МОРСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ АРКТИКИ часть 1

МОРСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ
АРКТИКИ
Часть 1
проф. Л.В. Ильяш
Начнем с краткого обзора экологических понятий и
концепций
Курс «Арктические экосистемы: структура,
функционирование …»
Экосистема?
Структура экосистемы?
Функционирование экосистемы?
Экологическая система (экосистема): любое единство,
включающее все организмы на определенном участке и
взаимодействующее с физической средой таким образом, что
поток энергии создаёт чётко определённую трофическую
структуру, видовое разнообразие и
и круговорот веществ
внутри системы (обмен
Окружающая
веществами и энергией
среда (БИОТОП)
между биотической и
абиотической
частями)
Ю. Одум, 1971
Живые
организмы
(БИОТА,
БИОЦЕНОЗ)
Трофическая структура и круговорот
веществ
Абиотическая
компонента
Биотическая
компонента
Консументы
Продуценты
Солнечная
энергия
Редуценты
Минеральные
вещества
Продуценты в водных экосистемах
Одноклеточные водоросли и цианобактерии –
обитают в толще воды (фитопланктон) и на дне
(фитобентос)
цианобактерии
Многоклеточные
водоросли –
прикреплены ко дну
(фитобентос)
Продуценты
свет + CO2 + Н2О→
O2+органическое вещество
Азот, фосфор, железо, сера,
микроэлементы и др. –
биогенные элементы
Энергия для синтеза всех необходимых веществ – за счет
дыхания (окисления органических веществ до CO2).
Первичная продукция
Первичная продукция (ПП) – количество органического
вещества, созданного из углекислого газа за счет энергии света
в процессе фотосинтеза.
• Валовая ПП – без затрат на дыхание.
• Чистая ПП – за вычетом затрат на
дыхание, то что включено в БИОМАССУ и
доступно другим трофическим уровням
ПП соотносят:
• к определенному промежутку времени: час, сутки, сезон, год
(СКОРОСТЬ процесса).
• к определенному объему: м3, м2; вся экосистема; весь
водоем и т.д.
Продуценты
Фотосинтез
РЕСУРСЫ:
• Свет, CO2 и Н2О
Углеводы
Метаболизм
Все клеточные
вещества
Первичная
продукция
• Азот, фосфор, железо,
сера, микроэлементы
и др. – биогенные
элементы
Лимитирующий
ресурс
Свет
Азот
Фосфор
Железо
Кремний
ресурс
Диатомеи
ПП
ПП
БИОМАССА
Биомасса - выраженное в единицах
массы количество живого вещества,
отнесенное к единице площади или
объема.
Единицы (на единицу
площади/объема):
• сырой вес
• сухой вес
• углерод
• хлорофилл – для
продуцентов
БИОТА
МОРСКИЕ
ЭКОСИСТЕМЫ
АРКТИКИ
Начнем с абиотической компоненты
арктических экосистем
БИОТА
Ледовые водоросли и
животные
Планктон (фито- и
зоо-), рыбы (нектон)
Бентос (фито- и зоо-)
А также птицы и
млекопитающие
Ледовые водоросли и животные
Важно: динамика ледового покрова (когда образуется, когда
исчезает, или существует круглогодично), толщина льда,
дрейф льда
Планктон (фито- и зоо-)
Важно: происхождение вод, течения, вертикальная структура
водного столба, вертикальное перемешивание, влияние
распреснения (речной сток) – все, что связано с динамикой
(изменениями) водных масс.
Бентос (фито- и зоо-)
Важно: рельеф дна, тип грунта, придонные течения, водные
массы над дном (происхождение).
Птицы и млекопитающие
Важно: все перечисленные выше моменты:
Лед – местообитание
Планктонные и бентосные организмы – пищевые ресурсы
Границы Арктики
Граница
распространения
деревьев
Июльская
изотерма 10оС
Арктика – наземные и
водные экосистемы.
Водные экосистемы –
Северный Ледовитый океан
Северный Ледовитый океан (Arctic Ocean)
Самый маленький океан:
Площадь 10 млн км²;
≈ 4 % от всей площади
Мирового океана.
Объём воды - 18,07 млн км³.
ШЕЛЬФ?
Более половины
бассейна занимает
шельф.
Северный Ледовитый
океан
Шельф - выровненная
область подводной
окраины материка,
примыкающая к суше и
бровка имеющая с ней общее
геологическое
строение.
Границы: береговая линия
и бровка
Глубина над бровкой:
100 – 200 м
Евразия –
широкий шельф,
Канадский сектор
- узкий
Рельеф дна
Подводные
возвышенности:
Хребет Ломоносова
(высота 3,3-3,7 км)
делит Арктический
бассейн на две
части: Канадский и
Евразийский
бассейны
Хребет Гаккеля,
высота до 4 км
(открыл советский
океанограф Яков
Гаккель
Хребет Альфа
Хребет Менделеева
Рельеф дна
Котловины:
Котловина
Амундсена - между
хребтами
Ломоносова и
Гаккеля. Глубина до
4,5 км
Котловина Нансена
– за хребтом
Гаккеля (в честь
норвежского
полярного
исследователя
Фритьофа Нансена).
Средняя глубина –
3,4 км
Канадская
котловина - самая
большая по
площади. Средняя
глубина – 3,9 км
Водные массы
Воды Арктики формируются в
результате следующих процессов:
Притока тихоокеанских вод и атлантических
вод (богатые биогенными элементами, несут
свою биоту)
Мощного речного стока (вносят и биогенные
элементы, и биоту)
Образования и таяния льда
Тихоокеанские
воды (через
Берингов пролив).
Более холодные и
менее соленые по
сравнению с
атлантическими
Приток вод из Тихого и
Атлантического океанов
Выход вод из
Арктики через
пролив Фрама и
пролив Дейвиса
Северо-атлантические воды (через
пролив Фрама и Баренцево море).
Относительно теплые и соленые
Мощный речной сток
Годовой сток (км3):
Всего - 3559
Енисей - 618
Лена - 525
Обь - 426
Маккензи – 264
Юкон – 210
Печора – 130
Соленость поверхностного слоя.
Июнь
Образование и таяние льда
Образование (нарастание) льда
– повышение солености
поверхностного слоя воды
Таяние льда –
распреснение
поверхностного слоя
воды
Воды разного происхождения
распределяются по вертикали (глубине)
соответственно своей ПЛОТНОСТИ
Плотность – кг/м3, зависит от температуры и солености
Для морских вод: чем ниже соленость и выше температура –
тем меньше плотность (более «легкие» воды)
Воды с большей плотностью (более
«тяжелые») всегда располагаются под
водами с меньшей плотностью
Присутствие вод с разной
плотностью - стратификация
Основные течения
Время достижения
атлантическими водами
хребта Ломоносова - 3 года,
Канадского бассейна 4-5 лет.
Шпицберген
Фронтальные зоны
Фронтальная зона - область выраженных пространственных
градиентов основных характеристик вод (соленость, температура,
плотность) по сравнению с их фоновым распределением
Например:
• Эстуарные
•
На границе между водными
массами
Баренцево море
Положение фронтальной
зоны в разные годы
Зоны повышенного обилия биоты!
Вертикальная структура вод (по разрезу от
Берингова пролива к проливу Фрама
Выраженное изменение абиотических условий
в пространстве и по сезону:
Температура воздуха
Январь
Июль
Выраженное изменение абиотических
условий в пространстве и по сезону:
Большую часть год
шельф покрыт ледовым
покровом. В
центральной части
ледовый покров
существует
круглогодично.
Наименьшая
протяженность
ледового покрова в
сентябре, наибольшая
- в апреле
?
Годовое количество осадков
мм в год
Выраженное изменение абиотических условий
по сезону:
Продолжительность светового дня.
широта
Полярная ночь – 50-60 дней на юге, до 80-150 дней на
севере (непрерывное выхолаживание)
1
2
3
4
5
6
8
7
месяцы
9
10
11
12
Резюме:
Пространственная неоднородность рельефа дна
Воды различаются по
происхождению
Пространственная неоднородность распреснения
Различия в температуре,
освещенности, осадкам
Различия в ледовом покрове
Разная выраженность изменений
факторов среды по сезону в
отдельных районах
Деление морской Арктики на экосистемы
Концепция «Крупные
морские экосистемы»:
крупные регионы,
отличающиеся по
рельефу дна,
гидрологии,
продуктивности и
трофической
структуре биоты.
По Мировому океану
– 64 КМЭ
В Арктике
выделяют 17
крупных
морских
экосистем
В пределах каждой КМЭ –
пространственная
неоднородность условий
(мезомасштабная
неоднородность)
Карское море
Направление распространения
распресненных (более легких
вод) определяется
направлением ветра
Пространственная, сезонная и межгодовая
изменчивость условий среды определяют
пространственную, сезонную и межгодовую
изменчивость состава и обилия биоты
Первичные продуценты
ламинария
фукус
Микрофитобентос
Макрофитобентос (130 – 160 видов)
Фитопланктон и ледовые водоросли – основные
продуценты Арктики
Диатомовые
Динофлагелляты
Примнезиофитовые
Другие важные группы
•
•
•
•
•
Криптофитовые
Зелёные
Эвгеновые
Пелагофициевые
Золотистые
Размеры клеток водорослей
<2 мкм - 1 мм (7 порядков)
Число видов планктонных
водорослей
Российская Арктика – всего 1128 видов
По числу видов
преобладают диатомовые
Морской планктон
Мирового океана –
порядка 5000 видов
Видовое богатство планктонных
водорослей
Ресурсы, необходимые для водорослей
• Свет
• Биогенные элементы: азот, фосфор,
кремний (для диатомей), кальций (для
кокколитофорид), железо и другие
микроэлементы
Доступность ресурсов варьирует в
пространстве и по сезону
По вертикали:
Моря «на входе» –
Баренцево, Чукотское,
богаты минеральным
ресурсами
Биогенные
элементы
Свет
Освещенность с глубиной
снижается по экспоненте.
Слой, где света достаточно
для фотосинтеза –
фотический
Освещенность
0
125
0
250
Биогенные
элементы
2
4
6
глубина
8
фотический
слой
10
12
14
16
18
20
Пикноклин препятствует поступлению биогенных
элементов в верхний слой, а также выносу
фитопланктона из фотической зоны
Соотношение протяженности фотического и перемешанного
слоев определяют развитие фитопланктона
ЛЕД
ФС
ФС
?
Нехватка
(лимитирование)
биогенных элементов
Весна - лето
Нехватка
(лимитирование)
световой энергии
Осень - зима
Осенне-зимняя конвекция - опускание
холодных более тяжелых слоев и подъем
более теплых и легких вод.
Осенне-зимняя конвекция связана с не только с
охлаждением, но и с осолонением при образовании
льда. При образовании льда соли «выжимаются» в
межкристаллические пространства, образуется рассол с
высокой соленостью. Стекающий в воду рассол ведет к
увеличению солености подлёдного слоя и,
соответственно, его плотности, что интенсифицирует
конвекцию.
Биогенные элементы
Конвекция ведет к обогащению верхнего слоя
биогенными элементами и, соответственно, к
снятию лимитирования биогенными элементами,
но ведет к лимитированию недостатком света
Значительная протяженность
перемешиваемого слоя может быть также
обусловлена:
• приливным перемешиванием. Высота прилива достигает
в море Баффина 3—5 м, а на южной части и 12 м
• штормовым волнением. В открытой части Баренцева
моря высота волн может доходить до 10—11 м
• сгонно-нагонными явлениями. Наибольшие сгоны и
нагоны, достигающие 2 м и более, характеризуют моря
Лаптевых и Восточно-Сибирское
Сезонная динамика биомассы фитопланктона
Моря Баренцево (южная часть), Белое, Чукотское
Недостаток биогенных
(южная часть)
элементов, выедание
Биомасса под 1
Весеннее
консументами
2
м (на весь
цветение
фотический
слой)
Регенерируемые
биогенные элементы
Недостаток света,
биогенных
элементов много
10
11
12
1
2
Ледовый покров
3
4
5
6
7
8
9
месяц
Баренцево
море
Май 2002 г.
Июль 2002 г.
Июнь 2002 г.
Концентрация
хлорофилла в
поверхностном слое
(биомасса
фитопланктона) по
спутниковым
данным
Сезонная динамика биомассы фитопланктона (моря
Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское), северная часть
Баренцева и Чукотского морей, «высокая Арктика»
Весеннелетнее
цветение
Биомасса под
1 м2 (на весь
фотический
слой)
10
11
12
1
2
Ледовый покров
3
4
5
6
7
8
9
месяц
Подледное прикромочное цветение фитопланктона
Кромка льда
Кромка льда
Взвешенное
органическое
вещество
Нитраты
Два разреза в Центральной Арктике
Сроки начала весеннего цветения
Во время весеннего цветения создается
более половины годовой первичной
продукции
Весеннее цветение фитопланктона.
Преобладают:
Баренцево море –
Фаеоцистис
(примнезиофитовые водоросли)
Другие моря –
диатомовые
Сезонная динамика состава фитопланктона
Месяц
10
11
12
1
2
?
3
4
5
6
7
8
9
Споры (цисты) планктонных водорослей – стадии
переживания неблагоприятных условий
Резюме:
• Арктика характеризуется выраженным изменением
абиотических условий в пространстве, включая вертикальное
распределение, и времени (сезонная и межгодовая
изменчивость).
• Выраженные изменения абиотических условий обусловливают
пространственную, сезонную и межгодовую изменчивость
состава и обилия биоты
• Основные продуценты Арктики – фитопланктон и ледовые
водоросли.
• Наибольшая продукция и биомасса фитопланктона в морях «на
входе» (Баренцево, Чукотское), богатых биогенными
элементами.
• Наибольшая продукция и биомасса фитопланктона - во время
весеннего цветения – наилучшая обеспеченность ресурсами.
Спасибо за внимание!
Вопросы?