Природные экосистемы. Влияние неживой природы и человека на экосистему озера Экосистема озеро растения и животные
На Земле возникали озера в результате тектонических сдвигов породы, отступления ледников при таянии или изменения русел рек. К ним можно относить пруды, более мелкие водные образования. Общее у них, то, что это замкнутые экосистемы с тенденцией к исчезновению.
Неважно, является водоем сточным, то есть из которого вытекает вода, или бессточным, экосистема озера постепенно будет трансформироваться в сторону преобладания в ней растительного над животным миром. Затем превратиться в болото и, в конце концов, высохнет и исчезнет. Быстрота такого превращения зависит лишь от величины и глубины водного объекта.
Структура системы и основные факторы влияния
Экосистема озера представляет собой видовую совокупность, существующую в границах водного объекта, и взаимодействующая между собой. Трофическая цепь типичная и состоит из продуцентов – растений и водорослей, консументов – рыбы, рептилии, водоплавающей птицы, некоторые видов животных, а также редуцентов – бактерий, червей и ракообразных.
Схематическая иллюстрация экосистемы озера.
Соленая в озере вода или пресная, влияет только на видовую структуру, в которой преобладают живые организмы, приспособленные к существованию в воде с большим или меньшим содержанием соли.
Главным и определяющим из них – солнце. Вступая во взаимодействие с водой, солнечная энергия изменяет, а именно повышает, температуру последней. Это, в свою очередь, влияет на процесс фотосинтеза, то есть производства кислорода, его содержание и растворимость в воде.
По количеству поступающей солнечной энергии, водную массу озера можно разделить на горизонтальные слои или пласты.
В летний период верхний слой получает максимальное количество солнечной энергии. Он нагревается. Продуценты активно перерабатывают солнечную энергию в кислород. Фауна в верхнем слое играет роль консументов. Это в основном водоплавающие животные и птицы, рептилии, некоторые виды рыб и насекомые.
Следующий пласт воды играет «заградительную» функцию между разными температурными слоями, расположенными над и под ним. Этот слой с максимальной плотностью воды, которая возникает, когда температура ее +4°С. Он сдерживает перемешивание слоев воды озера. Обычно перемешивание происходит весной и осенью. В результате чего происходит обмен кислородом и питательными веществами.
Солнечный свет, доходя до придонного слоя, сильно рассеивается. На дно попадают остатки живых организмов и отходы их жизнедеятельности. Придонный слой населяют редуценты – раки, черви, личинки насекомых, бактерии и микроорганизмы. Очень редки рыбы. Главная их функция переработка органических отходов. Последний этап пищевой цепи, перед началом нового.
На этом этапе и происходит тот сбой, который, в конечном счете ведет к исчезновению озера. Условия существования не позволяют справиться с переработкой отходов полностью. А верхний слой, подпитанный во время перемешивания, увеличивает биомассу. Отходы увеличиваются, а остатки накапливаются. Они превращаются в ил, а затем в торф. Озеро начинает мелеть и исчезать.
Использование человеком
Использование озера человеком можно описать предельно коротко. Человек берет из него воду и пищу, и возвращает неочищенную воду и отходы.
Перед тем как полностью исчезнуть, озеро превращается в болото. Донный ил становится торфом. Торф обладает способностью сохранять влагу. Накапливая ее в период таяния снегов или дождей, он затем отдает ее ручьям и тем поддерживают уровень воды в больших водоемах и в грунтовых водах. Человек добывая торф, как природное топливо или удобрение, проводя мелиоративные работы и осушая болота, изменяет водный режим региона со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Экосистема озера не содержит фосфор, азот и другие вещества, стимулирующие рост растений. Сточные воды промышленных предприятий, сбросы канализационных систем городов, неочищенные бытовые стоки и, главное, вода, сходящая после ливней и таяния снегов с земель, используемых под сельскохозяйственные нужды, содержит эти вещества. А они ускоряют рост и увеличивают количество биомассы, особенно сине-зелёных водорослей.
Тот же эффект при сбросе теплой воды, после охлаждения ею оборудования электростанций. Повышение температуры воды в результате таких сбросов ускоряет рост все тех же водорослей и других растений. Если температура будет слишком велика, то животный мир может вообще погибнуть или произойти сбой в его репродуктивной системе.
Но самое основное – это нарушается ритма весеннего и осеннего перемешивания вод, в результате чего придонные слои не будут получать необходимый запас кислорода.
Еще одна форма использования человеком экосистемы озера – это привнесение в нее живых организмов, ей несвойственных. Иногда это может произойти случайно. Но бывает, что это делается преднамеренно, с целью разведения полезных для человека видов рыб, моллюсков, беспозвоночных и тому подобное.
Эти организмы ведут себя агрессивно по отношению к местным видам флоры и фауны. А с учетом стимулирования их роста и развития человеком, то природная биосистема начинает подвергаться существенным изменениям. Происходит дисбаланс, который может привести к ее полной гибели. Примером могут служить Великие озера в Америке.
Вам будет интересно посмотреть фото и картинки экосистемы озера.
Посмотрите видео: Красивые фото озер, рек и морей.
ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОЗЕР И ОЗЕРНЫХ ЭКОСИСТЕМ
1. Некоторые физические процессы, формирующие структуру вод в озерах
Многие современные методы исследования и моделирования рассматривают озеро как простой "черный ящик" или "хорошо перемешиваемый реактор", где, в процессе исследования, ученые изучают зависимости между биохимическими процессами и физической стратификацией (слоистым строением) в них (Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990).
Пресная вода - уникальное вещество. Наибольшую плотность она имеет при 4оС, что предохраняет от промерзания даже относительно неглубокие водоемы, так как более холодная вода и образующийся затем лед имеют меньшую плотность и "плавают" на поверхности. Такая связь плотности и температуры воды обусловлена особенностями ее молекулярного строения. В результате формируется термически стратифицированный водоем как летом, так и (возможно) зимой (обратная стратификация).
Стратификация озер имеет сезонный цикл. Весной и летом, с повышением температуры воздуха, происходит прогревание озер. При этом поверхностные слои получают больше тепла, чем глубинные. Так как в итоге данного процесса воды поверхностного слоя становятся менее плотными и менее стабильными, возникает стратификация толщи воды. Поскольку весной и летом указанный процесс развивается, глубина прогретого слоя увеличивается; этому способствует конвективное турбулентное перемешивание и молекулярная теплопроводность, ветровое перемешивание и увеличивающиеся температуры воздуха. Образованный таким образом слой называется эпилимнионом, глубина его редко превышает 25 м. В пределах эпилимниона ветровое и конвективное перемешивание распределяет тепло по всей глубине, создавая относительно изотермические условия. По этим причинам эпилимнион часто называют слоем перемешивания (Чеботарев, 1955; Зенин, Белоусова, 1988; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990) .
Ниже эпилимниона температура воды быстро снижается, потому что нижние слои получают значительно меньше солнечного тепла и не подвержены ветровому перемешиванию. Эта область резкого снижения температуры, расположенная над гиполимнионом, называется металимнионом (термоклин - приурочен к глубине, на которой отмечаются наибольшие изменения температуры).
Гиполимнион - включает самые холодные воды и является относительно изотермичным. В этой области температурные изменения в течение всего года минимальны, течения отсутствуют. Термоклин (его толщина обычно 2–5 м) является эффективным барьером для перемешивания вод между эпи– и гиполимнионом из–за резких градиентов температуры. В итоге, озеро в целом представляет собой динамически устойчивую систему.
Осенью, когда температура воздуха снижается, озеро начинает отдавать тепло в атмосферу. При выхолаживании плотность верхних слоев возрастает, и они перемещаются через эпилимнион до глубины равновесия. Неустойчивость такого типа является причиной возникновения течений, которые в конце концов разрушают термоклин и приводят к изотермическим условиям в озере. Следствием этого "переворота" является чрезмерное помутнение воды, вызванное взмучиванием донных отложений, а также увеличение доступности биогенных веществ в эвфотической зоне (в ней интенсивность фотосинтеза превосходит интенсивность дыхания растений); глубина данной зоны (толщина слоя) в разных типах водоемов имеет свои специфические параметры.
В некоторых мелких озерах эпилимнион может быть полностью замещен гиполимнионом (или наоборот), так что озеро становится относительно однородным в течение всего года - наблюдается гомотермия. В таких озерах продолжается непрерывное перемешивание, вызываемое конвекцией и турбулентностью, индуцируемой ветровым воздействием, способствует продолжительной замутненности воды (Чеботарев, 1955; Зенин, Белоусова, 1988; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990).
После того, как достигается однородный профиль температуры, озеро продолжает охлаждаться и конвективные течения достигают дна. Однородность, таким образом, устанавливается и поддерживается до тех пор, пока не будет достигнута температура максимальной плотности воды (отмеченное явление никогда не происходит в озерах, расположенных в теплых климатических зонах). Если температура вод поверхностного слоя ниже 4оС, то аномальные вариации плотности воды от температуры предопределяет, что эти более холодные воды станут менее плотными, приводя к увеличению стабильности, при которой температурный профиль показывает обратную стратификацию. Воды поверхностного слоя в конце концов замерзнут. Однако вследствие того, что этот более холодный слой расположен на поверхности, нижележащие слои будут иметь температуру около 4оС и не замерзнут. Таким образом озеро приобретает ледяной покров. Он образуется только тогда, когда вода озера, промерзающего до определенной глубины, потеряет достаточно тепла. Лед эффективно защищает водные массы от ветрового перемешивания.
Весной, когда количество тепла увеличивается, лед тает (если он был, конечно). Поскольку поверхность озера нагревается, вновь возникает неустойчивый профиль температуры, однако последующие весенние конвективные движения проникают на меньшую по сравнению с осенью глубину. Спустя некоторое время, в период, примерно соответствующий весеннему равноденствию, водные массы вновь становятся однородными по температуре. Этому моменту соответствует последний этап полного годового цикла стратификации (Чеботарев, 1955; Зенин, Белоусова, 1988; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990).
Озера, где наблюдаются осенние и весенние конвективные перемешивания вод называются димиктичными. Озера, где отмечается только весеннее перемешивание вод и температура воды никогда не превышает 4оС, называют холодными мономиктичными (в теплых климатических зонах, где вода всегда превышает 4оС - озера являются теплыми мономиктичными).
Перемешивание вод в озерах является, таким образом, функцией (следствием) места их расположения. В тропической и экваториальной областях, где поступление солнечного тепла почти не изменяется в течение года, гиполимнион редко намного холоднее эпилимниона; поэтому даже небольшое выхолаживание вызывает конвективные движения воды из–за слабовыраженного термоклина. Такие озера называют полимиктичными (перемешивание вод здесь часто является результатом сильных ветров и небольших сезонных изменений температуры воздуха). Есть и другие типы озер (Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990), которые не приводим и не рассматриваем.
2. Основные источники поступления биогенов в озера
Пресные озера (водохранилища) содержат 0,009% мировых запасов воды и 1,4% запасов пресной воды. В последние столетия, пресноводные озера и водохранилища деградируют и исчезают со все более увеличивающейся скоростью. Деятельность человека и его пассивность - главные причины быстрой деградации водоемов. Начиная с 1960–х годов взгляды человека на отношение к окружающей природной среде постепенно меняются. Сейчас уже признается всеми, что природные ресурсы истощаемы и их необходимо оберегать от чрезмерной эксплуатации.
Все озера по их состоянию воды, флоры и фауны подразделяются на несколько групп: олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные и другие (Одум, 1975; Дрё, 1976; Риклефс, 1979; Биологический словарь, 1986; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990; Христофорова, 1999). Но следует иметь ввиду, что эта классификация является одновременно и субъективной и относительной, поскольку категория "трофность" включает локальные требования и отражает различие озер в относительно небольших регионах (Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990).
Главная проблема озер - эвтрофирование. Это повышение уровня первичной продукции за счет увеличения поступления биогенных веществ, главным образом азота и фосфора. Переход водоемов от олиготрофного состояния через мезотрофное в эвтрофное связан с накоплением в них донных отложений и уменьшением водной толщи, в которой при прежней скорости поступления биогенов увеличивается их концентрация. Различают естественное (длится тысячелетиями и, даже, геологическими периодами) и антропогенное эвтрофирование, которое может происходить очень быстро, особенно в водоемах с замедленным стоком.
По существу, эвтрофирование - это термин, означающий старение озера. "Молодое" озеро - олиготрофное, содержит небольшое количество биогенных веществ, которое способно поддерживать только низкий уровень биомассы. Природные процессы, такие, как ветровая эрозия или вымывание дождевыми водами, обеспечивают вынос биогенных веществ в водную среду, что поддерживает развитие растений и животных.
Поступление биогенных веществ в водоем всегда превышает их потери из него, что приводит к "чистому" накоплению этих веществ в водоеме. В нем начинается образование осадков, обычно со средней скоростью 0,2–2,0 мм/год и более. По мере развития осадконакопления глубина озера уменьшается и корневая (литоральная) растительность начинает вторгаться на ранее открытые участки водной поверхности. Озеро проходит через среднюю стадию - становится мезотрофным и в конце концов становится "старым" водоемом, который называют эвтрофным. В геологическом смысле подобное озеро вскоре исчезнет.
В проточных (реках, ручьях) и слабопроточных водоемах с замедленным стоком (озера, водохранилища, пруды, внутренние моря) скорость поступления биогенных веществ может превышать скорость их разложения в результате дополнительного антропогенного поступления, приводя к эвтрофированию и увеличению биомассы.
Большая часть биогенных веществ поступает в озеро с поверхностным и подземными стоками (реки, ручьи, ключи и т. д.), а остальная часть - непосредственно с осадками и выпадением различных частиц из атмосферы. Поэтому важно понять взаимодействие между водой и биогенными веществами на водосборных территориях. Доступность биогенных веществ в озерах и их потребление регулируется некоторыми гидрологическими процессами, а также биологическими факторами (Одум, 1975; Дрё, 1976; Риклефс, 1979; Биологический словарь, 1986; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990; Христофорова, 1999).
В экосистеме, лимитированной по фосфору, снижение его концентрации приводит к ограничению роста растений и водорослей. В таких условиях процесс эвтрофикации замедляется и даже становится обратимым.
Системы, лимитированные по азоту, часто представляют собой более серьезную проблему в сравнении с водоемами, лимитируемыми по фосфору, поскольку источники этого биогенного элемента труднее контролировать.
Присутствие в воде озер кремния вызывает особый интерес, так как он необходим для развития диатомовых водорослей, популяция которых достигает, как правило, максимума весной. Когда количество кремния истощается, наступает быстрое снижение или "гибель" популяции диатомовых. Диоксид кремния существенен для построения панцырей диатомовых водорослей. Летом после отмирания диатомовых кремний медленно переходит обратно в воду, хотя определенная его часть захороняется в донных илах.
Окислительно–восстановительный цикл железа является важнейшим компонентом биохимии озер, так как он связан с окислительно–восстановительным потенциалом (редокс–потенциалом) и рН водной среды.
Марганец - это очень важный биогенный элемент, однако редкий, даже если он и является лимитирующим. Работы по изучению форм нахождения марганца идентифицируют два основных источника его поступления: с водами притоков в озера и выделением из донных отложений.
Донные отложения в водоемах формируются из двух основных источников: 1 - внос аллохтонного вещества (внешнего по отношению к озерной системе) обеспечивает поступление в водоем неорганических частиц и некоторых органических веществ (дождливая погода увеличивает перенос наносов и эрозию); 2 - "дождь" отмершего органического вещества из водных масс озера (это второй по значению вклад в донные отложения).
В озерах имеет место постоянный обмен биогенными веществами между донными отложениями и прилегающей к ним водой, который в своей основе является диффузным процессом. Этот процесс может быть усилен или дополнен другими факторами (Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990): турбулентностью (физические нарушения и вымывание донных отложений), биотурбулентностью (вызывается биологическими силами - воздействием роющих организмов, червей, рыб, птиц и др.), биотическим удалением (рост растений из донных отложений), уплотнением (биогенные вещества выдавливаются через поры с водой), окислительно–восстановительным потенциалом (например, обогащенные железом отложения, имеют свойство адсорбировать фосфор в аэробных и выделять его в анаэробных условиях) и биологическим окислением (разложение органического вещества бактериями, которые трансформируют биогенные вещества в неорганическую биологически доступную форму).
3. Функционирование экосистемы озера, расположенного в умеренном поясе
Физическая среда, или биотоп вместе с населяющими его видами, составляющими биоценоз, образует экосистему (биогеоценоз). Водные системы (реки, озера, моря и т. д.) - представляют собой хорошие примеры экосистем, т. к. они имеют совершенно четкие границы и населены водными обитателями, не способными жить на соседней суше. Водные системы очень удобны для изучения и потому, что между ними и сушей, как правило, наблюдается слабый обмен (Одум, 1975; Дрё, 1976; Риклефс, 1979; Биологический словарь, 1986; Зенин, Белоусова, 1988; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990; Христофорова, 1999).
Прежде, чем перейти к изложению материалов о нагульно–нерестовых водоемах тихоокеанских лососей, рассмотрим пример экосистемы - озера, расположенного в умеренном поясе (Дрё, 1976), к каковым относится большинство озер в рассматриваемых нами регионах.
В состав флоры озерных систем входят ряд водных растений, относящихся к разным группам цветковых, одни из которых растут на берегу, другие - в воде. Но основная часть растительной массы в озерах преставлена микроскопическими водорослями - диатомовыми (Bacilariophyta), синезелеными (Cyanophyta), зелеными (Chlorophyta), золотистыми (Chrysophyta), динофитовыми (Dinophyta) и др. Все эти растения благодаря энергии солнечного света, легко проникающего на определенную глубину (в разных озерах - она может различаться), поглощают минеральные соли и углекислый газ, растворенные в воде, и синтезируют из них собственное вещество, растут и размножаются.
Все растения: травы и крупные водоросли прибрежной зоны, а также микроскопические водоросли, парящие в толще воды - фитопланктон, и растущие на освещенных участках дна - микрофитобентос, в совокупности, называются первичными продуцентами. Ими производится подавляющая часть органического вещества в водоемах. Только растения, из всего содержащегося или обитающего в водных системах, создают органическое вещество за счет неорганического при участии солнечной энергии. В целом масса взвешенных в воде микроскопических водорослей приблизительно соответствует общей концентрации растворенных в воде солей, достигающей максимума весной и осенью (Одум, 1975; Дрё, 1976; Риклефс, 1979; Биологический словарь, 1986; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990; Христофорова, 1999).
Биогенные вещества - это компоненты, которые первичные продуценты утилизируют для жизнедеятельности и размножения. Рост водорослей основан на потреблении, по крайней мере, 19 биогенных элементов, хотя большая их часть требуется в следовых количествах.
В дополнение к трем основным жизненно важным компонентам (углерод, водород и кислород) первичным продуцентам требуются и другие биогенные вещества в сравнительно больших количествах. Среди них макроэлементы (натрий, кальций, фосфор, магний, кремний, азот, фосфор и сера).
Остальные элементы требуются в меньших количествах и называются микроэлементами (медь, железо, цинк, хлор, бор, молибден, кобальт, ванадий, марганец). Недостаток любого из этих элементов лимитирует развитие первичных продуцентов. В большей части водных систем такими лимитирующими биогенными элементами является - фосфор; либо, в меньшей степени, - азот (Одум, 1975; Дрё, 1976; Риклефс, 1979; Биологический словарь, 1986; Хендерсон–Селлерс, Маркленд, 1990; Христофорова, 1999).
Фитопланктоном питаются очень многие животные, чаще всего мелкие, неспособные к большим и быстрым передвижениям. Они, также как и организмы фитопланктона, не способны противостоять переносу течениями. В совокупности, мелкие животные в озерах - образуют зоопланктон. Это в основном веслоногие (Copepoda) и ветвистоусые (Cladocera) рачки, первичнополостные черви - коловратки (Rotatoria); сюда же входят мелкие личинки ряда видов насекомых, например комаров.
Следует заметить, что отдельные виды рыб также используют в питании фитопланктон. Животные, питающиеся фитопланктоном, - это первичные консументы т. к. они используют уже готовое органическое вещество, ограничиваясь его преобразованием; но создать заново органическое вещество они не способны.
Самые мелкие из первичных консументов (Copepoda, Cladocera и Rotatoria и др.), появляются в огромных количествах обычно тогда, когда много пищи; следовательно в своем развитии они вцело следуют за развитием фитопланктона. Напротив рыбы, питающиеся фитопланктоном, но обладающие значительной продолжительностью жизни, способны подолгу голодать или менять объекты питания.Зоопланктон, в свою очередь, служит пищей более крупным животным (личинки насекомых, многие виды рыб, некоторые виды птиц). Всех таких плотоядных животных, т. е. питающихся другими животными, называют вторичными консументами. Отсюда видно, что живые существа, относящиеся к различным систематическим группам, могут играть в экосистемах одинаковую роль - все они принадлежат к одному пищевому, или, как чаще говорят, трофическому уровню. Трофические уровни связаны между собой зависимостями, складывающихся из элементарных связей в виде цепочки - все они вместе образуют так называемую пищевую цепь, звенья которой зависят друг от друга: исчезновение фитопланктона приводит к исчезновению зоопланктона, а значит и вторичных консументов (рисунок).
Описанная выше пищевая цепь играет в озерах доминирующую роль. Но помимо нее, в озерах существует немало других пищевых цепей. Например, на прибрежных растениях, наполовину находящихся под водой, на их надводных частях живут насекомые–фитофаги, питающиеся листьями. За счет этих насекомых, в свою очередь, кормятся птицы. Подводные части растений обгладывают водные насекомые и их личинки (например, жуки–водолюбы), а также брюхоногие моллюски типа прудовиков и катушек.
Растительная пища далеко не полно переваривается первичными консументами. В экскрементах последних содержится еще много растительных органических веществ, особенно легко усвояемых благодаря тому, что они размельчены в пищеварительном канале. Ими питается большое число видов, среди которых в основном преобладают равноногие ракообразные (называемые в обиходе червями). Пройдя через их пищеварительный канал, остатки органической пищи становятся добычей бактерий, которые окончательно разлагают их до минеральных солей и углекислого газа, вновь используемых растениями. Отсюда видно, что в природе существуют также пищевые цепи деструкторов, которые полностью разлагают органическое вещество.
Понятие пищевой цепи удобно для изложения, оно соответствует в отдельных случаях и реально наблюдаемым явлениям, но в целом носит несколько упрощенный характер. Точнее было бы говорить об очень сложной трофической сети, объединяющей все виды, обитающие в озерах, и охватывающие все совершающиеся в них обменные процессы.
Таким образом, непрерывный поток материи и энергии постоянно пронизывает экосистему. Если экосистема стабильна, то ее можно сравнить с большой трубой, в один конец которой поступают минеральные соли и солнечная энергия, а из другого выходит живое вещество. Последнее может быть использовано внешними хищниками, например человеком, который, вылавливая из озера рыбу и поедая ее, составляет последнее звено пищевой сети. Человек в данном случае играет роль третичного или четвертичного консумента, но не будем упускать из вида, что собирая кресс–салат на берегах озера по примеру многих других организмов, он может быть и первичным консументом (Дрё, 1976).
В нерковых озерах основным источником "нового" органического вещества является фитопланктон.
Литература
Бугаев В.Ф., Кириченко В.Е. 2008. Нагульно-нерестовые озера азиатской нерки (включая некоторые другие водоемы ареала) // Петропавловск-Камчатский: Изд-во "Камчатпресс". - 280 с.
На фото: колониальная водоросль - Cфероносток сливовидный Sphaeronostoc priniforme. На Камчатке известен из оз. Налычевского и мелководных озер в бассейне р. Правый Кихчик (фото Д. Гимельбранта)
Водной называется экосистема, для которой естественной средой обитания является вода. Именно она определяет уникальность той или иной экосистемы, видовое разнообразие и ее устойчивость.
Главные факторы, которые влияют на водную экосистему:
- Температура воды
- Ее химический состав
- Количество солей в воде
- Прозрачность воды
- Концентрация в воде кислорода
- Доступность питательных веществ.
Компоненты водной экосистемы делятся на два вида: абиотические (вода, свет, давление, температура, состав почвы дня, состав воды) и биотеческие. Биотика, в свою очередь, разделяется на следующие подвиды:
Продуценты — организмы, производящие органические вещества с помощью солнца, воды и энергии. В водных экосистемах продуцентами являются водоросли, в мелководных водоемах — прибрежные растения.
Редуценты — организмы, потребляющие органику. Это разнообразные виды морских животных, птиц, рыб, земноводных.
Основные типы водных экосистем
В экологии водные экосистемы принято разделять на пресноводные и морские. В основе этого деления лежит показатель солености воды. Если в литре воды содержится более 35% солей — это морские экосистемы.
К морским относятся океаны, моря, соленые озера. К пресноводным — реки, озера, болота, пруды.
Еще одна классификация водных экосистем базируется на таком признаке, как условия создания. Здесь выделяют природные и искусственные. Природные созданы при участии сил природы: моря, озера, реки, болота. Искусственные водные экосистемы создает человек: искусственные пруды, водохранилища, дамбы, каналы, водные фермы.
Естественные водные экосистемы
Пресноводные экосистемы
Пресноводные экосистемы — это реки, озера, болота, пруды. Все они занимают лишь 0,8% поверхности нашей планеты. Хотя в пресных водоемах обитает более 40% известных науке рыб, пресноводные экосистемы все равно значительно уступают в видовом разнообразии морским.
Главным критерием отличия пресноводных водоемов является скорость течения воды. В этой связи выделяют стоячие и проточные. К стоячим относятся болота, озера и пруды. К проточным — реки и ручьи.
Для стоячих водных экосистем характерна ярко выраженное распределение биотических организмов в зависимости от слоя воды:
В верхнем слое (литорали) главным компонентом является планктон и прибрежные заросли растений. Это царство насекомых, личинок, здесь обитают черепахи, амфибии, водоплавающие птицы, млекопитающие. Верхний слой водоемов является охотничьими угодьями для цапель, журавлей, фламинго, крокодилов, змей.
Средний слой водоема называется профундаль. Он получает намного меньше солнечного света, а питанием служат вещества, оседающие их верхнего слоя воды. Здесь обитают хищные рыбы.
Нижний слой воды называется бенталь. Огромную роль играет состав почвы, ила. Это место обитания придонных рыб, личинок, моллюсков, ракообразных.
Морские экосистемы
Самой большой морской экосистемой является Мировой океан. Он подразделяется на более мелкие: океаны, моря, соленые озера. Все они занимают свыше 70% поверхности нашей планеты и являются важнейшей составляющей частью гидросферы Земли.
В морских экосистемах главным компонентом, продуцирующим кислород и питательные вещества, является фитопланктон. Он формируется в верхнем слое воды и под действием солнечной энергии вырабатывает питательные вещества, которые потом оседают в более глубокие слои водоема и служат питанием для остальных организмов.
Большие морские экосистемы — это океаны. В открытом океане видовое разнообразие невелико по сравнению с прибрежными зонами. Основная масса живых организмов сосредоточена на глубинах до 100 метров: это различные виды рыб, моллюсков, кораллы, млекопитающие. В прибрежных зонах морских экосистем видовое разнообразие дополняется многочисленными видами морских животных, амфибий, птиц.
В прибрежных зонах морских экосистем выделяют более мелкие (по территории): мангровые болота, шельфы, лиманы, лагуны, солончаки, коралловые рифы.
Места на побережье, где морская вода смешивается с пресной (устья рек), называются эстуариями. Видовое разнообразие здесь достигается максимума.
Все морские экосистемы весьма устойчивы, способны сопротивляться вмешательству человека и быстро восстанавливаются после антропогенного влияния.
Искусственные водные экосистемы
Все искусственные водные экосистемы созданы человеком для удовлетворения собственных нужд. Это разнообразные пруды, каналы, заводи, водохранилища. К более мелким относят океанариумы, аквариумы.
Для искусственных водных экосистем характерны следующие черты:
- Малое количество видов растений и животных
- Сильная зависимость от деятельности человека
- Неустойчивость экосистемы, так как ее жизнеспособность зависит от влияния человека.
2. Особенности абиотических элементов экосистем озер и водохранилищ
Примерно до 70-х годов XX столетия в лимнологических исследованиях не уделялось серьезного внимания принципиальным различиям между водохранилищами и озерами. Достаточно отметить, что классик современной лимнологии Д.Хатчинсон относил водохранилища к одному из типов озер [Хатчинсон, 1963]. Рост количества водохранилищ в мире в середине столетия, актуальность оценки их экологического состояния в связи с задачей сохранения высокого качества воды в источниках хозяйственного водоснабжения стимулировали углубленные лимнологические исследования этих водных объектов. В результате этих исследований были установлены существенные различия в функционировании экосистем водохранилищ по сравнению с экосистемами озер . Причиной этих различий выступают, главным образом, абиотические компоненты экосистем. И хотя процессы, определяющие круговорот вещества и энергии в озерах и водохранилищах, имеют одинаковую природу, их пространственно-временная изменчивость и интенсивность могут существенно варьировать в зависимости от особенностей этих водных объектов.
Любой конкретный водоем обладает индивидуальными особенностями, которые могут не охватывать всего многообразия процессов, встречающихся, а часто и доминирующих в данном типе водного объекта. При сравнении озер и водохранилищ важно показать, что тот или иной процесс, тот или иной фактор чаще наблюдается в данном водном объекте, по сравнению с другим. Иначе говоря, средние значения характеристик, оказывающих влияние на функционирование экосистем этих типов внутренних водоемов, имеют существенные различия.
Теоретически бесконечное разнообразие абиотических элементов экосистем водоемов суши обусловлено сочетанием трех основных факторов: географо-гидрографическим положением водоема, формой и размером его чаши и антропогенным воздействием. Взаимодействие этих трех главных факторов определяет гидрологический режим водоема с его водной, радиационно-термической, седиментологической и гидрохимической составляющими. Взаимосвязь перечисленных факторов с отдельными элементами гидролого-гидрохимического режима может быть представлена в виде схемы, показанной на рис.2.1.
Рис.2.1. Факторы, определяющие функционирование экосистем водоемов.
Эта схема одинаково применима как к озерам, так и к водохранилищам. Исключение составляет выделенная на схеме связь антропогенного воздействия и гидрологического режима водохранилищ. Для озер, если не считать сравнительно незначительного влияния отбора воды и сброса сточных вод на гидрологический режим озера, это воздействие практически отсутствует. Для водохранилищ, как объектов, создающихся с целью регулирования стока, управление водным режимом имеет принципиальное значение в формировании гидрологического режима и функционирования экосистемы.
Каждый из этих факторов по разному проявляется в озерах и водохранилищах. Их сложная комбинация приводит к формированию существенных особенностей абиотических элементов экосистем и, тем самым, особенностей их функционирования в этих двух классах сравниваемых водных объектах – озерах и водохранилищах.
Учитывая, что важнейшей характеристикой любой экосистемы выступает ее первичная продуктивность, комплекс представленных на схеме факторов целесообразно разделить на группы внешних влияний, прямо или косвенно определяющих процессы первичного продуцирования органического вещества в водоеме. К таким группам мы относим
энергетические факторы (поглощенная экосистемой солнечная радиация, температура воды),
гидролого-морфологические (гидрологический режим и морфометрические характеристики водоема),
гидрохимические (биогенное питание фитопланктона).
Факторы первой из этих групп характеризуются ярко выраженной географической зональностью и внутригодовой изменчивостью. Влияние гидрологического режима и размеров водоема на продуктивность опосредовано большим числом динамических и термических процессов, поэтому его роль возможно выделить в чистом виде лишь путем математического моделирования функционирования экосистем. Гидрохимические и, особенно, морфологические факторы – азональны и должны рассматриваться вне зависимости от географического местоположения водоема. Проведенные по данным наблюдений на водоемах мира оценки продуктивности континентальных водоемов показывают ведущую роль энергетических факторов, которые определяют более 70% изменчивости величин продуктивности озер и водохранилищ мира . Поэтому вполне правомерно говорить о зональности продуктивности водоемов. Это, в свою очередь, определяет необходимость различных подходов к оценкам трофического состояния и процесса эвтрофирования водоемов, расположенных в различных географических зонах.
При сравнении озер и водохранилищ чрезвычайно важное значение имеет генетическое разнообразие этих объектов. Широкое разнообразие озер земного шара обусловлено происхождением озерных котловин, с которым тесно связаны их размеры и форма, а, следовательно, и определенные черты режима. По известной классификации М.А.Первухина , все озера подразделяются на плотинные и котловинные. В количественном отношении явно преобладают котловинные озера. Среди котловинных озер наиболее многочисленны озера ледникового происхождения, которые в свою очередь подразделяются на эрозионные и аккумулятивные. К областям крупных сдвигов земной коры обычно приурочены озера тектонического происхождения, среди которых глубочайшие озера мира – Байкал и Танганьика. Водно-эрозионные и водно-аккумулятивные озера преобладают в долинах и дельтах рек, вблизи морских побережий. Провальные и вулканические озера сравнительно немногочисленны.
Даже приблизительное количество озер на земном шаре определить практически невозможно. По известным оценкам Р.Ветцеля , всего в мире примерно 10 млн. озер, занимающих около 1% земной поверхности . Однако, не вызывает сомнения, что самая многочисленная группа озер – озера ледникового происхождения. В Швеции среди десятков тысяч озер – около 97% - озера ледникового происхождения. Такое соотношение характерно и для Севера США, Финляндии, Карелии – тех мест, где прошло оледенение. Наиболее полный современный банк данных об озерах мира, включающий более 40 тыс. озер различных континентов, собран С.В.Рянжиным [Рянжин, Ульянова, 2000].
Разнообразие типов водохранилищ значительно меньше, поскольку их генезис, в большинстве случаев, определяется возведением плотины в долине реки. В основу наиболее обоснованной и строгой классификации водохранилищ, предложенной К.К.Эдельштейном положен тот же принцип, что и для озер. Согласно этой классификации все водохранилища подразделяются на три типа: долинные, котловинные и смешанные. По самому обширному из опубликованных перечней водохранилищ мира [Авакян и др., 1987] 75% всех водохранилищ относятся к долинному типу. Именно эти водохранилища мы будем рассматривать при сравнении особенностей экосистем озер и водохранилищ. Преобладающие среди котловинных водохранилищ озерно-котловинные водохранилища образуются при сооружении гидроузла в истоке реки, вытекающей из озера, и по сравниваемым характеристикам очень близки к озерам.
С генезисом озер тесно связан их возраст, имеющий определяющее значение в формировании и функционировании экосистемы не только на протяжении веков, но и в настоящее время. Возраст озер определяется геологическими периодами времени, даже самые молодые озера насчитывают десятки тысяч лет (если не принимать во внимание возникающие в эрозионных котловинах речных долин небольшие озера и термокарстовые тундровые озера). Водохранилища - молодые водоемы. Хотя известны водохранилища, построенные еще в древнейшие времена , интенсивное строительство водохранилищ началось в ХХ веке и лишь к середине столетия эти водные объекты стали обычным элементом большинства природных ландшафтов. Наиболее интенсивное строительство водохранилищ во всех странах наблюдалось в период между 1950 и 1970 годами. Для иллюстрации можно привести графики увеличения количества водохранилищ в индустриально развитых Сев. Америке и Европе в прошедшем столетии.
Рис. 2.2. Рост числа водохранилищ в Сев. Америке и Европе в 20 веке. (По [Водохранилища…, 1979]).
К концу столетия темпы строительства водохранилищ замедлились, что связано в большей степени с завершением регулирования рек в индустриально развитых странах и созданием комплексов водоснабжения в крупных урбанизированных районах мира (Волга, Днепр, Теннесси). В то же время в некоторых развивающихся странах, особенно в регионах засушливого климата (Бразилия, некоторые страны Африки, Азии) темпы строительства водохранилищ даже возросли, поскольку хозяйственное развитие этих регионов тесно связано с необходимостью гарантированного обеспечения населения, сельского хозяйства и промышленности водой.
2.1. Географическое распределение озер и водохранилищ на земном шаре.
Распределение озер на земном шаре тесно связано с их происхождением. Главной чертой этого распределения выступает максимум количества озер в поясе ледниковой деятельности северного полушария. По выборке из 2300 естественных озер Р.Шуллинг построил график широтного распределения количества озер на земном шаре, имеющий тримодальный вид. Трудно определить насколько репрезентативна выборка Шуллинга, но в целом представленное распределение вполне соответствует распределению климатических и геологических факторов их генезиса. Все три пика на графике Шуллинга соответствуют районам земного шара богатых водными ресурсами. Это можно считать главной особенностью распределения озер на земном шаре, большинство из которых сосредоточены во влажных районах. По оценкам В.Левиса , в умеренных широтах сосредоточено 90% озер мира. В тропических широтах доминируют пойменные озера в бассейнах крупнейших рек тропического пояса и небольшие прибрежные озера. Некоторые известные озерные районы семиаридного климата (озера Кулундинской степи, озера Прикаспия, озера Флориды) обусловленные особенностями рельефа можно считать исключением из этой общей закономерности.
Распределение водохранилищ на земном шаре определяют цели их создания. Интенсивное строительство водохранилищ ведется в регионах, развитых в хозяйственном отношении, с высокой плотностью населения (выработка электроэнергии, водный транспорт, борьба с наводнениями) и в регионах с явно выраженным дефицитом водных ресурсов (промышленное и коммунальное водоснабжение, ирригация). В развитых и развивающихся странах семиаридного климата количество построенных водохранилищ достигает десятков тысяч (Испания, Бразилия).
Иллюстрацией этого положения представляются графики распределения по широтам озер и водохранилищ в США и на Европейской территории России. Распределение озер и водохранилищ по широте в Европейской части России показано на рис.2.3.
Рис. 2.3. Распределение озер и водохранилищ по широте на Европейской территории России
А – количество (на 10 тыс. кв. км), Б – суммарная площадь, км 2 (темные столбики – водохранилища, светлые столбики – озера)
График построен по данным «Кадастра водохранилищ СССР» [Кадастр…, 1988] и справочным данным рек и озер СССР [Доманицкий и др., 1971]. Помимо количества водных объектов на графике представлена величина суммарной площади водной поверхности озер и водохранилищ в соответствующих широтных поясах. Распределение озер и водохранилищ на Европейской территории России имеет ярко выраженную противоположную направленность. Северный максимум озер обусловлен широким распространением небольших тундровых озер на этих широтах. Максимум по площади расположен несколько южнее и связан с ледниковыми озерами Северо-Запада. В распределении водохранилищ максимум как в количестве, так и в суммарной площади относится к широтам, соответствующим Черноземной полосе ЕТ России и югу России, где по сравнению с северными регионами значительно более высокая плотность населения и развитое сельское хозяйство. Это подтверждает преобладание экономико-географических причин в закономерностях распределения водохранилищ.
Для США подобный график построен К.Торнтоном по выборке из 309 естественных озер и 109 водохранилищ (рис. 2.4). Этот график показывает максимум в распределении озер в ледниковом районе (севернее 40 градусов северной широты), а максимум водохранилищ находится существенно южнее.
Рис. 2.4. Распределение водохранилищ (темные столбики) и озер (светлые столбики) по широтам в США (по К.Торнтону ).
Большинство водохранилищ США сосредоточено в центральном, юго-восточном и восточном районах, районах интенсивного развития сельского хозяйства и напряженного водохозяйственного баланса.
Uеографическое распределение озер и водохранилищ и на земном шаре в целом проявляет противоположную тенденцию. Это обусловило доминирование различных типов ландшафта и влияния различных географических факторов на гидроэкологический режим этих водных объектов.
Различия в климатических характеристиках озер и водохранилищ полностью связаны с разницей в их географическом положении. Для водохранилищ, доминирующих в полуаридном климате, характерно преобладание испарения над осадками. Высокое испарение ведет к прямым потерям воды, например водохранилище Собриньо на Северо-востоке Бразилии ежегодно теряет около 2 км 3 воды. . Однако, несмотря на это, создание водохранилищ в этих регионах часто выступает едва ли не единственной возможностью увеличения водных ресурсов за счет регулирования крайне неравномерного во времени речного стока. Большинство же озер расположено во влажных районах с превышением осадков над испарением. Интересный аспект климатических различий отмечен в работе К.Торнтона, который показал, что в районах США, где сосредоточено большинство водохранилищ, более активна циклоническая деятельность и связанный с ней ветровой режим .
Важнейшим следствием различий в географическом распределении озер и водохранилищ выступают особенности их водосборов. Именно через водосбор, посредством речного и склонового стока, проявляется, главным образом, как природное, так и антропогенное влияние на экосистему водоема. Степень этого влияния зависит от величины внешнего водообмена водоема. В водохранилищах практически всегда доминирует горизонтальная (речная) составляющая внешнего водообмена. Они характеризуются значительно большими величинами коэффициента водообмена. В широко использующемся в лимнологической литературе понятии «отклик экосистемы на внешнее воздействие» основной смысл связан с воздействием на водоем в виде речного притока с водосбора. Рассмотрение водоема и водосбора как единой системы стало отличительной чертой современных комплексных лимнологических исследований [Драбкова, Сорокин, 1979, Изменения…, 1983].
Различия водосборов озер и водохранилищ проявляются в ландшафтных особенностях и в форме водосборной площади. Размер и форма водосборов определяет характер пространственного распределения внешней нагрузки на водоем, существенно зависящий от положения водоема в бассейне. Водосбор водохранилищ обычно узкий и удлиненный, завершающийся водоемом, в отличие от водосбора озер – кругового с водоемом в центре. Важной количественной характеристикой водосбора выступает его удельная величина, представляющая отношение площади водосбора к площади водоема, которая наряду с климатическими характеристиками определяет структуру водного баланса водоема.
Для водохранилищ площадь водосбора определяется выбором местоположения створа плотины в том или ином месте речной сети. Сравнительный анализ распределения относительного числа долинных водохранилищ и озер с различными размерами удельного водосбора, проведенный К.К.Эдельштейном по выборке из 852 водоемов [Эдельштейн, 1991], показал, что почти треть из рассмотренных им озер имеют удельный водосбор менее 20, в то же время для 90% долинных водохранилищ эта величина более 20. По этому показателю различия озер и водохранилищ проявляются весьма отчетливо: удельные водосборы водохранилищ в среднем намного превышают удельные водосборы озер. Следует отметить, что в отличие от ландшафтных характеристик, форма водосборов и их удельная величина относятся к азональным факторам. Ландшафтные особенности водосборов связаны с описанными выше различиями в их географическом распределении и проявляются в особенностях формирования водного, химического стока и стока взвешенных веществ.
2.2. Морфологические различия чаши озер и водохранилищ
Строение чаши водоемов оказывают глубокое влияние на внутриводоемные процессы, определяя особенности процессов внутреннего водообмена и связанного с ним круговорота химических веществ.
Особенности котловин озер и долинных водохранилищ определяется их различным генезисом. Чаши долинных водохранилищ формируются в речной долине, но несмотря на большое разнообразие типов речных долин, обусловленное геоморфологическими особенностями отдельных регионов суши, имеют общие закономерности. Долинные водохранилища характеризуются большой удлиненностью и гетероморфностью строения котловины, которая всегда асимметрична с максимальной глубиной у плотины. Размеры и емкость долинных водохранилищ существенно зависят от выбора створа плотины в речной системе и высоты плотины, что проявляется в эмпирической связи между площадью акватории и емкостью долинных водохранилищ.
Озера отличаются значительно большим разнообразием строения котловины, связанным с разнообразием их генезиза. Однако общей чертой строения их котловин можно считать положение максимальной глубины вблизи центра озера.
Морфометрические характеристики размера чаш озер и водохранилищ варьируют в значительных пределах и не имеют принципиальных различий. Особенности строения их чаши проявляются в существенных различиях некоторых относительных морфометрических показателей и в геометрическом моделировании формы котловины. Водохранилища отличаются от озер значительно меньшим размахом колебаний средней глубины, т.е. отношением объема к площади (W/F), большей удлиненностью (l = L/B ср), где L – длина водоема, Bср – средняя его ширина. При этом в морфометрически сложных долинных водохранилищах эти различия усиливаются.
Для оценки влияния строения чаши водоема на особенности функционирования экосистемы и процессы эвтрофирования важной морфометрической характеристикой водоемов представляется форма ложа. Два крайних типа этой формы имеют вид V- образного и U- образного сечения. Значение этой характеристики обусловлено особой значимостью в эвтрофировании процессов массообмена на границе вода-дно водоема.
Для каждого выделенного в водоеме горизонтального слоя площадь зоны контакта вода-дно зависит формы ложа. Влияние донных отложений на этот слой определяется отношением поверхности дна в этом выделенном слое к объему слоя. Это отношение, названное Имбоуденом «Функцией взаимодействия поверхности дна» можно выразить следующим образом:
(1)
где F – площадь водоема на глубина h , W – объем
Изменение концентрации какого-либо химического вещества в водоеме под влиянием его потока из донных отложений или наоборот из воды в донные отложения определяется как
C – концентрация вещества, S - поток вещества из донных отложений.
Разделив обе части на DW и, учитывая выражение (1), получаем
Таким образом, скорость изменения концентрации веществ в водоеме под влиянием донных отложений определяется интенсивностью потока вещества и параметром а , характеризующим морфометрические особенности водоема. В глубоководных частях водоемов V- образной формы величина а значительно меньше, чем в глубоководных частях водоемов с U- образной формы, поэтому при прочих равных условиях влияние донных отложений на химический состав вод водоема в последних будет больше.
Площадь зоны контакта вода-дно имеет исключительно важное значение также и для кислородного режима водоема вследствие высокой активности процессов минерализации органического вещества на поверхности донных отложений. В мелких водоемах быстрое образование зон аноксии при одинаковых условиях продуцирования и поступления на дно органического вещества значительно более вероятно, чем в глубоких.
Степень изрезанности береговой линии водохранилищ определяется геоморфологическими особенностями местности и у сложно-долинных водохранилищ может быть очень велика. Статистическое сравнение озер и водохранилищ по одному из очень распространенных морфометрических показателей – коэффициенту емкости водоема, представляющего собой отношение средней глубины водоема к максимальной, (h/H max) показало, что водохранилища существенно отличаются от озер и имеют меньшие средние значения и меньшую вариабельность этого показателя [Эдельштейн, 1991]. Соответственно, в гидрологическом режиме, динамике водных масс водохранилищ роль размеров и формы ложа значительно важнее, чем в других водных объектах замедленного водообмена.
Для характеристики формы котловины применяется геометрическое моделирование, заключающееся в сравнении формы водоема с известными геометрическими телами. Количественная оценка близости формы водоема к этим телам производится по различным показателям, называемым показателями формы. Озерные котловины при геометрическом моделировании сопоставляются с телами вращения, имеющими вертикальную ось (конусом, парабалоидом, полуэллипсоидом и цилиндром). Такое сопоставление позволило проанализировать связь динамических процессов, протекающих в озере, со строением его чаши и в первую очередь изменений гидродинамической устойчивости масс воды при неоднородном поле плотности [Богословский, 1960, Хомскис, 1969].
Морфологические и морфометрические особенности долинных водохранилищ предопределили выбор усеченной трапецеидальной призмы в качестве модельной фигуры их формы [Эдельштейн, 1975, Страшкраба, Гнаук, 1989]. Анализ влияния такой асимметричной формы чаши водохранилищ на динамические процессы, проявляющееся в существовании наряду со свободной конвекцией продольной плотностной циркуляции вод, показывает их принципиальное отличие от динамических процессов в озерах, характеризующихся длительными периодами стагнации водных масс. В динамике вод это в первую очередь относится к возникновению и широкому распространению в водохранилищах плотностных течений, которые относительно редко встречаются в озерах. В водоемах умеренной зоны плотностные течения в водохранилищах связаны, главным образом, с различиями плотности по минерализации и проявляются в зимний период. В водохранилищах аридной зоны нередки плотностные потоки мутьевого происхождения [Пуклаков, 1999, Самолюбов, 1999].
Влияние морфометрических особенностей проявляется также в развитии вертикальной плотностной и химической стратификации водной толщи в озерах и водохранилищах. Наконец, продольные различия динамических явлений также существенно различаются в водных объектах сравниваемых двух классов.
2.3. Особенности антропогенного влияния на озера и водохранилища
Водохранилища – водные объекты, создаваемые с целью регулирования речного стока, поэтому главная их особенность по сравнению с озерами состоит в том, что их водный режим в значительной степени зависит от управления стоком воды через гидроузел.
Основное следствие этого регулирования – значительно больший, чем в озерах, размах внутригодового колебания уровня воды. Это имеет важное значение для внутриводоемных процессов, особенно в вегетационный перио,д и для развития донных биоценозов, их участия в функционировании водной экосистемы. По периметру водохранилища имеется пространство переменной ширины и площади, периодически затапливаемое водой. Особенно обширны такие мелководно-осушные зоны на равнинных водохранилищах, где они составляют существенную долю площади акватории при НПУ. Методика выделения зон постоянного и периодического затопления в водохранилищах, основанная на совместном анализе кривых обеспеченности уровня воды в водохранилище и его батиграфических кривых разработана К.К.Эдельштейном [Эдельштейн, 1975]. Однако, роль этого пространства в функционировании экосистемы водохранилища, в формировании его биологической продуктивности, в процессах вторичного загрязнения и самоочищения воды до сих пор не получила обоснованной оценки.
Второе важнейшее следствие хозяйственного регулирования водного режима – нестабильность гидродинамического режима, проявляющаяся в колебаниях скорости стокового течения, в появлении длинных волн и в усложнении гидрологической структуры водоема. Существенное экологическое значение имеет также сброс воды из водохранилища. В стратифицированных водохранилищах это влияет на характер круговорота веществ в приплотинном участке. Конструкции водосбросных сооружений отличаются значительным разнообразием. С точки зрения влияния на гидрологический режим водохранилища наибольшее значение имеют конструкции, обеспечивающие возможность селективного многоуровенного сброса. Эта особенность принципиально отличает водохранилища от озер, не имеющих глубинного стока. В озерах сброс вод гиполимниона невозможен, в то время как в водохранилищах ГЭС в период стагнации сброс вод проиводится как раз из глубинных слоев.
Еще одна особенность гидроэкологического режима водоемов связана с антропогенным влиянием. Водохранилища создаются в основном в густонаселенных и интенсивно развивающихся в хозяйственно-экономическом отношении регионах. В связи с этим они испытывают, как правило, значительно более высокую антропогенную нагрузку химическими веществами. Поступление загрязняющих веществ разнообразного химического состава может быть как непосредственно в водохранилища, так и в притоки водохранилища, т.е. в гидрографическую сеть водосбора водохранилища. Загрязняющие вещества поступают в водоем и в водотоки бассейна, как путем сосредоточенных сбросов канализационных систем, так и из рассредоточенных источников вследствие смыва поверхностными водами с загрязняемых городских и промышленных территорий, сельскохозяйственных угодий, ферм и пастбищ. Сток загрязняющих веществ и биогенных элементов с водосбора, определяющий химическую нагрузку водоема, зависит как от физико-географических особенностей водосбора, так и от степени антропогенной его освоенности, которая для водохранилищ, как правило, более высока, чем для озер. К антропогенным факторам, влияющим на химическую нагрузку на водоемы, относится их рекреационное использование. Роль этого фактора в урбанизированных районах естественно значимее. Создание, как отдельных водохранилищ, так и гидротехнических комплексов для водоснабжения крупных городов связано с их интенсивным использованием для целей рекреации. Примером может служить система водоснабжения г.Москвы, включающая 12 водохранилищ, большинство из которых широко используются для водного отдыха и любительского рыболовства жителями многомиллионного города.
Заметное ухудшение качества воды наблюдается в водохранилищах в первые годы их существования, когда происходит выщелачивание химических веществ из залитых почв. Интенсивному поступлению веществ в воду способствуют анаэробные условия в придонных слоях, возникающих при разложении затопленного растительного покрова. Особенно сильно этот дефицит выражен в водохранилищах, ложе которых не очищалось от растительности перед затоплением. В дальнейшем с течением времени, длительность которого зависит от характера почв, растительности, климатических условий и интенсивности водообмена, экосистема водохранилища стабилизируется, дно покрывается иловыми отложениями, и сбалансированные внутриводоемные процессы уже мало отличаются от озерных.
Чрезвычайно важным обстоятельством является то, что в водохранилищах имеется возможность целенаправленного регулирования интенсивности и направленности внутриводоемных процессов, что невозможно в озерах без создания специальных конструкций. Через регулирование внутриводоемных процессов можно приблизиться к решению задач управления круговоротом вещества в экосистеме водоема и, тем самым, к достижению важнейшей цели современной гидроэкологии – управлению качеством воды водохранилищ.
2.4. Сравнительные характеристики гидролого-гидрохимического режима озер и водохранилищ
Отмеченные в предыдущем разделе особенности главных факторов, определяющих функционирование экосистем озер и водохранилищ, проявляются в характере гидрологического и гидрохимического режимов этих водоемов. После того, как на гидроэкологические особенности водохранилищ лимнологи начали обращать особое внимание, сделано несколько попыток сформулировать и обобщить принципиальные различия между озерами и водохранилищами . В нашей работе это обобщение проведено по гидрологическим (табл. 2.1), гидрохимическим (табл. 2.2) элементам экосистем этих водных объектов. Естественно, следствием различий этих элементов экосистем выступают различия в развитии их биотической части рассматриваемых классов водоемов. (табл. 2.3). Биотическое сообщество экосистемы водохранилища отличается от озерного, как правило, низким разнообразием, относительно четко выраженной специализацией экологических ниш, быстрым селективным развитием. Особым периодом в становлении экосистемы водохранилищ, как правило, характеризующимся крайне высокой продуктивностью, является период после затопления ложа водохранилища, когда в результате интенсивного выщелачивания химических веществ из затопленных почв и разложения органического вещества на дне водохранилища водные массы обогащаются биогенными элементами, что приводит к аномальным вспышкам «цветения» фитопланктона. Длительность этого периода становления экосистемы зависит от физико-географических характеристик местности, степени подготовленности ложа к затоплению.
Таблица. 2.1.
Сравнительные характеристики гидрологического режима озер и водохранилищ.
Характеристики водоема | Водохранилища | |
Форма ложа | Вытянутая, ассиметричная вдоль продольной оси с наибольшей глубиной вблизи плотины | Часто округлая и более симметричная относительно вертикали в точке наибольшей глубины |
Трансформация берегов | Очень интенсивная в первые десятилетия и постепенно затухающая особенно медленно в водохранилищах многолетнего регулирования стока с наиболее нестабильным уровнем | Нерегулярная, эпизодическая только во время особенно сильных штормов |
Изменение береговой линии | Сильное, литоральная зона перемещается при сработке. | Относительно слабое, положение литорали стабильное |
В основном по крупным рекам, проникает в стратифицированные слои и часто поток распространяется вдоль затопленного русла | В основном с небольшими реками малого порядка и диффузными источниками. Проникновение в стратифицированные слои слабое и рассеянное. |
|
В зависимости от назначения нередко очень неравномерный, селективный из поверхностного слоя и из гиполимниона, либо интегральный при больших сбросах | Плавно изменяющийся в течение года из поверхностного слоя |
|
Колебания уровня | Нерегулярные, внутригодовые –большие, превышающие многолетние колебания уровня | Внутригодовые небольшие, обычно меньше, чем многолетние |
Структура водного баланса | Однообразна, только стоково-приточного типа с долей как осадков, так и испарения во внешнем водообмене не более 25%. | Большое разнообразие, включающее все типы структуры и зависящее от удельного водосбора и климата |
Коэффициент водообмена | Короткий, переменный. Увеличивается во время сбросов поверхностных вод. | Продолжительный, из года в год относительно постоянный (от одного до многих лет) |
Гидрологическая структура водных масс | Очень сложная, многокомпонентная, особенно в морфологически сложных водохранилищах с умеренным водообменом (с периодом водообмена более полугода). Не зависит от размера водоема и проявляется в накоплении генетически и качественно различных водных масс озерного типа и речных фаз стока. | Проста, однородна в мелководных озерах с малым удельным водосбором, несколько усложняется в глубоких и крупных озерах в периоды существования термобара, либо в сильно проточных озерах. |
Радиационный режим | Преобладает горизонтальный градиент экстинкции света. Экстинкция неравномерная и часто очень высокая в речной и промежуточной зоне из-за высокого содержания минеральных взвесей. | Преобладает вертикальный световой градиент. Изменчивая, но относительно низкая экстинкция. |
Температура воды | Более высокая | Обычно низкая из-за более холодного климата |
Термическая стратификация | Стратификация изменчивая, нерегулярная. Обычно не возникает в слишком мелководных речной и промежуточной зонах. | В глубоких озерах регулярная и устойчивая в течение летнего периода. |
Поле плотности воды и гравитационная устойчивость водной массы | Плотность воды более горизонтально и вертикально неоднородная. Наибольшая в придонной зимней водной массе и в придонном плотностном потоке (термобара не образуется). Постоянная неустойчивость, проявляющаяся в сезонной конвекции и плотностных придонных течениях в меженные периоды минерализационных (в равнинных водохранилищах) и мутьевых (в горных водохранилищах). | Горизонтально почти однородная, наибольшая в термобаре. Сезонная неустойчивость в периоды частичной и полной циркуляции, сменяющаяся гравитационной устойчивостью в периоды стагнации. |
Таблица 2.2.
Особенности элементов гидрохимического режима и их последствий в озерах и водохранилищах
Элементы режима | Водохранилища | |
Высокая в соответствии с интенсивной трансформацией берегов. Аллохтонная нагрузка взвешенным органическим веществом умеренная | Малая, как общая, так и аллохтонным взвешенным органическим веществом |
|
Взвешенное вещество в воде | Высокая и изменчивая концентрация взвешенных частиц в воде с большой долей минеральных частиц песка и глины, сравнительно большая мутность воды | В глубоких слоях озер малая или очень малая концентрация взвешенных веществ, в мелководных озерах – взмучивание, высокая мутность и большая доля взвешенного органического вещества |
Донные отложения | Большие в верховьях, максимальная толщина приурочена к затопленной русловой ложбине, большая сезонная изменчивость скорости накопления, взмучивание и трансседиментация при сработке, низкое содержание органического вещества | Относительно низкая и постоянная сезонная скорость накопления, высокое содержание органического вещества |
Растворенные минеральные вещества | Неоднородность минерализации особенно существенна в слабо проточных водохранилищах, питающихся незарегулированным стоком, в период конвекции – горизонтальная, в период стагнации - вертикальная | Несущественная неоднородность в пресных голомиктических озерах и существенная вертикальная в меромиктических |
Большая, очень изменчивая, часто непредсказуемая | Изменчивая, но относительно предсказуемая, часто умеренная |
|
Изменчивость концентраций биогенных веществ | Доминирует горизонтальный градиент. Зависит от скорости седиментации и режима притока, концентрации уменьшаются с удалением от верховьев, неравномерная внутренняя нагрузка | Доминирует вертикальный градиент |
Растворенное органическое вещество (РОВ) | Преобладают аллохтонные источники, неравномерное, часто высокой концентрации, доминирует стойкое РОВ | Аллохтонное и литоральные источники, относительно постоянное содержание, часто высокое за счет лабильного РОВ |
Растворенный кислород | Более низкая растворимость из-за более высокой температуры. Большая горизонтальная изменчивость. Минимум в металимнионе более обычен, чем максимум | Слабая горизонтальная изменчивость. Металимнический максимум наблюдается чаще, чем в водохранилищах |
Таблица 2.3.
Особенности элементов гидробиологического режима и их последствий в озерах и водохранилищах
Сообщества водных организмов | Водохранилища | |
Фитопланктон | Заметная горизонтальная неоднородность биомассы и видового состава. Первичная продукция ограничивается высокой мутностью и содержанием биогенов | Преобладает вертикальная и сезонная неоднородность. Горизонтальная неоднородность мала. |
Зоопланктон | Максимум развития в транзитной (переходной) зоне, горизонтальная неоднородность велика, основной источник пищи – взвешенный детрит с адсорбированным РОВ | Преобладает вертикальная и сезонная изменчивость, пятнистость умеренная, главный источник пищи - фитопланктон |
Бентос | Низкое разнообразие с минимумом в литорали, продуктивность от низкой до умеренной, в первые годы высокая при затоплении наземной растительности | Разнообразие и продуктивность умеренное до высокого |
Ихтиофауна | Преимущественно теплолюбивые виды рыб, нередко отличные от первоначального состава, условия нереста ухудшаются при низком уровне, продуктивность вначале высокая, затем уменьшается | Хорошие условия нереста, меньше гибель икры, хорошие условия развития личинок, умеренная продуктивность |
Учитывая выявленные особенности водохранилищ, становится важен вопрос о применимости индексов, классификаций и критериев трофического состояния к водохранилищам. Здесь мнения исследователей различны. Так, некоторые лимнологи подчеркивают необходимость разработки специальной типологии состояния экосистем водохранилищ, которая учитывала бы специфику водохранилищ . В тоже время в уже упоминавшейся международной программе по эвтрофированию не проводилось разделения оценок трофического состояния по водохранилищам и озерам. Это мнение разделяется рядом отечественных лимнологов, считающих, что интенсивность фотосинтеза в любом водоеме и даже в реках колеблется в одинаковом диапазоне, поэтому разделять объекты не следует [Баранов, 1961, Лебедев, 1988]. Проведенная проверка ряда классификаций на озерах и водохранилищах показала, что они вполне адекватны по всем показателям, за исключением прозрачности, которая в водохранилищах завышала трофический уровень. Причина этого видится в более высоком содержании минеральной (нефитопланктонной) мутности в водохранилищах. Помимо прозрачности, необходимо отметить еще некоторые особенности водохранилищ, которые необходимо иметь в виду при применении классификаций и индексов. Во-первых, вследствие ярко выраженной продольной неоднородности состава воды в водохранилище нередко наблюдается продольная неоднородность абиотических и биотических элементов экосистемы и, соответственно, трофических условий . Поэтому при применении показателей трофии для характеристики всего водохранилища необходимо их пространственное осреднение с учетом площадей и объемов участков водохранилища. Во-вторых, характерные для водохранилищ и редко наблюдающиеся в озерах плотностные потоки могут приводить к сбросу поступающих в них биогенных элементов без перемешивания с основной водной массой водохранилища. Наконец, Линд и др. выявили, что в обследованных ими водохранилищах наблюдалось неадекватное соответствие между содержанием общего фосфора и трофическим состоянием. Эти особенности вызвали попытки разработки специальных индексов трофического состояния, применимых исключительно для водохранилищ и дающих более адекватную оценку, чем обычные общеиспользуемые. Заслуживает внимания опыт разработки специального индекса для оценки трофического состояния водохранилищ, предложенный для каскада Тенесси Дж.Кохом . Выделив в системе регулирования бассейна р.Тенесси глубокие водохранилища, расположенные на притоках р.Тенесси, и относительно мелководные, расположенные непосредственно на р.Тенесси, Дж.Кох справедливо предположил, что для этих различных типов водохранилищ, индивидуальные индексы трофического состояния должны базироваться на различных показателях. Для водохранилищ на притоках показатель Коха представляет собой сумму относительного значения концентрации хлорофилла «а» и среднего из трех относительных значений концентраций биогенных элементов: неорганического углерода (щелочности), растворенного неорганического азота и общего фосфора. Эти относительные значения концентраций определяются как отношение разницы фактического среднего значения соответствующей концентрации в рассматриваемом водохранилище и минимального его значения во всей выборке к общему диапазону изменения соответствующих относительных значений во всех обследованных водохранилищах. Этот же принцип использовался при разработке показателя трофности для водохранилищ на р.Тенесси (собственно каскадных). Индекс равен сумме двух слагаемых. Первое – полусумма значений концентрации хлорофилла «а» и площади распространения макрофитов в водохранилище, второе – среднеяя величина следующих относительных значений: период водообмена, глубина видимости диска Секи, относительная площадь мелководий и относительная удлиненность. Однако, как подчеркивает Дж.Кох применимость этих индексов должна быть ограничена только водохранилищами, имеющими сходные лимнологические и водохозяйственные черты с водохранилищами каскада Тенесси, что по сути делает эти индексы исключительно индивидуальными для рассматриваемого каскада.
Рассматривая применимость наиболее распространенного индекса – индекса Карлсона – к оценке трофического состояния водохранилищ, В.Уокер предложил модифицировать уравнение Карлсона для прозрачности, включив в него дополнительный параметр, характеризующий так называемую нефитопланктонную мутность . Уравнение В.Уокера имеет вид
Где SD – глубина видимости диска Секки, м, α – дополнительный параметр, характеризующий так называемую нефитопланктонную мутность, обусловленную составляющей взвеси в водоеме, не связанной с фитопланктоном, 1/м. Величину α В.Уокер предлагает вычислять по эмпирическим формулам в зависимости от глубины водохранилища, периода его водообмена и широты местности, где оно расположено .
где h – глубина водохранилища, Т – период водообмена, φ – широта местности, где расположено водохранилище.
Эти зависимости получены В.Уокером по наблюдениям на водохранилищах Среднего Запада и Юга США, поэтому имеют региональное значение.
Индивидуальные индексы для оценки трофического состояния отдельных каскадов или систем водохранилищ безусловно позволяют более точно оценить изменения, происходящие в экосистемах этих водохранилищ, однако для их разработки нужны детальные комплексные лимнологические исследования в течение многолетнего периода, которые еще очень редки. Как показал широкий опыт применения классификаций трофического состояния, при ориентировочных оценках применение разработанных для озер методов определения трофического состояния вполне допустимо для водохранилищ при условии внимательного отношения к особенностям использования соответствующих показателей состояния этих водных объектов.
Автореферат диссертации
Биотических и абиотических закономерностях и особенностях экосистем элементов водохранилищ и озер [Мордухай-Болтовская, ...
Закономерности и факторы устойчивости пресноводных экосистем к антропогенному загрязнению
Автореферат диссертацииБиотических и абиотических закономерностях и особенностях функционирования пресноводных экосистем России в... содержанием природных веществ (элементов ) в поверхностных водах... исследований по лимнологии водохранилищ и озер [Мордухай-Болтовская, ...
О т ч е т прогноз качества воды в водохранилище и в нижнем бъефе богучанской гэс
ДокументКоличество остальных элементов в... экосистем , так и с природными условиями водосбора. В этом процессе участвуют абиотические ... водохранилища . Новосибирск: Наука, 1973. С. 78–118. Винберг Г.Г. Общие особенности продукционного процесса в Нарочанских озерах ...
