Введение к работе
Актуальность работы
Эстуарные экосистемы являются переходными между морскими и пресноводными. В эстуарных экосистемах отмечается значительный градиент факторов среды (солености, прозрачности вод, грунтов, содержания органического вещества, рН и т.д.), что обусловливает соответствующие изменения видовой, пространственной, размерной структуры растительных и животных сообществ, а также их функциональных характеристик (Одум, 1986; Хлебович, 1986; Сафьянов, 1987).
Изучение эстуарных экосистем – одно из приоритетных направлений в мировой океанологии. Эстуарные экосистемы являются важными зонами взаимодействия континентальных и морских вод, в которых осуществляется обмен веществом и энергией, в то же время такие экосистемы подвержены значительной антропогенной нагрузке, поскольку именно здесь находятся крупные урбанизированные территории, портовые акватории, наблюдается наиболее напряженный трафик морских перевозок. В последние годы исследованы отдельные биологические компоненты эстуарных экосистем Белого (Бурковский и др., 1995; Азовский и др., 1998; Столяров, 2011, 2017; Шкляревич, Шошина, 2015), Балтийского (Телеш, 2006), Черного (Болтачёв, Карпова, 2012), Баренцева и Азовского морей (Макаревич, 2007). Макроводоросли и травы – ключевой компонент прибрежных и эстуарных экосистем Мирового океана, играющий основную роль в потоках вещества и энергии. В значительной степени на подводные растительные сообщества воздействуют абиотические и антропогенные факторы, что отражается на всех трофических уровнях эстуарных экосистем и определяет биологическую продуктивность водоемов или успех хозяйственной деятельности.
Степень разработанности темы исследования.
История исследований флоры южных морей России насчитывает более 150 лет, однако, достаточно полные ряды наблюдений отсутствуют, исключением являются отдельные участки черноморского прибрежья, в т.ч.
Новороссийская бухта – крупная портовая акватория, подверженная антропогенному воздействию в максимальной степени. Анализ литературных данных показал, что, несмотря на большое количество работ, посвященных различным аспектам экологии и биологии фитобентоса южных морей России, комплексная оценка современного состояния макрофитобентоса эстуарных экосистем до сих пор не проведена, отклик сообществ макроводорослей и морских трав на нефтяное загрязнение и изменение климата остаются слабо изученными. Количественные данные по фитобентосу морей юга России, пространственно-временной динамике его изменений достаточно отрывочны и зачастую противоречивы.
Объект и предмет исследования.
Объект исследования - морские водоросли и травы эстуарных экосистем южных морей России на разных уровнях организации: организменном, популяционном, сообществ. Особое внимание уделено водорослям на ранних стадиях развития – наиболее чувствительным к различного рода воздействиям, в том числе к действию нефти.
Предмет изучения – макрофитобентос: таксономический состав, количественное и пространственное распределение, реакция на климатические изменения и антропогенное воздействие (нефтяное загрязнение).
Цель исследования – оценка современного состояния макрофитобентоса эстуарных экосистем южных морей России и выявление основных причин его трансформации.
Постановка конкретных задач:
– определение современного таксономического состава и распределения
фитобентоса в морских эстуарных экосистемах (Азовское, Черное,
Каспийское моря), сравнение полученных данных с литературными
источниками и определение пространственных и временных изменений
структурных характеристик сообществ;
- описание факторов, определяющих эти изменения;
- оценка роли отдельных видов и таксономических групп в структуре сообществ;
– экспериментальная проверка устойчивости макроводорослей к нефтяному загрязнению;
– построение математических моделей динамики пространственного распределения макрофитобентоса при изменении факторов внешней среды;
– прогноз изменений видового состава и распределения макрофитобентоса южных морей России при дальнейшем загрязнении морской среды нефтяными углеводородами и изменении климата.
Методологические основы исследования.
При проведении исследований были использованы методологические подходы, разработанные для концепции больших морских экосистем (БМЭ) (Sherman et al., 1992; Sherman, Matishov et al., 2005; Матишов и др., 2011, 2016), которые заключаются в оценке влияния на них различных факторов, объединенных в блоки или модули. В работе нами оценивалось влияние на фитобентос (в том числе промысловые виды) изменений климата и антропогенной деятельности.
Таксономическая и количественная обработка проб осуществлена автором по общепринятым определителям, методикам и руководствам, учтены современные таксономические изменения. Экспериментальные исследования проводили по общей методологии, предложенной для исследования водорослей (на ранних стадиях развития) арктических и умеренных морей (Воскобойников, 2006; Макаров, 2010). При математическом моделировании использовали пространственно-детализированные модели динамики водной и прибрежно-водной растительности для южных морей (Бердников, 2004; Бердников и др., 2009, 2013).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Для Азовского моря изменения структуры фитоценозов
макроводорослей обусловлены колебаниями солености (циклы распреснения
– осолонения) в водоеме. С начала 2010 г. происходит рост солености и наблюдается перестройка фитоценозов с солоноватоводных на морские: появляются типично морские виды водорослей (Cystoseira, Ulva, Ceramium и др.) и уменьшаются зоны обитания солоноватоводного и пресноводного комплекса водорослей и трав.
2. Для Каспийского моря (Северный и Средний Каспий) перестройка
структуры фитоценозов макроводорослей обусловлена изменениями
солености и уровня воды в водоеме. С начала 2000-х годов наблюдается
повышение уровня воды и снижение солености, в связи с чем увеличивается
доля полисапробного комплекса зеленых и красных водорослей,
расширяются зоны обитания Zostera noltii.
-
В Черном море изменения структуры фитоценозов связаны с циклическими колебаниями температуры и прозрачности в верхней 50-ти метровой толще воды, а также уровнем загрязнения и степенью трансформации прибрежной зоны. Наибольшая деструкция фитосообществ наблюдается в портовых акваториях, в т.ч. в Новороссийской бухте, наименьшая - в прибрежных водах Республики Абхазия.
-
Видовой состав фитоценозов определяет степень устойчивости и возможные изменения сообщества водорослей при наличии антропогенного воздействия. Среди массовых видов водорослей, характерных для эстуарных экосистем южных морей России, наиболее устойчивыми к действию нефтепродуктов являются бурые водоросли (цистозировые), менее – зеленые (ульвовые) и красные (церамиевые), что подтверждено экспериментальными исследованиями.
5. Выявленные изменения видового состава и распределения
макрофитобентоса южных морей России позволяют описать процессы,
происходящие в эстуарных экосистемах под действием климатических
факторов и нефтяного загрязнения, а также прогнозировать состояние биоты
экосистем, что может быть использовано в хозяйственной деятельности.
Научная новизна
Показано, что трансформация флоры Азовского моря за 100-летний период обусловлена колебаниями солености в водоеме. Для флоры Северного и Среднего Каспия выявлено увеличение доли полисапробного комплекса зеленых и красных водорослей вследствие снижения солености и увеличения уровня воды в водоеме. Определено, что изменения видового разнообразия и биомассы фитобентоса Новороссийской бухты Черного моря вызваны климатическими изменениями и хозяйственной деятельностью. Наименьшие негативные изменения в экосистеме Черного моря наблюдаются в пределах вод Республики Абхазия. Экспериментально показано снижение устойчивости к действию нефти и дизельного топлива в ряду: бурые (цистозировые) зеленые (ульвовые) красные (церамиевые) водоросли. Построена математическая модель отклика водной растительности Северного Каспия на изменение уровня воды, позволяющая прогнозировать состояние водных биоресурсов при изменениях климата и усилении хозяйственной деятельности. Дан прогноз изменений состояния макрофитобентоса эстуарных экосистем южных морей России при сохранении имеющихся тенденций изменения климата и загрязнения, что необходимо для экологического мониторинга.
Практическая ценность и теоретическое значение.
Сформулированы современные представления о воздействии климатических факторов и нефтяного загрязнения на макрофитобентос морских эстуарных экосистем. Результаты работы могут быть использованы для экологического мониторинга и прогнозирования, при разработке мероприятий по реабилитации водных ресурсов и их охране. Результаты разработок применяются в практической работе российских компаний (ООО «ФРЭКОМ», ООО «Новый формат», ООО «Авалон»).
Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие
в экспедиционном сборе и экспериментальных работах, обработке и анализе
фактического материала. Научные идеи, обоснования, постановка научных
задач, методические разработки принадлежат автору, что подтверждается самостоятельностью большинства публикаций.
Степень достоверности и апробация результатов. Фактическим материалом диссертации являются полевые и экспериментальные данные, полученные автором по стандартным и апробированным методикам. Полученный материал репрезентативен и согласуется с литературными данными. Выводы диссертации, отраженные в заключении, отвечают поставленным целям и задачам. Результаты исследований были представлены на 60 международных и российских научных конференциях, наиболее значимые: V Всеросс. конфер. по водным растениям «Гидроботаника 2000» (Борок, 2000); 8-го съезда ГБО РАН (Калининград, 2001); VI Всерос. школа-конфер. по водн. раст. «Гидроботаника 2005» (Борок, 2005); междунар. конфер. «Нефть и газ арктического шельфа – 2006» (Мурманск, 2006); международ. науч. конф. «Современные проблемы морской инженерной экологии (изыскания, ОВОС, социально-экономические аспекты)» (Ростов-на-Дону, 2008); междунар. научн. конфер. и VII Школе по морской биологии «Современные проблемы альгологии» (Ростов-на-Дону, 2008); междунар. научно-практич. конфер. «Перифитон и обрастание: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2008); междунар. науч. конфер. «Изучение и освоение морских и наземных экосистем в условиях арктического и аридного климата» (Ростов-на-Дону, 2011); междунар. научн. конференции и молодеж. научн. конфер. памяти член-корр. РАН Д.Г. Матишова (Ростов-на-Дону, 2016, 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 127 работ, включая 38 статей в рецензируемых российских и международных изданиях списка ВАК, 26 глав в коллективных монографиях, 4 статьи в изданиях, индексируемых в системе РИНЦ, 60 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
Во введении обоснована актуальность выбранной темы,
сформулированы цель и основные задачи исследования, указаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы.