Изучение динамики процессов трансформации соединений азота и фосфора в экосистеме Вислинского залива Балтийского моря с помощью методов математического моделирования
- Авторы: Подгорный К.А.1, Дмитриева О.А.1,2
-
Учреждения:
- Атлантический филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (“АтлантНИРО”)
- Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
- Выпуск: Том 17, № 4 (2024)
- Страницы: 505-526
- Раздел: CТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
- URL: https://journals.rcsi.science/0320-9652/article/view/269855
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0320965224040019
- EDN: https://elibrary.ru/YKOLOU
- ID: 269855
Цитировать
Аннотация
Методами математического моделирования проведено системное исследование взаимодействия гидробиологических, гидрохимических, гидрологических и гидрофизических процессов, которые протекают в экосистеме Вислинского залива (ВЗ) Балтийского моря с учетом процессов в деятельном слое донных отложений (ДО). Проанализированы особенности динамики соединений азота и фосфора, времени оборота и составляющих баланса соединений биогенных элементов в экосистеме ВЗ, а также степени их временной изменчивости. Показано, что изменчивость соединений азота и фосфора в водной среде возрастает в весенний и осенний периоды. Это связано с увеличением стока рек в залив и повышением уровня внешней биогенной нагрузки на акваторию ВЗ. Модельные расчеты потоков веществ свидетельствуют, что поступление растворенных органических и взвешенных веществ в залив из внешних источников и вынос в Балтийское море – важные процессы, существенным образом влияющие на их содержание в экосистеме ВЗ. Установлено, что при сильных ветрах процесс осаждения взвесей может в значительной степени блокироваться, а интенсивность ресуспензии ДО – существенно возрастать. Анализ основных качественных и количественных особенностей характера временной динамики значений времени оборота растворенного органического азота и растворенного органического фосфора, а также минеральных соединений азота и фосфора свидетельствуют о тесной сопряженности процессов трансформации растворенных органических и неорганических веществ в воде ВЗ. Выполнена количественная оценка процессов потребления и экскреции соединений биогенных элементов разными группами гидробионтов, показана важная роль гетеротрофного бактериопланктона и простейших организмов в процессах трансформации соединений биогенных элементов в экосистеме ВЗ. Модель может быть использована для выполнения сценарного моделирования и анализа возможных изменений экосистемы ВЗ при изменении климатических и антропогенных условий.
Полный текст

Об авторах
К. А. Подгорный
Атлантический филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (“АтлантНИРО”)
Автор, ответственный за переписку.
Email: kapborok@mail.ru
Россия, Калининград
О. А. Дмитриева
Атлантический филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (“АтлантНИРО”); Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
Email: kapborok@mail.ru
Россия, Калининград; Москва
Список литературы
- Айзатуллин Т.А., Шамардина И.П. 1980. Математическое моделирование экосистем континентальных водотоков и водоемов // Итоги науки и техники. Сер. Общая экология. Биоценология. Гидробиология. Моделирование водных экосистем. М.: ВИНИТИ. Т. 5. С. 154.
- Александров С.В. 2010. Первичная продукция планктона в лагунных экосистемах Балтийского моря (Вислинский и Куршский заливы). Калининград: ФГУП “АтлантНИРО”.
- Астраханцев Г.П., Меншуткин В.В., Петрова Н.А. и др. 2003. Моделирование экосистем больших стратифицированных озер. СПб.: Наука.
- Брандт З. 2003. Анализ данных. Статистические и вычислительные методы для научных работников и инженеров. М.: Мир.
- Воробьева О.Н., Меншуткин В.В. 1989. Моделирование сукцессии фитопланктонного сообщества Волховской губы Ладожского озера // Применение методов имитационного моделирования в пресноводной экологии и в рыбохозяйственных исследованиях на внутренних водоемах. Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. Вып. 302. С. 47.
- Ворович И.И., Горелов А.С., Горстко А.Б. и др. 1981. Рациональное использование водных ресурсов бассейна Азовского моря: математические модели. М.: Наука.
- Гидрометеорологический режим Вислинского залива. 1971. Л.: Гидрометеоиздат.
- Горстко А.Б., Домбровский Ю.А., Сурков Ф.А. 1984. Модели управления эколого-экономическими системами. М.: Наука.
- Гутельмахер Б.Л. 1986. Метаболизм планктона как единого целого. Л.: Наука.
- Дмитриева О.А., Семенова А.С. 2012. Сезонная динамика и трофические взаимоотношения фито- и зоопланктона в Вислинском заливе Балтийского моря // Океанология. Т. 52. № 6. С. 851.
- Добрынский В.А., Рогаль И.В. 1993. Применение методов математического моделирования к изучению круговорота фосфора в пресноводных экосистемах // Гидробиол. журн. Т. 29. № 5. С. 73.
- Добрынский В.А., Рогаль И.В. 1997. Математическое моделирование круговорота азота в пресноводных экосистемах // Гидробиол. журн. Т. 33. № 6. С. 88.
- Ежова Е.Е., Рудинская Л.В., Павленко-Лятун М.В. 2004. Вислинский залив. Макрозообентос // Закономерности гидробиологического режима водоемов разного типа. М.: Науч. мир. С. 146.
- Кейда М.Э. 2004. Вислинский залив. Ихтиоценоз // Закономерности гидробиологического режима водоемов разного типа. М.: Науч. мир. С. 168.
- Леонов А.В. 1986. Математическое моделирование трансформации соединений фосфора в пресноводных экосистемах (на примере озера Балатон). М.: Наука.
- Леонов А.В. 1989. Математическая модель совместной трансформации соединений азота, фосфора и кислорода в водной среде: ее применение для анализа динамики компонентов в евтрофном озере // Водн. ресурсы. Т. 16. № 2. С. 105.
- Леонов А.В. 1991. Кинетика биотрансформации соединений органогенных элементов в природных водах (математическое моделирование и анализ закономерностей круговорота): Автореф. дис. … докт. хим. наук. Ростов-на-Дону. 65 с.
- Леонов А.В. 2008. Моделирование природных процессов на основе имитационной гидроэкологической модели трансформации соединений C, N, P, Si. Южно-Сахалинск: Изд-во Сахалин. гос. ун-та.
- Леонов А.В., Абросов Н.С., Николаев В.М. 1994. Математическая модель совместной трансформации соединений углерода, азота, фосфора и режима кислорода во взаимосвязанных водоемах повышенной трофности // Водн. ресурсы. Т. 21. № 5. С. 513.
- Леонов А.В., Литвинов А.С., Разгулин С.М. 1996. Анализ особенностей функционирования экосистемы Рыбинского водохранилища с помощью математической модели // Водн. ресурсы. Т. 23. № 6. С. 739.
- Леонов А.В., Сапожников В.В. 1997. Биогидрохимическая модель трансформации органогенных веществ и ее использование для расчета первичной продукции в экосистеме Охотского моря // Комплексные исследования экосистемы Охотского моря: Сб. науч. тр. М.: Изд-во ВНИРО. С. 143.
- Леонов А.В., Стыгар О.В. 2001. Математическое моделирование процессов биотрансформации биогенных веществ для изучения условий евтрофирования вод поверхностного слоя Каспийского моря // Водн. ресурсы. Т. 28. № 5. С. 587.
- Леонов А.В., Филатов Н.Н., Здоровеннов Р.Э. и др. 2004. Особенности функционирования экосистемы Белого моря: исследование на основе математической модели трансформации органогенных веществ // Водн. ресурсы. Т. 31. № 5. С. 556.
- Леонов А.В., Филатов Н.Н., Чичерина О.В. 2005. Трансформация органогенных веществ в экосистеме Белого моря: оценка по результатам математического моделирования // Водн. ресурсы. Т. 32. № 4. С. 435.
- Лисицын А.П. 1994. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. Т. 34. № 5. С. 735.
- Лисицын А.П., Баренблатт Г.И. 1983. Гидродинамика и осадкообразование. М.: Наука.
- Лукашин В.Н., Кречик В.А., Клювиткин А.А. и др. 2018. Геохимия взвешенного вещества в маргинальном фильтре реки Преголи (Балтийское море) // Океанология. Т. 58. № 6. С. 933. doi: 10.1134/S0030157418060102
- Меншуткин В.В., Воробьева О.Н. 1987. Модель экологической системы Ладожского озера // Современное состояние экосистемы Ладожского озера. Л.: Наука. С. 187.
- Методы гидрохимических исследований океана. 1978. М.: Наука.
- Михайлов В.В., Казанский А.Б., Васильева Е.П. и др. 1989. Прогнозирование состояния экосистемы Онежского озера с помощью агрегированной модели // Применение методов имитационного моделирования в пресноводной экологии и в рыбохозяйственных исследованиях на внутренних водоемах // Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. Вып. 302. С. 153.
- Михайлов В.Н., Горин С.Л. 2012. Новые определения, районирование и типизация устьевых областей рек и их частей – эстуариев // Водн. ресурсы. Т. 39. № 3. С. 243.
- Науменко Е.Н. 2007. Зоопланктон Вислинского залива. Калининград: Калининград. гос.-техн. ун-т.
- Подгорный К.А. 2003. Математическое моделирование пресноводных экосистем нестратифицированных водоемов (алгоритмы и численные методы). Рыбинск: Изд-во ОАО “Рыбинский Дом печати”.
- Подгорный К.А. 2018. Математическая модель для изучения экосистемы Вислинского залива Балтийского моря. Часть 1. Теоретические основы и структура модели, методология подготовки исходных данных для выполнения расчетов. Калининград: АтлантНИРО.
- Подгорный К.А., Дмитриева О.А. 2022. Математическое моделирование процессов трансформации соединений биогенных элементов в экосистеме Вислинского залива Балтийского моря // Тр. Карельск. науч. центра РАН. № 6. С. 142. https://doi.org/ 10.17076/lim1605
- Подгорный К.А., Леонов А.В. 2013а. Использование пространственно-неоднородной имитационной модели для изучения процессов трансформации соединений азота, фосфора и динамики кислорода в экосистеме Невской губы Финского залива: 1. Описание модели // Водн. ресурсы. Т. 40. № 2. С. 179.
- Подгорный К.А., Леонов А.В. 2013б. Использование пространственно-неоднородной имитационной модели для изучения процессов трансформации соединений азота, фосфора и динамики кислорода в экосистеме Невской губы Финского залива: 2. Входные данные для расчетов, результаты моделирования и их анализ // Водн. ресурсы. Т. 40. № 3. С. 240.
- Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана. 2003. М.: ВНИРО.
- Руховец Л.А. 1982. Математическое моделирование водообмена и распространения примесей в Невской губе // Метеорол. и гидрология. № 7. С. 78.
- Рябченко В.А., Румянцев В.А., Коноплев В.Н. и др. 2006. Оценка изменения качества воды Невской губы после введения в эксплуатацию юго-западных очистных сооружений Санкт-Петербурга (по данным математического моделирования) // Изв. Русского Географического Общества. Т. 138. Вып. 5. С. 48.
- Рянжин С.В., Тержевик А.Ю., Афанасьев С.В. и др. 1984. Гидродинамический режим и условия накопления донных осадков // Сохранение природной экосистемы водоема в урбанизированном ландшафте. Л.: Наука. С. 83.
- Савчук О.П. 1997. Модель химико-биологических взаимодействий // Проблемы исследования и математического моделирования экосистемы Балтийского моря. Вып. 5. Экосистемные модели. Оценка современного состояния Финского залива. Ч. 1. Математические модели. СПб.: Гидрометеоиздат.
- Филатов Н.Н., Баклагин В.Н., Исаев А.В. и др. 2022. Разработка информационно-аналитической системы “озеро–водосбор” как метода фундаментальных исследований и инструмента обоснования управленческих решений (на примере Онежского озера) // Тр. Карельск. науч. центра РАН. № 6. С. 161. https://doi.org/10.17076/lim1683
- Цхай А.А., Агейков В.Ю. 1997. Математическое моделирование процессов трансформации соединений азота и фосфора и изменчивости кислородного режима в водохранилищах // Водн. ресурсы. Т. 24. № 6. C. 718.
- Цхай А.А., Леонов А.В. 1995. Прогноз качества воды проектируемого водохранилища на основе модели трансформации соединений азота и фосфора // Водн. ресурсы. Т. 22. № 3. С. 261.
- Чечко В.А. 2002. Анализ пространственно-временной изменчивости взвешенного вещества Калининградского залива Балтийского моря // Водн. ресурсы. Т. 29. № 4. С. 425.
- Andersen T., Hessen D.O. 1991. Carbon, nitrogen, and phosphorus content of freshwater zooplankton // Limnol., Oceanogr. V. 36. P. 807.
- Astrakhantsev G.P., Egorova N.B., Menshutkin V.V. et al. 1996. Mathematical model for the ecosystem response of Lake Ladoga to phosphorus loading // Hydrobiologia. V. 322. P. 153.
- Chen C., Ji R., Schwab D.J. et al. 2002. A model study of the coupled biological and physical dynamics in Lake Michigan // Ecol. Model. V. 152. P. 145.
- Chubarenko B.V., Lund-Hansen L.Ch., Beloshitskii A. 2002. Comparative analysis of potential wind-wave impact on bottom sediments in the Vistula and Curonian lagoon // The Baltica: an international yearbook on geology, geomorphology and palaeogeography of the Baltic Sea. V. 15. P. 30.
- Chubarenko B.V., Margoński P. 2008. The Vistula lagoon // Ecological Studies. V. 197. Ecology of Baltic coastal waters. Berlin: Springer. P. 167.
- Delft 3D WAQ, v. 2.02: detailed description of processes. 2005. Technical reference manual. Delft, the Netherlands: Delft Hydraulics.
- Domnin D., Chubarenko B., Lewandowski A. 2015. Vistula lagoon catchment atlas of water use. Moscow: Exlibris Press.
- Fulton E.A. 2010. Approaches to end-to-end ecosystem models // J. Mar. Syst. V. 81. P. 171.
- Fulton E.A., Blanchard J.L., Melbourne-Thomas J. et al. 2019. Where the ecological gaps remain, a modelers’ perspective // Front. Ecol. Evol. V. 7. Р. 424. https://doi.org/ 10.3389/fevo.2019.00424
- Isaev A.V., Savchuk O.P., Filatov N.N. 2022. Three-dimensional hindcast of nitrogen and phosphorus biogeochemical dynamics in Lake Onego ecosystem, 1985–2015. Part I: Long-term dynamics and spatial distribution // Fundamental and Appl. Hydrophysics. V. 15. № 2. P. 76. https://doi.org/10.48612/fpg/e1m2-63b5-rhvg
- Kiørboe T. 2013. Zooplankton body composition // Limnol., Oceanogr. V. 58. P. 1843. https://doi.org/10.4319/lo.2013.58.5.1843
- Krechik V., Krek A., Bubnova E. et al. 2020. Mixing zones within the complex transitional waters of the Baltic Sea Vistula Lagoon // Regional Studies in Mar. Sci. V. 34. P. 101023. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2019.101023
- Maciejewska A., Pempkowiak J. 2014. DOC and POC in the water column of the southern Baltic. Part I. Evaluation of factors influencing sources, distribution and concentration dynamics of organic matter // Oceanologia. V. 56. P. 523.
- Maciejewska A., Pempkowiak J. 2015. DOC and POC in the water column of the southern Baltic. Part II – Evaluation of factors affecting organic matter concentrations using multivariate statistical methods // Oceanologia. V. 57. P. 168.
- Menshutkin V.V., Astrakhantsev G.P., Yegorova N.B. et al. 1998. Mathematical modeling of the evolution and current conditions of the Ladoga Lake ecosystem // Ecol. Model. V. 107. P. 1.
- Molchanov M., Eremina T.R., Neelov I.A. 2010. Modeling of suspended matter transport in the Neva Bay and the Eastern part of the Gulf of Finland // Proceedings of the 2nd International Conference (school) on Dynamics of Coastal Zone of Non-Tidal Seas. Baltiysk (Kaliningrad Oblast), 26–30 June 2010. Kaliningrad: Terra Baltica. P. 207.
- Podgornyi K.A., Leonov A.V. 2015. Review of the current methods used to assess the values of coefficients, sensitivity, and adequacy of simulation models of Aquatic Ecosystems // Water Res. V. 42. № 4. P. 477. https://doi.org/10.1134/S0097807815040119
- Podgornyi K.A., Leonov A.V. 2017. Modeling of suspended matter distribution in marine coastal areas. 1. Description of the SM-model // J. Oceanol. Res. V. 45. № 1. P. 109.
- Rukhovets L.A., Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V. et al. 2003. Development of Lake Ladoga ecosystem models: modeling of the phytoplankton succession in the eutrophication process. I // Ecological Modelling. V. 165. P. 49.
- Rukhovets L.A., Filatov N.N. 2010. Ladoga and Onego – great European lakes: observations and modeling. Berlin: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-540-68145-8
- Savchuk O.P. 2000. Studies of the assimilation capacity and effects of nutrient load reduction in the eastern Gulf of Finland with a biogeochemical model // Boreal Env. Res. V. 5. P. 147.
- Savchuk O.P., Isaev A.V., Filatov N.N. 2022. Three-dimensional hindcast of nitrogen and phosphorus biogeochemical dynamics in Lake Onego ecosystem, 1985–2015. Part II: Seasonal dynamics and spatial features; Integral fluxes // Fund. and Appl. Hydrophysics. V. 15. № 2. P. 98. https://doi.org/10.48612/fpg/9mg5-run6-4zr8
- Savchuk O.P., Wulff F. 1999. Modelling regional and large-scale response of Baltic Sea ecosystems to nutrient load reductions // Hydrobiologia. V. 393. P. 35.
- The coupled 3D hydrodynamic and ecosystem model FINEST. 1998. MERI. № 35.
- Theil H. 1971. Applied economic forecasting. Amsterdam: North-Holland.
- Transboundary waters and basins in the South-East Baltic 2008. Kaliningrad: Terra Baltica.
- Tskhai A.A., Ageikov V.Y. 2020. Simulating variations in reservoir eutrophication level by reproducing biogeochemical cycles // Water Res. V. 47. № 1. P. 147. https://doi.org/10.1134/S0097807820010145
- Tskhai A.A., Ageikov V.Y. 2021. Disturbance of sustainability of the reservoir ecosystem: a model approach for assessing and forecasting the long-term process of eutrophication // Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems. V. 9(1). Р. 1080327. https://doi.org/10.13044/j.sdewes.d8.0327
- Witek Z., Humborg C., Savchuk O. et al. 2003. Nitrogen and phosphorus budgets of the Gulf of Gdańsk (Baltic Sea) // Estuarine, Coastal and Shelf Science. V. 57. P. 239.
- Witek Z., Zalewski M., Wielgat-Rychert M. 2010. Nutrient stocks and fluxes in the Vistula lagoon at the end of the twentieth century. Slupsk: Gdynia.
Дополнительные файлы
