Пространственное распределение биогенных веществ в заливе петра Великого в «Теплые» и «Холодные» годы

Вестник ДВО РАН. 2013. № 6

УДК 551.465.43 (265.54) Е.А. ТИХОМИРОВА

Пространственное распределение биогенных веществ в заливе Петра Великого в «теплые» и «холодные» годы

Представлены средние многолетние типовые распределения биогенных элементов (нитратов, фосфатов и силикатов) в зал. Петра Великого для «теплых» и «холодных» лет, основанные на четырех массивах данных. Данные наблюдений за июль—сентябрь характеризуют состояние поверхностных вод на период максимального прогрева. Данные за апрель—июнь от горизонта 15 м до дна (в глубоководной части залива — до 100 м) несут в себе информацию об интенсивности предшествующего зимнего охлаждения толщи вод залива. Проведенные расчеты позволили представить пространственные распределения биогенных веществ в заливе для каждой типовой ситуации и выделить районы с максимальной изменчивостью исследуемых параметров.

Ключевые слова: зал. Петра Великого, биогенные вещества, нитраты, фосфаты, силикаты, массивы данных, поверхностные и подповерхностные воды, пространственные распределения, типизация лет, типовые распределения.

Spatial nutrient distribution in Peter the Great Bay in "warm" and "cold" years. E.A. TIKHOMIROVA (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok; Far East Federal University, Vladivostok).

Average long-term typical nutrient distributions (nitrates, phosphates and silicates) in Peter the Great Bay for the "warm" and "cold" years based on four data sets are presented. Observation data from July to September represent condition of surface waters for the period of maximum heat. Data from 15-m depth to the bottom (and in deep-sea part of the Bay up to 100-m depth) collected in April-June contain the information on preceding winter cooling rate in water layers of the Bay. Performed calculations made it possible to present spatial nutrient distributions in Peter the Great Bay for each typical situation and identify the areas with maximum variability of parameters under investigation.

Key words: Peter the Great Bay, biogenic substances, nitrates, phosphates, silicates, data sets, surface and subsurface waters, spatial distributions, typification of years, typical distributions.

Межгодовая изменчивость океанологических параметров в зал. Петра Великого (ЗПВ) исследовалась во многих работах. Однако в большинстве из них представлены данные по температуре воды и солености [1, 2, 4, 6-8, 11-13, 15]. Выводы по другим параметрам основаны на коротких рядах наблюдений в отдельных районах ЗПВ. Межгодовая изменчивость биогенных веществ в ЗПВ к настоящему времени исследована недостаточно. В основном это следствие ограниченности используемых данных. Так, в работе [6] показаны межгодовые изменения содержаний биогенных веществ в водах Амурского залива и прилегающей акватории Уссурийского залива за 1980-е годы.

Температура воды является наиболее легко наблюдаемым фактором среды, поэтому многие авторы пытались коррелировать поведение и выживание рыб с температурой воды и ее флуктуациями [10]. В большинстве случаев температура может служить в качестве индикатора преобладающей и изменяющейся экологической ситуации. Кроме того, термические условия оказывают влияние на распределение биогенов через изменение

ТИХОМИРОВА Евгения Александровна - кандидат географических наук, научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток; Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: tikhomirova@poi.dvo.ru

вертикальной структуры вод (например, перемешивание при осенне-зимней конвекции) и через фитопланктон (так как продуктивность фитопланктона тесно связана с изменениями температуры воды, наличием биогенных элементов и освещенностью) [5, 10, 14]. В связи с этим целесообразно рассмотреть распределение биогенных веществ в экстремальные по термическим условиям годы.

На основе материалов всех доступных гидрохимических наблюдений, проведенных на акватории ЗПВ, наиболее полно исследованы особенности пространственного распределения гидрохимических характеристик залива в целом. Но никто к настоящему времени не рассматривал (даже по данным конкретных съемок) типовые поля биогенных элементов ЗПВ.

Цель работы - представить пространственные распределения нитратов, фосфатов и силикатов для поверхностного и подповерхностного слоев вод ЗПВ в «холодные» и «теплые» по термическим условиям годы.

Материалы и методы исследования

В работе использованы материалы экспедиционных наблюдений на акватории ЗПВ за период с 1952 по 2009 г. Исследуемый район ограничен меридианами 130,70° и 133,25° в. д., а также береговой чертой на севере и параллелью 42,15° с.ш. на юге (рис. 1). Для данной акватории проведена процедура исключения дублей станций и удаления недостоверных значений характеристик с учетом региональных особенностей исследуемого региона.

Средние многолетние типовые распределения биогенных веществ (нитратов, фосфатов и силикатов) представлены отдельно для «теплых» и «холодных» лет. Критерием для отнесения конкретных лет к тому или иному типу являлась типизация лет с 1952 по 2009 г. по термическим условиям для поверхностного и подповерхностного слоев [11]. На основе этой типизации были сформированы четыре массива данных (в частности по нитратам, фосфатам и силикатам) отдельно для каждого типа лет. «Экстремально теплые» и «экстремально холодные» годы включены соответственно в массивы «теплых» и «холодных» лет.

Состояние поверхностных вод в период максимального прогрева характеризуется данными наблюдений за июль-сентябрь. Массив «теплых» лет включает данные за 1952, 1958, 1960, 1967, 1968, 1973, 1975, 1978, 1984, 1988, 1991, 2000, 2006-2008 гг.; массив

130.7 131 131,3 131.6 131,9 132,2 132,5 132.8 133.1

Рис. 1. Пространственное распределение расчетных узлов в зал. Петра Великого

«холодных» лет - за 1954, 1957, 1962, 1974, 1979, 1980, 1983, 1993, 1995, 1996, 1998, 2002 и 2009 гг. [11].

Для подповерхностного слоя вод зал. Петра Великого период обобщения информации (для построения средних многолетних типовых полей исследуемых параметров) был принят с апреля по июнь. Данные за апрель-июнь от горизонта 15 м до дна (в глубоководной части залива - до 100 м) несут в себе информацию об интенсивности предшествующего зимнего охлаждения толщи вод залива. В работе [13] показано, что средняя годовая температура на станциях претерпевает от года к году весьма значительные изменения. В отдельные суровые зимы могут формироваться значительные отрицательные аномалии температуры вод, которые Приморским течением переносятся на юго-запад. С учетом этого предполагалось, что метеорологические условия предшествующей зимы формируют аномалии температуры воды и оказывают влияние на термическую структуру вод зал. Петра Великого, а также прибрежных акваторий северо-западной части Японского моря. Более того, сформированные зимой аномалии должны прослеживаться на подповерхностных горизонтах в течение конкретного года длительное время. Анализ вертикального распределения температуры воды показал, что как для начала весны (март-апрель), так и для мая-июня верхний прогретый слой и слой сезонного термоклина в заливе, как правило, не выходят за пределы верхних горизонтов (0-15 м).

Массив «теплых» лет для подповерхностного слоя вод включает данные за 1953, 1968, 1974, 1976, 1981, 1989, 1991, 1992, 2002, 2004 и 2008 гг.; массив «холодных» лет - за 1962, 1972, 1973, 1978, 1980, 1985, 1987, 1988, 2003 и 2006 гг. [11].

Для каждой станции проводилась линейная интерполяция значений гидрохимических параметров на стандартные горизонты. Вся имеющаяся информация сортировалась в сферические трапеции (0,10° по широте и 0,15° по долготе), которые будем называть «квадратами». В каждом из квадратов на стандартных горизонтах рассчитывались количество имеющихся наблюдений, среднее, максимум, минимум и среднее квадратическое отклонение. Эти характеристики привязывались к центрам соответствующих квадратов (рис. 1). Рассчитанные средние многолетние значения элементов в центрах квадратов были основой для представления типовых (для «теплых» и «холодных» лет) распределений параметров на отдельных горизонтах.

Отметим, что в отдельных случаях на рисунках пространственного распределения биогенных веществ область построения изолиний ограничена из-за недостаточного количества данных для корректного представления исследуемой акватории.

Обсуждение результатов

Проведенные расчеты позволили представить пространственное распределение биогенных веществ (нитратов, фосфатов и силикатов) в зал. Петра Великого для каждой типовой ситуации и выделить районы с максимальной изменчивостью исследуемых параметров.

Поверхностные воды. Содержание нитратов на преобладающей части ЗПВ в «холодные» годы варьирует от 4 до 14 мкг/л, причем повышенные концентрации этих веществ наблюдаются в восточной части залива, пониженные - в западной. В «теплые» годы в центральной части ЗПВ содержание нитратов 4-6 мкг/л, за исключением локального района в южной части исследуемой акватории (6-10 мкг/л). В северной части ЗПВ (Амурский и Уссурийский заливы) нет ярко выраженных различий между пространственными распределениями нитратов в «холодные» и «теплые» годы (рис. 2).

Содержание фосфатов в «холодные» годы на поверхности ЗПВ более 8 мкг/л, за исключением локальной области в центральной части залива, где их концентрации не выше 4 мкг/л. Выделяется западная часть залива (от мыса Гамова до Славянского залива) с максимальными содержаниями фосфатов 12-44 мкг/л. В «теплые» годы содержание

42.21 _т_(_)_1__] _,_,_,_

131 131.5 132 132.5 133 131 131 5 132 ¡32.5 133

Рис. 2. Средние многолетние распределения (мкг/л) нитратов, фосфатов и силикатов за июль-сентябрь в поверхностных водах зал. Петра Великого для «холодных» (слева) и «теплых» (справа) лет

фосфатов на большей части исследуемой акватории не превышает 8 мкг/л, а повышенные значения (8-20 мкг/л) наблюдаются на прибрежных участках зал. Петра Великого (рис. 2).

Максимальные концентрации силикатов (600-1800 мкг/л) на поверхности залива для обоих типов лет наблюдаются в прибрежных районах ЗПВ, что обусловлено материковым стоком и свидетельствует о хорошем их соответствии величинам атмосферных осадков [9] и речного стока [3]. По мере продвижения в открытую часть ЗПВ содержание силикатов уменьшается (200-500 мкг/л). В глубоководных центральной и южной частях ЗПВ различия в содержаниях силикатов между «холодными» и «теплыми» годами, как правило, не превышают 50 мкг/л (рис. 2).

Подповерхностные горизонты. Концентрации нитратов на горизонте 30 м в «холодные» по термическим условиям годы варьируют от 4 до 20 мкг/л (рис. 3), увеличиваясь с севера на юг ЗПВ в результате адвекции вод с повышенными их содержаниями из глубоководной части Японского моря. Для «теплых» лет данных по содержанию нитратов в глубоководной части залива мало и можно представить лишь часть исследуемой акватории (до 42,7° с.ш.). Как видно из рис. 3, в центральной части залива содержание нитратов в «теплые» годы (14-18 мкг/л) существенно выше, чем в «холодные» (4-8 мкг/л).

Содержание фосфатов на подповерхностных горизонтах в «холодные» годы ниже, чем в «теплые». Их пространственное распределение для «холодных» лет характеризуется отсутствием выраженных закономерностей и небольшим диапазоном концентраций (10-16 мкг/л). В «теплые» годы картина пространственного распределения фосфатов усложняется, их содержание увеличивается и варьирует в пределах 12-22 мкг/л. При этом минимальные концентрации наблюдаются в восточной части ЗПВ, а максимальные - в западной.

Сравнительно низкие содержания нитратов и фосфатов на подповерхностных горизонтах в «холодные» годы можно объяснить более интенсивным их потреблением

42,2] _1_1_1_г___| _,_т___^

13] 131.5 132 132.5 133 131 131.5 132 132.5 133

Рис. 3. Средние многолетние распределения (мкг/л) нитратов, фосфатов и силикатов за апрель-июнь в зал. Петра Великого на горизонте 30 м для «холодных» (слева) и «теплых» (справа) лет. Заштрихованы области с глубинами менее 30 м

1л1 131.5 132 132.5 133 131 131.5 >32 132.5 133

Рис. 4. Средние многолетние распределения (мл/л) растворенного в воде кислорода за апрель-июнь в зал. Петра Великого на горизонте 30 м для «холодных» (слева) и «теплых» (справа) лет. Заштрихованы области с глубинами менее 30 м

фитопланктоном. Подтверждением этому может служить как более высокое абсолютное содержание кислорода в «холодные» годы (рис. 4), так и перенасыщение подповерхностных вод кислородом [15].

Отметим, что сведения по силикатам в «холодные» годы для глубоководной части ЗПВ отсутствуют. Поэтому об особенностях их пространственного распределения можно высказать только предварительные суждения. Как следует из рис. 3, характерной особенностью пространственного распределения концентраций силикатов на подповерхностных горизонтах является небольшой диапазон их изменчивости (200-500 мкг/л). Можно отметить рост значений на прибрежных акваториях, что особенно заметно в южной части Амурского залива, а также в глубоководной части зал. Находка. Эта региональная особенность связана с материковым стоком. Подтверждением этому может служить распределение силикатов на подповерхностных горизонтах в «теплые» годы. Минимальные

содержания силикатов (200-300 мкг/л) наблюдаются в южной глубоководной части ЗПВ, а по мере приближения к его северным берегам происходит их рост до 400-500 мкг/л.

Выводы

Представлены пространственные распределения нитратов, фосфатов и силикатов для поверхностного и подповерхностного слоев в «холодные» и «теплые» по термическим условиям годы. На поверхности залива максимальные содержания биогенных веществ, как правило, наблюдаются в прибрежных районах, что обусловлено материковым стоком. На подповерхностных горизонтах пространственное распределение биогенных веществ определяется адвекцией вод с повышенными их содержаниями из глубоководной части Японского моря, а также интенсивностью развития фитопланктона.

Выделены районы с максимальной изменчивостью исследуемых параметров для каждой типовой ситуации. Наибольшей изменчивостью характеризуется центральная (открытая) часть ЗПВ. Здесь на поверхности в «холодные» годы отмечаются повышенные содержания биогенных веществ, а в «теплые» - пониженные. На подповерхностном же горизонте наблюдается противоположная тенденция: содержание нитратов, фосфатов и силикатов в «холодные» годы ниже, чем в «теплые». При этом минимальные различия между «холодными» и «теплыми» годами выделены в содержаниях силикатов.

Концентрация биогенных элементов в морской воде в значительной степени определяет первичную продукцию. Для обоих типов лет пространственные распределения нитратов, фосфатов и силикатов свидетельствуют о том, что их содержание не равно нулю, а следовательно, они не лимитируют развитие первичной продукции в водах зал. Петра Великого.

ЛИТЕРАТУРА

1. Винокурова Т.Т., Скокленева Н.М. Временная изменчивость гидрологических условий в заливе Посьета // Изв. ТИНРО. 1980. Т. 104. С. 29-35.

2. Гайко Л.А. Особенности гидрометеорологического режима прибрежной зоны залива Петра Великого (Японское море). Владивосток: Дальнаука, 2005. 151 с.

3. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Т. 1. РСФСР. Вып. 21. Бассейны Уссури и рек Японского моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 387 с.

4. Григорьева Н.И., Кашенко С.Д. Исследование межгодовой и сезонной изменчивости термогалинных условий в заливе Восток (залив Петра Великого, Японское море) // Изв. ТИНРО. 2010. Т. 162. С. 242-255.

5. Дулепов В.И., Лелюх Н.Н., Лескова О. А. Анализ и моделирование процессов функционирования экосистем залива Петра Великого. Владивосток: Дальнаука, 2002. 248 с.

6. Зуенко Ю.И., Надточий В.В. Изменения среды в заливе Петра Великого (Японское море) в конце ХХ века и их последствия для планктона // Докл. рабочего совещания по изучению глобальных изменений на Дальнем Востоке, Владивосток, 11-15 сент. 2000 г. Владивосток: Дальнаука, 2003. С. 154-171. (ТЕАСОМ риЬ1.; ¡88. 8).

7. Зуенко Ю.И. Промысловая океанология Японского моря. Владивосток: ТИНРО-Центр, 2008. 227 с.

8. Зуенко Ю.И. Сезонная и межгодовая изменчивость температуры воды в северо-западной части Японского моря // Изв. ТИНРО. 2002. Т. 131. С. 3-21.

9. Климат Владивостока / под ред. Г.В. Свинухова. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 248 с.

10. Левасту Т., Хела И. Промысловая океанография / пер. с англ. К.П. Рыжкова. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 295 с.

11. Лучин В.А., Тихомирова Е.А. Межгодовая изменчивость температуры воды в заливе Петра Великого (Японское море) // Изв. ТИНРО. 2010. Т. 163. С. 344-354.

12. Мороз И.Ф., Винокурова Т. Т. Некоторые черты пространственно-временной изменчивости температуры шельфовых вод Приморья // Изв. ТИНРО. 2000. Т. 127, ч. 1. С. 89-99.

13. Покудов В.В., Власов Н.А. Температурный режим прибрежных вод Приморья и острова Сахалин по данным ГМС // Тр. ДВНИГМИ. 1980. Вып. 86. С. 109-118.

14. Тихомирова Е.А. Межгодовые изменения первичной продукции залива Петра Великого (Японское море) // Вестн. ДВО РАН. 2012. № 6. С. 72-80.

15. Тихомирова Е.А. Пространственное распределение температуры, солености и растворенного кислорода в заливе Петра Великого для «теплых» и «холодных» лет // Тез. докл. VI конф. молодых ученых ТОИ ДВО РАН «Океанологические исследования», Владивосток, 15-19 апр. 2013 г. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2013. С. 26-27.