Биологическая продуктивность Норвежского моря в условиях изменяющегося климата
|
Введение 1
1. Физико-климатическое описание района Норвежского моря 3
1.1 Морфология дна и границы акватории 3
1.2 Атмосферная циркуляция и погода 4
1.3 Течения 7
1.4 О фазах североатлантического колебания 9
1.5 Температура и соленость 12
1.6 Планктон 15
2. Описание продуктивности. Фитопланктон и зоопланктон 17
2.1 Осадочное вещество в Лофотенской котловине Норвежского моря:
сезонная динамика и роль зоопланктона 17
2.2. Влияние увеличения температуры на продукцию яиц у Calanus
finmarchicus и C. Glacialis 28
2.3 Влияние температуры на локомоторную активность Calanus Helgolandicus 33
3. Исходные данные и методы анализа 37
3.1 Исходные данные 37
3.2 Описание статистических методов 38
4. Межгодовая изменчивость продуктивности Норвежского моря 43
4.1 Взаимнокорреляционный анализ характеристик теплозапаса и мольной
концентрации фитопланктона Норвежского моря 43
4.2 Взаимнокорреляционный анализ характеристик теплозапаса и массовой
концентрации зоопланктона Норвежского моря 54
4.3 Кластерный анализ характеристик теплозапаса и мольной концентрации
фитопланктона территории Норвежского моря 67
4.4 Кластерный анализ характеристик теплозапаса, массовой концентрации
зоопланктона и мольной концентрации фитопланктона территории
Норвежского моря 71
Заключение 76
Список используемой литературы
1. Физико-климатическое описание района Норвежского моря 3
1.1 Морфология дна и границы акватории 3
1.2 Атмосферная циркуляция и погода 4
1.3 Течения 7
1.4 О фазах североатлантического колебания 9
1.5 Температура и соленость 12
1.6 Планктон 15
2. Описание продуктивности. Фитопланктон и зоопланктон 17
2.1 Осадочное вещество в Лофотенской котловине Норвежского моря:
сезонная динамика и роль зоопланктона 17
2.2. Влияние увеличения температуры на продукцию яиц у Calanus
finmarchicus и C. Glacialis 28
2.3 Влияние температуры на локомоторную активность Calanus Helgolandicus 33
3. Исходные данные и методы анализа 37
3.1 Исходные данные 37
3.2 Описание статистических методов 38
4. Межгодовая изменчивость продуктивности Норвежского моря 43
4.1 Взаимнокорреляционный анализ характеристик теплозапаса и мольной
концентрации фитопланктона Норвежского моря 43
4.2 Взаимнокорреляционный анализ характеристик теплозапаса и массовой
концентрации зоопланктона Норвежского моря 54
4.3 Кластерный анализ характеристик теплозапаса и мольной концентрации
фитопланктона территории Норвежского моря 67
4.4 Кластерный анализ характеристик теплозапаса, массовой концентрации
зоопланктона и мольной концентрации фитопланктона территории
Норвежского моря 71
Заключение 76
Список используемой литературы
Биологическая продукция в океане - живая материя, которая играет необходимую роль в трансформации и обмене энергии и веществ в океане. К биологической продукции в океане относятся такие группы организмов, как фитопланктон, зоопланктон, нектон, бентос, эндобионты, экзобионты. В данной работе будут рассматриваться только группы филопланктона и зоопланктона, так как они составляют основу всех следующих этапов продукционного процесса в море.
При решении некоторых вопросов промысла морских биологических ресурсов зачастую используются рассматриваемые характеристики. К таким вопросам можно отнести оценку общей биологической продуктивности водоемов, в последствии рыбная продукция; эффективность утилизации органического вещества, которое создают автотрофы и запасенная при этом энергия; оценка экологического состояния водных объектов, которая включает в себя трофический статус и качество воды. Все эти вопросы служат основой для прогноза изменений состояния водного объекта, рационального использования морских ресурсов, осуществление оптимального управления ресурсами.
Норвежское море является одним из самых обогащенных биологической продуктивностью районов, в особенности его южная часть. Здесь проводится множество исследовательских работ и экспедиций, направленных на большее изучение данного района промысла. Море является одним из основных промысловых районов, сюда мигрирует на нерест треска из вод северной Атлантики и Баренцева моря. На видовое разнообразие промысла и большую численность значительное влияние оказывает теплое Норвежское течение. Оно направленно вдоль берега Норвегии. Как и течения, на район большое влияние оказывает атмосферная циркуляция. В зонах циклонической активности наблюдается апвеллинг, в следствии чего происходит повышение концентрации биогенов. В зонах антициклонической циркуляции происходит
даунвеллинг, из-за этого зачастую происходит обеднение района биогенами, но на восточной периферии наблюдается повышение концентраций биогенов. Из-за этих особенностей основное внимание было сконцентрировано на южной части Норвежского моря. [16]
Из-за того, что рассматриваемый район Норвежского моря является промысловым, и взаимосвязь с термодинамическими параметрами может быть необходима в целях прогнозирования промысла и запаса для последующих годов, изучение данной темы является актуальной задачей. Так как в дальнейшем продукция Норвежского моря отправляется в продажу и на экспорт. Так же работа может быть актуальной со стороны поддержания видового разнообразия исследуемого района. Для мониторинга, отслеживание и дальнейшее предотвращение превосходства в больших объемах одного вида над другим.
Новизна данной работы заключается в том, что здесь используются данные параметров концентрации скоплений зоопланктона, помимо фитопланктона. В Российской Федерации очень тяжело найти данные по параметрам зоопланктона, так как, у исследовательских институтов есть свои трудности с получением таких данных. В связи с этим, в работе рассматривается зоопланктон только южной части исследуемого района.
Целью работы является выявление межгодовой взаимосвязи биологической продуктивности с термодинамическими параметрами Норвежского моря.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Получение и анализ пространственно-временной изменчивости исходных данных фитопланктона, зоопланктона и термодинамических параметров в Норвежском море.
2. Выделение термодинамической структуры Норвежского моря.
3. Проведение анализа взаимосвязи биологической продуктивности с термодинамическими параметрами.
4. Выявление зон с характерным влиянием на биологическую продуктивность с временным сдвигом.
5. Проведение кластерного анализа с исследуемыми параметрами.
При решении некоторых вопросов промысла морских биологических ресурсов зачастую используются рассматриваемые характеристики. К таким вопросам можно отнести оценку общей биологической продуктивности водоемов, в последствии рыбная продукция; эффективность утилизации органического вещества, которое создают автотрофы и запасенная при этом энергия; оценка экологического состояния водных объектов, которая включает в себя трофический статус и качество воды. Все эти вопросы служат основой для прогноза изменений состояния водного объекта, рационального использования морских ресурсов, осуществление оптимального управления ресурсами.
Норвежское море является одним из самых обогащенных биологической продуктивностью районов, в особенности его южная часть. Здесь проводится множество исследовательских работ и экспедиций, направленных на большее изучение данного района промысла. Море является одним из основных промысловых районов, сюда мигрирует на нерест треска из вод северной Атлантики и Баренцева моря. На видовое разнообразие промысла и большую численность значительное влияние оказывает теплое Норвежское течение. Оно направленно вдоль берега Норвегии. Как и течения, на район большое влияние оказывает атмосферная циркуляция. В зонах циклонической активности наблюдается апвеллинг, в следствии чего происходит повышение концентрации биогенов. В зонах антициклонической циркуляции происходит
даунвеллинг, из-за этого зачастую происходит обеднение района биогенами, но на восточной периферии наблюдается повышение концентраций биогенов. Из-за этих особенностей основное внимание было сконцентрировано на южной части Норвежского моря. [16]
Из-за того, что рассматриваемый район Норвежского моря является промысловым, и взаимосвязь с термодинамическими параметрами может быть необходима в целях прогнозирования промысла и запаса для последующих годов, изучение данной темы является актуальной задачей. Так как в дальнейшем продукция Норвежского моря отправляется в продажу и на экспорт. Так же работа может быть актуальной со стороны поддержания видового разнообразия исследуемого района. Для мониторинга, отслеживание и дальнейшее предотвращение превосходства в больших объемах одного вида над другим.
Новизна данной работы заключается в том, что здесь используются данные параметров концентрации скоплений зоопланктона, помимо фитопланктона. В Российской Федерации очень тяжело найти данные по параметрам зоопланктона, так как, у исследовательских институтов есть свои трудности с получением таких данных. В связи с этим, в работе рассматривается зоопланктон только южной части исследуемого района.
Целью работы является выявление межгодовой взаимосвязи биологической продуктивности с термодинамическими параметрами Норвежского моря.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Получение и анализ пространственно-временной изменчивости исходных данных фитопланктона, зоопланктона и термодинамических параметров в Норвежском море.
2. Выделение термодинамической структуры Норвежского моря.
3. Проведение анализа взаимосвязи биологической продуктивности с термодинамическими параметрами.
4. Выявление зон с характерным влиянием на биологическую продуктивность с временным сдвигом.
5. Проведение кластерного анализа с исследуемыми параметрами.
По полученным данным о распределении температуры и биологической продуктивности Норвежского моря подведем некоторые выводы. Биологическая продуктивность напрямую зависит от температуры воды исследуемого района. Но как было выявлено, не всегда только распределение температуры может показать, как изменяется биологическая продуктивность водоема, так как на нее оказывает влияние еще множество других параметров. И более правильно учитывать все факторы и процессы, которые могут повлиять на исследуемую характеристику. Также использованный кластерный анализ не определяет причинно-следственные отношения, она показывает, как изменяются процессы синхронно или асинхронно, следовательно, в местах одновременного увеличения биологической продуктивности и температуры воды, совсем не обязательно что продуктивность увеличилась под влиянием тепла. Как было выявлено, территориями в которых наблюдаются максимумы концентрации фитопланктона, в основном являются прибрежные акватории Скандинавского полуострова, район Шетландских островов и центральная территория акватории Норвежского моря.
Что касается температуры воды Норвежского моря, то рассматривая отдельные 4 точки поля исследуемой акватории, наблюдались холодные годы и теплые годы. Холодными годами является 2012, 2013, 2014, 2015 преимущественно ноябрь наиболее холодный месяц в этих годах. Так же выделили теплые годы, им преимущественно стали 2010, 2016, 2018 года, наиболее теплым месяцем в рассматриваемых территориях является апрель, в это время значения температуры воды были наиболее высоки. При рассмотрении изменения теплозапаса в отдельно взятых четырех точках области в большинстве случаев показателен положительный тренд изменения этого параметра. То есть за десятилетний период наблюдается тенденция к увеличению температуры воды. Это безусловно может отразиться на биологической продуктивности района, но как было показано в ходе эксперимента в главе 2.2 наиболее распространенные копеподы Норвежского моря могут продуцировать свое потомство при значениях температуры, которая является выше диапазона их оптимальных температур. И для некоторых видов копепод для комфортного существования необходимо поступление свежей пиши.
В ходе поделанной работы, были выявлены зоны, в которых наибольшим образом прослеживается взаимосвязь между концентрацией фитопланктона и температурой воды. Это побережье Норвежского моря, с прямой связью параметров, район Норвежского плато, Шетландские острова, северо-западный район исследованной акватории. Обоснование к полученному результату следующее. В исследуемом районе преимущественно распространены холодолюбивые виды фитопланктона, такие как Diatomeae (диатомовые водоросли). Поэтому, в тех районах, где вода прогрета выше оптимальной температуры для данного вида, скопления фитопланктона перемещаются в более прохладные и комфортные воды, для их дальнейшего формирования и обитания.
Взаимосвязь между температурой воды и концентрацией зоопланктона также оказалась не столь обнадеживающей. К сожалению, была исследована небольшая часть территории моря, намного меньше, чем в случае с фитопланктоном, из-за трудностей с получением данных по зоопланктону. И то что получилось на малой части территории, были в основном обусловлены «пятнистостью» участков с высокими коэффициентами корреляции. Это в основном район Шетландских островов, побережье Скандинавского полуострова, и западная часть той малой зоны акватории. В этих участках наблюдалась прямая связь параметров теплозапаса и концентрации зоопланктона. Так же присутствовали коэффициенты корреляции с обратной связью параметров на северо-западной части исследуемой территории.
Что касается районирования исследуемой территории (кластерный анализ), то в части использования только фитопланктона и теплозапаса, территория была разбита на 3 класса, в редких случаях на 4, в года, которые не вошли в анализ, их можно увидеть в Приложении. А та часть кластерного анализа, куда входил и зоопланктон, и фитопланктон, и теплозапас, здесь территория преимущественно разбивалась на 4 - 5 классов, несмотря на небольшую площадь исследуемой территории. Точки поля с максимальными (прямыми и обратными) коэффициентами корреляции для фитопланктона, которые рассматривались отдельно, входят в класс района, где определяющей переменной является фитопланктон, для обоих точек. Тоже самое в случае с зоопланктоном, точки поля с максимальными (прямыми и обратными) коэффициентами корреляции входят в те районы, где определяющей переменной является зоопланктон.
Полученные результаты можно использовать для дальнейшего изучения поведения различных видов планктона, обитаемого в исследуемом районе.
Что касается температуры воды Норвежского моря, то рассматривая отдельные 4 точки поля исследуемой акватории, наблюдались холодные годы и теплые годы. Холодными годами является 2012, 2013, 2014, 2015 преимущественно ноябрь наиболее холодный месяц в этих годах. Так же выделили теплые годы, им преимущественно стали 2010, 2016, 2018 года, наиболее теплым месяцем в рассматриваемых территориях является апрель, в это время значения температуры воды были наиболее высоки. При рассмотрении изменения теплозапаса в отдельно взятых четырех точках области в большинстве случаев показателен положительный тренд изменения этого параметра. То есть за десятилетний период наблюдается тенденция к увеличению температуры воды. Это безусловно может отразиться на биологической продуктивности района, но как было показано в ходе эксперимента в главе 2.2 наиболее распространенные копеподы Норвежского моря могут продуцировать свое потомство при значениях температуры, которая является выше диапазона их оптимальных температур. И для некоторых видов копепод для комфортного существования необходимо поступление свежей пиши.
В ходе поделанной работы, были выявлены зоны, в которых наибольшим образом прослеживается взаимосвязь между концентрацией фитопланктона и температурой воды. Это побережье Норвежского моря, с прямой связью параметров, район Норвежского плато, Шетландские острова, северо-западный район исследованной акватории. Обоснование к полученному результату следующее. В исследуемом районе преимущественно распространены холодолюбивые виды фитопланктона, такие как Diatomeae (диатомовые водоросли). Поэтому, в тех районах, где вода прогрета выше оптимальной температуры для данного вида, скопления фитопланктона перемещаются в более прохладные и комфортные воды, для их дальнейшего формирования и обитания.
Взаимосвязь между температурой воды и концентрацией зоопланктона также оказалась не столь обнадеживающей. К сожалению, была исследована небольшая часть территории моря, намного меньше, чем в случае с фитопланктоном, из-за трудностей с получением данных по зоопланктону. И то что получилось на малой части территории, были в основном обусловлены «пятнистостью» участков с высокими коэффициентами корреляции. Это в основном район Шетландских островов, побережье Скандинавского полуострова, и западная часть той малой зоны акватории. В этих участках наблюдалась прямая связь параметров теплозапаса и концентрации зоопланктона. Так же присутствовали коэффициенты корреляции с обратной связью параметров на северо-западной части исследуемой территории.
Что касается районирования исследуемой территории (кластерный анализ), то в части использования только фитопланктона и теплозапаса, территория была разбита на 3 класса, в редких случаях на 4, в года, которые не вошли в анализ, их можно увидеть в Приложении. А та часть кластерного анализа, куда входил и зоопланктон, и фитопланктон, и теплозапас, здесь территория преимущественно разбивалась на 4 - 5 классов, несмотря на небольшую площадь исследуемой территории. Точки поля с максимальными (прямыми и обратными) коэффициентами корреляции для фитопланктона, которые рассматривались отдельно, входят в класс района, где определяющей переменной является фитопланктон, для обоих точек. Тоже самое в случае с зоопланктоном, точки поля с максимальными (прямыми и обратными) коэффициентами корреляции входят в те районы, где определяющей переменной является зоопланктон.
Полученные результаты можно использовать для дальнейшего изучения поведения различных видов планктона, обитаемого в исследуемом районе.