= ХИМИЯ МОРЯ
УДК 551.465,551.463.8,579.68(268.45),581.132
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ГЛУБОКОВОДНЫХ КОТЛОВИНАХ КАСПИЙСКОГО МОРЯ
© 2015 г. Е. А. Серебренникова, В. В. Сапожников, Л. А. Духова
Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии, Москва
e-mail: havana345@mail.ru Поступила в редакцию 22.04.2014 г.
На основе информации, полученной за 18 лет в ходе ежегодного мониторинга и дополненной архивными данными, рассмотрены особенности многолетней изменчивости различных гидрохимических характеристик глубоководных котловин Каспийского моря. Показано влияние развития гипоксии и сероводородного слоя на положение слоя нитратного максимума и содержание нитратов в нем. Путем изучения изменчивости вертикальных распределений гидрохимических показателей выявлены некоторые определяющие факторы для выноса биогенных веществ из фотического слоя и их накопления в придонных горизонтах. Данные 2013 г., среди прочего, выявили уникальные особенности каспийского прибрежного апвеллинга, что позволит в дальнейшем избежать занижения оценок продуктивности вод Среднего Каспия.
DOI: 10.7868/S0030157415020161
ВВЕДЕНИЕ
Каспийское море — уникальный водный объект, изолированный от Мирового океана, что делает его уязвимым для естественных и искусственных внешних воздействий. Одним из наиболее показательных индикаторов состояния экосистемы этого водоема оказывается уровень моря, в частности, современное высокое стояние уровня указывает на пониженную соленость поверхностного слоя и усиление стратификации водной толщи [7].
На протяжении последнего столетия этот водоем и его бассейн подвергались различным внешним воздействиям, в том числе антропогенным [9, 11, 13, 14]. Поэтому была разработана комплексная схема и регулярно осуществляется мониторинг, который позволяет получать информацию о современном состоянии Каспийского моря. Полученные результаты, среди прочего, характеризуют процессы взаимосвязанных изменений уровня моря, гидрологической и гидрохимической структур вод в глубоководных котловинах Каспия.
Последние годы ярко выражена тенденция к обеднению фотической зоны за счет интенсивного выноса биогенных веществ в придонные горизонты. Слабое конвективное перемешивание приводит к обострению гипоксии в глубинных водах и накоплению сероводорода в придонном слое. Недостаток кислорода также вызывает постепенное уменьшение мощности слоя нитратного максимума и снижение содержания нитратов в нем, как это отмечено в 2010—2013 гг. [3].
Помимо абиотических составляющих существенный вклад в формирование гидрохимиче-
ской структуры вод вносят и живые организмы. В течение десятилетий фитопланктонное сообщество Каспийского моря прошло через ряд масштабных перемен. Например, такие последствия регулирования стока как зимние паводки и изменение состава растворенных и взвешенных веществ в речных водах [5] способствовали доминированию в общей биомассе фитопланктона вида-вселенца Рзеи^8о1еп1а са1сат-ау1$ с 1960-х и до недавнего времени. Последние годы наметилась тенденция к новой перестройке фитоценоза Каспийского моря благодаря увеличению биомассы других видов фитопланктона [6].
Целью настоящего исследования гидрохимических условий глубоководной части Каспийского моря является комплексное изучение динамики среды обитания водных организмов и факторов, определяющих ее изменчивость в масштабе нескольких лет.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Основным методическим подходом к изучению современного состояния и многолетних изменений среды обитания гидробионтов Среднего и Южного Каспия является ежегодный гидролого-гидрохимический мониторинг по системе квазиширотных разрезов, проходящих через максимальные глубины обеих котловин.
Для изучения изменчивости гидрохимических показателей были использованы данные, полученные за последние 80 лет. Самая ранняя из рассмотренных комплексных съемок глубоководных участков моря была выполнена в 1934 г. под руко-
-26.0
1933
1943
1953
1963
1973
1983
1993
2003
2013
Рис. 1. Ход уровня Каспийского моря с 1930 по 2013 гг. с указанием времени проведения экспедиций: 1934, 1973, 1976, 1983 и 1995-2013 гг.
водством Бруевича [2] и приходилась на период высокого стояния уровня (рис. 1). На годы наиболее сильного обмеления Каспийского моря пришлись две комплексные экспедиции в 1973 и 1976 гг. В период подъема уровня была выполнена комплексная гидролого-гидрохимическая съемка в 1983 г. На современном этапе высокого стояния уровня экспедиции в глубоководные районы моря проводятся практически ежегодно в рамках совместной программы экологического мониторинга Каспийского моря ФГУП "ВНИРО" -ФГУП "КаспНИРХ" (1996-2011 гг.) и ФГУП "ВНИРО" — Институт Океанологии РАН им. П.П. Ширшова (2012-2013 гг.).
С учетом последних экспедиционных данных оценка изменений гидролого-гидрохимической структуры Каспийского моря проводится на основании многолетней динамики содержания растворенного кислорода и минеральных форм биогенных элементов - азота (нитратного, нитрит-ного и аммонийного), фосфора и кремния. В годы высокого стояния уровня в глубинных водах котловин Среднего и Южного Каспия отмечается понижение содержания кислорода, поэтому с 2006 г. в придонных горизонтах отбирались пробы воды для определения концентрации сероводорода. В 2013 г. определение содержания сероводорода проводилось спектрофотометрическим методом [8], в предыдущие годы применялся метод обратного титрования. Кроме того, в 2013 году в слое предполагаемой границы сероводородного слоя частота отбора проб по глубине была увели-
чена для более детального изучения гидрохимии вод на этих горизонтах. Все анализы были проведены в судовой лаборатории непосредственно после отбора. Графическая обработка материалов выполнена с использованием программ Microsoft Excel, Golden Software Surfer 11, Golden Software Grapher 8.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Имеющиеся экспедиционные данные дают представление о состоянии экосистемы Каспийского моря как для периода высокого уровня (1934 г., настоящее время), так и для периода низкого уровня (1973 и 1976 гг.) (рис. 1). Кроме того, практически непрерывный 18-летний ежегодный мониторинг позволяет отследить тренды развития экосистемы Каспийского моря, выделив их на фоне циклической изменчивости климатических факторов.
Многие исследователи проводят параллели между Каспийским и Черным морями. Поскольку одной из основных черт Черного моря является обширнейшее сероводородное заражение, закономерным выглядит повышенное внимание к динамике содержания растворенного кислорода в глубоководных котловинах Каспия. После резкого подъема уровня к 1995 г. до отметки —26.5 м (рис. 1) началось постепенное усугубление гипоксии в глубинных водах Среднего и Южного Каспия. В придонном слое Дербентской котловины на глубине 780 м уже в 1995 г. концентрация кислорода
200 -
400 -
600
800
мл/л мл/л
24680 2468
О,
H2S
200-
400
600
800
1000
1—-1-1-1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Н2$, мл/л Н2£, мл/л
Рис. 2. Вертикальное распределение концентраций растворенного кислорода и сероводорода в августе-сентябре 2013 г. в точках максимальных глубин Дербентской (слева) и Южно-Каспийской (справа) котловинах.
не превышала 0.4 мл/л [13]. В последующие годы концентрация кислорода у дна приближалась к нулю, а в 2003-2004 гг. были отмечены следы сероводорода. В 2006 г. гипоксия отмечалась уже с глубины 400 м, а ниже 550 м содержание кислорода было близким к точности метода. Тогда же была надежно определена концентрация сероводо-
рода в придонном слое Среднего Каспия, составившая 0.06 мл/л [12].
В настоящее время, несмотря на падение уровня Каспия до -27.67 м к 2011 г., анаэробная зона у дна постепенно разрастается, и толщина сероводородного слоя уже достигла 150-200 м (рис. 2). Концентрация сероводорода в 2013 г. достигла в Южном Каспии 0.32 мл/л на глубине 980 м [3]. В Среднем Каспии у дна на глубине 780 м была зарегистрирована концентрация сероводорода 0.36 мл/л, что превышает наблюдения 1933— 1934 гг.: максимально зафиксированное содержание сероводорода тогда составило 0.29 мл/л [2].
Параллельно с этим, усиливается вынос биогенных веществ за пределы фотического слоя. Например, в период низкого уровня в центральной части Среднего Каспия на поверхности в августе фиксировалось до 0.8-1.2 цМ фосфора, сейчас концентрация фосфатов значительно понизилась и в летний сезон не превышает 0.1-0.2 цМ. В анаэробных придонных водах, напротив, произошло накопление фосфатов до 2.7 цМ и кремния до 180 цМ (рис. 3а, 3б). Концентрация нитратов образует максимум 13.5 цМ на промежуточных глубинах 200-400 м, а затем снижается до нуля в придонных водах. В бескислородном слое восстановленная форма азота, ионы аммония, присутствует в концентрациях 3-4 цМ (рис. 3в) [3].
Подобные тенденции обусловлены не только климатическими, но и антропогенными изменениями, в частности, влиянием зарегулирования большей части стока, что сказывается не только на режиме поступления пресных вод, но и на их
(а) 81, мкМ
40 80 120 160 200 0
(б)
Р-РО4, мкМ 1 2
(в)
N-N03 и N-NH4, мкМ 3 0 4 8 12
200
400
600
800
800
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .111 ^■^N-N03
- \ 200 - N. 200
- \ 400 - \ 400
- 600 - \ 600 * 1
800
Рис. 3. Вертикальное распределение концентраций минеральных форм кремния (а), фосфора (б) и азота (в) в Среднем Каспии (в самой глубокой точке - 788 м) в 2013 г.
1934 2010 2011 2013
N-N0^ мкМ N-NO3, мкМ N-NO3, мкМ N-NO3, мкМ
Рис. 4. Вертикальное распределение нитратов в разные годы в самой глубокой точке Южного Каспия (пунктирная линия соединяет точки максимальных концентраций нитратов).
гидролого-гидрохимических характеристиках [10]. Например, зимой, когда идет активная выработка электроэнергии на ГЭС, сбрасывается порядка 30—35% пресного стока. Эти воды, формирующие зимние паводки, распространяются по акватории Северного и Среднего Каспия, создавая условия для более раннего, более продолжительного и более интенсивного цветения диатомовых водорослей. Поскольку эти водоросли не потребляются следующими звеньями трофической цепи, после отмирания они опускают
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.