ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. Ширшова РАН

На правах рукописи

УДК 574.583

СЕРГЕЕВА

Валентина Михайловна

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

ФИТОПЛАНКТОНА В МОРЯХ ЗАПАДНОЙ АРКТИКИ (в Чукотском море и море Бофорта) 03.02.10 – гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2013

Работа выполнена в Лаборатории экологии планктона Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН

Научный руководитель доктор биологических наук Флинт Михаил Владимирович

Научный консультант кандидат биологических наук Суханова Ирина Николаевна

Официальные оппоненты:

Ильяш Людмила Васильевна, доктор биологических наук Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет им.

М. В. Ломоносова»

Дружкова Елена Ивановна, кандидат биологических наук Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Мурманский морской биологический институт Кольского научного центра РАН

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН

Защита диссертации состоится 19 декабря 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 002.239.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П. П. Ширшова РАН по адресу:

117997, г. Москва, Нахимовский проспект, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.

П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский проспект, 36.

Автореферат диссертации разослан 18 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Г. Г. Николаева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

В настоящее время высокоширотные пелагические экосистемы вызывают у морских биологов все больший интерес. Главным образом, это обусловлено заметным влиянием современных климатических изменений в Арктике. Следствием этих изменений стало сокращение площади ледового покрова арктического бассейна, изменения характера стратификации водной толщи и продолжительности периода вегетации. Такая значительная трансформация гидрофизических условий может повлечь за собой перестройку фитопланктонного сообщества как чувствительного компонента пелагических экосистем. В свою очередь изменения структуры фитопланктонного сообщества, являющегося первичным звеном трофической системы, будут определять качественный состав и количество доступных ресурсов для более высоких трофических уровней в арктическом регионе.

Чукотское море с его широким шельфом, занимающим около 6% всей шельфовой зоны Арктики, и прилегающие к шельфу более глубоководные северные области представляют собой уникальный район. Благодаря связи с Северной Пацификой через Берингов пролив, климатический сигнал на чукотском шельфе, предположительно, хорошо выражен и должен распространяться на глубоководные районы Арктики через взаимодействия в системе шельф – глубокий бассейн. Среднегодовой расход воды на чукотский шельф с юга составляет 0,8 Sv. Более теплые воды беринговоморского происхождения ускоряют сход льда весной и задерживают формирование ледового покрова осенью. Также, беринговоморские воды обеспечивают Чукотское море аллохтонными биогенными элементами, взвешенной и растворенной органикой, которые вовлекаются в местные продукционные циклы. Первичная продукция Чукотского моря оценивается от 20 до более чем 400 гС/м2/год. Такой разброс уровня продуктивности происходит за счет большой неравномерности распределения фитопланктона, и на фоне первичной продукции в среднем около 0,78 гС/м2/сутки выделяются области, где продуктивность вырастает до 8-9 гС/м2/сутки.

Несмотря на то, что исследования фитопланктона Чукотского моря начались еще в 30-х гг. прошлого века, немногочисленные работы не охватили такие труднодоступные районы, как континентальный склон и глубоководную часть Чукотского моря и моря Бофорта, а также каньон Барроу, лежащий между этими морями и играющий важную роль в обмене между шельфовой и глубоководной областями. Использованный в ранних работах материал чаще всего охватывал очень небольшой временной интервал, и, как правило, не имел достаточно хорошего пространственного разрешения.

Таким образом, пространственно-временная организация фитопланктонного сообщества в морях Западной Арктики, одного из ключевых регионов Северо-Ледовитого океана в наибольшей степени подверженного современным климатическим изменениям, была до настоящего времени изучена далеко не достаточно, что определяет актуальность данной работы.

Основной целью работы является исследование пространственно-временных изменений фитопланктонного сообщества в Беринговом проливе, Чукотском море и море Бофорта, и их связи с факторами среды.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Описать таксономическую структуру фитопланктона и выделить виды и/или комплексы видов, характерные для разных сезонов в районе исследования.

2. Оценить количественные показатели фитопланктона, их сезонные изменения в разных областях акватории и вклад в эти показатели разных сезонных комплексов фитопланктона.

3. Выявить закономерности пространственного распределения сезонных комплексов и количественных характеристик фитопланктона на фоне межгодовых и сезонных изменений гидрофизических и гидрохимических параметров среды.

Научная новизна.

Настоящая работа представляет собой первое комплексное исследование фитопланктонного сообщества Чукотского моря и моря Бофорта, охватывающее последовательно 3 года и весенний и летний периоды, выполненное современными методами и дополненное детальными гидрофизическими и гидрохимическими наблюдениями. Впервые для этой акватории дано детальное описание структуры фитопланктонного сообщества и проведена оценка пространственной, межгодовой и сезонной изменчивости видового состава и обилия водорослей. Выявлены параметры среды, определяющие мезомасштабную изменчивость пространственного распределения фитопланктона. Получены новые представления о сезонном развитии водорослей в разных районах исследованной акватории в зависимости от сочетания гидрофизических и гидрохимических условий водной толщи.

Практическая значимость работы.

Данная работа дает новые представления о закономерностях пространственного распределения фитопланктона в весенний и летний периоды в Беринговом проливе, Чукотском море, море Бофорта и в каньоне Барроу, лежащего между этими морями.

Результаты работы могут быть использованы при определении биопродуктивности исследованного района, и прогнозе ее изменений для оценки возможного влияния климатического сигнала на пространственно-временную изменчивость пелагической экосистемы в этих морях. Результаты работы также могут быть использованы в лекционных курсах об организации арктических экосистем.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на итоговой конференции по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология» (Москва, 2008); на международной научной конференции "Многофазные системы", I этап (НИС «Академик Сергей Вавилов», 2010); на XIII Международной научной конференции диатомологов «Диатомовые водоросли: современное состояние и перспективы исследований» (Борок, 2013), на ученом совете Направления экологии морей и океанов ИО РАН; а также на коллоквиумах Лаборатории экологии планктона Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2008гг.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых журналах и четверо тезисов.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 136 страницах и включает в себя следующие разделы:

Введение, Обзор литературы, Океанографические условия и Основную часть, состоящую из 3-х глав, Заключение, Выводы, Список литературы и Приложение. Работа иллюстрирована 40 рисунками и 11 таблицами. Список литературы включает источников, в том числе 70 – на иностранных языках.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор литературы содержит три раздела. Первый раздел главы посвящен истории исследований фитопланктона в Чукотском море, Беринговом проливе и в прилегающих областях. Обобщение полученных в более ранних работах характеристик фитопланктона позволяет выделить несколько сезонных комплексов: ранневесенний, поздневесенний, летний и зимний, а также комплекс ледово-неритической флоры. Во втором разделе главы рассматриваются количественные характеристики ледовой флоры и фитопланктона в разные сезоны, дающие представления о неравномерности распределения численности и биомассы фитопланктона и о вкладе доминирующих видов в количественные оценки.

Третий раздел главы посвящен анализу данных о продуктивности ледовой флоры и фитопланктона в районе исследований.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использован материал, собранный в шести экспедициях, проведенных в 2002-2004 гг. (табл. 1, рис. 1).

Табл. 1. Объем материала.

Исследованная акватория включала районы Берингова пролива, Чукотского моря и моря Бофорта в координатах от 149° до 16939 з. д. и от 65°37 до 73°41 с.ш. Площадь акватории составила около 330 тыс. км2.

АЛЯСКА АЛЯСКА

АЛЯСКА

Пробы воды отбирали в разные гидрологические сезоны: весной 2002 и 2004 гг. и летом 2002, 2003 и 2004 гг. при разной выраженности ледового покрова (от 0 до 90%).

Также, в осеннее время 2004 г. в каньоне Барроу, было отобрано еще 8 проб.Пробы отбирали 30-литровыми батометрами Нискина комплекса Rosette. Всего на 173 станциях было отобрано 414 проб. В весенний период было выполнено 47 станций, в летний период - 122 станций, осенью – 4 станции. В 2002 г. практически на всех станциях и в 2003- гг. на части станций пробы отбирали с двух горизонтов: из верхнего слоя (2-3 м) и слоя максимума флуоресценции, который часто совпадал с верхней частью пикноклина. На 2-х станциях весной 2002 г., на 4-х станциях летом 2002 г. и на 4-х станциях летом 2003 г.

воду отбирали только из верхнего горизонта. На остальных станциях были проведены вертикальные сборы по 3-8 горизонтам (рис. 1) с учетом вертикального распределения солености, температуры и флуоресценции.

Пробы воды объемом 130 мл без предварительной концентрации фиксировали раствором люголя и до обработки хранили в холодильнике. Перед обработкой пробы отстаивали и декантировали, доводя их объем до 1-2.5 мл. Обработку вели под микроскопом Leica DLMB при увеличениях х100, х200 и х400. Подсчет клеток фитопланктона проводили во всей пробе с использованием камер Нажотта (объем 0. мл) и Наумана (объем 1 мл). При обработке не учитывали группу мелких флагеллят 20 мкмоль, фосфатов >1,5 мкмоль, силикатов >30 мкмоль [Walsh, 1989; и др.].

Аляскинское прибрежное течение характеризуется низким, близким к аналитическому нулю, содержанием нитратов и фосфатов, силикаты могут достигать значений 10 мкмоль, что связано с влиянием речного стока (р. Юкон) [Walsh, 1989]. Между Анадырскими водами и Аляскинским прибрежным течением в проливе располагаются воды, поступающие с беринговоморского шельфа, для которых характерны промежуточные показатели солености, температуры и концентрации биогенных элементов.

Высокое содержание нитратов, фосфатов и силикатов в водах чукотского шельфа отражают адвекцию обогащенных биогенными элементами Анадырских вод и вод с беринговоморского шельфа, которые в зимний сезон низкой биологической активности попадают в более глубоководные северные районы арктического бассейна [Coachman et al., 1961; и др.]. Маркерами этих зимних вод могут служить низкая температура (1,5 мкмоль) [McLaughlin et al., 2004]. Анализ полученных гидрофизических и гидрохимических данных над шельфом, континентальным склоном и в глубоководной части Чукотского моря показал, что в летний сезон глубина верхней границы залегания слоя холодных, богатых биогенными элементами вод имела не только межгодовую и сезонную, но и пространственную изменчивость и располагалась на глубинах от 16 до 150 м.

Вертикальная структура водной толщи и районирование исследованной акватории.

На исследованной акватории наблюдалась заметная пространственная изменчивость характера вертикального распределения солености и температуры. Основываясь на полученных параллельно со сбором фитопланктона характерных вертикальных профилях гидрофизических и гидрохимических параметров и их сезонных изменений, мы выделили 5 районов (рис. 3), в пределах которых сохранялись основные черты вертикальной структуры водной толщи: I. Берингов пролив и прилегающий чукотский шельф, далее по тексту, Берингов пролив; II. центральный мелководный чукотский шельф (с глубинами 33 psu наблюдалось наибольшее содержание биогенных элементов: нитратов 9-17 мкмоль, фосфатов 1,6-