Моделирование химико-биологических процессов роста морских трав

Т. А. Филиппова✉, Е. Ф. Васечкина

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: filippovata@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Цель настоящего исследования – разработка имитационной модели роста морских трав для качественного и количественного описания химико-биологических процессов взаимодействия морских трав со средой.

Методы и результаты. Представлена имитационная модель роста морской травы зостеры как доминанты фитоценозов морских трав в прибрежных районах Черного моря. Основой модели является система дифференциальных уравнений, описывающих процессы фотосинтеза, поглощения из среды соединений биогенных элементов (азот и фосфор), продуцирования органического вещества и выделения кислорода и органических веществ в морскую среду. Управляющими параметрами в модели являются температура воды, интенсивность фотосинтетически активной радиации, концентрации нитратов, аммония и фосфатов в воде и поровых водах. Тестовые расчеты по модели проведены для центральной части залива Донузлав. По модели рассчитаны масса изъятых азота и фосфора, кислорода, взвешенного и растворенного органического вещества, поступивших в окружающую среду с одного квадратного метра, занимаемого зарослями зостеры. С глубины один метр в течение года выделяется 1 кг кислорода, продуцируется 0,6 кг углерода, поглощается 64 г азота (47 г из воды и 17 г из поровых вод) и 5 г фосфора.

Выводы. Предложенная модель позволяет оценить скорость роста морских трав, количество поглощенных биогенных элементов, выделившийся кислород, образовавшееся и выделившееся органическое вещество, концентрацию азота и фосфора в тканях растений. Качественные и количественные оценки процессов роста морской травы зостеры соответствуют натурным данным, представленным в литературных источниках. Показано, что разработанная модель может использоваться в качестве блока комплексной экологической модели – инструмента для количественной оценки интенсивности химико-биологических процессов, протекающих в прибрежных районах, имеющих риск развития гипоксии.

Ключевые слова

морская экосистема, моделирование, морские травы, зостера, фотосинтез, метаболические процессы, Донузлав

Благодарности

Выражаем глубокую благодарность Николаю Николаевичу Дьякову, канд. геогр. наук, члену-корреспонденту Крымской академии наук за предоставленные данные по заливу Донузлав. Работа выполнена в рамках государственного задания по теме FNNN-2021-0005 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей».

Для цитирования

Филиппова Т. А., Васечкина Е. Ф. Моделирование химико-биологических процессов роста морских трав // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 6. С. 694–708. EDN HHFSMU. doi:10.22449/0233-7584-2022-6-694-708

Filippova, T.A. and Vasechkina, E.F., 2022. Simulation of Chemical and Biological Processes of Seagrass Growth. Physical Oceanography, 29(6), pp. 674-687. doi:10.22449/1573-160X-2022-6-674-687

DOI

10.22449/0233-7584-2022-6-694-708

Список литературы

  1. Moore K. A., Short F. T. Zostera: Biology, Ecology and Management // Seagrasses: Biology, Ecology, and Conservation / Eds. T. Larcum, R. Orth, C. Duarte. Netherlands : Springer, 2006. P. 361–386. doi:10.1007/1-4020-2983-7_16
  2. Rasmussen J. R., Olesen B., Krause-Jensen D. Effects of filamentous macroalgae mats on growth and survival of eelgrass, Zostera marina, seedlings // Aquatic Botany. 2012. Vol. 99. P. 41–48. https://doi.org/10.1016/j.aquabot.2012.01.005
  3. Мильчакова Н. А. Морские травы южных морей Евразии: состав, распространение и структурно-функциональные особенности (обзор) // Основные результаты комплексных исследований в Азово-Черноморском бассейне и Мировом океане (Юбилейный выпуск). Керчь : Изд-во ЮгНИРО, 2008. Т. 46. С. 93–101. (Труды Южного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии).
  4. A simulation model for the annual fluctuation of Zostera marina biomass in the Venice lagoon / N. Zharova [et al.] // Aquatic Botany. 2001. Vol. 70. P. 135–150. doi:10.1016/S0304-3770(01)00151-6
  5. Wetzel R. L., Neckles H. A. A model of Zostera marina L. Photosynthesis and growth: Simulated effects of selected physical-chemical variables and biological interactions // Aquatic Botany. 1986. Vol. 26. P. 307–323. doi:10.1016/0304-3770(86)90029-X
  6. Zimmerman R. C., Smith R. D., Alberte R. S. Is growth of eelgrass nitrogen limited? A numerical simulation of the effects of light and nitrogen on the growth dynamics of Zostera marina // Marine Ecology – Progress Series. 1987. Vol. 41, iss. 2. P. 167–176. doi:10.3354/meps041167
  7. Modelling Zostera marina and Ulva spp. in a coastal lagoon / L. Aveytua-Alcázar [et al.] // Ecological Modelling. 2008. Vol. 218, iss. 3–4. P. 354–366. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2008.07.019
  8. Duarte C. M., Martínez R., Barrón C. Biomass, production and rhizome growth near the northern limit of seagrass (Zostera marina) distribution // Aquatic Botany. 2002. Vol. 72, iss. 2. P. 183–189. doi:10.1016/S0304-3770(01)00225-X
  9. Зенкина В. Г., Павлова А. В. Zostera marina – информативный показатель экологического состояния морских вод // Международный журнал экспериментального образования. 2016. № 10 (часть 2). С. 190–192. URL: https://expeducation.ru/ru/article/view?id=10630 (дата обращения: 11.11.2022).
  10. Виды – биологические индикаторы состояния морских арктических экосистем / В. О. Мокиевский [и др.] Москва : Фонд «НИР», 2020. 386 с. (Экологические атласы морей России). URL: https://www.rosneft.ru/upload/site1/attach/0/10/22/Biologicheskie_indikatory.pdf (дата обращения: 10.11.2022).
  11. Современные гидрологический и гидрохимический режимы залива Донузлав / Под ред. Н. Н. Дьякова, В. В. Фомина. Севастополь, 2021. 464 с.
  12. _Васечкина Е. Ф., Филиппова Т. А. _Моделирование биохимических процессов в бентосных фитоценозах прибрежной зоны // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 1. С. 52–69. doi:10.22449/0233-7584-2019-1-52-69
  13. Barrón C., Apostolaki E. T., Duarte C. M. Dissolved organic carbon release by marine macrophytes // Biogeosciences Discussion. 2012. Vol. 9. P. 1529–1555. https://doi.org/10.5194/bgd-9-1529-2012
  14. Kraemer G. P., Alberte R. S. Age-related patterns of metabolism and biomass in subterranean tissues of Zostera marina (eelgrass) // Marine Ecology Progress Series. 1993. Vol. 95. P. 193–203. doi:10.3354/meps095193
  15. Jassby A. D., Platt T. Mathematical formulation of the relationship between photosynthesis and light for phytoplankton // Limnology and Oceanography. 1976. Vol. 21, iss. 4. P. 540–547. doi:10.4319/LO.1976.21.4.0540
  16. Goodman J. L., Moore K. A., Dennison W. C. Photosynthetic responses of eelgrass (Zostera marina L.) to light and sediment sulfide in a shallow barrier island lagoon // Aquatic Botany. 1995. Vol. 50, iss. 1. P. 37–47. https://doi.org/10.1016/0304-3770(94)00444-Q
  17. Dennison W. C., Alberte R. S. Photosynthetic responses of Zostera marina L. (Eelgrass) to in situ manipulations of light intensity // Oecologia. 1982. Vol. 55, iss. 2. P. 137–144. https://doi.org/10.1007/BF00384478
  18. Temperature Effects on Leaf and Epiphyte Photosynthesis, Bicarbonate Use and Diel O2 Budgets of the Seagrass Zostera marina L. / A. B. Hansen [et al.] // Frontiers in Marine Science, 2022. Vol. 9. 822485. https://doi.org/10.3389/fmars.2022.822485
  19. Atkinson M. J., Smith S. V. C : N : P ratios of benthic marine // Limnology and Oceanography. 1983. Vol. 28, iss. 3. P. 568–574. https://doi.org/10.4319/lo.1983.28.3.0568
  20. Thursby G. B., Harlin M. M. Leaf-root interaction in the uptake of ammonia by Zostera marina // Marine Biology. 1982. Vol. 72. P. 109–112. doi:10.1007/BF00396910
  21. Dissolved inorganic nitrogen uptake kinetics and δ15N of Zostera marina L. (eelgrass) in a coastal lagoon with oyster aquaculture and upwelling influence / J. M. Sandoval-Gil [et al.] // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2015. Vol. 472. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.jembe.2015.06.018
  22. Pérez-Lloréns J. L., Niell F. X. Short-term phosphate uptake kinetics in Zostera noltii Hornem: a comparison between excised leaves and sediment-rooted plants // Hydrobiologia. 1995. Vol. 297. P. 17–27. https://doi.org/10.1007/BF00033498
  23. Thursby G. B., Harlin M. M. Interaction of leaves and roots of Ruppia maritima in the uptake of phosphate, ammonia and nitrate // Marine Biology. 1984. Vol. 83. P. 61–67. https://doi.org/10.1007/BF00393086
  24. Связь пространственной структуры концентрации общего взвешенного вещества и гидрологических параметров в северной части Черного моря по данным контактных измерений / А. А. Латушкин [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 124–137. doi:10.48612/fpg/4heu-kxbn-gg7t
  25. Pedersen M. F., Borum J. Nitrogen dynamics of eelgrass Zostera marina during a late summer period of high growth and low nutrient availability // Marine Ecology Progress Series. 1992. Vol. 80. P. 65–73. https://doi.org/10.3354/meps080065
  26. Littler M. M. Morphological Form and Photosynthetic Performances of Marine Macroalgae: Tests of a Functional/Form Hypothesis // Botanica Marina, 1980. Vol. 22. P. 161–166. doi:10.1515/botm.1980.23.3.161

Скачать статью в PDF-формате