Особенности локализации основных биогенных элементов на акватории западной части Северного Каспия

УДК 551.464

ББК 26.221.1

Н. Н. Головатых, С. Н. Егоров

ОСОБЕННОСТИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА АКВАТОРИИ ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ

N. N. Golovatykh, C. N. Egorov

FEATURES OF THE LOCALIZATION OF THE BASIC BIOGENIC SUBSTANCES IN THE WATERS OF THE WESTERN PART OF NORTHERN CASPIAN SEA

На основании результатов исследований за 1998-2007 гг. проведен анализ пространственного распределения основных биогенных элементов (минеральные формы азота и фосфора, кремнекислота) в западной части Северного Каспия в начале летнего периода. Определена степень влияния объема волжского стока во время половодья на локализацию биогенных веществ на исследуемой акватории моря. Изучена степень воздействия совокупности других факторов (трансформационные процессы, деятельность фитопланктона, динамика водных масс и др.). Предпринята попытка поиска статистической связи между стоком биогенов и их содержанием в морской воде.

Ключевые слова: биогенные вещества, пространственное распределение, Северный Каспий, волжский сток, биогенный сток.

On the basis of results of researches for 1998-2007 the analysis from spatial distribution of the basic biogene substances (mineral forms of nitrogen and phosphorus, acido silicico) in the western part of Northern Caspian Sea in the beginning of the summer period is carried out. The degree of influence of the Volga flow during floods on the localization of biogenic substances in the studied sea area is fixed. The impact of the totality of other factors (transformational processes, the activity of the phytoplankton, dynamics of water masses, etc.) is studied. The attempt to find the statistical relationship between the flow of biogens and their content in the sea water is made.

Key words: biogenic substances, spatial distribution, the Northern Caspian Sea, the Volga river flow, biogenic flow.

Введение

Биологическая продуктивность любого водного объекта тесно связана с химическим составом вод, и прежде всего с их биогенным статусом [1], который определяет качественное и количественное развитие фитопланктонных сообществ. Биогенный статус водоема или отдельной его части определяется не только средними значениями содержания основных биогенных веществ и их межгодовой и сезонной динамикой. В значительной степени он обусловливается их пространственным распределением на исследуемой акватории моря.

При рассмотрении северо-западной части Каспийского моря особое внимание следует уделять распределению биогенов в поверхностном горизонте. Небольшие глубины исследуемой акватории моря способствуют интенсивному перемешиванию вод и постоянному круговороту веществ в системе грунт-вода, что делает целесообразным изучение особенностей локализации основных биогенных элементов только в поверхностном слое воды. В фотическом слое воды обитают также представители основных отделов водорослей, деятельность которых - главная причина изменений химического состава морской воды (газы, биогенные вещества, микроэлементы) и круговорота веществ [2].

Целью работы являлось изучение пространственного распределения основных биогенных веществ (минеральные формы фосфора и азота, кремнекислоты) на акватории северо-западной части Каспийского моря. Предпринята попытка оценить степень воздействия объема волжского стока на локализацию соединений биогенных элементов на исследуемой акватории моря.

Материал и методы исследований

Материалом для работы послужили результаты исследований в западной части Северного Каспия. Изыскания проводились в летний период (июнь) 1998-2007 гг. на научно-исследовательских судах ФГУП «КаспНИРХ». В обработке проб принимали участие сотрудники лаборатории водных проблем и токсикологии.

Концентрацию основных биогенных элементов определяли фотометрическим методом [3-5]:

- минеральный фосфор - модифицированным методом Морфии и Райли;

- кремнекислота - модернизированным методом Динера и Ванденбульке;

- аммонийный азот - колориметрическим методом с реактивом Несслера;

- нитритный азот - методом Грисса - Илосвая;

- нитратный азот - методом Вуда, Армстронга и Ричардса.

Всего анализу было подвергнуто 307 проб морской воды.

Результаты исследований и их обсуждение

Как известно, волжские воды являются основным источником биогенного питания северо-западной части Каспийского моря [6-8], а большая их часть поступает в море во время половодья (II квартал) [9]. Именно поэтому распределение фосфатов в начале летнего периода на протяжении 1998-2007 гг. в наибольшей степени зависело от изменений объема стока минерального фосфора, что наглядно иллюстрируется картами пространственного распределения (рис. 1). Повышенные концентрации формировались в зоне выноса волжских вод из основных водотоков дельты р. Волги [10].

Статистический анализ данных обнаружил статистические связи, подтверждающие эту зависимость. Была выявлена прямая положительная связь между содержанием минерального фосфора и стоком фосфатов во II квартале (г = 0,72 при р < 0,05). Обнаруженная связь наблюдается с 2000 г. Следует отметить, что особенно явно эта связь прослеживалась в мелководной зоне (г = 0,82 при р < 0,05) и характеризовалась как тесная [11]. Невысокие значения коэффициента корреляции для глубоководной зоны объясняются меньшей степенью влияния стока р. Волги, чем в мелководье, и подтоком вод из Среднего Каспия. Таким образом, повышенные значения концентрации соединений минерального фосфора в северной части Каспийского моря характерны для западной мелководной зоны, находящейся под непосредственным влиянием волжского стока [12].

Рис. 1. Минеральный фосфор, мкг/л. Июнь: а - 2000 г.; б - 2001 г.

Величина объема волжского стока оказывала непосредственное влияние на площадь районов моря, занятых повышенными концентрациями соединений минерального фосфора (рис. 2). Сравнительный анализ карт распределения фосфатов в 2005, 2006 и 2007 гг. (годы с величиной объема стока минерального фосфора за II квартал 10,1, 6,5 и 12,9 тыс. т соответственно) показал, что в 2005 г. 50 % площади исследуемой акватории моря занимали воды с диапазоном концентраций от 20 мкг/л и выше. В 2006 г. площадь моря с аналогичными величинами составляла порядка 10 %, в 2007 г. - 90 %.

Следовательно, в 2007 г. речные воды, богатые минеральным фосфором, по причине своего большого объема распространились по всей акватории западной части Северного Каспия, что согласуется с выводами, сделанными К. И. Ивановым еще в 1936-1939 гг. [6]. В 2005 г. повышенные концентрации фосфатов отмечались в мелководной зоне. В маловодном (как по объему водного стока, так и по объему стока фосфатов за II квартал) 2006 г. содержание соединений фосфора в речной воде было настолько мало, что отразилось на увеличении концентраций в морской воде лишь локально, в местах выходов основных рукавов р. Волги.

в

Рис. 2. Минеральный фосфор, мкг/л. Июнь: а - 2005 г.; б - 2006 г.; в - 2007 г.

В некоторых литературных источниках [6, 13-15] отмечается, что карты пространственного распределения соединений кремния зачастую лучше, чем карты солености отражают распределение речного стока на акватории Северного Каспия, особенно в начале летнего периода. Это наблюдение подтвердилось картами распределения, построенными на основании данных за 1998-2007 гг. (рис. 3), и результатами проведенного нами статистического анализа. Была выявлена прямая корреляционная зависимость между величиной объема волжского стока за II квартал и концентрацией кремнекислоты в море. На мелководье коэффициент корреляции составил г = 0,84 при р < 0,05, на глубоководье - г = 0,73 при р < 0,05. Была обнаружена также прямая взаимосвязь между стоком соединений кремния и его содержанием в мелководной зоне исследуемой акватории моря (г = 0,75 прир < 0,05). Выявленная связь наблюдается с 2001 г.

Следует отметить, что величина площади участков моря с высоким содержанием кремне-кислоты в различные годы менялась в зависимости от годовой динамики величины объема волжского стока. Так, в 1999, 2001 и 2005 гг. площадь моря с концентрацией кремния более 1 000 мкг/л (величина концентрации более 1 000 мкг/л характеризует высокое содержание кремне-кислоты в воде [16]) занимала 40-60 % исследуемой акватории, а величина объема волжского стока в эти годы была наибольшей для исследуемого периода и составляла 126,4, 133,7 и 136,4 тыс. т соответственно (для сравнения дана карта пространственного распределения кремнекислоты в экстремально маловодном 2006 г. (рис. 3, г)).

Пространственное распределение аммонийной формы азота значительно отличается от такового для соединений других биогенных элементов. Аммонийный азот - основная форма азота, присутствующая в Каспийском море [14, 17]. В речной воде его концентрации не так высоки, преобладающей формой азота в р. Волге является нитратная, поэтому распределение аммонийного азота на акватории Северного Каспия в меньшей степени зависит от объема стока соединений аммония. В большей мере оно определяется стоком нитратного азота, что подтверждается результатами статистического анализа исследований. Была выявлена четкая корреляционная связь между величинами объема стока нитратов во II квартале и концентрацией аммонийного азота (г = 0,74 при р < 0,05). Обнаруженная корреляционная зависимость характеризуется как средняя.

в г

Рис. 3. Кремнекислота, мкг/л. Июнь: а - 1999 г.; б - 2001 г.; в - 2005 г.; д - 2006 г.

Анализ карт пространственного распределения выявил, что повышенные концентрации аммонийного азота в летний период 1998-2007 гг. наблюдались в районе предустьевого взморья р. Волги и северо-западного района исследуемой акватории (рис. 4) [18]. Максимальные значения концентраций в отдельные годы достигали 200 мкг/л. Относительное уменьшение содержания соединений аммония по мере продвижения вглубь моря характеризовало, по-видимому, ослабление влияния волжского стока, а также снижение интенсивности продукционных процессов от авандельты в сторону открытой части моря.

Рис. 4. Аммонийный азот, мкг/л. Июнь: а - 1998 г.; б - 2000 г.

Следует отметить, что отличительной особенностью пространственного распределения аммонийного азота в июне в межгодовом аспекте являлось постепенное уменьшение площадей, занятых высокими концентрациями, от начала к концу исследуемого периода. Особенно четко подобная динамика прослеживалась с 2005 г. (рис. 5).

в

Рис. 5. Аммонийный азот, мкг/л. Июнь: а - 2005 г.; б - 2006 г.; в - 2007 г.

Содержание нитритного азота в водах Северного Каспия в 1998-2007 гг. было относительно невысоким по сравнению с концентрациями других форм азота. Его количество изменялось от 0 до 25 мкг/л, причем в отдельные годы не превышало 10 мкг/л. Статистический анализ показал, что на протяжении всего периода исследований четких и достоверных корреляционных зависимостей между стоком нитритов и их содержанием в море выявлено не было. Однако в конце исследуемого периода (2005-2007 гг.) такая связь была обнаружена (г = 0,99 прир < 0,05) и характеризовалась как очень тесная. Это обстоятельство объясняется, по всей вероятности, тем, что 2005, 2006 и 2007 гг. являются наиболее характерными по водности для исследуемого периода: многоводный, маловодный и средневодный соответственно, поэтому взаимосвязь между количеством нитритного азота, поступившего в море, и его содержанием столь сильна.

Пространственное распределение нитритов соответствовало общей тенденции: зоны с высокими концентрациями размещались в районе предустьевого взморья р. Волги (рис. 6).

Рис. 6. Нитритный азот, мкг/л. Июнь: а - 2000 г.; б - 2005 г.

Следует отметить существование взаимосвязи между величиной объема стока минерального азота за II квартал и размером площади моря, характеризующейся высоким содержанием соединений нитритного азота. Эта зависимость подтверждается и наглядно иллюстрируется картами пространственного распределения нитритов в июне 2001 и 2006 гг. - годы наибольшего и наименьшего для исследуемого периода (1998-2007 гг.) объема стока (рис. 7).

Рис. 7. Нитритный азот, мкг/л. Июнь: а - 2001 г.; б - 2006 г.

Пространственное распределение соединений нитратной формы азота в начале летнего периода характеризовалось повышенными концентрациями в районе выноса вод из основных каналов р. Волги, преимущественно из Волго-Каспийского канала (ВКК) (рис. 8). Подобное явление объясняется меньшим, по сравнению с другими каналами (Кировский, Белинский и Об-жоровский), зарастанием водной растительностью ВКК и, как следствие, его более высокой пропускной способностью. Поэтому большая часть нитратов, поступавших с речной водой через ВКК, попадала непосредственно в море без существенных преобразований в другие формы азота или полного потребления растительными организмами [14], как это, вероятно, происходило при прохождении через другие каналы.

Рис. 8. Нитратный азот, мкг/л. Июнь: а - 2000 г.; б - 2001 г.

В ходе статистического анализа четких корреляционных связей между стоком минерального азота в целом или стоком нитратного азота в частности и его концентрацией в море выявлено не было. Однако анализ построенных линий тренда показал, что общей тенденцией являлось постепенное уменьшение величины волжского стока нитратов на фоне незначительного (по сравнению с изменениями стока) возрастания его концентраций в водах Северного Каспия (рис. 9).

90 - г 160,0

80 - - 140,0

70 - * - 120,0

мкг/л 5 6 о о н - 100,0 U .в - 80,0

-

00 ^ m ЧЖ - 60,0 §

20 - - - 40,0

10 - - 20,0

0 - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - 0,0

1998199920002001200220032004200520062007 “  Линия тренда NO3, мкг/л 1 Линия тренда NO3, тыс. т

Рис. 9. Нитратный азот, мкг/л, тыс. т

Вероятнее всего, основным процессом, изменяющим концентрации нитратов в морской воде, являлось потребление их фитопланктоном и денитрифицирующими бактериями, которые при недостатке кислорода используют кислород нитратов на окисление органических веществ [17]. Немаловажную роль в локализации соединений нитратного азота на исследуемой акватории могли сыграть внутриводоемные процессы нитрификации аммонийных ионов в присутствии кислорода под действием нитрифицирующих бактерий [19, 20].

Заключение

Таким образом, пространственное распределение соединений биогенных элементов в летний период 1998-2007 гг. в наибольшей степени определялось колебаниями объема волжского и, соответственно, биогенного стока в период половодья. Повышенные значения концентрации отмечались в районах устьевого взморья и в мелководной зоне. Площади моря, занятые водами с высокими концентрациями минерального фосфора, кремнекислоты и нитритного азота, в большей степени были обусловлены объемами биогенного стока, что подтверждается картографическими материалами. Статистический анализ выявил также четкие корреляционные связи между биогенным стоком и концентрацией соответствующего вещества в морской воде, в некоторых случаях характеризующиеся как тесные и очень тесные.

Не отрицая основополагающей роли величины объема волжского стока в локализации основных биогенных веществ на исследуемой акватории моря, мы приходим к выводу, что оно не всегда является решающим. Значительный вклад в пространственное распределение биогенов вносят трансформационные процессы, протекающие как в водотоках дельты р. Волги, так и на исследуемой акватории моря. Немаловажную роль играет водообмен между Северным и Средним Каспием, а также динамика водных масс, т. е. перемешивание и поднятие глубинных вод на поверхность, более характерные для приглубой зоны. Следует учитывать деятельность фитопланктона как основного потребителя биогенных элементов и другие факторы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Влияние волжского стока на гидролого-гидрохимический режим Каспийского моря / Д. Н. Катунин, И. А. Хрипунов, Н. П. Беспарточный и др. // Касп. плавучий ун-т. - Науч. бюл. № 1. - 2000. - С. 111-117.

2. Алекин О. А. Химия океана. - Ленинград: ГМИ, 1966. - 248 с.

3. ПНД Ф 14.1.1-95. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония фотометрическим методом с реактивом Несслера. - М.: Мин-во охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, 1995. - 12 с.

4. РД 52.10.243-92. Руководство по химическому анализу морских вод. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. - 264 с.

5. РД 52.24.433-95. Методические рекомендации. Методика выполнения измерений массовой концентрации кремния в поверхностных водах суши фотометрическим методом в виде желтой формы мо-либдокремневой кислоты. - Ростов н/Д: Гидрохимический институт, 1995. - 12 с.

6. Винецкая Н. И. О годовых и сезонных колебаниях фосфора и кремния в Северном Каспии // Тр. КаспВНИРО. - Т. XI. - Астрахань, 1950. - С. 287-310.

7. Барсукова Л. А. Биогенный сток р. Волги (у г. Астрахань) // Химические процессы в морях и океанах. -М.: Наука, 1966. - С. 138-144.

8. Молошникова В. Н. Особенности современного режима биогенных веществ в Северном Каспии // Тр. ГОИН. - 1975. - Вып. 125. - С. 145-152.

9. Барсукова Л. А. Волжский биогенный сток в Каспийское море до гидростроительства // Тр. КаспНИРХ. -1957. - Т. 13. - С. 353-373.

10. Основные особенности гидролого-гидрохимического режима Каспийского моря в 2004 г. / Д. Н. Катунин, С. Н. Егоров, Д. В. Кашин и др. // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2004 г. - Астрахань: Изд-во КаспНИРХ, 2005. - С. 15-24.

11. Боровиков В. БТАТКТГСА. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. - СПб.: Питер, 2003. - 688 с.

12. Катунин Д. Н., Никотина Л. Н., Кашин Д. В. Многолетние изменения содержания биогенных веществ в Северном Каспии // Актуальные проблемы современной науки: тр. 3-й Междунар. конф. молодых ученых и студ. Естественные науки. Ч. 8: Экология. - Самара: Изд-во СамГТУ, 2002. - С. 17-18.

13. Пахомова А. С., Затучная Б. М. Гидрохимия Каспийского моря. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 342 с.

14. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия. - М.: Наука, 1986. - 264 с.

15. Проект «Моря». Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. VI. Каспийское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. - 360 с.

16. Винецкая Н. И. Гидрохимический режим и продукция органического вещества Северного Каспия до зарегулирования стока Волги // Тр. КаспНИРО. - 1957. - Т. XIII. - С. 306-353.

17. Баранов И. В. Основы продукционной гидрохимии. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1982. - 234 с.

18. Гидролого-гидрохимические основы формирования биологической продуктивности Каспийского моря в 2007 г. / Д. Н. Катунин, С. Н. Егоров, Д. В. Кашин и др. // Вопросы промысловой океанологии. -№ 2 (5). - М.: Изд-во ВНИРО, 2008.

19. Шишкина Л. А. Гидрохимия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 288 с.

20. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды. Справочные материалы / Т. В. Гусева, Я. П. Молчанова, Е. А. Заика и др. - М.: Социально-экологический союз, 2000. - 148 с.

Статья поступила в редакцию 12.09.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Головатых Наталья Николаевна - Каспийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства, Астрахань, лаборатория водных проблем и токсикологии; младший научный сотрудник; marusy-y-y@rambler.ru.

Golovatykh Natalya Nickolaevna - Caspian Fisheries Research Institute, Astrakhan, Laboratory of Water Problems and Toxicology; Research Assistant; marusy-y-y@rambler.ru.

Егоров Сергей Николаевич - ООО «Эко-Лайн»; канд. биол. наук; начальник отдела экологического проектирования; astvpman @mail.ru.

Egorov Sergey Nickolaevich — LLC "Eco-Line"; Candidate of Biologial Science; Chief of the Department of Ecological Designing; astvpman@mail.ru.