Тенденции межгодовой изменчивости биогенных элементов в северо-восточной части Черного моря по данным судовых наблюдений
за 2017-2021 гг.


Trends in the interannual variability of nutrients in the northeastern part of the Black Sea according to ship observations for 2017-2021

Часовников В.К., Бородулина П.А.

Valeriy K. Chasovnikov, Polina A. Borodulina
 

Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН (Москвва, Россия)
 
Shirshov Institute of Oceanology RAS (Moscow, Russia)

 

УДК 551.464.32

Представлены результаты многолетних океанологических исследований, которые осуществлялись в рамках комплексной научной экспедиции «Черное море 2017–2021» и посвящены изучению прибрежной зоны моря на основе мониторинговых наблюдений.

В течение всех пяти лет наблюдался стабильный тренд уменьшения содержания кремния в деятельном слое прибрежно-шельфовой зоны моря. В течение последних 3 лет наблюдалось увеличение запасов минерального фосфора и уменьшение содержания минерального азота. В результате данной изменчивости содержания фосфора, азота и кремния, в течение 2021 года установились такие стехиометрические соотношения между ними, что возникла редкая ситуация в гидрохимическом режиме вод Черного моря. Фосфор перестает быть основным элементом, лимитирующим процессы развития биологических сообществ, а среди трех основных биогенных элементов в роли лимитирующего фактора мог выступать любой из параметров или оказывать совместное ограничивающее действие на процессы развития фотосинтеза.

Ключевые слова: Черное море; прибрежная зона; биогенные элементы; мониторинг; межгодовая изменчивость; тенденции; стехиометрические соотношения

The results of long-term oceanological studies that were carried out as part of the Black Sea 2017-2021 complex scientific expedition and are devoted to the study of the coastal zone of the sea based on monitoring observations are presented.

During all five years, a stable trend of a decrease in the content of silicon in the active layer of the coastal-shelf zone of the sea was observed. During the last 3 years, there has been an increase in the reserves of mineral phosphorus and a decrease in the content of mineral nitrogen. As a result of this variability in the content of phosphorus, nitrogen and silicon, during 2021, such stoichiometric relationships between them were established that a rare situation arose in the hydrochemical regime of the Black Sea waters. Phosphorus ceases to be the main element limiting the processes of development of biological communities, and among the three main biogenic elements, any of the parameters could act as a limiting factor or have a joint limiting effect on the development of photosynthesis.

Keywords: Black Sea; coastal zone; nutrients; monitoring; interannual variability; trends; stoichiometric ratios

Введение

Эвтрофикация вод является одной из важнейших экологических проблем, так как поступление в морскую среду избыточных количеств биогенных элементов вызывает повышенную первичную продуктивность фитопланктона (Юнев и др., 2019). Содержание основных биогенных элементов, их соотношения являются важнейшим показателем экологического состояния вод и основой функционирования биологических сообществ.

На сегодняшний день одним из ключевых в исследованиях морских экосистем является вопрос об изменениях элементных соотношений азота, фосфора и кремния и влиянии этих изменений на биологическую составляющую экосистем. Все три биогенных элемента потенциально способны лимитировать рост различных видов планктона, а их соотношения в значительной степени обуславливают доминирующие формы и условия цветения фитопланктона (Косенко, 2019).

Получить качественные оценки современного состояния экосистемы Черного моря возможно лишь при ее комплексном (гидрофизика, гидрохимия, гидробиология) изучении и в динамике происходящих процессов, учитывая сезонные и многолетние изменения в морской среде (Часовников и др., 2011). Комплексные морские научно-исследовательские работы проводятся на базе Южного отделения ИО РАН для получения достоверной информации о состоянии и динамике параметров морской среды в северо-восточной части Черного моря, в районе г. Геленджик.

Для выявления негативных последствий естественных и антропогенных факторов в прибрежной зоне моря необходимо определение количественных характеристик экологического состояния морской среды и их трендовых изменений. Выполнение регулярных экспедиционных работ позволяет нам получить данные о гидрохимическом и гидрологическом режимах, а также информацию о функционировании морских биологических сообществ.

Целью данной работы является анализ результатов многолетних экспедиционных данных в северо-восточной части Черного моря, выявление трендовых составляющих содержания химических параметров в межгодовом масштабе и их взаимосвязи с различными факторами. 

Для достижения заданной цели были поставлены несколько задач. Во-первых, рассматривалась межгодовая динамика основных биогенных элементов – кремния, минерального фосфора и минерального азота, а также изменчивость их стехиометрических соотношений. Во-вторых, анализировались некоторые гидрофизические и метеорологические характеристики, такие как температура воды, соленость, температура воздуха и сумма осадков. В-третьих, было выяснено влияние изменчивости гидрофизических и метеорологических параметров на динамику биогенных веществ и их стехиометрических соотношений.

Материалы и методы исследований

В качестве материалов исследования были выбраны данные, полученные в ходе проведения экспедиций на МНИС «Ашамба» в северо-восточной части Черного моря в период с 2017 по 2021 год. За данный временной промежуток было проведено 62 мониторинговых экспедиции. Из всего массива полученной информации на пятимильном разрезе (рис. 1) были рассчитаны средние за год значения различных параметров для верхнего пятидесятиметрового слоя воды.

Список гидрохимических параметров, определявшихся непосредственно после рейса, включает в себя: растворенный кислород, pH, фосфаты, валовый фосфор, силикаты, нитриты, нитраты, аммоний, валовый азот, сероводород. Методы определения содержания элементов были стандартными, принятыми в практике морских экспедиционных работ (Руководство …, 1977).

Основная цель данной программы исследований – проведение наблюдений на разрезе, расположенном перпендикулярно берегу, от Голубой бухты (г. Геленджик) до середины континентального склона (~ 5 миль от берега). На разрезе выполняются 5 станций с СТD-зондированиями и исследованиями химической и биологической структуры прибрежных вод над изобатами 10, 25, 50, 100 и 500 метров (Часовников и др., 2018).

Весь комплекс исследований, с точки зрения подготовки и проведения химического анализа, выполнялся при одних и тех же условиях – в стационарной лаборатории, при использовании одного и того же оборудования, методик и специалистов. В гидрохимии есть проблема сопоставимости результатов, полученных исследователями при использовании различных методов, приборов, стандартов и т.д. В данном случае эта проблема полностью снимается, что особенно важно при анализе долговременных тенденций изменчивости химических параметров.

Для рассмотрения межгодовой динамики при обработке исходного массива данных были рассчитаны средневзвешенные значения за год всех исследуемых параметров, так как медиана относится к структурным средним величинам и меньше зависит от крайних значений, чем, например, среднее арифметическое.

Рис. 1. Схема расположения станций на 5-ти мильном разрезе от Голубой бухты

Fig. 1. Layout of stations on a 5-mile section from Golubaya Bay

Результаты и обсуждение

Динамика биогенных элементов

В табл. 1 представлены средние за год значения химических параметров, рассчитанные для верхнего 50-метрового слоя воды по данным полученным на пятимильном разрезе.

Таблица 1. Значения химических параметров в верхнем 50-ти метровом слое воды на 5-ти мильном разрезе, по данным мониторинга в 2018-2021 гг.

Table 1. Values of chemical parameters in the upper 50-meter water layer on a 5-mile section, according to monitoring data in 2018-2021

Таблица 1 и рисунок 2 дают представление об изменчивости гидрохимических параметров в течение исследуемого периода. На рис. 2 отчетливо видно, что в течение последних пяти лет наблюдается стабильный тренд уменьшения среднегодового содержания кремния в деятельном слое прибрежно-шельфовой зоны моря. Если понижение запасов кремнекислоты в сезоне 2019 года не достигало уровня, ограничивающего фотосинтез, то в 2020 и тем более в 2021 году, в отдельные месяцы зафиксировано лимитирование процессов развития фитопланктона низким содержанием кремния. По сравнению с прошлым годом, средние величины Si уменьшились в 1,53 раза (табл. 1, рис. 2), а по сравнению с 2017 годом – в 3,6 раза.

Рис. 2. Межгодовая изменчивость биогенных элементов в период с 2017 по 2021 гг.

Fig. 2. Interannual variability of biogenic elements in the period from 2017 to 2021

В течение последних 3-х лет, в деятельном слое моря наблюдалось увеличение запасов минерального фосфора в 1,6 раза по сравнению с 2019 годом и уменьшение содержания (в 1,86 раза) минерального азота Nмин=NO₃+NO₂+NH₄. Понижение величин Nмин происходило, в основном, за счет уменьшения содержания аммонийного азота (в 2 раза), концентрации нитратов и нитритов остались практически на прежнем уровне. В 2021 г. зафиксирован минимальный суммарный запас всех минеральных биогенных элементов в деятельном слое прибрежной зоны моря.

Безусловно, такие значительные изменения в режиме биогенных элементов не могли не отразиться на их стехиометрических соотношениях и, в целом, на функционировании биологических сообществ. Именно в 2021 г. все стехиометрические соотношения между биогенными элементами оказались ниже теоретических значений соотношения Рэдфилда (Redfield, 1958), что говорит о недостатке элементов питания для фитопланктона (рис. 3–5).

Данная ситуация хорошо иллюстрируется рисунками 3, 4 и 5, на которых представлены стехиометрические соотношения биогенных элементов.

На рис. 4, где представлено соотношение содержания кремния к содержанию минерального азота, стоит отметить, что после 2019 г. тренд уменьшения стехиометрического значения гораздо более сглаженный, чем в предыдущий период времени, поскольку в течение последних трех лет наблюдался тренд понижения содержания как кремния, так и азота.

Одновременное снижение запасов кремния и азота привело к тому, что минеральный фосфор перестал быть основным элементом, выступающим в роли фактора, лимитирующего процессы развития биологических сообществ. В течение 2021 г., как показывают полученные стехиометрические соотношения, среди трех основных биогенных элементов в разное время в роли лимитирующего фактора мог выступать любой из параметров или же они могли оказывать совместное ограничивающее действие.

Рис. 3. Соотношение содержания кремния и минерального фосфора в 2017-2021 гг.

Fig. 3. The ratio of the content of silicon and mineral phosphorus in 2017-2021

Рис. 4. Соотношение содержания кремния и минерального азота в 2017-2021 гг.

Fig. 4. The ratio of silicon and mineral nitrogen content in 2017-2021

Рис. 5. Соотношение содержания минерального фосфора и азота в 2017-2021 гг.

Fig. 5. The ratio of the content of mineral phosphorus and nitrogen in 2017-2021

Похожую ситуацию в гидрохимическом режиме мы наблюдали в 2006 г. (Часовников и др., 2011). Следует отметить, что даже краткосрочные колебания запаса биогенных элементов и соотношений между ними, в течение одного года, могут приводить к значительной перестройке структуры планктонных сообществ (Силкин и др., 2011).

Метеорологические и гидрофизические параметры

В 2019 и 2020 гг. было зафиксировано минимальное количество осадков за весь исследуемый период и, соответственно, уменьшение речного стока. Данное событие отразилось в первую очередь на значениях солености, в рассматриваемые года наблюдался резкий рост этого показателя (Подымов и др., 2021), который достиг максимального среднегодового значения в 2020 г. и был равен почти 18,5‰ (рис. 6).

Одним из основных источников поступления кремния в прибрежные морские воды является речной сток, следовательно, при его снижении концентрация кремния также уменьшается. Таким образом, тренд уменьшения кремния в течение 2018–2020 гг. безусловно поддерживался тенденцией уменьшения количества осадков (рис. 2, 6). 

Кроме этого, основной причиной снижения запасов кремния в деятельном слое Черного моря является потребление его фитопланктоном. Возможно, что описанные причины уменьшения содержания кремния имели место быть одновременно, что и могло вызвать столь стремительное падение концентрации этого биогенного элемента.

Далее, в 2021 году было зафиксировано резкое увеличение количества осадков (рис. 6), однако тренд уменьшения среднегодового содержание кремния продолжился.  Теоретически, так как возрастает интенсивность речного стока, вследствие значительного увеличения годовой суммы осадков, в данный период содержание кремния должно повышаться.

Рис. 6. Межгодовая изменчивость некоторых метеорологических и гидрофизических параметров в период с 2017 по 2021 гг.

Fig. 6. Interannual variability of some meteorological and hydrophysical parameters in the period from 2017 to 2021

Однако содержание биогенных элементов в деятельном слое моря зависит от множества факторов, и это связано с изменчивостью гидрологической структуры, динамикой вод, метеоусловиями и функционированием морских биологических сообществ. Влияние этих факторов на формирование запаса биогенных элементов в конкретный год/сезон может происходить как в одном, так и в противоположных направлениях. Поэтому необходимо выявление влияния вкладов каждого из них на гидрохимический режим вод.

По нашему предположению, увеличения запасов кремния не произошло из-за биологического фактора. В 2021 г. наблюдалась массовая вспышка цветения диатомовых водорослей, которые очень активно потребляют кремний. По всей видимости, интенсивность потребления кремния фитопланктоном увеличилась настолько, что его убыль превышала его поступление.

При этом, так как биологический и климатический факторы работали в разных направлениях, повышение количества осадков в 2021 году вероятно уменьшило тренд снижения среднегодового содержания кремния.

Заключение

В течение последних пяти лет наблюдался стабильный тренд уменьшения содержания кремния в деятельном слое прибрежно-шельфовой зоны моря. Если понижение запасов кремнекислоты в сезоне 2019 года не достигало уровня, ограничивающего фотосинтез, то в 2020 и тем более в 2021 году зафиксировано лимитирование процессов развития фитопланктона низким содержанием кремния.

В течение последних 3-х лет наблюдалось увеличение запасов минерального фосфора в 1,6 раза по сравнению с 2019 годом и уменьшение содержания (в 1,86 раза) минерального азота.

В результате данной изменчивости содержания фосфора, азота и кремния в течение 2021 года, установились такие стехиометрические соотношения между ними, что возникла достаточно редкая ситуация в гидрохимическом режиме вод Черного моря. Фосфор перестал быть основным элементом, лимитирующим процессы развития биологических сообществ, а среди трех основных биогенных элементов любой из параметров мог как выступать в роли лимитирующего фактора, так и оказывать совместное ограничивающее действие на процессы развития фотосинтеза.

Безусловно, подобная ситуация в гидрохимическом режиме вод должна найти отражение в функционировании морских планктонных сообществ.

На формирование аномальных особенностей в гидрохимии прибрежных вод оказали влияние как внешние климатические факторы, так и внутренние процессы в структуре фитопланктонного сообщества Черного моря.

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН по теме «Морские природные системы Черного и Азовского морей: эволюция и современная динамика гидрофизических, гидрохимических, биологических, береговых и литодинамических процессов» № FMWE-2021-0013.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Список литературы

1. Косенко Ю.В. Основные аспекты баланса биогенных элементов в Азовском море // Водные биоресурсы и среда их обитания. 2019. Т. 2, № 4. С. 24–37. DOI: https://doi.org/10.47921/2619-1024_2019_2_4_24
2. Подымов О.И., Зацепин А.Г., Очередник В.В. Рост солености и температуры в деятельном слое северо-восточной части Черного моря с 2010 по 2020 год // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 3(219). С. 279–287. DOI:https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-3-279-287
3. Руководство по методам химического анализа морских вод. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 208 с.
4. Силкин В.А., Прокопов О.И., Паутова Л.А., Микаэлян А.С, Часовников В.К., Лукашева Т.А. Климатические изменения и факторы, лимитирующие развитие фитопланктона// Комплексные исследования Черного моря. – Москва: «Научный мир», 2011. – С. 269–284.
5. Часовников В.К., Чжу В.П., Очередник О.А., Петров И.Н. Изменчивость содержания биогенных элементов в прибрежной зоне Черного моря (район Геленджика) // Мезомасштабные и субмезомасштабные процессы в гидросфере и атмосфере МСП-2018. Сборник трудов Международного симпозиума. 2018. – С. 370-373. DOI: https://doi.org/10.29006/978-5-9901449-4-1-2018-104
6. Часовников В.К., Якушев Е.В., Меньшикова Н.М., Чжу В.П., Куприкова Н.Л. Изменчивость биогенных элементов в прибрежной зоне Черного моря // Комплексные исследования Черного моря. – Москва: «Научный мир», 2011. – С. 255–268.
7. Юнев О.А., Коновалов С.К., Великова В. Антропогенная эвтрофикация в пелагической зоне Черного моря: долговременные тренды, механизмы, последствия. – Москва: ГЕОС, 2019. – 164 с. DOI:https://doi.org/10.34756/GEOS/2019.16.37827
8. Redfield A.С. The biological control of chemical factors in the environment // Amer. Sci. 1958. V. P.205–221.

Статья поступила в редакцию 09.11.2022
Статья принята к публикации 07.12.2022

Об авторах

Часовников Валерий Кузьмич – Valeriy K. Chasovnikov

кандидат географических наук
зав. Лабораторией Химии, Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН, Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia), Южное отделение

chasovn@mail.ru

https://orcid.org/0000-0003-3713-5059

Бородулина Полина Андреевна – Polina A. Borodulina

инженер, Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН, Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia), Южное отделение

borodulina-polina@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-4176-4563 

Корреспондентский адрес: Россия, 117997, г. Москва, Нахимовский проспект, 36, ИОРАН.  Телефон/факс 8-861-41-280-89.

ССЫЛКА:

Часовников В.К.. Бородулина П.А. Тенденции межгодовой изменчивости биогенных элементов в северо-восточной части Черного моря по данным судовых наблюдений за 2017-2021 гг.  // Экология гидросферы. 2022. № 2 (8). С. 37–46. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/368

DOI – https://doi.org/10.33624/2587-9367-2022-2(8)-37-46, EDN – EZUZBI

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Trends in the interannual variability of nutrients in the northeastern part of the Black Sea according to ship observations for 2017-2021

Valeriy K. Chasovnikov, Polina A. Borodulina

Shirshov Institute of Oceanology RAS (Moscow, Russia)

The results of long-term oceanological studies that were carried out as part of the Black Sea 2017-2021 complex scientific expedition and are devoted to the study of the coastal zone of the sea based on monitoring observations are presented.

During all five years, a stable trend of a decrease in the content of silicon in the active layer of the coastal-shelf zone of the sea was observed. During the last 3 years, there has been an increase in the reserves of mineral phosphorus and a decrease in the content of mineral nitrogen. As a result of this variability in the content of phosphorus, nitrogen and silicon, during 2021, such stoichiometric relationships between them were established that a rare situation arose in the hydrochemical regime of the Black Sea waters. Phosphorus ceases to be the main element limiting the processes of development of biological communities, and among the three main biogenic elements, any of the parameters could act as a limiting factor or have a joint limiting effect on the development of photosynthesis.

Keywords: Black Sea; coastal zone; nutrients; monitoring; interannual variability; trends; stoichiometric ratios.

References

1. Chasovnikov V.K., Chjoo V.P., Ocherednik O.A., Petrov I.N. Izmenchivost' soderzhaniya biogennykh elementov v pribrezhnoy zone Chernogo morya (rayon Gelendzhika) [Variability of the content of biogenic elements in the coastal zone of the Black Sea (Gelendzhik region)]. Mezomasshtabnyye i submezomasshtabnyye protsessy v gidrosfere i atmosfere MSP-2018 Sbornik trudov Mezhdunarodnogo simpoziuma. Institut okeanologii im. P.P. Shirshova Rossiyskoy akademii nauk, Moskovskiy universitet im. S.Yu. Vitte [Mesoscale and submesoscale processes in the hydrosphere and atmosphere MSP-2018 Proceedings of the International Symposium. Institute of Oceanology named after P.P. Shirshov Russian Academy of Sciences, Moscow University. S.Yu. Witte]. 2018. P. 370-373. DOI: https://doi.org/10.29006/978-5-9901449-4-1-2018-104 (in Russ.)
2. Chasovnikov V.K., Yakushev E.V., Menshikova N.M., Chjoo V.P., Kuprikova N.L. Izmenchivost' biogennykh elementov v pribrezhnoy zone Chernogo morya [Variability of biogenic elements in the coastal zone of the Black Sea]. Kompleksnyye issledovaniya Chernogo morya [Complex studies of the Black Sea]. «Nauchnyy mir», Moscow, 2011. 255–268. (in Russ.)
3. Kosenko Yu.V. Basic aspects of the biogenic elements balance in the Azov Sea. Aquatic Bioresources & Environment. V.2. № 4. P. 24–37. DOI: https://doi.org/10.47921/2619-1024_2019_2_4_24 (in Russ.)
4. Podymov O.I., Zatsepin A.G., Ocherednik V.V. Increase of temperature and salinity in the active layer of the north-eastern Black Sea from 2010 to 2020. Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021. V.37(3). P. 279–287. DOI: https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-3-279-287 (in Russ.)
5. Redfield A.С. The biological control of chemical factors in the environment. Amer. Sci. V.46. P.205–221.
6. Rukovodstvo po metodam khimicheskogo analiza morskikh vod [Guidance on methods of chemical analysis of sea waters]. Gidrometeoizdat, Leningrad, 1977. 208 p. (in Russ.)
7. Silkin V.A., Prokopov O.I., Pautova L.A., Mikaelyan A.S., Chasovnikov V.K., Lukasheva T.A. Klimaticheskie izmeneniya i faktory, limitiruyushchie razvitie fitoplanktona [Climatic changes and factors limiting the development of phytoplankton]. Kompleksnye issledovaniya CHernogo moray [Comprehensive studies of the Black Sea]. Nauchny Mir, Moscow, 2011. P.269–284. (in Russ.)
8. Yunev O.A., Konovalov S.K., Velikova V. Anthropogenic eutrophication in the Black Sea pelagic zone: long-term trends, mechanisms, consequences. GEOS, Moscow, 2019. 164 p. DOI: https://doi.org/10.34756/GEOS/2019.16.37827 (in Russ.)

Authors

Chasovnikov Valeriy K.

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia

chasovn@mail.ru

https://orcid.org/0000-0003-3713-5059

Borodulina Polina A.

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia

borodulina-polina@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-4176-4563

ARTICLE LINK:

Chasovnikov V.K., Borodulina P.A. Trends in the interannual variability of nutrients in the northeastern part of the Black Sea according to ship observations for 2017-2021. Hydrosphere Еcology. 2022. № 2 (8). P. 37–46. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/368

DOI – https://doi.org/10.33624/2587-9367-2022-2(8)-37-46, EDN – EZUZBI

When reprinting a link to the site is required

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 

Адрес - info@hydrosphere-ecology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

На ГЛАВНУЮ

К разделу ПУБЛИКАЦИИ