Сравнительная оценка биооптических показателей вод в акваториях с различным трофическим статусом

Т. Я. Чурилова1, ✉, Т. В. Ефимова1, Н. А. Моисеева1, Е. Ю. Скороход1, Д. В. Калмыкова1, И. А. Суторихин2, В. В. Кириллов2

1 Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН, Севастополь, Россия

2 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, Россия

✉ e-mail: tanya.churilova@ibss-ras.ru

Аннотация

Цель. Для развития региональных спутниковых алгоритмов требуется информация о биооптических показателях вод конкретной акватории. Настоящие исследования были нацелены на сравнительный анализ биооптических показателей вод, различающихся по оптическим характеристикам и трофическому статусу.

Методы и результаты. В работе объединены результаты измерений спектральных биооптических показателей вод Черного, Азовского, Баренцева и Норвежского морей, Северного Ледовитого океана, Южного океана (Атлантический сектор), Байкала и Телецкого озера. Спектральные показатели поглощения света пигментами фитопланктона, неживым взвешенным и окрашенным растворенным органическим веществом измеряли в соответствии с современными протоколами International Ocean Colour Coordinating Group. Районы исследования включали акватории с уровнем трофности от олиготрофного до эвтрофного (значения концентрации хлорофилла а в поверхностных водах варьировали от 0,066 до 24 мг·м−3) и с высокой неоднородностью по биооптическим характеристикам: значения показателя суммарного поглощения света взвешенным и растворенным органическим веществом (за исключением воды) на длине волны 438 нм изменялись от 0,021 до 0,97 м−1.

Выводы. Во всех районах отмечена высокая (в пределах порядка и более) пространственная изменчивость значений показателей поглощения света всеми оптически активными компонентами среды и их соотношений, что свидетельствует об оптической контрастности вод в каждом из исследованных регионов. Показана региональная специфичность коэффициентов параметризации поглощения света пигментами фитопланктона, неживым взвешенным и окрашенным растворенным органическим веществом. Установленные коэффициенты параметризации поглощения света оптически активными компонентами среды могут быть использованы для развития региональных спутниковых алгоритмов оценки показателей качества и продуктивности вод. На основе эмпирически установленных зависимостей были предложены дополнительные показатели качества водной среды – глубина зоны фотосинтеза и характеристика спектрального состава света в море, которые могут восстанавливаться по спутниковым данным.

Ключевые слова

хлорофилл а, поглощение света, пигменты фитопланктона, неживое взвешенное вещество, растворенное органическое вещество, Черное море, Азовское море, Баренцево море, Норвежское море, Северный Ледовитый океан, Южный океан, озеро Байкал, Телецкое озеро

Благодарности

Исследование выполнено в рамках темы госзадания №124030100106-2 «Исследование региональных особенностей биооптических показателей водоемов как основы дешифрования данных дистанционного зондирования для оценки мультимасштабной изменчивости первично продукционных характеристик пелагических экосистем». Авторы выражают благодарность рецензентам за полезные рекомендации и замечания.

Для цитирования

Сравнительная оценка биооптических показателей вод в акваториях с различным трофическим статусом / Т. Я Чурилова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 4. С. 556–575. EDN OBGXYK.

Churilova, T.Ya., Efimova, T.V., Moiseeva, N.A., Skorokhod, E.Yu., Kalmykova, D.V., Sutorikhin, I.A. and Kirillov, V.V., 2024. Comparison of Bio-Optical Properties of Optically Complex Waters with Different Trophic Status. Physical Oceanography, 31(4), pp. 507-526.

Список литературы

  1. Climate change impacts on marine ecosystems / S. C. Doney [et al.] // Annual Review of Marine Science. 2012. Vol. 4. P. 11–37. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-041911-111611
  2. Satellite Ocean Colour: current status and future perspective / S. Groom [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2019. Vol. 6. 485. https://doi.org/10.3389/fmars.2019.00485
  3. An ocean-colour time series for use in climate studies: the experience of the Ocean-Colour Climate Change Initiative (OC-CCI) / S. Sathyendranath [et al.] // Sensors. 2019. Vol. 19, iss. 19. 4285. https://doi.org/10.3390/s19194285
  4. Overview of the application of remote sensing in effective monitoring of water quality parameters / G. E. Adjovu [et al.] // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, iss. 7. 1938. https://doi.org/10.3390/rs15071938
  5. The Oceanic Optics Book / Ed. C. D. Mobley. Dartmouth: International Ocean Colour Coordinating Group (IOCCG), 2022. 924 p. http://dx.doi.org/10.25607/OBP-1710
  6. Uncertainties in Ocean Colour Remote sensing / Ed. F. Mélin. Dartmouth : International Ocean Colour Coordinating Group, 2019. 170 p. (OCCG Report Series ; no. 18).
  7. Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnology and Oceanography. 1977. Vol. 22, iss. 4. P. 709–722. https://doi.org/10.4319/lo.1977.22.4.0709
  8. Optical modeling of ocean waters: is the case 1 - case 2 classification still useful? / C. D. Mobley [et al.] // Oceanography. 2004. Vol. 17, no. 2. P. 60–68. http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2004.48
  9. Mélin F., Vantrepotte V. How optically diverse is the coastal ocean? // Remote Sensing of Environment. 2015. Vol. 160. P. 235–251. https://doi.org/10.1016/j.rse.2015.01.023
  10. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas / O. V. Kopelevich [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2004. Vol. 51, iss. 10–11. P. 1063–1091. http://dx.doi.org/10.1016/S0967-0645(04)00101-8
  11. Suslin V., Churilova T. A regional algorithm for separating light absorption by chlorophyll-a and coloured detrital matter in the Black Sea, using 480–560 nm bands from ocean colour scanners // International Journal of Remote Sensing. 2016. Vol. 37, iss. 18. P. 4380–4400. https://doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350
  12. Концентрация хлорофилла-а в Черном море: сравнение спутниковых алгоритмов / В. В. Суслин [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 64–72. EDN VALADQ. https://doi.org/10.7868/S2073667318030085
  13. Dynamics in pigment concentration and light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter in the Black Sea coastal waters (near Sevastopol) / T. V. Efimova [et al.] // Proceedings of SPIE. SPIE, 2024. Vol. 10833 : 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 108336C. https://doi.org/10.1117/12.2504657
  14. Light absorption by optically active components in the Arctic Region (August 2020) and the possibility of application to satellite products for water quality assessment / T. Efimova [et al.] // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, iss. 17. 4346. https://doi.org/10.3390/rs15174346
  15. Spectral bio-optical properties of Lake Teletskoye in summer / N. A. Moiseeva [et al.] // Proceedings of SPIE. SPIE, 2023. Vol. 12780 : 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 1278049. https://doi.org/10.1117/12.2690958
  16. Preliminary results of bio-optical investigations at Lake Baikal / T. Ya. Churilova [et al.] // Limnology and Freshwater Biology. 2018. № 1. P. 58–61. http://dx.doi.org/10.31951/2658-3518-2018-A-1-58
  17. Parameterization of light absorption of phytoplankton, non-algal particles and coloured dissolved organic matter in the Atlantic Region of the Southern Ocean (Austral Summer of 2020) / T. Ya. Churilova [et al.] // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, iss. 3. 634. http://dx.doi.org/10.3390/rs15030634
  18. Study of absorption characteristics of phytoplankton, particles and colored dissolved organic matter in Lake Baikal (July 2018 and September 2019) / T. Ya. Churilova [et al.] // Limnology and Freshwater Biology. 2020. Iss. 2. P. 387–390. https://doi.org/10.31951/2658-3518-2020-A-2-387
  19. Спектральные показатели поглощения света взвешенным веществом и растворенным органическим веществом в Азовском море / Т. Я. Чурилова [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 3. С. 73–83. https://doi.org/10.59887/fpg/ex1p-9vtp-phu8
  20. Оценки концентрации хлорофилла а и первичной продукции в Азовском море с использованием спутниковых данных / Г. Г. Матишов [и др.] // Доклады Академии наук. 2010. Т. 432, № 4. С. 563–566. EDN MSQXQT.
  21. Long-term variations of surface chlorophyll a and primary production in the open Black Sea / O. A. Yunev [et al.] // Marine Ecology Progress Series. 2002. Vol. 230. P. 11–28. https://doi.org/10.3354/meps230011
  22. Стельмах Л. В. Интенсивность фотосинтеза двух размерных фракций фитопланктона в евтрофных водах Севастопольской бухты // Гидробиологический журнал. 1992. Т. 28, № 3. С. 14–20.
  23. Pitchford J. W., Brindley J. Iron limitation, grazing pressure and oceanic high nutrient-low chlorophyll (HNLC) regions // Journal of Plankton Research. 1999. Vol. 21, iss. 3. P. 525–547. https://doi.org/10.1093/plankt/21.3.525
  24. Modeling plankton ecosystem functioning and nitrogen fluxes in the oligotrophic waters of the Beaufort Sea, Arctic Ocean: a focus on light-driven processes / V. Le Fouest [et al.] // Biogeosciences. 2013. Vol. 10, iss. 7. P. 4785–4800. https://doi.org/10.5194/bg-10-4785-2013
  25. Parameterization of vertical chlorophyll a in the Arctic Ocean: impact of the subsurface chlorophyll maximum on regional, seasonal, and annual primary production estimates / M. Ardyna [et al.] // Biogeosciences. 2013. Vol. 10, iss. 6. P. 4383–4404. https://doi.org/10.5194/bg-10-4383-2013
  26. Экологическое состояние Телецкого озера при современных изменениях окружающей среды / Т. М. Кудерина [и др.] // Полевые исследования в Алтайском биосферном заповеднике. 2019. № 1. С. 86–91. EDN RQHDYG.
  27. Jeffrey S. W., Humphrey G. F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c1 and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton // Biochemie und Physiologie der Pflanzen. 1975. Vol. 167, iss. 2. P. 191–194. https://doi.org/10.1016/S0015-3796(17)30778-3
  28. Lorenzen C. J. Determination of chlorophyll and pheo-pigments: spectrophotometric equations // Limnology and Оceanography. 1967. Vol. 12, iss. 2. P. 343–346. https://doi.org/10.4319/lo.1967.12.2.0343
  29. Inherent optical property measurements and protocols: absorption coefficient / Ed. A. R. Neeley, A. Mannino. Dartmouth, NS, Canada, 2018. 83 p. (IOCCG Protocol series ocean optics & biogeochemistry protocols for satellite ocean colour sensor validation ; vol. 1). http://dx.doi.org/10.25607/OBP-119
  30. Measurement protocol of absorption by chromophoric dissolved organic matter (CDOM) and other dissolved materials / A. Mannino [et al.]. Dartmouth, Canada : IOCCG, 2019. 77 p. (Inherent Optical Property Measurements and Protocols: Absorption Coefficient). URL: https://ioccg.org/wp-content/uploads/2019/10/cdom_abs_protocol_public_draft-19oct-2019-sm.pdf (date of access: 30.07.2024).
  31. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization / A. Bricaud [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C7. P. 13321–13332. https://doi.org/10.1029/95JC00463
  32. Variations in the light absorption coefficients of phytoplankton, nonalgal particles, and dissolved organic matter in coastal waters around Europe / M. Babin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C7. 3211. http://dx.doi.org/10.1029/2001JC000882
  33. Phytoplankton pigments in oceanography: Guidelines to modern method / Ed. S. W. Jeffrey, R. F. C. Mantoura, S. W. Wright. Paris : UNESCO publishing, 1997, 661 p.
  34. Чурилова Т. Я., Финенко З. З., Акимов А. И. Пигменты микроводорослей // Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использования. Севастополь : ЭКОСИ-гидрофизика, 2008. Глава 11. С. 301–319.
  35. Kirk J. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. 3rd ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. 665 p.
  36. Absorption spectral slopes and slope ratios as indicators of molecular weight, source, and photobleaching of chromophoric dissolved organic matter / J. R. Helms [et al.] // Limnology and Oceanography. 2008. Vol. 53, iss. 3. P. 955–969. https://doi.org/10.4319/lo.2008.53.3.0955
  37. Nelson N. B., Siegel D. A. The Global Distribution and Dynamics of Chromophoric Dissolved Organic Matter // Annual Review of Marine Science. 2013. Vol. 5. P. 447–476. http://dx.doi.org/10.1146/annurev-marine-120710-100751
  38. Влияние взвешенного и растворенного органического вещества на спектральные характеристики облученности и эффективность поглощения света пигментами фитопланктона в прибрежных водах Черного моря / Т. Я. Чурилова [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 2. С. 43–50. EDN PASVZI. http://dx.doi.org/10.7868/S2073667320020057
  39. Morel A., Bricaud A. Theoretical results concerning light absorption in a discrete medium, and application to specific absorption of phytoplankton // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1981. Vol. 28, iss. 11. P. 1375–1393. https://doi.org/10.1016/0198-0149(81)90039-X
  40. Phytoplankton carbon to chlorophyll a rario: response to light, temperature and nutrient limitation / Z. Z. Finenko [et al.] // Морской экологический журнал. 2003. Т. 2, № 2. С. 40–64.
  41. Pan-Arctic distributions of continental runoff in the Arctic Ocean / C. G. Fichot [et al.] // Scientific Reports. 2013. Vol. 3. 1053. https://doi.org/10.1038/srep01053
  42. Inventories and behavior of particulate organic carbon in the Laptev and East Siberian seas / L. Sánchez-García [et al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2011. Vol. 25, iss. 2. GB2007. http://dx.doi.org/10.1029/2010GB003862
  43. The upper desalinated layer in the Kara Sea / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2010. Vol. 50, iss. 5. P. 657–667. http://dx.doi.org/10.1134/S0001437010050036
  44. Water transparency and spectral downwelling irradiance in the Black and Azov seas and in Lake Teletskoye / T. Ya Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE. SPIE, 2023. Vol. 12780 : 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 1278047. https://doi.org/10.1117/12.2690845

Файлы

Полный текст

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.