Horizontal Heterogeneities of Functioning of Phyto- and Zooplankton in a Lake With Wind Currents

A. P. Tolomeev; Толомеев А. П.; O. P. Dubovskaya; Дубовская О. П.; E. S. Kravchuk; Кравчук Е. С.; O. V. Anishchenko; Анищенко О. В.; A. V. Drobotov; Дроботов А. В.

doi:10.31857/S0320965223020249

Горизонтальные неоднородности функционирования фито- и зоопланктона в озере с ветровыми течениями

Авторы: Толомеев А.П.¹^,2, Дубовская О.П.¹^,2, Кравчук Е.С.¹, Анищенко О.В.¹, Дроботов А.В.¹
Учреждения:
1. Институт биофизики, “Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук”
2. Сибирский федеральный университет
Выпуск: № 2 (2023)
Страницы: 196-209
Раздел: ЗООПЛАНКТОН, ЗООБЕНТОС, ЗООПЕРИФИТОН
URL: https://journals.rcsi.science/0320-9652/article/view/134950
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320965223020249
EDN: https://elibrary.ru/BURPMB
ID: 134950

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Проведена проверка гипотезы возникновения горизонтальных неоднородностей зоо- и фитопланктона для водоема, подвергающегося регулярным суточным изменениям ветровых течений. Горизонтальные неоднородности формируются на основе сочетания малоамплитудной вертикальной миграции зоопланктона и ветровых течений эпилимниона: поверхностных, приносящих обедненную зоопланктоном воду к подветренному берегу (куда дует ветер), и компенсационных надтермоклинных, приносящих обогащенную зоопланктоном воду к наветренному берегу (откуда дует ветер). Следствием пространственного разделения фито- и зоопланктона может быть ослабление трофических связей между этими звеньями. Проверка гипотезы проведена в 2020 г. в пелагиали оз. Шира (Хакасия, Россия) – солоноватом меромиктическом водоеме с простой батиметрией и несложной трофической сетью. Горизонтальные неоднородности эпилимниона оценивали по сетке из 11 станций, измеряя биологические и физические показатели погружным зондом-флуориметром и планктонной сетью, регистрируя динамику скорости и направления ветра. Различия в величинах первичной продукции, деструкции планктона и интенсивности выедания фитопланктона зоопланктоном у наветренного и подветренного берегов оценивали скляночным методом в трех экспериментах. Эксперименты подтвердили предполагаемые различия в функционировании трофического каскада у северо-восточного (днем чаще наветренного, ночью – подветренного) и южного-юго-западного (подветренного днем и наветренного ночью) берегов. А именно, концентрация хлорофилла a, валовая и чистая первичная продукция фитопланктона (оцененная скляночным и флуоресцентным методами), суточная интенсивность питания зоопланктона (по хлорофиллу) были выше у южного берега, а биомасса сетного зоопланктона и скорость дыхания планктонного сообщества – у северо-восточного, что совпало с картиной распределения по озеру фито- и зоопланктона по материалам съемки в аналогичных погодных условиях. Проверяемая гипотеза подтверждена и дополнена учетом вечерне-ночных вертикальных миграций зоопланктона.

Ключевые слова

пространственная неоднородность, оз. Шира, ветровые течения, фитопланктон, зоопланктон, хлорофилл а, первичная продукция, интенсивность питания зоопланктона

Список литературы

Баранов В.И., Голенко Н.Н., Компаниец Л.А. и др. 2013. Пространственно-временная изменчивость основных характеристик озера Шира в сезоне наблюдений 2011–2012 гг. // Вестн. Бурятск. гос. ун-та. № 9. С. 148.
Бульон В.В. 2017. Хлорофилл а как показатель биомассы фитопланктона // Вода: Химия и экология. № 8. С. 39.
Гладышев М.И. 1990. Суточная динамика вертикального распределения массовых видов зоопланктона в Сыдинском заливе Красноярского водохранилища // Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. биол. Вып. 3. С. 78.
Гутельмахер Б.Л. 1986. Метаболизм планктона как единого целого. Трофометаболические взаимодействия фито- и зоопланктона. Ленинград: Наука.
Гутельмахер Б.Л., Никулина В.Н. 1977. Питание Arctodiaptomus salinus Daday в Тюпском заливе озера Иссык-Куль // Гидробиологические исследования на реке Тюп и Тюпском заливе озера Иссык-Куль. Ленинград: Зоол. ин-т АН СССР. С. 87.
Минеева Н.М. 2021. Многолетняя динамика хлорофилла в планктоне различных участков крупного равнинного водохранилища // Биология внутр. вод. № 6. С. 574. https://doi.org/10.31857/S0320965221060127
Осипов В.А. 2006. Зависимость флуоресцентных параметров икроводорослей от факторов среды, включая антропогенные загрязнения: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Москва. 22 с.
Поддубный С.А., Цветков А.И., Иванова И.Н. и др. 2020. Термические и динамические процессы в озере Плещеево // Тр. Ин-та биологии внутр. вод им. И.Д. Папанина РАН. Вып. 90(93). С. 7. https://doi.org/10.24411/0320-3557-2020-10009
Толомеев А.П., Задереев Е.С. 2003. Действие солнечной радиации на вертикальные миграции Arctodiaptomus salinus и Braсhionus plicatilis в озере Шира // Биология внутр. вод. № 2. С. 74.
Черепнина Г.И. 1980. Потребление фитопланктона Diaptomus salinus Dad. и Daphnia magna Straus в озере Беле // Трофические связи пресноводных беспозвоночных. Ленинград: Зоол. ин-т АН СССР. С. 37.
Armengol X., Miracle M.R. 2000. Diel vertical movements of zooplankton in lake La Cruz (Cuenca, Spain) // J. Plankton Res. V. 22. № 9. P. 1683.
Beletsky D., Schwab D.J. 2001. Modeling circulation and thermal structure in Lake Michigan: Annual cycle and interannual variability // J. Geophysical Res.. V. 106. № C9. P. 1945.
Belolipetskii V.M., Genova S.N., Gavrilova L.V., Kompaniets L.A. 2002. Mathematical models and computer programmes for the investigation of hydrophysical processes in Lake Shira // Aquat. Ecol. V. 36. P. 143.
Benoit-Bird K.J., Cowles T.J., Wingard C.E. 2009. Edge gradients provide evidence of ecological interactions in planktonic thin layers // Limnol., Oceanogr. V. 54. № 4. P. 1382.
Blukacz E.A., Shuter B.J., Sprules W.G. 2009. Towards understanding the relationship between wind conditions and plankton patchiness // Limnol., Oceanogr. V. 54. № 5. P. 1530.
Blukacz E.A., Sprules W.G., Shuter B.J., Richards J.P. 2010. Evaluating the effect of wind-driven patchiness on trophic interactions between zooplankton and phytoplankton // Limnol., Oceanogr. V. 55. № 4. P. 1590. 10.4319/lo.2010.55.4.1590' target='_blank'>https://doi.org/doi: 10.4319/lo.2010.55.4.1590
Burks R.L., Lodge D.M., Jeppesen E., Lauridsen T.L. 2002. Diel horizontal migration of zooplankton: costs and benefits of inhabiting the littoral // Freshwater Biol. V. 47. P. 343.
Cawley G.F., Décima M., Mast F., Prairie J.C. 2021. The effect of phytoplankton properties on the ingestion of marine snow by Calanus pacificus // J. Plankton Res. V. 43. № 6. P. 957. https://doi.org/10.1093/plankt/fbab074
Cyr H. 2017. Winds and the distribution of nearshore phytoplankton in a stratified lake // Water Res. V. 122. P. 114. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.05.066
De Kerckhove D.T., Blukacz-Richards E.A., Shuter B.J. et al. 2015. Wind on lakes brings predator and prey together in the pelagic zone // Can. J. Fish and Aquat. Sci. V. 72. № 11. P 1652. https://doi.org/10.1139/cjfas-2015-0119
Drits A.V., Arashkevich E.G., Nikishina A.B. et al. 2015. Feeding of dominant zooplankton species and their grazing impact on autotrophic phytoplankton in the Yenisei estuary in autumn // Oceanology. V. 55. № 4. P. 573. https://doi.org/10.1134/S0001437015040049
Dubovskaya O.P., Tolomeev A.P., Kirillin G. et al. 2018. Effects of water column processes on the use of sediment traps to measure zooplankton non-predatory mortality: a mathematical and empirical assessment // J. Plankton Res. V. 40. № 1. P. 91. https://doi.org/10.1093/plankt/fbx066
Franco-Santos R.M., Auel H., Boersma M. et al. 2018. Bioenergetics of the copepod Temora longicornis under different nutrient regimes // J. Plankton Res. V. 40. № 4. P. 420. https://doi.org/10.1093/plankt/fby016
Gaevsky N.A., Kolmakov V.I., Popelnitsky V.A. et al. 2000. Evaluation of the effect of light intensity on the measurement of the photosynthetic rate in plankton microalgae by the chlorophyll fluorescence method // Rus. J. Plant. Physiol. V. 47. P. 820.
Gaevsky N.A., Zotina N.A., Gorbaneva T.B. 2002. Vertical structure and photosynthetic activity of Lake Shira phytoplankton // Aquat. Ecol. V. 36. P. 65.
George D.G., Winfield I.J. 2000. Factors influencing the spatial distribution of zooplankton and fish in Loch Ness, UK // Freshwater Biol. V. 43. P. 557.
Grosjean P., Picheral M., Warembourg C. et al. 2004. Enumeration, measurement, and identification of net zooplankton samples using the ZOOSCAN digital imaging system // ICES J. Mar. Sci. V. 61. P. 518.
Hutter K., Wang Y., Chubarenko I. 2011. Physics of Lakes. V. 1: Foundation of the Mathematical and Physical Background. Heidelberg; Dordrecht; London; New York: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-15178-1
ICES Zooplankton Methodology Manual. 2006. London: Elsevier Acad. Press.
Kravchuk E.S., Dubovskaya O.P., Shulepina S.P. et al. 2021. Effect of anthropogenic factors on the ecosystem of the Yenisei River anabranch within the city of Krasnoyarsk // J. Sib. Fed. Univ. Biol. V. 14(2). P. 208. (in Russian).https://doi.org/10.17516/1997-1389-0331
Lapesa S., Snell T.W., Fields D.M., Serra M. 2004. Selective feeding of Arctodiaptomus salinus (Copepoda, Calanoida) on co-occurring sibling rotifer species // Freshwater Biol. V. 49. P. 1053. https://doi.org/10.1111/j.1365-2427.2004.01249.x
Levesque S., Beisner B.E., Peres-Neto P.R. 2010. Meso-scale distributions of lake zooplankton reveal spatially and temporally varying trophic cascades // J. Plankton Res. V. 32. № 10. P. 1369. https://doi.org/10.1093/plankt/fbq064
Longhi M.L., Beisner B.E. 2010. Patterns in taxonomic and functional diversity of lake phytoplankton // Freshwater Biol. V. 55. P. 1349. https://doi.org/10.1111/j.1365-2427.2009.02359.x
Mackay E.B., Jones I.D., Thackeray S.J., Folkard A.M. 2011. Spatial heterogeneity in a small, temperate lake during archetypal weak forcing conditions // Fundam. Appl. Limnol. V. 179/1. P. 27. https://doi.org/10.1127/1863-9135/2011/0179-0027
McGinnis D.F., Wüest A. 2005. Lake hydrodynamics // In book: Yearbook of Science & Technology, 4. Publisher: The McGraw-Hill Companies.
Moreno-Ostos E., Cruz-Pizarro L., Basanta A., George D.G. 2009. Spatial heterogeneity of cyanobacteria and diatoms in a thermally stratified canyon-shaped reservoir // Int. Rev. Hydrobiol. V. 94. № 3. P. 245. https://doi.org/10.1002/iroh.200811123
Pinel-Alloul B. 1995. Spatial heterogeneity as a multiscale characteristic of zooplankton community // Hydrobiologia. V. 300/301. P. 17.
R Core Team. 2021. A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. URL: https://www.R-project.org.
Reichwaldt E.S., Song H., Ghadouani A. 2013. Effects of the distribution of a toxic Microcystis bloom on the small scale patchiness of zooplankton // PLoS One. V. 8 № 6. e66674. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0066674
Rinke K., Huber A.M.R., Kempke S. et al. 2009. Lake-wide distributions of temperature, phytoplankton, zooplankton, and fish in the pelagic zone of a large lake // Limnol., Oceanogr. V. 54. № 4. P. 1306.
Rogozin D.Y., Genova S.N., Gulati R.D., Degermendzhy A.G. 2010. Some generalizations based on stratification and vertical mixing in meromictic Lake Shira, Russia, in the period 2002–2009 // Aquat. Ecol. V. 44. P. 485. https://doi.org/10.1007/s10452-010-9328-6
Rogozin D.Y., Tarnovsky M.O., Belolipetskii V.M. et al. 2017. Disturbance of meromixis in saline Lake Shira (Siberia, Russia): Possible reasons and ecosystem response // Limnologica. V. 66. P. 12. https://doi.org/10.1016/j.limno.2017.06.004
Soulignac F., Danis P.-A., Bouffardc D. et al. 2018. Using 3D modeling and remote sensing capabilities for a better understanding of spatio-temporal heterogeneities of phytoplankton abundance in large lakes // J. Great Lakes Res. V. 44. № 4. P. 756. https://doi.org/10.1016/j.jglr.2018.05.008
Tolomeyev A.P. 2002. Phytoplankton diet of Arctodiaptomus salinus (Copepoda, Calanoida) in Lake Shira (Khakasia) // Aquat. Ecol. V. 36. P. 229.
Tolomeev A.P., Sushchik N.N., Gulati R.D. et al. 2010. Feeding spectra of Arctodiaptomus salinus (Calanoida, Copepoda) using fatty acid trophic markers in seston food in two salt lakes in South Siberia (Khakasia, Russia) // Aquat. Ecol. V. 44. P. 513. https://doi.org/10.1007/s10452-010-9331-y
Tolomeyev A.P., Zadereev E.S., Degermendzhy A.G. 2006. Fine stratified distribution of Gammarus lacustris Sars (Crustacea: Amphipoda) in the pelagic zone of the meromictic lake Shira (Khakassia, Russia) // Dokl. Biochem. Biophys. V. 411. P. 346.
Tolomeyev A.P., Zadereev Ye.S. 2005. An in situ method for the investigation of vertical distributions of zooplankton in lakes: test of a two-compartment enclosure // Aquat. Ecol. V. 39. P. 181. https://doi.org/10.1007/s10452-004-5732-0
Tolomeev A.P., Anishchenko O.V., Kravchuk E.S. et al. 2014. Component elements of the carbon cycle in the Middle and Lower Yenisei River // Cont. Probl. Ecol. V. 7. № 4. P. 489. https://doi.org/10.1134/S1995425514040118
Urmy S.S., Warren J.D. 2019. Seasonal changes in the biomass, distribution, and patchiness of zooplankton and fish in four lakes in the Sierra Nevada, California // Freshwater Biol. V. 64. P. 1692. https://doi.org/10.1111/fwb.13362
Yolgina O.E., Tolomeev A.P., Dubovskaya O.P. 2022. Computer processing and analysis of scanned zooplankton samples: guidelines // J. Sib. Fed. Univ. Biol. V. 15 № 1. P. 5. (in Russian).https://doi.org/10.17516/1997-1389-0360
Zadereev Y.S., Tolomeyev A.P. 2007. The vertical distribution of zooplankton in brackish meromictic lake with deep-water chlorophyll maximum // Hydrobiologia. V. 576. P. 69. https://doi.org/10.1007/s10750-006-0294-x
Zadereev E.S., Tolomeyev A.P., Drobotov A.V. et al. 2010. The vertical distribution and abundance of Gammarus lacustris in the pelagic zone of the meromictic lakes Shira and Shunet (Khakassia, Russia) // Aquat. Ecol. V. 44. P. 531. https://doi.org/10.1007/s10452-010-9329-5
Zadereev E.S., Drobotov A.V., Lopatina T.S. et al. 2021. Comparison of rapid methods used to determine the concentration, size structure and species composition of algae // J. Sib. Fed. Univ. Biol. V. 14. № 1. P. 5 (in Russian).https://doi.org/10.17516/1997-1389-0338
Zotina T.A., Tolomeyev A.P., Degermendzhy N.N. 1999. Lake Shira, a Siberian salt lake: ecosystem structure and function. 1. Major physico-chemical and biological features // Int. J. Salt Lake Res. V. 8. P. 211.