Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Трансформация фосфатов и первичная продукция в Баренцевом море

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Трансформация фосфатов и первичная продукция в Баренцевом море"

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ п § ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Океанологический факультет

На правах рукописи

ТИТОВ Олег Владимирович

ТРАНСФОРМАЦИЯ ФОСФАТОВ И ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ В БАРЕНЦЕВОМ МОРЕ

11.00.08 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Работа выполнена в Полярном научно-исследовательском институте морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М.Книповича (ПИНРО).

Научные руководители: доктор географических наук, член-корреспондент РАН Сапожников В.В.; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Несвеггова Г.И.

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Ляхин Ю.И.; кандидат химических наук, старший научный сотрудник Смагин В. М.

Ведущая организация: Санкт-Петербургское отделение

Государственного океанографического института.

Защита состоится " 21« иши^ 1995 г. в //-2часов на заседании специализированного совета К.063.19.01 при Российском государственном гидрометеорологическом институте по адресу: 195196, Санкт-Петербург, пр. Малоохтинский, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического института.

Автореферат разослан "/У" СЛ^О. <-Х 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук /Дикинис А.В./

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Океанологический факультет

На правах рукописи

ТИТОВ Олег Владимирович

ТРАНСФОРМАЦИЯ ФОСФАТОВ И ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ В БАРЕНЦЕВОМ МОРЕ

11.00.08 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется необходимостью углубления знаний о процессах формирования первичной продукции (ПП) в морских экосистемах. Решаемая задача является важным аспектом разработки научных основ рациональной эксплуатации биоресурсов Баренцева моря, а также исследований естественных флуктуаций природных процессов в условиях развертывания работ по разведке и добыче нефти и газа на шельфе Баренцева моря.

Цель работы - выявление закономерностей распределения и внутригодовой изменчивости концентраций минеральных соединений фосфора, исследование процессов ассимиляции - регенерации фосфатов на первом трофическом уровне экосистемы и на этой основе реконструкция картины сезонной динамики ПП на всей акватории Баренцева моря. Особое внимание уделено вопросам влияния динамики вод на формирование ПП.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование закономерностей пространственно-временной изменчивости полей фосфатов.

2. Разработка математических методов исследования сезонной динамики процессов биохимической трансформации фосфора.

3. Изучение адвекции фосфатов постоянными течениями и влияния гидрофизических факторов на процессы первичного синтеза органического вещества (ОВ).

4. Построение модели сезонной динамики ПП на акватории Баренцева моря, его районирование по типу формирования ПП, оценка годовых величин "новой" и валовой ПП по водным массам.

5. Исследование особенностей сезонной динамики концентраций фосфатов в губах и заливах баренцевоморского побережья Кольского полуострова.

Научная новизна. Впервые для Баренцева моря на основе обобщения многолетнего материала построены карты полей минерального фосфора на основных стандартных горизонтах и графики вертикального распределения его концентраций на четырех стандартных разрезах за каждый месяц года. Были предложены новые математические подходы к методу балансовых расчетов ПП, которые позволили выделить пространственные и временные масштабы зоны ассимиляции и рециклинга фосфатов, избежав количественного учета плохо поддающихся моделированию диффузионных процессов, а также учесть динамику вовлечения фосфатов в продукцнонно-деструкционные процессы, изменчивость температурного режима и седиментацию вновь образованного органического вещества. Для всей акватории Баренцева моря рассчитана сезонная динамика темпов оборачиваемости фосфатов и протяженности слоя фотосинтеза. Даны оценки ПП, формирующейся за счет горизонтальной адвекции фосфатов постоянными течениями и их "заброса" в зону фотосинтеза. Впервые для

всей акватории Баренцева моря в узлах регулярной сетки смоделирована сезонная динамика "новой" и валовой ПП, рассчитаны годовые величины ПП по водным массам.

Практическое значение. Результаты работы могут служить:

- элементом модели экосистемы Баренцева моря;

- подходом к разработке основ рациональной эксплуатации биоресурсов моря;

- основой для определения потенциально-продуктивных районов;

- целям охраны окружающей среды, так как являются базовым материалом для разделения процессов антропогенного характера от естественных флуктуаций природных процессов;

- основой для разработки аналогичных моделей для других морских акваторий.

Данные по распределению биогенных элементов в губах и заливах Баренцева моря использовались для выдачи рекомендаций по размещению в них товарных рыбоводческих ферм.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на Ш-й Всесоюзной конференции "Экология, воспроизводство и охрана биоресурсов морей Северной Европы" (Мурманск, 1990); Конференции молодых ученых и специалистов ПИНРО (Мурманск, 1991); Отчетной сессии по итогам НИР ПИНРО 1993 г. (Мурманск, 1994); Международной конференции "Экологические исследования шельфа Баренцева и Карского морей в зоне нефтегазовых месторождений" (Мурманск, 1995). Результаты наблюдений, основные положения и выводы диссертационной работы доложены на коллоквиумах Отдела морской экологии ВНИРО и заседаниях Ученого совета ПИНРО.

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 8 в соавторстве. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 131 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложения на 164 страницах. Текст иллюстрирован 27 рисунками и 7 таблицами. Список использованной литературы включает 205 наименований, в том числе 77 на иностранных языках.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА БАРЕНЦЕВА МОРЯ

Пространственно-временное распределение фосфатов на акватории Баренцева моря изучается с конца прошлого века, вместе с тем до последнего времени большинство работ касалось особенностей режима фосфатов в отдельных районах Баренцева моря. Если публикации и посвящались обобщению многолетнего материала, то только в пределах сезонов: например, для зимы и лета, что совершенно недостаточно по причине высокой сезонной изменчивости содержания минерального фосфора в водах исследуемой акватории.

Впервые ПП фитопланктона в Баренцевом море была определена еще в 30-е годы (Kreps, Verjbinskaya, 1932). Однако в настоящее время сформировалось лишь общее представление об основных чертах сезонной динамики и масштабах фотосинтеза ОВ, недостаточное для оценки продукционных возможностей фитоценозов различных

биогеографических провинций моря. Литературные оценки годовой первичной продуктивности водоема различаются более чем в 3 раза. Практически не исследовано влияние горизонтального и вертикального транспорта питательных веществ постоянными течениями на создание ПП.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В первой части главы дана краткая характеристика района исследований и использованных материалов. Приведены батиметрическая карта шельфа Баренцева моря, схема распределения основных водных масс. Для удобства работы с иллюстративными материалами и текстом представлена карта деления Баренцева моря на промысловые районы и схема стандартных разрезов.

В работе использованы материалы океанографических наблюдений, собранные экспедиционными судами ПИНРО в 1970-1990 гг. За этот период выполнено 242 рейса, в которых на 19 тыс. гидрологических станций выполнено 138 тыс. определений фосфатов в пробах морской воды.

Во второй части описаны методы наблюдений, принципы систематизации, обработки и картирования материала.

Анализ проб морской воды на содержание минерального фосфора проводился в экспедиционных условиях церулеомолибдатным методом Дениже-Аткинса.

По среднемноголетним значениям концентраций фосфатов на 4 основных разрезах Баренцева моря строились графики их вертикального распределения за каждый месяц года, опубликованные в виде справочного пособия (Распределение кислорода и фосфатов..., 1993). Поля минерального фосфора рассчитывались осреднением данных, входящих в трапецию со сторонами 40' по широте и 3° по долготе, что примерно соответствует реальному соотношению Io широты к Io долготы на 75° с.ш. Таким способом в узлах регулярной сетки были вычислены среднемесячные величины концентраций фосфатов с приведением к началу и середине каждого месяца года на всех стандартных горизонтах, среднемесячные значения температуры с приведением к середине каждого месяца.

Материалом для анализа пространственно-временной изменчивости полей минерального фосфора послужили карты среднемноголетних концентраций фосфатов за каждый месяц года на горизонтах 0, 20, 50, 100, 200 м и у дна (Содержание фосфатов..., 1993).

В качестве основы для динамических расчетов были использованы среднемноголетние данные по скоростям и направлениям постоянных течений в Баренцевом море в узлах регулярной сетки для поверхности и

горизонтов 25, 50, 100 и 200 м, полученные в МФ ААНИИ на основе расчетов динамическим методом и натурных наблюдений (Гидрометеорологические условия..., 1985). Параметры постоянных течений на стандартных горизонтах вычислены методом линейной интерполяции.

Глава 3. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ

К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ БИОПРОДУКЦИОННОЙ ГИДРОХИМИИ БАРЕНЦЕВА МОРЯ

Первая часть главы посвящена анализу методов расчета ПП по сезонной динамике фосфатов и стехиометрической модели органического вещества.

В настоящее время методы расчета ПП по сезонным изменениям "in situ" биогенных веществ занимают традиционное место в арсенале исследовательских инструментов морских экологов. В основе таких расчетов лежит стехиометрическая модель органического вещества (Redfield, 1942; Richards, 1965): (СН20)юб (NH3)ie (Н3РО4). Количественные соотношения между углеродом и фосфором ОВ сохраняются при биохимической трансформации вещества на первом трофическом уровне экосистемы.

Для учета динамических факторов использовалось балансовое уравнение динамического равновесия химических полей в океане (Лебедев, 1976):

Р = А + В + Д + Ф,

где Р - суммарное изменение концентрации фосфатов в единицу времени; А - изменение, вносимое горизонтальной составляющей скорости течений; В - изменение, вызванное вертикальной составляющей скорости течений; Д - изменение, вызванное перемешиванием; Ф - сумма изменений, вызванных биологическими и биохимическими источниками и стоками вещества.

Во второй части главы предложена схема расчета "новой" ПП, анализируются недостатки оценки ПП по "урожаю" ОВ.

Использование стехиометрической модели для оценки продуктивности водоема предполагает количественную оценку доли питательных веществ, трансформированных в живое органическое вещество.

Обычно в практике гидрохимических расчетов вычислялся "урожай" ОВ - условный прирост биомассы на всех трофических уровнях экосистемы (Рекомендации..., 1984). В расчет бралась убыль биогенных веществ в слое фотосинтеза, толщина которого часто принималась фиксированной величиной. По нашему мнению, это приводит к заниженному результату вследствие недоучета процессов перемешивания водной толщи в периоды активного вертикального диффузионного обмена веществом. Раймонт (1983) в аналогичных вычислениях предлагал рассматривать всю толщу от поверхности до дна. В этом случае также получаются заниженные

результаты, так как при устойчивой стратификации поверхностного слоя основная масса ОВ минерализуется глубже сезонного пикноклина, что приводит к приросту концентраций фосфатов, который на данный момент не является следствием продукционно-деструхционных процессов в фотическом слое.

Нами была разработана схема расчетов, позволяющая учесть пространственные и временные масштабы зоны ассимиляции и рециклинга фосфатов (рис.1). Используя концепцию "критической глубины" (Буегёгир, 1953), мы посчитали наиболее логичным идентифицировать ее с глубиной смены знака временной изменчивости концентраций фосфатов, которая рассчитывалась по разнице концентраций фосфатов, осредненных на начало каждого месяца. Нижняя граница слоя фотосинтеза определялась по глубине залегания максимального вертикального градиента фосфатов (Злобин и др., 1968; Сапожников, 1987). Глубина залегания фосфоклина рассчитывалась для каждой станции исходного массива и осреднялась в узлы регулярной сетки.

Рис.1. Годовой ход концентраций фосфатов (мкмоль/л) на 5 станции б разреза: а - среднемесячные значения; 6 - среднемесячная разность

.....компенсационная глубина;

_критическая глубина

Таким образом, в расчет бралось суммарное изменение содержания минерального фосфора в слое до "критической глубины", причем толщина этого слоя не могла быть меньше толщины слоя фотосинтеза (компенсационной глубины).

С помощью предложенного метода удалось избежать количественного учета плохо поддающейся моделированию вертикальной диффузии, а также оценить "новую" ПП, т.е. продукцию, создающуюся на основе зимнего запаса фосфатов. "Урожай" ОВ рассчитывался по суммарной изменчивости концентраций минерального фосфора от поверхности до дна и служил для оценки прироста вновь созданной органики.

Третья часть посвящена методике определения продолжительности регенерации фосфатов и валовой ПП. Дается анализ существующих в настоящее время представлений о процессах разложения ОВ в океане.

Для расчетов валовой ПП и регенерации фосфатов за основу были взяты известные формулы Н.В.Аржановой (1982) и Н.Н.Максимовой (1976). Эти формулы были существенно модифицированы нами и приведены к виду, позволяющему учесть: динамику вовлечения фосфатов в продукционно-деструкционный цикл, изменчивость температурного режима во времени, процессы седиментации вновь образованной органики за пределы фотического слоя с применением формулы из работы Пэйса (Расе й а1., 1987) и влияние на скорость осаждения вертикальных потоков. Конечные формулы имели вид:

г, = 61.05196-0.9464 Км; = (\Vi-WoOAVi • 0.92 -(1 - 3.523 ), Км,<=0.92

Кос, ~ '

£плв=лпн,

1_ ТУ~Ко г,_, * ТУ-КоЕ,,

л. и,., IV м.

1 -к1°:

\-(ки11+Ки)12

А и,

-{Ки,+■•■+#*,)/"_ ппв1 = ±ллвг£лпв1,

где т - время регенерации при г0 С среды, сут; Пв - вегетационный период -30 сут; Коб - коэффициент оборачиваемости фосфатов; Км - коэффициент минерализации; Ь - глубина нижней границы фотического слоя, м;

- вертикальная скорость на нижней границе фотического слоя, см/с; \Уо - скорость осаждения ОВ за пределы слоя фотосинтеза, см/с; ППв -валовая ПП, гС/м"2- мес-1; ППн - "новая" ПП, гС/м-2 • мес-'; 1 - индекс месяца.

Четвертая часть главы посвящена методике учета адвективных факторов в формировании ПП.

Напряженные динамические условия, обширные площади, занимаемые фронтальными зонами в Баренцевом море, обусловливают важность учета адвективных факторов в формировании биогенной базы первичной продуктивности.

Горизонтальная адвекция минерального фосфора рассчитывалась как векторное произведение скорости постоянных течений на горизонтальный градиент фосфатов. Полученные величины на стандартных горизонтах суммировались для слоя до "критической глубины".

Скорости вертикальных составляющих постоянных течений вычислялись по уравнению неразрывности методом направленных разностей с условием "жесткой крышки" на поверхности (Саркисян и др., 1983). Затем линейной интерполяцией вычислялись вертикальные скорости на нижней границе слоя фотосинтеза.

Величины "заброса" фосфатов в фотическую зону определялись произведением вертикальных скоростей на нижней границе фотического слоя на разницу средневзвешенной концентрации минерального фосфора в зоне фотосинтеза и его концентрации на глубине залегания компенсационной точки (Сапожников, Галеркин, 1971).

Оценки переноса фосфатов за счет горизонтальной диффузии показали, что эти величины не менее чем на порядок ниже горизонтальной адвекции. Процессы вертикального перемешивания учитывались при расчетах изменчивости концентраций минерального фосфора в слое до "критической глубины".

Глава 4. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФОСФАТОВ В БАРЕНЦЕВОМ МОРЕ

Изучение режима растворенных в морской воде фосфатов является одним из важных направлений в химической океанографии. Фосфаты, наряду с другими биогенными элементами, являются одним из главных компонентов экосистемы моря. Они встречаются во всех клеточных образованиях и регулируют важнейшие жизненные процессы: фотосинтез, дыхание, обмен веществ. Знание пространственного распределения фосфатов позволяет также решать задачи идентификации водных масс, их генезиса и динамики.

В первой части главы на основе анализа картографического материала (72 карты) описывается сезонная изменчивость полей фосфатов в Баренцевом море.

В осенне-зимний период вертикальное перемешивание выравнивает концентрации фосфатов по вертикали. Генеральной тенденцией в горизонтальном распределении фосфатов в декабре-марте является увеличение их концентраций с юга на север в соответствии с положением основных водных масс.

Содержание минерального фосфора в поверхностных слоях составляет 0,6-0,8 мкмоль/л, глубже 100 м оно увеличивается до 0,91,1 мкмоль/л.

С марта по май вследствие активизации вегетационных процессов в фотической зоне наблюдается потребление фосфатов. Наиболее интенсивно этот процесс проходит в водах вдоль ледовой кромки и прибрежных районах Баренцева моря, где к маю содержание минерального фосфора уменьшается до 0,3-0,5 мкмоль/л. Наименьшие темпы снижения концентраций фосфатов отмечаются в районах глубоководных Западного и Центрального желобов. Заметное исчерпание запаса минерального фосфора отмечается во всей водной толще на фронтальных участках смешения атлантических и баренцевоморских вод.

В июне изменчивость фосфатов в эвфотическом слое имеет противоположную тенденцию в западной и восточной частях моря. На западе примерно до 35° в.д. наблюдается быстрое истощение запасов фосфатов. В восточной части моря заметного потребления минерального фосфора не происходит. По мнению автора, причина этого явления -минерализация лабильной органики, образованной в весенний период не только в восточных районах моря, но и принесенной атлантическими водами с запада. Кроме того, в конце мая - первой декаде июня происходит освобождение Белого моря ото льда и, как следствие, возможно усиление выноса обогащенных биогенными солями беломорских вод в юго-восточной части Баренцева моря.

Резкое понижение концентраций фосфатов в поверхностном слое восточной части Баренцева моря наблюдается в июле, а в августе на всей акватории Баренцева моря, за исключением зоны влияния Норвежского течения, содержание минерального фосфора составляет 0,1-0,2 мкмоль/л. Таким образом, сезонный минимум содержания фосфатов в поверхностных слоях Баренцева моря достигается в июле-августе, а не в июне-июле, как считалось ранее (Цехоцкая, 1976).

В сентябре начинается увеличение концентраций фосфатов в фотическом слое атлантических вод западнее 35° в.д. Наблюдается также повсеместный рост содержания минерального фосфора в придонных слоях.

В октябре-ноябре происходит усиленная минерализация ОВ, образовавшегося в течение вегетационного периода. Содержание минерального фосфора в поверхностных слоях постепенно увеличивается, а к концу вегетационного периода в подстилающем и придонном слоях фиксируется сезонный максимум концентраций фосфатов - 1,01,3 мкмоль/л, это опровергает прежнее мнение о том, что максимальный запас минерального фосфора в придонных слоях Баренцева моря формируется к августу (Норина, 1975).

В дополнение к характеристике временного распределения полей фосфатов, во второй части главы дается анализ особенностей сезонной динамики вертикального распределения минерального фосфора в водных массах Баренцева моря. На основе схем распределения концентраций фосфатов на четырех основных стандартных разрезах (48 графиков) показано, что характерные черты динамики сезонной изменчивости содержания минерального фосфора даже в пределах одной водной массы

обусловливаются географическим местоположением района ее распространения.

Глава 5. ТРАНСФОРМАЦИЯ ФОСФАТОВ И ПЕРВИЧНАЯ

ПРОДУКЦИЯ ФИТОПЛАНКТОНА В БАРЕНЦЕВОМ МОРЕ

Сезонная изменчивость "урожая" ОВ в Баренцевом море анализируется в первой части главы.

Накопление вновь синтезированного ОВ в водах Баренцева моря происходит дифференцированно как во времени, так и в пространстве.

В течение марта в атлантических водах западных районов моря формируется около 20 гС/м2 ОВ. К маю зона формирования наибольших количеств ОВ смещается в центральную часть Баренцева моря, где "урожай" ОВ достигает 50 гС/м2. К июню в районах Центрального плато, Центрального мелководья и южнее Медвежинской банки достигается максимальный прирост вновь образованного ОВ - 60-70 гС/м2. В июле в атлантических водах большая часть ОВ минерализуется, а в баренцевоморских водах фиксируется максимальный за вегетационный период "урожай" ОВ - 50-60 гС/м2. В августе таких же величин достигает прирост ОВ в глубоководных районах к югу и востоку от О.Шпицберген. К октябрю в атлантических водах "урожай" ОВ снижается до 10-30 гС/м2, в баренцевоморских водах - до 30-40 гС/м2.

Анализ карты распределения максимальных в течение года величин "урожая" ОВ на акватории Баренцева моря показал, что зоны преимущественного накопления органики приурочены к восточным и северо-восточным периферийным участкам глубоководных желобов.

Оценки ежегодного прироста ОВ (по нашим расчетам) к суммарному ОВ, находящемуся в водах Баренцева моря (по данным А.Н.Беляевой и В.А.Романкевича (1983), представлены в табл.1.

Таблица 1

Ежегодный прирост ОВ по отношению к суммарному ОВ в водных массах

Баренцева моря.

Водная масса Сумма ОВ, мгС/л Прирост ОВ, мгС/л Прирост ОВ, % к сумме ОВ

Атлантическая 2,30 0,24 10,40

Баренцевоморская 1,81 0,14 8,20

Арктическая 1,53 0,02 0,01

Вторая часть посвящена результатам исследования сезонной динамики процессов регенерации минерального фосфора на акватории Баренцева моря. Основой для анализа послужили ежемесячные карты распределения значений коэффициента оборачиваемости фосфатов.

Количество продукционно-деструкционных циклов трансформации минерального фосфора определяется прежде всего температурным

режимом вод и сроками начала вегетационных процессов в фотическом слое.

В атлантических водах уже в апреле происходит однократный рециклинг минерального фосфора. К июлю коэффициент оборачиваемости в атлантических водах Нордкапского течения достигает 3, а к концу вегетационного периода - 4-5.

В баренцевоморских водах рециклинг фосфатов осуществляется более медленными темпами, а в арктических водах Северного Ледовитого океана за вегетационный сезон потребляется только зимний запас минерального фосфора и регенерация последних не происходит. Полученные данные в целом совпадают с оценками предыдущих авторов (Аржанова, 1982; Злобин, 1973; Федосов и др., 1973; Бардан, 1989).

В третьей части приводятся результаты расчетов вертикальной составляющей постоянных течений. Основные районы устойчивых вертикальных потоков в Баренцевом море обусловлены орографией дна. Максимальные скорости вертикального движения вод на глубинах до 50 м составляют 1,5-2,5-10"3 см/с. Устойчивые зоны подъема вод - свал глубин баренцевоморского шельфа на западной границе моря, восточные склоны Медвежинской и западные склоны Северо-Канинской и Гусиной банок, районы опускания вод расположены в центральной части Западного желоба.

Четвертая часть главы посвящена описанию сезонной динамики глубины залегания нижней границы фотического слоя.

Глубина залегания максимального вертикального градиента концентраций фосфатов зависит как от гидрологических условий, так и от суперпозиции продукционно-деструкционных процессов в поверхностном слое.

В начале вегетационного периода в марте-апреле толщина зоны продуктивного фотосинтеза минимальна и составляет 20-30 м. Это обусловлено значительными энергетическими потерями фитоценоза, развитие которого происходит при отсутствии устойчивой стратификации и малой продолжительности светового дня. С мая по сентябрь нижняя граница фотического слоя расположена на глубинах 30-50 м. К концу вегетационного периода в связи с разрушением сезонного пикноклина нижняя граница зоны фотосинтеза заглубляется до 50-70 м.

Прослеживается зависимость глубины залегания нижней границы слоя фотосинтеза от глубины места: в мелководных районах ее значения в течение всего периода активной вегетации - 10-30 м.

В пятой части анализируется влияние адвективных факторов на формирование ПП в Баренцевом море.

Активные динамические процессы на большей части акватории Баренцева моря, изменчивость характера перемешивания водной толщи и толщины фотического слоя в течение вегетационного' периода обусловливают значительную роль горизонтальной и вертикальной адвекции фосфатов в формировании ПП.

Отсутствие данных по сезонной изменчивости постоянных течений в Баренцевом море явилось причиной выделения адвективных факторов первичного продуцирования в отдельный расчетный блок. Помесячные карты "адвективной" ПП представлены как оценочные.

Анализ результатов расчетов показывает, что во время низкой продукционной активности фитоценоза и отсутствия значительных горизонтальных и вертикальных градиентов концентраций фосфатов вклад ПП за счет "адвективного" фактора не превышает 0,3 гС/м2 в сутки.

В период наибольшей активности первичных продуцентов в мае-августе в наиболее динамичных районах Баренцева моря дополнительная ПП за счет горизонтального транспорта или "заброса" фосфатов в фотический слой может достигать 0,7 гС/м2 в сутки.

Расчетным методом получены карты годовых величин ПП за счет горизонтальной и вертикальной адвекции постоянными течениями.

Установлено, что практически весь минеральный фосфор, поступающий в Баренцево море через его западную границу, утилизируется первичными продуцентами в течение вегетационного периода. С марта по октябрь за счет горизонтальной адвекции в Баренцево море поступает около 60 тыс. т фосфатов, за счет чего в водах Нордкапского и Шпицбергенского течений синтезируется 15-45 гС/м2 в год. Снижение базовой продуктивности в результате фосфатного "разбавления" фиксируется на локальном участке в районе юго-восточного склона Медвежинской банки.

Формирование ПП за счет "заброса" фосфатов в фотическую зону вертикальными потоками происходит в первую очередь над свалом глубин в западной части шельфа Баренцева моря. В этих районах за год создается до 50 гС/м2 "адвективной" ПП. Квазистационарные апвеллинговые структуры в центральной части и на восточных склонах Медвежинской банки, на западных склонах Северо-Канинской и Гусиной банок обусловливают фотосинтез примерно 25 гС/м2 в год.

Шестая часть главы посвящена анализу сезонной динамики ПП в Баренцевом море и ее связи с распределением водных масс. Рассмотрены особенности развития продукционных процессов на первом трофическом уровне вблизи кромки льда и в условиях ослабленной стратификации поверхностного слоя.

Построены ежемесячные карты распределения величин "новой" и валовой ПП, анализ которых показал, что в течение вегетационного периода на акватории Баренцева моря формируется несколько "волн цветения", общая динамика развития продукционных процессов имеет сложный характер.

Весной вегетационные процессы на первом трофическом уровне проходят в условиях отсутствия устойчивой стратификации в поверхностном слое. Первые центры цветения с ПП не более 0,5 г С/м2 в сутки формируются в марте: это атлантические воды Нордкапского течения и его Центральной ветви на западе Баренцева моря, а также локальные участки вблизи кромки льда на юго-востоке и севере свободной ото льда

акватории. В апреле зона цветения смещается в воды Прибрежной ветви Нордкапского и Мурманского течений, а в мае охватывает всю открытую часть Баренцева моря, и суточная валовая ПП составляет 1,0-1,5 г С/м2, за исключением районов глубоководных желобов.

В течение июня-июля в связи с формированием устойчивого пикноклина жизнедеятельность первичных продуцентов в атлантических водах постепенно затухает, в баренцевоморских водах наблюдается пик цветения над глубоководными районами Центрального желоба. Наибольшая интенсивность вегетационных процессов фиксируется в прикромочных районах, где валовая ПП достигает величин 2,0-2,5 г С/м2 в сутки.

Август-сентябрь - период разрушения сезонного термоклина и поступления питательных веществ в зону фотосинтеза, в связи с чем наблюдается осенняя вспышка цветения вначале в атлантических водах на западе , затем в баренцевоморских водах на востоке. В октябре вегетационный период в основном заканчивается, валовая ПП в отдельных районах не превышает 0,5 г С/м2 в сутки.

Адекватность полученных результатов реальной ситуации подтверждается сравнением наших данных с данными натурных измерений ПП радиоуглеродным методом (Савинов, Макаревич, 1985; Бобров и др., 1986).

Анализ сезонной динамики продукционных процессов позволил провести районирование Баренцева моря по типу формирования ПП, что подтвердило тезис о приуроченности типов сезонного развития фитоценоза к определенным водным массам и позволило выделить для них характерные черты динамики первичного продуцирования.

В седьмой части пятой главы анализируется ПП в различных водных массах и дается оценка общей продуктивности Баренцева моря. Впервые построены карты суммарной годовой "новой" и валовой ПП для акватории Баренцева моря. Наиболее продуктивными являются районы фронтальных водоразделов и поднятий дна, где за год формируется до 250 г С/м2 и продукция на рециклинге фосфатов превышает 50 % от валовой, наименее продуктивными - арктические воды на северо-востоке Баренцева моря, где валовая ПП не превышает 50 г С/м2 за год и доля регенеративной продукции несущественна (рис. 2). Среднегеометрическая "новая" ПП в Баренцевом море составляет 60 г С/м2 в год, валовая ПП -111 гС/м2 в год.

12 17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 87

Рис. 2. Среднемноголетняя валовая ПП за год (гС/м2)

Суммарные величины ПП по водным массам Баренцева моря представлены в табл. 2.

Таблица 2

Суммарная ПП по водным массам в Баренцевом море

Водные массы "Новая" ПП, тыс.т С в год Суммарная Площадь,

валовая ПП, тыс. км2

ТЫС.Т С в год

Суммарная Горю. Верт. адв.

адв.

Атлантическ. 31522 1794 1551 66671 381

Баренцевом. 18487 302 700 37275 217

Прибрежная 7454 385 203 15824 197

Арктическая 24895 92 1404 39576 560

Баренц.море 82388 2574 3858 159346 1355

В заключение на примере процессов формирования скоплений науплиев Сорерос1а показана возможность использования модели сезонной динамики ПП при решении практической задачи исследования кормовой базы промысловых гидробионтов.

Глава 6. ОБЩИЕ ЧЕРТЫ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ ФОСФАТОВ В ГУБАХ И ЗАЛИВАХ БАРЕНЦЕВА МОРЯ

В последние годы губы и заливы российского побережья Баренцева моря привлекают внимание ученых и промышленников как потенциально пригодные для размещения в них промышленных марихозяйств. За период с 1985-1990 гг. были обследованы 14 губ и заливов побережья Кольского полуострова.

В качестве фоновых характеристик использовались данные по среднемноголетней динамике фосфатов в Мурманском прибрежном течении.

Для экосистем водоемов эстуарного типа характерна нестабильность, обусловленная меньшей инерционностью физико-химических процессов, быстро откликающихся на изменчивость множества режимообразующих факторов (Одум, 1975; Раймонт, 1983). Одно из проявлений нестабильности функционирования биоценозов прибрежья Баренцева моря колебательный характер как внутрисуточной, так и сезонной динамики содержания минерального фосфора. Так, в пределах одних суток в губах с развитым приливо-отливным движением вод изменчивость фосфатов могла составлять до 0,90 мкмоль/л, а в течение летнего периода в западной части исследованных районов прибрежья содержание фосфатов в результате "вспышки" деструкционных процессов в поверхностном слое превышало их зимние концентрации.

Дана сравнительная характеристика сезонной динамики развития продукционных процессов в губах и заливах прибрежья Кольского полуострова. Сделан вывод о значительных различиях в характере функционирования биоты на западе и востоке исследованной части прибрежья.

ВЫВОДЫ

1. Рассчитана среднемноголетняя динамика сезонного хода концентраций минерального фосфора на стандартных горизонтах в узлах регулярной сетки с полумесячным интервалом. Построены карты распределения полей фосфатов на пяти горизонтах и графики их вертикального распределения на четырех стандартных разрезах за каждый месяц года.

Уточнены известные ранее сроки наступления и фактические величины экстремумов в сезонной динамике концентраций минерального фосфора, описаны прежде неизвестные особенности пространственного

распределения концентраций фосфатов в периоды максимальных темпов их изменчивости летом и осенью.

2. Предложены новые методические подходы к балансовым расчетам продукционных характеристик фитоценоза, позволяющие учесть: пространственные и временные масштабы зоны ассимиляции и рециклинга фосфатов без количественных расчетов их вертикальной диффузии, динамику вовлечения минерального фосфора в продукционно-десгрукционные процессы, изменчивость температурного режима и седиментацию вновь образованного ОВ.

3. Толщина слоя фотосинтеза в открытых районах Баренцева моря составляет в марте-апреле 20-30 м, в мае-августе -30-50 м, в сентябре-октябре - 30-70 м. Прослеживается зависимость глубины залегания нижней границы слоя фотосинтеза от глубины места: в мелководных районах ее значения -10-30 м.

4. Впервые дана оценка климатических масштабов увеличения ПП за счет вертикального "заброса" фосфатов в фотический слой. В районах локализации квазистационарных апвеллинговых структур - на свале глубин континентального шельфа от побережья Норвегии до О.Шпицберген, склонах Медвежинской, Северо-Канинской и Гусиной банок - формируется до 50 гС/м2 за год "новой" ПП, а общая оценка ПП за счет выноса минерального фосфора - 3,9 млн. т С за год.

5. За счет горизонтального транспорта фосфатов в водах Шпицбергенского, Прибрежной и Северной ветвей Нордкапского течения ПП "адвективного" происхождения составляет до 45 гС/м2 за год, снижение базовой продуктивности в результате фосфатного "разбавления" фиксируется на локальном участке южнее о.Медвежий. Суммарный вклад горизонтальной адвекции фосфатов в ПП Баренцева моря оценен в 2,6 млн. т С за год.

6. Рассчитаны среднемноголетние "новая" и валовая ПП за каждый месяц года с марта по октябрь. Это позволило представить полную картину сезонной динамики ПП на акватории Баренцева моря.

Первые центры цветения с ПП не более 0,5 гС/м2 в сутки формируются в марте в атлантических водах Нордкапского течения и его Центральной ветви, а также в северных и юго-восточных районах, примыкающих к кромке льда. В апреле зона цветения смещается в воды Мурманского и Прибрежной ветви Нордкапского течений, а в мае охватывает всю открытую часть Баренцева моря, за исключением районов глубоководных желобов. В июне-июле наибольшая интенсивность вегетационных процессов фиксируется в прикромочных районах, где валовая ПП достигает величин 2,0-2,5 гС/м2 в сутки. В августе-сентябре вначале в атлантических, затем в баренцевоморских водах наблюдается осенняя вспышка цветения фитопланктона. В октябре вегетационный период заканчивается, валовая ПП не превышает 0,5 гС/м2 в сутки.

7. Проведено районирование Баренцева моря по типу формирования ПП, которое подтвердило тезис о приуроченности типов сезонного

развития фитоценоза к различным водным массам и позволило выделить характерные черты динамики ПП в каждой из них.

8. Впервые построены карты суммарной годовой "новой" и валовой ПП на акватории Баренцева моря. Наиболее продуктивными являются районы фронтальных водоразделов и поднятий дна, где за год в среднем формируется до 250 г С/м2 и продукция на рециклинге фосфатов превышает 50 % от валовой, наименее продуктивными - арктические воды на северо-востоке Баренцева моря, где валовая ПП не превышает 50 г С/м2 за год и доля регенеративной продукции несущественна.

Расчет величин ПП по водным массам показал: за год в атлантических водах создается 67 млн. т, в баренцевоморских - 37 млн. т, в прибрежных - 16 млн. т, в арктических - 40 млн. т, в целом по Баренцеву морю - 160 млн. т органического углерода, а под единицей площади в среднем - 174; 172; 82; 66; 111 г С/м2 за год соответственно.

9. Зоны активной вегетации фитопланктона на акватории Баренцева моря, выделенные расчетным способом, в общих чертах совпадают с результатами натурных измерений радиоуглеродным методом, однако превышают последние по фактическим величинам ПП. Адекватность полученной модели реальной обстановке косвенно подтверждается совместной локализацией зон повышенной ПП и районов высокой биомассы фитофагов. Полученная модель может послужить первым этапом в создании экологической модели Баренцева моря.

10. Исследования, проведенные в губах и заливах Баренцева моря с целью выдачи рекомендаций по размещению в них промышленных марихозяйств, дали следующие результаты: водоемам эстуарного типа свойственна нестабильность функционирования биоценозов, проявляющаяся в колебательном характере как внутрисуточного, так и сезонного хода динамики фосфатов. Существуют значительные различия в характере функционирования сообщества первичных продуцентов как в пределах прибрежья, так и по сравнению с открытой частью Баренцева моря.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Практическое руководство по размещению лососевых товарных хозяйств в прибрежных районах Западного Мурмана (геоморфологические и гидролого-гидрохимические основы)/А.В.Зубченко, А.Л.Сорокин, Г.И.Несветова, О.В.Титов, А.В.Мокряк, Б.И.Ванюхин, В.В.Пестриков,

B.Н.Карпюк, А.А.Крыжановский. - Мурманск, ПИНРО, 1988. - 88 с.

2. Несветова Г.И., Титов О.В. Общие черты гидрохимии прибрежья Баренцева моря//Вопросы промысловой океанологии Северного бассейна: Сб. науч. тр./ПИНРО. - Мурманск, 1989. - С.155-165.

3. Титов О.В., Шаляпина Т.Н., Голубева Т.А. Сравнительная характеристика гидрохимического и токсикологического режима губ и заливов Мурмана/УЭкология, воспроизводство и охрана биоресурсов морей Северной Европы/Тез. докл. III Всес. конф. -Мурманск, ПИНРО, 1990. -

C.54-56.

4. Несветова Г.И., Титов O.B. Гидрохимия губ и заливов Баренцева моря: итог 5-летних исследований (1986-1990 гг.)//Конференция молодых ученых и специалистов ПИНРО:Тез. докл. - Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1991.-С.З-6.

5. Несветова Г.И., Титов О.В. Содержание фосфатов в водах Баренцева моря (справочный материал). - Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1993. -149 с.

6. Несветова Г.И., Титов О.В. Распределение кислорода и фосфатов на стандартных разрезах Баренцева моря (справочный материал). -Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1993. - 90 с.

7. Титов О.В. Трансформация фосфатов и первичная продукция в Баренцевом море//Материалы отчетной сессии по итогам НИР ПИНРО 1993 г. -Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1994. - С.296-311.

8. Титов О.В. Первичная продуктивность Баренцева моря (справочный материал). - Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1994. -73 с.

9. Терещенко В.В., Несветова Г.И., Нестерова В.Н., Титов О.В. Характеристика океанографических условий в центральной широтной зоне Баренцева моря (справочный материал). -Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1994. -74 с.

10. Несветова Г.И., Титов О.В. Содержание кислорода и биогенных элементов в северо-восточной части Норвежского и юго-западной части Баренцева морей (справочный материал по результатам ихтиопланктонных съемок за период 1959-1993 гг.). - Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1994. - 37 с.

Подписано в печать 25.04.95 г. Усл.печ.л. 1. Заказ 3.

Формат 60x84/16. Тираж 100 экз.

183763, г.Мурманск, ул.Книповича, 6, ПИНРО.