Проект: Исследование закономерностей Проект: Исследование закономерностей функционирования трофических цепей в функционирования трофических цепей в

меромиктических озерах меромиктических озерах

Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Руководитель проекта: к.б.н., доцент Задереев Егор Сергеевич

Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук

Цель проекта:Цель проекта:

Получение новых знаний о функционировании трофических цепей стратифицированных меромиктических озер и последующее использование полученных закономерностей и разработанных математических моделей для анализа динамики водных экосистем, оценки последствий антропогенных или других воздействий.

Задачи пятого этапа выполнения НИРЗадачи пятого этапа выполнения НИР

математическое моделирование с целью оценки вклада пространственных неоднородностей в динамику переноса вещества и энергии по звеньям трофической цепи.

математическое моделирование для оценки влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в трофической цепи.

Команда проектаКоманда проекта

Объекты исследованияОбъекты исследования

Меромиктические озера Меромиктические озера Шира и ШунетШира и Шунет Меромиктические озера

являются перспективными объектами для исследования механизмов формирования

вертикальных неоднородностей живого в

водных экосистемах, а также функционирования

трофической сети в условиях стратифицированного

распределения физико-химических факторов среды.

Озеро Шира Озеро Шунет

Выполненные работы и основные результаты

1. Выполнена оценка вклада пространственных неоднородностей в динамику переноса вещества и

энергии по звеньям трофической цепи

Основной механизм, через который неоднородности распределения зоопланктона и амфипод в водной толще оказывают на динамику нижележащих компонент в трофической цепи, заключается в первую очередь в усилении выедания в местах повышенной плотности биомассы зоопланктона и амфипод. Таким образом, отсутствие стратифицированного распределения по вертикали хищников приводит к увеличению суммарной летней биомассы всех фитопланктонных групп и более позднему летнему доминированию цианобактерий в экосистеме.

Вертикальные профили биомассы зеленых водорослей и цианобактерий в разные даты летнего сезона. Левый столбец – расчеты при стандартных условиях. Правый столбец – расчеты без неоднородностей распределения зоопланктона и амфипод.

2. Выполнена оценка влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в

трофической цепи

С использованием методов математического моделирования, с использованием метода Морриса показано, что:

1. среди климатических факторов сила ветра и облачность в течение лета являются наиболее важными и во многом определяющими состояние экосистемы. В первую очередь изменения этих факторов проявляются на динамике компонент миксолимниона – фито, зоопланктона и амфипод.

2. состояние экосистемы более чувствительно к антропогенной нагрузке в виде источника аллохтонной органики в глубине водной толще, чем к загрязнению водоема биогенными элементами, поступающими с атмосферными осадками.

3. Самыми важными «стартовыми» факторами являются биомасса высшего трофического звена экосистемы – зоопланктона старшей возрастной группы и суммарная концентрация мертвого органического вещества, которую можно считать обобщенной мерой интенсивности трофических процессов, протекавших в озере до начала летнего сезона. Изменение биомассы зоопланктона старшей возрастной группы влияет на компоненты трофической цепи миксолимниона, а изменение суммарной концентрации мертвого органического вещества влияет на бактериальный блок экосистемы.

Анализ на чувствительность

Метод МоррисаMorris, M. D. (1991) Factorial sampling plans for preliminary computational experiments. Technometrics 33(2), 161–174.

Пакет программ Симлаб (2011) для анализа на чувствительностьJoint Research Centre of the European Commission. Downloadable for free at: http://simlab.jrc.ec.europa.eu

Входные факторы:

Климатические:• Скорость ветра• Температура воздуха• Облачность

Биотические:• Весенние биомассы видов• Концентрации и дополнительный поток биогенных элементов (N, P)

Выходные параметры:

• Глубина термоклина и хемоклина• Биомассы видов• Сезонная динамика видов• Вертикальное распределение видов

Cyano-bacteria

Green algae

Ratio green/cyano

Zoo oldZoo

youngGammaru

sDetritus

Purple bacteria

Sulfat reducing bacteria

H2S amount

1 dCloud dWind dWind dWind dWind nGamm nDet

flowOrgConc

flowOrgPos

nDet

2 dWind dCloud nBlue nZooOld nZooOld dWind

flowOrgConc

flowOrgPos

nDetflowOrgPo

s

3 nZooOld nNflowOrgPo

sdCloud dCloud dCloud

flowOrgPos

dWind

flowOrgConc

flowOrgC

onc

4 nBlueflowOrgPo

sdCloud

flowOrgPos

nDet dTemp nZooOld nDet nZooOld nZooOld

5 nN flowP flowP nDet nN flowP dWind dCloud dWind dWind

6 nDet

flowOrgConc

flowOrgC

onc

flowOrgC

onc

flowOrgPos

flowN dCloud flowP dCloud dCloud

7 nGren nP nGren nN

flowOrgConc

flowOrgC

oncnN nZooOld nGren flowP

8 nP nGren nZooOld nP nPflowOrgPo

s flowP nP nN nP

9 dTemp nZooOld nDet nGren dTemp nGren nGren nBlue nBlue nN10 flowP nDet dTemp flowP flowP nBlue nP dTemp nP nGren11 flowN nBlue nP dTemp nGren nZooOld nGamm nGren flowP nBlue

12 nGamm dTemp nN nBlue

nZooYoung

nZooYoun

g dTemp flowN nGamm dTemp

13flowOrgC

onc flowN flowN nGamm flowN nDet flowN

nZooYoun

g dTemp nGamm

14flowOrgPo

s nGamm nGamm flowN nBlue nP nBlue nGamm flowN flowN

15nZooYoun

g

nZooYoun

g

nZooYoun

g

nZooYoun

g nGamm nN

nZooYoun

gnN

nZooYoun

g

nZooYoun

g

Миксолимнион Монимолимнион

Более влиятель-ные

Менее влиятель-

ные

Анализ модели на чувствительность

Ветер dVetr 18Облачность dObl 26Весенняя концентрация старого зоо nZooOld 31Весенняя концентрация детрита nDet 32Глубина сточной трубы flowOrgPos 34

Концентрация в сточной трубе flowOrgConc 38Весенняя концентрация азота nN 50Весенняя концентрация фосфора nP 59Поступление фосфора flowP 60Весенняя концентрация зеленых водорослей nGren 62Весенняя концентрация цианобактерий nBlue 73Температура dTemp 76Поступление азота flowN 90Весенняя концентрация амфипод nGamm 91Весенняя концентрация молодого зоо nZooYoung 100

Анализ чувствительности

Более влиятель-

ные

Менее влиятель-

ные

- Климатические факторы

- Биотические факторы- Антропогенные факторы

2. Выполнена оценка влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в

трофической цепи:

Механизм влияния климатических факторов заключается в том, что при изменениях ветровой обстановки или условий облачности происходят выразительные трансформации глубины термоклина и температурного поля в водной толще, через которое воздействие далее передается на компоненты трофической цепи. Изменение условий облачности дополнительно трансформирует световое поле в водной толще экосистемы.

ТеплееХолоднееТепло

ХолодноТеплее

Холоднее

Влияние ветра на температурную стратификацию

“Стандартное” летоТихое лето Ветреное лето

В эпилимнионе

На глубине 10 м

Температура, oC Глубина термоклина, m

Цианобактерии

Зеленые водоросли

Влияние ветра на сезонную динамику и стратификация фитопланктона

Соотношение зеленые/цианобактерии

Биомасса (g DW) под м2 Средняя глубина максимума биомассы фито

Фитопланктон Зоопланктон

Влияние ветра на сезонную динамику биомассы (g DW m2) фито- и зоопланктона

Ветер

Мелкий и теплый эпилимнион,

глубокий и холодный гиполимнион

Начало летаРост зоо за счет более

теплых температур

Конец летаХолодный и темный

гиполимнионТеплый, лимитирующий

рост эпилимнионПики фито расположены

глубже

Глубокий и холодный эпилимнион, теплый

гиполимнион

Начало летаПодавленное развитие фито и зоо из-за более холодных температур

Конец летаТеплый, оптимальный для

зеленых водорослей гиполимнион

Пико фито расположены выше

Мало фито- и зоопланктона

Мало цианобактерий,

но много зеленых водорослей и зоопланктона

-

+

Влияние облачности на поверхностную освещенность

15 May 31 August

Холоднее ТеплееТепло

ХолодноТеплее

Холоднее

Влияние облачности на температурную стратификацию

“Стандартное” летоОблачное лето Ясное лето

В эпилимнионе

на глубине 10 м

Температура, oC Глубина термоклина, m

Цианобактерии

Зеленые

Влияние облачности на сезонную динамику биомассы и вертикального положения фитопланктона

Соотношение зеленые/цианобактерии

Биомасса (g DW m2) Средняя глубина максимума биомассы

Фитопланктон Зоопланктон

Влияние облачности на сезонную динамику биомассы (g DW m2) фито- и зоопланктона

Облачность

Глубокий и теплый эпилимнион, теплый

гиполимнионБольше света

Начало летаПовышенное развитие

зеленых

Конец летаБыстрый спад зеленых,

развитие цианобактерий, упадок

зоо

Мелкий и холодный эпилимнион,

холодный гиполинион, меньше

света

Начало летаМедленное развитие

фито и зоо из-за темного и холодного эпи

Конец летаЗеленые чуть

подрастают, но в целом и фито и зоо подавлены

Много фито- с доминированием цианобактерий,

мало зоопланктона

Мало фито- и зоопланктона

-

+

2. Выполнена оценка влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в

трофической цепи:

Показано, что в широком диапазоне исследованных концентраций органического вещества в водной толще (связанных как с антропогенным загрязнением, так и с функционированием экосистемы) меромиктия водной толщи озера Шира не будет нарушена. То есть при данных уровнях воды озера и солености меромиктическое состояние озера является устойчивым.

Влияние весенней концентрации детрита (g DW m2) на глубину хемоклина

Наблюдаемые в озере вариации глубины

хемоклина

Наблюдаемые в озере глубины

хемоклина

Влияние точечного стока биогенного вещества на глубину хемоклина

Выполнение целевых индикаторов и показателей Программы

Публикации в высокорейтинговых российских и зарубежных журналах за время выполнения этапа - 1

Задереев Е.С., Толомеев А.П., Дроботов А.В. 2012. Несинхронные вертикальные миграции зоопланктона в стратифицированных озерах // Сибирский экологический журнал. Т. 5, № 4, с. 597–605

Выполнение целевых индикаторов и показателей Программы

Защита диссертаций

Представлены к защите две диссертации на соискание степени кандидата наук.

Дроботов А.В. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА И НЕ СИНХРОННЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ МИГРАЦИИ ЗООПЛАНКТОНА В СТРАТИФИЦИРОВАННОМ ОЗЕРЕ

Лопатина Т.С. РОЛЬ ДИАПАУЗЫ В МЕХАНИЗМЕ СОСУЩЕСТВОВАНИЯ КОНКУРИРУЮЩИХ ВИДОВ ВЕТВИСТОУСЫХ РАКООБРАЗНЫХ (CLADOCERA: CRUSTACEA)

Выполнение целевых индикаторов и показателей Программы

Участие в работе конференций

3-ий Европейский симпозиум по большим озерам (8-12 октября 2012 г., Констанц, Германия)

Полученные за отчетный период главные результаты: в виде объектов учета единого реестра результатов научно-технической деятельности (РНТД)

Анализ(обобщение, сбор данных) результат превосходит мировой уровень Обеспечение (математическое, программное, методическое, информационное) результат превосходит мировой уровень Решение (математическое, техническое, организационное) результат превосходит мировой уровень

Страница проекта на сайте Сибирского федерального университета

Адрес страницы: http://bio.sfu-kras.ru/meromictic

Создана страница проекта включающая:

Основную информацию о проекте Список исполнителей проекта и их резюме Видеоматериалы, иллюстрирующие работу по проекту Аннотации и презентации результатов выполнения работ по этапам Полезные ссылки и материалы в сети