Современная структура вертикального распределения биогенных элементов в Среднем и Южном Каспии

Естественные и точные науки •••

1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 551.464.38

СОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СРЕДНЕМ И ЮЖНОМ КАСПИИ

© 2008 Андреев В.В., Алымов М.В.

Астраханский государственный технический университет

В Среднем и Южном Каспии на стационарных станциях наблюдений определялось количественное содержание биогенных элементов: аммонийного азота, нитратного азота, нитритного азота, минерального фосфора, минерального кремния. Установлены для каждого биогенного элемента зоны максимальных концентраций. Изучено влияние на вертикальную стратификацию элементов сезона года, температуры воды, уровня моря и других факторов.

In Central and Southern Caspian region on research stationary stations quantitative contents of biogenic elements were determined: Ammonia, Nitrogen, Nitrate Nitrogen, Nitrite Nitrogen, Mintral phosphorus, Mineral Silicium. Maximum concentration zones for each biogenic element ave determined (revealed). The effect on vertical stratification of elements of the year season, water temperature, sea level and other factors are studied.

Ключевые слова: биогенные элементы, зоны максимальных концентраций,

вертикальная стратификация элементов, Средний Каспий, Южный Каспий.

Keywords: biogenous elements, zones of the maximal concentrations, vertical stratification of elements, Middle Caspiy, Southern Caspiy.

Изучение вертикального

распределения биогенных элементов имеет большое значение для экосистемы Каспийского моря. Биогенным элементам характерны определенные зоны аккумуляции. Нарушение этих закономерностей может привести к изменению трансформационных и миграционных циклов химических элементов, что в свою очередь вызовет системное нарушение равновесия.

В вертикальной гидрохимической структуре Каспийского моря выделяют две основные зоны - поверхностный

слой до 100 метров, в котором преобладают процессы потребления биогенных элементов, и глубинную зону, где биогенные элементы аккумулируются (от 100 метров до дна). Такие особенности в формировании гидрохимической структуры моря представляют большой интерес для ряда исследователей.

Цель работы: изучение современной структуры вертикального распределения биогенных элементов в Среднем и Южном Каспии.

Задачи:

1) определить основные факторы, влияющие на распределение биогенов по вертикали;

2) проследить, как изменились основные зоны максимумов исследуемых биогенных элементов за последние годы.

Материалы и методы

В работе приведены данные, полученные летом и осенью 1999-2007 гг. в Среднем и Южном Каспии. Пробы отбирались на 94 станциях, расположенных на четырех вековых разрезах (г. Махачкала - м. Сагандык, г. Дербент - м. Песчаный, п. Дивичи - б. Кендерли, о. Жилой - о. Куули, о. Куринский камень - о. Огурчинский), с глубины 15-1025 м (рис. 1). Исследования проводились в июне, июле, августе, сентябре и октябре.

Пробы воды для определения солености, температуры, растворенного в воде кислорода, активной реакции среды (pH), содержания в воде биогенных элементов отбирались с горизонтов 0, 10, 25, 50, 100, 200, 400, 800, 1025 м батометрами Нискина. Для анализа химического состава воды использовали методы по химическому анализу морских вод [2].

разрезов на Каспии

Результаты и обсуждения

Кислородный режим. В Среднем Каспии содержание кислорода в водной толще в значительной степени было обусловлено прохождением здесь западной волжской струи. В слое 0-25 м содержание кислорода было близким к 100% и достигало 5,33-6,30 мл/л. На горизонте 50 м минимум насыщения составлял 59%, в придонном - 10%. Низкое содержание кислорода отмечалось в 2007 г. в слое 50 м, а также на акватории от г. Дербента до восточного участка границы с Северным Каспием.

На акватории Южного Каспия диапазон содержания кислорода в слое 0-25 м составил 5,58-6,26 мл/л. Снижение насыщения происходило под слоем температурного скачка, препятствующего вертикальному

газообмену. Низкое насыщение придонных вод кислородом (менее 80%) наблюдалось на акватории юго-западнее о. Огурчинский с минимумом 53%.

Температурный режим. Для термического режима Каспийского моря характерен высокий прогрев

поверхностных вод, наблюдающийся с 1999 г. Одной из причин этого явления можно считать формирование теплых и экстремально теплых зим, в условиях которых значительно снижается интенсивность теплоотдачи

поверхностными водами. Анализ

температурного режима воздуха в определенной степени наглядно демонстрирует зависимость

формирования высокого прогрева вод

моря в период 1999-2007 гг. (рис. 2).

Рис. 7. Схема расположения вековых

3 3

о о

2

~

100

о

-100 --1 -118

-200

-300

-400

-500

-600

10

~ж

ттт

-40

-146

и

-1СГ

-421

-532

СукмаСднгяыа

Рис. 2. Сумма градусодней января и февраля, °С/дни

Самыми теплыми за исследуемый период были зимы 2001 и 2007 гг. Сумма градусодней календарной зимы в этот период равнялась 10 и 28. Зимы 2003 и 2006 гг. были одними из самых холодных, а суммы градусодней календарных зим соответственно -532 и -421, что заметно превышает среднемноголетнюю величину (-168) за 1999-2007 гг.

В 1999-2002 гг. температурный режим Среднего и Южного Каспия отличался аномальной степенью прогрева поверхностного слоя. Оценка средней температуры слоя 0-50 м дала величину +21,2°С. Фактически температура слоя была выше, так как не учитывались прибрежные станции в 12-мильной зоне Азербайджана и Туркмении. Перегрев поверхностного слоя не только в Южном Каспии, но и на Апшеронском пороге и в Среднем Каспии составлял 27-28°С.

Уровень моря. Всякое повышение уровня моря сопровождается торможением химического обмена между зонами обеднения и аккумуляции биогенных элементов [1]. Понижение уровня моря способствует вовлечению в процессы формирования

биопродуктивности биогенных

элементов из зоны аккумуляции и даже из донных отложений. За период наших наблюдений наиболее высокий уровень моря характерен для 2005 г., а наиболее низкий для 2001-2003 гг. (рис. 3).

-26,75 -26,80 * -26,85 « -26,90

Он ’

§ -26,95 5 -27,00

<и

£ -27,05 £-27,10 -27,15 -27,20

Рис. 3. Уровень Каспийского моря за исследуемый период

Аммонийный азот. Основной зоной аккумуляции аммонийного азота в Среднем и Южном Каспии является слой 0-50 м. В отдельные годы максимум аммонийного азота в исследуемых акваториях наблюдался в придонных горизонтах 400-600 м, причем его концентрация в Южном Каспии было в 1,5 раза выше, чем в Среднем Каспии. Средние величины аммонийного азота в Южном Каспии были в 0,9 раза выше, чем в Среднем Каспии.

Выявленные особенности накопления аммонийного азота в придонных горизонтах связаны с интенсивным разложением органических останков, которое происходит в более теплые годы (рис. 2).

Г одовые амплитуды концентрации аммонийного азота в фотическом слое 0-50 м Среднего и Южного Каспия позволяют утверждать, что процессы нитрат-редукции более активно протекали в 2007 г.

Нитритный азот. За весь период исследований нитриты присутствовали в небольших количествах. В фотическом слое Среднего Каспия они составляли 0,3 мкг/л, в Южном Каспии - 0,4 мкг/л. Имелись обширные акватории со следовыми концентрациями.

Вертикальное распределение нитритов равномерное, и с глубиной их концентрации незначительно

возрастают.

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

В Среднем Каспии максимум нитритов наблюдался на горизонте 50 м и отчасти на 100 м, в среднем концентрации составили 0,1-4,1 мкг/л. В поверхностном горизонте концентрации нитритов были минимальны, до 0,1 мкг/л, ниже они очень резко убывали, в отдельные годы были равны нулю. Максимальные концентрации нитритов (3,7-6,4 мкг/л) были отмечены в поверхностном горизонте 2006 г.

В Южном Каспии максимальные значения нитритов также определяются на горизонте 50 м (0,2-2,5 мкг/л). Наиболее высокие концентрации нитритов зафиксированы в 2000 г., для которого характерен низкий уровень моря (рис. 3). Меньше всего нитритов обнаружено в 2005 г., когда уровень моря был наиболее высоким.

Нитратный азот. В вертикальном распределении нитратов можно выделить слой промежуточного максимума, который назван С. В. Бруевичем [1] нитратной подзоной. В то время как концентрация нитратов минимальна на поверхности из-за потребления в процессе фотосинтеза, концентрации нитратов убывают ко дну за счет процессов нитрат-редукции. В Каспийском море нитрат-редукция происходит при относительно высоком содержании кислорода (0,76-0,90 мл/л) за счет большого количества органики.

Установлено, что в Южном Каспии интенсивность накопления нитратов происходит на глубинах ниже 100 м и выше 600 м. Слой максимума нитратов залегает на глубине 200-400 м. В Среднем Каспии наиболее яркие изменения отмечены в 2001-2003 гг. Г лубина залегания слоя максимума нитратов опустилась до 400-600 м, и значения на этих горизонтах в среднем увеличивались в 1,3 раза. Смещение нитратного максимума наблюдалось при самых низких уровнях моря (рис. 3). Минимальные значения нитратов (0,119,5 мкг/л) отмечались в 2007 г.

В Южном Каспии в 2002 г. также выявлено смещение максимальных концентраций нитратов 147,7-190,7 мкг/л до глубины 400-600 м.

Минимальные концентрации (0,8-34,1 мкг/л) были зафиксированы в 2007 г.

Изменения концентраций нитратного азота в придонных горизонтах в Среднем и Южном Каспии связаны с интенсивностью процессов нитрат-

редукции, при которых в условиях гипоксии на окисление органического вещества расходуется кислород нитратов.

Минеральный фосфор. За

исследуемый период в Среднем Каспии накопление фосфора минерального отмечено ниже 200 м. Постепенно возрастая с глубиной, максимальных значений минеральный фосфор достигает в придонном горизонте. Максимальные придонные концентрации минерального фосфора (61,2 мкг/л) наблюдались в Среднем Каспии в 2007 г., минимальные концентрации (13,4 мкг/л) - в 2006 г.

В Южном Каспии в 2005 г. и 2007 г. содержание фосфора минерального отличалось более низкими показателями, по сравнению с другими годами наблюдений. В слое фотосинтеза его концентрации уменьшались почти до нуля в связи с интенсивным потреблением фитопланктоном,

составив в среднем 0,1 мкг/л.

С глубиной на всех станциях наблюдений его концентрации возрастают в 3-5 раз. Наибольшая величина зафиксирована в 2000 г. и 2006 г. на горизонте 600 м (46,6-56,5 мкг/л). В придонном горизонте максимальные концентрации (52,9 мкг/л) минерального фосфора выявлены в 2005 г.

В Среднем и Южном Каспии с увеличением глубины четко

прослеживалась обратная зависимость распределения концентраций

минерального фосфора и содержания кислорода. Коэффициент корреляции равен г=-0,91 и г=-0,96. Сходные закономерности в распределении минерального фосфора в Каспийском море прослеживались и другими авторами [4, 5].

Фосфаты наиболее ярко иллюстрируют особенности вертикального распределения биогенных элементов, поскольку восстановление фосфатов проходит

значительно медленнее, чем нитратов, а потому нет и изменений в увеличении концентрации в придонном слое. Циклонический характер циркуляции в Среднем и Южном Каспии приводит к тому, что изолинии концентраций фосфатов, как правило, имеют куполообразный вид за счет подъема вод, обогащенных фосфатами [3]. Однако

интенсивность этого процесса связана с величиной уровня моря и характером конвективного перемешивания.

Минеральный кремний. Вертикальное распределение кремния в 1999-2007 гг. характеризовалось его накоплением в придонных слоях в Среднем Каспии до 4980 мкг/л, в Южном Каспии - 3103 мкг/л. Сохраняется тенденция, когда в Дербентской впадине концентрации кремния в придонном слое воды

превышают их значения в Южнокаспийской котловине [4].

Средние величины минерального кремния в Среднем Каспии выше на всех горизонтах, чем в Южном. С. В. Бруевич [1] объясняет этот факт большим количеством кремния, поступающего с речным стоком. Наши наблюдения

свидетельствуют о том, что

минимальные концентрации кремния в Южном Каспии связаны с наиболее

интенсивным развитием диатомовых

Примечания

водорослей, которые активно потребляют минеральный кремний.

Заключение

Вертикальная стратификация

биогенных элементов в Среднем и Южном Каспии обусловлена многими абиотическими и биотическими факторами. Важнейшими из них являются: меняющийся с годами уровень Каспийского моря, концентрация кислорода в воде, температура воды, интенсивность протекающих процессов фотосинтеза, уровень трофности.

Для каждого биогенного элемента характерна своя зона максимальной аккумуляции. Установлено, что для аммонийного азота - это фотический слой до 50 м глубины, для минерального кремния и минерального фосфора, наоборот, придонные слои с глубиной более 400 м, для нитратного азота -средние слои моря с глубинами от 200 до 400 м. Нитритный азот достаточно равномерно распределяется по всей вертикали глубин с выраженным максимумом в поверхностном слое.

Установленные закономерности вертикальной стратификации биогенных элементов характерны как для Среднего, так и для Южного Каспия, хотя уровни вариабельности показателей биогенных элементов в этих акваториях могут заметно отличаться.

1. Бруевич С.В. Гидрохимия Среднего и Южного Каспия: По работам 1934 г. - М.: Наука, 1937. - 237 с. 2. Орадовский С.Г. Руководство по химическому анализу морских вод. - СПб.:

Гидрометеоиздат, 1993. - 262 с. 3. Пахомова А.С., Затучная Б.М. Гидрохимия Каспийского

моря. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 343 с. 4. Сапожников В.В. Гидролого-гидрохимические

исследования Каспийского моря в рейсе на НИС «Исследователь Каспия» (11-25 октябрь 2001 г.) // Океанология. 2002. №4. - С. 627-632. 5. Сапожников В.В. Гидролого-гидрохимические

исследования Среднего и Южного Каспия на НИС «Исследователь Каспия» (23 августа - 8 сентября 2002 г.) // Океанология. - 2003. - №4. - С. 429-534.

Статья поступила в редакцию 07.10.08 г.