Фосфаты

            Фосфор содержится в морской воде в виде ионов ортофосфорной кислоты (фосфатов) и встречается во всех клеточных образованиях, регулируя их основные жизненные процессы: фотосинтез, дыхание и обмен веществ. Характер распределения фосфатов в толще вод, оценка их количественного содержания, биохимические процессы потребления и регенерации фосфора имеют большое значение при определении продуктивности морей и океанов.

Вертикальное распределение. Фосфор, находящийся в морской воде в органической и минеральной формах, является одним из основных биогенных элементов, лимитирующих развитие фитопланктона. Концентрация его в любом районе моря и на разных глубинах определяется динамическими факторами, а также биохимическими и физико-химическими процессами, происходящими при разложении и образовании органического вещества.

Рисунок 21 - Распределение растворенного в воде кислорода (мл/л) на горизонте 30 м в заливе Петра Великого (а – февраль, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

 

В вертикальном распределении фосфатов на акватории залива Петра Великого (из-за его мелководности) сложно выделить существенно различающиеся структурные элементы (Рисунок 23). Здесь преобладают продукционные процессы, вследствие чего наблюдаются минимальные концентрации фосфатов и максимальные их сезонные изменения. На подповерхностных горизонтах в районах с ярко выраженной плотностной стратификацией вод наблюдается существенный рост содержания фосфатов в направлении дна.

Рисунок 22 - Распределение растворенного в воде кислорода (мл/л) на горизонте 50 м в заливе Петра Великого (а – февраль, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

 

Основной закономерностью вертикального распределения фосфатов в заливе Петра Великого (Рисунок 23), как и в большинстве других регионов Мирового океана, является наличие минимальных концентраций в поверхностном слое. Следует отметить, что особенно низкие концентрации фосфатов наблюдаются в слое фотосинтеза, где происходит интенсивное потребление фосфора в результате жизнедеятельности фитопланктона. Минимальные вертикальные градиенты фосфатов характерны для осенне-зимнего периода. В этот период, за счет конвекции и большой повторяемости штормовых ветров над морем, а также замедленного потребления фосфатов при образовании органического вещества (как следствия недостатка света в результате значительного заглубления сезонного скачка плотности) происходит обогащение поверхностного слоя вод не только фосфатами, но и всеми питательными элементами. Поэтому изменения концентраций фосфатов по вертикали зимой незначительны.

Рисунок 23 - Вертикальное распределение фосфатов в отдельных районах залива Петра Великого (а – номера и границы районов, б – распределение фосфатов в районе 1, в – в районе 2, г – в районе 3, д – в районе 4, е – в районе 5). Условные обозначения: 1 – февраль, 2 – апрель, 3 – июнь, 4 – август, 5 – октябрь, 6 – декабрь.

Весной и летом вертикальные градиенты фосфатов в верхнем фотическом слое вод моря существенно возрастают. В это время, по мере увеличения потока солнечной радиации и преобладания слабых и неустойчивых по направлению ветров, происходит образование устойчивого пикноклина, что в свою очередь, приводит к бурному развитию фитопланктона и падению концентраций фосфатов в верхней части фотического слоя.

Сезонная изменчивость. Внутригодовые изменения содержания фосфатов в толще вод залива Петра Великого определяются, в основном, интенсивностью фотосинтеза, изменчивостью в системе течений, вертикальным смешением вод и обменом характеристик, происходящих в результате осенне-зимней конвекции. Имеющиеся к настоящему времени материалы наблюдений свидетельствуют о том, что в водах залива в течение всего года сохраняются достаточные для поддержания фотосинтеза концентрации фосфатов, которые не являются лимитирующим фактором развития фитопланктона (Рисунок 24). Основным источником их пополнения являются термодинамические процессы, происходящие в осенне-зимнее время, а также материковый сток. В результате конвекции, которая приводит в холодное время года к существенному уменьшению или полному исчезновению вертикальных градиентов плотности от поверхности до придонных горизонтов, создаются условия для передачи фосфатов от нижележащих горизонтов к поверхности посредством конвективного обмена. Вносит свой вклад также усиливающееся ветро-волновое и вихревое перемешивание водных масс.

Только в мористой глубоководной части залива в поверхностном слое вод четко выражена годовая гармоника в ходе сезонных изменений фосфатов. Их максимальное содержание, как следует из рисунка 24, формируется в осенне-зимний период (с ноября по март). Минимальное содержание фосфатов выделяется летом (сентябрь). Отмеченные выше закономерности с правильной годовой гармоникой сезонных вариаций содержания фосфатов не наблюдаются в толще вод прибрежных районов залива Петра Великого (Рисунок 24). Как видно из представленного рисунка, характерной чертой внутригодовых изменений фосфатов здесь является чередование локальных экстремумов во всех представленных квадратах осреднения данных. Возможно, что основной причиной этого является недостаточное в настоящее время для обобщения количество исходных данных в отдельные месяцы, а также влияние не отфильтрованной межгодовой изменчивости содержания фосфатов. На подповерхностных горизонтах картина внутригодовых изменений фосфатов на акватории залива (по сравнению с поверхностной) несколько усложняется. Вместе с тем можно отметить, что размах сезонных изменений фосфатов на акватории моря существенно не уменьшается.

Помимо выделения экстремумов на графиках годового хода представляет также практическую значимость и оценка размаха колебаний характеристик в течение года, их вариаций как в пределах исследуемой акватории, так и по мере роста глубин.

Рисунок 24 - Сезонные изменения фосфатов в отдельных районах залива Петра Великого (а – номера и границы районов, б – изменения фосфатов в районе 1, в – в районе 2, г – в районе 3, д – в районе 4, е – в районе 5). Условные обозначения: 1 - 0 м, 2 - 10 м, 3 - 20 м, 4 - 30 м, 5 - 50 м.

       В толще вод залива размах внутригодовых колебаний фосфатов составляет от 17 до 30 мкг/л (Рисунок 24). Наиболее высокие значения, превышающие 25 мкг/л, отмечаются в глубоководной части залива, что здесь связано со значительными внутригодовыми изменениями параметров вертикальной структуры вод (особенно в осенне-зимнее время, когда интенсивно проявляются конвективные процессы), а также с изменчивостью интенсивности цветения фитопланктона. Также высокие значения внутригодовых колебаний содержания фосфатов (до 25 мкг/л) характерны для Амурского залива, где значительные внутригодовые изменения параметров вертикальной структуры вод, а также наблюдается изменчивость интенсивности цветения фитопланктона и стока рек.

Пространственно-временное распределение . На пространственное распределение фосфатов в поверхностных водах залива Петра Великого зимой основное влияние оказывают конвективные процессы, в результате которых происходит перемещение фосфатов от придонных горизонтов на поверхность, а также сток рек. Существенное влияние на пространственное распределение фосфатов оказывает также адвекция вод из глубоководной части моря, где содержание фосфатов зимой ниже, чем в прибрежных водах залива (Рисунок 25).

Рисунок 25 - Распределение фосфатов (мкг/л) на поверхности залива Петра Великого (а – март, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

Это связано с тем, что в водах глубоководной части Японского моря конвекция не достигает придонных горизонтов, а также нет влияния стока рек. Нельзя исключить здесь также и роль фитопланктона, условия для развития которого в открытых районах моря благоприятны в течение всего года. Все эти факторы приводят к тому, что на поверхности залива Петра Великого в течение года сохраняется однотипный характер пространственного распределения с максимальными содержаниями в прибрежных районах залива. В прибрежных районах, как следует из рисунка 25, максимальные содержания (20-25 мкг/л) характерны для периода с октября по февраль, а в теплый период года они снижаются до 10-15 мкг/л. Только в августе, за счет увеличения речного стока, в вершине Амурского залива содержание фосфатов возрастает до 20 мкг/л (Рисунок 25 г). Осенью, как следует из рисунка 25, на поверхности залива содержание фосфатов начинает увеличиваться, что связано со снижением интенсивности жизнедеятельности фитопланктона и начавшимися процессами осенней конвекции.

На горизонтах 20 и 30 м (Рисунок 26 и 27) основные крупномасштабные черты пространственного распределения фосфатов, которые были отмечены для поверхностных вод, не сохраняются в течение всего года. Так, в апреле-июне (время наиболее интенсивного развития фитопланктона) для пространственного распределения фосфатов характерны пониженные значения в северной части залива Петра Великого. Особенно ярко это проявляется в вершинах Амурского и Уссурийского заливов. На этих горизонтах, которые являются нижней границей сезонного пикноклина, сток рек сказывается существенно ниже, чем на поверхности, а условия для развития фитопланктона еще достаточно комфортные. Для августа характерна переходная ситуация в пространственном распределении фосфатов, главная особенность которой, как следует из рисунков 26 и 27, заключается в том, что в прибрежных районах преобладают более высокие значения. Вероятно, что здесь нельзя исключить влияния речного стока, за счет которого на поверхности в августе существенно повышаются содержания фосфатов.

На горизонте 50 м в течение года, как правило, преобладает тип пространственного распределения фосфатов, для которого максимальные значения характерны для северной периферии залива, а в его глубоководной части наблюдаются пониженные содержания. Только в апреле наблюдается обратная картина, что, наиболее вероятно, связано с вегетацией фитопланктона на вышележащих горизонтах. Следует также отметить, что в поле величин выделяется чередование областей с повышенными и пониженными значениями фосфатов. Наиболее вероятно, что это не связано с региональными особенностями распределения, а является следствием недостаточного числа имеющихся данных наблюдений, которые неравномерно распределены в пространстве и во времени, а также имеют неизбежные объективные и субъективные ошибки наблюдений. Здесь следует иметь в виду и наличие изменчивости в содержаниях фосфатов на конкретных станциях, связанных с движениями вод различной природы и временных масштабов.

 

Рисунок 26 - Распределение фосфатов (мкг/л) на горизонте 20 м в заливе Петра Великого (а – март, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

Выполненный анализ имеющихся данных исторических наблюдений свидетельствует, что на горизонте 50 м, как правило, содержания фосфатов не выходят за пределы 10-30 мкг/л (Рисунок 28). Однако в ноябре, как следует из рисунка 4.29 е, их содержание существенно возрастает (до 37.5-40.0 мкг/л). Это не может быть ошибкой расчетов (как следствие доминирующего вклада ошибочно высоких значений). Так как в исходном историческом массиве данных значения фосфатов на горизонте 50 м находятся в пределах от 10 до 60 мкг/л. К наиболее вероятной причине данного явления можно отнести следующее.

Рисунок 27 - Распределение фосфатов (мкг/л) на горизонте 30 м в заливе Петра Великого (а – март, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

В течение теплого периода на акватории залива Петра Великого существует двухслойная плотностная структура вод, которая разделена слоем с резкими градиентами характеристик. Вследствие этого обмен характеристик между верхним и придонным слоями практически не происходит. В верхнем слое вод (за счет вегетации фитопланктона) идет интенсивное потребление биогенных элементов и поэтому здесь наблюдается их минимальное содержание. На горизонтах ниже сезонного пикноклина, нижняя граница которого в зал. Петра Великого летом и в начале осени наблюдается на глубинах 20-30 м, потребление биогенных элементов существенно ниже, что является причиной высокого содержания здесь фосфатов. Дополнительным фактором (увеличивающим содержание фосфатов в придонном слое вод) является регенерация биогенных веществ, происходящая при разложении остатков биологических объектов. Все вышесказанное находит подтверждение в материалах современных достаточно точных экспедиционных наблюдений в заливе Петра Великого. Так, по данным НИС «Павел Гордиенко», наблюдения которого были выполнены в ноябре 2001 г., в вертикальном распределении океанографических параметров на акватории зал. Петра Великого наблюдалась четко выраженная двухслойная структура вод (Рисунок 29).

Рисунок 28 - Распределение фосфатов (мкг/л) на горизонте 50 м в заливе Петра Великого (а – апрель, б – июнь, в – август, г – сентябрь, д – октябрь, е – ноябрь)

Как следует из рисунка 29 г, минимальные содержания фосфатов (не превышающие 10 мкг/л) были характерны для верхнего 0-20 – метрового слоя вод, а максимальные (около 50 мкг/л) – наблюдались на придонных горизонтах.

Рисунок 29 - Вертикальное распределение океанографических параметров в отдельных районах залива Петра Великого по данным 50-го рейса НИС «Павел Гордиенко» в ноябре 2001 г. Условные обозначения: 1 – в точке ?=42° 36.5’с.ш., ?=132° 01.5’ в.д.; 2 – ?=42° 50.6’ с.ш., ?=132° 32.1’ в.д.; 3 – ?=42° 55.4’ с.ш., ?=132° 10.6’ в.д.