Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Основные закономерности изменчивости функционального состояния экосистемы пелагиали Каспийского моря

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Основные закономерности изменчивости функционального состояния экосистемы пелагиали Каспийского моря"

гг- од

2 О НАГ) 1997

На правах рукописи

МОНАХОВ Сергей Константинович

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ ПЕЛАГИАЛИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

11.00.11

Охрана окружающей среды и рациональное использование - пркродпих ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Работа выполнена в Государственном океанографическом институте Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Научные руководители:

доктор географических наук, профессор I А.и.Симонов] доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник А.С.Васильев -

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, старший научный сотрудник

кандидат' биологических наук Ведущая организация:

В. В. Сапожников А. Н. Коршенко

Дагестанский государственный университет, кафедра экологии и природопользования

Защита, диссертации состоится " &" 1997 года

в -/7 часов на заседании диссертационного совета К.24.02.01 в Государственном океанографическом институте по адресу: 119838, ГСП. Москва, Г-34, Кропоткинский пер., 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного океанографического института

Автореферат разослан а*) . 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

Т.А.Макарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Важное место В' современных экологических исследованиях занимает изучение функциональной организации морских экосистем, так как их стабильное функционирование, сохранение способности к самовоспроизводству и самоочищению необходимо для обеспечения устойчивого развития общества.'

Несмотря на исключительное экономическое значение биологических ресурсов Каспийского моря, о жизнедеятельности населяющих его организмов и их связях со средой обитания сегодня известно несравненно меньше, чем об условиях этой среды. Прежде всего это касается глубоководной части Каспия, где для оценки функционального состояния планктона используются, за редким исключением, только экстенсивные показатели (численность и биомасса), а . лпо-тезам, связывающим динамику функциональных параметров с изменениями гидрометеорологического режима моря, не достает фактической основы.

Потребность в 'Дополнительных сведениях о функционировании биологических сообществ каспийской пелагиали стала особенно остро ощущаться в последние годы в связи с образованием в Прикаспийском регионе новых суверенных государств. Для совместного использования природных ресурсов моря необходима более детальная, чем имеется в настоящее время, информация о пространственно-временнпй изменчивости функциональной активности биоты и ее причинах.

Недостаток гидробиологических данных и сворачивание действующей системы экологического мониторинга делает необходимым поиск таких показателей функционального состояния экосистемы глубоководной части моря, которые, с одной стороны, позволяли бы проследить за его динамикой на протяжении последних десятилетий, а с другой - без особых затрат фиксировать современные изменения, происходящие под влиянием природных и антропогенных факторов.

Целью работы явилось изучение основных закономерностей изменчивости функционального состояния экосистемы пелагиали каспийского моря, обусловленных особенностями гидрометеорологического и гидрохимического режимов открытой части моря.

В рамках указанной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:

- г -

- дать характеристику функционального облика экосистем пелагиали моря и условий его формирования;

- изучить изменчивость основных функциональных параметров экосистем открытой части моря;

- оценить влияние факторов окружающей среды на'изменения функциональной активности планктона Среднего и Южного Каспия.

Использование статистических параметров изменчивости насыщения морских вод кислородом для оценки динамики функционального состояния экосистем предполагало решение следующих задач: -

- выявление основных закономерностей насыщения кислородом поверхностного слоя Каспийского моря и формирующих его факторов;

- определение связи динамики функционального состояния экосистем и изменчивости насыщения вод кислородом по данным модельных экспериментов и натурных наблюдений;

- сравнительную оценку динамики функциональных показателей экосистем по данным гидробиологических и гидрохимических исследований. • ' V ' '

На защиту выносятся следующие положения:

1. Данные гидробиологических исследований позволяют судить о влиянии макромасштабных гидрометеорологических процессов (осенне-зимней конвекции и неравномерного распределения речного стока) на изменчивость функционального состояния экосистемы каспийской "тагиали, но их недостаточно для оценки воздействия на нее мезо-

лштабных динамических процессов в поверхностном слое моря.

2. Пространственно-временная изменчивость насыщения поверхностного слоя вод кислородом имеет как сходные, так и различные черты с пространственно-временным распределением численности и биомассы планктона в пелагиали Каспийского моря.

3. В пределах временного интервала, примерно равного естественному- синоптическому периоду, изменения насыщения поверхностного слоя вод кислородом определяются в основном функциональной активностью планктона, а за его пределами на них оказывает влияние также изменчивость гидрометеорологических условий.

4. Статистические параметры временной изменчивости насыщения вод кислородом, находящиеся в линейной зависимости от интенсивности, сбалансированности и стабильности продукционно-деструкци-онных процессов, можно использовать для оценки функционального состояния морских экосистем и его динамики.

5. Сходство структуры статистических полей насыщения вод кислородом со структурой поля течений в поверхностном слое глубоководной части Каспийского моря свидетельствует, что мезо- и частично макромасштабная пространственная изменчивость функционального состояния планктона определяется динамическими процессами в этом слое.

6. Межгодовые изменения энергии колебаний насыщения поверхностного слоя вод кислородом в различных районах моря и их связь с суровостью зим указывает, что на макромасштабную временную изменчивость фотосинтетической активности планктона влияет вертикальная циркуляция вод во всей водной толще пелагиали при ведущей роли водообмена на нижней границе фотической зоны.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые определена эффективность использования фитопланктоном Каспийского моря фотосинтетически активной солнечной радиации и показано, что ее пространственные изменения соответствуют распределению численности и биомассы планктона;

- предложена гипотеза, объясняющая асинхронный характер изменений бчо.логической продуктивности мелководной и глубоководной частей меря их различием между собой по химическому составу морских вод и зависимостью последнего от колебаний речного,стока;

- выявлены новые черты кислородного режима пелагиали моря, установлены закономерности пространственно-временной изменчивости насыщения поверхностного слоя морских вод кислородом и их связь с гидрометеорологическими и гидробиологическими условиями;

- установлена линейная зависимость статистических параметров изменчивости насыщения вод кислородом от функционального состояния морских экосистем;

- выявлена структура мезомасштабной пространственной изменчивости интенсивности, сбалансированности и стабильности продукцион-но-деструкционных процессов и показано ее сходство со структурой динамических полей в поверхностном слое Каспийского моря;

- определен характер межгодовых колебаний продукции фитопланктона в различных районах Среднего и Южного Каспия в семидесятых и восьмидесятых годах, то есть в период резкого изменения водного режима моря.

Практическая ценность работы. Практическое значение имеют следующие результаты исследований:

- установленные временные границы существования гипоксии в придонном слое зоны смешения северо- и среднекаспийских вод, которые необходимо учитывать при разработке биотехнических мероприятий по улучшению кормовой базы осетровых и других ценных пород рыб;

- способ оценки функционального состояния морских экосистем и егс динамики по статистическим параметрам временной изменчивости насыщения вод кислородом, рекомендуемый для применения в Единой государственной системе экологического мониторинга;

- выявленные закономерности сезонной динамики функционального состояния планктона в районе Нефтяных Камней, представляющие интерес для оценки и прогноза экологических последствий загрязнения морских вод нефтяными углеводородами при добыче нефти на шельфе Каспийского моря;

- районирование акватории глубоководной части Каспийского моря по уровню первичной продуктивности вод и стабильности функционального состояния биоты, способствующее рациональной организации рыбного промысла, планированию и реализации водоохранных мероприятий.

Апробация и публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Материалы диссертации были доложены на XIII научно-практической конференции по охране природы Дагестана^ (Махачкала. 1995). на Международной конференции "Каспийский регион: экономика, экология, минеральные ресурсы" (Москва, 1995), на конференции "Современные проблемы комплексного использования морей" (Москва, 1995), на научном совете по проблемам Каспийского моря Дагестанского научного центра РАН (1996), на семинарах Регионального экологического центра и Центра по изучению проблем Каспийского моря Дагестанского государственного университета (Махачкала, 1996), на общеинститутском научном семинаре Государственного окенографичес-кого института (1996) и научно-техническом совете Дагестанского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (1997).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 103 наименования. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включая 16 таблиц и 33 рисунка.

Фактический материал. В основу работу положены материале:; гидрохимических и гидрометеорологических наблюдений, проводивших-

ся по программе Общегосударственной системы наблюдений в период с 1967 по 1988 на "вековых" разрезах Среднего и Южного Каспия (начиная с 1980 года эти наблюдения проводились с участием автора), другие материалы Государственного фонда данных о состоянии окружающей природной среды и данные собственных исследований зоны смешения северо- и среднекаспийских вод. ;

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, обозначен подход к их решению, отражена научная новизна исследований и дана краткая характеристика использованных материалов.

В первой главе представлено описание функционального облика экосистемы глубоководной части Каспийского моря.

Основой для оценки функционального состояния планктона глубоководной части моря до настоящего времени являются экстенсивные показатели (численность и биомасса), лишь в перзс:; прибл'-г:::ен:'^ позволяющие судить об изменениях его функциональной активности.

Данные гидробиологических исследований указывают на уменьшение биомассы фитопланктона с запада на восток и с севера на юг. которое наиболее отчетливо проявляется в летнее время. Широтный градиент, очевидно, можно объяснить повышенным содержанием биогенных элементов в прибрежных водах западной части моря, а меридиональный - меньшей толщиной слоя, охватываемого зимней вертикальной циркуляцией в Южном Каспии относительно Среднего.

Судя по картам распределения биомассы зоопланктона в водах глубоководной части моря, чаще всего его скопления наблюдаются к центральной части Среднего Каспия, охваченной циклоническим круговоротом воды. "Пятно" зоопланктона в центре средней части моря является, пожалуй, единственным структурам элементом мезомасш-табной пространственной изменчивости численности и биомассы планктона, существование которого не вызывает сомнений.

В сороковые И' пятидесятые годы; последовавшие за резким падением уровня моря, происходило увеличение биомассы и численности планктона Среднего и Южного Каспия. Аэрация глубинных и улучшение трофического состояния верхних слоев воды в- глубоководной част;: моря, совпавшие по времени с увеличением- биомассы планктона, ука-

зывает, по мнению большинства исследователей, что причиной последнего было усиление вертикальной"циркуляции вод.

Одним из важных параметров функционального состояния морских экосистем является эффективность (Е) использования фитопланктоном фотосинтетически активной радиации (ФАР).

На основе опубликованных недавно карт солнечной радиации и сведениях о продуктивности каспийского фитопланктона, показано, что эффективность использования им ФАР у западного побережья Среднего и Южного Каспия выше, чем у восточного (табл. 1). Средняя по морю эффективность использования ФАР фитопланктоном составляет 0.56Х (в Северном Каспии - 0.50%, в Среднем Каспии -0.69%, в Южном Каспии- 0.44%). Таким образом, в макромасштабной пространственной изменчивости параметра Е в глубоководной части Каспийского моря проявляются те же градиенты, - меридиональный (уменьшение с севера на юг) и широтный (увеличение с востока на запад), какие характерны для пространственного распределения численности и биомассы фитопланктона.

Таблица 1 Эффективность использования.фотосинтетически активной солнечной радиации фитопланктоном Каспийского моря, %

Район моря

Зима

Весна

Лето

Осень

Год

Северный 0 10 0.38 0. 63 0. 66 0.50

Каспий

Ср.Каспий

Восток 0 16 0.34 0 38 0.75 0,50

Запад 0 29 0.83 0 75 1.08 0.88

Южн.Каспий

Восток 0 65 0.35 0. 25 0. 50 0.38

Запад 0 59 0.43 0. 33 0. 75 0.50

Каспийское 0 32 0. 45 0. 50 0. 74 0.56

море

Выяснено, что отношение Ммин/Рмин в ряду: волжский сток -Северный Каспий - Средний Каспий - Южный Каспий постепенно уменьшается. В Северном Каспии оно равно 9.6, то есть продукция фитопланктона, здесь лимитируется фосфором, а его значение в Южном Каспии (4.7) указывает на лимитирование продукционных процессов азотом.

На основании этих данных предложена еще одна гипотеза, объясняющая асинхронный характер колебаний биологической продуктивности мелководной и глубоководной частей моря. В маловодные на Волге годы излишки азота, образовавшиеся в результате угнетения жизнедеятельности северо-каспийского фитопланктона, сбрасываются в глубоководную часть моря, где стимулируют продукционные процессы. В многоводные годы, отличающиеся обилием фитопланктона в Северном Каспии, водоросли полностью потребляют минеральный азот и поступление последнего в Средний Каспий резко сокращается. Как следствие снижается продукция фитопланктона и общая биологическая продуктивность глубоководной часта моря.

Отчасти эта гипотеза подтверждается тем, что содержание аммония в водах Дагестанского взморья уменьшается в многоводные и увеличивается в маловодные (на Волге) годы, а, также тем, что отношение м/р на взморье уменьшается с севера на юг (табл. 2). Именно в этом направлении следуют вдоль берегов Дагестана северокаспийские воды, постепенно трансформируясь и осолоняясь в результате взаимодействия с среднекаспийской водной массой.

Таблица 2 Содержание и отношение минерального азота г нерального фосфора в вод ах Дагестанского взк по данным наблюдений 1978-88гг.

Район взморья Концентрация, мкг/л ^ми н ^ми

Р-Р04 мо2 М-Ш3 . N-№4

Лопатин 7,1 1,3 16. 8 61. 6 11.2

Терек 10.2 1, 7 32, 2 65. 8 9,8

Су'лак 11,2 1,8 39,2 82,6 11,0

Махачкала 10, 2 1,4 32,2 74,2 10,6

Каспийск 11,2 1.5 35, 0 72, 8 9,8

Избербаш 9,9 1,7 15,4 58,8 7.7

Дербент 11,2 0,8 11,2 53,2 5.8

Самур И, 8 0,8 19, 6 53.2 6,2

Средн. 10,4 1,4 25. 2 65.3 8,8

Данные гидробиологических исследований и вновь выявленные черты функционального облика экосистем Среднего и Южного Каспия дают основание предполагать, что макромасштабная пространственно-временная изменчивость функционального состояния планктона пе-

лагиали моря определяется макромасштабными процессами конвекции вод и неравномерным распределением речного стока. Этих данных, однако, недостаточно для оценки мезомасштабной изменчивости функциональной активности планктона и влияния на нее динамических процессов в поверхностном слое моря.

Во второй главе дана характеристика режима насыщения кислородом поверхностного слоя Каспийского моря и условий его формирования.

За насыщение вод кислородом (НВК) принималась разность между растворимостью и содержанием кислорода в морской воде, которая лучше, чем другие параметры кислородного режима, отражает происходящие в море биологические процессы.

В первом разделе главы представлены результаты анализа временной изменчивости насыщения кислородом поверхностного ( 0-10 м) слоя моря (ПСМ).

Основной чертой многолетних изменений насыщения ПСМ кислородом является его постепенное увеличение в перипп с сроедины тридцатых по середину восьмидесятых гсдсв. Существует мкгнпе, что оно свидетельствует об увеличении биологической продуктивнисти глубоководной части Каспия. Можно предложить и иное объяснение, а именно, нарушение сбалансированности продукционно-деструкционных процессов в результате вселения диатомовой водоросли Шгозо1еп1а са1саг-ау1з, которая, которая став доминантом пелагического фитопланктона, не потребляется фитофагами.

Сезонная изменчивость насыщения вод кислородом характеризуется одно- или двувершинной кривой с пиками, приходящимися на весну или осень, что по крайней мере в Южном Каспии соответствует характеру сезонных изменений продукции фитопланктона. Однако, в восьмидесятые годы во всех районах, за исключением Мангышлакского порога, максимум насыщения вод кислородом наблюдался летом. Начиная с середины шестидесятых годов, во все сезоны года, за исключением зимы, поверхностный слой пелагиали моря пересыщен кислородом.

Суточные колебания насыщения кислородом ПСМ глубоководной части моря достигают 2.5-3.0 мл/л и на порядок больше его мезо- и макромасштабных временных флуктуации. Столь значительный размах суточной изменчивости НВК очевидно определяется высокой интенсивностью продукционно-деструкционных процессов.

Во втором разделе главы представлены основные черты пространственной изменчивости насыщения вод кислородом и показано, что в ряде случаев они носят сходный характер с особенностями пространственного распределения численности и биомассы планктона. Например, относительно высокие значения избытка кислорода и биомассы планктона в течение всего года характерны для центральной части Среднего Каспия. Однако, в структуре пространственной изменчивости насыщения вод кислородом никак не нашел своего выражения широтный градиент биомассы планктона, а меридиональный градиент НВК (увеличение с севера на юг) вообще был противоположен по знаку меридиональному градиенту биомассы.

В третьем разделе главы дана характеристика условий формирования кислородного режима поверхностного слоя Каспийского моря.

Показано, что при среднемноголетних гидрометеорологических условиях (скорости ветра, температуры воды) и средних значениях насыщения поверхностного слоя вод кислородом процессам газообмена на границе вода-атмосфера необходимо, как минимум, 2-7 суток для того, чтобы привести содержание кислорода в ЛСМ в состояние рав-ниььсия и атмосферой.

Но данным ежедневных гадрометоор<х.;сг"«рски.< и гилрсхшчвс -ких наблюдений, проводившихся в течение полугода на'морском гидрологическом посту Махачкала, низкочастотные (с периодом от 6 до 30 суток) колебания насыщения вод кислородом находятся в линейной зависимости от изменений гидрометеорологических условий, а высокочастотные (с периодом менее 6 суток) коррелируют с изменениями первичной продукции и биологического потребления кислорода (табл.3).

В придонном слое зоны смешения северо- и среднекаспийских ' вод. к которому относится взморье Махачкалы, в летнее время часто формируется гипоксия, при этом колебания насыщения вод кислородом в поверхностном и придонном слоях носят хоть и противофазный, но синхронный характер, и, следовательно, их частотная структура совпадает.

В четвертом разделе главы приведены данные спектрального анализа рядов ежедневных наблюдений за насыщением вод кислородом, соленостью и температурой воды, скоростью ветра и атмосферным давлением в зоне смешения северо- и среднекаспийских вод, в соответствии с которыми для всех указанных параметров характерны

Таблица 3 Зависимость насыщения вод кислородом (НВК) от гидрометеорологических условий и гидробиологических процессов (коэффиценты линейной корреляции, выделенные жирным шрифтом, значимы при « =0.01)

Наименование параметров

НВК

Утром

После полудня

Атмосферное давление 0.13

Скорость ветра -0.31

Уровень моря 0.12

Температура воды 0.54

Соленость воды -0.46

Первичная продукция -0.26

Биологическое потребление -0.06 киплорода

Атмосферное давление 0.20

Скооость ветра -0.12

Уровень моря -0.02

Температура воды . 0.34

Соленость воды -0.24

Первичная продукция -0.57

Биологическое потребление 0.55 кислорода

Низкие

Высокие

частоты 0.12 -0.38 -0.01 0.56 -0.33 0.40 0.45

частоты 0.22 -0.18 -0.10 0.32 -0.23 0.47 0.57

Флуктуации с® периодом 6. 14-16, 16-18 суток. Исходя из того, что изменения насыщения вод кислородом линейно связаны с изменениями температуры и солености воды, а также скорости ветра (табл.3) сделан вывод, что продолжительность существования гипоксии, формирующейся в придонном слое этой зоны, находится в пределах временного интервала от 6 до 18 суток.

В третьей гладе анализируется взаимосвязь изменчивости насыщения кислородом поверхностного слоя морских вод с динамикой функционального состояния экосистемы каспийской -елагиали.

В первом разделе дана оценка (на качественном уровне) связи статистических показателей временной изменчивое?:: насыщения вод кислородом с параметрами, характ^р;!"у;оI;:;:ми функциональную активность планктона. В качестзе такозкх оылл выбраны интенсивность, сбалансированность и стабильность продукциокно-деструкционных процессов, так как эти процессы составляют основу функциональной организации экосистем.

Исходя из известных формул определения продукции :: деструкции планктона по суточному ходу кислорода можно предполагать, что, как минимум, один из статистических показателей временной

- И -

изменчивости насыщения вод кислородом, а именно, дисперсия находится в прямо пропорциональной зависимости от интенсивности фотосинтеза и дыхания планктона.

В численных экспериментах на простой математической модели, не учитывающей процессы газообмена подтверждено, что дисперсия, и, соответственно, среднее квадратическое отклонение, характеризующие энергию колебаний насыщения вод кислородом, положительным образом связаны с интенсивностью продукционно-деструкционных процессов.

Показано, что среднее значение насыщения вод кислородом зависит от сбалансированности продукционно-деструкционных процессов, в частности, оно положительно, если отношение продукции к деструкции больше единицы, и отрицательно при преобладании дест-рукционных процессов.

Эксцесс и ассиметрия статистических временных рядов насыщения вод кислородом дают представление о стабильности продукционно-деструкционных процессов. При их одно- или разнонаправленных колебаниях эксцесс увеличивается. Отрицательная ассйметрия кривой распределения указывает на колебания деструкции, а положительная на колебания продукции фитопланктона.

Во втором разделе главы представлены результаты изучения связи статистических параметров временной изменчивости насыщения вод кислородом с основными функциональными параметрами морских экосистем на количественном уровне.

Для временных рядов насыщения вод кислородом (по данным ежедневных наблюдений) и выборок из них расчитывались следующие статистические параметры: среднее арифметическое значение (НВКср), среднее квадратическое отклонение (НВКа). коэффициенту. ассиметрии (НВКаз) и эксцесса (НВКех). Для рядов первичной продукции и биологического потребления кислорода и выборок из них расчитывались средние арифметические величины (ППср иБПКср), средние квадратические отклонения (ПП3 и БПК3), а также отношение ППср /БПКСр ППср и БПКср считались показателями интенсивности, ПП3 и БПК3 - показателями стабильности, а отношение ППср/ БПКср -показателем сбалансированности продукционно-деструкционных процессов.

Между первичной продукцией, деструкцией и статистическими параметрами временных рядов насыщения вод кислородом (НВКср и

НВК3) обнаружена линейная зависимость. Однако только связь первичной продукции и энергии колебаний насыщения вод кислородом (НВКг) является устойчивой (то есть ее характер не зависит от времени отбора проб, объема выборки и сбалансированности продук-ционно-деструкционных процессов), что позволяет использовать ее для анализа изменчивости продукции фитопланктона в Каспийском море (табл. 4). При преобладании деструкции над первичной продукцией, то есть на фоне недостатка кислорода в воде, на энергию колебаний насыщения вод кислородом существенное влияние оказывает также интенсивность деструкционных процессов.

Таблица 4 Взаимосвязь статистических параметров временной изменчивости насыщения вод кислородом (НВКср и НВК„), пеовичной продукции (ПП,Р) и деструкции (БПКСр), по;: сгзличном отношении ПП/БПК; - коэффиценты линей-кюреляции, выделенные жирным шрифтом, значимы а =0.05

Объем Число Насыщение вод кислородом

• параметры выборки выборок Утром- п0сл6 10 л уд! ¡я

п М НБКС р НЬНд НЕКср НБК8

пп

с р

впк

ср

ПП

ср

бпк

ср

5 9

13

5 9

13

5 '9 13

5 9 13

28 24 20

28 24 20

36 32 28

36 32

-0. 25 -0.34 -0.70

-0.29 -0. 27 -0.07

0.42 0.55 0.51

0. 32 0.40

С. 35

ПП>БПК 0.51 0.44

0.32

0.03 -0. И -0.25

гаквпк

0.36 0.39 0.40

0.49 0.39 0.32

0.50 0.43 0.49

0.28 0.22 -0.36

0.81 0.90 0.86

0.69 0.75 0. 73

0.81 0.51 0.72

0.40

0. 01 -0.29

0.82 0.90 0.85

0.84 0.88 0.88

Показано, что среднее насыщение вод кислородом язляется удовлетворительным показателем сбалансированности продукционных и деструкционных процессов, если их :тношение стабильно, ?. также тс, что эксцесс и ассиметрня статистических временных ряд:з насыщения вод кислородом находятся в линейной зависимости от энергии колебаний первичной продукции и деструкции.

В заключительном разделе главы анализируется сезонная изменчивость насыщения кислородом вод акватории, прилегающей к острову Нефтяные Камни в сравнении с данными продукционно-гидробиологических исследований, регулярно проводившихся в'этом районе.

Обнаружено сходство сезонного хода определенной радиоугле-" родным методом первичной продукции с изменчивостью энергии колебаний насыщения вод кислородом (НВКЕ), как показателя фотосинтетической активности фитопланктона (табл.5). Это сходство является дополнительным доказательством правомерности использования статистических параметров временной изменчивости насыщения вод кислородом для оценки функциональной динамики экосистем поверхностного слоя Каспийского моря.

Таблица 5 Сезонные изменения энергии колебаний насыщения вод кислородом (НВК3) и первичной продукции (ПП) в районе Нефтяных Камней.

Сезон у, о «О < • НВК3 ПП по /Салманов, 1987/, гС/мг-сутки

м п/п В срелнем по ар-уир'епч^у У о.Нефтяные Камни"

Зима 0. 0 6 0.02

Весна 0.52 0. 6 0. 05

Лето 0. 60 0.8 ' 0. 10

Осень 0. 71 1. 3 0. 16

Статистический (в том числе квантильный) анализ сезонной изменчивости насыщения вод кислородом у о.Нефтяные Камни позволил выявить ранее не известные детали функциональной динамики сообществ обитающих здесь организмов. Наряду с известным осенним пиком активности фитопланктона зарегистрирована ее летняя вспышка, локализованная в придонном слое. В целом для экосистемы характерен дисбаланс продукционно-деструкционных процессов, при этом продукция фитопланктона превышает деструкцию, но размах колебаний последней больше, чем первой.

В целом результаты исследований, освещенных в третьей главе, указывают на возможность использования статистических параметров временной изменчивости насыщения вод кислородом для оценки функционального состояния морских экосистем и его динамики. С учетом того, что эта оценка является одной из основных задач экологичес-

кого мониторинга, рекомендуется включить в программу наблюдений на морских гидрометеорологических станциях и постах определение насыщения вод кислородом.

В четвертой главе анализируются основные' закономерности изменчивости функционального состояния экосистемы каспийской пела-гиали в период резкого изменения водного режима моря (1967-88гг. )

В первом разделе приведены карты пространственного распределения НВКС р, НВК3, НВКа;! и НВКех в поверхностном слое глубоководной части моря. Благодаря тому, что эти статистические параметры находятся в линейной зависимости от показателей жизнедеятельности биологических сообществ моря, их пространственное распределение может быть основой для оценки пространственной изменчивости функционального состояния экосистем каспийской пелагиали. В результате исследований выявлены отдельные структ-уры, свойственные этой изменчивости и показана их связь с динамическими процессами в пелагиали моря.

Судя по картам пространственного распределения энергии колебаний насыщения вод кислородом (рис. 1). в период 1967-88гг. наиболее продуктивными районами моря были центральная часть Среднего и западная часть Южного Каспия-. Летом высокий уровень первичной продукции наблюдался также в северо-западном районе средней части моря, и у восточного побережья южной. В течение всего года низкая активность фитопланктона была характерна для открытых вод над Мангышлакским порогом. В отдельные сезоны относительно низкий уровень первичной продукции был зарегистрирован и в других районах: акватории, прилегающей к Ашиеронскому полуострову, центральных областях Южного'Каспия и Апшеронского порога.

Выявленные структурные особенности мезомасштабной пространственной изменчивости продукции фитопланктона хорошо согласоьмва-ются с современными представлениями о динамике вод в глубоководной части моря. Везде, где условия вертикальной и горизонтальной циркуляции способствуют обогащению зоны фотосинтеза биогенными элементами (в центре циклонических круговоротов, в ' фронтальных зонах, районах апвеллинга и адвекции северо-каспийских вод) наблюдается активизация жизнедеятельности фитопланктона. И наоборот, в центрах антициклонических круговоротов и вихрей и по мере удаления планктонных сообществ от источников питания, если тому способствует установившееся течение, первичная продукция снижается.

Рис.I- Пространственное распределение энергии колебаний насыщения вод кислородом (НВКд, мл/л) в поверхностном слое Каспийского моря (горизонт О м) по данным наблюдений 1967-88гг. 1 - зима, 2 - весна-, 3 - лето, 4 -осень.

Если стабильное функционирование планктонных сообществ считать мерой устойчивости динамических структур пелагиали моря,, то в период 19б7-88гг. наиболее устойчивой из них был циклонический круговорот в Среднем Каспии, а наименее устойчивыми адвекция се-веро-каспийских вод, циклонический круговорот в Южном Каспии и система течений над Апшеронским порогом. В нестационарных динамических образованиях колебания продукционно-деструкционных процессов отличаются наибольшей амплитудой.

К стационарным структурам макромасштабной пространственной изменчивости первичной продуктивности морских вод следует отнести широтный градиент, - уменьшение активности фитопланктона с запада на восток. Различие в продуктивности вод между средней и южной частями моря проявляется только в теплое время года, весной интенсивность фотосинтеза выше в Среднем, а летом в Южном Каспии.

В целом следует полагать, что функциональное состояние экосистем открытой части моря существенным образом зависит от обмена веществ на нижней границе фотического слоя, так как в основе ме-зомасштабной изменчивости функциональной активности планктона лежат динамические процессы, регулирующие этот обмен. Динамические поля в Каспийском море формируются под воздействием изменений полей ветра и атмосферного давления, следовательно, последним принадлежит одна из главных ролей и в формировании биологической продуктивности Каспийского моря.

Во втором разделе главы результаты статистического анализа временных рядов насыщения вод кислородом (в том числе "очищенных" от вклада гидрометеорологической изменчивости), используются для характеристики межгодовых колебаний первичной Продукции пелагиали моря в период 1967-88гг.

Показано, что в семидесятые годы в Среднем Каспии продукция фитопланктона снижалась, а в Южном Каспии увеличивалась. Однако и в южной части моря в конце указанного периода наблюдалось кратковременное снижение фотосинтетической'активности. Практически во всех районах моря и независимо от сезона года в начале восьмидесятых годов была зарегистрирована "волна" первичной продукции продолжительностью 2-4 года. В дальнейшем увеличение продукции фитопланктона в глубинном бассейне моря происходило только в теплый период года. Зимой, весной, а в Среднем Каспии и осенью, в

■ Рис.2 Многолетние изменения энергии колебаний насыщения вод кислородом (HBKS) в поверхностном слое Среднего"Каспия по данным наблюдений 1967-88гг. W - западный район, 0 - центральный район, Е - восточный район-. I -зима, II - весна, III - лето, IV - осень; — до ."чистки", — после "чистки" (см. в тексте).

середине восьмидесятых годов отмечено снижение фотосинтетической активности водорослей (рис. 2).

Связь суровости зим с первичной продукцией проявлялась только в условиях, когда динамика вод в поверхностном слое моря способствовала транспортировке в фотическую зону биогенных элементов из более глубоких слоев воды, где их "запасы" создаются зимней вертикальной циркуляцией.

Судя по влиянию динамики вод в поверхностном слое моря не только на мезо-, но и на макромасштабную изменчивость функционального состояния морских экосистем ей принадлежит одна из ведущих ролей в формировании биологической продуктивности глубоководной части Каспийского моря.

Перечислим основные результаты исследований, представленные в работе:

1. Данные гидробиологических исследований и вновь выявленные черты функционального облика экосистем Среднего и Южного Каспия дают основание предполагать, что макромасштабная пространственно-временная изменчивость функционального состояния планктона пе-лагиали моря определяется макромасштабными процессами конвекции вод и неравномерным распределением речного стока.

2. В период с середины шестидесятых по середину восьмидесятых годов, в отличие от предыдущих лет, поверхностный слой каспийской пелагиали был пересыщен кислородом, благодаря чему Каспий стал поставщиком кислорода в атмосферу. Изменение кислородного режима связано с увеличением продукции фитопланктона и (или) нарушением сбалансированности продукционно-деструкционных процессов.

3. Существует сходство в пространственном распределении насыщения вод кислородом и биомассы планктона, в частности, их относительно высокие значения приурочены к открытой части Среднего Каспия и, по-видимому, связаны с центром циклонического круговорота воды. Это сходство нельзя назвать абсолютным, например, широтный градиент биомассы планктона (уменьшение с запада на .восток) никак не выражен в пространственной изменчивости насыщения вод кислородом.

4. Кислородный режим поверхностного слоя Каспийского моря формируется под влиянием функциональной активности планктона л

гидрометеорологических условий. В пределах временного интервала, примерно равного естественному синоптическому ,периоду, изменчивость насыщения вод кислородом определяется в основном гидробиологическими процессами, а за его пределами на нее существенное влияние оказывают гидрометеорологические факторы.

5. Устойчивость гипоксии, развивающейся в придонном слое в зоне смешения северо- и среднекаспийских вод, определяется изменчивостью гидрометеорологических условий. Учитывая, что их резкая смена происходит каждые 6-18 дней, можно предполагать, что продолжительность существования гипоксии также находится в пределах этого временного интервала.

6. Статистические параметры временной изменчивости насыщения вод кислородом находятся в линейной зависимости от интенсивности, сбалансированности и стабильности продукционно-деструкционных процессов, что позволяет использовать их в.качестве показателей динамики функционального состояния экосистем Каспийского моря.

7. Сезонная изменчивость статистических параметров насыщения вод кислородом у о.Нефтяные Камни указывает на ранее не известные детали функциональной динамики сообществ обитающих здесь организмов. Наряду с известным осенним пиком активности фитопланктона зарегистрирована ее летняя вспышка,' локализованная в придонном слое. В целом для экосистемы характерен дисбаланс продукцион-но-деструкционных процессов, при этом продукция фитопланктона превышает деструкцию, но размах колебаний последней больше, чем первой.

8. Наиболее продуктивными районами пелагиали являются центральная часть Среднего и западная часть Южного Каспия. Летом высокий уровень первичной продукции наблюдается также в северо-западном районе'средней части моря, и у восточного побережья южной. В течение всего года низкая активность фитопланктона характерна для открытых вод над Мангышлакским порогом. В отдельные сезоны относительно низкий уровень первичной продукции наблюдается и в других районах: акватории, прилегающей к Апшеронскому полуострову, центральных областях Южного Каспия и Апшеронского порога.

9. Выявленные структурные, особенности мезомасштабной пространственной изменчивости основных функциональных параметров экосистемы пелагиали хорошо согласовываются с современными представлениями о динамике вод в глубоководной части моря. Везде, где ус-

лобия вертикальной и горизонтальной циркуляции способствуют обогащению зоны фотосинтеза биогенными элементами (в центре циклонических круговоротов, в фронтальных зонах, районах апвеллинга и адвекции северо-каспийских вод) наблюдается активизация жизнедеятельности фитопланктона. И наоборот, в центрах антициклонических круговоротов и вихрей и по мере удаления планктонных сообществ от источников питания, если тому способствует течение, установившееся в поверхностном слое, первичная продукция снижается.

10. В семидесятые годы в Среднем Каспии продукция фитопланктона снижалась, а в Южном Каспии увеличивалась. Однако и в южной части моря в конце указанного периода наблюдалось кратковременное снижение фотосинтетической активности. Практически во всех районах моря .и незави.симо от сезона года в начале восьмидесятых годов была зарегистрирована "волна" первичной продукции продолжительностью 2-4 года. В дальнейшем увеличение продукции фитопланктона в глубинном бассейне моря происходило ^только в' теплый период года. Зимой,"весной, а в Среднем Каспии и осенью, в середине восьмидесятых годов отмечено снижение фотосинтетической активности водорослей.

11. Связь суровости зим с первичной продукцией проявляется только в условиях, -когда динамика вод в поверхностном слое моря способствует транспортировке в фотическую зону биогенных элементов из более глубоких слоев воды, где их "запасы" создаются зимней вертикальной циркуляцией. Влияние динамики вод в поверхностном слое моря не только на мезо-, но и на макромасштабную изменчивость функционального состояния морских экосистем указывает, что она играет одну из главных ролей в формировании биологической продуктивности глубоководной части Каспийского'моря.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Монахов С.К., Затучная Б.М. К определению минерального фосфора в водах устьевого взморья (на примере рек Терека и Сулака) // Химия и биология морей. - М: Гидрометиздат, 1987. - С.. 73-7S.

2. Монахов С. К. К прогнозу температурных аномалий воды у Дагестанского побережья Каспийского моря // Рекреационные ресурсы Каспийского моря. - Mr Наука, 1989: - С. 56-58.

3. Монахов. С. К. „ Ахмедова Г. А.. Биогенные элементы з водах: Каспийского моря // Материалы XIII научно-практической конференции

по охране природы Дагестана. - Махачкала, 1995. - С. 208-209. '4. Монахов С.К., Гусейнова А.Д., Функциональные особенности экосистемы Дагестанского взморья Каспийского моря // Материалы XIII научно-практической конференции по охране природы Дагестана. -Махачкала, 1995. - С. 209-210.

5. Ахмедова Г.А., Гусейнова А.Д., Монахов С.К. Гидрология и гидрохимия Дагестанской части Каспийского моря // Каспийский регион: экономика, экология, минеральные ресурсы. Сб. рефератов Международной конференции. Москва. 1995. июнь 20-23. С.99-100

6. Гаджиев А. 3., Бутаев A.M., Монахов С:К. Балансовый метод в исследованиях функционального состояния морских экосистем // Каспийский регион: экономика, экология,минеральные ресурсы. Сб. рефератов Международной конференции. Москва. 1995. июнь 20-23. С. 93.

7. Монахов С.К., Ахмедова Г.А., Даниялова З.Х. Азот и фосфор в экосистеме Каспийского моря. // Тез.докл. конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей". - М: Росгидромет. ГОИН, 1995. - С.60

8. Поставик П.В., Монахов С.К., Даниялова З.Х. Эффективность использования фотосинтетически активной солнечной радиации фитопланктоном Каспийского моря. // Тез. докл. конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей". - М: Росгидромет, ГОИН, 1995. - С.63

9. Монахов С.К., Поставик П.В., Соловьев Д.В., Яготинцев В.Н. Экосистема и окружающая среда Каспийского моря. - Махачкала, 1997. - 116 с.