CC BY
53
2001
Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра
Том 128
И.Ф.Мороз, В.И.Матвеев
МЕЖГОДОВЫЕ РАЗЛИЧИЯ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ ОХОТСКОГО МОРЯ (НА ПРИМЕРЕ 1949 И 1988 ГГ.)
Материалы биоценологических исследований ТИНРО-центра однозначно свидетельствуют о происходящих в последние годы изменениях в экосистеме северной Пацифики. На смену ивасевому ("теплому") периоду 70-80-х гг. идет сельдевый ("холодный") период, подобный периоду 40-60-х гг. (Шунтов, Дулепова, 1996; Шунтов и др., 1997). Совершенно очевидно, что происходящие изменения в биоте являются откликом на соответствующие им по пространственно-временным масштабам изменения физико-географических условий, которые должны иметь определенное отражение в структуре полей океанологических характеристик. Однако о характере многолетних изменений океанологических условий, и в частности гидрохимических, до настоящего времени практически ничего не известно.
Основной целью настоящей работы является анализ многолетних различий гидрохимических условий деятельного слоя (0-200 м) Охотского моря. Ранее было показано, что выявить принципиальные многолетние структурные изменения полей гидрохимических характеристик по среднемноголетним данным или по фактическим, но ограниченным временным отрезком в несколько лет, - практически невозможно (Матвеев, Мороз, 1997). В лучшем случае удается выявить некоторые общие закономерности, имеющие относительно устойчивый характер.
В связи с этим к анализу были привлечены фактические данные, полученные в течение 2-го рейса э/с "Витязь" в Охотском море в августе-октябре 1949 г., и данные экспедиции на РТМС "Млечный путь" в июне-августе 1988 г.
По состоянию пелагических сообществ (в данном случае - рыб) 1949 г. относится к так называемой "сельдевой" эпохе, а 1988 г. - является рубежом "ивасевой" 70-80-х гг. (Шунтов, 1995). Относительно клима-то-океанологической тенденции оба эти года характеризуются положительными аномалиями комбинированных значений температуры воздуха над сушей и поверхностной температуры океана, но существенно различаются по абсолютной величине аномалий (выше в 1988 г.) и находятся в разных фазах многолетнего тренда: 1949 г. - в фазе спада, а 1988 г. - в фазе роста (На1рей е! а!., 1994 - цит. по Шунтову и др., 1997). Все это дает основание отнести 1949 г. к типу условно "холодных" лет, а 1988 г. - к типу условно "теплых".
Ниже приводятся результаты сравнительного анализа многолетних различий гидрохимических условий деятельного слоя Охотского моря по растворенному кислороду, фосфатному фосфору и кремнию. Кроме того, в работе предпринята попытка оценки многолетних различий
982
некоторых исходных составляющих (компонентов) продукционного процесса — "стартовых" концентраций и преформ биогенных веществ, глубин залегания компенсационной поверхности — и их влияния на многолетние изменения первичной продукции.
Растворенный кислород. В поле растворенного кислорода многолетние различия четко проявляются не только в структуре поля, но и в абсолютных величинах его содержания. В целом для моря содержание растворенного кислорода в 1949 г. было значительно ниже, чем в 1988 г. Если в 1949 г. содержание кислорода на поверхности в основном было не выше 6,0 — 6,5 мл/л и только в ямско-тауйском районе и зал. Шелихова увеличивалось до 7,0 — 8,0 мл/л, то в 1988 г. оно повсеместно было не ниже 8,0 — 9,0 мл/л и лишь в северо-западной части моря снижалось до 7,0 мл/л (рис. 1). Достаточно четко, даже с учетом различной дискретности съемок, просматриваются и различия в распределении кислорода на поверхности. Обращает на себя внимание относительно однородная структура поля кислорода во всей центральной и южной частях моря в 1949 г., в отличие от более сложного (очагового) распределения, характерного для 1988 г. Наряду с этими различиями вполне определенно проступают и общие черты, которые в многолетнем плане можно рассматривать как постоянные. К ним, в частности, надо отнести область устойчиво пониженных концентраций кислорода в северо-западной части моря — 5,5 мл/л в 1949 г. и 7,0 мл/л в 1988 г., а также область повышенных концентраций в ямско-тауйском районе — 7,0 — 8,0 мл/л в 1949 г. и до 10,5 мл/л в 1988 г.
Отмеченные различия в структуре поверхностного поля кислорода и величинах его концентраций обусловлены многими причинами, и в частности неполным совпадением сроков проведения съемок, что не позволяет с уверенностью отнести их к проявлениям многолетней изменчивости.
С увеличением глубины (горизонт 100 м) отмеченные различия в структуре поля и величинах концентраций растворенного кислорода в целом сохраняются. Вместе с тем более отчетливо проявляются разли — чия, обусловленные межгодовой изменчивостью динамики вод, наиболее заметные в южной части моря и зоне курильских проливов, а также связанные с межгодовыми колебаниями уровня продукции планктона. Последние, в частности, хорошо прослеживаются в ямско-тауйском районе, где в 1949 г. содержание кислорода не превышало 3,5 — 4,0 мл/л, а в 1988 г. было заметно выше — до 5,0 мл/л (рис. 1). Как известно, косвенным показателем продуктивности поверхностных вод может быть распределение кислорода на промежуточных глубинах, где происходит интен — сивное расходование кислорода на окисление органического вещества, опускающегося из поверхностного слоя, что и приводит к формированию областей аномально низких концентраций кислорода (Гершанович, Сапожников, 1986). В данном случае дефицит кислорода в этом районе в 1949 г. превышал 4,5 мл/л, в то время как в 1988 г. был не более 2,5 — 3,0 мл/л (рис. 2).
Таким образом, в поле растворенного кислорода многолетние различия наиболее отчетливо проявляются в изменениях величин абсолютного содержания кислорода, которые достаточно устойчиво прослеживаются во всем деятельном слое моря. При этом наибольшие по абсо — лютной величине различия отмечаются на поверхности, с увеличением же глубины они несколько уменьшаются, но остаются практически постоянными. По-видимому именно это обстоятельство — изменение кон — центрации кислорода во всем деятельном слое — можно рассматривать как одно из проявлений многолетних изменений. Что же касается струк —
983
увеличением концентраций до 1,0 мкг-ат/л, наблюдаются только в 1988 г. (рис. 4). Эта тенденция — рост концентраций при сохранении структуры поля — прослеживается в 1949 и 1988 гг. вплоть до нижней границы (200 м) всего деятельного слоя. Основные же различия между этими двумя годами в более сложной структуре поля и значительно в более высоких (почти вдвое) концентрациях фосфатов в 1949 г.
Рис. 2. Распределение дефицита растворенного кислорода (мл/л) на горизонте 100 и 200 м в 1949 (А, С) и 1988 гг. (В, D)
Fig. 2. Deficit of dissolved oxygen (ml/l) on the 100 and 200 m at 1949 (A, C) and 1988 (B, D)
Последнее, вероятно, связано с более интенсивным поступлением в 1949 г. в Охотское море океанических вод, о чем можно судить по особенностям распределения "преформ-фосфатов". Используя этот расчетный параметр, введенный в 1942 г. Редфильдом, нетрудно проследить распространение тихоокеанских вод в промежуточном слое, которое всегда сопровождается изменениями содержания фосфатов и растворенного кислорода (Сапожников, 1967).
Анализ распределения "преформ-фосфатов" в промежуточном слое (горизонт 100 м) показывает, что в целом для моря их концентрация была в 1949 г. в два и более раза выше, чем в 1988 г., — соответственно 1,0-2,5
985
концентраций (рис. 4). Это позволяет предположить, что, несмотря на вдвое большую биогенную емкость деятельного слоя (по фосфатам), потенциальная продуктивность (по фосфатам же) в "холодном" 1949 г. была такой же (или сопоставимой), как и в "теплом" 1988 г. Это предположение вполне обоснованно, но не для всего моря, а только для районов с одинаковыми (или достаточно близкими) величинами продукционных отношений и, в частности, северо-западной части Охотского моря (охот-ско-лисянского района).
Рис. 4. Распределение фосфатов на глубине компенсационной поверхности и "преформ-фосфатов" на горизонте 100 м (мкг-ат/л) в 1949 (А, С) и 1988 гг. (В, D)
Fig. 4. Distribution of phosphate on the depth of compensatory surface and preform phosphate (mg-at/l) on the 100 m at 1949 (A, C) and 1988 (B, D)
Кремний. Общими чертами в распределении кремния в 1949 и 1988 гг. являются области пониженных (5-10 мкг-ат/л) концентраций в центральной и южной частях моря и повышенных (более 20 мкг-ат/л) — в северо-западном, ямско-тауйском и прикурильском районах. В отличие от довольно сложного распределения кремния в районах повышенных
987
1-5 м в северо-западной. Таким образом, продукционное отношение в 1949 г. во многих районах моря было близким к 1, а в 1988 г. — было значительно большим, что свидетельствует о более благоприятных условиях продуцирования, сложившихся в 1949 г.
Рис. 7. Глубина компенсационной поверхности (м) и отношение Si/P в слое зимнего перемешивания в 1949 (А, С) и 1988 гг. (В, D)
Fig. 7. Depth of compensatory surface (m) and ratio of Si/P in a layer of winter mixture at 1949 (A, C) and 1988 (B, D)
Влияние глубины залегания компенсационной поверхности можно показать на примере ямско-тауйского района. Здесь при одной и той же биогенной емкости эвфотического слоя и примерно одинаковой толщине поверхностного однородного слоя, но разной глубине залегания компенсационной поверхности (20-30 м в 1949 г. и 50-75 м в 1988 г.) продукционное отношение было существенно различным. В результате концентрация фосфатов на горизонте 50 м, который в 1949 г. был ниже компенсационной поверхности, а в 1988 г. — выше, составляла соответственно 1,8 — 2,0 и 0,5-0,8 мкг-ат/л. Это указывает на нетронутость запаса биогенных веществ слоев, лежащих ниже компенсационной поверхности.
991
Однако было бы ошибкой считать, что оптимальная величина продукционного отношения заведомо предопределяет более высокую продукцию фитопланктона за вегетационный период. Дело в том, что продукционное отношение в течение вегетационного периода не остается постоянным: со второй половины лета глубина компенсационной поверхности начинает уменьшаться, а толщина верхнего перемешанного слоя наоборот - увеличиваться, что приводит к уменьшению продукционного отношения. При этом, если в ситуации 1949 г. (продукционное отношение близко к 1) этот процесс однозначно ухудшает условия продуцирования, то в ситуации 1988 г. (продукционное отношение много больше 1) вначале он улучшает эти условия (продукционное отношение стремится к 1) и только позднее, после прохождения осеннего пика фотосинтеза, - ухудшает. В этом случае общая продукция фитопланктона за вегетационный период, с учетом осеннего приращения, может в таком году быть не ниже и даже выше, чем в году с изначально оптимальной для фотосинтеза величиной продукционного отношения.
Помимо продукционного отношения большое значение при оценке потенциальной продуктивности моря имеет соотношение запасов основных биогенных элементов, которое для природных популяций фитопланктона описывается известным стехеометрическим соотношением Редфилда-Ричардсона С: N Si: Р, равным 106: 16: 23: 1 (Гершанович, Сапожников, 1986). Анализ отношения запасов кремния к фосфору ^/Р) на глубине компенсационной поверхности показывает, что в 1949 г. на большей части Охотского моря наблюдался сравнительно небольшой дефицит кремния - отношение 20: 1. Исключением являлся район о.Ионы в северо-западной части моря, где отношение Si/P резко возрастало до 100-120. Наиболее вероятной причиной формирования этой обособленной области аномально высокого отношения Si/P является быстрая ассимиляция фосфатов фитопланктоном, что приводит к резкому снижению их запаса в эвфотическом слое и соответствующему росту величины отношения. Принципиально иная ситуация в 1988 г.: дефицита кремния практически нет, но для всего моря характерен дефицит фосфатов - отношение Si/P от 20 до 50, а на входе в зал. Шелихова - до 70. Таким образом, основное различие между "холодным" 1949 и "теплым" 1988 г. заключается в том, что в первом случае основным элементом, лимитирующим продукцию фитопланктона, был кремний, а во втором - фосфор. Биологическим следствием этого факта должно быть преобладание в 1949 г. смешанного фитопланктона, а в 1988 г. - диатомового (рис. 7).
Выше было показано, что в многолетнем аспекте химическая основа биопродуктивности Охотского моря претерпевает заметные изменения, которые касаются не только распределения и концентраций биогенных веществ, но, что более важно, - некоторых составляющих продукционного процесса. При этом из результатов анализа следует, что многолетняя изменчивость компонентов продукционного процесса проявляется не однонаправленно и снижение уровня концентрации одного из биогенных элементов необязательно сопровождается снижением концентрации других. Действительно, уменьшение в 1988 г. относительно 1949 г. содержания фосфатов в эвфотическом слое сопровождалось ростом содержания кремния, а более глубокое положение компенсационной поверхности способствовало формированию более благоприятных условий для прохождения осеннего пика фотосинтеза. Отсюда следует, что уровень первичной продукции в многолетнем аспекте не должен испытывать резких колебаний и по продуктивности "холодный" 1949 и "теплый" 1988 гг. должны быть сопоставимыми.
992
Оценка сезонного уровня первичной продукции была произведена по двум компонентам — по убыли фосфатов и убыли кремния. При расчетах не учитывался рециклинг биогенных веществ, что естественно привело к существенному занижению величин первичной продукции, которые следует рассматривать как относительные для двух сравниваемых лет.
Сопоставление распределения и величин первичной продукции, рассчитанных по убыли фосфатов, показывает, что в целом для моря прин — ципиальных межгодовых различий ни в характере распределения, ни в величинах продукции нет (рис. 8). В северной части моря в эти годы выделяется один и тот же район повышенной продуктивности, расположенный южнее банки Кашеварова, с величинами первичной продукции до 90 г Сорг/м2 в 1949 г. и до 70 г Сорг/м2 в 1988 г. По-видимому, вследствие особенностей структуры поля течений "шлейф" вод с высокими величинами первичной продукции (50-60 г Сорг/м2) из этого района прослеживается в 1949 г. в южном направлении вплоть до 49о с.ш., а в 1988 г. - в восточном до 151о в.д. Еще один высокопродуктивный район с величиной продукции до 80 г Сорг/м2 выделяется в 1949 г. восточнее впадины Дерюгина. Продуктивность западнокамчатских вод в эти годы была примерно одинаковой - от 20-30 до 50 Сорг/м2. В южной части моря существенных межгодовых различий в распределении и уровне первичной продукции не прослеживается, за исключением прикурильского района, где в 1949 г. первичная продукция была несколько выше, чем в 1988 г., соответственно - 30-40 и 10-30 г С /м2.
орг
Расчет первичной продукции по убыли кремния дал в целом схожую картину распределения, но со значительно меньшими величинами продукции (рис. 8). В северной части моря на фоне сравнительно однородного (10-30 г Сорг/м2) распределения первичной продукции восточнее северной оконечности Сахалина выделяется локальная область сравнительно повышенной продуктивности - до 40 г Сорг/м2. Такое же однородное распределение первичной продукции характерно в эти годы и для южной части моря, где величина первичной продукции изменялась от 10 до 30 г Сорг/м2. Наиболее заметное межгодовое различие прослеживается у юго-западной Камчатки, где в 1988 г. продукция была в два раза выше, чем в 1949 г., - соответственно 40 и 20 г С /м2.
орг
Сопоставляя оценки продуктивности, полученные по убыли фосфатов и кремния, нетрудно заметить в целом одинаковый характер распределения, совпадение в ряде случаев положений локальных областей повышенной продуктивности. В общем эти особенности прослеживаются и в межгодовом аспекте, но вследствие межгодовой изменчивости системы поверхностной циркуляции в основном в районах квазистационарных апвеллингов. Что касается величин первичной продукции, то при всей относительности полученных оценок следует признать, что принципиальные различия в уровне первичной продуктивности между "холодным" 1949 и "теплым" 1988 г. не выявлены.
Анализ химизма деятельного слоя Охотского моря в годы различного термического типа показал наличие существенных межгодовых различий как в распределении и величинах концентраций химических параметров, так и в характеристиках составляющих продукционного процесса. Основная сложность в интерпретации полученных результатов заключается в определении различий, имеющих многолетний характер и устойчиво присущих конкретному типу года. Однозначно ответить на этот вопрос, располагая материалами только двух рейсов, практически невозможно. Поэтому изложенное ниже следует рассматривать как предварительное обобщение.
Рис. 8. Распределение первичной продукции (гС /м2) по убыли фосфатов и кремния в 1949 (А, С) и 1988 гг. (В, D) °РГ
Fig. 8. Distribution of the primary production (gCor /m2) on a loss of phosphate and silicate at 1949 (A, C) and 1988 (B, D) °ГЭ
Наиболее обоснованно, как о проявлениях многолетней изменчивости, можно говорить только о тех различиях, которые проявляются во всем деятельном слое однонаправленно. Такие изменения достаточно отчетливо прослеживаются в структуре полей растворенного кислорода, фосфатов и менее отчетливо — кремния. Наиболее показательны в этом отношении южная часть моря и прикурильский район, где многолетние различия в распределении и концентрациях всех рассматриваемых характеристик вполне определенно прослеживаются в слое 0 — 200 м. Отчетливое проявление многолетних различий именно в этих (краевых) частях моря представляется вполне обоснованным, поскольку здесь происходит водообмен с океаном и именно сюда с течением Соя поступают япономорские воды. По мнению С.В.Бруевича (1952), одним из основных факторов, определяющих формирование биогенной основы продуктивности Охотского моря, является постоянный приток глубинных тихоокеанских вод через прол. Крузенштерна и спорадически - через прол. Буссоль (Добровольский, Тимонов, 1949). Естественно, межгодовая из-
994
менчивость обмена с океаном, изменения интенсивности поступления япономорских вод в южную часть моря отражаются и на структуре полей химических характеристик, и на величинах их концентраций во всем деятельном слое моря. Так, в 1949 г. в южной части моря содержание кислорода и кремния в слое 0-200 м было ниже, а фосфатов — выше, чем в 1988 г. Представляется, что основной причиной этих различий было интенсивное поступление тихоокеанских вод через проливы средних Курильских островов в Охотское море, что подтверждается распределением таких консервативных характеристик, как "преформы" фосфатов и силикатов. Оценить вклад япономорских вод не представляется возможным из-за несопоставимости схем съемок этой части моря в 1949 и 1988 гг. Следовательно, можно достаточно обоснованно утверждать, что многолетние изменения структуры полей и концентраций химических характеристик наиболее заметны в южной части моря и связаны с многолетней изменчивостью водообмена с Тихим океаном. В бассейне моря многолетние изменения однозначно проявляются в более низких концентрациях кислорода и кремния и более высоких - фосфатов в "холодные" по типу годы.
Достаточно определенно проявились межгодовые различия и в других факторах, определяющих развитие и интенсивность продукционного процесса, в частности такого важного, как продукционное отношение. Величина этой характеристики, зависящей от взаимоположения (глубин залегания) слоя сезонного скачка плотности и компенсационной поверхности, была в 1949 г. во многих районах моря наиболее близкой к оптимальной, чем в 1988 г. Это обстоятельство и предопределило более высокую в 1949 г. продукцию фитопланктона во многих районах моря -Сахалинском заливе, североохотском прибрежном, ямско-тауйском, вос-точносахалинском и некоторых других. Вполне возможно, что изменения в течение вегетационного периода продукционного отношения могут способствовать некоторому уравниванию продуктивности лет разного типа - "холодных" и "теплых".
Литература
Бруевич С.В. Отчет химического отряда // Отчет комплексной экспедиции на э/с "Витязь". Т. 1: Работа в Охотском море в 1949 г. - М.: АН СССР, 1952.
Гершанович Д.Е., Сапожников В.В. Основные физико-географические черты и биогенная основа биологической продуктивности Тихого океана // Биологические ресурсы Тихого океана - М.: Наука, 1986. - С. 7-36.
Гусарова А.Н. Кремний // Химия Тихого океана.- М.: Наука, 1966.
Добровольский А.Д., Тимонов В.В. Отчет гидрологического отряда // Отчет комплексной экспедиции на э/с "Витязь". Т. 1: Работа в Охотском море в 1949 г. - М.: АН СССР, 1952. - С. 24-55.
Кушинг О.Х. Морская экология и рыболовство. - М.: Пищ. пром-сть, 1979.
Матвеев В.И., Мороз И.Ф. Межгодовые тенденции в изменчивости гидрохимических условий в Охотском и Беринговом морях и сопредельных водах Тихого океана // Изв. ТИНРО. - 1997. - Т. 122. - С. 463-473.
Сапожников В.В. Использование расчетного параметра "преформ-фос-фаты" для выяснения основных закономерностей распределения фосфатов и кислорода на меридиональных разрезах в Тихом и Индийском океанах // Тр. ИО АН СССР. - 1967. - Т. 83. - С. 5-19.
Шунтов В.П. Межгодовая динамика в составе и структуре пелагических сообществ Охотского моря // Вестн. ДВО РАН. - 1995. - № 6. - С. 80-89.
Шунтов В.П., Дулепова Е.П. Современный статус и межгодовая динамика донных и пелагических сообществ экосистемы Охотского моря // Изв. ТИНРО. - 1996.- Т. 119. - С. 3-32.
Шунтов В.П., Радченко В.И., Дулепова Е.П., Темных О.С. Биологические ресурсы дальневосточной российской экономической зоны: структура донных и пелагических сообществ, современный статус, тенденции многолетней динамики // Изв. ТИНРО. - 1997. - Т. 122. - С. 3-15.
995
