Вертикальный перенос азота при слабых возмущениях как драйвер летнего накопления биомассы крупных диатомовых водорослей: модельные исследования

Н. И. Есин, А. В. Фёдоров

Abstract


В летний период в Черном море регистрируется ежегодное цветение крупноклеточных диатомей с высокой концентрацией биомассы. Для объяснения этого явления была проверена следующая гипотеза: периодические небольшие возмущения (вихри в толще воды), повышающие вертикальный перенос элементов питания, способствуют увеличению накопленной биомассы крупных диатомей в летний период. Вычислительные эксперименты на предложенной математической модели показали, что слабые захватывающие слои до 50 м периодические возмущения приводят к накоплению высоких (свыше 2 г/м3) концентраций биомассы крупноклеточных диатомовых водорослей в верхнем перемешанном слое.


Keywords


фитопланктон, вихри, биогеохимия, математическая модель, диатомовые водоросли


Как процитировать материал

References


Список русскоязычной литературы

1. Микаэлян АС, Зацепин АГ, Кубряков АА. Влияние мезомасштабной вихревой динамики на биопродуктивность морских экосистем. Морской гидрофизический журнал. 2020;27(6):590-619.

2. Силкин ВА, Паутова ЛА, Пахомова СВ, Лифанчук АВ, Якушев ЕВ, Часовников ВК. Экологический контроль структуры фитопланктона в северо-восточной части Черного моря. Журнал экспериментальной морской биологии и экологии. 2014;461:267-74.

3. Силкин ВА, Паутова ЛА, Федоров АВ. Годовая динамика фитопланктона Черного моря в зависимости от ветрового воздействия. Инженерные морские науки. 2021;9. DOI:10.3390/jmse9121435.

4. Силкин ВА, Паутова ЛА, Подымов ОИ, Часовников ВК, Лифанчук АВ, Федоров АВ. Фитопланктонная динамика и биогеохимия Черного моря. Инженерные морские науки. 2023;11: DOI:10.3390/jmse11061196.

5. Силкин ВА, Абакумов АА, Есин НИ, Паутова ЛА, Лифанчук АВ, Федоров АВ. Динамика фитопланктона и биогеохимия: модельные исследования. Инженерные морские науки. 2024;12. DOI:10.3390/jmse12010178.

Общий список литературы / Reference List

1. Mikaelyan AS, Zatsepin AG, Kubriakov AA. [Effect of mesoscale vortex dynamics on marine ecosystem productivity]. Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2020;27(6):590-619. (In Russ.)

2. Silkin VA, Pautova LA, Pakhomova SV, Lifanchuk AV, Yakushev EV, Chasovnikov VK. [Environmental control on phytoplankton community structure in the northeastern Black Sea]. Zhurnal Eksperimentalnoy Morskoy Biologii i Ekologii. 2014;461:267-74. (In Russ.)

3. Silkin V, Mikaelyan AS, Pautova L, Fedorov A. [Annual dynamics of phytoplankton in the Black Sea in relation to wind exposure]. Inzhenenernye Morskiye Nauki. 2021;9. DOI:10.3390/jmse9121435. (In Russ.)

4. Silkin VA, Pautova LA, Podymov OI, Chasovnikov VK, Lifanchuk AV, Fedorov AV. [Phytoplankton dynamics and biogeochemistry of the Black Sea]. Inzhenenernye Morskiye Nauki. 2023;11. DOI:10.3390/jmse11061196. (In Russ.)

5. Silkin VA, Abakumov AA, Esin NI, Pautova LA, Lifanchuk AV, Fedorov AV. [Phytoplankton dynamics and biogeochemistry: Model studies]. Inzhenenernye Morskiye Nauki. 2024;12: DOI.10.3390/jmse12010178. (In Russ.)

6. Arkhipkin VS, Gippius FN, Koltermann KP, Surkova GV. Wind waves in the Black Sea: results of a hindcast study. Nat Hazards Earth Syst Sci. 2014;14:2883-97.

7. Barton AD, Pershing AJ, Litchman E, Record NR, Edwards KF, Finkel ZV, Kiørboe T, Ward BA. The biogeography of marine plankton traits. Ecol Lett. 2013;16(4):522-34.

8. Cermeno P, Dutkiewicz S, Harris RP, Follows M, Schofield O, Falkowski PG. The role of nutricline depth in regulating the ocean carbon cycle. Proc Natl Acad Sci USA. 2008;105(49):20344-9.

9. Droop MR. The nutrient status of algal cells in continuous culture. J Mar Biol Assoc UK. 1974;54(4):825-55.

10. Field CB, Behrenfeld MJ, Randerson JT, Falkowski P. Primary production of the biosphere: Integrating terrestrial and oceanic components. Science. 1998;281(5374):237-40.

11. Finkel ZV, Follows MJ, Liefer JD, Brown CM, Benner I, Irwin AJ. Phylogenetic diversity in the macromolecular composition of microalgae. PLoS ONE. 2016;11(5): DOI:10.1371/journal.pone.0155977.

12. Flynn KJ, Kimmance SA, Clark DR, Mitra A, Polimene L, Wilson WH. Modelling the effects of traits and abiotic factors on viral lysis in phytoplankton. Front Mar Sci. 2021;8: DOI:10.3389/fmars.2021.667184.

13. Kiørboe T. A Mechanistic Approach to Plankton Ecology. Princeton: Princeton University Press; 2008.

14. Kiørboe T. How zooplankton feed: Mechanisms, traits and trade-offs. Biol Rev Camb Philos Soc. 2011;86(2):311-39.

15. Legendre L, Rivkin RB, Weinbauer MG, Guidi L, Uitz J. The microbial carbon pump concept: Potential biogeochemical significance in the globally changing ocean. Prog Oceanogr. 2015;134:432-50.

16. Litchman E, de Tezanos Pinto P, Edwards KF, Klausmeier CA, Kremer CT, Thomas MK. Global biogeochemical impacts of phytoplankton: A trait-based perspective. J Ecol. 2015;103(6):1384-96.

17. Litchman E, Klausmeier CA, Yoshiyama K. Contrasting size evolution in marine and freshwater diatoms. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106(8):2665-70.

18. Mikaelyan AS, Mosharov SA, Pautova LA, Fedorov A, Chasovnikov VK, Kubryakov AA. The impact of physical processes on taxonomic composition, distribution and growth of phytoplankton in the open Black Sea. J Mar Syst. 2020;208: DOI:10.1016/j.jmarsys.2020.103368.

19. Mikaelyan AS, Pautova LA, Chasovnikov VK, Mosharov SA, Silkin VA. Alternation of diatoms and coccolithophores in the north-eastern Black Sea: a response to nutrient changes. Hydrobiologia. 2015;755(1):89-105.

20. Raven JA. The role of vacuoles. New Phytol. 1987;106(3):357-422.

21. Redfield AC. On the proportions of organic derivatives in sea water and their relation to the composition of plankton. In: James Johnstone Memorial Volume. Liverpool: Liverpool University Press; 1934. p. 176-92.

22. Sarmiento JL, Gruber N. Ocean biogeochemical dynamics. Princeton: Princeton University Press; 2006.

23. Silkin VA, Pautova LA, Giordano M, Chasovnikov VK, Vostokov SV, Podymov OI, Pakhomova SV, Moskalenko LV. Drivers of phytoplankton blooms in the northeastern Black Sea. Mar Pollut Bull. 2019;138:274-84.

24. Stolte W, Riegman R. A model approach for size-selective competition of marine phytoplankton for fluctuating nitrate and ammonium. J Phycol. 1996;32(5):732-40.

25. Tilman D. Resource competition between planktonic algae: An experimental and theoretical approach. Ecology. 1977;58(2):338-48.

26. Tilman D. Resource competition and community structure. Princeton: Princeton University Press; 1982.

27. Tozzi S, Schofield O, Falkowski P. Historical climate change and ocean turbulence as selective agents for two key phytoplankton functional groups. Mar Ecol Prog Ser. 2004;274:123-32.

28. Verdy A, Follows M, Flierl G. Optimal phytoplankton cell size in an allometric model. Mar Ecol Prog Ser. 2009;379:1-12.

29. Volk T, Hoffert MI. Ocean carbon pumps: Analysis of relative strengths and efficiencies in ocean-driven atmospheric CO2 changes. In: Sundquist ET, Broecker WS, editors. The carbon cycle and atmospheric CO2: Natural variations Archean to present. Washington: American Geophysical Union; 1985. p. 99-110.

30. Ward BA, Dutkiewicz S, Jahn O, Follows MJ. A size-structured food-web model for the global ocean. Limnol Oceanogr. 2012;57(6):1877-1891.




DOI: http://dx.doi.org/10.24855/biosfera.v17i4.1005

© ФОНД НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ "XXI ВЕК"