Ю В Брянцева - Изменчивость структурных характеристик фитопланктона в черном море - страница 1

Страницы:
1  2  3 

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ ЮЖНЫХ МОРЕЙ им. А.О. КОВАЛЕВСКОГО

БРЯНЦЕВА Юлия Валентиновна

УДК 581.526.325(262.5)

ИЗМЕНЧИВОСТЬ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФИТОПЛАНКТОНА В ЧЕРНОМ МОРЕ

03.00.17 — гидробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Севастополь - 2000

На правах рукописи

Работа выполнена в Институте биологии южных морей им. А. О.Ковалевского НАН Украины, г. Севастополь

Научный руководитель   доктор биологических наук, профессор

Самышев Эрнест Зайнуллинович Институт биологии южных морей НАН Украины, заведующий отделом

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Сиренко Лидия Акимовна Институт гидробиологии НАН Украины, главный научный сотрудник

кандидат биологических наук, Рябушко Лариса Ивановна

Институт биологии южных морей НАН Украины, старший научный сотрудник

Ведущее учреждение      Одесский государственный университет

им. И. И. Мечникова, биологический факультет, Мини­стерство образования Украины, г.Одесса

Защита состоится «_»_2000 г. в_часов на заседании спе­циализированного ученого совета Д 50.214.01 при Институте биологии южных морей им. А.О. Ковалевского НАН Украины по адресу: 99011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии южных морей им. А. О. Ковалевского НАН Украины по адресу: 99011 , г. Севастополь, пр. Нахимова, 2.

Автореферат разослан «_»_ 1999г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета, кандидат биологических наук

Неврова Е. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Изменения в экосистеме пелагиали Черного моря, отмеченные с конца 60-х годов, сопровождались ухудшением экологической обстановки, вплоть до катастрофических ситуаций в его северо-западном регионе. Большинство ис­следователей объясняли происходящие перемены усилившимся антропоген­ным воздействием, наиболее существенными факторами которого были: уве­личение сброса загрязняющих веществ в море, зарегулирование стока рек и их сезонное перераспределение, что привело к изменению химического состава вод прибрежной зоны и, тем самым, состава биоты (Виноградов и др., 1992). В открытой части моря эти изменения считались не столь очевидными (Сапожни­ков, 1991; Виноградов и др., 1992; Георгиева, Сеничкина, 1996), но и здесь бы­ли отмечены признаки ее эвтрофикации (Брянцев и др., 1985, 1991), вызван­ные подъемом основного пикноклина и увеличением притока глубинных вод, обогащенных биогенными элементами, в верхние слои. Подъем пикноклина, в свою очередь, обусловлен безвозвратным водопотреблением и компенсирую­щим притоком средиземноморских вод (Брянцев, 1994).

Результаты исследований изменчивости характеристик фитопланктона -наиболее важного и, вместе с тем, наиболее уязвимого звена морских экоси­стем в этих условиях отражены в ряде работ (Bodeanu, 1984; Маштакова, Са-мышев, 1986; Сеничкина 1989, 1991; Нестерова, 1991; Виноградова, Василева, 1992; Виноградова и др., 1992; Зайцев, 1992; и т.д.). Проблема заключается в том, что очень трудно разделить влияние прямого загрязнения и воздействия опосредованные, влияющие на сообщества через изменение физико-химических параметров и протекающих на фоне широкой природной изменчи­вости гидробиологических процессов (Патин, 1982).

Актуальность проблемы. В результате целого ряда исследований гос­подствующим стало представление об антропогенной природе механизма усиления вегетации водорослей в 70-х - начале 80-х гг., а естественная со­ставляющая (физические и биотические факторы) оказалась выпавшей из рассмотрения. Вместе с тем с середины 80-х годов отмечена четкая тенден­ция снижения биомассы фитопланктона, как на западе, так и на востоке моря, что не согласуется с антропогенной гипотезой. Сопоставление многолетних изменений в планктоне Черного моря и других регионов Мирового океана, в частности, Северного моря, дали основание Л.Н. Грузову (Грузов и др., 1994; Грузов, 1994) предположить их общую природную (климатическую) причину. Таким образом, вопрос о причинах многолетних изменений в фитопланктоне Черного моря до сих пор остается открытым.

Кроме того, данные по фитопланктону Черного моря, как правило, соб­раны в отдельные месяцы года и в разных локальных участках, что ограничи­вает возможность их сопоставления. В связи с этим актуальным является ис­следование современного состояния фитопланктона на основе материалов, полученных нами при выполнении регулярных сезонных съемок севернойчасти Черного моря.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской темой отдела функ­ционирования морских экосистем ИнБЮМ НАН Украины: "Исследование меха­низмов и направленности изменений структурно-функциональных характери­стик основных компонентов пелагических экосистем морей умеренной и тропи­ческой зон в разных условиях среды с учетом антропогенного влияния" (1991­1995 гг.).

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - оценить со­временное состояние фитопланктона северной части Черного моря на основе изучения сезонных и многолетних изменений его структурных характеристик и выявить причины этих изменений.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать особенности сезонного развития фитопланктона в северной

части Черного моря по материалам съемок 1992-1993 гг.

2. Выявить основные тенденции в многолетних изменениях его структурных

характеристик.

3. Установить причины пространственных и временных изменений структур-

ных характеристик фитопланктона.

Научная новизна. Впервые получены подробные данные по фитопланк­тону обширной акватории северной части Черного моря в течение годового цикла, на основе которых создана компьютерная база данных. Совместно с В. Н. Никольским разработаны оригинальные программы для расчетов основ­ных параметров фитопланктона. На основе литературных данных создан спи­сок видов одноклеточных водорослей Черного моря с указанием соответст­вующих им фигур и формул для расчета объемов клеток. Проведен анализ статистического распределения численности фитопланктона в выделенных районах моря, соответствующих его естественным океанологическим зонам, и установлено, что распределение частот численности в них соответствует логнормальному закону.

Впервые получены значимые связи (с уровнем значимости < 0,05) меж­ду структурными характеристиками фитопланктона и океанографическими параметрами в глубоководной части Черного моря, показано отличие состоя­ния фитопланктона в зонах подъема вод по сравнению с сопредельными ак­ваториями. Показаны региональные особенности в сезонной и многолетней динамике отношения биомассы диатомовых водорослей к биомассе перидиниевых.

Впервые сопоставлены индексы атмосферных переносов с биомассой диатомовых и перидиниевых водорослей и получены значимые (с уровнем значимости < 0,05) связи между ними. Установлена разница в реакции фито­планктона в северо-западной и восточной частях моря на преобладающие атмосферные переносы а также оценен вклад естественной составляющей в дисперсию фитопланктона. Количественно подтверждено, что выявленные многолетние изменения в фитопланктоне открытых вод Черного моря обу­словлены суммарным воздействием природных и антропогенных факторов.

Практическая ценность. Банк данных по фитопланктону может быть использован для ретроспективного анализа, прогностических оценок, моде­лирования и включения в общий информационный банк данных Украины. Оригинальные программы, позволяющие с помощью компьютера рассчиты­вать основные параметры фитопланктона (при значительном сокращении процесса математической обработки данных), и список видов одноклеточных водорослей, использованы в ЮгНИРО (г. Керчь) и ИнБЮМ.

Личный вклад автора. Соискатель принимал непосредственное уча­стие в сборе и обработке проб фитопланктона в шести научно-исследовательских рейсах в 1992-1993 гг. Лично автором обработано 870 проб фитопланктона, создана база данных и список видов одноклеточных во­дорослей. Анализ и интерпретация полученных результатов выполнены авто­ром самостоятельно.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации пред­ставлялись на конференции "Проблемы промыслового прогнозирования" (Мурманск, 1992); на Международных конференциях: "Проблемы Черного мо­ря" (Севастополь, 1992), "Долговременные изменения в морских экосистемах" (Франция, Аркашон, 1995), «Актуальные проблемы альгологии» (Киев, 1999); на конференциях молодых ученых "Биология и рациональное использование гидробионтов, их роль в экосистемах" (Владивосток, 1993 и 1997), "Актуаль­ные проблемы ботаники и экологии" (Ялта, 1993); на IX научной конференции по промысловой океанологии (Калининград, 1993). Неоднократно докладыва­лись на коллоквиумах отдела функционирования морских экосистем ИнБЮМ НАНУ (1993 -1998 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них: 6 - статьи и 3 - тезисы.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 171 странице машинописного текста, состоит из введения, трех разделов, выводов, списка литературы (148 наименований). Текст иллюстрирован 33 таблицами и 42 ри­сунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Материалы, методы их сбора и обработки. При написании диссертации ис­пользованы как собственные данные по фитопланктону северной части Чер­ного моря (1992-1993 гг.), так и любезно предоставленные нам материалы многолетних наблюдений ЮгНИРО в северо-западной (1957-1989 гг.) и вос­точной прибрежной (1960-1989 гг.) частях Черного моря. Современные дан­ные получены в шести научно-исследовательских рейсах на судах Украинско­го научного центра экологии моря (УкрНЦЭМ, г. Одесса) при непосредствен­ном участии автора, (за исключением марта 1992 г). Часть проб была обрабо­тана сотрудниками ИнБЮМ и УкрНЦЭМ. Регулярные комплексные съемки обширной акватории (42020'-46030'N и 030000'-041000'E), продолжительностью 20-25 суток каждая, были выполнены по единой сетке станций в марте, мае, июле, сентябре, ноябре 1992 г. и в феврале 1993 г.

Пробы фитопланктона отбирали 30-литровым пластиковым батометром "Niskin" с горизонтов, соответствующих уровню освещенности 100, 46, 25, 10 и

1% от поверхностной на станциях I разряда, и со стандартных - 0,10,25,50 и 100 м - на станциях II разряда. Пробы фитопланктона не сгущали (кроме май­ской съемки) и обрабатывали непосредственно после отбора в "живой капле" объемом 0,1 мл под микроскопом "БИОЛАМ Р-16" при увеличении 200 х.

Для представителей золотистых водорослей (Chrysophyta) с размерами < 10 мкм и всех криптофитовых водорослей (Cryptophycae) использовали дан­ные эпилюминисцентной обработки, выполненной в тех же рейсах С. А. Мурзо-вым. В ноябре 1992 г. использовали собственные результаты счета под световым микроскопом.

Методы сбора и обработки проб, полученных в экспедициях ЮгНИРО в период с 1957 по 1989 гг., были сходными во все исследованные месяцы (февраль-март, май, июнь, июль, август). Пробы отбирали батометром Нан­сена на стандартных горизонтах - 0,10,25,50 и 100 м, фиксировали формали­ном, сгущали осадочным методом и обрабатывали под световым микроско­пом. Определение биомассы фитопланктона в этот период выполнено счет­но-весовым методом.

Методы исследований и анализа результатов. Совместно с В. Н. Ни­кольским были разработаны оригинальные программы для персонального компьютера, позволяющие выполнять расчеты основных параметров фито­планктона: объем клеток (мкм3), численность (млн.кл./м3) и биомассу (мг/м3) отдельных видов, таксономических и функциональных групп по любым задан­ным горизонтам, а также средневзвешенные в слое.

Классификация всех видов по комплексам и стадиям сукцессии, выявле­ние доминирующих видов в комплексах, построение сезонных календарей для видов-доминантов выполнены по методике Л. А. Виноградовой, принятой в УкрНЦЭМ (Виноградова и др., 1979). При сукцессионном анализе сопоставляли только первые 8 комплексов, а 9-ый комплекс рассматривался отдельно. Ос­тальные отделы водорослей (комплексы с 10-го по 14-ый) отнесены к "прочим" и специально в данном исследовании не анализировались.

В исследованных районах рассчитаны как средние значения обилия, так и суммарный запас водорослей в 50-метровом слое воды. Для характеристики сукцессионного состояния фитопланктона использован цифровой индекс Мей-ера и Диро (Meire, Dereu, 1990), предложенный дополнительно к методу сопос­тавления кривых численности и биомассы (сокращенно - ABC метод), впервые использованный Р. Варвик для выявления нарушений в структуре сообщества (Warwick, 1986, 1987):

ABC = I (Bi - Ni)/W, (1.1)

где Bi и Ni - накопленные проценты биомассы и численности i первых по поряд­ку видов, а W - общее число видов. Положительные значения индекса характе­ризуют нарушенные сообщества, а отрицательные - ненарушенные. Реализа­ция метода выполнена с помощью пакета программ "ЭКОС", разработанного в МГУ А. И. Азовским. Поскольку при исследовании фитопланктона этот метод ранее не применялся, то в данном случае индекс АВС характеризует «равно­весное» (+ АВС) или «неравновесное» (- АВС) состояние фитопланктона ус­ловно. При этом оба состояния мы рассматриваем как нормальные, не выхо­дящие за рамки природных. Для характеристики видовой структуры сообщест­ва мы использовали индекс видового разнообразия Симпсона, чувствительного к обилию самых массовых видов (Одум, 1986), поскольку он наиболее подхо­дит для характеристики сообщества по доминирующей группе видов (в случае несгущенных проб). При анализе многолетней изменчивости фитопланктона были взяты значения биомассы диатомовых и перидиниевых водорослей, ко­торые в меньшей степени подвержены разрушению при фиксации формали­ном. На их основе рассчитаны индексы разнообразия Шеннона.

Для выявления характера изменений и их тенденции использовали метод кумулятивных кривых (Гирс,1971). Состояние атмосферы представлено инте­гральными характеристиками, а именно - индексами атмосферных переносов (АП). Типизация атмосферных переносов выполнена на основе количествен­ных оценок по методике В.А. Брянцева (Брянцев, 1990). В качестве наиболее общего индекса природных воздействий использовали среднегодовое значе­ние приземного атмосферного давления на акватории Черного моря. Из фак­торов антропогенного воздействия рассматривали влияние отъема и сезонного перераспределения речного стока, количественное выражение которого (q) представляет собой значение безвозвратного водопотребления в бассейне, являющегося разницей между естественным и фактическим пресным стоком в км3 (Николенко, Решетников, 1991). Суммарное воздействие природного и ан­тропогенного факторов в виде единого индекса (Е) получено путём сложения значений Аоо и q после нормирования обоих рядов по амплитуде. При анализе связей биомассы фитопланктона с атмосферными переносами использовали адаптивный корреляционный анализ, в процессе которого рассчитывались скользящие оценки взаимных корреляционных функций и осуществлялся их прогноз методом экспоненциального сглаживания  (Ковальчук, Янкаускас,

1987).

ДОПОЛНЕНИЯ К МЕТОДИКАМ

Расчет объемов клеток одноклеточных водорослей. Для вычисле­ния объема одноклеточных водорослей использовали общепринятый метод "истинного объема", (Киселев, 1956). Предварительно потребовалось систе­матизировать имеющиеся литературные данные. В результате был создан список видов водорослей, с указанием соответствующих им фигур и формул для расчетов объема клеток. В компьютерной программе использовано 12 формул, учитывающих все встретившиеся нам формы. Для расчета объема клеток некоторых диатомовых и перидиниевых водорослей, имеющих слож­ную форму, использовали коэффициенты объемной полноты, предложенные Л.Г. Сеничкиной (Сеничкина, 1986 а,б, 1983).

Анализ статистического распределения численности фитопланкто­на в выделенных районах Черного моря. Для сравнительного анализа се­зонной динамики основных характеристик фитопланктона было необходимо выделить районы, уточнить их границы, а также провести анализ статистиче­ского распределения обилия фитопланктона в них, поскольку осреднение ка­ких-либо параметров будет репрезентативным при распределениях, близких к нормальному закону. При этом мы исходили из предположения, что числен­ность фитопланктона в Черном море имеет неравномерное распределение, что подтвердилось при построении гистограмм. В основу выбора районов по­ложен принцип соответствия их основным естественным океанологическим зонам. Были выделены: глубоководные - центральный (ЦГ), восточный при­брежный (ВП), южный прибрежный (ЮП) и мелководный - северо-западный (СЗ) районы. Анализ распределения численности фитопланктона в указанных районах показал, что они соответствуют логнормальному закону.

Расчет среднего обилия и суммарного запаса фитопланктона в Черном море. Приводимые в научной литературе оценки запаса фитопланк­тона в Черном море не сопровождались указаниями на их точность и досто­верность (Кондратьева, Белогорская, 1961; Сеничкина и др., 1991), что вызы­вает естественное сомнение в возможности сопоставления этих данных. Рас­чет среднего обилия и суммарного запаса водорослей в Черном море выпол­нен с помощью метода площадей в модификации А.Г. Архипова и Л.А. Ко­вальчука (Архипов и др., 1992), по формуле:

где Н - суммарное количество клеток или суммарная биомасса фитопланкто­на в трофогенном слое всего моря.

ші± Amiy - средневзвешенная численность (млн.кл./м3) или средневзве­шенная биомасса (мг/м3) фитопланктона в среднем для і-го района;

Y - доверительная вероятность

Si - площадь района i; k - число районов; hi - толщина трофогенного

слоя.

Средневзвешенные значения численности и биомассы определялись по стандартной весовой методике. Пересчет статистик трансформированных выборок (min, о in) в статистики исходных выборок (m, а) выполнен по форму­лам Эйтчинсона (Aitchinson, Brown, 1969) в модифицированном изложении (de la Mare, 1994).

Сезонная сукцессия фитопланктона в Черном море и ее региональ­ные особенности в 1992-1993 гг.

В данном пункте рассматриваются особенности сукцессии в различных районах Черного моря на основе литературных данных. Большое разнообра­зие биотопов в Черном море определяет многообразие в развитии водорос­лей и в сукцессионных процессах. В фитопланктоне присутствуют представи­тели всех комплексов, но их соотношение и состав доминирующих видов зна­чительно варьирует в сезонном и региональном аспектах.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

Ю В Брянцева - Изменчивость структурных характеристик фитопланктона в черном море

Ю В Брянцева - Индекс формы одноклеточных водорослей как новый морфометрический критерий

Ю В Брянцева - Сезонные изменения состояния фитопланктона в центральной части черного моря в 1992-1993 гг

Ю В Брянцева - Состояние фитопланктонного сообщества в районе керченского пролива в августе 2009 года