропический

пояс)...........................................................................141

3.5. Средиземное море.....................................................143

3.6. Северный и южный тропические пояса (центральные, дальненеритические и неритические западные и восточные сообщества)..................................................................144

3.7. Северный тропический пояс (северные центральное, дальненеритическое и неритическое сообщества)..................145

3.8. Экваториальное сообщество (экваториальный

и субэкваториальный пояса).............................................146

3.9. Южный тропический пояс (южные центральное, дальненеритическое и неритическое сообщества)..................147

3.10. Южное переходное сообщество (южный субтропический пояс)...........................................................................148

3.11. Дальненеритическое и неритическое восточные сообщества...................................................................149

3.12. Дальненеритические и неритические западные сообщества...................................................................149

3.13. Антарктическая область. Антарктическое сообщество. Северная зона (южный умеренный пояс)..............................150

4. Результаты исследования................................................151

4.1. Температура и соленость............................................151

4.2. Плотность...............................................................153

4.3. Прозрачность...........................................................153

4.4. Расстояние до суши..................................................154

4.5. Биогенные элементы..................................................155

4.6. Кислород.................................................................156

4.7. Первичная продукция................................................157

4.8. Биомасса зоопланктона...............................................159

4.9. Углерод взвешенного органического вещества.................160

Глава V. Картографирование биопродуктивности Атлантического океана.

1. Составление оригиналов карт...........................................161

2. Интерполяция и экстраполяция.

2.1. Интерполяция..........................................................164

2.2. Экстраполяция.........................................................167

3. Способ изолиний........................ ...................................168

4. Построение картосхемы распределения концентрации хлорофилла «а» в Атлантическом океане...............................172

Выводы....................................................................176

Литература...............................................................178

Приложение..............................................................215

ВВЕДЕНИЕ.

Главным стационарным показателем живого вещества, его запасов, является биомасса основных групп организмов; главным динамическим показателем с точки зрения использования биологических ресурсов считают продукцию —

производительность определенной группы организмов.

Фитопланктон является важнейшим продуцентом органического вещества в Мировом океане. Биомасса фитопланктона составляет около 90% всей фитомассы Мирового океана. Суммарная биомасса фитопланктона невелика по сравнению с биомассой зоопланктона (соответственно 24,2 млн. т и 20 млрд. т), но из-за быстрого размножения его продукция в Мировом океане составляет около 550 млрд. т (почти в 10 раз больше суммарной продукции всего животного населения океана).

Общая биомасса фитопланктона в Атлантическом океане равна 6,7 млн. т, что в 1,5 раза меньше биомассы Тихого океана (10,4 млн. т) и составляет % часть биомассы Мирового океана [Лукьянова, Суетова, 1984].

Быстро оценить запас фитопланктона позволяют определения концентрации хлорофилла «а». Сведения о содержании хлорофилла «а» во взвеси морской воды могут быть использованы для оценки величин биомассы и первичной продукции фитопланктона [Карл, 1966; Cushing, 1958; Steemann-Nielsen, 1959]. Для этого был предложен ряд формул, связывающих эти величины [Cushing, 1958].

Несмотря на обширные материалы о содержании хлорофилла «а» в различных регионах Атлантического океана, исследования, посвященные оценке зависимости концентрации хлорофилла «а» от экологических факторов среды, а также глобальному распределению хлорофилла «а» на акватории Атлантики до настоящего времени немногочисленны.

Попытки оценить количественно зависимость концентрации хлорофилла «а» от экологических факторов были осуществлены: М.Е. Виноградовым с соавторами [1999] для Мирового океана, М.Е. Виноградовым с соавторами [1995] для Тихого океана, Э.А. Шушкиной с соавторами [1999] для Атлантического океана. Однако в вышеуказанных работах исследователи оценивают связь концентрации хлорофилла «а» только с некоторыми из экологических факторов (прозрачность воды, биомасса фитопланктона и зоопланктона, первичная продукция), не рассматриваются акватории отдельных регионов и областей (авторы выделяют только тепловодные и холодноводные сообщества).

Более широкий спектр экологических факторов (температура, соленость, плотность воды, содержание в воде фосфатов и кремнекислоты, распределение органического вещества, первичной, продукции, биомассы зоопланктона) рассматривали А. М. Берлянт и Т.С. Лукьянова [1980] при оценке количественной зависимости от них биомассы фитопланктона в Тихом океане.

Общие закономерности в распределении биопродуктивности с выделением природных факторов, ее определяющих, представлены И.А.Суетовой и соавторами на акватории Тихого океана [1991], П.В. Петровым с соавторами - на акватории Атлантического [1992].

Картосхема распределения хлорофилла «а» в Атлантическом океане для теплого сезона была построена Н.В. Мордасовой на основе экспедиционных данных [1976]. За прошедие 24 года вышеуказанная картосхема не обновлялась, картосхемы на основе новых экспедиционных данных построено не было.

В течение последних 20 лет в рамках осуществляемой NASA программы SeaWIFS радиометрами CZCS и SeaWiFS проводится спутниковое сканирование цветности океана (концентрации хлорофилла в поверхностном слое). Достоверность полученных таким образом карт вызывает сомнения у ряда отечественных исследователей [Виноградов и др., 1995; Шушкина и др., 1999].

Однако выявление и анализ количественной зависимости между концентрацией хлорофилла «а» и основными экологическими факторами среды как для Атлантического океана в целом, так и отдельных географических поясов и регионов до настоящего времени только начаты. Не было построено картосхемы распределения хлорофилла «а» в Атлантическом океане на основе новых научных данных. Этим определяется актуальность темы диссертационного исследования.

Цель настоящей работы - выявить количественную зависимость распределения биомассы фитопланктона (по хлорофиллу «а») от экологических факторов окружающей среды, уточнить особенности распределения концентрации хлорофилла «а» на акватории Атлантики. Поставленная цель потребовала решения ряда задач:

1. получить количественную зависимость между концентрацией хлорофилла «а» и рядом факторов среды и выразить ее графически,

2. провести эколого-географический анализ факторов среды, влияющих на биопродуктивность фитопланктона, выявить их количественные значения,

3. на основе новых научных данных построить картосхему распределения хлорофилла «а» в Атлантическом океане.

Объектом исследования послужили литературные материалы отечественных и зарубежных авторов за последние 10 лет по концентрации хлорофилла «а» в Атлантическом океане. В работе использовались результаты измерений концентрации хлорофилла «а», выраженной в сухом весе в микрограммах на литр, определенные в основном стандартным спектрографическим методом.

Предметом диссертационного исследования является выяснение влияния различных экологических факторов на географическое распределение концентрации хлорофилла «а» на территории Атлантического океана, определение количественной зависимости концентрации хлорофилла «а» от факторов среды, особенности современного распределения концентрации хлорофилла «а» по акватории Атлантики.

Для выяснения зависимости между концентрацией хлорофилла «а» и основными экологическими факторами среды использовались следующие методы исследования:

1. географический метод,

2. картографический метод,

3. методы математической статистики: корреляционного и регрессионного анализа.

В работе использована ЭВМ: текстовый редактор Word97, приложение Microsoft Ехсе197 к Windows95, программа сканирования Agfa FotoLook.

Научная новизна работы состоит в следующем. Установлена количественная зависимость между концентрацией хлорофилла «а» и основными экологическими факторами среды как для Атлантического океана в целом, так и для отдельных географических поясов и регионов. Количественная зависимость между концентрацией хлорофилла «а» и температурой, соленостью, содержанием в воде биогенных элементов и кислорода, расстоянием до суши в Атлантическом океане установлена впервые. На основе новых научных данных построена картосхема распределения хлорофилла «а» в Атлантическом океане.

Выявленная зависимость между концентрацией хлорофилла «а» и основными экологическими факторами среды позволяет прогнозировать величину запасов биомассы фитопланктона и, следовательно, биопродуктивность, акваторий, где такие данные отсутствуют. Построенная картосхема распределения хлорофилла «а» дает возможность оценить биопродуктивность акватории Атлантического океана в настоящее время.

9

Полученные новые материалы могут быть использованы в учебном процессе по разделам географий, глобальной экологии, биологии в вузах и школах.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинаре аспирантов кафедры геоэкологии МПУ, ежегодных научных конференциях естественно-экологического факультета Московского Педагогического Университета.

Материалы диссертации используются в лекционных и семинарских занятиях со студентами естественно-экологического факультета МПУ в курсе Физическая география материков и океанов.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Результаты исследования изложены на 172 страниц