Связь режима биогенных веществ Азовского моря с гидрометеорологическими факторами

УДК 551.465

СВЯЗЬ РЕЖИМА БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ АЗОВСКОГО МОРЯ С ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ

© 2010 г. Т.Б. Филатова

Южный научный центр РАН, Southern Scientific Centre RAS,

ул. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006 Chekhov St., 41, Rostov-on-Don, 344006

Представлены современные характеристики биогенных веществ в Азовском море и устьевой области реки Дон в сопоставлении с данными предшествующих лет. Дана статистическая оценка влияния речного стока, ветра и температуры воды на динамику минеральных форм азота и фосфора.

Ключевые слова: Азовское море, первичная продукция, биогенные вещества, речной сток, скорость ветра, температура воды, корреляция.

Azov and the estuary of the Don river in comparison to previous years are presented. The statistical estimation of the influence of the river runoff, wind and water temperature on the dynamics of mineral forms of nitrogen and phosphorus is given.

Keywords: the Sea of Azov, biogenic matters, primary production, river run-off, wind speed, water temperature, correlation.

Формирование химической основы первичной продуктивности в водоёмах происходит при постоянном пополнении питательными веществами водной толщи, при этом биогенные элементы служат химической основой образования органических веществ в фотическом слое морей, а первичная продукция является трофической базой гетеротрофных организмов. Поэтому гидрохимические исследования условий формирования химических основ биологической продуктивности морей актуальны.

Цель работы - выявление закономерностей, причинно-следственных и структурных связей между содержанием растворённых минеральных форм биогенных веществ в водах Азовского моря и гидрометеорологическими характеристиками его режима, а также стоком рек Дон и Кубань. Многолетние колебания среднегодовых концентраций нитритов, нитратов и фосфатов рассматриваются в связи с аналогичной изменчивостью температуры воды, скорости ветра и стока рек. Оценка указанных связей создаёт предпосылки определения возможных изменений гидрохимических основ формирования биопродуктивности Азовского моря в условиях изменений климата и антропогенных воздействий.

Методика исследования и исходные данные

При оценке влияния речного стока на содержание биогенных веществ использовался методический подход, при котором сравниваемая величина берётся не только за календарный анализируемый год, но и за годовой период и ряд лет, предшествующих съёмке [1, 2]. При оценке влияния температуры воды в Азовском море и скорости ветра над исследуемой акваторией рассматривали среднегодовые, среднесезонные и среднемесячные их значения, рассчитанные по данным наблюдений Госкомгидромета.

В качестве исходных данных по биогенным веществам использованы опубликованные материалы АзНИИРХа за 1960 - 2006 гг. и результаты экспедиционных исследований Южного научного центра РАН за 2007 - 2008 гг., а также наблюдения береговых гидрометеостанций и водпостов за стоком рек бассейна Азовского моря, скоростью ветра и термическими характеристиками.

При выявлении связи биогенных веществ с гидрометеорологическими факторами применялись методы математической статистики.

Результаты и их обсуждение

Среднегодовые запасы минерального азота в Таганрогском заливе, Азовском море и собственно море находятся в наиболее тесной и прямой зависимости от речного стока за рассматриваемый год и два предшествующих года (г = 0,27 - 0,28). Для нитратной и нитритной форм минерального азота зависимость от величины речного стока прямая и достигает статистически значимого и максимального уровня с суммарным объёмом донских и кубанских вод в первом случае за рассматриваемый и 2-5 предшествующих лет (г = 0,38 - 0,51), а во втором - за анализируемый и 5 - 6 предшествующих лет (г = 0,51 - 0,61).

Причём для нитритов Таганрогского залива корреляция с суммарным стоком анализируемого и предшествующих годов статистически значима (г = 0,42 - 0,45), а для нитратов она несколько ниже (г = 0,37).

Корреляция среднегодовой концентрации фосфатов с объёмом речного стока того же года отрицательна и относительно существенна (г = - 0,57), что свидетельствует о значительном вкладе в формирование запасов фосфатов иных факторов, например, гидродинамических.

В отличие от нитратов и нитритов корреляция аммония с речным стоком, как и для фосфатов и по схожим причинам, отрицательна. Статистически значима она (г = - 0,31.. .-0,40) с суммарным объёмом стока за рассматриваемый и 4 - 5 предшествующих лет, а максимума (г = - 0,57.- 0,60) достигает со стоком рек за анализируемый год и 9 предшествующих.

Корреляция между солёностью вод Азовского моря и минеральными формами азота и фосфора в целом невелика и в большинстве случаев статистически незначима. Исключение составляет статистическая связь между солёностью Таганрогского залива и содержанием в его водах минерального азота. Однако и в этом случае уровень корреляции лишь приближается к значимому (г = - 0,37).

Связь отношения Ммин : Рмин с речным стоком положительна для Азовского моря и собственно моря и приближается к статистически значимой (г = 0,33 - 0,34), если в качестве независимой переменной используется сток рассматриваемого года, и достигает её, если предиктором берётся сток, суммарный за рассматриваемый и 1-2 предшествующих года (г = 0,37 - 0,42). Для Таганрогского залива эта связь незначительна, максимальна со стоком рассматриваемого года, но статистически она незначима (г = 0,17 - 0,20).

У отношения нитратов к фосфатам в Азовском море и собственно море статистическая связь с речным стоком положительна и приближается к значимой уже для стока за первый год (г = 0,31) и максимума достигает, если последний берётся за рассматриваемый и 2 - 4 предшествующих года (г = 0,53 - 0,57). Для отношения нитратов к фосфатам в водах Таганрогского залива связь с речным стоком также положительна и максимальна для рассматриваемого года и суммарного за рассматриваемый и предшествующие годы, но статистически незначима (г = 0,21 - 0,22).

Между отношением Ммин : Рмин в Азовском море, собственно море и Таганрогском заливе и солёностью того же года установлена отрицательная, но статистически незначимая связь (г = - 0,15; - 0,18; - 0,28). У отношения нитратов к фосфатам в Азовском море и собственно море статистическая связь с солёностью, наоборот, отрицательна и значима (г = - 0,52.- 0,59). Для Таганрогского залива она лишь приближается к последней (г = - 0,29).

Таким образом, влияние многолетних колебаний речного стока на многолетние изменения среднегодовых концентраций нитритов и нитратов в целом менее существенно, чем на многолетние изменения среднегодовых концентраций фосфатов, а характер и степень зависимости от стока рек среднегодовых концентраций отдельных форм минерального азота неоднозначны и различны. Видимо, это связано с неодно-

значностью влияния ветровой активности на многолетнюю динамику нитритов, нитратов и фосфатов в водах Азовского моря, различиями типов и структур биохимических циклов биогенных элементов.

Результаты, полученные ранее в отношении влияния метеоэлементов на многолетний режим биогенных веществ [3], подтверждаются нашими результатами. Статистическая связь содержания минерального фосфора в водах Азовского моря со скоростью ветра над его акваторией отрицательна (г = - 0,33, - 0,43), между содержанием нитратов и скоростью ветра связь отрицательна и статистически значима (г = - 0,35; - 0,45). В то же время корреляция содержания нитритов в водах Азовском море со скоростью ветра положительна и существенна как для года в целом (г = 0,62 - 0,80; 0,52 - 0,64), так и для его сезонов (г = 0,41 - 0,75).

Концентрация аммония в водах Азовского моря в целом и Таганрогского залива в частности повышается в периоды понижения ветровой активности как в целом за год (г = - 0,47...-0,51; - 0,44...- 0,46), так и в остальные сезоны, но особенно в весенне-летний (г = - 0,52.- 0,56; - 0,43.- 0,50).

Статистическая связь отношения растворённых в азовоморских водах нитратов к фосфатам с ветровой активностью над акваторией Азовского моря отрицательна и приближается к значимой лишь для Азовского моря и средней скорости ветра в летнее время (г = - 0,30), а для Таганрогского залива - в весеннее (г = - 0,27), весенне-летнее (г = - 0,24) и за год (г = - 0,31).

Полученные результаты объясняются тем, что влияние ветровой активности на экосистему Азовского моря чрезвычайно многопланово и неоднозначно. Определённое влияние на содержание минеральных форм азота и фосфора оказывает ветровая активность предшествующих лет.

Статистический анализ результатов наблюдений за содержанием биогенных веществ и температурой вод в Азовском море подтверждает выводы, сделанные ранее [2, 4-6], когда для периода с 1960 по 1981 г. отмечалась положительная зависимость среднегодового содержания в его водной толще минерального азота от температуры воды (г = 0,25).

Отношение Ммин : Рмин в целом имеет тенденцию к росту, если температура воды понижается и уменьшается при её увеличении. Но корреляция в целом невелика и статистически незначима, особенно для Таганрогского залива. Так, в водах Азовского моря, собственно моря и Таганрогского залива для весенней температуры она выражается коэффициентами, равными - 0,32; - 0,35 и 0,04, для весенне-летней --0,24; 0,24 и - 0,16, для среднегодовой - -0,19; -0,19 и -0,12.

Содержание минерального фосфора изменялось в разные периоды времени следующим образом: 1952 -1958 гг. - 6,7 мг/м3; 1955 - 1957 гг. - 15,9; 1958 - 1965 гг. -6,4; 1966 - 1973 гг. - 8,3 мг/м3 [3]. Э.В. Макаров с соавторами [7] обращал внимание на рост концентраций минерального фосфора, а также увеличение содержания нитратов в целом по Азовскому морю (до 50 мг/м3), что связывал с многоводностью, антропогенным повышением концентраций биогенных веществ в речных водах, особенно в донских. Тенденция к снижению фосфатов в

собственно Азовском море (до 8,7 мг/м3) проявилась с 1997 г. По данным З.В. Александровой [8], содержание нитратов в Азовском море за 1996 - 2000 гг. резко сократилось до 19 мг/м3 вследствие интенсивного их усвоения фитопланктоном. В предшествующий период их концентрация доходила до 46 мг/м3.

Во время гидрохимических исследований Южного научного центра РАН были получены результаты, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Содержание биогенных веществ в водах Азовского моря (по результатам экспедиций 2007 - 2008 гг.), мкг/л

Месяц, год Горизонт, м Нитриты Нитраты Фосфаты

Апрель 2007 г. Поверхн. Придон. 0 - 2 0 - 13 0 - 72 0 - 20 0 - 32 0 - 5

Июль 2007 г. Поверхн. Придон. 1 - 13 2 - 13 2 - 27 2 - 35 5 - 37 2 - 16

Апрель 2008 г. Поверхн. Придон. 2 - 8 2 - 9 0 - 21 0 - 10 1 - 88 0 - 24

Июнь 2008 г. Поверх. Придон. 2 - 3 2 - 4 1 - 6 1 - 8 6 - 13 7 - 35

Октябрь 2008 г. Поверхн. Придон. 1 - 21 1 - 19 1 - 5 1 - 10 1 - 21 3 - 19

Режим биогенных веществ в водах Азовского моря характеризовался следующим образом.

В апреле 2007 г. среднее содержание нитритов было на уровне аналитического нуля, средние концентрации нитратов в Азовском море составили 7 мг/м3, для фосфатов - 3 мг/м3 в поверхностном слое. В придонном слое средние концентрации данных биогенных веществ составили 2, 6 и 1 мг/м3 соответственно.

В июле того же года в водах Азовского моря содержание нитритов в среднем составило 4 мг/м3 , нитратов - 13, фосфатов - 10 мг/м3 в поверхностном слое. Средние концентрации нитритов, нитратов и фосфатов в придонном слое составили 3, 14 и 10 мг/м3 соответственно.

Год спустя, в апреле 2008 г. исследуемая акватория Азовского моря характеризовалась следующими средними концентрациями биогенных веществ: в поверхностном горизонте нитриты - 5 мг/м3, нитраты -4, фосфаты - 16; в придонном горизонте нитриты - 5, нитраты - 3, фосфаты - 8 мг/м3.

В июне 2008 г. в поверхностном горизонте содержание фосфатов варьировало от 6 до 13 мг/м3, нитритов - от 2 до 3, нитратов - от 1 до 6 мг/м3. В придонном горизонте концентрация фосфатов изменялась от 7 до 35, нитритов - от 2 до 4, нитратов - от 1 до 8 мг/м3.

В октябре 2008 г. воды Азовского моря отличались следующими диапазонами изменения содержания биогенных веществ: в поверхностном горизонте содержание фосфатов и нитритов изменялось от 1 до 21 мг/м3, нитратов - от 1 до 5. В придонном горизонте концентрация фосфатов варьировала от 3 до 19 мг/м3, нитритов - от 1 до 19, нитратов - от 1 до 10 мг/м3.

Как видно из приведенных данных, в весенний и летний периоды 2007 - 2008 гг. содержание нитритов было невысоким и стабильным; содержание нитратов в

эти сезоны 2008 г. по сравнению с предыдущим годом было ниже в 1,8 и в 4 раза соответственно; среднемесячные концентрации фосфатов в апреле и июне-июле 2007 - 2008 гг. были близки и составляли 8 и 9 мг/м3.

В районах Азовского моря, непосредственно подверженных воздействию речного стока, размеры однородности гидрохимических полей биогенных веществ существенно меньше по сравнению с участками акватории, расположенными вдали от устьев рек. Речной сток является одним из факторов, которые приводят к неоднородности гидрохимических полей. В море формируются квазипостоянные и временные участки относительно повышенной и пониженной концентрации биогенных веществ.

В июне и ноябре 2007 г. нами были проведены гидрохимические работы в дельте р. Дон и определены количественные характеристики стока биогенных элементов в Таганрогский залив. Для расчёта выноса биогенных веществ использовались разработанные ранее рекомендации [9]. Было сделано сравнение содержания питательных солей в водах дельты и на взморье.

Летом в дельте средние концентрации нитритов и фосфатов были в 2 раза выше, чем на взморье, а нитратов - в 3.

Осенью содержание нитритов и фосфатов в пробах воды, отобранных в дельте р. Дон и на устьевом взморье, было практически одинаковым. Содержание нитратов в водах дельты было в 2 раза выше, чем на взморье.

Используя полученные данные, мы рассчитали сток нитритов, нитратов и фосфатов в июне и ноябре в главном русле р. Дон, по рукавам и в среднем по дельте. Рассчитанные нами данные - среднемесячные (для июня и для ноября, отдельно для нитритов, нитратов и фосфатов). Результаты расчёта стока биогенных веществ в июне 2007 г. представлены в табл. 2.

Таблица2

Сток биогенных веществ в главном русле р. Дон в июне 2007 г., т

Место отбора проб Сток

нитритов нитратов фосфатов

Р. Дон, гл. русло 36 485 105

Среднее значение по дельте 45 348 87

Значения стока биогенных веществ в ноябре 2007 г. представлены в табл. 3.

Таблица 3

Сток биогенных веществ в главном русле р. Дон в ноябре 2007 г., т

Место отбора проб Сток

нитритов нитратов фосфатов

Р. Дон, гл. русло 26 660 201

Среднее значение по дельте 24 547 195

Ранее было установлено, что после зарегулирования доля речного стока в суммарном поступлении азота и фосфора в Азовское море составляет 60 и 68 %, причём в маловодные годы эта составляющая для азота увеличивается, а для фосфора - уменьшается [10]. Был рассчитан [11] среднегодовой (1981 - 2000 гг.) сток растворённых биогенных веществ - 136,8 тыс. т (общий азот, общий фосфор, кремний). Сток азота составил 30,0 тыс. т, что меньше среднемноголетнего за 1952 -2000 гг. (36,3 тыс. т), при этом сток соединений фосфора остался на среднемноголетнем уровне - 4,0 тыс. т.

В табл. 4 приведены значения среднегодового материкового стока рек Дона и Кубани и стока азота и фосфора, отмеченные для различных периодов [12].

Таблица 4

Динамика водного, км3, и биогенного, тыс. т, стока рек Дон и Кубань

Годы Сток

рек Дона и Кубани, м3 азота, тыс. т фосфора, тыс. т

1960-1968 36,3 77 9

1969-1976 26,0 64 7

1977-1987 34,8 66 5

1988-2008 36,0 49 4

Имея близкие значения стока для 1960 - 1968 (36,3 км3) и 1988 - 2008 гг. (36,0 км3), при определяющей роли речного стока следовало ожидать приблизительно равное содержание биогенных веществ в эти периоды времени.

Период с 1960 по 1985 г. характеризовался следующими среднегодовыми концентрациями биогенных веществ в водах Азовского моря: нитриты - 3,76, нитраты - 59,6, фосфаты - 5,42 мг/м3 [3].

З.В. Александрова для интервала 1996-2000 гг. указывает резкое сокращение содержания нитратов в среднем до 19 мг/м3 по сравнению с 46 в предшествующий период, а также на тенденцию к снижению концентраций фосфатов до 8,7 мг/м3 с 1977 г. [8]. Следует отметить, что по данным З.В. Александровой, которая анализировала режим биогенных веществ в 1988 - 2000 гг., приток их с речным стоком, несмотря на его некоторый рост, практически остался на прежнем уровне, что связано с уменьшением их концентраций в речных водах вследствие снижения воздействий антропогенных факторов.

Наши данные полностью согласуются с вышеизложенными. Так, в 2007 - 2008 гг. среднегодовое содержание нитритов, нитратов и фосфатов было отмечено на уровне 4, 6 и 9 мг/м3 соответственно.

Выводы

Процесс формирования режима биогенных веществ в Азовском море сложен и зависит от речного стока, динамики и термики вод. Воздействие речного стока на содержание биогенных веществ в Азовском море является определяющим, а влияние метеорологических элементов в основном осуществляется через изменения

характера течения гидродинамических, физико-химических и биологических процессов в водоёме.

Изменения температуры воды и ветровой активности во взаимодействии с речным стоком в значительной степени определяют динамику вод, что влияет на многолетние колебания содержания биогенных веществ в водах Азовского моря. Сравнительный анализ многолетних (1952 - 2008 гг.) колебаний содержания биогенных веществ, гидрометеорологических факторов, среднегодового материкового стока рек Дон и Кубань подтверждает полученные ранее зависимости. Взаимосвязь биогенных веществ и параметров водной среды не обладает постоянством, изменчивость биогенных веществ зависит от совокупности биотических и абиотических факторов.

Увеличение среднегодового материкового стока рек Дон и Кубань на 3,6 км3 за период 1988-2008 гг. до 36,0 км3 по сравнению с периодом 1960-1987 гг. не привело к пропорциональному росту концентраций нитритов, нитратов и фосфатов в Азовском море. Имело место продолжающееся падение содержания нитратов и стабилизация уровня фосфатов.

Меньшая согласованность между многолетними колебаниями биогенных веществ и речным стоком в Азовское море объясняется произошедшими в конце ХХ в. резкими изменениями климатообразующих процессов в атмосфере и степени их влияния на элементы водного баланса и подтверждает сделанные ранее [2, 6] выводы: влияние речного стока несколько снизилось, усилилось воздействие макроциркуляци-онных процессов, что было вызвано главным образом развитием в холодное время последних 10-15 лет западной и северной форм атмосферной циркуляции, обусловившим не только распреснение Азовского моря, но и понижение скорости ветра (особенно в холодный период), повышение температуры вод в летнее время и её понижение в зимнее время.

Литература

1. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 5.

Азовское море. СПб., 1991. 234 с.

Поступила в редакцию_

2. Гаргопа Ю.М. Изменения стока рек бассейна Азовского

моря и океанографических условий формирования его биоресурсов под влиянием климатических факторов // Закономерности океанографических и биологических процессов в Азовском море. Апатиты, 2000. С. 10-81.

3. Гаргопа Ю.М. Гидрометеорологические условия фор-

мирования режима биогенных веществ в Азовском море // Экосистемные исследования Азовского моря и побережья. Апатиты, 2002. С. 167-192.

4. Гаргопа Ю.М. Статистические модели формирования

биогенных элементов и первичной продукции органического вещества в Азовском море // Химия и биология морей. М., 1987. С. 28-38.

5. Гаргопа Ю.М. Статистический анализ влияния гидроме-

теорологических элементов на соленость, биогенные вещества и первичную продукцию в Азовском море // Гидробиол. журн. 1988. Т. 24, № 6. С. 63-67.

6. Гаргопа Ю.М. Гидрометеорологические условия фор-

мирования биопродуктивности Азовского и Черного морей // Проблемы сохранения экосистем и рационального использования биоресурсов Азово-Черноморского бассейна: материалы междунар. науч. конф. (Ростов-на-Дону, 8-12 октября 2001 г.). Ростов н/Д, 2001. С. 42-44.

7. Особенности гидрохимического режима Азовского моря

в 1985-1995 гг. / Э.В. Макаров [и др.] // Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйствен-ных водоёмов Азово-Черноморского бассейна: сб. науч. тр. АзНИИРХ (1995-1996 гг.). Ростов н/Д, 1997. С. 13-26.

8. Александрова З.В., РомоваМ.Г., Баскакова Т.Е. Химико-

экологическая ситуация в Азовском море как показатель климатических изменений в современный период // Проблемы сохранения экосистем ... С. 15-17.

9. Алекин О.А., Бражникова Л.В. Сток растворённых ве-

ществ с территории СССР. М., 1964. 44 с.

10. Бронфман А.М., Хлебников Е.П. Азовское море. Основы

реконструкции. Л., 1985. 270 с.

11. Федоров Ю.А., Беляев А.Г. Биогенные вещества в зоне

смешения река Дон - Азовское море. Ростов н/Д, 2004. 108 с.

12. Александрова З.В., Баскакова Т.Е. Оценка многолетних

изменений первичной продукции Азовского моря // Современные фундаментальные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод России: материалы научно-практ. конф. (Азов, 8 - 10 июня 2009 г.). Ч. 1. Ростов н/Д, 2009. С. 19-22.

_2 ноября 2009 г.