ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА РАЗРЕЗЕ “КОЛЬСКИЙ МЕРИДИАН” С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗОТОПНОГО ТРАССЕРА D18O Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Авторы выражают благодарность сотруднику лаборатории океанографии и радиоэкологии ММБИ РАН Т.М. Максимовской за предоставление гидрологических данных СТД-зондирования по итогам научно-исследовательского рейса НИС "Дальние Зеленцы".

Работа выполнена по теме "Особенности организации арктических планктонных сообществ в условиях современных климатических изменений (Баренцево, Карское моря и море Лаптевых)" (№ ААА-А-А17-117052310083-5) в рамках государственного задания (№ 0228-2019-0003).

Литература

Бойцов В.Д. Изменчивость температуры воды Баренцева моря и ее прогнозирование. Мурманск: Изд-во ПИНРО, 2006. 292 с.

Кольцова Т. И. Определение объема и поверхности клеток фитопланктона // Биол. науки. 1970. № 6. С. 114-120.

Harris C.L., Plueddemann A.J., Gawarkiewicz G.G. Water mass distribution and polar front structure in the western Barents Sea // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, № С2. P. 2905-2917.

Makarevich P.R., Larionov V.V., Druzhkov N.V. Average cell weights of the mass phytoplankton species of the Barents Sea. Prepr. Apatity: Publ. KSC Acad. Sci. USSR, 1990. 14 p.

Makarevich P.R., Larionov V.V., Druzhrov N.V. Mean weights of dominant phytoplankton species of the Barents Sea // Algology. 1993. Vol. 13, № 1. С. 103-106.

Pfirman S.L., Bauch D., Gammelsrod T. The northern Barents Sea: water mass distribution and Modification // The polar oceans and their role in shaping the global environment. Washington D.C.: Am. Geophys. Union, 1994. Vol. 85.P. 77-94.

001: 10.37614/2307-5252.2021.3.9.015 УДК 551.464.32

И.А. Пастухов

Мурманский морской биологический институт РАН, г. Мурманск, Россия

ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА РАЗРЕЗЕ "КОЛЬСКИЙ МЕРИДИАН" С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗОТОПНОГО ТРАССЕРА 8180

Аннотация

Представлены результаты гидрохимических исследований на 10 станциях разреза "Кольский меридиан", выполненных в экспедиции НИС "Дальние Зеленцы" в апреле 2019 г., где определялись концентрации фосфатного фосфора, нитратного азота и кремния. Для анализа данных применялась методика с использование изотопного трассера 5180. Мера продукции и деструкции избранных биогенных элементов определялась авторским методом. Выделены два предполагаемых

очага фитопланктонной активности: области в районе ледовой кромки на севере разреза и в водах Мурманского прибрежного течения. Состояние вод на разрезе определено как поздневесеннее.

Ключевые слова: изотопы кислорода, ледообразование, ледотаяние, атлантические воды, речные воды, морские воды, гидрохимия, Баренцево море, разрез "Кольский меридиан".

I.A. Pastukhov

Murmansk Marine Biological Institute RAS, Murmansk, Russia

HYDROCHEMICAL STUDIES ON THE TRANSECT "KOLA MERIDIAN" USING THE 518O ISOTOPE TRACER

Abstract

The results of hydrochemical studies at 10 stations of the transect "Kola meridian" opencast performed on the expedition NIS "Dalnye Zelentsy" in April 2019, where hydrochemical studies of phosphate phosphorus, nitrate nitrogen and silicon were performed, are presented. To analyze the data, a technique using the 518O isotope tracer was used. The measure of production and destruction of selected nutrients was determined by the author's method. Two alleged foci of phytoplankton activity were identified: areas in the region of the ice edge in the north of the section and in the waters of the Murmansk coastal course. The state of the waters in the section is defined as late spring.

Keywords: oxygen isotopes, ice formation, ice melting, Atlantic waters, river waters, sea waters, hydrochemistry, the Barents Sea, transect "Kola meridian".

Введение. Для понимания развития морских экосистем нужна корректная система координат. В океанографии используются понятие "фоновые концентрации", четкого определения которых, тем не менее, не дается. Например, в работах О.В. Титова (2001, 2002) эта величина для фосфора фосфатного в морских водах определяется как предстартовое содержание минерального фосфора в водной толще в районах, освободившегося от ледяного покрова. Данную величину очень трудно определить по нескольким причинам.

Во-первых, речь идет о районах, освободившихся от льда. А как определить данную величину в районах Баренцева моря, в которых ледовые процессы не наблюдаются?

Во-вторых, как вообще определить данную величину? Строить годовой цикл изменения исследуемого параметра в каждой точке моря?

В-третьих, изменение какого-либо параметра из-за адвекции и других гидрологических факторов, в частности концентрации кремния, может превышать таковое под воздействием процессов фотосинтеза или минерализации органического вещества.

В представленной работе вводится понятие "фоновая" концентрация, которая определяется как концентрация какого-либо элемента при условии, что его изменения связаны только с процессами смешения с другими водами, а также с трансформацией вод, вызванной процессами ледообразования или ледотаяния (Namyatov et я1., 2020). Разница между расчетной "фоновой" концентрацией и измеренной дает представление о величине и направленности таких гидрохимических процессов как фотосинтез или минерализация органического вещества. Данная величина не зависит от наличия или отсутствия ледовых явлений и от изменений исследуемого параметра за счет адвективных процессов.

Океанографический разрез "Кольский меридиан" выбран потому, что он характеризует в целом Баренцево море и происходящие в нем экологические процессы. Исследования на нем проводятся регулярно уже более 100 лет, что позволяет сравнивать наши результаты с большим массивом данных.

Цель работы - исследование продукционно-деструкционных процессов в весенний период на разрезе "Кольский меридиан".

Материал и методы. В ходе научной экспедиции Мурманского морского биологического института на НИС "Дальние Зеленцы" в апреле 2019 г. были проведены исследования гидрохимического состояния вод на океанографическом разрезе "Кольский меридиан" (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения станций на разрезе "Кольский меридиан" в апреле 2019 г.

Fig. 1. Scheme of hydrochemistry stations of the transect "Kola meridian" in April 2019

На разрезе выполнено 10 гидрохимических станции, отобрано 53 пробы воды с помощью пластиковых батометров системы Нискина. При обработке проб использовали стандартные гидрохимические методы (Руководство ... 1993). Для сравнения привлечены данные аналогичных исследований 1982 г., выполненные на этом разрезе НИЛ "Отто Шмидт" (http://www.nodc.noaa.gov).

Для расчета "фоновых" концентраций гидрохимических параметров предполагалось, что все компоненты морской воды можно разделить на "консервативные" и "неконсервативные". Первые - это компоненты, концентрации которых в морской воде зависят только от процессов смешения различных вод или их модификации в процессе ледообразования или ледотаяния, например, соленость. Вторые - это компоненты, концентрация которых зависит не только от процессов смешения различных водных масс, но и от химико-биологических процессов, протекающих в морской экосистеме. Например, биогенные элементы. В данной работе используется модель (Никифоров, Шпайхер, 1980; Exchange ..., 2009; Bauch, Cherniavskaia, 2018), которая предполагает, что в Баренцевом море присутствует всего две базовые водные массы -"чисто" атлантические и "чисто" речные воды, а все остальные являются результатом смешения и трансформации этих двух вод. В таком случае, "морские воды" - это реальные воды, в которых в той или иной пропорции смешаны атлантические и речные воды, подвергшиеся трансформации в результате ледотаяния или ледообразования, а количество тех или иных вод описывается системой уравнений смешения (Exchange ..., 2009):

faSa + frSr + fiSi = Smean

faOa + frOr + fiOi = Omean (1)

fa + fr + fi = 1,

где а - атлантические воды; r - речные воды; i - ледовые воды; S - соленость, psu; О - величина 518O, %о; f - содержание тех или иных вод, %; Smean и Omean - измеренная соленость (psu) и величина 518O (%) морской воды соответственно.

Соотношение изотопов кислорода 518O и 516O в морской воде позволяет корректно определить речные воды, которые облегчены по изотопному составу, относительно более тяжелых атлантических вод. Однако крайне редко в доступных базах данных можно встретить совместное определение солености, 518O и биогенных элементов, а вот данных по совместному определению только солености и биогенных элементов довольно много. Однако в нескольких работах показано (Bauch, Cherniavskaia, 2018), что существует довольно тесная корреляционная связь между величинами солености и 518O. Для Баренцева моря в настоящей работе построены графики зависимостей 518O^S по материалам общедоступных баз данных NASA (http://data.giss.

nasa.gov/o18data/ref.html) и NODC (http://www. nodc.noaa.gov). Всего для Баренцева моря в этих базах данных представлено около 2200 параллельных значений 5180 и солености. Графики зависимости между величинами солености и 5180 показаны на рис. 2.

о

о

С S

R2 = 0.9122 ¿er** о

в о

а 0! -14.718

О у = u.uuiix^ + о.зуиьх-R2=0 913

"160 5 10 15 20 25 30 35

Соленость, psu

Рис. 2. Зависимости между величинами солености и 518O Fig. 2. Relationship between salinity and 518O

Коэффициент корреляции в данном случае близок к 1 (R2 = 0.95). Так как на графике представлены все данные независимо от времени года и горизонта отбора проб, выдвинем гипотезу, что предлагаемое уравнение связи между величиной солености и 518O применимо для всех значений солености (независимо от того, проводились ли измерения величины 518O или нет). Выдвинутая гипотеза была проверена методом разбития ряда на две части фактически случайным образом по 1100 значений. Первоначально ряд ранжировался по солености от меньших значений к большим независимо от экспедиции, времени года или горизонта отбора проб. Затем четные значения составили первый ряд, а нечетные - второй. По данным первого ряда рассчитывалось уравнение связи солености и 518O. Затем по этому уравнению для второй части ряда по значениям солености вычислены значения 518O. Сравнение расчетных и измеренных значений показано на рис. 3.

Между этими данными наблюдается линейная зависимость с высоким коэффициентом корреляции - 0.94. Для проверки равенства средних значений в двух выборках был использован ¿-критерий Стьюдента. Рассчитанное значение ¿-критерия составляет 0.089, что гораздо меньше критического значения 1.960 для уровня значимости р = 0.05 при числе степеней свободы равном 2150. Следовательно, выдвинутая гипотеза об отсутствии различий между двумя независимыми выборками подтверждается при уровне значимости 0.05. Поэтому, можно считать, что уравнения соотношения солености и величины 518O,

представленные на рисунках 2 и 3, распространяются за пределы рядов совместного наблюдения величин солености и 5180 и могут быть использованы для вычисления 5180 по величине солености. Итак, для любого полученного значения солености можно определить величину 5180, значение которого будет соответствовать измеренному в 95 % случаев.

0

со _2

| -4

ш -6 го

m "8

1

га

—

га -16

о- -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 Измеренные значения %в

Рис. 3 Расчетные и измеренные значения 518O Fig. 3. Calculated and measured values of 518O

Для расчета величин fa, fr и f по системе уравнений (1) необходимо знать значения солености и 518O в исходных водах - атлантических, речных и ледовых. Для этого воспользуемся значениями этих параметров, которые уже применялись в других работах (Bauch, Cherniavskaia, 2018), но уточненные для Баренцева моря по 288 пробам, %о: Sa - 35.04, Oa - 0.3,

Sr - 0, Or--15, Si - 5.86 (по: Гидрометеорология ..., 1990), Oi

на поверхности - 2.6 (по: Bauch, Cherniavskaia, 2018).

Если предположить, что водные массы являются результатом смешения и трансформации двух базовых вод, концентрация консервативного элемента в этих водных массах будет определяться формулой

faCa + frCr + fiCi = Cf, (2)

где Ca, Cr и Ci - концентрация исследуемого элемента в "чисто" атлантических, "чисто" речных и "ледовых" водах (таблица); Cf -фоновая концентрация исследуемого элемента.

Принимаем, что разница между измеренной концентрацией и фоновой будет определять величину "неконсервативности". В случае с биогенными элементами эта величина показывает количество данного элемента, участвующего в процессах продукции и деструкции органического вещества:

ACj = Cj - Cf, (3)

где ACj < 0 - потребление (фотосинтез); ACj > 0 - поступление (минерализация в результате окисления органического вещества); j -рассматриваемый элемент (фосфор, кремний, азот или любой другой).

Величины исследуемых параметров в исходных водных массах The values of the researched parameters in the initial water masses

Водные массы

Соленость, psu

Р-РО4, мкг/л

N-NO3, мкг/л

Si-SiO3, мкг/л

Атлантические, Са 35.00

Речные, Сг 0

Ледовые, Ci 5.86

21.4 26.1 11.1

102 80.6 24.8

129 3050 30.9

ПРИМЕЧАНИЕ. Са - средние значения представленных параметров для слоя 0-200 м с января по февраль на полигоне в западной части Баренцева моря (Катуа1^ й а1., 2020). Данный период времени года для выборки принят с тем, чтобы обеспечить максимальные значения средних концентраций биогенных элементов, уменьшение которых начнется в весенний период с началом интенсификации фотосинтеза; Сг - средние значения за 10 лет (2006-2016 гг.), рассчитанные по ежегодникам "Качество поверхностных вод"; С - средние значения солености и концентраций биогенных элементов, рассчитанные по: Гидрометеорология ..., 1990.

Результаты и обсуждение. На распределение гидрохимических параметров в любое время года значительное влияние оказывает положение водных масс. Для Баренцева море это особенно характерно, так как из-за сложного рельефа дна взаимодействие холодных арктических течений и теплых ветвей Нордкапского течения образует сложную гидрологическую структуру. С помощью построенных графиков распределения температуры и солености на разрезе (рис. 4) удалось выделить влияние нескольких гидрологических районов:

Мурманское прибрежное течение: ст. 1, на глубине 25-50 м, характеризуется наименьшей соленостью и температурой около 4 оС;

Мурманское течение - ст. 5, в придонных слоях глубже 100 м, температура до 4.4 оС и соленость 34.7-34.8 рви;

Центральная ветвь Нордкапского течения - станции 13-17, на глубине 25-50 м, температура 2.5-2.8 оС, соленость 34.9 рви;

"Прикромочная" область - станции 22-26, характеризуется взаимодействием холодных вод Центрального течения и теплых вод Центральной и Северной ветвей Нордкапского течения, температур а не превышает 1.2 оС на поверхности, соленость выше 34.9 рви.

Для описания гидрохимического состояния вод в исследуемый период первоначально рассмотрим как работает расчет величины консервативности на примере классического рейса ледокола "Отто Шмидт" в апреле 1982 г. по разрезу "Кольский меридиан" (рис. 5). Разрез

выполнен во время гидрологического лета. Потребление биогенных элементов, в данном случае фосфатов (величина АС] имеет отрицательные значения), наблюдается в поверхностном слое, а минерализация (положительные значения) - у дна, что является классическим летним типом распределения гидрохимических параметров.

Рис. 4. Распределение солености (А) и температуры (Б) на разрезе в апреле 2019 г.

Fig. 4. Distribution of salinity (А) and temperature (Б) at the transect in April 2019

Максимальное потребление фосфора фосфатного наблюдалось в южной части разреза (9-11 мкг/л) и составляло около 50 % (рис. 5А). Максимальные величины минерализации органического вещества отмечены в придонном слое 200-300 м, где превышение фосфатов над фоновыми значениями составляло от 9 до 11 мкг/л.

По такому же алгоритму были построены и проанализированы графики распределения величины "неконсервативности" некоторых гидрохимических параметров на разрезе "Кольский меридиан", полученные в ходе исследований в апреле 2019 г. (рис. 6), когда еще не сформировались вертикальные градиенты температуры и солености.

А мкг/л

70° 72° 74° 76° с. eu

Рис. 5. Распределение концентраций фосфора фосфатного: А - измеренные значения, мкг/л; Б - "фоновые" значения, мкг/л; В - величина "неконсервативности" на разрезе, апрель 1982 г.

Fig. 5. Distribution of phosphate phosphorous concentrations: A - measured values, ^g/l; Б - background values, ^g/l; В - "non-conservative" value at the transect, April 1982

Как в поверхностном, так и в придонном слоях можно встретить как положительные, так и отрицательные значения dP, dN и dSi. Распределение очагов потребления биогенных элементов носит мозаичный характер, что типично для весеннего периода.

Рис. 6. Распределение величин "неконсервативности" азота (А), фосфора (Б) и кремния (В) на разрезе "Кольский меридиан" в апреле 2019 г. по итогам рейса НИС "Дальние Зеленцы"

Fig. 6. Distribution of "non-conservative" values of nitrogen (A), phosphorus (Б) and silicon (В) at the transect "Kola meridian" in April 2019 (R/V "Dalnye Zelentsy")

Максимальные объемы потребления азота нитратного наблюдались на северных станциях, которые находились вблизи кромки отступающего льда. На всем остальном пространстве разреза южнее 74о отмечено равномерное распределение положительных величин "неконсервативности",

что характеризует эти воды как "зимние". Фосфор фосфатный извлекался из водной толщи разреза в небольших количествах, исключение -придонный горизонт прибрежной станции. По-видимому, это связано с материковым стоком и опусканием органического вещества на дно, где уровень его потребления меньше такового поступления. Кремний извлекался из толщи воды на всем пространстве разреза без исключения, что, вероятнее всего, объясняется ростом популяции диатомовых водорослей, которые активно строят из него свой "панцирь". Они особенно активны в весенний период. Максимальное различие (Д) концентрации кремния до 150 мкг/л отмечено в прибрежных водах Мурманского течения, здесь же регистрируется максимальный диапазон концентраций фосфора - 14 мкг/л. На некоторых станциях в этом районе изменение концентрации азота также отрицательно (-7.2 мкг/л). Это можно сказать и о прикромочных станциях: азот - до -80 мкг/л, кремний - до -60 мкг/л и фосфор - до -5 мкг/л.

Заключение. Данные, полученные на разрезе "Кольский меридиан" в апреле 2019 г., показывают, что гидрологическое лето еще не наступило (подтверждается картиной распределения гидрохимических параметров и величиной "неконсервативности" рассчитанной для них). Благодаря исследованиям, были зарегистрированы два очага "извлечения" биогенных элементов: в водах Мурманского прибрежного течения и в "прикромочных" областях на севере разреза, что может свидетельствовать о вспышках развития фитопланктона, являющиеся маркерами перехода к летнему типу распределения гидрохимических параметров. Вместе с тем, это подтверждает теорию о начале "цветения" фитопланктона в северных морях вблизи ледовой кромки.

Автор выражает благодарность за помощь в подготовке статьи научному руководителю к.г.н. А.А. Намятову.

Литература

Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 1. Баренцево море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 280 с.

Никифоров Е.Г., Шпайхер А.О. Закономерности формирования крупномасштабных колебаний гидрологического режима Северного Ледовитого океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 272 с.

Руководство по химическому анализу морских вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1993.263 с.

Титов О.В. Многолетние изменения гидрохимических характеристик на разрезе "Кольский меридиан" как показатель изменений в экосистеме Баренцева моря // Океанология. 2001. Т. 41, № 4. С. 518-526.

Титов О.В. Многолетние изменения содержания минеральных форм фосфора в Баренцевом, Норвежском морях и Северо-Восточной Атлантике // Океанология. 2002. Т. 42, № 6. С. 848-854.

Bauch D., Cherniavskaia E. Water mass classification on a highly variable arctic shelf region: Origin of Laptev Sea water masses and implications for the nutrient budget // J. Geophysical Res. 2018. Oceans, 123. URL: https: //doi .org/10.1002/2017JC013524

Exchange of Laptev Sea and Arctic Ocean halocline waters in response to atmospheric forcing / D. Bauch, I. Dmitrenko, C. Wegner et al. // J. Geophysical Res. 2009. Vol. 114. C005008. DOI: 10.1029/2008JC005062

Namyatov A., Pastukhov I., Semeruk I. Applying the S18O parameter for evaluating of organic matter production-destruction processes in the Barents Sea // KnE Life Sci. 2020. Vol. 5(1). P. 615-623. URL: https://doi.org/10.18502/kls.v5i1.6137

DOI: 10.37614/2307-5252.2021.3.9.016 УДК 594 (268.45)

З.Ю. Румянцева1, И.О. Нехаев2

Мурманский морской биологический институт РАН, г. Мурманск, Россия 2Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, Россия

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАКОВИННЫХ БРЮХОНОГИХ МОЛЛЮСКОВ В ОТКРЫТЫХ ЧАСТЯХ БАРЕНЦЕВА МОРЯ: ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Аннотация

Видовой состав и распределение раковинных брюхоногих моллюсков в Баренцевом море описаны только для прибрежных регионов. Нами были использованы 530 проб с 247 станций из удаленных от берега районов. В ряде случаев распределение моллюсков зависело от типа субстрата, а в остальных - выявлена только приуроченность к географическому местоположению. Последнее, вероятно, обусловлено гидрологическими факторами или наличием исторически сложившихся фаунистических комплексов. Применение разных подходов к удалени ю малоинформативных проб при анализе дает схожие результаты.

Ключевые слова: брюхоногие моллюски, экология, распространение, Баренцево море, канонический анализ соответствия.

Z.Yu. Rumiantseva1, I.O. Nekhaev2

Murmansk Marine Biological Institute RAS, Murmansk, Russia 2St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russia

DISTRIBUTION OF SHELL GASTROPODS IN THE OPEN PARTS OF THE BARENTS SEA: A PRELIMINARY ANALYSIS

Abstract

Species composition and distribution of shell-bearing gastropods in the Barents Sea has been described only for coastal regions. We used material from 247 stations (530 samples) remoted from the coast. In some cases, the distribution of mollusks depended on the type of substrate, and in others, only geographic location was