Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-географическая характеристика Каспийского моря 7
1.1 Географическое положение и рельеф 7
1.2 Метеорология и гидрология 11
2. История исследований Каспийского моря 19
2.1 Географические исследования 19
2.2 Гидрометеорологические и гидрохимические исследования 20
2.3 Методы гидрохимических исследований и сравнимость данных 23
3. Изменения в распределении биогенных элементов 25
3.1 Основные закономерности пространственного распределения биогенных элементов в поверхностном слое 25
3.2 Изменения в химическом стоке реки Волга после зарегулирования 36
3.3 Влияние колебаний уровня моря на пространственное и вертикальное распределение биогенных элементов 44
4. Изменения в концентрациях органического вещества 59
4.1 Методы определения органического вещества 59
4.2 История исследования органического вещества в Каспийском море 62
4.3 Пространственное распределение органического вещества 66
4.4 Изменения концентраций органического вещества с 1940-х гг стр. 74
4.5 Гребневик Mnemiopsis leidyi и его влияние на экосистему моря 78
4.6 Анализ величин первичной продукции фитопланктона 86
5. Развитие гипоксии в глубинных слоях впадин Каспийского моря и основные закономерности появления сероводорода 90
5.1 Сезонная гипоксия в Северном Каспии 90
5.2 Развитие представлений о механизмах аэрации глубинных слоев Каспийского моря 91
5.3 Многолетние колебания растворенного кислорода в глубоководных впадинах моря 95
5.4 Условия появления сероводорода в глубоководных впадинах 101
Заключение 108
- Гидрометеорологические и гидрохимические исследования
- Изменения в химическом стоке реки Волга после зарегулирования
- Пространственное распределение органического вещества
- Многолетние колебания растворенного кислорода в глубоководных впадинах моря
Введение к работе
Актуальность проблемы. Каспийское море является самым крупным солоноватоводным водоемом мира с целым рядом уникальных физических, химических и биологических свойств. Фауна Каспия, сформированная в условиях длительной изоляции бассейна, состоит на 46% из эндемиков Каспия, а еще 20% встречаются только в Понто-Каспийском регионе [Зенкевич, 1963]. Первые серьезные гидрохимические исследования моря были проведены в начале XX века и связаны с именами А.А.Лебединцева, Н.М.Книповича и С.В.Бруевича. Эти работы по времени совпали с периодом высокого уровня Каспийского моря. Несмотря на высокую квалификацию исследователей, существующие в то время методы анализа не позволили накопить данные, свойственные периоду высокого уровня, по всем биогенным элементам и органическому веществу. В дальнейшем регулярные гидрохимические съемки проводились Каспийским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства (КаспНИРХ) и Всероссийским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО). С середины 50-х годов систематические исследования по всей акватории моря проводились под методическим руководством Государственного океанографического института (ГОИН). Следует отметить, что работы на Каспии осложнялись отсутствием удобных научно-исследовательских судов и недостатком современного океанографического оборудования. Лишь после экспедиции ВНИРО в 1995 году стали регулярно применяться зонды для получения непрерывных по глубине гидрологических данных и гидрохимические проточные анализаторы. В период 1995-2003 гг. КаспНИРХ совместно с ВНИРО ежегодно проводил гидрохимические съемки во всех частях Каспийского моря с применением новейшего оборудования. Собранные данные позволяют на новом уровне рассмотреть вопросы гидрохимической структуры моря и ее временного изменения. Знание гидрохимических особенностей водоема совершенно необходимо для правильной оценки его биологической продуктивности, для прогнозирования дальнейших изменений экосистемы и для контроля структуры промысла. Анализ многолетних гидрохимических данных позволяет судить о процессах, происходящих на площади водосборного бассейна и выделить фактор антропогенного воздействия. После зарегулирования стока впадающих в Каспий рек процессы эвтрофикации и накопления органического вещества значительно ускорились, что хорошо прослеживается в изменениях гидрохимических параметров. На особенности гидрохимической структуры Каспийского моря огромное влияние оказывают колебания уровня. В условиях глобального изменения климата и прогнозируемого
повышения уровня Каспийского моря весьма важно уметь правильно предсказать изменения гидрохимической структуры и процессов пополнения эвфотического слоя биогенными элементами. Знание тонкой гидрохимической структуры позволяет выделять мезомасштабные вихри, поскольку гидрохимические параметры служат маркерами динамических процессов. Сегодня гидрохимические исследования Каспия весьма актуальны. Помимо того, что антропогенный прессинг на бассейн остается по-прежнему высоким, положение осложнилось появлением в 1999 году на Каспии гребневика, который к настоящему времени уже распространился почти по всему морю. Гребневик серьезно нарушил трофические связи и кругооборот биогенных элементов, что в высшей степени негативно сказалось на состоянии экосистемы.
Цель исследования. Целью работы является анализ изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет, которые произошли в результате антропогенного воздействия и процессов, вызванных колебаниями уровня моря.
Задачи работы;
выделить основные факторы, которые привели к изменениям гидрохимической структуры Каспийского моря оценить степень их воздействия;
выявить влияние изменений гидрохимической структуры вод Каспийского моря на биологическую продуктивность и трофические связи внутри экосистемы;
установить связь между высоким уровнем моря и обеднением эвфотического слоя биогенными элементами;
установить связь между высоким уровнем моря и ухудшением условий аэрации глубоководных котловин и нарастанием придонной гипоксии;
5) обосновать механизм формирования гипоксии и последующего образования
сероводорода в глубоководных котловинах Каспия.
Научная новизна. В работе впервые предложена схема, в которой на первое место в комплексе негативных факторов, приведших к изменениям гидрохимической структуры и биологической продуктивности, выдвигается зарегулирование стока впадающих в Каспий рек. Впервые предпринята попытка не только на качественном, но и на количественном уровне отследить изменения гидрохимических параметров в зависимости от величины уровня моря. Впервые предложен сравнительный анализ между сценариями ухудшения экологической ситуации на Черном и Каспийском море и отмечено их близкое подобие. Появление гребневика Mnemiopsis leidyi в работе впервые связывается с изменениями гидрохимической основы биопродуктивности Каспийского моря и выходом экосистемы из равновесного состояния.
Практическая значимость. Данные и выводы, представленные в работе, имеют значение для оценки современного экологического состояния Каспийского моря, составления долгосрочных экологических прогнозов, разработки методов контроля структуры промысла и численности видов-вселенцев. В работе впервые привлечены данные комплексных гидрохимических исследований КаспНИРХ и ВНИРО за период 1995-2003 гг., полученные для высокого уровня моря с применением современных CTD-зондов и новейшего лабораторного оборудования. По этим данным были созданы карты распределения всех гидрологических и гидрохимических параметров. Помимо этого был заново нанесен на карту и материал более ранних исследований, включая съемки С.В.Бруевича. Распределение гидрохимических параметров представлено за различные годы на вековых разрезах, в поверхностном и придонном горизонтах, а также на горизонтах 20, 30,50, 100 и 300 метров.
Гидрохимические данные 1995-2003 гг. Лаборатория морской экологии ВНИРО совместно с КаспНИРХ с 1995 г. по настоящее время проводит в Каспийском море ежегодные съемки с определением всех основных гидрохимических параметров по современным методикам [Справочник, 1991]. В приведенной ниже таблице представлен хронологический список рейсов, данные которых были использованы в настоящем исследовании с указанием количества выполненных станций для каждого из районов моря и набора определявшихся параметров (Табл. 1). В ряде рейсов также определялся окислительно-восстановительный потенциал, цвет, прозрачность и мутность морской воды, концентрации мочевины, пестицидов, насыщенных и ароматических углеводородов, тяжелых металлов. В 1995 году был выполнен полный комплекс биохимических работ, определения концентраций хлорофилла и оценка первичной продукции скляночным методом.
Применение современной зондирующей аппаратуры позволило накопить массив не только качественно новых гидрологических данных, свойственных периоду высокого уровня, но и чисто гидрохимических - благодаря датчикам растворенного кислорода, хлорофилла и концентрации водородных ионов. Поскольку эти данные уже не дискретны по глубине, то становится возможным подойти к гидрохимическим проблемам на качественно новом уровне. Столь же позитивные изменения можно отметить и в лабораторном аналитическом оборудовании. Возросла точность и скорость определения основных биогенных элементов за счет применения скоростных проточных автоанализаторов, таких как «Техникой», «Алпкем» и «Бран+Луббе». Данные по растворенным органическим формам, полученные на высокотемпературном анализаторе
TOC-5000A компании «Шимадзу» по точности значительно превосходят данные всех предыдущих исследований.
Табл.1 Количество станций и набор параметров, полученные в экспедициях с участием Лаборатории морской экологии в период 1976-2003 гг.
Гидрометеорологические и гидрохимические исследования
Военный врач И.Лерхе первым организовал в 1732 году стационарные гидрометеорологические наблюдения в крупных городах на побережье Каспийского моря. Наблюдения на береговых и плавучих маяках носили эпизодический характер. Водомерный пост в Баку был организован в 1837 году академиком Э.Ленцем. После революции и Гражданской войны сеть гидрометеорологических станций была восстановлена в период 1929-1936 годов. Появился целый ряд новых станций и постов. В период 1951-1960 гг на Каспийском море действовали 54 станции. Были открыты станции в устьях всех крупных рек, впадающих в Каспий. В 1961 году был введен «нуль» поста, равный -28.00 м, а в 1963 году был издан «Каталог уровенных наблюдений», в котором все данные по уровню были сведены воедино. Разрозненные анализы каспийской воды и волжской в районе дельты выполнялись с 1829 года (экспедиция А.Гумбольдта). А. А. Лебединцевым в 1897 г. был проанализирован солевой состав каспийской воды и получен хлорный коэффициент. Конечно, этой информации было совершенно недостаточно для составления даже предварительных суждений о гидрохимических особенностях моря. Таким образом, первой значимой экспедицией на Каспии следует считать экспедицию под руководством Н.М. Книповича в 1904 году [Лебединцев, 1913]. Экспедиция была организована на средства Общества рыболовства и рыбоводства при содействии Русского географического общества. Главная задача экспедиции заключалась в исследовании сельдяного промысла на Каспийском море. Работа проводилась в течение трех месяцев и во всех районах море, при этом особый упор был сделан на глубоководные районы. В экспедиции были впервые получены надежные данные о вертикальном распределении температуры воды и установлено низкое содержание растворенного кислорода ниже горизонта 200 метров. Измерения скоростей течений вертушкой Экмана позволили получить данные, на основании которых была составлена предварительная схема циркуляции Каспийского моря, оказавшаяся необычайно точной. В 1912-1913 гг. Н.М.Книпович провел вторую экспедицию в средней и северной частях моря. В ходе третьей экспедиции 1914-1915 гг., продолжавшейся более года, был собран материал по гидрологии, биологии и промыслам всего моря и сезонный ход изменения основных параметров [Книпович, 1923].
В августе 1933 года была проведена комплексная съемка в Южном Каспии, руководил которой С.В.Бруевич. Несмотря на то, что всего два разреза были выполнены в ходе работ, но они пересекли самую глубоководную часть моря, и был получен весьма ценный первичный гидрохимический материал, что позволило С.В.Бруевичу составить первое суждение о вертикальной гидрохимической структуре моря, обоснованное в более поздних работах [Бруевич, 1937]. В конце 1933 года был образован Всесоюзный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии, который получил на Каспии исследовательские суда и рыбохозяйственные базы. Благодаря этому в 1934 году была развернута очень обширная океанографическая деятельность, включая гидрохимические работы. В итоге только в 1934 году были выполнены четыре экспедиции во всех районах моря и во все сезоны. Подробности съемок тех лет можно только позавидовать, несмотря на наличие современной зондирующей аппаратуры. Тогда же КаспНИРХ организовал систематические морские наблюдения по гидрологии, гидрохимии, гидробиологии и ихтиологии. По инициативе ВНИРО съемки на 4-5 стандартных разрезах регулярно продолжались до 1943 года. С середины 50-х годов в системе Госкомгидромета под методическим руководством ГОИНа были организованы систематические гидролого-гидрохимические работы по всей акватории Каспийского моря. Эти исследования относятся к периоду интенсивного изменения его гидролого-гидрохимического режима под влиянием антропогенных факторов, которые в первую очередь воздействовали на волжский сток, питающий море: создание каскада водохранилищ на р. Волге, увеличение безвозвратного использования поверхностных вод в процессе хозяйственной деятельности, а также сброс бытовых и промышленных вод в водотоки и водоемы бассейна. Таким образом, изучение гидрохимического режима Каспийского моря приобрело особую актуальность, так как его изменения, как правило, являются отражением возможных отклонений в функционировании экосистемы моря в целом.
Особенности гидрохимического режима Каспийского моря, обусловленные падением его уровня, а также возникшие в результате хозяйственных мероприятий, которые осуществлялись в бассейнах рек, питающих Каспийское море, были проанализированы на основе многолетних наблюдений. В работе А. С. Пахомовой и Б. М. Затучной [1966] приведен большой экспериментальный материал, полученный в результате систематических целенаправленных съемок в Каспийском море в 1958— 1962 гг., когда исследовались солевой состав, соленость, элементы карбонатной системы, газовый режим и режим биогенных веществ. В период 1965-1973 гг. Кафедрой океанологии МГУ были проведены очень важные исследования в районе кромки льда [Косарев, 1975], которые позволили выявить фронтальный характер зоны кромки льда и разобраться в механизмах аэрации глубоководной котловины Среднего Каспия. Исследования, развернувшиеся в последующие годы, явились основой для выявления закономерностей и факторов, формирующих изменения гидролого-гидрохимических основ продуктивности Каспийского моря в период активного антропогенного воздействия. Они нашли свое отражение в значительных публикациях монографического характера и фондовых материалах ГОИНа, КаспНИРХа, Азербайджанского и Северо-Кавказского УГКС, ИВП АН СССР, МГУ им. М. В. Ломоносова и других учреждений. Дальнейшие исследования по Каспийскому морю проводились в рамках проекта «Моря». Целью этих работ было установление закономерностей формирования и изменений гидрохимических условий Каспийского моря под влиянием естественных и антропогенных факторов [Гидромегеорология, 1996]. В 80-е годы эти работы были дополнены исследованиями ГОИНа по химическому составу льда. Начиная с середины 70-х годов в районах дельты и авандельты Волги значительные гидрохимические исследования, проводимые под руководством М. П. Максимовой, были направлены на изучение биогенных элементов и органического вещества, что позволило охарактеризовать гидрохимические особенности вод материкового стока, условия и закономерности его формирования, а также влияние речных вод на гидрохимический режим Северного Каспия. Значительный вклад эти работы внесли в изучение процессов трансформации биогенных элементов и органического вещества в дельте и авандельте р. Волги.
Следует отметить, что гидрохимические исследования Каспийского моря были осложнены отсутствием специализированных научно-исследовательских судов и недостатком современного оборудования, а недостаток современных методик при определении биогенных элементов нередко сказывалось на качестве гидрохимических данных. Именно поэтому гидрохимическая структура, наблюдаемая в условиях высокого уровня моря, в работе рассматривается преимущественно на основании данных после 1995 года, когда в ходе Волго-Каспийской экспедиции ВНИРО впервые на Каспии были применены современные зонды и проточные гидрохимические автоанализаторы. После 1995 года совместные экспедиции КаспНИРХ и ВНИРО во всех частях Каспийского моря проводились ежегодно, что позволило накопить гидрохимический материал для переходного состояния моря из аэробного в суб-анаэробный водоем. Мониторинг содержания кислорода в глубоководных впадинах нацелен на фиксацию момента появления сероводорода и связанных с этим изменений гидрохимической структуры. Методы гидрохимических исследований и сравнимость данных. Гидролого-гидрохимический режим Каспийского моря изучался рядом исследователей в течение более чем 100 лет. Этот многолетний период исследования характеризовался различными колебаниями уровня моря и объемов речного стока, поступающего в него. Наиболее планомерные исследования гидролого-гидрохимического режима, начавшиеся в 60-е годы, проводились уже в условиях активного антропогенного воздействия на весь бассейн Каспийского моря.
Изменения в химическом стоке реки Волга после зарегулирования
Анализ гидрологической и гидрохимической базы данных, накопленной в Лаборатории морской экологии ВНИРО, позволяет утверждать, что первым фактором, серьезно нарушившим экосистему Каспийского моря, явилось строительство многочисленных водохранилищ на Волге [Сапожников, 2000в]. Помимо Волги, были запружены и все остальные крупные реки, впадающие в Каспий: Терек, Сулак, Самур, Кура и даже Урал (в верховьях), хотя их воздействие на экосистему моря несравненно меньше. Причем в среднем на реку приходится 2-3 плотины, а на Волге в период 1930-1960 гг. их было построено восемь, не считая притоков (Рис. П.). Общая площадь зеркала водохранилищ Волжско-Камского каскада составляет 20.700 км2, а объем -более 143 км3. Большинство исследователей полагает, что год 1955 был последним годом естественного стока Волги [Барсукова, 1971], [Максимова и др., 1978]. Сток Волги в декабре-марте до зарегулирования составлял не более 11% от общего годового стока. На половодье приходилось в среднем 60% величины годового стока [Барсукова, 1957]. После зарегулирования (начиная с 1960 г.) эти величины составили соответственно 26% и 44% [Яблонская, Зайцев, 1979]. Таким образом, водный сток Волги в период половодья уменьшился на 50-60%, а в зимние месяцы увеличился на 50-85% (Рис. 12. )
Соответственно изменился и режим поступления биогенных элементов в экосистему моря. Ведь по некоторым оценкам одна только Волга приносит до 80% биогенных элементов аллохтонного происхождения [Леонов, 2002]. Вместе с паводковыми водами в море поступало большое количество взвешенных биогенных веществ. В работе Л.А.Барсуковой [1957], посвященной химии волжского стока в период до зарегулирования, в частности, указывается, что максимальные концентрации минерального азота наблюдались в речной воде в самом начале паводка за счет первых снеговых вод, обогащенных этими соединениями. При этом преобладали взвешенные формы, почти в два раза превышая растворенные. Порядка 50% соединений фосфора также находилось во взвешенной форме [Барсукова, 1957]. В настоящее время весеннее половодье составляет всего 35% от величины годового стока. Следует отметить, что появление так называемого «зимнего паводка» является совершенно ненормальным для экосистемы явлением, поскольку утилизация биогенных элементов в период зимней стагнации сильно затруднена. В то же время вносимая зимой кремнекислота потребляется диатомовой водорослью ризосоленией, которая, будучи видом-вселенцем, размножается в Каспии в последние 70 лет и перехватывает остатки растворенной кремнекислоты в эвфотическом слое [Татаринцева, 1991]. Зимнее «цветение» ризосолении отмечено еще в работах С.В.Бруевича [Бруевич, 1937]. Зимой биомасса ризосолении может достигать от 70 до 98% общей биомассы фитопланктона [Полянинова, 2001]. Поскольку данная водоросль обладает большой индивидуальной биомассой, то она может преобладать, несмотря на сравнительно небольшую численность. Поскольку она не используется зоопланктоном, то после отмирания ризосоления опускается на дно и переводит в донные отложения большие количества кремния, фосфора и азота.
Однако не только режим химического стока подвергся серьезным изменениям, по, что гораздо важнее, и его состав. Зарегулирование Волги фактически превратило реку в цепочку водохранилищ с застойным гидрологическим режимом, высокими концентрациями органического вещества и сложными трофическими связями [Зеиин, 1965]. Исследования продукционно-деструкционных процессов, проведенных в 1994 году, явственно показали, что в водохранилищах преобладают процессы накопления [Сапожников, 1996]. Образовавшиеся водохранилища "зацвели" и большая часть фосфора и азота перешла в органические соединения, которые вместе с аммонием и мочевиной стали выноситься в море вместо фосфатов и нитратов. Кремний, который выносится реками в виде взвеси и коллоидов, в значительной мере осел в донные отложения водохранилищ. В результате почти вдвое уменьшилось поступление фосфатов и растворенной кремнекислоты, в 1.5 раза - азота и почти втрое взвешенного фосфора и кремния [Винецкая, 1968]. Резко возросло количество выносимого органического вещества, причем в течение всего года [Мусатов, 1976]. Увеличение выноса органического вещества речным стоком после зарегулирования всех рек и развитие процессов эвтрофикации привело к резкому усилению гетеротрофных источников питания организмов планктона и бентоса. Аналогичные изменения произошли на Черном и Азовском морях. На Черном море все крупнейшие реки, такие как Дунай, Днепр, Днестр, Дон, Буг, Кубань и другие перегорожены плотинами. Водохранилища также «зацвели» и изменился характер пресного стока. Резко уменьшился вынос кремния, фосфатов и нитратов. За последние 50 лет средняя концентрация кремния в поверхностном 0-50 метровом слое уменьшилась в 50 раз, средняя концентрация фосфатов уменьшилась в 10-12 раз, а нитратов в 8-Ю раз. На Азовском море после зарегулирования стока поступление неорганических соединений азота и фосфора сократилось в 4 раза и на 15% соответственно [Гребневик, 2000]. На Черном море время возросла концентрация органических соединений фосфора и азота, аммония, мочевины и растворенного органического вещества до 6-8 мг С/л. Кремния хватает лишь на короткое весеннее «цветение» диатомовых. Затем в течение лета бурно развиваются перидиниевые водоросли. В некоторых случаях «цветение» таких перидиней как Exuviella cordata и Goniaulax poliedra достигают силы «красного прилива», «красный прилив» всегда сопровождается бурным ростом микрогететрофов. Так, в частности, наблюдался «красный прилив», созданный бурным развитием инфузории Mesodinium rubrum. Пока случаи появления «красного прилива» на Каспии не известны, хотя все предпосылки к этому есть.
Уменьшение содержания в волжской воде биогенных элементов и детрита, который быстро утилизировался экосистемой Северного Каспия, привело к двукратному снижению продукции фитопланктона и биомассы зоопланктона по сравнению с периодом естественного стока [Кун, 1965]. В свою очередь это отрицательно сказалось на формировании запасов рыб, питающихся планктоном. К примеру, численность обыкновенной кильки в 1961-1965 гг. уменьшилась в 2.5 раза по сравнению с периодом 1952-1960 гг. [Яблонская, 1979]. Площадь нерестилищ осетровых рыб только на Волге сократилась в 10 раз. Изменения в химическом стоке реки Волги были проанализированы в работах М.П.Максимовой [Максимова, 1979, 1981, 1995]. Исследование базировалось на том факте, что соотношение биогенных элементов в речном стоке не зависит от водности года. Было выдвинуто предположение о том, что поступление кремния мало зависит от антропогенных факторов. Таким образом, используя соотношения между минеральным растворенным кремнием и растворенными и взвешенными формами азота и фосфора можно объективно оценить величину антропогенного стока. В изменении естественного стока Волги М.П.Максимова выделяет пять периодов [Максимова, 1979]. I период (1936-1955): до зарегулирования основного стока; II период (1956-1962): последовательное заполнение и формирование гидрохимического режима основных, средних и нижних водохранилищ каскада III период (1963-1966): период стабилизации гидрохимического режима водохранилищ; IV период (1967-1969): заполнение и формирование гидрохимического режима Саратовского водохранилища; V период (1971-1975) период стабилизации гидрохимического режима. С конца 60-х годов в волжском стоке отмечается снижение соотношения концентраций минерального растворенного кремния к азоту и фосфору. Также наблюдается некоторое возрастание количества поступающего азота относительно фосфора [Максимова, 1979] (Рис. 13.).
Пространственное распределение органического вещества
Содержание ОВ в Каспийском море в среднем в 2-3 выше, чем в Черном море, что обусловлено замкнутостью бассейна [Яблонская, 1971]. Более 90% азота и фосфора в эвфотическом слое находятся в составе органических соединений. Концентрация растворенного Сорг в Каспийском море колеблется в очень широких пределах (7-15 мг/л), что указывает на неоднородность процессов, формирующих экосистему. Распределение органического вещества по акватории Каспийского моря обусловлено положением зон интенсивного первичного продуцирования с одной стороны, динамикой вод и аллохтонным поступлением ОВ с другой. В летне-осенний период, во время проведения исследований, большая часть ОВ имеет явно автохтонное происхождение и создается в максимуме фитопигментов. В Северном Каспии и в северных районах Среднего Каспия значительная часть ОВ является аллохтонным. В положительную часть баланса органического вещества входят первичная продукция, сток рек, атмосферные осадки, адвективный перенос и разложение детрита. В отрицательную входят следующие статьи: расход на продукцию зоопланктона, потребление бактериями, седиментация взвешенного ОВ и вынос в соседние акватории. Большие концентрации органического вещества, таким образом, наблюдаются в Северном Каспии, продуктивность которого велика по сравнению с другими районами моря и здесь же значителен вклад аллохтонной органики, поступающий со стоком Волги (Рис. 30.). Соответственно велики и скорость трансформации ОВ: в Северном Каспии скорость максимальна и превышает значения в Среднем Каспии в 25 раз [Сапожников и др., 1996].
На устьевом взморье Волги концентрации органического вещества невелики за счет коагуляции и осаждения поступающих органических соединений. При пересечении биогидрохимического концентрации ОВ падают в 1.5-2 раза по сравнению с концентрациями в волжской воде [Максимова, Метревели, 1984]. Однако южнее гидрохимического барьера наблюдается постепенное возрастание концентраций ОВ за счет большой продукции фитобентоса, а также макрофитов. Фитобентос получает достаточно питательных солей со стоком Волги и находится в условиях хорошей освещенности на малых глубинах Северного Каспия. Таким образом, южнее гидрофронта концентрация органического фосфора достигает 2JM, органического азота - 80рМ, Западная часть Мангышлакского порога подвержена интенсивному влиянию трансформированных волжских вод, несущих высокие концентрации ОВ - в отдельных случаях до 12 мг/л. Для сравнения предел растворенного органического вещества в океанской воде, поддерживаемый деятельностью бактерий составляет около 10 мг/л [Sverdrup, 1957]. Распределение растворённого органического вещества определяется: на севере Среднего Каспия - гидрологическими факторами, а именно проникновением трансформированных волжских и северокаспийских вод; и на остальной части Среднего Каспия - интенсивностью продукционно-деструкционных процессов с максимальными значениями в фотическом слое [Катунин, 2001а]. Наибольшие валовые концентрации взвешенного органического вещества отмечены в западной части Мангышлакского порога (1.6 мг/л). Для этих районов характерна очень низкая прозрачность вод (около 3 м) и минимальные величины толщины эвфотического слоя (5-11м) [Скриптунов, Демиденко, 1986]. В восточной части валовые концентрации взвешенного Сорг снижаются до 0,7 мг/л (суммарное содержание взвешенных углеводов, белков и нуклеиновых кислот составляет порядка 95% от взвешенного Сорг), но все равно остаются очень высокими [Сапожников и др., 1996]. Высокие концентрации растворенных углеводов и липидов (наравне с высоким их содержанием в составе РОВ) косвенно указывают на аллохтонное происхождение ОВ этого района.
В пространственном распределении органического вещества большое значение имеет динамика вод. В то же время, вертикальное распределение и зоны максимального содержания ОВ определяются интенсивностью его преобразования - соотношениями скоростей продукционно-деструкционных процессов [Биологическая продуктивность..., 1974.]. Повышенные концентрации ОВ наблюдаются в районе Казахского апвеллинга (10-12 мг/л С0рг) за счет подтока биогенных элементов из глубинных слоев и большой интенсивности фотосинтеза, которая зависит от степени развития апвеллинга [Гершанович, 1990]. Низкие концентрации биогенов и в то же время большие значения продукции в районе апвеллинга могут означать, что питание фитопланктона осуществляется в основном за счет потока биогенных элементов снизу. Поскольку скорости поступления и потребления биогенных элементов близки, то не происходит их накопления в верхнем слое. Области высоких концентраций Сорг в летний период прежде всего определяются положением зон интенсивного первичного продуцирования. По вертикали наибольшие концентрации Сорг приурочены к слою максимального содержания хлорофилла и максимального пересыщения вод кислородом (Рис. 32.).
Толщина эвфотического слоя изменяется в пределах 20-40 метров, при этом низкие значения наблюдаются у берегов. На большей части акватории Среднего Каспия эвфотический слой ограничен снизу освещенностью, не превышающей 1% от поверхностной. В летний период максимум фотосинтетической активности, как правило, приходится на термоклин. Преобладание среди минеральных форм аммонийного азота и большие величины БПК указывают на то, что в верхней части эвфотического слоя планктон перешел на существование за счет рециклинга биогенных элементов. Значительное количества фитопланктона, сконцентрировавшегося около слоя скачка, свидетельствует о завершившейся стадии летнего развития, в результате которого было произведено и накопилось много клеток, как правило, опустившихся до слоя термоклина. Минимум кислорода располагается на нижнем слое скачка плотности за счет того, что отмирающий фитопланктон здесь задерживается и окисляется, потребляя кислород. Максимум кислорода располагается над скачком и совпадает с максимумом хлорофилла. Максимум хлорофилла «а» (определяемого по флуоресценции) наблюдается на границе Северного и Среднего Каспия в районе острова Чечень. Значения здесь достигают 4.4 мкг/л. Минимальные концентрации обычно приурочены к глубоководной части моря -менее 0.4 мкг/л [Баулин, 1990]. В слое скачка содержание хлорофилла, как правило, возрастает в среднем в 3.8 раза по сравнению с поверхностью. Для прибрежной зоны, в частности у восточного берега моря, характерно опускание фитопланктона в придонные горизонты (15-40 м). Ниже 50 метров содержание хлорофилла постепенно уменьшается и на глубине 70 метров составляет 0.2-0.3 мг/м3. Летом развиваются также пирофитовые и сине-зеленые водоросли, поэтому концентрация хлорофилла «с» и «в» достигает соответственно 25-35% 15-20% от общего. Поскольку хлорофилл «в» и «с» способен улавливать энергию с более короткой длиной волны, то увеличение их процентного отношения в общей концентрации хлорофилла в летний период может быть объяснено невысокой прозрачностью на границе северо- и среднекаспийских вод. Тем не менее, в слое максимума фитопланктона хлорофилл «а» составляет 70-75%.
Примечательно, что в максимуме хлорофилла наблюдается минимум содержания железа, которое потребляется в процессе фотосинтеза. Океанические концентрации железа в среднем составляют 5 мкг/л, в Каспии они в 3 раза выше [Сапожников, 1996]. Иногда наблюдается двухслойная структура вод с двумя максимумами хлорофилла. Верхний максимум располагается на 7 метрах и соответствует северокаспийским водам, где фитопланктон угнетен в солоноватых водах. Нижний максимум расположен на 25 метрах под скачком температуры и характеризуется концентрациями 4-4.4 мкг/л. Суточное потребление кислорода в поверхностных водах составляет 0.06-0.73 мл/л, а в слое максимума фитопигментов от 0.03 до 0.94 мл/л. Количество углерода, подвергшееся окислению в поверхностных водах за сутки составляет 0.02-0.38 г С/ м\ Среднее значение ассимиляционного числа (АЧ) для Среднего Каспия оценено в 37 мг С/мг СЫ «а» в сутки. На горизонте максимума фитопигментов (скачок плотности) отношение Спрод/Сдесір равняется 2-4, в среднем 3. Это означает, что около 30% первичной продукции создается на рециклинге биогенных элементов.
Многолетние колебания растворенного кислорода в глубоководных впадинах моря
В ходе работы Каспийской экспедиции 1914-1915 гг. Лебединцев и Книпович ниже 400-500 метров фиксировали концентрации кислорода, не превышающие 2 мл/л, у дна кислород не был обнаружен вовсе. В своей работе [1923] Н.М.Книпович пишет об отсутствии кислорода на глубинах свыше 700м. в Среднем Каспии и «значительном содержании сероводорода». По данным экспедиции 1914-1915 гг. содержание кислорода в Среднем Каспии в слое 0-100 метров было значительно выше, чем в Южном Каспии, а в слое 200-600 м практически одинаково. Спустя 20 лет, во время исследований С.В.Бруевича, когда, как и сейчас, наблюдался высокий уровень моря, концентрации кислорода в глубинных слоях Южного Каспия были очень малы и составляли в среднем всего 0.5мл/л (Рис. 38.). Более того, в придонном слое Южного Каспия был обнаружен сероводород в концентрациях 0.1-0.3мл/л. Ситуация на Среднем Каспии при этом была иной. Здесь средние придонные концентрации кислорода равнялись приблизительно 1-1.5 мл/л. Сравнение данных по Среднему и Южному Каспию указывает, что в 1934 году содержание кислорода и зимой и летом на всех горизонтах было значительно выше в Среднем Каспии. Это связано с тем, что вертикальная циркуляция протекает более интенсивно именно в Среднем Каспии [Пахомова, Затучная, 1966], что подтверждается также меньшими колебаниями в содержании кислорода, как на поверхности, так и у дна в Среднем Каспии. Резкое понижение уровня моря в 30-е годы существенно изменило гидрохимический режим моря. Произошло значительное обогащение придонных слоев за счет более Дивичи-Кендерли на 1.2-1.7 мл/л выше, чем содержание кислорода на разрезе о.Куринский Камень-о.Огурчинский [Гидрометеорология, 1986].
Разница в содержании кислорода за период 1958-1962 гг. и 1962-1985 гг. положительна на всех глубинах и во все сезоны. На разрезе Дивичи-Кендерли в Среднем Каспии на некоторых глубинах эта разность достигает 1.79мл/л, на разрезе о.Куринский Камень- о.Огурчинский - 1.29мл/л [Гидрометеорология, 1986]. В 1977 году была достигнута минимальная отметка уровня моря, после чего уровень начал подниматься. В глубоководных бассейнах соленость в связи с подъемом уровня понизилась на 0.2-0.3. В глубинных слоях наблюдался процесс повышения солености и повышения статической устойчивости каспийских вод. Тем не менее, содержание кислорода оставалось высоким вплоть до 1983 года, когда концентрации в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия составили соответственно 2.4 и 3.6 мл/л (Рис.40.). Весьма показательно сравнение осредненных по периодам профилей вертикального распределения кислорода на глубоководных станциях в Среднем (максимальная глубина 788 м.) и Южном Каспии (1025 м.). Несмотря на неполные по глубине данные за период 1970-1977 гг., из графика (Рис. 41.) видно, что максимальные концентрации растворенного кислорода в Дербентской котловине наблюдались именно в этот период, когда уровень моря находился на самых низких отметках (-28.3 / -29.0 м.) и условия вертикального перемешивания были наилучшими. Такие же выводы могут быть сделаны на основании анализа распределения средних концентраций кислорода в Южнокаспийской котловине (Рис. 42.). Отличия состоят в больших абсолютных значения кислорода, наблюдаемых в Среднем Каспии, что объясняется более интенсивной вертикальной циркуляцией. Как видим, содержание кислорода у дна Дербентской котловины в современный период очень близко к значениям периода 1935-1943 гг.
По данным ВНИРО отмечается последовательное уменьшение содержания кислорода у дна с 1983 года по настоящее время. Как видно из сопоставления данных о распределении растворенного кислорода у дна в 1983 году и в последние годы, зоны с придонной гипоксией заметно увеличиваются как в Среднем, так и в Южном Каспии (Рис. 43.). Одновременно с этим отмечается процесс накопления биогенных элементов в глубоководных впадинах, рассмотренный в Главе 3. В зависимости от климатических факторов, влияющих на глубину проникновения вертикальной циркуляции, в ближайшие годы можно ожидать появления сероводорода в придонных слоях Южнокаспийской котловины. В морской воде основными акцепторами электронов являются кислород Ог, нитраты NO3" и сульфаты SO4 " , единственный донор и в воде и в осадках - это органическое вещество. При недостатке кислорода в глубинных водах, бактерии переходят к потреблению следующего наиболее важного источника энергии, необходимого для окисления органического вещества - сначала к нитратам, затем к сульфатам. До тех пор пока нитраты полностью не израсходованы, в глубинных водах идет нитрат-редукция, по исчерпании запасов нитратов бактерии переходят на сульфаты (сульфат-редукция) и начинает развиваться сероводородное заражение. В донных осадках окислителями могут выступать также твердые фазы железа и марганца - Fe2Cb, FeOOH, МпОг. После исчерпания запасов железа начинается сульфат-редукция [Sverdrup, 1957]. Как было показано в главе 3, нитрат-редукция характерна для глубинных слоев Каспийского моря, и именно этим процессом объясняется наличие промежуточного максимума нитратов. Пороговая концентрация кислорода в Каспийском море, после которой начинается нитрат-редукция, гораздо ниже по сравнению с океаном, что связано с высоким содержанием органического вещества. В современный период развитие нитрат-редукции еще не достигло интенсивности 30-х годов, что подтверждается большей глубиной залегания максимума нитратов и меньшими придонными концентрациями аммонийного азота. Сульфат - один из основных ионов морской воды и способен окислить более чем в 100 раз больше ОВ, чем его может образоваться из имеющегося азота и фосфора. Сульфат-редукция, таким образом, в морской воде ограничивается лишь количеством падающего ОВ в отличие от пресной воды, где сульфат SO42" может быть полностью израсходован [Steemann, 1963]. Окисление ОВ сульфатами (сульфат-редукция) приводит к накоплению углекислого газа СО2, увеличению щелочности, концентраций фосфатов и аммонийного азота а в дальнейшем - метана [Smith, Klug, 1979]. В ходе сульфат-редукции количество сульфатов убывает, а сульфитов и аммония возрастает. Происходит накопление сероводорода H2S. Максимальные значения сероводорода в глубинных слоях были зафиксированы С.В.Бруевичсм в 1934 году в Южнокаспийской впадине и равнялись 0.29 мл/л (Рис. 44.). По оценкам Бруевича только 20% сероводорода образовалось за счет серы органических веществ, остальная же часть за счет анаэробного восстановления сульфатов. Таким образом, происхождение сероводорода в Каспийском море такое же, как и в Черном, однако концентрация его несравнимо меньше. В Черном море концентрация сероводорода в среднем составляет 6-7 мл/л (Ю-бОрМ в слое до 250м и до 370рМ в глубинных слоях). Лаборатория морской экологии ВНИРО интенсифицировала исследования Каспийского моря в 1995г, когда практически закончился подъем уровня и дальнейшие его колебания происходили в районе отметки -27.0 м. Предполагалось, что сохранение высокого уровня в течении 3-5 лет приведет к появлению устойчивой стратификации из-за распреснения поверхностного слоя и ограничения глубины проникновения зимней вертикальной циркуляции. Однако более глубокие исследования процессов,
