Параметризация зависимости интегральной биомассы фитопланктона от концентрации хлорофилла на поверхности Черного моря по данным экспедиционных исследований

И. В. Ковалёва

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

e-mail: ilonavk@ibss-ras.ru

Аннотация

Цель. Представить алгоритм расчета интегральной биомассы фитопланктона в эвфотическом слое Черного моря с применением экспедиционных данных и провести сравнительный анализ изменчивости исследуемых характеристик, полученных по расчетам двумя способами: с помощью прямых измерений концентрации хлорофилла по горизонтам и по модели – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Представлен алгоритм для расчета интегральной биомассы фитопланктона. Использовались данные экспедиционных исследований, полученные в рейсах НИС «Профессор Водяницкий» в 2018–2022 гг. в разные сезоны для акватории Крымского побережья на глубинах 20–1500 м. Проведено сравнение оценок по результатам параметризации и данных, рассчитанных на основе прямых измерений отдельных входных параметров на разных глубинах. Согласно результатам статистического анализа модели, коэффициенты детерминации изменялись в диапазоне 0,7–0,74. В зоне фотосинтеза среднемесячные значения интегральной биомассы фитопланктона, рассчитанные по экспедиционным данным, в июне и октябре были равны 768 ± 283 и 2277 ± 726 мг С/м2 соответственно, в верхнем квазиоднородном слое в июне 556 ± 270 мг С/м2, в октябре 2023 ± 725 мг С/м2. Среднемесячные значения для всей исследуемой акватории по модельным расчетам отличались на 0,9–4% от данных вычислений, полученных с помощью прямых измерений входных параметров на разных глубинах. Рассмотрены профили концентрации хлорофилла в отдельные месяцы 2018–2022 гг. и выполнено их математическое описание с помощью функции, полученной в ранних исследованиях. В осенний период максимум хлорофилла наблюдался преимущественно в верхнем квазиоднородном слое, в летний – на нижней границе эвфотической зоны, куда проникает до ~ 0,1% света, падающего на поверхность моря.

Выводы. Приведенная параметризация интегральной биомассы фитопланктона применима для всех сезонов, проста в использовании и имеет хорошую согласованность с результатами расчетов с использованием прямых измерений концентрации хлорофилла на разных глубинах. Алгоритм расчета в перспективе будет удобен для вычислений с применением спутниковых данных.

Ключевые слова

интегральная биомасса, фитопланктон, Черное море, алгоритм расчета, профили концентрации хлорофилла

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда и правительства Севастополя № 24-27-20014 «Трансформация структуры и функциональных характеристик черноморского фитопланктона у берегов Крыма в современных экологических условиях. Фундаментальная роль и прикладное значение», https://rscf.ru/project/24-27-20014/. Работы выполнены в Центре коллективного пользования НИС «Профессор Водяницкий». Автор благодарен за сбор данных в рейсах ведущему инженеру Н. В. Мининой.

Для цитирования

Ковалёва И. В. Параметризация зависимости интегральной биомассы фитопланктона от концентрации хлорофилла на поверхности Черного моря по данным экспедиционных исследований // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 3. С. 331–345. EDN XPZWGE.

Kovalуоva, I.V., 2025. Parameterization of the Dependence of Integral Phytoplankton Biomass on Chlorophyll Concentration at the Black Sea Surface Based on Expeditionary Research Data. Physical Oceanography, 32 (3), pp. 347-360.

Список литературы

  1. Селифонова Ж. П., Ясакова О. Н. Фитопланктон акваторий портовых городов северо-восточного шельфа Чёрного моря // Морський екологiчний журнал. 2012. Т. 11, № 4. С. 67–77. EDN TMKHFV.
  2. Влияние комплекса факторов среды на биомассу фитопланктона и зоопланктона в Черном море в весенний период / С. Б. Крашенинникова [и др.] // Экология и строительство. 2019. Т. 4. С. 14–21. EDN RAWNQO. https://doi.org/10.35688/2413-8452-2019-04-002
  3. Стельмах Л. В., Мансурова И. М. Многолетняя динамика фитопланктона и концентрации хлорофилла а в поверхностном слое прибрежных вод Черного моря (район Севастополя) // Вопросы современной альгологии. 2020. № 1. С. 66–81. EDN NBMFBU. https://doi.org/10.33624/2311-0147-2020-1(22)-66-81
  4. Стельмах Л. В. Влияние адаптации фитопланктона на распределение его биомассы и концентрации хлорофилла а в поверхностном слое Черного моря // Системы контроля окружающей среды. 2019. Вып. 1. С. 106–114. https://doi.org/10.33075/2220-5861-2019-1-106-114
  5. Морозова-Водяницкая Н. В. Фитопланктон Черного моря. Часть I. Фитопланктон в районе Севастополя и общий обзор фитопланктона Черного моря // Труды Севастопольской биологической станции. Москва – Ленинград : Изд-во АН СССР, 1948. Т. VI. С. 39–172.
  6. Морозова-Водяницкая Н. В. Фитопланктон Черного моря. Часть II // Труды Севастопольской биологической станции. Москва – Ленинград : Изд-во АН СССР, 1954. Т. VIII. С. 11–99.
  7. Basin-scale variability of phytoplankton biomass, production and growth in the Atlantic Ocean / E. Marañón [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2000. Vol. 47, iss. 5. P. 825–857. https://doi.org/10.1016/S0967-0637(99)00087-4
  8. Vertical distribution of phytoplankton biomass, production and growth in the Atlantic subtropical gyres / V. Pérez [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2006. Vol. 53, iss. 10. P. 1616–1634. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2006.07.008
  9. Carbon-based ocean productivity and phytoplankton physiology from space / M. J. Behrenfeld [et al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2005. Vol. 19, iss. 1. GB1006. https://doi.org/10.1029/2004GB002299
  10. Stelmakh L. V. Spatial and Temporal Variability of Carbon to Chlorophyll a Ratio in Phytoplankton of the Surface Layer in Shallow Water Areas of the Black Sea (Crimea) // International Journal on Algae. 2015. Vol. 17, iss. 4. P. 385–396. https://doi.org/10.1615/InterJAlgae.v17.i4.60
  11. Alternation of diatoms and coccolithophores in the north-eastern Black Sea: a response to nutrient changes/ A. S. Mikaelyan [et al.] // Hydrobiologia. 2015. Vol. 755. Р. 89–105. https://doi.org/10.1007/s10750-015-2219-z
  12. Drivers of phytoplankton blooms in the northeastern Black Sea / V. A. Silkin [et al.] // Marine Pollution Bulletin. 2019. Vol. 138. P. 274–284. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2018.11.042
  13. Структура фитопланктона Белого моря после летнего цветения: пространственная неоднородность в зависимости от гидрофизических условий / Л. С. Житина [и др.] // Сибирский экологический журнал. 2016. Т. 23, № 6. С. 888–899. EDN XCRXPT. https://doi.org/10.15372/SEJ20160608
  14. Menden-Deuer S., Lessard E. J. Carbon to volume relationships for dinoflagellates, diatoms, and other protist plankton // Limnology and Oceanography. 2000. Vol. 45, iss. 3. P. 569–579. https://doi.org/10.4319/lo.2000.45.3.0569
  15. Финенко З. З., Ковалева И. В., Суслин В. В. Новый подход к оценке биомассы фитопланктона и ее вариабельности в поверхностном слое Черного моря по спутниковым данным // Успехи современной биологии. 2018. Т. 138, № 3. С. 294–307. EDN XUKMZV. https://doi.org/10.7868/S0042132418030079
  16. Абакумов А. И., Пак С. Я. Моделирование процесса фотосинтеза и оценка динамики биомассы фитопланктона на основе модели Друпа // Математическая биология и биоинформатика. 2021. Т. 16, № 2. С. 380–393. EDN MVYEZI. https://doi.org/10.17537/2021.16.380
  17. Oguz T., Ducklow H. W., Malanotte-Rizzoli P. Modeling distinct vertical biogeochemical structure of the Black Sea: Dynamical coupling of the oxic, suboxic, and anoxic layers // Global Biogeochemical Cycles. 2000. Vol. 14, iss. 4. P. 1331–1352. https://doi.org/10.1029/1999GB001253
  18. Финенко З. З., Суслин В. В., Чурилова Т. Я. Региональная модель для расчета первичной продукции Черного моря с использованием данных спутникового сканера цвета SeaWiFS // Морський екологiчний журнал. 2009. Т. 8, № 1. С. 81–106. EDN TNCEMJ.
  19. Ковалёва И. В., Суслин В. В. Интегральная первичная продукция в глубоководных районах Черного моря в 1998–2015 годах // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 4. С. 432–445. EDN MYVMZX. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-4-432-445
  20. Изменчивость толщины перемешанного слоя в Черном море и ее связь с динамикой вод и атмосферным воздействием / А. А. Кубряков [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 5. С. 449–468. EDN AIEJPU. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-5-449-468
  21. Structural and functional parameters of the Black Sea phytoplankton during the summer bloom of the coccolithophore Emiliania huxleyi / L. V. Stelmakh [et al.] // Regional Studies in Marine Science. 2024. Vol. 76. 103594. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2024.103594
  22. Ковалёва И. В., Суслин В. В. Сезонная изменчивость биомассы и удельной скорости роста фитопланктона в 2016–2020 годах в глубоководной зоне Чёрного моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20, № 4. С. 250–262. EDN VXDPLZ. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2023-20-4-250-262
  23. Финенко З. З., Чурилова Т. Я., Ли Р. И. Вертикальное распределение хлорофилла и флуоресценции в Черном море // Морський екологiчний журнал. 2005. Т. 4, № 1. С. 15–46. EDN VKGJUN.
  24. Кубрякова Е. А., Кубряков A. A., Станичный С. В. Влияние зимнего выхолаживания на вертикальное вовлечение вод и интенсивность цветения фитопланктона в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 3. С. 206–222. EDN VLPZDY. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2018-3-206-222
  25. Mellor G. L. One-Dimensional, Ocean Surface Layer Modeling: A Problem and a Solution // Journal of Physical Oceanography. 2001. Vol. 31, iss. 3. P. 790–809. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2001)031%3C0790:ODOSLM%3E2.0.CO;2
  26. Развитие фитопланктона в зимне-весенний период в прибрежных водах Крыма / З. З. Финенко [и др.] // Морской биологический журнал. 2021. Т. 6, № 1. С. 102–114. EDN BLFXXH. https://doi.org/10.21072/mbj.2021.06.1.08
  27. Finenko Z. Z., Mansurova I. M., Suslin V. V. Temporal Dynamics of Phytoplankton Biomass in the Surface Layer of the Black Sea According to Satellite Observations // Oceanology. 2022. Vol. 62, iss. 3. P. 358–368. https://doi.org/10.1134/S0001437022030043
  28. Pautova L. A., Mikaelyan A. S., Silkin V. A. Structure of plankton phytocoenoses in the shelf waters of the northeastern Black Sea during the Emiliania huxleyi bloom in 2002–2005 // Oceanology. 2007. Vol. 47, iss. 3. P. 377–385. https://doi.org/10.1134/S0001437007030101
  29. Mikaelyan A. S., Silkin V. A., Pautova L. A. Coccolithophorids in the Black Sea: Their interannual and long-term changes // Oceanology. 2011. Vol. 51, iss. 1. Р. 39–48. https://doi.org/10.1134/S0001437011010127
  30. Environmental control on phytoplankton community structure in the NE Black Sea / V. A. Silkin [et al.] // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2014. Vol. 461. P. 267–274. https://doi.org/10.1016/j.jembe.2014.08.009
  31. Response of the Coastal Phytoplankton Community to the Runoff from Small Rivers in the Northeastern Black Sea / V. M. Sergeeva [et al.] // Diversity. 2023. Vol. 15, iss. 7. 857. https://doi.org/10.3390/d15070857
  32. Vichi M., Pinardi N., Masina S. A generalized model of pelagic biogeochemistry for the global ocean ecosystem. Part I: Theory // Journal of Marin Systems. 2007. Vol. 64, iss. 1–4. P. 89–109. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2006.03.006
  33. Дорофеев В. Л., Коротаев Г. К., Сухих Л. И. Cистема диагноза-прогноза состояния экосистемы Черного моря // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2017. T. 28, № 2. С. 71–85. EDN ZGSVTP. https://doi.org/10.21513/0207-2564-2017-2-71-85
  34. Беляев В. И., Кондуфорова Н. В. Математическое моделирование экологических систем шельфа. Киев : Наукова думка, 1990. 239 с.
  35. Суслин В. В., Чурилова Т. Я., Пряхина С. Ф. Региональная методика восстановления первичных гидрооптических характеристик Черного моря по данным цветового сканера SeaWiFS // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2012. Вып. 26, т. 2. С. 204–223. EDN VWSEIV.

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.