Исследование Земли из Космоса, 2020, № 6, стр. 34-46
Оценка общего содержания хлорофилла-а в Охотском море с использованием спутниковых данных
Ж. Р. Цхай a, *, Г. В. Хен b, **
a Сахалинский филиал ФГБНУ “ВНИРО” (“СахНИРО”)
Южно-Сахалинск, Россия
b Тихоокеанский филиал ФГБНУ “ВНИРО” (“ТИНРО”)
Владивосток, Россия
* E-mail: tshay@yandex.ru
** E-mail: gennady.khen@tinro-center.ru
Поступила в редакцию 10.06.2019
Аннотация
Эта работа является продолжением исследований, посвященных анализу возможности применения данных дистанционного зондирования о концентрации хлорофилла-а для оценки биопродуктивности акватории Сахалино-Курильского региона. В работе использованы спутниковая информация со спектрорадиометра MODIS и материалы in situ, полученные в экспедициях на НИС “Профессор Кагановский” в Охотском море за период с 2004 по 2011 г. Для различных районов Охотского моря построены вертикальные профили концентрации пигмента, определены толщина слоя, в которой происходят активные процессы фотосинтеза, и глубина залегания максимума хлорофилла-а. Проанализированы сезонные и межгодовые вариации содержания вещества в толще воды, рассчитаны коэффициенты соотношения между средней концентрацией на поверхности и в 100-метровом слое, с помощью которых становится осуществимым использование спутниковой информации как для восстановления типичных для сезонов и районов Охотского моря вертикальных распределений концентрации хлорофилла-а, так и оценки его общего содержания в слое активного фотосинтеза.
Многочисленные исследования показали, что Охотское море, где в настоящее время ведется интенсивный рыбный промысел и на шельфе которого ведутся активные разработки углеводородных месторождений, является зоной высокой биопродуктивности (Чернявский и др., 1993; Мордасова и Метревели, 1997; Шунтов, 2001; Матвеев, 2006). В последние годы оценка сезонных и межгодовых вариаций концентрации хлорофилла-а, полученная в результате дистанционного мониторинга водной поверхности, применялась как при определении продукционных характеристик в отдельных частях Охотского моря (Лабай и др., 2018), так и при анализе изменений пространственного распределения гидробионтов в трофической цепи (Ким Сен Ток и др., 2017).
Первые обобщающие сведения о вертикальной структуре хлорофилла-а в Охотском море были получены в комплексных экспедициях ВНИРО с участием ТИНРО и ИО РАН в 1990–1994 гг. (Мордасова, 1997, 2014; Мордасова и Метревели, 1997). Большая часть наблюдений проводилась в летний период с использованием зондирующей аппаратуры. Анализ полученных данных показал значительные различия состояния сообществ фитопланктона в зависимости от района Охотского моря (Мордасова и Метревели, 1997).
Ранее авторами проводилось сравнение спутниковых и судовых данных концентрации пигмента на поверхности в различных районах Охотского моря и прилегающей акватории (Цхай, Хен, 2016; Цхай, 2017). Результаты, полученные при оценке достоверности различий спутниковых и судовых данных с помощью критерия Стьюдента, показали, что существенных отличий между спутниковыми и судовыми данными при уровне значимости 0.01 не наблюдалось в 74% случаев, а в прибрежных районах о. Сахалин – в 100%. В целом, за период с 2004 до 2012 г. удалось получить сравнительные ряды спутниковых и судовых значений из 67 наблюдений. Коэффициент корреляции между ними равнялся 0.88, что означает однонаправленную динамику изменчивости концентрации вещества в зависимости от сезона, года и района исследований. В подавляющем большинстве случаев средние значения изучаемого параметра находились в пределах среднеквадратичного отклонения сравниваемых рядов. В весенний период, отвечающий максимальной интенсивности “цветения” микроводорослей, спутниковые данные дали практически точную либо несколько заниженную оценку концентрации хлорофилла-а вне зависимости от гидрологических особенностей отдельных акваторий. Летом в сезонный минимум “цветения” оценки концентрации пигмента по спутниковым наблюдениям были завышены в отдельные годы у северного и восточного побережий Охотского моря. Таким образом, было определено, что систематических различий между спутниковыми и судовыми данными на поверхности Охотского моря нет (Цхай, Хен, 2016).
Тем не менее активное продуцирование фитопланктона происходит во всем фотическом слое, и распределение концентрации хлорофилла-а в нем имеет далеко не однородную структуру (Мордасова, 1997; Цхай, Дудков, 2007). Интенсивность процессов фотосинтеза зависит от целого комплекса гидрологических и гидрохимических условий, включающих температуру воды, наличие динамически активных зон, объем и скорость поступления биогенных элементов и др. (Матвеев, Жигалов, 2008; Матвеев и др., 2015). Знания о вертикальной структуре концентрации пигмента, его сезонной и годовой изменчивости могут существенно дополнить информацию, полученную в результате дистанционных наблюдений за поверхностью Охотского моря. Большой объем данных, полученных в экспедициях на НИС “Профессор Кагановский”, позволяет достигнуть поставленной цели. При этом основная задача заключается в исследовании сезонных особенностей вертикального распределения концентрации хлорофилла-а в Охотском море на основе многолетних судовых данных. В результате такого анализа становится возможным определение толщины слоя активного фотосинтеза, вычисление средней концентрации хлорофилла-а в нем и сравнение полученных средних оценок с концентрацией вещества на поверхности, что в конечном итоге ведет к использованию спутниковых данных для оценки общего содержания вещества в фотическом слое Охотского моря.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Информационной базой для настоящей работы являлись спутниковые и судовые данные за период 2004–2011 гг. Материалы дистанционного зондирования были получены спектрорадиометром MODIS искусственного спутника Земли Aqua в районе, ограниченном координатами 135–163° с.ш. и 42–60° в.д., и предоставлены Ocean Color Processing Group (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov). Проецирование данных на координатную сетку с разрешением 1000 × 1022 точки (ок. 2 км) осуществлялось при помощи программы HDFLook (http://www-loa.univ-lille1.fr/Hdflook). Данные in situ были собраны в экспедициях на НИС “Профессор Кагановский” (рис. 1) при помощи флуориметра Seapoint (http://www.seapoint.com/scf.htm; Левашов, 2003), установленного на океанологическом зонде SBE-25 (http://seabird.com). Калибровка флуориметра проводилась в лабораторных условиях. Для этого использовались отобранные во время экспедиций батометром Нискина пробы воды, которые были отфильтрованы на мембранных фильтрах ФМАЦ-0.65 с диаметром пор 0.65 мкм и диаметром фильтра 35 мм. Их хранение осуществлялось при температуре –18°С. Измерения на концентрацию хлорофилла-а выполнялись на спектрофотометре Shimadzu UV-1650.
Рис. 1.
Примерная ежегодная схема станций, выполненных НИС “Профессор Кагановский” в 2004–2011 гг. в следующих районах Охотского моря: + – побережье Южных Курил; ◇ – Западное побережье Камчатки; △ – залив Шелихова; ◻ – северная часть Охотского моря; × – северо-восточноке побережье Сахалина; ⚪ – южная часть Охотсткого моря; ⚫ – трансохотоморский разрез. Линиями обозначены границы соответствующих районов по спутниковым данным.
![](/issues/iszem/2020/vol_2020/iss_6/IsZem2006005Tskhai/IsZem2006005Tskhai-F1.gif)
Анализ вертикального распределения проводился отдельно по участкам, где ранее сравнивались спутниковые и судовые данные на поверхности Охотского моря (Цхай, Хен, 2016). В табл. 1 и 2 указаны районы и периоды исследований по сезонам. В заданных районах были рассчитаны средние значения концентрации хлорофилла-а по глубинам. На основании полученных вертикальных распределений была определена толщина слоя интенсивного фотосинтеза, ниже которой концентрация вещества становится меньше 0.3–0.5 мг/м3 в зависимости от района (можно принять ее значения за фоновые) и при этом с глубиной практически не изменяется. Кроме этого, были рассчитаны коэффициенты отношения средней концентрации хлорофилла-а в слое 0–100 м к величине на поверхности, т.е. слое 0–2 м (ближайшем к поверхности слое с репрезентативным набором данных, для которого проводилось сравнение со спутниковыми измерениями (Цхай, Хен, 2016), и была показана их хорошая сопоставимость). Для летнего периода у северо-восточного побережья Сахалина коэффициент был рассчитан по одной съемке 2004 г. На основе этих коэффициентов, используя результаты дистанционного зондирования, были получены оценки общего содержания вещества в верхнем 100-метровом слое. Для этого осредненные по спутниковым данным за 2004–2011 гг. концентрации хлорофилла-а в каждой точке выделенного района за период сбора данных in situ были пересчитаны с применением коэффициентов на средние концентрации пигмента в 100-метровом слое. Затем с помощью численного интегрирования полученной сетки значений методом трапеций и последующим пересчетом на 100-метровый слой была получена величина общего содержания хлорофилла-а. При этом 100 метров принималось за максимальную глубину слоя активного фотосинтеза в целом по Охотскому морю, полученную при анализе судовых данных, о чем будет сказано ниже.
Таблица 1.
Сроки сбора данных в различных районах Охотского моря в весенний период
Год | Южные Курилы |
Западно- камчатский шельф |
Залив Шелихова |
Северная часть |
Северо-восточный шельф Сахалина |
---|---|---|---|---|---|
2005 | 2–20 апр. | 22 апр.–3 мая | 4 мая–6 июн. | 7–9 июн. | |
2006 | 23 мар.–3 апр. | 7–26 апр. | 27 апр.–3 мая | 4 мая–2 июн. | 2–6 июн. |
2007 | 13–20 мар. | 31 мар.–19 апр. | 22 апр.–1 мая | 2–21 мая | |
2008 | 4–23 апр. | 23 апр.–3мая | 3–30 мая | 31 мая–7 июн. | |
2009 | 19–24 мар. | 1–22 апр. | 24–29 апр. | 30 апр.–22 мая | 23–29 мая |
2010 | 15–20 мар. | 31 мар.–29 апр. | 1–7 мая | 8–22 мая | 23–30 мая |
2011 | 20–25 мар. | 5–25 апр. | 1–7 мая | 8–25 мая | 25–29 мая |
Таблица 2.
Сроки сбора данных в различных районах Охотского моря в летне-осенний период
Год | Южная часть |
Западно-камчатский шельф |
Залив Шелихова |
Северная часть |
---|---|---|---|---|
2004 | 14 окт.–4 нояб. | 27 июл.–14 авг. | 14 авг.–8 сен. | 19 сен.–9 окт. |
2005 | 24 окт.–14 нояб. | 14 июн.–16 июл. | 16–22 июл. | |
2007 | 6 окт.–4 нояб. | 7–31 июл. 3–10 дек. |
29 нояб.–2 дек. | 10–28 нояб. |
2008 | 13 окт.–5 нояб. | 3–9 дек. | 30 нояб.–2 дек. | 7–30 нояб. |
2009 | 30 окт.–19 нояб. | 20–24 окт. | ||
2010 | 26 окт.–20 нояб. | |||
2011 | 12 окт.–1 нояб. |
Помимо указанных в табл. 1 и 2 районов, рассматривались также значения по трансохотоморскому разрезу (обозначен на карте черными точками). Съемка на разрезе проводилась в самом конце марта–начале апреля в течение двух-четырех суток на небольшом количестве станций (от 6 до 22). Этот разрез проходил через центральную часть Охотского моря, где интенсивность фотосинтетической деятельности слабее, чем в других районах (Цхай, 2007), но, тем не менее, в силу ограниченности информации по этому району, ее межгодовые вариации в весенний сезон также представляют интерес.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Рассмотрим среднюю многолетнюю динамику распределения концентрации хлорофилла-а в Охотском море, полученную по спутниковым данным за 2004–2011 гг. (рис. 2). В целом для районов Охотского моря характерно наличие двух фаз интенсивного развития фитопланктона – весной и осенью. (Вентцель и др., 2000; Шунтов, 2001; Цхай, 2017). Как видно из графика, повышенное содержание пигмента (более 0.5 мг/м3) наблюдалось в течение всего безледного периода – с апреля по ноябрь. Фаза активного “цветения” фитопланктона начиналась в апреле, прежде всего в зонах таяния льда, и в зависимости от района продолжалась до конца мая–первой половины июня. В летние месяцы происходило снижение концентрации вещества из-за убыли биогенных элементов, а в сентябре–октябре наступал второй сезонный пик развития микроводорослей за счет возобновления поступлений питательных веществ (Матвеев, 2006). В целом, в южных районах Охотского моря, включая южные Курильские острова, концентрация хлорофилла-а была ниже, чем на севере.
Рис. 2.
Сезонная динамика средней концентрации хлорофилла-а в районах Охотского моря по спутниковым данным за 2004–2011 гг.
![](/issues/iszem/2020/vol_2020/iss_6/IsZem2006005Tskhai/IsZem2006005Tskhai-F2.gif)
На большей части Охотского моря максимальные концентрации пигмента отмечались в весенний период, что типично для морей субарктического типа [Киселев, 1980]. Однако в некоторых районах со значительным речным стоком, например в Амурском лимане или у северо-восточного побережья Сахалина, осеннее “цветение” фитопланктона по силе практически не уступало весеннему (Цхай, 2017).
На рис. 3 изображены пространственные распределения средней многолетней концентрации хлорофилла-а в различные сезоны, построенные по спутниковым данным за период с 2004 по 2011 гг. В весенний период средняя концентрация пигмента в целом по Охотскому морю составляла 2.3 мг/м3. При этом у западного побережья п-ова Камчатка она достигала 3.6 мг/м3, в северной части Охотского моря и у северо-восточного побережья Сахалина – около 3 мг/м3, у охотоморского побережья Южных Курил – более 1.5 мг/м3. Минимальные концентрации пигмента фиксировались в центральной части Охотского моря, но и здесь они превышали 0.5 мг/м3, тогда как в другие сезоны варьировались в пределах 0.2–0.5 мг/м3.
Рис. 3.
Пространственное распределение средней концентрации хлорофилла-а (мг/м3) в Охотском море по спутниковым данным за 2004–2011 гг.
![](/issues/iszem/2020/vol_2020/iss_6/IsZem2006005Tskhai/IsZem2006005Tskhai-F3.gif)
В летние месяцы зоны обильного цветения фитопланктона в основном локализовались в районах интенсивного речного стока (рис. 3). В августе выделялись, прежде всего, приустьевые заливы северного и северо-западного побережья Охотского моря, в частности Тауйская и Удская губы, заливы Тугурский, Забияка и др. Максимальное по региону содержание вещества наблюдалось в районе стока крупнейшей дальневосточной реки Амур. В летний период модифицированные амурские годы достигали северо-восточного побережья Сахалина, где под воздействием ветров южных румбов проникали далее в северную часть Охотского моря по направлению к о. Ионы и банке Кашеварова (Цхай и др., 2016).
Осенью повышение концентрации хлорофилла-а происходит у восточного побережья Сахалина в зоне интенсификации Восточно-Сахалинского течения (Власова и др., 2008). Помимо этого, в некоторых районах Охотского моря, например в его северо-западной части, происходит увеличение содержания пигмента в сравнении с летними месяцами за счет возобновления запаса биогенных элементов (Матвеев, 2006).
Отметим также, что в ряде районов активные процессы фотосинтеза продолжаются в ноябре–декабре, что указывает на продолжительное существование благоприятных для развития микроводорослей термических условий и постоянного поступления питательных веществ с глубины за счет отсутствия вертикальной стратификации вод (Матвеев, 2006; Цхай, 2017).
Далее более детально проанализируем вертикальные распределения концентрации хлорофилла-а до глубины 150 м в районах Охотского моря (рис. 4 и 5). Кроме кривой со средними многолетними значениями, показаны графики как с интенсивным, так и слабым “цветением” фитопланктона за ряд наблюденных лет, что дает возможность оценить размах межгодовых вариаций.
Рис. 4.
Вертикальные распределения концентрации хлорофилла-а (мг/м3) в южной и восточной частях Охотского моря.
![](/issues/iszem/2020/vol_2020/iss_6/IsZem2006005Tskhai/IsZem2006005Tskhai-F4.gif)
Рис. 5.
Вертикальные распределения концентрации хлорофилла-а (мг/м3) в южной и северной частях Охотского моря.
![](/issues/iszem/2020/vol_2020/iss_6/IsZem2006005Tskhai/IsZem2006005Tskhai-F5.gif)
Следует учесть, что на акватории Охотского моря сезонные периоды сдвинуты как минимум на две недели. Поэтому данные, полученные в первой декаде июня, характеризуют весенний сезон, а в первой декаде декабря – позднюю осень.
Как видно из представленных рисунков, интенсивность развития микроводорослей в весенний период существенно отличается в зависимости от района. В целом весенние съемки выполнялись в период максимального продуцирования фитопланктона. На станциях, расположенных на Южных Курилах и в центральной части Охотского моря, отмечались низкие концентрации хлорофилла-а. В то же время в северной части Охотского моря и у северо-восточного Сахалина наблюдалось очень высокое содержание вещества. Рассмотрим более подробно структуру вертикального распределения в каждом районе.
Южные Курилы. По многолетним данным, в конце марта–начале апреля средняя концентрация хлорофилла-а до глубины 70 м составила около 1 мг/м3. При этом на поверхности она несколько ниже (приблизительно на 0.5 мг/м3), чем в слое 10–30 м. В этом районе процессы фотосинтеза выражены слабее в сравнении с другими районами Охотского моря. В 2009 г. концентрация пигмента не превышала 1 мг/м3 и была равномерно распределена до глубины 90 м. Однако в 2011 году в этом районе интенсивное цветение фитопланктона наблюдалось до глубины 110 м. Высокие концентрации вещества отмечались на поверхности (около 2 мг/м3), а на глубине 20–25 м они были максимальными и превышали 3 мг/м3. В целом толщина слоя активного фотосинтеза в этом районе можно оценить в 100–110 м.
Трансохотоморский разрез. Как отмечалось выше, в центральной части Охотского моря фиксировались незначительные концентрации хлорофилла-а. Структура вертикального распределения во все годы примерно одинаковая: до 30–40 м содержание вещества находится приблизительно на одном уровне (некоторое снижение наблюдается на глубине 5 м), затем идет постепенное уменьшение концентрации до фоновых значений на глубине 110 м. Межгодовые значения в приповерхностном слое колебались незначительно – от 0.5 до 1.5 мг/м3.
Западно-камчатский шельф. У западного побережья Камчатки съемка проходила в апреле. Средняя концентрация хлорофилла-а в этом районе выше, чем у Южных Курил. На поверхности отмечаются максимальные концентрации, затем идет снижение и незначительное увеличение в слое 10–30 м. Активность развития фитопланктона падает на глубине 90 м. В 2007 г. вертикальная структура имела отличия, и максимум “цветения” наблюдался не на поверхности, а на глубине 20 м, где концентрация пигмента составила более 3 мг/м3.
В летний период концентрация хлорофилла-а на поверхности ниже, чем весной (около 1 мг/м3), она возрастает с глубиной и достигает максимума в слое 10–20 м (более 2 мг/м3), а затем уменьшается до 0.5 мг/м3 на глубине 60 м. Иная картина вертикального распределения наблюдается в октябре. Содержание пигмента больше, чем летом, так как в это время пополняется запас биогенов за счет рециклинга (Матвеев, 2006). При этом в слое от 0 до 35 м концентрация вещества находится приблизительно на одном уровне (ок. 2 мг/м3), а затем падает до фоновых значений на глубине 70 м. В первой декаде декабря отмечается равномерное распределение пигмента в слое, при этом концентрация хлорофилла-а ниже 1 мг/м3. Таким образом, на западно-камчатском шельфе разрушение вертикальной стратификации происходит поздней осенью.
Залив Шелихова. Концентрация пигмента в заливе ниже, чем у западного побережья Камчатки. По большей части ее значения равномерно распределены в верхнем 30-метровом слое. В годы слабого “цветения” микроводорослей отмечается практически равномерное распределение, а в годы интенсивного развития высокое содержание хлорофилла-а наблюдается до глубины 40 м с максимумом на 10–15 м. Толщина слоя активного фотосинтеза меньше, чем у западного побережья Камчатки, на глубине 70 м концентрация хлорофилла-а становится ниже 0.5 мг/м3. Летом максимальные концентрации пигмента сосредоточены в узком приповерхностном слое 5–25 м. В конце ноября вследствие разрушения вертикальной стратификации хлорофилл-а равномерно распределяется во всем фотическом слое.
Северная часть Охотского моря. В этом районе экспедиционные исследования весной совпали с периодом сезонного пика развития фитопланктона на поверхности (Цхай, 2007). Концентрация хлорофилла-а в приповерхностном слое 5–30 м была значительно выше, чем на поверхности. Максимальные значения фиксировались на глубине 10–15 м. Следует отметить особенности 2011 г. В этот год отмечалась самая низкая интенсивность весеннего “цветения” на поверхности за период наблюдений с 2003 г., что было обусловлено рядом сложившихся гидрологических и синоптических факторов, в частности низкой ледовитостью акватории Охотского моря зимой и слабым прогревом поверхности вследствие аномального распределения поля давления весной (Цхай, 2017; Ложкин и др., 2018). Как видно по представленному графику, в это же время было самое обильное “цветение” в приповерхностном слое, где, вероятно, сформировались более благоприятные для развития условия, чем на поверхности. При этом наблюдалась существенная разница концентрации вещества на глубинах 1 и 3 м (0.5 и 4.3 мг/м3 соответственно). В сентябре–октябре содержание вещества было значительно ниже, чем весной. Однако слой интенсивного фотосинтеза в этот период залегал глубже, чем в заливе Шелихова, концентрация хлорофилла-а более 1 мг/м3 отмечалась до глубины 40 м. В конце ноября–начале декабря, как и в других рассмотренных выше районах, содержание пигмента упало ниже 1 мг/м3 и стало равномерным во всем приповерхностном слое.
Северо-Восточный шельф Сахалина. Как правило, этот район характеризуется наименьшим по глубине слоем активного фотосинтеза, связанным с минимальным заглублением компенсационной поверхности (Матвеев и др., 2015). Весной основная зона высокого продуцирования фитопланктона находится в слое 0–30 м с максимумом на глубине около 10 м. На глубине 50 м концентрация хлорофилла-а падает до 1 мг/м3, а на 70 м становится на уровне фоновых показателей (менее 0.5 мг/м3). В зависимости от времени сбора материала существенно меняется его вертикальное распределение. Если съемки проходили в последней декаде мая, то вертикальная изменчивость концентрации хлорофилла-а незначительна, как мы это видим на примере 2009 г. (рис. 2), и аналогичная ситуация наблюдалась в 2010 и 2011 гг. Если исследования проводились на декаду позже, когда северо-восточное побережье Сахалина освобождается ото льда и в этот район начинают поступать богатые биогенами опресненные амурские воды (Шевченко, Тамбовский, 2018), то мы наблюдаем вспышку фотосинтетической деятельности, как это было в 2005, 2006 и 2008 гг. При этом в приповерхностном слое достигаются максимальные по региону концентрации вещества.
Южная часть Охотского моря. В этом районе съемка выполнялась только в октябре–ноябре, в период осеннего “цветения” фитопланктона. Интенсивность продуцирования фитопланктона в южной части Охотского моря в течение года ниже, чем в северной. На поверхности средняя концентрация хлорофилла-а в разные годы колебалась от 1 до 1.5 мг/м3. В приповерхностном слое процессы фотосинтеза идут более активно. Максимальное содержание вещества наблюдается в слое 5–20 м. На глубине больше 60 м концентрация вещества падает ниже 0.5 мг/м3.
Поздней осенью хлорофилл-а равномерно распределяется во всем поверхностном слое. Ниже на рис. 6 приведены значения глубины активного фотосинтеза для каждого района в зависимости от сезона.
Рис. 6.
Глубина слоя с концентрацией хлорофилла-а выше 0.5 мг/м3 в районах Охотского моря в зависимости от периода года.
![](/issues/iszem/2020/vol_2020/iss_6/IsZem2006005Tskhai/IsZem2006005Tskhai-F6.gif)
В весенний период слой, в котором идут активные процессы фотосинтеза, наиболее глубокий и составляет 70–100 м. Летом и осенью он уменьшается до 40–70 м. Наименьшая глубина 40 м отмечалась в сентябре у северо-восточного побережья Сахалина. Также следует отметить, что в конце ноября–начале декабря в заливе Шелихова четко выраженной нижней границы фотосинтеза нет, средняя концентрация хлорофилла-а в 100-метровом слое составляет 0.4 мг/м3.
В табл. 3 показаны коэффициенты отношения концентрации хлорофилла-а на поверхности (в слое 0–2 м) к ee среднему значению в 100-метровом слое. На Южных Курилах в весенний период концентрация вещества на поверхности практически равна ее среднему значению в 100-метровом слое. В северной части и шельфовых районах Охотского моря коэффициент превышает 1.5, что означает высокую интенсивность процессов фотосинтеза в приповерхностных водах и ее значительное уменьшение с глубиной. В таблице указаны минимальные и максимальные значения коэффициентов за многолетний период наблюдений. Обращают на себя внимание минимумы от 0.5 и ниже в северной части Охотского моря от залива Шелихова до северо-восточного побережья Сахалина. Во всех случаях это относилось к 2011 г., когда на поверхности концентрация хлорофилла-а была значительно меньше, чем на глубине 10–30 м, о чем уже отмечалось выше. В летний и осенний сезоны коэффициенты соотношения были ниже, чем весной. Наименьшая межгодовая изменчивость показателя фиксировалась в позднеосенний период.
Таблица 3.
Соотношение средних концентраций хлорофилла-а на поверхности (0–2 м) и в слое (0–100 м) в районах Охотского моря (в скобках указан разброс значений в различные годы)
Район Охотского моря |
Март–начало июня | Конец июня–начало сентября | Конец сентября–начало ноября | Конец ноября–декабрь |
---|---|---|---|---|
Южные Курилы | 0.99 (0.54–1.44) | |||
Трансохотоморский разрез |
1.23 (0.91–1.38) | |||
Западно-камчатский шельф |
1.81 (1.14–2.30) | 1.13 (0.54–1.50) | 1.82 | 1.25 (1.25–1.26) |
Залив Шелихова | 1.64 (0.50–2.28) | 1.23 (0.77–1.58) | 1.04 (1.02–1.06) | |
Северная часть | 1.88 (0.51–2.93) | 1.31 | 1.37 (1.27–1.47) | |
Северо-восточный шельф Сахалина |
1.73 (0.29–2.67) | 1.61 | ||
Южная часть | 1.49 (0.80–1.79) |
Рассчитанные коэффициенты позволили использовать спутниковые данные о концентрации хлорофилла-а на поверхности для получения интегральных оценок содержания вещества в верхнем 100-метровом слое в целом по району и в пересчете на основание 1 м2 (табл. 4). Как и следовало ожидать, в течение года максимальное содержание пигмента отмечалось в весенний сезон, а самое низкое – поздней осенью (разница в полтора-два раза). Обращает на себя внимание сезонная динамика у западного побережья Камчатки. В июле общее содержание хлорофилла-а выше, чем в апреле, что объясняется рядом причин. Во-первых, в апреле в этом районе пик весеннего развития фитопланктона еще не наступил, во-вторых, как отмечалось выше, весной максимальные показатели фиксируются на поверхности, а в июле – в приповерхностном слое. В других районах Охотского моря содержание хлорофилла-а осенью немногим меньше, чем весной, что говорит об активно идущих процессах фотосинтеза в течение всего вегетационного периода.
Таблица 4.
Оценка общего содержания хлорофилла-а (тыс. т) в верхнем 100-метровом слое в некоторых районах Охотского моря, в скобках указано содержание хлорофилла-а (мг) в 100-метровом столбе воды с основанием 1 м2
Район Охотского моря |
Март–начало июня | Конец июня–начало сентября | Конец сентября–начало ноября | Конец ноября–декабрь |
---|---|---|---|---|
Южные Курилы | 1.67 (68.2) | |||
Западно-камчатский шельф |
13.07 (89.7) | 13.76 (97.4) | 12.34 (84.7) | 9.63 (70.7) |
Залив Шелихова | 8.08 (156.4) | 5.95 (115.2) | 3.72 (96.6) | |
Северная часть | 72.54 (174.4) | 46.35 (111.4) | 34.41 (82.7) | |
Северо-восточный шельф Сахалина |
17.50 (314.4) | 16.65 (299.0) | ||
Южная часть | 20.05 (55.0) |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в период весеннего “цветения” фитопланктона на акватории Охотского моря формируются два типа вертикальной структуры хлорофилла-а. В первом случае максимум концентрации вещества отмечается на поверхности, во втором – в приповерхностном слое 10–30 м. При этом глубина слоя активного фотосинтеза оценивается от 70 до 100 м в зависимости от района и степени становления вертикальной стратификации вод. Минимальная глубина (10 м) залегания максимума концентрации хлорофилла-а наблюдается на северо-восточном шельфе Сахалина.
В летний и осенний периоды глубина слоя активной фотосинтетической деятельности уменьшается до 40–70 м. Летом минимальная глубина этого слоя располагается у северо-восточного побережья Сахалина, осенью – в северной части Охотского моря. В большинстве районов ярко выраженный максимум летом в вертикальном профиле не выделяется, высокое содержание вещества фиксируется в верхнем 30-метровом слое. Поздней осенью, вследствие разрушения вертикальной стратификации вод, хлорофилл-а равномерно распределяется в поверхностном слое, его концентрация значительно уменьшается по сравнению с другими сезонами.
Несмотря на то, что в работе использовались средние многолетние данные, которые в полной мере не учитывают особенности того или иного года, полученные оценки концентрации хлорофилла-а выявили сезонные и межгодовые особенности распределения вещества в фотическом слое для районов Охотского моря, что делает возможным восстановление его осредненного вертикального профиля по спутниковым данным. Рассчитанные параметры соотношения средней концентрацией хлорофилла-а на поверхности к слою 0–100 м позволяют использовать результаты дистанционного зондирования для расчета общего содержания хлорофилла-а при решении практических задач оценки параметров биопродуктивности как в отдельных районах, так и в целом по акватории Охотского моря.
Таким образом, акватория Охотского моря является зоной интенсивной фотосинтетической деятельности с высокими концентрациями хлорофилла-а на поверхности. Биопродукционный потенциал акватории находится на стабильно высоком уровне.
Список литературы
Власова Г.А., Васильев А.С., Шевченко Г.В. Пространственно-временная изменчивость структуры и динамики вод Охотского моря. М.: Наука, 2008. 356 с.
Вентцель М.В., Крылов В.В., Левашова С.С. Закономерности распределения фитопланктона по акватории Северно-Западной Пацифики // Морские гидробиологические исследования: Сб. науч. тр. М.: ВНИРО, 2000. С. 11–21.
Ким Сен Ток, Мухаметов И.Н., Заварзин Д.С., Частиков В.Н., Латковская Е.М., Цхай Ж.Р., Корнеев Е.С., Коренева Т.Г. Условия воспроизводства минтая Theragra chalcogramma (Gadidae) у северо-восточного побережья Сахалина, Охотское море // Вопросы ихтиологии. 2017. Т. 57. № 6. С. 892–906.
Киселев И.А. Планктон морей и континентальных водоемов: распределение, сезонная динамика, питание и значение. Л.: Наука, 1980. 440 с.
Лабай В.С., Ким С.Т., Смирнов А.В., Частиков В.Н., Шевченко Г.В., Цхай Ж.Р Оценка экологической емкости среды для серых китов (Eschrichtius robustus) в известных районах нагула у северо-восточного побережья о-ва Сахалин // Х международная конференция “Морские млекопитающие Голарктики”, посвященная памяти А.В. Яблокова. Сборник тезисов. Архангельск, 2018. С. 63–64 с.
Левашов Д.Е. Техника экспедиционных исследований: Инструментальные методы и технические средства оценки промыслово-значимых факторов среды. М.: Изд-во ВНИРО, 2003. 400 с.
Ложкин Д.М., Цхай Ж.Р., Шевченко Г.В. Спутниковый мониторинг температурных условий в районах устьев нерестовых рек южной части о. Сахалин // Исслед. Земли из космоса. 2018. № 5. С. 15–22.
Матвеев В.И. Гидрохимические условия биологической продуктивности Охотского моря // Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. Владивосток: ТИНРО, 2006. 141 с.
Матвеев В.И., Жигалов И.А. Оценка величины первичной продукции динамически активных зон Охотского моря // Вопросы промысловой океанографии. М.: ВНИРО, 2008. Вып. 5. № 2. С. 208–215.
Матвеев В.И., Тихомирова Е.А., Лучин В.А. Первичная продукция Охотского моря в годы с различными термическими условиями // Биология моря. 2015. Т. 41. № 3 С. 179–187.
Мордасова Н.В. Некоторые особенности распределения хлорофилла в Охотском море // Океанология. 1997. Т. 37. № 4. С. 538–546.
Мордасова Н.В. Косвенная оценка продуктивности вод по содержанию хлорофилла // Труды ВНИРО. 2014. Т. 152. С. 41–56.
Мордасова Н.В., Метревели М.П. Фитопигменты в Охотском море // Комплексные исследования экосистемы Охотского моря. М.: ВНИРО, 1997. С. 199–205.
Цхай Ж.Р., Дудков С.П. Результаты сравнения судовых и спутниковых данных о распределении температуры поверхности океана и хлорофилла-а в Охотском море // Математическое моделирование и информационные технологии в исследованиях биоресурсов Мирового океана. Тезисы докл. (1–3 октября 2007 г., Владивосток). 2007. С. 74–76.
Цхай Ж.Р. Анализ сезонных вариаций концентрации хлорофилла-а методом естественных ортогональных функций в Охотском море по спутниковым данным // Исслед. Земли из космоса. 2007. № 6. С. 37–45.
Цхай Ж.Р. Пространственно-временная изменчивость концентрации хлорофилла-а в поверхностном слое Охотского моря и прилегающих акваторий по спутниковым данным: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук. СахНИРО; ИМГиГ ДВО РАН. Южно-Сахалинск, 2017. 24 с.
Цхай Ж.Р., Хен Г.В. Сравнение спутниковых и судовых данных о концентрации хлорофилла-а в Охотском море и прилегающей акватории // Исслед. Земли из космоса. 2016. № 1–2. С. 187–198.
Цхай Ж.Р., Шевченко Г.В., Частиков В.Н. Аномальное распространение стока реки Амур в Охотском море в 2013 г. // Исслед. Земли из космоса. 2016. № 3. С. 84–88.
Чернявский В.И., Жигалов И.А., Матвеев В.И. Океанологические основы формирования зон высокой биологической продуктивности Охотского моря // Охотское море. Гидрометеорология и гидрохомия. Проект “Моря”. Л.: Гидрометеоиздат, 1993. Т. 9. Вып. 2. С. 157–160.
Шевченко Г.В., Тамбовский В.С. Динамика дрейфа льда на северо-восточном шельфе острова Сахалин по данным измерений радиолокационными станциями. РФФИ; ИМГиГ ДВО РАН. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2018. 136 с.
Шунтов В.П. Биология дальневосточных морей России. Том 1. Владивосток: ТИНРО-центр, 2001. 580 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Исследование Земли из Космоса