Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

В условиях наблюдаемого потепления климата на севере Европы должны происходить значительные изменения в процессах обмена веществом между сушей и морем. Такой обмен можно рассматривать в рамках реализации модели маргинального фильтра в устьях рек, разработанной академиком А.П. Лисицыным. Применительно к устьевой области р. Северной Двины указанная модель будет иметь гравитационную ступень в диапазоне солености менее 5‰, коагуляционно-сорбционную ступень при солености 5–20‰ и биологическую ступень при солености более 20‰ [1]. На первой ступени обычно наблюдается максимальная мутность зоны смешения речных и морских вод, на второй ступени наибольшую активность получают гидрохимические процессы, и для третьей зоны характерны наибольшие биомассы планктона, зообентоса и ихтиофауны.

Целью выполненных исследований было определение характера сезонной изменчивости биомасс микроводорослей и зоопланктона на устьевом взморье р. Северной Двины в разных зонах маргинального фильтра в современных условиях.

Материалы и методы исследования

Отбор проб воды производился весной (июнь), летом (август) и осенью (октябрь) в 2020 и 2022 годах на 5 станциях, расположение которых указано на рис. 1. Наблюдениями охватывался восточный сектор устьевого взморья р. Северной Двины в юго-восточной части Двинского залива Белого моря. Здесь располагается фронтальная зона смешения морских и речных вод, а глубины на станциях колеблются в диапазоне 8-12 метров.

Гидробиологические исследования выполнялись в соответствии с методическим пособием [2]. Пробы воды с поверхностного и придонного горизонтов для определения параметров фитопланктона отбирались батометром Hydro-Bios объемом 5 литров. Далее из них формировалась единая интегральная проба воды объемом 1 литр. В лабораторных условиях с помощью вакуумной установки фитопланктон осаждали на мембранные фильтры «Владисарт» (диаметр пор 0,65 мкм), покрытые MgCO3 и диаметром 47 мм. Экстрагирование осадка, спектрофотометрирование экстракта, расчет концентрации хлорофилла «а» проводили согласно ГОСТ 17.1.4.02-90. Общая биомасса фитопланктона вычислялась по найденной концентрации хлорофилла «а».

Отбор проб зоопланктона производился сетью Джеди диаметром 36 см, при этом облавливался горизонт дно – 0 м. Затем пробы фиксировали 40% раствором формальдегида. Обработка велась в лабораторных условиях счетным методом в камере Богорова. Биомасса определялась по расчетным весам организмов и путем взвешивания гидробионтов на весах Kern 770.

Рис. 1. Карта-схема расположения станций гидробиологических наблюдений в юго-восточной части Двинского залива Белого моря

В состав сопутствующих наблюдений входило определение температуры и солености воды на поверхностном и придонном горизонтах. Для этой цели использовался многопараметрический анализатор жидкости Multi 3420 фирмы WTW.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты статистической обработки данных по биомассе планктона в каждый сезон на 5 мониторинговых станциях представлен в таблице. В ней вместо среднего значения использована медиана, как наиболее помехоустойчивая и наиболее показательная оценка центра распределения данных при использовании коротких выборок наблюдений [3]. Из таблицы видно, что в различные годы биомассы планктона на устьевом взморье р. Северной Двины могут существенно меняться. Можно предварительно предположить, что наименьшие междугодовые отклонения наблюдаются осенью в конце вегетационного периода, а наибольшие характерны для летнего периода.

Статистическая характеристика сезонной изменчивости биомассы планктона на устьевом взморье р. Северной Двины в юго-восточной части Двинского залива Белого моря в 2020 и 2022 годах.

а) б) в)

Рис. 2. Изменчивость биомассы планктона (В) и солености (S) устьевых вод на различных станциях на устьевом взморье р. Северной Двины в июне (а), августе (б) и октябре (в) 2022 года

При этом для изменчивости биомассы микроводорослей отмечается нарушение сезонной закономерности, типичной для речных (озерных) и чисто морских вод, когда её максимум фиксируется в весенний период. На устьевом взморье р. Северной Двины такой максимум для биомассы фитопланктона, как и для зоопланктона, наблюдался летом.

Представленные в таблице биомассы планктона в основном наблюдались в водах с диапазоном солености 5-20‰, т.е. в зоне коагуляционно-сорбционной ступени маргинального фильтра. Исключение составили воды на станции 5к весной (соленость 4,7‰) и на станциях 3к и 4г (соленость 22,4-22,8‰) осенью 2022 года. На рис. 2 видно, что на станции 5к, где соленость соответствовала гравитационной ступени, весной наблюдалась максимальная биомасса микроводорослей. При этом лишь для данной станции соблюдалась классическая изменчивость биомассы фитопланктона с наличием максимума весной и минимума осенью. Диапазон солености, соответствующий биологической ступени (более 20‰), в районе мониторинговых исследований был охвачен лишь осенью. Но это был конец вегетационного периода, когда биомасса фитопланктона зависит от специфики функционирования пищевой цепочки «фитопланктон – зоопланктон – рыба» в весенний и летний сезоны и не имеет какой-либо значимой корреляции с распределением солености.

В работе [4] на основании исследований связи биомассы зоопланктона с распределением солености на устьевом взморье р. Северной Двины было показано, что её минимум соответствует коагуляционно-сорбционной ступени. Возрастание биомассы зоопланктеров наблюдалось на гравитационной ступени и биологической ступени. При этом указывалось, что её максимум наиболее характерен для биологической ступени, где, в частности, она может достигать уровня 1000-2000 мг/м3 и даже более.

Анализ данных по распределению фитопланктона в различные сезоны 2020 и 2022 годов позволяет предположить, что минимум его биомассы на устьевом взморье р. Северной Двины, как и для зоопланктона, наблюдается на коагуляционно-сорбционной ступени маргинального фильтра. Это обусловлено присутствием в рассматриваемой зоне неблагоприятных условий для его развития, которые формируются при наличии сильных приливных течений и короткопериодной изменчивости термохалинных характеристик во фронтальной зоне смешения морских и речных вод. В условиях мелководья устьевого взморья реки оседающие здесь взвеси, которые выносятся весной с речным стоком, четыре раза в сутки на пике скоростей течений (0,3-0,5 м/с) в фазы отлива и прилива вновь поступают в водную толщу, повышая мутность водной среды. Она, в свою очередь, снижает приток света в устьевые воды, уменьшая его доступ микроводорослям. Кроме этого, взвешенные частицы песка в сочетании с высокими скоростями течений могут оказывать деформирующее воздействие на некоторые виды планктона. В рассматриваемой зоне также наибольшее развитие получают геохимические процессы, в том числе связанные с загрязнением водной среды [5], что может препятствовать массовому развитию в её водах планктона.

В летнюю межень за счет постепенного транзита мелкодисперсных наносов с мелководной акватории устьевого взморья р. Северной Двины на более глубоководные участки Двинского залива процессы взмучивания донных отложений перестают вызывать сильное замутнение устьевых вод в диапазоне солености 5-20‰. Одновременно за счет сильного прогрева речных и устьевых вод наблюдается усиление минерализации органического вещества, повышающей содержание солей азота и фосфора. Таким образом, можно предположить, что фитопланктон устьевого взморья реки летом получает лучшие условия для массового развития, чем весной. Это влечет за собой локальную аномалию в сезонной динамике биомассы фитопланктона, которая накладывается на сопутствующее возрастание биомассы зоопланктона.

В дельте р. Северной Двины за счет разнообразия геоморфологических условий даже на пике весеннего половодья имеются участки со слабыми течениями и сравнительно прозрачной водой, где могут происходить вспышки развития микроводорослей. К ним, в частности, относятся многочисленные микрозаливы и мелководные зоны между дельтовыми рукавами с наличием массовых зарослей галофитов. Но наилучшие условия для формирования высоких биомасс планктон получает за пределами устьевого взморья реки, где глубины повышаются до 20-30 и более метров и сильно ослабевают скорости приливных течений и литодинамические процессы. Здесь содержание взвесей на 1-2 порядка ниже, чем на устьевом взморье реки.

Аналогичная ситуация прослеживается и для донных беспозвоночных. По данным мониторинговых наблюдений НПФ «Субарктика», в восточном секторе устьевого взморья р. Северной Двины средняя биомасса зообентоса в 2020 и 2022 годах составила 2,70 и 2,91 г/м2. При этом в восточной части дельты реки, по данным СевПИНРО [6], в период с 2012 по 2018 г. она в среднем равнялась 5,25 г/м2. За пределами устьевого взморья в зоне биологической пробки маргинального фильтра на юго-востоке Двинского залива биомасса донных беспозвоночных возрастает на порядок [7].

Локализация минимальных биомасс планктона на устьевом взморье р. Северной Двины дает возможность рассматривать его как оптимальный в экологическом отношении район для дампинга грунта. Существующие здесь много лет отвалы грунта, вынимаемого на судоходных каналов в портах Архангельска и Северодвинска, создают более низкий рыбохозяйственный ущерб по сравнению с его возможным объемом, который бы наблюдался при дампинге грунта в зоне биологической ступени маргинального фильтра.

Выводы

Полученные результаты позволяют предположить, что минимум биомассы планктона в вегетационный период наблюдается в зоне коагуляционно-сорбционной ступени маргинального фильтра р. Северной Двины при солености 5-20‰. Её локальные максимумы в вегетационный период формируются в дельте реки при солености менее 5‰ и на прилегающей к взморью глубоководной акватории Двинского залива при солености более 20‰. Наиболее вероятно, что биологическая трансформация растворенных биогенных веществ получает наибольшую интенсивность в дельте реки на гравитационной ступени, а трансформация нерастворенной органики, потребляемой гидробионтами-фильтратами – на биологической ступени маргинального фильтра. В условиях наблюдаемого потепления климата наибольшие изменения в его структуре, скорее всего, будут наблюдаться в зоне гравитационной ступени в дельте р. Северной Двины.