Морской гидрофизический журнал. 2022; 38: 89-104
Динамика содержания кислорода в период дистрофикационных процессов в Черном море
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-1-89-104Аннотация
Цель. Рассмотрены особенности содержания и распределения кислорода в водах Черного моря и проанализировано соотношение наблюдаемых изменений в распределении кислорода, общего уровня первичной продукции и изменений в температурном режиме, который является показателем интенсивности вентиляции вод холодного промежуточного слоя.
Методы и результаты. Для анализа содержания кислорода были использованы экспедиционные данные (за 2015–2019 гг.), а также массив данных из Банка океанографических данных Морского гидрофизического института РАН (за 1980–2013 гг.). Из массива были отобраны данные для глубоководной части Черного моря (глуби́ны более 200 м). Для анализа величины первичной продукции были использованы данные судовых измерений концентрации хлорофилла а, полученные флуорометрическим методом, за 1980–2001 гг., а также данные о поверхностной концентрации хлорофилла а, полученные с помощью дистанционного зондирования сканерами цвета SeaWiFS и MODIS-Aqua, за 1998–2019 гг. Расчет величины первичной продукции производился по регрессионным уравнениям вида y = a + bx, связывающим первичную продукцию в столбе воды с концентрацией поверхностного хлорофилла. По рассчитанным данным видно, что в первой половине 1980-х гг. был значительный рост годовой первичной продукции до 400 г С/м2·год, с 1985 по 1995 г. она снизилась в среднем до ~ 140 г С/м2·год, а с 1998 г. по настоящее время находится на уровне ~ 100 г С/м2·год. Такой ход величины первичной продукции соответствует наблюдаемым изменениям в вертикальном распределении нитратов. Показана тенденция к росту температуры ядра холодного промежуточного слоя, приводящая к снижению концентрации кислорода в глубинных слоях.
Выводы. На фоне тенденции к увеличению температуры верхних слоев водной толщи и снижению интенсивности зимнего конвективного перемешивания наблюдается снижение запаса кислорода во всех слоях аэробной зоны Черного моря. Это привело к тому, что в 2010 г. наблюдалось самое низкое содержание кислорода за весь период наблюдений. Вместе с тем процесс дистрофикации способствовал возвращению системы Черного моря к своему естественному состоянию, когда динамика содержания кислорода определяется в основном изменчивостью интенсивности физической вентиляции вод.
Список литературы
1. Declining oxygen in the global ocean and coastal waters / D. Breitburg [et al.] // Science. 2018. Vol. 359, iss. 6371. eaam 7240. P. 1–11. doi:10.1126/science.aam7240
2. Vidnichuk A. V., Konovalov S. K. Changes in the oxygen regime in the deep part of the Black Sea in 1980–2019 // Physical Oceanography. 2021. Vol. 28, iss. 2. P. 180–190. doi:10.22449/1573-160X-2021-2-180-190
3. Decline of the Black Sea oxygen inventory / A. Capet [et al.] // Biogeosciences. 2016. Vol. 13, iss. 4. P. 1287–1297. https://doi.org/10.5194/bg-13-1287-2016
4. Capet A., Vandenbulcke L., Grégoire M. A new intermittent regime of convective ventilation threatens the Black Sea oxygenation status // Biogeosciences. 2020. Vol. 17, iss. 24. P. 6507–6525. https://doi.org/10.5194/bg-17-6507-2020
5. Агатова А. И. Органическое вещество в морях России. М. : Издательство ВНИРО, 2017. 260 c. URL: http://www.vniro.ru/files/publish/agatova_org_veshestvo.pdf (дата обращения: 17.11.2021).
6. Konovalov S. K., Murray J. W. Variations in the chemistry of the Black Sea on a time scale of decades (1960–1995) // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 217–243. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00054-9
7. Юнев О. А., Коновалов С. К., Великова В. Антропогенная эвтрофикация в пелагической зоне Черного моря: долговременные тренды, механизмы, последствия. М. : ГЕОС, 2019. 164 с. doi:10.34756/GEOS.2019.16.37827
8. Банк океанографических данных Морского гидрофизического института: информаци-онные ресурсы для поддержки исследований прибрежной зоны Черного моря / А. Х. Халиулин [и др.] // Экологическая безопасность прибрежных и шельфовых зон моря. 2016. Вып. 1. С. 90‒96.
9. Eremeev V. N., Konovalov S. K., Romanov A. S. The distribution of oxygen and hydrogen sulfide in Black Sea waters during winter-spring period // Physical Oceanography. 1998. Vol. 9, iss. 4. P. 259–272. https://doi.org/10.1007/BF02522712
10. Weiss R. F. The solubility of nitrogen, oxygen and argon in water and seawater // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 721–735. https://doi.org/10.1016/0011-7471(70)90037-9
11. Демьянов В. В., Савельева Е. А. Геостатистика: теория и практика / Под ред. Р. В. Ар-утюняна. М. : Наука, 2010. 327 с. URL: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-geostatistika-teoriya-i-praktika.pdf (дата обращения: 17.11.2021).
12. Виноградов М. Е., Налбандов Ю. Р. Влияние изменений плотности воды на распределе-ние физических, химических и биологических характеристик экосистемы пелагиали Черного моря // Океанология. 1990. Т. 30, № 5. С. 769–777.
13. Chemical variability in the Black Sea: implications of continuous vertical profiles that penetrated the oxic/anoxic interface / L. A. Codispoti [et al.] // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1991. Vol. 38, suppl. 2. P. S691–S710. https://doi.org/10.1016/S0198-0149(10)80004-4
14. Eremeev V. N., Konovalov S. K., Romanov A. S. Investigation of the formation of vertical structure of biogenic elements fields in the Black Sea, using the method of spatial isopycnic analysis // Physical Oceanography. 1997. Vol. 8, iss. 6. P. 389–402. https://doi.org/10.1007/BF02523811
15. Современное представление о вертикальной гидрохимической структуре редокс-зоны Черного моря / Е. В. Якушев [и др.] // Комплексные исследования северо-восточной ча-сти Черного моря / Отв. ред. А. Г. Зацепин, М. В. Флинт. М. : Наука, 2002. C. 119–132.
16. Кукушкин А. С., Пархоменко А. В. Оценка применимости спутниковых данных для исследования изменчивости содержания взвешенного органического вещества в поверх-ностном слое Черного моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15, № 1. С. 195–205. doi:10.21046/2070-7401-2018-15-1-195-205
17. Концентрация пигментов фитопланктона в северо-западной части Черного моря по данным измерений спутниковым цветовым сканером SZCS / В. С. Суетин [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2000. № 2. С. 74–82.
18. 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. Р. 4380–4400. http://doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350
19. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Bar-ents, 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. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2003.10.009
20. 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. doi:10.7868/S2073667318030085
21. Копелевич О. В., Буренков В. И., Шеберстов С. В. Разработка и использование регио-нальных алгоритмов для расчета биооптических характеристик морей России по данным спутниковых сканеров цвета // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2006. Т. 3, № 2. С. 99–105.
22. Демидов А. Б. Сезонная изменчивость и оценка годовых величин первичной продукции фитопланктона в Черном море // Океанология. 2008. Т. 48, № 5. С. 718–733.
23. Полонский А. Б., Шокурова И. Г., Белокопытов В. Н. Десятилетняя изменчивость тем-пературы и солености в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2013. № 6. С. 27–41.
24. Титов В. Б. Межгодовое обновление холодного промежуточного слоя в Черном море за последние 130 лет // Метеорология и гидрология. 2003. № 10. С. 68–75.
25. Belokopytov V. N. Interannual variations of the renewal of waters of the cold intermediate layer in the Black Sea for the last decades // Physical Oceanography. Vol. 20, iss. 5. P. 347–355. https://doi.org/10.1007/s11110-011-9090-x
26. Spatial and temporal variability in the chemical properties of the oxic and suboxic layers of the Black Sea / S. Tuğrul [et al.] // Journal of Marine Systems. 2014. Vol. 135. P. 29–43. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.09.008
27. Юнев О. А. Эвтрофикация и годовая первичная продукция фитопланктона глубоковод-ной части Черного моря // Океанология. 2011. Т. 51, № 4. С. 658–668.
28. Mee L. D. The Black Sea in crisis: a need for concerted international action // Ambio. 1992. Vol. 21, iss. 4. P. 278–286.
29. Long-term ecological changes in Romanian coastal waters of the Black Sea / A. Cociasu [et al.] // Marine Pollution Bulletin. 1996. Vol. 32, iss. 1. P. 32–38. https://doi.org/10.1016/0025-326X(95)00106-W
30. Oguz T., Gilbert D. Abrupt transitions of the top-down controlled Black Sea pelagic ecosystem during 1960–2000: Evidence for regime-shifts under strong fishery exploitation and nutrient enrichment modulated by climate-induced variations // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2007. Vol. 54, iss. 2. P. 220–242. doi:10.1016/j.dsr.2006.09.010
31. Yunev O. A., Moncheva S., Carstensen J. Long-term variability of vertical chlorophyll a and nitrate profiles in the open Black Sea: eutrophication and climate change // Marine Ecology Progress Series. 2005. Vol. 294. P. 95–107. doi:10.3354/meps294095
32. Temporal (seasonal and interannual) changes of ecosystem of the open waters of the Black Sea / M. E. Vinogradov [et al.] // Environmental degradation of the Black Sea: challenges and remedies. Dordrecht : Springer, 1999. P. 109–129. https://doi.org/10.1007/978-94-011-4568-8_8
33. Climatic and anthropogenic variations in the sulfide distribution in the Black Sea / S. K. Ko-novalov [et al.] // Aquatic Geochemistry. 1999. Vol. 5, iss. 1. P. 13–27. https://doi.org/10.1023/A:1009655502787
34. Белокопытов В. Н. Межгодовая изменчивость обновления вод холодного промежуточного слоя Черного моря в последние десятилетия // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 5. С. 33–41.
35. Konovalov S., Belokopytov V., Vidnichuk A. Oxygen regime shifts in the Black Sea: climate and/or human effects // Морские науки и современные технологии для устойчивого раз-вития = Marine Science and Technology for Sustainable Development : тезисы докладов 26-й международной конференции Тихоокеанского конгресса морских наук и технологий (PACON-2019), 16–19 июля 2019 г., Владивосток, Россия. Владивосток : ТОИ ДВО РАН, 2019. C. 23
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2022; 38: 89-104
Oxygen Dynamics during the Period of Dystrophic Processes in the Black Sea
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-1-89-104Abstract
Purpose. The paper is aimed at considering the peculiarities of the oxygen content and distribution in the Black Sea waters, and at analyzing the ratio of the observed changes in oxygen distribution, total primary production level and the changes in temperature mode, which is an indicator of intensity of the cold intermediate layer ventilation.
Methods and Results. The expedition data (2015–2019) as well as the data array (1980–2013) from the Oceanographic Data Bank of Marine Hydrophysical Institute, RAS, were used to analyze the oxygen content. The data for the deep part of the Black Sea (exceeding the 200 m depth) were selected. To analyze the primary production values, the shipboard fluorometric measurements of the chlorophyll a concentrations (1980–2001), and also the surface chlorophyll a concentrations derived from the SeaWiFS and MODIS-Aqua color scanners remote sensing (1998–2019) were applied. Primary production was calculated using the regression equations of the form y = a + bx that bound up the primary production in the water column with the surface chlorophyll concentration. The calculated data show a significant increase in the annual primary production (to 400 g C/m2·year) in the first half of the 1980s, from 1985 to 1995 it declined on the average to ~140 g C/m2·year, and from 1998 up to present it is ~100 g C/m2·year. Such a course of the primary production value corresponds to the observed changes in the nitrates vertical distribution. Shown is a tendency towards increase in temperature of the cold intermediate layer core, which results in decrease of the oxygen concentration in the deep layers.
Conclusions. Against the background of the trends to temperature increase in the upper layers of the water column, on the one hand, and to reduction of winter convective mixing intensity, on the other, a decrease in the oxygen supply in all the layers of the Black Sea aerobic zone is observed. This led to the fact that in 2010, the lowest oxygen content recorded in course of the whole period of observations had been revealed. At the same time, the dystrophic process has contributed to return of the Black Sea system to its natural state, when the oxygen content dynamics is conditioned mainly by variability of the waters’ physical ventilation intensity.
References
1. Declining oxygen in the global ocean and coastal waters / D. Breitburg [et al.] // Science. 2018. Vol. 359, iss. 6371. eaam 7240. P. 1–11. doi:10.1126/science.aam7240
2. Vidnichuk A. V., Konovalov S. K. Changes in the oxygen regime in the deep part of the Black Sea in 1980–2019 // Physical Oceanography. 2021. Vol. 28, iss. 2. P. 180–190. doi:10.22449/1573-160X-2021-2-180-190
3. Decline of the Black Sea oxygen inventory / A. Capet [et al.] // Biogeosciences. 2016. Vol. 13, iss. 4. P. 1287–1297. https://doi.org/10.5194/bg-13-1287-2016
4. Capet A., Vandenbulcke L., Grégoire M. A new intermittent regime of convective ventilation threatens the Black Sea oxygenation status // Biogeosciences. 2020. Vol. 17, iss. 24. P. 6507–6525. https://doi.org/10.5194/bg-17-6507-2020
5. Agatova A. I. Organicheskoe veshchestvo v moryakh Rossii. M. : Izdatel'stvo VNIRO, 2017. 260 c. URL: http://www.vniro.ru/files/publish/agatova_org_veshestvo.pdf (data obrashcheniya: 17.11.2021).
6. Konovalov S. K., Murray J. W. Variations in the chemistry of the Black Sea on a time scale of decades (1960–1995) // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 217–243. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00054-9
7. Yunev O. A., Konovalov S. K., Velikova V. Antropogennaya evtrofikatsiya v pelagicheskoi zone Chernogo morya: dolgovremennye trendy, mekhanizmy, posledstviya. M. : GEOS, 2019. 164 s. doi:10.34756/GEOS.2019.16.37827
8. Bank okeanograficheskikh dannykh Morskogo gidrofizicheskogo instituta: informatsi-onnye resursy dlya podderzhki issledovanii pribrezhnoi zony Chernogo morya / A. Kh. Khaliulin [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnykh i shel'fovykh zon morya. 2016. Vyp. 1. S. 90‒96.
9. Eremeev V. N., Konovalov S. K., Romanov A. S. The distribution of oxygen and hydrogen sulfide in Black Sea waters during winter-spring period // Physical Oceanography. 1998. Vol. 9, iss. 4. P. 259–272. https://doi.org/10.1007/BF02522712
10. Weiss R. F. The solubility of nitrogen, oxygen and argon in water and seawater // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 721–735. https://doi.org/10.1016/0011-7471(70)90037-9
11. Dem'yanov V. V., Savel'eva E. A. Geostatistika: teoriya i praktika / Pod red. R. V. Ar-utyunyana. M. : Nauka, 2010. 327 s. URL: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-geostatistika-teoriya-i-praktika.pdf (data obrashcheniya: 17.11.2021).
12. Vinogradov M. E., Nalbandov Yu. R. Vliyanie izmenenii plotnosti vody na raspredele-nie fizicheskikh, khimicheskikh i biologicheskikh kharakteristik ekosistemy pelagiali Chernogo morya // Okeanologiya. 1990. T. 30, № 5. S. 769–777.
13. Chemical variability in the Black Sea: implications of continuous vertical profiles that penetrated the oxic/anoxic interface / L. A. Codispoti [et al.] // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1991. Vol. 38, suppl. 2. P. S691–S710. https://doi.org/10.1016/S0198-0149(10)80004-4
14. Eremeev V. N., Konovalov S. K., Romanov A. S. Investigation of the formation of vertical structure of biogenic elements fields in the Black Sea, using the method of spatial isopycnic analysis // Physical Oceanography. 1997. Vol. 8, iss. 6. P. 389–402. https://doi.org/10.1007/BF02523811
15. Sovremennoe predstavlenie o vertikal'noi gidrokhimicheskoi strukture redoks-zony Chernogo morya / E. V. Yakushev [i dr.] // Kompleksnye issledovaniya severo-vostochnoi cha-sti Chernogo morya / Otv. red. A. G. Zatsepin, M. V. Flint. M. : Nauka, 2002. C. 119–132.
16. Kukushkin A. S., Parkhomenko A. V. Otsenka primenimosti sputnikovykh dannykh dlya issledovaniya izmenchivosti soderzhaniya vzveshennogo organicheskogo veshchestva v poverkh-nostnom sloe Chernogo morya // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2018. T. 15, № 1. S. 195–205. doi:10.21046/2070-7401-2018-15-1-195-205
17. Kontsentratsiya pigmentov fitoplanktona v severo-zapadnoi chasti Chernogo morya po dannym izmerenii sputnikovym tsvetovym skanerom SZCS / V. S. Suetin [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2000. № 2. S. 74–82.
18. 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. R. 4380–4400. http://doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350
19. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Bar-ents, 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. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2003.10.009
20. Kontsentratsiya khlorofilla-a v Chernom more: sravnenie sputnikovykh algoritmov / V. V. Suslin [i dr.] // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2018. T. 11, № 3. S. 64–72. doi:10.7868/S2073667318030085
21. Kopelevich O. V., Burenkov V. I., Sheberstov S. V. Razrabotka i ispol'zovanie regio-nal'nykh algoritmov dlya rascheta bioopticheskikh kharakteristik morei Rossii po dannym sputnikovykh skanerov tsveta // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2006. T. 3, № 2. S. 99–105.
22. Demidov A. B. Sezonnaya izmenchivost' i otsenka godovykh velichin pervichnoi produktsii fitoplanktona v Chernom more // Okeanologiya. 2008. T. 48, № 5. S. 718–733.
23. Polonskii A. B., Shokurova I. G., Belokopytov V. N. Desyatiletnyaya izmenchivost' tem-peratury i solenosti v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2013. № 6. S. 27–41.
24. Titov V. B. Mezhgodovoe obnovlenie kholodnogo promezhutochnogo sloya v Chernom more za poslednie 130 let // Meteorologiya i gidrologiya. 2003. № 10. S. 68–75.
25. Belokopytov V. N. Interannual variations of the renewal of waters of the cold intermediate layer in the Black Sea for the last decades // Physical Oceanography. Vol. 20, iss. 5. P. 347–355. https://doi.org/10.1007/s11110-011-9090-x
26. Spatial and temporal variability in the chemical properties of the oxic and suboxic layers of the Black Sea / S. Tuğrul [et al.] // Journal of Marine Systems. 2014. Vol. 135. P. 29–43. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.09.008
27. Yunev O. A. Evtrofikatsiya i godovaya pervichnaya produktsiya fitoplanktona glubokovod-noi chasti Chernogo morya // Okeanologiya. 2011. T. 51, № 4. S. 658–668.
28. Mee L. D. The Black Sea in crisis: a need for concerted international action // Ambio. 1992. Vol. 21, iss. 4. P. 278–286.
29. Long-term ecological changes in Romanian coastal waters of the Black Sea / A. Cociasu [et al.] // Marine Pollution Bulletin. 1996. Vol. 32, iss. 1. P. 32–38. https://doi.org/10.1016/0025-326X(95)00106-W
30. Oguz T., Gilbert D. Abrupt transitions of the top-down controlled Black Sea pelagic ecosystem during 1960–2000: Evidence for regime-shifts under strong fishery exploitation and nutrient enrichment modulated by climate-induced variations // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2007. Vol. 54, iss. 2. P. 220–242. doi:10.1016/j.dsr.2006.09.010
31. Yunev O. A., Moncheva S., Carstensen J. Long-term variability of vertical chlorophyll a and nitrate profiles in the open Black Sea: eutrophication and climate change // Marine Ecology Progress Series. 2005. Vol. 294. P. 95–107. doi:10.3354/meps294095
32. Temporal (seasonal and interannual) changes of ecosystem of the open waters of the Black Sea / M. E. Vinogradov [et al.] // Environmental degradation of the Black Sea: challenges and remedies. Dordrecht : Springer, 1999. P. 109–129. https://doi.org/10.1007/978-94-011-4568-8_8
33. Climatic and anthropogenic variations in the sulfide distribution in the Black Sea / S. K. Ko-novalov [et al.] // Aquatic Geochemistry. 1999. Vol. 5, iss. 1. P. 13–27. https://doi.org/10.1023/A:1009655502787
34. Belokopytov V. N. Mezhgodovaya izmenchivost' obnovleniya vod kholodnogo promezhutochnogo sloya Chernogo morya v poslednie desyatiletiya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2010. № 5. S. 33–41.
35. Konovalov S., Belokopytov V., Vidnichuk A. Oxygen regime shifts in the Black Sea: climate and/or human effects // Morskie nauki i sovremennye tekhnologii dlya ustoichivogo raz-vitiya = Marine Science and Technology for Sustainable Development : tezisy dokladov 26-i mezhdunarodnoi konferentsii Tikhookeanskogo kongressa morskikh nauk i tekhnologii (PACON-2019), 16–19 iyulya 2019 g., Vladivostok, Rossiya. Vladivostok : TOI DVO RAN, 2019. C. 23
