Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История исследований, материалы и методы 12
1.1. История исследований 12
1.2. Материалы и методы 25
Глава 2. Гидрохимические условия формирования биопродуктивности Баренцева моря 40
2.1 . Физико-географическая характеристика районов исследований 40
2.2. Кислородный режим и режим биогенных элементов 46
2.3. Эффект теплых и холодных лет в функционировании экосистемы Баренцева моря 95
2.4. Внутрисуточная изменчивость физико-химических параметров различных районов Баренцева моря 125
2.5. Оценка первичной продукции Баренцева моря и емкости его экосистемы 153
2.6. Органическое вещество в Баренцевом море: оценка вертикальных потоков, аминокислотный состав 169
2.7. Классификация вод Баренцева моря по гидрохимическим характеристикам 183
Глава 3. Особенности условий среды в районах контактных зон 201
3.1. Условия функционирования биологических сообществ в районах контакта вод различного происхождения 201
3.2. Распределение некоторых океанографических параметров, характеризующих условия формирования биопродуктивных зон в районе Полярного фронта 222
3.3. Эффекты ледяного покрова Баренцева моря в структуре полей гидрохимических характеристик 231
3.4. Влияние скорости отступления кромки льда на протяженность кормовых миграций мойвы 238
Глава 4. Абиотические факторы как индикаторы распределения и выживания организмов различных трофических уровней 242
4.1. Роль абиотических факторов в распределении фито и зоопланктона в Баренцевом море 242
4.2. Влияние гидрохимических параметров на выживаемость северо-восточной арктической трески 252
4.3. Системная оценка разнообразия среды для определения вероятных районов скоплений мойвы 259
4.4. О возможности использования гидрохимических факторов в качестве индикаторов распределения промысловых рыб 266
Глава 5 Условия среды в прибрежных районах Баренцева моря 277
5.1. Океанографические условия существования прибрежных биоценозов Баренцева моря 277
5.2. Особенности условий среды в губах и заливах 289
5.3. Особенности гидрохимических условий в губе Западная Зеленецкая 300
Глава 6. Влияние антропогенных факторов на экосистему Баренцева моря 308
6.1. Влияние океанологических и антропогенных факторов на эмбриогенез северо-восточной арктической трески 308
6.2. Изменение экосистемы губы Кислая Баренцева моря под влиянием приливной электростанции 323
6.3. Отклик экосистемы Баренцева моря на изменение структуры биологического сообщества 337
6.4. О возможных изменениях экосистемы Баренцева моря в условиях разработки нефтегазовых месторождений 341
Заключение 348
Список использованной литературы 352
- Физико-географическая характеристика районов исследований
- Классификация вод Баренцева моря по гидрохимическим характеристикам
- О возможности использования гидрохимических факторов в качестве индикаторов распределения промысловых рыб
- О возможных изменениях экосистемы Баренцева моря в условиях разработки нефтегазовых месторождений
Введение к работе
Актуальность проблемы. Баренцево море является одним из самых продуктивных морей Северо-Европейского бассейна Северного Ледовитого океана. Его хозяйственное значение определяется не только биологическими богатствами, но и большими запасами нефти и газа. Если эксплуатация биологических ресурсов ведется уже в течение нескольких столетий и в настоящее время находится на пределе их воспроизводительной способности, то освоение нефтегазовых месторождений - дело ближайшего будущего. Мировой опыт показывает неизбежность столкновения интересов организаций различных ведомств в промышленной эксплуатации морей.
Мониторинг состояния экосистемы Баренцева моря, проводимый Полярным институтом, свидетельствует о том, что открытые районы моря остаются пока относительно чистыми. Однако усиливающееся антропогенное воздействие, разработка месторождений нефти на шельфе, использование морских акваторий в качестве полигона военных маневров, причем не всегда успешных (гибель атомных подводных лодок «Комсомолец» и «Курск» тому свидетельства), и, в конечном итоге, чрезмерная эксплуатация биологических ресурсов,- все это неизбежно приведет к ухудшению условий среды. Чтобы установить степень возможной деградации уникальной экосистемы Баренцева моря, необходимо знать естественный фон состояния среды. Материалы гидрохимических исследований Полярного института, регулярные сборы которых были начаты в 1959 г., позволяют это сделать.
Среди множества индикаторов качества среды водных экосистем особое место отводится гидрохимическим показателям. Это обусловлено тем, что их изменчивость во времени и пространстве отражает уровень и степень трансформации и обмена вещества и энергии, которые формируют продукцию фитопланктона — начального звена трофической цепи. Анализ взаимообусловленности процессов, ведущих от биогенных элементов через фито- и зоопланктон к рыбе, способствует концептуальному пониманию механизмов, обеспечивающих внутренние взаимосвязи на пути к формированию биомассы промысловых организмов, интенсивное изъятие которых осуществляет человек.
Цель исследования заключалась в систематизации и обобщении с единых методических позиций базы данных по гидрохимии Баренцева моря, включая его прибрежные районы, губы и заливы, а также в оценке роли гидрохимических факторов в системе «среда-организм» на примере гидробио-нтов различных трофических уровней.
Основные задачи данного исследования состояли в следующем:
- изучить закономерности среднемноголетнего гидрохимического ре
жима Баренцева моря с позиции их роли в функционировании экосистемы;
- выявить особенности пространственно-временной изменчивости
гидрохимических показателей в теплые и холодные годы;
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург 200 ^Р К
- оценить масштабы внутрисуточной изменчивости физико-
химических параметров;
- провести пространственно-временную классификацию вод Баренце
ва моря на основе данных «Гидрохимического атласа» (Титов, Несветова,
2003);
- рассчитать емкость экосистемы Баренцева моря и определить
предельные нагрузки ее эксплуатации относительно организмов, изымаемых
промыслом;
выявить роль гидрохимических факторов как индикаторов распределения и выживания организмов различных трофических уровней;
охарактеризовать гидрохимические условия функционирования прибрежных экосистем, включая губы и заливы Баренцева моря, перспективные для марикультуры;
рассмотреть гидрохимическую индикацию воздействия антропогенных факторов на экосистему Баренцева моря.
Научная новизна. Диссертация содержит ряд новых положений и выводов.
На основе обобщения большого массива данных представлена характеристика среднемноголетнего гидрохимического режима Баренцева моря. Впервые исследована сезонная динамика концентраций кремнекислота в Баренцевом море.
Показан уровень различий в пространственно-временной изменчивости гидрохимических элементов в теплые и холодные годы.
Исследована внутрисуточная вариабельность абиотических характеристик по районам и сезонам, показан ее масштаб.
Выделены квазиоднородные сезоны года на акватории Баренцева моря методом кластерного анализа гидрохимических параметров. Выполнено районирование акватории водоема по характеру сезонного хода кислорода и фосфатов.
На основе расчетов емкости среды, выполненных по гидрохимическим параметрам, показаны пределы эксплуатации экосистемы Баренцева моря относительно организмов высших звеньев трофической цепи.
Выявлена экологическая значимость гидрохимических характеристик среды как индикаторов распределения и выживания организмов различных трофических уровней, а также как индикаторов антропогенного воздействия на экосистемы открытых и прибрежных районов моря.
Исследованы локальные особенности гидрохимического режима прибрежных вод, губ и заливов Баренцева моря и представлены рекомендации по размещению в них хозяйств марикультуры.
Защищаемые положения:
1. Гидрохимический режим Баренцева моря характеризуется значительной межгодовой, сезонной и суточной изменчивостью, что является следствием функционирования экосистемы в ярко выраженном колебатель-
ном режиме в условиях активной динамики водных масс различного генезиса.
-
Гидрохимические условия функционирования экосистемы Баренцева моря наряду с гидрологическими факторами формируют особенности трансформации мертвого неорганического вещества в живое органическое и регулируют эффективность передачи энергии от низших трофических уровней к высшим, что дает возможность оценить общую продуктивность экосистемы и обозначить пределы ее эксплуатации.
-
Сезоная динамика среднемноголетних значений гидрохимических параметров является основой для выделения биологических сезонов и классификации (районирования) Баренцева моря, что позволяет выделить во временной шкале квазиоднородные сезоны года и очертить границы районов с одинаковым типом развития продукционных процессов на первом трофическом уровне.
-
Прибрежные экосистемы Баренцева моря функционируют в условиях значительных сезонных колебаний абиотических факторов, больших величин пространственных градиентов гидрофизических и гидрохимических характеристик, сравнимых с наиболее обостренными участками фронтальных зон, устойчивой по сезонам биогенной базой и потоками растворенного органического вещества, что обусловливает и поддерживает высокий уровень продуктивности акваторий.
Апробация. Основные материалы диссертации были представлены и доложены на советских и российских конференциях по изучению морских экосистем (Ленинград, 1984; Санкт-Петербург, 1992, 1998; Уфа, 1986; Мурманск, 1986, 1988, 1990, 1998; Архангельск, 1986; Чита, 1989; Ростов-на-Дону, 1992; Калининград, 1993, 1997; Астрахань, 1994); на конференциях по промысловой океанологии (Астрахань, 1987; Ленинград, 1990; Калининград, 1993; Санкт-Петербург, 1997; Калининград, 1999); на III съезде советских океанологов (Ленинград, 1987); на конференции по морской биологии (Киев, 1988); на сессиях международного совета по исследованию моря ИКЕС (Дания, Копенгаген, 1988, 1990; Дания, Ольборг, 1995; Франция, Монтпельер, 1999); на 3-м советско-норвежском симпозиуме (Мурманск, 1987); на международном симпозиуме по экологии фьордов и прибрежных вод (Норвегия, Тромсе, 1994); на отчетных сессиях ПИНРО (Мурманск, 1993; 1995; 1997); на конференции по раннему онтогенезу рыб (Астрахань, 1991); на международном симпозиуме по охране водных биоресурсов (Москва, 2000).
Практическая значимость. Материалы и результаты анализа, представленные в работе, использованы при диагнозе и прогнозе экологической ситуации в Баренцевом море, предсказании поведения и распределения морских гидробионтов при изменениях условий среды различного масштаба (межгодовой, сезонный, внутрисуточный). Они могут служить научной основой для создания теории экологически ориентированного управления эксплуатацией запасов промысловых биоресурсов Баренцева моря.
Представленное в работе описание фонового гидрохимического режима Баренцева моря является фундаментом для оценки степени выносливости экосистем и уровня возможной деградации.
Результаты исследований могут быть использованы для решения многих теоретических и практических вопросов, связанных с природоохранной деятельностью.
Проведенные исследования позволяют создать научную основу для организации разнообразных хозяйственных и природоохранных мероприятий на шельфе северных морей, таких, как прибрежное рыболовство и мари-культура.
Результаты исследований использованы при составлении обоснования о возможном ущербе экосистеме при прокладке оптико-волоконного кабеля по дну Баренцева моря, а также явились составной частью рекомендаций по размещению хозяйств промьппленной марикультуры в губах западной части Мурманского побережья.
Публикации. Результаты исследований отражены в 43 публикациях, в том числе в 5 монографиях, 1 брошюре, 5 обобщениях в виде справочных материалов.
Личный вклад диссертанта в исследования заключается в постановке задач, отработке методик анализа первичной информации и формировании базы данных, а также в теоретическом обобщении полученных материалов. Автор является научным руководителем и ответственным исполнителем основных работ, изложенных в диссертации. В 1976-1998 гг. диссертант принимал личное участие в организации и выполнении 5 комплексных экспедиций в Баренцево и Норвежское моря, а также 4 экспедиций в губы и заливы Баренцева моря.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Общий объем работы 424 страниц, 19 таблиц, 119 рисунков. Список литературы включает 568 наименований, из них 140 на иностранных языках.
Физико-географическая характеристика районов исследований
Баренцево море относится к типу материковых окраинных морей и расположено на шельфе Северного Ледовитого океана. Его естественными границами являются северное побережье Европы, а также крупные архипелаги Новая Земля, Земля Франца-Иосифа и Шпицберген. Морская граница Баренцева моря с Норвежским и Гренландским морями проходит по линии м.Нордкап-о. Мед-вежий-м.Южный, с Белым морем — по линии м.Святой Нос-м.Канин Нос. Водообмен с Карским морем осуществляется через проливы Югорский Шар, Карские ворота, Маточкин Шар, а также через пролив между м.Кользат (Земля Франца-Иосифа) и м.Желания (Новая Земля) (рис.2.1.1).
Площадь зеркала Баренцева моря равна 1417 тыс.км2, объем воды — 282 тыс.км , средняя глубина — 229 м, максимальная — 513 м. Наибольшие глубины находятся в его западной части, куда вклиниваются желоба из Норвежского моря. В Баренцевом море имеются обширные мелководья (возвышенность Персея, Гусиная банка, Центральная возвышенность) и глубоководные впадины (Центральный и Западный желоба, желоб о-в Медвежий), создающие довольно сложный рельеф дна водоема (рис.2.1.2).
Климатические особенности Баренцева моря в значительной степени формируются под влиянием атмосферного арктического фронта, проходящего через о-в Медвежий к северной оконечности о-ва Новая Земля. Он разделяет холодный воздух полярных областей и более теплый и влажный воздух умеренных широт, взаимодействие которых определяет основные черты гидрометеорологического режима моря.
На Баренцево море выпадает значительно больше осадков, чем на другие арктические моря. Наибольшие суточные величины осадков составляют 40-50 мм в центральных районах и 70-75 мм на побережье Скандинавии и Мурмана. Среднее годовое количество общей облачности изменяется от 7,5 баллов на границах моря до 9 баллов в его центральной области. Число пасмурных дней в году у норвежского побережья составляет 160-190 дней и увеличивается до 210-230 к северу от 75 с.ш. Площадь водосборного бассейна моря составляет 668 тыс.км, а суммарный речной сток в этот водоем оценивается в 263 км в год (Добровольский, Залогин, 1982).
Климат Баренцева моря в целом характеризуется неустойчивой погодой, продолжительной, но сравнительно мягкой зимой, коротким и холодным летом, достаточно низкой температурой и высокой относительной влажностью воздуха в течение года.
Географически Баренцево море является западным окраинным водоемом Северного Ледовитого океана и имеет свободный водообмен с Норвежским морем. На значительной площади его акватории происходит взаимодействие генетически связанных с Гольфстримом относительно теплых, высокосоленных вод и холодных, заметно распресненных арктических вод, т.е. Баренцево море представляет собой своеобразную переходную зону между водными массами двух океанов. Поэтому его водообмен с сопредельными бассейнами оказывает существенное влияние на распределение термодинамических показателей состояния морской воды и характеристик ее движения. Основными составляющими суммарных течений Баренцева моря являются приливные и непериодические (ветровые и градиентные) течения. Перемещение водных масс под воздействием правильной полусуточной приливной волны наблюдается во всей толще вод. Их скорость при средней величине прилива может достигать в открытой части Баренцева моря 0,2-0,4 уз., на западе — 0,6-1,0 уз., на юго-востоке - 0,6-0,8 уз. (Гидрометеорология и..., 1992). Наибольшие скорости - около 3 уз. имеют место в Воронке Белого моря и в Кани-но-Колгуевском районе. С глубиной скорость приливного течения, как правило, уменьшается, но в слое скачка плотности (20-50 м) она может возрастать. Движения воды под воздействием астрономических факторов особенно ярко выражены в прибрежных районах, где они определяют многие особенности физико-химических и биологических процессов.
Среди составляющих непериодических движений вод Баренцева моря основное значение имеют постоянные течения, связанные с водообменом на его границах (см. рис.2.1.1). Наиболее мощным и устойчивым течением является Нордкапское, которое при своем движении через западную границу на восток на различных участках моря разделяется на ряд ветвей (более 10). Эта система течений переносит относительно теплые атлантические воды в южную, центральную и восточную части моря, достигающие берегов Новой Земли и даже проникающие в Карское море. Скорость постоянных течений на отдельных участках может достигать 20 см/с и более. Скорость приливных течений, как правило, больше постоянных, но при прохождении глубоких циклонов доминирующим становятся ветровые течения синоптического масштаба, определяя направление и скорость суммарного течения верхнего слоя водной толщи. С увеличением циклогенеза над Баренцевым морем и притока атлантических вод осенью наблюдается годовой максимум интенсивности циркуляции вод (Гидрометеорология и..., 1992).
Наиболее выраженными холодными течениями Баренцева моря являются течения «Персея» (юго-западное), Макарова (прибрежное течение Земли Франца-Иосифа), Баренца (Восточно-Шпицбергенское), Центральное. Из Карского моря с течением Литке через пролив Карские ворота также проходят холодные воды со скоростью 0,2-0,5 уз.
Горизонтальное распределение температуры воды в течение года характеризуется уменьшением ее абсолютных значений с юго-запада на северо-восток моря, что связано с потерей атлантическими водами тепла по мере их продвижения в этом направлении. Зимой в поверхностном слое температура воды в среднемноголетнем изменяется от 4-5 С до отрицательных значений вблизи кромки льда. Летом эти различия более значительны, поскольку в южной части моря вода прогревается до 8-9 С (Жизнь и условия..., 1985). С глубиной температура воды уменьшается, а ее сезонный максимум запаздывает относительно времени его наступления в поверхностном слое. На горизонте 200 м эта задержка может достигать 3-4 месяцев. В холодную часть года вертикальную структуру вод определяют, главным образом, процессы осенне-зимней конвекции, в результате которой осуществляется обмен между различными слоями теплом и примесями. Это приводит к выравниванию в большинстве районов моря температуры, солености и других параметров вод от поверхности до дна. Тем самым восстанавливается до необходимого уровня концентрация химических элементов, важных для развития морских организмов.
Временная изменчивость температуры воды носит полициклический характер с хорошо выраженной годовой периодичностью, которая в значительной степени обусловливает сезонный ритм в развитии биологических процессов. В спектральной структуре межгодовых колебаний температуры атлантических вод преобладают вариации длительностью 2-3, 7-8, 10-15 лет и трендовые составляющие.
Классификация вод Баренцева моря по гидрохимическим характеристикам
Как известно, под водной массой понимается сравнительно большой объем воды, обладающий в течение длительного времени почти постоянным составом физических, химических и биологических характеристик, составляющий единый комплекс и распространяющийся как единое целое.
В связи с трудностями определения многих химических и биологических характеристик водных масс, для их выделения используются данные преимущественно по температуре и солености. Подробный анализ водных масс Баренцева моря на основе аппарата кластерного анализа осуществлен в работе В.К.Ожигина и В.А.Ившина (1999). В частности, составлена схема водных масс и показано, что на акватории моря отмечаются водные массы 4 основных типов: атлантические, прибрежные, баренцевоморские и арктические.
Применение гидрохимических данных для выделения водных масс Баренцева моря ранее не проводилось, однако были попытки их привлечения для решения данной задачи наряду с гидрологическими данными. Одна из них была сделана для выделения водных масс Баренцева моря в летний период методом разложения океанологических полей по естественным ортогональным функциям (Цехоцкая, Злобин, 1977), другая отражена в гл.4.1 настоящей монографии.
Создание базы данных по гидрохимии Баренцева моря позволило решить проблему его районирования с учетом гидрохимических элементов. В качестве первого этапа исследований с учетом основной цели настоящей работы мы ограничились решением двух частных задач:
— выделение квазиоднородных сезонов года по гидрохимическим характеристикам на горизонтах 0 и 20 м;
— классификация (районирование) акватории моря по сезонному ходу кислорода и фосфатов на горизонтах 0 и 20 м.
Для решения данных задач использовался хорошо известный аппарат кластерного анализа, (см. главу 1.2). Кластерный анализ — это совокупность методов и алгоритмов теории распознавания образов, направленных на решение процедуры классификации множества объектов в многомерном пространстве признаков посредством процедуры самообучения (Малинин, Чернышков, Гордеева, 2002). Его главной целью является разбиение множества объектов на ряд однородных групп (классов) по наиболее существенным признакам их сходства.
Прежде всего рассмотрим выделение квазиоднородных сезонов года по кислороду и фосфатам. На рис.2.7.1 и 2.7.2 приведены дендрограммы, полученные методом Уорда. Их анализ показал, что по степени насыщения поверхностных вод кислородом выделяются теплый и холодный периоды. Продолжительность теплого периода — 3 мес (с мая по июль), холодного — 9 мес (с августа по апрель) (рис.2.7.3). При этом холодный период подразделяется на сезоны: зима длится с октября по март, весенний сезон ограничен лишь апрелем, август и сентябрь приурочены к осеннему сезону.
На горизонте 20 м продолжительность теплого периода увеличивается на З мес по сравнению с классификацией на 0 м и длится с апреля по сентябрь (см. рис.2.7.3). Соответственно, менее продолжителен и холодный период. Но если теплый период, по классификации сезонов по поверхностному насыщению вод кислородом, длится с мая по июль, то на горизонте 20 м эти месяцы охвачены летним сезоном уже в пределах более дробной классификации. На горизонте 20 м по кислороду (%) в рамках теплого периода выделяются лето (май-июль), весна (апрель) и осень (август-сентябрь) (см. рис.2.7.3).
Дендрограммы, построенные по содержанию фосфатов, позволили определить сроки и продолжительность периодов на поверхности моря: теплый длится с мая по октябрь, холодный — с ноября по апрель (рис.2.7.4). В рамках теплого периода выделяются лето продолжительностью 4 мес (июль-сентябрь), весна (май) и осень (октябрь). С заглублением вод теплый период сокращается на 2 мес, и совпадает по срокам с летним сезоном на поверхности. Холодный период на горизонте 20 м, соответственно, увеличивается на 2 мес (октябрь май), в его пределах выделяются следующие сезоны: зима (ноябрь-апрель), весна (май) и осень (октябрь), их продолжительность и сроки протекания соответствуют таковым по классификации на 0 м (см. рис.2.7.4).
Если выделенные на дендрограммах периоды, не разбитые на сезоны, идентифицировать как лето и зиму, то сроки протекания сезонов на горизонтах О и 20 м совпадают. Интересно обсудить вопрос о том, почему на поверхности при классификации по кислороду весна и осень отнесены к холодному периоду, а на горизонте 20 м эти сезоны выделены в пределах теплого периода. При выделении сезонов по фосфатам, наоборот, весна и осень на поверхности приурочены к теплому периоду, а на горизонте 20 м — к холодному. Ответ заключается, во-первых, в том, что формирование сезонного хода этих двух компонентов гидрохимического режима находится в противофазе — увеличение насыщения вод кислородом сопровождается уменьшением концентраций фосфатов. Эта противофазность проявилась и при выделении сезонов. Во-вторых, в силу того, что верхние слои воды находятся под воздействием атмосферных процессов, перестройка сезонов в них идет более резко, особенно в отношении содержания кислорода. На глубине 20 м эти процессы более инерционны и смена сезонов, по всей видимости, протекает более плавно. Именно поэтому на поверхности весна и лето отнесены к холодному периоду, а на глубине 20 м — к теплому.
При сравнении результатов кластерного анализа по выделению сезонов по кислороду и фосфатам на одном и том же горизонте заметны различия в продолжительности периодов. Если начало теплого периода на поверхности осуществляется одновременно и по кислороду, и по фосфатам (в мае), то при классификации по фосфатам его продолжительность на 3 мес больше, чем по кислороду. Очевидно, это обусловлено большей подвижностью кислорода, значительным обменом его с атмосферой. При начале прогрева вод, пик которого в Баренцевом море наступает в июле-августе, увеличивается эвазия кислорода в атмосферу, поэтому наблюдаемый в это время уровень концентраций кислорода есть результат увеличения его концентраций в воде за счет фотосинтеза фитопланктона и уменьшения за счет выделения в атмосферу. Фосфаты — более консервативный элемент, его динамика в морской воде обусловлена в основном активностью фитофлоры, интенсивностью биохимических процессов, динамикой вод. Поэтому по классификации сезонного хода фосфатов на поверхности летний сезон начинается на 1 мес раньше и заканчивается на 2 мес позже, весна наступает на 1 мес позже, и осень продолжается только один месяц, когда затухает интенсивность размножения фитопланктона и процессы деструкции превалируют над продукцией.
Сравнение результатов классификации на горизонте 20 м показало одинаковый срок окончания теплого периода — сентябрь. Начало же теплого периода по кислороду происходит на 2 мес раньше, чем по фосфатам — в апреле по кислороду, в июне — по фосфатам. При этом весенний сезон по фосфатам идентифицируется на месяц позже — в мае, а осенний длится всего 1 мес — октябрь, в то время как по кислороду на 20 м он продолжается 2 мес — с августа по сентябрь.
При генеральном сравнении результатов классификации сезонного хода по кислороду и фосфатам на глубине 20 м можно заметить, что по фосфатам сезоны наступают с месячным запаздыванием по сравнению с данными по кислороду.
Продолжительность и сроки начала и окончания сезонов, выделенных с помощью кластерного анализа (см. рис.2.7.3 и 2.7.4) различны между собой и отличаются от схемы сезонов, полученной при анализе графиков среднемноголетней сезонной вертикальной изменчивости степени насыщения кислородом и таких же графиков для фосфатов (см. табл. 2.2.4) в различных водных массах Баренцева моря. Поскольку кластерный анализ охватывал поле данных по всему морю и, следовательно, выделенные сезоны характерны для моря в целом, а выделение сезонов по вертикальной среднемноголетней изменчивости фосфатов проводилось для различных водных масс, то для сравнения границ сезонов осредним данные табл.2.2.4. Примем, что зима длится с декабря по март, весна—с апреля по июнь, лето — с июля по август, осень — с сентября по ноябрь. По результатам анализа графиков среднемноголетней сезонной вертикальной изменчивости кислорода (%) к зимним месяцам следует отнести период с декабря по март, весна охватывает лишь апрель, лето длится с мая по сентябрь, осень — с октября по ноябрь (см. гл.2.2). Полученные сроки наступления и продолжительность сезонов в Баренцевом море представлены в табл.2.7.1.
О возможности использования гидрохимических факторов в качестве индикаторов распределения промысловых рыб
Влияние гидрохимических условий на распределение молоди сельди. По данным июньской экспедиции 1992 г., проведенной совместно с Бергенским институтом морских исследований, в которой впервые выполнена акустическая съемка молоди сельди, мы попытались оценить связь ее распределения с распределением химических компонентов морской воды (Курникова, Несветова, Крысов, 1993).
Съемка осуществлялась с 5 по 13 июня 1992 г. на акватории, ограниченной с севера параллельно 72 с.ш. между меридианами 27 и 3730 в.д. Южная часть района исследований находится под влиянием вод Мурманского прибрежного течения, а северная и центральная — занята атлантическими водами. На северо-востоке района, вдоль склонов Центрального желоба была локализована фронтальная зона, разделяющая атлантические и баренцевоморские воды.
Столь разнородные водные массы, занимающие небольшую акваторию исследуемого полигона, характеризовались и различными гидрохимическими показателями. В частности, четко выделялись три зоны, концентрации кислорода и фосфатов в которых отражали различные стадии развития фитопланктона.
На первом участке, расположенном к западу от 31 в.д. в водах атлантического происхождения, относительное содержание кислорода на поверхности не превышало 103 % насыщения (рис.4.4.1). Глубина залегания 100 %-ной изо-оксигены достигала 100-130 м. Концентрация Фосфатов в слое фотосинтеза была около 0,5»цМ, при этом отсутствие пикноклина способствовало вертикальному перемешиванию слоев и постоянной подпитке биогенами поверхностного слоя.
В центральной части полигона, к востоку от 31в.д. мощность слоя фотосинтеза была ограничена 50-60 м и совпадала с глубиной залегания пикнокли-на. Насыщенность вод кислородом составляла 107 %, а содержание фосфатов варьировало в пределах 0,3-0,4 цМ.
На третьем участке, расположенном в южной части акватории в водах Мурманского прибрежного течения, наблюдалась максимальная насыщенность вод кислородом - до 113 % (см. рис.4.4.1). а концентрации фосфатов были минимальны. На прибрежных мелководных станциях вся толща вод от поверхности до дна была пересыщена кислородом.
Сочетание вышеперечисленных гидрохимических условий позволяет судить об уровне развития фитопланктонного сообщества. Учитывая тот факт, что в мае в этом районе насыщение кислородом атлантических вод достигало 110 %, а прибрежных — 120 %, можно констатировать, что к западу от 31 в. д., на первом выделенном нами участке весеннее цветение фитопланктона закончилось, в центральной части акватории идет на спад, а в южных районах активно продолжается.
Этому соответствовало и неравномерное распределение зоопланктона различных стадий развития, а значит и неравномерное распределение сельди, питающейся зоопланктоном. Так, на юге района отмечалась рыба в возрасте 2+, в центре — младшие особи в возрасте 1+, на севере — 3+.
Таким образом, в распределении сельди также выделяются три района: первый - западнее 31 в.д., второй-восточнее 31 в.д. между 7015 и 71 с.ш.., и третий — южный прибрежный район.
Сопоставление карт распределения гидрохимических показателей и эхо-интенсивности молоди сельди показало их хорошую согласованность (рис.4.4.2).
Следовательно, как показали результаты экспедиции, весенне-летние гидрохимические данные, косвенно характеризующие уровень развития организмов I трофического уровня, могут служить индикаторами распределения сельди разных возрастов.
Роль факторов среды в распределении аркто-норвежской трески. Путем сравнения характера горизонтального распределения трески в южной части Баренцева моря в сентябре 1987 г. и особенностей пространственной изменчивости физико-химических показателей состояния водных масс выделены наиболее экологически значимые факторы, и для каждого из них установлены диапазоны, в пределах которых особенно часто встречались скопления рыбы определенной плотности (Бойцов, Несветова, 1993). В качестве математического аппарата был использован информационно-вероятностный анализ, являющийся модификацией информационно-логического анализа (Беэр, 1972).
В результате проведенных расчетов было выявлено шесть наиболее информативных параметров среды, горизонтальное распределение которых имеет наиболее высокий индекс соответствия распределению численности трески в возрасте 5+. Более наглядным показателем степени информативности факторов является предложенный нами коэффициент связи С (Бойцов, Несветова, 1993), величина которого для каждого параметра среды пропорциональна значению индекса соответствия Kt. Для солености, имеющей самое высокое значение Kt, коэффициент связи С равен 1. Вторым фактором по степени соответствия является процентное содержание в воде кислорода (С=0,89). Далее, по мере убывания следуют: температура воды у дна (С=0,81), энтропия по температуре воды (С=0,79), энтропия по солености (С=0,73) и величина максимального градиента температуры воды над придонным квазиоднородным слоем (С=0,68).
Индивидуальный характер вероятностной связи каждого отобранного фактора с показателем распределения трески в возрасте 5+ схематично изображен на рис.4.4.3. Анализ диаграмм показал, что для всех информативных параметров среды связь имеет сложный вид, поскольку ни один из факторов линейно не связан с исследуемым явлением.
Наиболее:плотные скопления трески чаще всего наблюдались на участках с соленостью вблизи дна ниже 34,90. Вторым по информативности параметром является степень насыщенности придонных вод кислородом. Расчеты показали, что наиболее плотные скопления трески отмечались в водах, насыщенность которых кислородом составляла 90,1-91,5 %.
О возможных изменениях экосистемы Баренцева моря в условиях разработки нефтегазовых месторождений
Баренцево море — уникальный биопродуктивный водоем. Однако, исследования последних лет показали, что богатство моря состоит не только из рыбных ресурсов, но и нефтегазовых. Сейчас мы стоим на пороге освоения этих ресурсов, что, безусловно, изменит уровень эксплуатации экосистемы моря и увеличит угрозу нанесения ущерба ее живым обитателям.
Мониторинг экосистемы Баренцева моря, проводимый Полярным институтом, включает в себя изучение уровня загрязнения ее компонентов. Исследованиями ПИНРО показано, что в 2002 г. в воде Баренцева моря концентрации нефтяных углеводородов были значительно ниже рыбохозяйственных предельно допустимых концентраций, а уровни накопления загрязняющих веществ рыбами были незначительны и не превышали нормативов содержания, установленных санитарными правилами и нормами для морских рыб и морепродуктов. Это значит, что Баренцево море на сегодняшний день остается относительно чистым водоемом. Но будет ли так всегдаЭсвоение нефтегазовых месторождений на шельфе морей сопровождается проникновением в водную среду нефти, буровых растворов, пластовых вод и т.д. Буровые растворы содержат очень токсичные вещества (триксан, спринт и др.), способные даже в незначительных концентрациях поражать водные организмы. Загрязнение вод приводит к ухудшению условий жизни промысловых гидробионтов и к уменьшению их численности и биомассы. Это вызывает сокращение рыбопродукции на десятки, сотни или даже миллионы тонн.
В процессе эксплуатации морских нефтегазовых месторождений происходит загрязнение углеводородами прилегающих районов моря. Эти вещества способны оказывать длительное отрицательное воздействие на экосистемы, или, в случае залповых выбросов, вызывать летальный исход организмов. Следствием деградации экосистемы будет изменение путей переноса вещества и энергии по трофическим цепям.
Известно, что высокая биопродуктивность Баренцева моря обусловлена многими факторами, среди которых следует выделить многократную оборачиваемость питательных солей и включение их в биологический цикл, что приводит к повышению эффективности функционирования экосистемы. Это означает, что усваивается большее количество энергии при ее трансформации от организмов низших звеньев трофической цепи к высшим. В случае вмешательства посторонней энергии, заключенной в углеводородах, усилится детритная пищевая цепь, при этом значительно увеличится количество бактерий, что будет способствовать развитию малоценных в кормовом отношении организмов, которые являются трофическим тупиком экосистемы — желетелего зоопланктона (медуз), гребневиков, саггит, аппендикулярии, сальп и т.п. (О возможных изменениях..., 2000).
Воздействие токсикантов на водные организмы приведет к изменению биоразнообразия и сокращению численности объектов промысла в результате нарушения трофики и ухудшения условий их воспроизводства. В конечном итоге изменение видового разнообразия сообщества и его устойчивости разорвет цикл круговорота вещества.
Основной признак жизни экосистем — их цикличность, которая обеспечивается функционированием одноклеточных организмов, связывающих между собой в единую сеть многоклеточные организмы (Камшилов, 1968). Нарушение воспроизводства первичного органического вещества приведет к деградации и, возможно, даже гибели экосистемы. Следствием деградации будет уменьшение численности как непромысловых, так и промысловых объектов, замена ценных для человека гидробионтов на малоценные. Рыбопродукция в этом случае снизится и водоем потеряет свою промысловую значимость.
Наиболее объективным показателем воспроизводительной способности водоема является высокая первичная продуктивность, которая формируется, главным образом, вследствие интенсивного развития фитопланктона. Определенная доля этого первичного продуцента (10-15 %) потребляется первичными консументами. Невостребованная его часть опускается на дно, частично подвергаясь разложению. Остатки наиболее стойкого к биохимическому окислению органического вещества в виде детрита откладываются в грунтах.
Первичная продукция фитопланктона в Баренцевом море оценивается исследователями примерно в 2-3 млрд т (по нашим расчетам 3 млрд т), вторичная продукция — в 300 млн т. В результате быстрого распада и выедания биомасса фито- и зоопланктона никогда не бывает «лишней». Фитопланктон выедается зоопланктоном, который является объектом питания ценных в промысловом отношении организмов. На его базе формируется не менее 80 % рыбопродукции аркто-норвежского промыслово-географического комплекса. Роль бентоса в формировании рыбной продукции сравнительно невелика — менее 20 %. Биомасса бентоса в Баренцевом море оценивается в 150-180 млн т, а на формирование рыбной продукции расходуется, вероятно, не более 10-15 % этой биомассы (О возможных изменениях..., 2000).
Высокая продуктивность фитопланктона находится в прямой зависимости от ряда факторов неживой природы: интенсивности солнечной радиации, количества и степени оборачиваемости минеральных солей, вертикальной устойчивости водных масс. При отсутствии одного из этих компонентов фитопланктон не в состоянии реализовать свои потенциальные продукционные возможности. Следствием эксплуатации нефтегазовых месторождений может явиться разлив нефти и нефтяная пленка явится преградой для проникновения в воду солнечного света, что заблокирует реакции фотосинтеза.
В результате разлива нефти или малозаметного (неуловимого современными научными методами) содержания углеводородов нарушается естественный ход функционирования биологического сообщества водоема. Эти нарушения могут быть вызваны изменением некоторых биохимических реакций в клетках фитопланктона. В результате поднявшийся к поверхности весной зоопланктон будет лишен кормовой базы, что естественно скажется на продуктивности конечных звеньев трофической цепи.
Корреляция между рыбопродуктивностью водоема и первичной продукцией невелика. Это обусловлено в первую очередь комплексом факторов, которые обеспечивают направление потоков энергии, т.к. существует вероятность, что она будет аккумулирована в организмах, являющихся трофическим тупиком. Эффективность усвоения энергии при переходе от одного трофического уровня к другому также является важным фактором выхода конечной продукции. Поскольку пищевые сети очень сложны и непостоянны в пространстве и во времени, весьма затруднительно точно оценить коэффициенты переноса энергии. Ясно одно, что на загрязненных нефтяными продуктами акваториях уничтожается основа, на которой базируется жизнь в водоеме, нарушаются потоки энергии и их аккумуляция при переходе на высшие трофические уровни. Один из случаев воздействия нефтепродуктов на появление различных уродств у личинок рыб показан в главе 6.1.
