Ю М Гаргопа - Климатические изменения экосистем южных морей в условиях антропогенных воздействий - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 556.551.45:551.513

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ ЮЖНЫХ МОРЕЙ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Ю. М. Гаргопа

Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН Институт аридных зон Южного научного центра РАН

Несмотря на антропогенные воздействия климатообразующие факторы, а также сток рек (в последние 50 - 60 лет являющийся не только продуктом климата, но и в некоторой степени интегральным показателем уровня и характера хозяйственной деятельности на водосборе), ко­торым свойственна квазицикличность в значительной мере, определяют развитие экосистем южных морей (главным образом их режима, планктонных и донных сообществ). Устойчивая сме­на знаков аномалий в многолетних колебаниях характеристик гидрометеорологических режимов южных морей, связана со сменой макроциркуляционных эпох в 1950 - 1960-х гг. (типа Wна Е) и в 1970 - 1980-х гг. (типа Е на W).

Ключевые слова: атмосферная циркуляция, южные моря, климатические изменения, режим, биота, антропогенные воздействия

Введение

Общей чертой южных морей является повышенная зависимость их режимов от квазицикли­ческих колебаний климатообразующих процессов и стока рек (Q). Поэтому необходимость ана­лиза, выявления физической сущности, закономерностей, квазипериодичности и сопряженности процессов, происходящих в морских экосистемах под влиянием климатообразующих процессов применительно к южным морям в условиях антропогенных воздействий весьма актуальна.

Материалы и методика анализа

Достижение цели осуществлялось на основе принципов системного и межсистемного анали­зов, системной экологии, бассейнового, межбассейнового и регионального подходов, с примене­нием методов математической статистики. В качестве показателей атмосферной циркуляции (АЦ) в Северном полушарии принята типизация синоптических процессов Г.Я. Вангенгейма, пред­ставленная в виде западной (W), восточной (E) и северной (C) форм [1]. Использованы опублико­ванные в печати материалы наблюдений за АЦ, стоком рек, элементами водного баланса, морс­кой средой и биотой, режимом термики, ветра, уровня моря.

Влияние речного стока и атмосферной циркуляции на абиотические и биотические элементы в условиях антропогенных воздействий

Реакция уровня (Н) и солености (S) - интегральных характеристик состояния южных морей, а также других абиотических и биотических параметров на колебания стока рек (Q) и АЦ в целом схожа. Установлено, что, несмотря на рост антропогенных воздействий, общей чертой южных морей и в последние 50 - 60 лет остается решающее влияние на их режим квазициклических колебаний речного стока и атмосферной циркуляции [2 - 7]. При этом наиболее существенна на колебания Q и АЦ реакция самого маленького на планете моря - Азовского.

Соленость Азовского и Черного (0 - 200 м) морей и Северного Каспия является результатом воздействия суммарного стока рек за рассматриваемый год и 3 - 7 предшествующих лет. При этом реакция S на Q максимальна для Азовского моря (г = -0,90...-0,97). Несколько меньше (г = -0,74...-0,76) она у солености Северного Каспия и средней солености поверхностного слоя (0 - 200 м) открытой части Черного моря. Уровень южных морей возрастает в многоводные годы и понижается в маловодные. Оценка, выполненная для H Каспия (ГМС Баку), показала положи­тельную и статистически значимую корреляцию с годовым Q Волги (г = 0,32) и максимальную с ее суммарной водностью за рассматриваемый и 3 - 5 предшествующих лет (г = 0,74...0,80).

Процесс формирования в Азовском море режима биогенных веществ определяется главным образом стоком рек во взаимодействии с ветром и температурой. Так, растворенные в воде азот, фосфор, кремнекислота находятся в прямой зависимости, (г = 0,45 - 0,63) от объема стока рек за рассматриваемый и соответственно за 3, 5 - 9, 2 - 5 предшествующих лет. На первичную продук­цию органического вещества наиболее существенное влияние также оказывает речной сток (г = 0,69) в сочетании с температурой и динамикой вод (г = 0,30.0,44), хотя воздействию ветро-

СОСТОЯНИЕ ЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯвой активности свойственна противоречивость и неоднозначность как и в отношении биогенных элементов. Биомассы фитопланктона и зоопланктона Азовского моря находятся в положитель­ной зависимости (г = 0,31.0,65) от стока рек за рассматриваемый год и 2 - 6 предшествующих. У биомассы зообентоса зависимость от речного, наоборот, отрицательна и определяется его объе­мом за рассматриваемый и 5 - 7 предшествующих лет. Причем максимальна она для Таганрогс­кого залива (г = -0,86), а для собственно моря лишь приближается к статистически значимой (г = -0,31.-0,47). Влияние ветровой активности и температуры воды в целом положительно для биомасс фитопланктона и зоопланктона (г = 0,35.0,46), а для биомасс зообентоса статистичес­ки не значимо. Статистический анализ и моделирование зависимости многолетней динамики уловов, запасов и промыслового возврата поколений проходных и полупроходных рыб Азовского моря от аналогичных изменений стока рек показали наличие между ними весьма существенной положительной согласованности (г = 0,40 - 0,96). При этом корреляция уловов и запасов осетро­вых рыб максимальна в основном с суммарным годовым, весенним и летним стоком рек за пред­шествующие 4 - 6, 9 - 12 и более лет, а полупроходных рыб - преимущественно за 3 - 6 лет [2 - 7].

Влияние АЦ на среду и биоту, включая популяции рыб южных морей противоречиво и нео­днозначно. В частности, рыбопродуктивность Азовского моря возрастает в периоды развития западной формы АЦ (г = 0,72), а в годы повышения повторяемости восточной - уменьшается (г = -0,58). Влияние северного типа менее определенно. Первичная продукция органического ве­щества (ПП ОВ), биомассы фитопланктона и зоопланктона Азовского моря возрастают в перио­ды развития западной и северной форм АЦ (г = 0,30.0,68), а в годы доминирования восточной -понижаются (г = -0,44.-0,69). Биомасса зообентоса Таганрогского залива и собственно Азовс­кого моря, а также Северного Каспия, наоборот, в годы развития макропроцессов W и C понижа­ется (г = -0,37...-0,73), а в периоды доминирования Е - возрастает (г = 0,44...0,71).

Биомасса зоопланктона Северного Каспия понижается в условиях роста повторяемости форм Е и С (г = -0,48 - 0,57), а при доминировании макропроцессов западного типа увеличивается (г = 0,46 - 0,55). Развитие северной формы АЦ вызывает понижение биомассы фитопланктона Черного моря (г = -0,45 - 0,66), а доминирование восточной, наоборот, ее рост (г = 0,40 - 0,72). Влияние западной формы на биомассу фитопланктона неоднозначно и неопределенно и прибли­жается к статистически значимому (г = -0,35) лишь для восточной части Черного моря. Биомасса кормового зоопланктона северо-западной части Черного моря повышается в случаях развития формы С (г = 0,43) и понижается (г = -0,47) в периоды доминирования формы Е. Влияние формы W статистически незначимо и неопределенно.

Численность бактериобентоса и бактериопланктона в Азовском море в периоды развития форм W и С возрастает (г = 0,41...0,67), а в годы доминирования макропроцессов Е - понижается (г = -0,61.-0,70). Численность сапрофитовых бактерий в воде и донных отложениях в годы рос­та частоты появления макропроцессов западного типа понижается (г = -0,38.. .-0,51).,а в периоды преобладания восточного несколько увеличивается (г = 0,36.0,41). Влияние северной формы АЦ на численность сапрофитовых бактерий в донных отложениях, как и в воде, неоднозначно и статистически незначимо.

Биомасса Mnemiopsis leidyi имеет слабую тенденцию к возрастанию в случае развития зимой восточного типа АЦ. Более выражена эта тенденция в случаях, когда указанная форма доминиру­ет в весеннее и летнее время. Однако, усиление частот появления макропроцессов Е в осеннее время, наоборот, способствует уменьшению биомассы гребневика в Азовском море. Слабая тен­денция ее понижения прослеживается в случае развития в весеннее и летнее время форм W и С. Более выражена она в случае роста частот появления северного типа макропроцессов в холодное время года появления в Азовском море гребневика.

Выполненные ранее исследования [2 - 7] показали, что сток рек и пресный баланс (N) Азовс­кого моря в годы роста частот появления западной и северной форм АЦ увеличиваются, а в периоды усиления повторяемости восточной уменьшаются. Соленость соответственно понижа­ется (г = -0,73) и возрастает (г = 0,74). При этом изменение знаков аномалий форм АЦ опережают последующие соответствующие изменения знаков аномалий элементов N и S на периоды от 1 - 2 до 2 - 5 лет. Современное распреснение Азовского моря до 11 - 10 и менее вызвано, главным образом, развитием в холодное время последних 15 - 20 лет западной и в меньшей степени север­ной форм атмосферной циркуляции. В отличие от солености Азовского моря, средняя соленость поверхностного слоя (0 - 200 м) открытой части Черного моря, возрастает при развитии формы С (г = 0,75.0,90), а также W (г = 0,62.0,89). В случаях доминирования Е она понижается (г = -0,80... -0,93). Максимум корреляции приходится на суммарную частоту появления форм АЦза рассматриваемый и 3 - 7 и более (8 - 20) предшествующих лет. Объясняется это тем, что сток рек (главным образом Дуная) в Черное море и его пресный баланс возрастают в годы увеличе­ния повторяемости формы Е (г = 0,45.. .0,59), а в периоды доминирования типов C и W примерно в той же мере уменьшаются.

Реакция Н Каспия и S северной его части на типы макропроцессов схожи с откликом подоб­ных характеристик Азовского моря. Водность реки Волги возрастает при усилении частот появ­ления формы W (г = 0,39.0,52) и понижается (г = -0,38.-0,53) в случае доминирования типа Е + С. В годы развития западной формы уровень Каспия повышается (г = 0,72...0,80), а соле­ность его северной и в меньшей степени средней и южной (слой 0 - 800 м) частей понижается (соответственно г = -0,69.-0,71 и г = -0,34.-0,53).

Влияние типа С на уровень Каспия и соленость его северной части выражено слабее и лишь в комбинациях с формой W (W + C) ощутимо (соответственно г = 0,64...0,71; г = -0,69...-0,71). Эффект воздействия восточного типа (Е) противоположен (г = -0,61...-0,72; г = 0,67...0,68). Для солености вод (0 - 800 м) Среднего и Южного Каспия он, как и для Северного, положителен, но статистически вдвое меньше (г = 0,32..0,39). Развитие макропроцессов W способствует пониже­нию солености как поверхностных вод Южного Каспия (г = -0,45.-0,48), глубинах 100 (г = -0,49.-0,53) и 800 (г = -0,33.-0,34) м. Влияние формы С на соленость Среднего и Южного Каспия отличается меньшей определенностью и преимущественно статистически не значимо.

Впервые сделана попытка оценить связь многолетних изменений концентраций биогенных веществ в Азовском море с колебаниями АЦ. Установлено, что усиление повторяемости западной формы АЦ способствует слабому, статистически не значимому понижению содержания общего и органического азота в водах Азовского моря, более значительному снижению содержания аммо­нийного азота и минерального фосфора (г = -0,44...-0,57). В то же время происходит рост концен­траций нитритов и нитратов (г = 0,33.0,51), фосфора общего и органического, а также раство­ренной кремнекислоты (г = 0,47.0,61). При северной форме АЦ происходит понижение концен­траций аммония (г = -0,57.-0,69), слабое уменьшение содержания минерального фосфора (г = -0,17.-0,21), некоторое, статистически незначимое увеличение содержания кремнекислоты (г = 0,13), более ощутимый рост нитратов (г = 0,39.0,45) и особенно, повышение концентраций общего и органического фосфора (г = 0,66.0,67). Следовательно, реакция растворенных в водах Азовского моря биогенных веществ на опосредованное воздействие (через такие гидрометеоро­логические характеристики как речной сток, соленость, ветер, температура воды, ледовый режим и др.) форм W и С в основном схожа. Последствия же воздействий на различные виды биогенных веществ восточного (Е) типа макропроцессов, преимущественно, противоположны последстви­ям воздействия западного и северного. Его доминирование вызывает несущественный рост об­щего и органического азота (г = 0,22), более значительное увеличение содержания аммонийного азота (г = 0,69) и фосфатов (г = 0,41), ощутимое понижение концентраций общего и органическо­го фосфора (г = -0,63.. .-0,66), а также нитритов (г = -0,56), менее существенное снижение концен­траций кремнекислоты и нитратов (г = -0,34.-0,39). Восточная форма АЦ способствует росту (г = 0,77) концентраций общего фосфора в донных отложениях. Падение же его содержания про­исходит в условиях доминирования северной формы (г = -0,86). Роль западной формы неодноз­начна. Отклик концентраций общего азота в целом противоположен реакции общего фосфора и выражен слабее, составляя для формы Е-г = -0,42: для формы С-г = 0,34: для формы W = 0,36. Концентрация органического углерода в донных отложениях Азовского моря возрастает (г = 0,70) в периоды доминирования западного и северного типов макропроцессов (г = 0,60) и, наоборот, понижается (г = -0,54) в условиях усиления частоты появления восточного.

Интенсивность деструкции органического вещества в водной толще и скорость оборачиваемо­сти соединений азота возрастает при увеличении повторяемости западного типа макропроцессов (г = 0,48.0,54) и уменьшается (г = -0,44.-0,46) в условиях доминирования восточного. В отно­шении оборачиваемости соединений фосфора четких статистических связей ее с интенсивнос­тью развития различных форм АЦ не выявлено. Можно лишь отметить слабо выраженную тен­денцию ее понижения (г = -0,31) в условиях роста частот появления северного типа макропроцес­сов.

Сопряженность многолетних колебаний атмосферной циркуляции, элементов водного баланса и океанологических характеристик в XX и начале XXI вв.

Для годовой повторяемости процессов типа W c конца XIX и до начала XXI вв. характерен отрицательный тренд (80 дней или 50 %), а для Е - положительный (86 дней или 80 %). В много­летних колебаниях частот появления формы С прослеживается слабая тенденция к уменьшению

эпохи атмосферной циркуляции

 (12 дней или 12 %). Для современного периода (последние 15 - 17 лет) свойственна необычная, ранее не наблюдавшаяся близость к норме годовых повторяемостей всех трех форм АЦ, сниже­ние их вариабельности (особенно W и E) при аномальном развитии в холодное и, особенно,

зимнее время года макропроцессов W, в меньшей степени С и резком уменьшении частоты появления Е.

Со второй полови­ны 1970-х гг. ХХ в. для южных морей ха­рактерно повышение уровней, вызванное климатообусловлен-ным ростом пресного баланса, а для Азово-Черноморского бас­сейна и эвстатичес-ким подъемом уровня Мирового океана вследствие глобально­го потепления (рису­нок).

Климатообуслов-ленный рост стока р. Дунай (от 194 км3/год в 1840 - 1920 гг. до 214 км3/год в 1961 - 2002 гг. ) стал одной из главных причин подъема уровня Чер­ного моря за после­дние 50 лет примерно на 15 см (1,5 - 2 мм/

год), [10 - 12, 14]. В

работах [11, 13] выяв­лены заметные трен­ды в изменениях мно­гих гидрометеороло­гических характерис­тик в бассейне р. Ду­най. В 1974 - 2002 гг.

возросла температура воздуха и воды, увели­чилось количество ат­мосферных осадков, смягчились ледовые условия и, несмотря на водозабор на хозяй­ственные нужды и по­тери на испарение с поверхности водохра­нилищ, увеличился сток воды Дуная. Од­новременно с этим в последние десятиле­тия участились экст­

эпохи атмосферной циркуляции

в)

18

16

14

12

10

S4.H.,

20,0

19,9

- 19,8

19,7

19.6

- 19,5

19,4

19,3

J>  Л?  J1 >

Е+С

(?   & $

w+c

годы

эпохи атмосферной циркуляции

Многолетние колебания: а) - притока речных вод в Черное (1), Каспийское (2 - р. Волга) и Азовское (3) моря; б) - уровня Каспийского моря (1), соле­ности Северного Каспия (2); в) - солености Черного (1) и Азовского (2) мо­рей; эпохи атмосферной циркуляции (типизация Г.Я. Вангенгейма)ремальные гидрологические явления на Дунае, например, значительные весенне-летние полово­дья отмечались в 1980, 1981, 1988, 1999, 2005 гг. Катастрофические паводки наблюдались в 2002 (август) и особенно в 2006 гг. (март - июнь), когда экстремальное половодье превысило на Ниж­нем Дунае исторические максимумы. Для Азовского моря также характерно повышение уровня, но с заметным ускорением в последние 40 - 45 лет [12].

С конца XIX до начала ХХ в. уровень Каспия (ГМС Баку) сохранял положение в среднем около 25,8 м абс. (период развития формы W + C). Общее снижение уровня с 1900 по 1977 г., вследствие преобладания макропроцессов типа Е, составило 3 м. С 1978 по 1995 г. Н, вследствие доминирования западной формы АЦ, повысился на 2,5 м (до 26,54 м абс.), а в последние 15 лет (1997 - 2011 гг.) понизился на 0,5 - 0,8 м, оставаясь, как и в Азово-Черноморском бассейне, на высоких отметках (-26,69.-27,37 м абс.) (рисунок).

В колебаниях стока р. Волга установлен климатообусловленный тренд роста (на 36,4 км3 или 15 %) от 231 до 268 км3/год. В последние десятилетия наблюдается и повышение водности рек бассейна Азовского моря (главным образом р. Кубани), особенно в холодное время года. Приток речных вод в 2000 - 2006 гг. в среднем составил около 38 км3/год, т. е. почти на уровне естествен­ного периода. В изменениях же весеннего стока рек четко прослеживается тенденция главным образом антропогенного сокращения (на 2,8 км3, или 22 %). Кроме этого, сток рек в 2007 - 2011 гг. в среднем составил 28 - 30 км3/год, что на 9 - 10 км3/год меньше, чем в предшествующие семь лет. Тем не менее, Азовское море остается в распресненном состоянии (около 10,5 при минимуме 9,3 в 2006 г. и максимуме - 11,3 в 2011 г.). Для Каспия также как и для Азова вследствие маловодья рек его бассейна характерны тенденции понижения уровня и роста солености [9].

Достаточно выраженные до второй половины 1970-х и середины 1980-х гг. положительные тренды в многолетних колебаниях солености Азовского моря (1,1; 0,6 %о) и Северного Каспия (1,4; 1,1 %о) с максимумами осолонения соответственно в 1976 (13,8 %о) и 1977 (10,4 %о) гг. для последних 50 - 55 лет близки по абсолютным величинам, но сменились с положительных на отрицательные (соответственно - 1,9 и 1,3 %о). Для периода с 1977 г. они составляют -2,5 и -2,4 %о. При этом время наступления наибольшего распреснения Азовского моря (до 10 - 11 %о) и Северного Каспия (до 6 - 8 %о) близки (соответственно с 1993 и 1990 гг.).

Тренд в многолетних колебаниях солености поверхностного слоя (0 - 200 м) открытой части Черного моря до середины 1980-х гг. ХХ в. соизмерим по абсолютной величине с трендом, уста­новленным для солености Азовского моря в этот период (0,6 %о), но в силу намного большей инерционности водной массы и определенной противоположности их реакций на различные типы АЦ отрицателен (-0,5 %о). Как показано на рисунке, распреснение Черного моря, начавшееся с середины 1960-х гг., продолжалось, по крайней мере, до начала второй половины 1990-х гг., с вероятным сохранением этой тенденции в дальнейшем.

Для многолетних колебаний температуры воздуха и ветровой активности над акваторией Азов­ского моря характерны в первом случае положительный тренд (~1,5 °С), а во втором отрицатель­ный (~1,5 - 2,0 м/с). В многолетних (с середины 1920-х гг.) колебаниях температуры поверхност­ного слоя воды, даже мелководного Азовского моря до конца ХХ вв. четких признаков глобально­го потепления не обнаружено. Положительный тренд, соизмеримый со стандартными отклоне­ниями был установлен лишь для весенних характеристик (0,8 - 0,9 °С). Для других сезонов и года в целом изменения температуры воды существенно им уступают. Последующие годы оказались преимущественно аномально теплыми, особенно в летний период. В целом для температуры при­брежных поверхностных вод восточной части Азовского моря относительно выраженные при­знаки глобального потепления (главным образом природного происхождения и в меньшей степе­ни - антропогенного) установлены в годовом отношении для ГМС Таганрог, Ейск и Темрюк (0,6 - 1,2 °С), в летний период - для ГМС Темрюк (1,1 °С), в зимний - для ГМС Темрюк и Ейск (0,7 - 1,2 °С). Признаки выраженного потепления (в годовом отношении для ГМС Мысовое, Геническ, Бердянск, Мариуполь положительные тренды в период с 1920-х до 2007 г. включитель­но, находятся в пределах 0,8 - 1,1 °С) установлены и для прибрежных вод Украины [8].

Резко выраженная ветровая депрессия и потепление вод привели к уменьшению степени тур­булентного перемешивания, росту вертикальной устойчивости вод и первичного продуцирова­ния, ухудшению кислородного режима и другим следствиям.

Современные климатические условия формирования режима и биопродуктивности Азовского моря и других морей Юга России в основном все же благоприятны (относительно повышенная водность рек, распреснение морей, сравнительно «холодные зимы»). К неблагоприятным клима-тообусловленным факторам можно отнести резко выраженную ветровую депрессию и с некото­рой долей неопределенности потепление вод в целом и, особенно в летнее время, которые спо­собствовали ухудшению кислородного режима. К негативным относится рост зимнего стока рек и сокращение весеннего, имеющего наиболее важное значение для воспроизводства рыбных за­пасов.

В многолетних колебаниях первичной продукции органического вещества Азовского моря выделяется период пониженных ее значений до 1987 г., включительно, и период повышенных примерно в 1,5 раза величин в дальнейшем, в значительной мере обусловленный сменой характе­ра АЦ (с Е на W), увеличением стока рек, резко выраженной с 1988 г. ветровой депрессией, повышением температурного фона. Обращает на себя внимание, понижение сырой массы греб­невика в Азовском море (на 6 млн. т или 25 %), в определенной мере связанное с ростом повторя­емости в весенне-летнее время комбинированной формы W + C и уменьшением частот появления макропроцессоров типа Е.

Для биомассы фитопланктона в Азовском море прослеживается преимущественно климатоо-бусловленная тенденция уменьшения в 1,5 раза, для биомасс зоопланктона тенденции уменьше­ния выражены более четко (в 2 - 3 раза). Вызвано это, вероятно, главным образом выеданием (начиная с 1988 г.) особенно летом планктонных животных гребневиком Mnemiopsis leidyi. Но в последние годы прослеживается рост биомасс фито и в меньшей степени зоопланктона связан­ный главным образом с климатическими причинами. В многолетних изменениях биомассы зоо-бентоса Азовского моря наблюдается, отражающая изменения характера АЦ, слабая тенденция понижения (на 71 г/м2 или 17 %).

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Ю М Гаргопа - Климатические изменения экосистем южных морей в условиях антропогенных воздействий