МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 574.55 (282.256.1)

Лапин Сергей Александрович

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

ГИДРОЛОГО-ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ОБСКОЙ ГУБЫ КАК ОСНОВА ОЦЕНКИ ЕЕ

БИОПРОДУКТИВНОСТИ

Специальность 25.00.27 — гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва -

Работа выполнена в лаборатории морской экологии Всероссийского НИИ рыбного хозяйства и океанографии (ФГУП "ВНИРО")

Научный руководитель: Сапожников Виктор Вольфович доктор географических наук, профессор

Официальные оппоненты: Фащук Дмитрий Яковлевич доктор географических наук Кочиков Виктор Николаевич кандидат географических наук

Ведущая организация: Институт океанологии РАН им.П.П. Ширшова (г. Москва)

Защита состоится 29 марта 2012 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, ауд. 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова на 21 этаже.

Автореферат разослан февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук Савенко В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.

Актуальность.

Обская губа (эстуарий р. Оби) – замыкающий водоем бассейна р. Оби, в котором расположены крупнейшие промышленные центры России, загрязняющие сток широким спектром промышленных и бытовых отходов, включая химические и нефтяные. В этой связи роль природного потенциала Обской губы и ее способность к самоочищению трудно переоценить. С другой стороны, сам водоем является ценнейшим и самым крупным в мире местообитанием сиговых пород рыб. Таким образом, в Обской губе за тысячелетия сложилась уникальная экологическая система, позволяющая не только очищать загрязненную антропогенным воздействием воду, но и поддерживать богатую естественную среду. В последние годы резко возросло внимание государства к разработке углеводородного сырья, которым очень богаты как берега губы, так и недра под ее акваторией. Это обстоятельство еще больше увеличивает и без того существенную нагрузку на уникальный водоем, более того, мы стоим на переломном рубеже, когда каждое решение по вмешательству в экосистему этого региона, может стать непоправимым. К сожалению, Обская губа изучена слабо, работы, проводившиеся в разное время, фрагментарны и не объединены единым методическим и научным подходом. В этой связи, комплексные исследования процессов, происходящих в Обской губе, имеют крайне важное значение.

Цели и задачи исследования.

Цель работы состояла в изучении закономерностей пространственновременной изменчивости гидролого-гидрохимических характеристик Обской губы, как основы для понимания процессов, формирующих ее биологическую продуктивность. Для достижения поставленной цели было необходимо решить ряд задач, основными из которых являлись:

- исследование распределения гидрологических и гидрохимических параметров (температуры, солености, кислорода, биогенных элементов и др.) на акватории Обской губы в различные сезоны;

- районирование акватории губы на гидролого-гидрохимической основе;

- оценка кислородного режима водоема и условий формирования гипоксии;

- изучение закономерностей биогенной обеспеченности и условий формирования первичной продукции.

Научная новизна.

Впервые проведено комплексное гидролого-гидрохимическое исследование большей части акватории Обской губы; в рамках одного сезона открытой воды прослежено пространственное изменение основных характеристик, свойственных как этапу высоких, так и низких вод.

фронтальной зоне в условиях сильной вертикальной стратификации, характерной для периода высоких вод, и изменения, происходящие при падении стока.

Впервые изучены продукционно-деструкционные процессы на акватории губы, как в период пика фотосинтеза, так и в период его затухания.

Впервые исследована обеспеченность биогенными элементами различных частей акватории Обской губы с целью оценки биологической продуктивности ее вод.

Защищаемые положения в формировании биологической продуктивности Обской губы, пик которой приходится на половодье, доминирующую роль играет речной сток.

во фронтальной зоне на этапе высокой воды идет активная регенерация биогенных элементов, которая оказывает существенное влияние на процесс первичного продуцирования и меняет традиционные представления о гидрохимическом составе вод губы и биогенном стоке в Карское море.

формирование первичной продукции в «речной» части губы определяется предвегетационным запасом биогенных элементов, а лимитирует фотосинтез минеральный азот.

наиболее продуктивной частью Обской губы является область, примыкающая к речной границе фронтальной зоны, и находящаяся под ее периодическим воздействием.

предложено районирование акватории Обской губы по условиям формирования биологической продуктивности (первичной продукции).

Практическое значение.

Полученные результаты дают четкое научное представление о процессах, происходящих в Обской губе на этапах различной водности, и могут являться научной основой для разработки и принятия любых хозяйственных решений и программ, касающихся вопросов управления данным природно-хозяйственным комплексом.

Учет полученных автором выводов при работах, предполагающих изменения в принципиальных составляющих существующего экологического равновесия в Обской губе, позволит избежать необратимых управленческих ошибок (подобных плану осуществления прорези в Обском баре для прохода крупнотоннажного флота, перевозящего сжиженный природный газ).

Фактические материалы.

В работе проведен анализ результатов экспедиционных исследований ФГУП «ВНИРО» в Обской губе в разные сезоны за период 2006-2010 годов.

Основу для диссертационного исследования составили материалы двух комплексных экспедиций, проведенных на большей части ее акватории в период открытой воды летом и осенью 2010 года, организатором и участником которых был автор.

Апробирование работы.

Результаты исследований были представлены на IV международной конференции «Морские прибрежные экосистемы. Водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки» (Южно-Сахалинск, 2011), на XY конференции по промысловой океанологии (Светлогорск, 2011), на научных семинарах и межлабораторных коллоквиумах ВНИРО (2010, 2011), кафедры гидрологии суши МГУ (2011).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ: 3 из них – в рецензируемом журнале, определенном ВАК (в том числе одна в печати) и 3 - тезисы докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 128 страницах, включающих 13 таблиц, 51 рисунок. Список литературы включает 125 работ, в том числе 11 работ зарубежных авторов.

Автор выражает глубочайшую признательность своим коллегам по экспедициям в Обской губе, чей труд и мужество способствовали появлению этой работы, а также своему учителю и наставнику - В.В. Сапожникову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава содержит физико-географическую характеристику Обской губы и бассейна реки Оби. Свой современный облик Обская губа приобрела в результате голоценовой трансгрессии, когда воды Карского моря затопили русло и пойму Оби. Термоабразия и размыв торфяных берегов обусловили значительное расширение низовья ее долины, а углубление происходило за счет термического воздействия реки. Данные процессы продолжаются в губе и в настоящее время - современные скорости опускания ее берегов оцениваются в 4 мм в год. Обская губа - гигантский водоем длиной около 800 км, шириной 30км, максимальная его глубина не превышает 28-30 метров, но на большей части акватории колеблется в диапазоне 10-15 метров. Общая площадь составляет 40800 км2, а объем - 400 км3. Согласно современным научным классификациям Обская губа - это эстуарий лиманного типа, микроприливной, сильностратифицированный. В пресноводной своей части в период высоких вод он напоминает реку, а низких – водохранилище или озеро. Область контакта с солеными водами Карского моря (фронтальная зона) подвижна, а ее речная граница смещается на юг к концу зимы до 300 км. Обская губа практически целиком находится в пределах тундровой зоны. Период под ледоставом в среднем составляет около 9 месяцев в году. Гидрологический режим в период открытой воды зависит от большого количества факторов и если при прохождении волны половодья определяющим является речной сток, то при его падении резко возрастает значение метеорологических составляющих – ветров и связанных с ними нагонов-сгонов, амплитуда которых может достигать 3-4 метров.

Определяющее значение для гидрологического режима Обской губы и процессов, в ней происходящих, имеет р. Обь, которая поставляет в губу большую часть стока (75,8%) из 530 км3. Главной спецификой бассейна р. Оби является гигантский водосбор, площадью 2770000 км2, 75% которого сильно заболочена, что, при наличии незначительных уклонов у рек бассейна в его равнинной части, приводит к высокой степени природной зарегулированности стока. Таким образом, р. Обь принадлежит к рекам с растянутым весеннелетним половодьем. Начиная с октября и далее в течение всей зимы, река питается в основном грунтовыми водами, а ее сток в это время резко сокращается. Многолетняя мерзлота в рамках бассейна присутствует в тундровой зоне, в то время как сильно заболоченная лесостепная и таежная часть бассейна находится вне ее распространения, и в меженный период поставляет в русло р. Оби богатые железом и органическим веществом (ОВ) воды.

динамичным режимом в рамках двух подсистем, речной и морской, каждой из которых свойственны свои характерные особенности, особенно ярко проявляющиеся в период открытой воды.

Во второй главе приводятся сведения об изученности Обской губы.

Отмечается, что большинство проводимых в Обской губе исследований прошлых лет носили узковедомственный характер, отличались пестротой и слабой совместимостью методических подходов.

Работы ГУ «ААНИИ» в Обской губе в 70-80-е годы прошлого века можно отнести к наиболее значимым гидрологическим исследованиям устьевой области р. Оби. Были проведены подробные исследования водного баланса и гидрологического режима устьевой области, дана оценка ледового режима и его специфики на базе многолетней практики ледовых разведок, предприняты первые попытки исследований района гидрологического фронта. Работы А.Н.

Васильева, В.В. Иванова, Ю.В. Налимова, В.П. Русанова, В.М. Смагина, В.В.

Станового и других по праву являются отправной точкой для исследователей данного региона.

ИО РАН свои исследования сфокусировал на изучении структуры фронтальной зоны в области смешения морских и речных вод в Обской губе и добавил к ним очень важный биологический блок, заключающийся в изучении сообществ трофической цепи: бактеро-, фито-, зоопланктона и бентоса.

ГЕОХИ РАН на базе 6 международных экспедиций в бассейне Карского моря в период с 1995 по 2003 гг. на НИС "Академик Петров" провел серию биогеохимических исследований, которые получили развитие в ряде работ Э.М.

Галимова и О.В. Степанца с соавторами, а также В.В. Гордеева.

Однако, недостатками работ ИО РАН и ГЕОХИ, которые акцентировали свое внимание в основном на прибрежных морях, являлось то, что в самой Обской губе (главным образом вдоль фарватера) располагалась крайне редкая цепочка станций отбора проб на гидрологические, гидрохимические и гидробиологические показатели. Еще более принципиальным недостатком данных исследований являлось то, что они проводились в осенний период, как правило, в сентябре, на конечной стадии спада волны половодья, когда процессы, вызываемые прохождением высоких вод, а также пик биологической активности в губе (прежде всего, за счет фотосинтетической деятельности фитопланктона) были уже на завершающей стадии. Таким образом, принципиально отличный по режиму летний этап оставался вне внимания исследователей, а полученные для этапа осеннего перемешивания и затухания активности биологических процессов результаты переносились на весь период открытой воды. Необходимо отметить объективные трудности при проведении работ в данном регионе: суровые климатические условия, отсутствие значимой инфраструктуры (дорог, поселений) и пр. Все это подводит нас к констатации исследований Обской губы.

В третьей главе рассмотрены использованные материалы и методики.

Настоящая работа основывается на результатах комплексных гидрологогидрохимических исследований ФГУП «ВНИРО» в центральной части Обской губы от порта Ямбург (67°55' с.ш.) до мыса Трехбугорный (69°05' с.ш.) в различные сезоны 2006 - 2009 годов и на большей части акватории Обской губы от мыса Парусный (68°21' с.ш.) до мыса Дровяной (72°40' с.ш.) в период высоких и низких вод безледного сезона 2010 года (рис. 1).

15 августа–03 сентября 05-21 декабря 25 апреля – 02 июня 04 августа-20 сентября 14 августа–03 сентября 05-20 ноября 14 августа–27 сентября 10 ноября - 08 декабря Рис. 1. Карта района и периоды исследований Обской губы в 2006-2010 гг.

(точками обозначено местоположение комплексных станций) Определение температуры и солености (минерализации) проводились зондированием толщи воды с использованием СТD-зондов (фирмы FSI, США), измерение прозрачности - посредством диска Секки. Пробы воды отбирались батометром Van Dorn с двух или более горизонтов, в зависимости от вертикальной структуры вод. Химико-аналитические определения проводились сразу же после отбора проб в экспедиционной судовой лаборатории.

Перечень определяемых гидрохимических показателей включал в себя:

растворенный кислород, кремний, рН, минеральный фосфор, азот нитритный, нитратный и аммонийный, а также органические формы азота и фосфора, железо, первичную продукцию, концентрацию хлорофилла "а". Все определения проводились согласно методам, регламентированным общепринятым руководством [Руководство по химическому анализу морских и пресных вод, 2003 г.].

[Винберг, 1960]. Экспозиция проб в летний период составляла 24 часа, а в осенний – светлое время суток. Определение содержания хлорофилла “a” проводили флуориметрическим методом [Strickland, Parsons, 1968].

соотношения, рассчитанные для природных популяций диатомового планктона, Виноградова С:Si:N:P=83:35.5:9:1 и Свердрупа С:Si:N:P=92.6:36.9:14.9:1, которые позволяют рассчитать первичную продукцию (С) по формулам:

Виноградов: ППSi= Si•83•12/35.5 Свердруп: ППSi= Si•92.6•12/36. где ППSi, ППN – первичная продукция, рассчитанная по убыли кремния (Si) и суммарного минерального азота (нитратов, нитритов и аммония) (N) в поверхностном слое в мгС/м3, соответственно; 12 – атомный вес углерода.

пространственно–временной изменчивости гидролого-гидрохимических характеристик Обской губы. Главенствующая роль здесь принадлежит гидрологическому режиму губы. Его специфика и особенности отражены картами распределения температуры и солености в акватории Обской губы в период открытой воды: высоких вод (летом – рис. 2) и низких (осенью – рис. 3).

Прежде всего, необходимо сказать несколько слов о применяемом в работе понятии периода открытой воды, то есть в буквальном смысле периоде, когда в Обской губе отсутствует ледовый покров. Гидрологически этот этап вмещает в себя большую часть волны половодья - от высоких вод в момент освобождения акватории губы ото льда до низких вод короткой осенней межени перед ледоставом. Процессы, происходящие в губе в период открытой воды при большой и низкой воде, несмотря на то, что отделены друг от друга небольшим временным промежутком, имеют сильно отличающийся характер, что влечет за собой и различие в специфике всех происходящих в губе процессов.

В Обской губе происходит соприкосновение двух первичных водных масс - речной и морской, образующих зону смешения, южная часть которой занимает северную часть губы, а северная уходит далеко в устьевую зону приемного водоема (Карского моря). Таким образом, в рамках собственно Обской губы можно выделить две большие области с подвижными границами.

Первая – это «речная» область, лишенная контакта с солеными морскими водами, процессы в которой, главным образом, определяются речным стоком.

Вторая, которая в настоящей работе условно названа «морской», представляет собой часть зоны смешения (фронтальной зоны), ограниченной с юга на своей речной границе изогалиной солености (минерализации) в 0.5‰. Между этими двумя большими областями располагается промежуточная область, испытывающая периодическое влияние со стороны фронтальной зоны, посредством ветровых нагонов и приливов. Уровни минерализации вод здесь выше, чем в речной области, но ниже, чем в морской и колеблются в диапазоне 0.1-0.5‰.

Исходя из изложенных условий, для периода открытой воды Обскую губу можно условно разделить на следующие части: «речную», простирающуюся приблизительно до мыса Хонарасаля (7120' с.ш.), «морскую» - севернее траверза мыса Штормовой (около72с.ш.) и промежуточную между ними.

Каждой из этих частей присуща своя специфика.

В летний период высокого стока (рис. 2) «речной» части губы присуща Рис. 2. Распределение температуры (Т°С) и солености (S‰) в летний сти столба воды внутри струи). В «морской» отмечается устойчивая стратификация вод, при которой по четко выраженному галоклину движется поток пресных или слегка осолоненных вод. Параметр стратификации n (отношение разницы придонной и поверхностной солености воды к ее среднему значению), рассчитанный для фронтальной зоны, составляет около двух единиц, что соответствует очень сильной стратификации вод.

Осенью (рис. 3) с уменьшением объема стока вдвое, влияние обского потока ослабляется и возрастает роль атмосферных факторов, вызывающих интенсификацию сгонно-нагонных процессов. В конечном итоге это приводит к высокой степени перемешанности вод губы. В «речной» части, которая в этот период становится похожей на водохранилище или озеро, исчезает эффект струйности, а во фронтальной зоне в южной и восточной частях отмечается высокая степень перемешанности вод разного генезиса с постепенным увеличением солености с юга на север.

Рис. 3. Распределение температуры (Т°С) и солености (S‰) в осенний Параметр стратификации во фронтальной зоне южнее обского порога