Н А Берлинский - Проблемы антропогенного эвтрофирования и развития гипоксии в северо-западной части черного моря - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 574. 632 (262.5)

 

Н. А. Б Е Р Л И Н С К И Й, Г. П. Г А Р К А В А Я, Ю. И. Б О Г А Т О В А

 

ПРОБЛЕМЫ АНТРОПОГЕННОГО ЭВТРОФИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ГИПОКСИИ В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ

Рассмотрены этапы изучения влияния речного стока на процессы развития антропогенного эвтрофирования и гипоксии в северо-западной части Черного моря. Показано, что на современном этапе речной сток не является единственным источником биогенных веществ в северо-западной части Черного моря. Большую роль в динамике биогенных веществ этого региона играют процессы, протекающие в контактных зонах моря: "река - море", "море - атмосфера", "придонный слой - донные отложения" и "берег - море".

Основной задачей первых работ, проводившихся на Одесской биологической станции, а затем и в ОФ ИнБЮМ, было изучение мелководной северо-западной части Черного моря (СЗЧМ) как "пастбища" планктоноядных и бентосоядных рыб. Одним из основных направлений в работе биологической станции стало изучение приустьевых районов рек Дуная, Днепра и Днестра. Работы А. М. Алмазова, Ю. Г. Майстренко [1, 2] и других исследователей положили начало изучению качества стока рек и их влияния на СЗЧМ. Полученные ими в 50-60-х годах ХХ столетия данные можно считать началом отсчета при оценке природного биогенного стока рек СЗЧМ. При исследовании северо­западной части Черного моря в 1954 - 1957 гг. выяснилась важная закономерность -концентрация организмов фито-, зоопланктона и рыб в районах "стыка" двух водных масс - речных и морских ("контактные зоны" в определении К. А. Виноградова).

Сотрудником Одесского филиала ИнБЮМ В. С. Большаковым были разработаны представления о СЗЧМ как об обширной области трансформации речных вод в морские. Им было научно обосновано понятие гидрологических фронтов, изучена их структура и изменчивость [7 - 9]. В результате эколого-географических исследований в СЗЧМ были выделены три водные массы: речная (лиманная), морская поверхностная и донная [9, 11]. Эти работы были тесным образом связаны с эколого-биогеографическими исследованиями профессора А. К. Виноградова контактных зон моря, таких как "океан - суша", "приповерхностный и придонный слой моря", "толща воды - поверхность дна моря" [10]. Практически все эти направления и сейчас разрабатываются в Одесском Филиале

ИнБЮМ.

Комплексные гидрологические, химические и биологические исследования в 70-х годах ХХ века показали, что условия среды в СЗЧМ стали весьма отличаться от тех, что были нормой в 50-60-х годах. В августе 1973 г., впервые для СЗЧМ, в междуречье Дунай-Днестр была зафиксирована мощная придонная гипоксия. В дальнейшем было дано первое объяснение процессу развития гипоксии. Была выдвинута гипотеза о роли вертикальной устойчивости в образовании гипоксии: летом - при развитии плотностной и температурной стратификации водных масс и ослаблении гидродинамических процессов придонный слой практически изолирован от поверхностной водной массы [24]. Вместе с тем, была отмечена важность и значимость биохимических процессов превращения веществ, поступающих в этот район с речным стоком [23].

С конца 70-х годов прошлого века гидрологами и гидрохимиками Одесского филиала проводятся исследования, связанные с изучением распределения водных масс, формируемых под влиянием речного стока и их роли в эвтрофировании СЗЧМ. Эти работы показали, что процесс антропогенного эвтрофирования, охвативший практически все водоемы и реки Европы в 60-70-х годах отразился на качестве речных вод, поступающих в СЗЧМ [21]. Так, по сравнению c 50-60-ми годами, в водах Дуная содержание аммонийного азота возросло в 3, нитратов в 2 и фосфатов в 2,5 раза [27]. Аналогичный процесс увеличения концентраций биогенных веществ отмечали и в стоке р. Днестр. Несколько иная картина была отмечена для вод, поступающих из

 

 

Экология моря. 2003. Вып. 63


© Н. А. Берлинский, Г. П. Гаркавая, Ю. И. Богатова, 2003

17

Днепровского лимана. Зарегулирование стока Днепра способствовало сглаживанию волны паводка днепровской воды, а интенсивное "цветение" воды на водохранилищах и в самом лимане обогатило речной сток растворенными органическими соединениями и взвешенными веществами. Если в 50-60-е годы волна паводка из Днепровского лимана достигала центральной части СЗЧМ, то в 70-80-е годы "разгрузка" этих вод, насыщенных взвешенными и растворенными органическими веществами, происходила на мелководье Одесской банки и ее склонах, что способствовало развитию здесь гипоксии в придонном слое моря.

Данные, полученные в многочисленных морских экспедициях на НИС "Миклухо-Маклай" и береговые исследования в устьевых районах рек и лиманов показали, что в СЗЧМ вследствие антропогенного эвтрофирования произошло увеличение в 2 - 4 раза количества минеральных и органических соединений азота и фосфора. Увеличение содержания биогенных веществ в СЗЧМ, особенно в зоне влияния речных вод, привело к интенсификации процесса продуцирования нового органического вещества и накоплению его в придонном слое моря [18]. Было установлено, что речной сток оказывает влияние на значительную часть западной половины Черного моря. В поверхностном слое моря, до изохалины 17 %о, средняя концентрация фосфатов составляла 0,030 мг/л, нитратов - 0,040 мг/л, отмечалось интенсивное "цветение" воды, "красные приливы" [20].

Особенностью этого периода антропогенного эвтрофирования было перенасыщение в теплое время года верхнего (0 - 5 м) слоя моря кислородом, что указывало на преобладание продукционных процессов над деструкционными. Содержание кислорода здесь достигало 10 - 16 мл/л (150 - 270 % насыщения). Под слоем скачка преобладали деструкционные процессы, которые характеризовались низкими значениями рН (ниже 8,0) и кислорода (0 - 2,0 мл/л, менее 30 % насыщения). Основной формой минерального азота в море в этот период был аммонийный азот, который составлял 26 % от общего содержания азота. Его концентрации в этот период изменялись в пределах 0,064

- 0,530 мг/л.

В придонном слое при развитии гипоксии развивались восстановительные условия на границе "вода - донные отложения", что подтверждалось значениями рН менее 7,90 и Eh менее 100 мВ, высокими концентрациями аммонийного и органического азота при полном отсутствии нитритов и нитратов [19, 22]. Здесь наблюдались наиболее высокие для моря концентрации аммонийного азота (до 0,9 мг/л), кремния (до 3,0 мг/л), фосфатов (до 0,34 мг/л), органического азота и фосфора. Особенно активно эти процессы протекали в многоводный период 1977 - 1982 гг.

Развитие антропогенного эвтрофирования СЗЧМ за счет поступления аллохтонных веществ и интенсивного образования в пелагиали автохтонных, способствовало накоплению органического вещества как в придонном слое, так и в донных отложениях. Это привело к увеличению расхода кислорода на деструкцию органических веществ в придонном слое. В летний период, при развитии стратификации водных масс, в СЗЧМ придонная гипоксия расширялась. Наиболее обширные поля гипоксии отмечали в междуречье Дунай - Днестр, в Приднепрвском районе, в Каркинитском, Джарылгачском и Тендровском заливах [19].

Прибрежная зона СЗЧМ, наряду с эвтрофированными речными водами, испытывала воздействие сбросов неочищенных или слабо очищенных коммунальных и промышленных стоков, дренажных вод, сбросов остаточных вод из оросительных систем. Все это также способствовало усилению процесса эвтрофирования прибрежных вод.

Как и в других внутренних морях, в СЗЧМ произошло нарушение сбалансированности экосистемы за счет вовлечения химических элементов техногенного происхождения (азота, фосфора и др.) в природный круговорот этих веществ.

Сопоставление данных по распределению речного стока и площади гипоксии в придонном слое показало, что при увеличенном поступлении речных вод в море, площадь гипоксии возрастает. Было показано, что зонам поверхностного слоя моря смаксимальными значениями содержания кислорода и рН в весенне-летний период соответствуют участки дна с минимальными значениями кислорода в летне-осенний период. В маловодные годы содержание кислорода в придонном слое моря увеличивается на 15 - 18 %, по сравнению с многоводными [16]. Найдены закономерности развития гипоксии в северо-западной части Черного моря, связанные со временем прохождения и объемом речного стока в половодье [5]. Так, для дунайского региона условия развития гипоксии лимитируются выносом 50 - 60 % среднего объема стока до первой половины апреля. В этом случае можно прогнозировать минимальную, т.е. кратковременную, и локальную, гипоксию, поскольку за счет активности гидродинамических процессов в весенний период происходит вынос биогенных веществ из зоны мелководного северо­западного шельфа. При условии смещения пика половодья на апрель - май, значительное количество биогенных веществ, поступающих со стоком Дуная, попадает в район Дунайско-Днестровского междуречья. Здесь, благодаря квазистационарным топографическим вихрям, формируются зоны, потенциально благоприятные для развития придонной гипоксии [3].

Изучение сезонной изменчивости гипоксии на северо-западном шельфе показало, что в весенне-летний период гипоксия формируется на глубинах 5 - 10 м, под слоем термоклина. В летне-осенний период, по мере прогрева водной толщи и заглубления термоклина, гипоксия перемещается на глубины 20 - 30 м. Устойчивая гипоксия может существовать до октября - ноября, т. е. до начала вертикальной зимней конвекции. В отдельные годы отмечали появление гипоксии в узкой прибрежной зоне за счет апвеллинга при сгонных северных и западных ветрах. При этом компенсационные адвективные токи перемещают в прибрежную зону холодную (5 - 7оС), обедненную кислородом придонную водную массу из слоя 20 - 25 м [3].

Для изучения процессов и источников эвтрофирования, были рассчитаны коэффициенты экспорта основных биогенных веществ с водосборной площади СЗЧМ. Расчеты показали, что на фоне общей тенденции роста, поступление минеральных форм азота и фосфора за период 1948 - 1989 гг. неравномерно и связано с объемом речного стока. С конца 80-х годов отмечалось также увеличение поступления органических веществ [26].

Многолетние исследования, выполняемые в устьевых районах рек, позволили установить, что с начала 90-х годов ХХ столетия - периода спада в промышленности и сельском хозяйстве многих стран бассейнов Дуная, Днепра и Днестра, сократилось количество биогенных веществ, поступающих в море. Зарегулирование стока Дуная, введение в строй новых гидротехнических сооружений, строительство водохранилищ, каналов привели к снижению содержания в его водах взвешенных веществ (ВВ) за счет процессов седиментации, что способствовало увеличению прозрачности воды как в среднем течении, так и в низовье реки. Строительство специальных сооружений в вершине устьевой области р. Дунай привело к сокращению стока через Килийский рукав. Следствием этих процессов стало снижение в воде реки концентраций минеральных соединений азота и фосфора, увеличение количества органических веществ за счет активизации продукционных процессов [12, 27]. В частности, исследования в дельте Килийского рукава Дуная и Стенцовско-Жебрияновских плавнях показали, что плавни дельты выполняют роль природного биофильтра. Здесь происходит значительная потеря ВВ и биогенных веществ, обогащение воды органическими соединениями за счет развития гидробиологических процессов [12, 6].

Анализ материалов за последнее десятилетие по формированию гидрохимических условий на устьевом взморье Дуная показал, что здесь произошли существенные изменения. Значительно снизилась концентрация нитритов, нитратов, фосфатов, кремния. В придонном слое взморья в летний период 1997 - 1998 гг. улучшился кислородный режим

[15].

На взморье Дуная, в зоне смешения морских и речных водных масс, в диапазоне солености 2 - 5 за счет физических и химических процессов - сорбции на взвешенном веществе, флоккуляции, седиментации и др. происходит уменьшение на 30 - 50 % количества минеральных и органических соединений азота, фосфора, кремния и переходих в донные отложения. Роль биологических процессов в динамике биогенных веществ в поверхностном слое возрастает при солености выше 10 %о. Положение зоны смешения речных и морских вод и, соответственно, зоны седиментации непостоянно и связано с величиной стока и ветровой ситуацией [15].

Исследования в Днепровском и Днестровском лиманах показали, что там также происходило значительная седиментация адсорбированных на взвеси биогенных соединений и захоронение их в донных отложениях. Особенностью биогидрохимических процессов в лиманах является активное развитие фотосинтетических процессов, снижение концентрации минеральных соединений азота и фосфора и обогащение вод органическими соединениями. В приустьевые зоны лиманов трансформированные речные воды Днестра и Днепра поступают с низким содержанием минеральных и высоким содержанием органических соединений. Поэтому оценку стока этих рек и его роли в эвтрофировании СЗЧМ следует проводить по данным станций, расположенных в устьях лиманов.

Мониторинг в дельте Килийского рукава р. Дунай позволил авторам провести оценку биогенного стока за период 1977 - 2000 гг. Исследования в приустьевых районах моря показали, что, несмотря на снижение поступления биогенных веществ со стоком рек, здесь по-прежнему отмечаются обширные зоны "цветения" воды в поверхностном слое и гипоксия - в придонном. Это свидетельствует о том, что уровень эвтрофирования данного района моря не уменьшился, а, вероятнее всего, изменились источники поступления биогенных веществ [4].

Ранее было установлено, что обновление вод СЗЧМ происходит в течение года [7], и, благодаря этому, накопление органических и биогенных веществ в пелагиали не происходило. Биогенные соединения, поступавшие с речным стоком и образовавшиеся в результате процессов минерализации органического вещества, утилизировались в пелагиали, в основном, в процессе фотосинтеза. Ранее, до появления обширных полей придонной гипоксии и развития восстановительных условий на границе вода - дно, значительная часть взвешенного органического вещества в виде частиц детрита переходила в донные отложения, где происходила их деструкция и минерализация. Незначительная часть растворенных биогенных веществ поступала из поровых вод донных отложений в водную толщу за счет диффузии и биотурбации. В период штормов на мелководье при взмучивании осадков также происходит выход биогенных соединений из поровых вод в придонный слой моря.

За многолетний период антропогенного эвтрофирования донные отложения СЗЧМ накопили значительный запас органического вещества и продуктов его минерализации [14, 15]. В результате этого происходит обогащение поровых вод донных отложений азотом, фосфором, кремнием и растворенным органическим веществом. Концентрации этих веществ в поровых водах на один два порядка выше, чем в придонном слое моря, что позволяет рассматривать донные отложения как "депо" биогенных веществ. В последнее десятилетие в поровой воде донных отложений отмечена тенденция к увеличению содержания восстановленных форм азота - аммонийного и органического и уменьшение окисленных форм - нитритов и нитратов. Это свидетельствует о преобладании восстановительных условий в донных отложениях.

Создание на границе контактной зоны "вода - дно" восстановительных условий в период гипоксии интенсифицирует выход из донных отложений в придонный слой моря аммонийного и органического азота, фосфатов, кремния. В летне-осенний период гипоксия в СЗЧМ отмечалась в течение 1 - 3 месяцев на площади до 60 тыс. км2 морского дна. Было рассчитано, что в среднем за один месяц гипоксии из донных отложений может поступать до 80 тыс. т аммонийного азота, до 20 тыс. т фосфатов и до 90 тыс. т кремния, что сопоставимо с поступление этих веществ со стоком рек [13]. Таким образом, антропогенное эвтрофирование СЗЧМ перешло в новую стадию своего развития - при сокращении биогенного стока рек СЗЧМ, в экосистеме возрастает роль биогенных веществ, поступающих из донных отложений. Уменьшение уровня эвтрофирования не происходит, что подтверждается увеличением содержаниярастворенного органического вещества, в частности органического азота, во всей водной толще СЗЧМ в 2 - 3 раза [25].

Еще одним источником эвтрофирования поверхностного слоя моря являются атмосферные осадки, поступление которых в СЗЧМ достигает 25 км3/год. Исследования химического состава атмосферных осадков показали, что загрязнение атмосферы промышленными выбросами, выхлопными газами и т. д. привело к значительному увеличению в них различных веществ, в том числе соединений азота и фосфора. Концентрации аммонийного азота, нитратов, органических веществ в атмосферных осадках равны или превышают концентрации этих соединений в речных водах [15]. С атмосферными осадками в эту часть моря поступает до 50 тыс. т аммонийного и до 23 тыс. т органического азота, до 15 тыс. т нитратов, до 160 тыс. т органических веществ [13].

На формирование условий среды в контактной зоне "суша - море" оказывает влияние сброс промышленных, сточных и дренажных вод. Объем этих вод составляет не более 2 % от объема речных вод. Однако концентрации азота и фосфора в них значительно выше, чем в речных водах и поступают они в наиболее уязвимую узкую прибрежную зону. Эти воды служат еще одним источником эвтрофирования этой зоны моря.

На основе многолетних исследований было проведено географическое районирование СЗЧМ с учетом особенностей гидрофизических и гидрохимических условий отдельных его регионов [17]. Практически для всех районов установлена тенденция снижения концентраций минеральных форм азота и фосфора, увеличение общего количества растворенного органического вещества и органического азота.

Установлено, что природные факторы (речной сток, атмосферные осадки, донные отложения), формирующие гидрохимические условия СЗЧМ, сами находятся под сильным антропогенным воздействием. Процессы, протекающие в контактных зонах моря - "море -река", "море - атмосфера", "море - берег" и "вода - донные отложения", играют значительную роль в его эвтрофировании.

1.       Алмазов А М. Гидрохимия устьевых областей рек. - Киев: Изд - во АН УССР, 1962. - 252с.

2.       Алмазов А. М., Майстренко Ю. Г. Гидрологическая и гидрохимическая характеристика советского участка Дуная // Дунай и придунайские водоемы в пределах СССР. - Киев: Изд - во АН УССР, 1961. - С. 13 - 36.

3.       Берлинский Н. А. Механизм формирования придонной гипоксии шельфовых экосистем // Водные ресурсы. - 1989. - № 4. - С. 112 - 121.

4.       Берлинский Н. А., Богатова Ю. И, Гаркавая Г. П. О развитии гипоксии в северо-западной части Черного моря в современный период // Наук. зап. Терноп. держ. пед. універ. Сер.: Біол.. - Спец. вип.: Гідроекологія. - 2001. - № 4 (15) - С. 114 - 116.

5.       Берлинский Н. А., Дыханов Ю. М. К проблеме формирования придонной гипоксии в северо­западной части Черного моря // Экология моря. - 1991. - № 38. - С. 11 - 15.

6.      Богатова Ю. І., Гаркава Г. П. Моніторинг біорізноманітності. Гідрохімічний моніторинг // Біорізноманітність Дунайського біосферного заповідника, збереження та управління. - Киів: Наук. думка,1999. - С. 384 - 404.

7.      Большаков В. С. Гидрологический режим // Биология северо-западной части Черного моря. -Киев: Наук. думка, 1967. - С. 14 - 27.

8.      Большаков В. С. Сравнительная гидрологическая характеристика Черного, Азовского и Каспийского морей // Экологическая биогеография контактных зон моря. - Киев: Наук. думка, 1968. - С. 5 - 20.

9.      Большаков В. С. Трансформация речных вод в Черном море - Киев: Наук. думка, 1970. - 328с.

10.  Виноградов К. А. Контактные зоны южных морей // Биологические проблемы океанографии южных морей. - Киев: Наук. думка, 1969. - С. 45 - 48.

11.  Виноградов К. А., Розенгурт М. Ш., Толмазин Д. М. Атлас гидрологических характеристик северо-западной части Черного моря (в рыбопромысловых целях) - Киев: Наук. думка, 1966. -

84 с.

12.  Гаркава Г. П., Богатова Ю. I. Характеристика природних умов ДБЗ. Гідрохімія // Біорізноманітність Дунайського біосферного заповідника, збереження та управління. - Киів: Наук. думка, 1999. - С. 32 - 36.

13.  Гаркавая Г. П., Богатова Ю. И. Современные источники эвтрофирования северо-западной части Черного моря // Наук. зап. Терноп. держ. пед. універ. Сер. Біол. - Спец. вип.: Гідроекологія. - 2001. - № 3 (14) - С. 188 - 189.

14.  Гаркавая Г. П., Богатова Ю. И., Берлинский Н. А. Особенности формирования гидрохимических условий украинской части устьевой области Дуная // Экосистема взморья Украинской дельты Дуная. - Одесса, Астропринт, 1998. - С. 21 - 62.

15.  Гаркавая Г. П., Богатова Ю. И., Берлинский Н. А. Формирование гидрохимических условий на устьевом взморье Дуная // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа - Севастополь, 2000. - С. 133 - 141.

16.  Гаркавая Г. П., Богатова Ю. И., Буланая З. Т. Современные тенденции изменений гидрохимических условий северо-западной части Черного моря // Изменчивость экосистемы Черного моря (естественные и антропогенные факторы). - М.: Наука, 1991. - С. 291 - 306.

17.  Гаркавая Г. П., Богатова Ю. И., Берлинский Н. А., Гончаров А. Ю. Районирование украинского сектора северо-западной части Черного моря по гидрофизическим и гидрохимическим характеристикам // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа - Севастополь, 2000. - С. 9 - 24.

18.  Гаркавая Г. П., Буланая З. Т., Богатова Ю. И. Значение современного стока Дуная в эвтрофировании Черного моря // Материалы XXI Международной конференции по изучению Дуная. - Киев: Наук. думка, 1987. - С.194 - 198.

19.  Зайцев Ю. П., Гаркавая Г. П., Макаров Ю. Н и др. Экосистема северо-западной части Черного моря в условиях антропогенного эвтрофирования // Мат. III Всес. симп. по антропогенному эвтрофированию природных вод (сентябрь, 1983). - Черноголовка, 1985. - С. 49 - 72.

20.  Зайцев Ю. П., Гаркавая Г. П., Нестерова Д. А., Полищук Л. Н. Дунай - основной источник эвтрофирования Черного моря // Гидробиол. журн. - 1989. - 25, вып. 4. - С. 21 - 23.

21.  Зайцев Ю. П., Гаркавая Г. П., Нестерова Д. А. и др. Современное состояние экосистемы северо-западной части Черного моря / Экосистема Черного моря. - Севастополь, 1985. - С. 216 - 230.

22.  Практическая экология морских регионов Черного моря / Под ред. В.П. Кеонджяна и др. -Киев: Наук. думка, 1990. - 249с.

23.  Толмазин Д. М. Гидролого-гидрохимическая структура вод в районе гипоксии и заморов северо-западной части Черного мря // Биология моря. - 1977. - Вып. 43. - С. 12 - 17.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Н А Берлинский - Качество водной среды и донных отложений одесского порта программа глобалласт

Н А Берлинский - Проблемы антропогенного эвтрофирования и развития гипоксии в северо-западной части черного моря

Н А Берлинский - Факторы формирования качества морской среды в прибрежной зоне одесского региона в современных условиях

Н А Берлинский - Качество водной среды и донных отложений одесского порта программа глобалласт

Н А Берлинский - Проблемы антропогенного эвтрофирования и развития гипоксии в северо-западной части черного моря