9.9. Седиментація, осадоутворення та формування донних ґрунтів
У товщі води постійно знаходиться певна кількість завислих частинок мінерального і органічного походження. Під дією сили тяжіння вони поступово опускаються на дно. Процес осадження завислих частинок отримав назву седиментація. У водних екосистемах виділяють фізичну і біогенну седиментацію.
Фізична седиментація — це процес осадження мінеральних частинок у стоячій воді. Такі частинки бувають різної величини і різного походження. Це можуть бути частинки піску, глини, мулу, вапняку, солі різних металів тощо. Вони надходять у воду під час розмивання берегів, донних ґрунтів, змиву з прилеглих територій.
У залежності від їх фізичних характеристик змінюється швидкість осадження, яка визначається для стоячої води за формулою Стокса
де V — швидкість фізичної седиментації; g — гравітаційне прискорення; r — радіус частинок кулеподібної форми; Ps і Pw— щільність частинок і води; ŋ — коефіцієнт в'язкості.
На швидкість седиментації впливає температура води. З підвищенням її понад 4 °С прискорюється осадження мінеральних частинок за рахунок зменшення в'язкості води. У стратифікованих водоймах такі частинки можуть затримуватись на якийсь час у зоні термоклину.
Крім мінеральних частинок у водоймах і водотоках відбувається осадження і органічних частинок, які утворюються у процесі життєдіяльності гідробіонтів. До них належать відмерлі організми, пелітні частинки, зокрема відфільтровані харчові мікрогрудки, фекалії, злущений епітелій, слиз. У залежності від трофності водойм, зоопланктонтами щодоби фільтрується від 5 до 90 % загального об'єму води континентальних водойм зі зниженою швидкістю течії. В загальному процесі осадо-накопичення біологічна седиментація може переважати фізичну. Причому, в різні сезони року до біоседиментів входить неоднакова кількість відмерлих планктонтів і бентонтів. У морських (океанічних) екосистемах об'єми біоседиментації ще більші. Протягом року вони досягають 100 г органічного вуглецю на 1 м2.
До організмів-седиментаторів, які утворюють пелітні мікрогрудки, належать морські і прісноводні інфузорії, губки, черви, молюски, личинки комах та деякі інші організми. Існують різні механізми утворення пелітних частинок. Так, інфузорії завихрюють воду навколо себе спеціальними рухами війок. У такі завихрювання води втягуються органічні слизові і мінеральні частинки, які після злипання швидше осідають на дно. Частинки корму коловерток осідають під дію потоку води, спрямованим коловертковим апаратом. Губки утворюють пелітні мікрогрудки, пропускаючи воду через спеціальні джгутикові камери.
Донний осад включає автохтонні (внутрішньоводоймні) та алохтонні (надходять ззовні) органічні і мінеральні речовини. У проточних водоймах і водотоках частина таких речовин виноситься з потоком води. Швидкість осадоутворення у водоймах залежить від їх трофності. В оліготрофних водоймах цей процес проходить дуже повільно і може розтягнутись на сотні і тисячі років. У мезотрофних озерах і водосховищах осадоутворення іде швидше внаслідок утворення автохтонних і надходження алохтонних органічних речовин. Такі водойми більш інтенсивно замулюються через утворення автохтонної органічної речовини, синтез якої прискорюється включенням у внутрішньоводоймний кругообіг азоту, фосфору та інших біогенних елементів, що переходять з донних відкладень у товщу води. Такі процеси характеризують перехід озерної екосистеми з мезотрофної в евтрофну стадію. Подальше зростання біомаси фітопланктону і вищої водяної рослинності призводить до значного перевантаження органічною речовиною та розвитку дистрофної стадії, або процесу заболочування озер та водосховищ.
Органічні і мінеральні частинки, які опускаються на дно, проходять складний шлях фізико-хімічних і бактеріальних перетворень та ущільнення. В залежності від розміру, структури мінеральних частинок та органічних компонентів первісного дна, формується донний ґрунт. Донні ґрунти континентальних водойм класифікують за розміром частинок:
Ґрунт Розмір частинок
М'які (дрібнозернисті) ґрунти
Глина < 0,01 мм
Мул 0,01—0,1 мм
Пісок 0,1—1,0 мм
Тверді ґрунти
Гравій 0,1—1,0 см
Галька 1—10 см
Валуни 10—100см
Глиби > 1 м
За вмістом тонких фракцій (величиною менші 0,01 мм) ґрунти поділяють на такі типи:
Тип донного ґрунту Вміст тонких фракцій (< 0,01 мм), %
Пісок 5
Мулистий пісок 10
Піщаний мул 30
Мул 50
Глинистий мул > 50
Властивості і навіть колір донних відкладень в процесі формування можуть змінюватися. Так, донні ґрунти, які утворюються у добре аерованих водоймах з високим рівнем насиченості придонних шарів води киснем, мають світлий колір. Навпаки, при переважанні анаеробних процесів і дефіциті кисню, коли мул насггчений сульфідними сполуками, його колір — чорний.
На структуру та властивості ґрунтів істотно впливають донні гідробіонти (бентос). Під впливом бактерій, олігохет, хірономід та інших бентосних організмів важкорозчинні у воді органічні і мінеральні сполуки переходять у розчинені форми азоту, фосфору, заліза та інших біогенних елементів. Значну кількість їх виявляють в інтерстиціальній воді донних відкладень, що заповнює капіляри між окремими частинками донного ґрунту. Використовуючи мул як кормовий компонент, донні черви роблять його більш структурованим. Під впливом зообентосу поступово може змінюватися хімічний склад поверхневого шару донного ґрунту та полегшуватись кругообіг речовин і енергії між донними відкладеннями та товщею води. Між донними ґрунтами та товщею води здійснюється постійний обмін біогенними елементами, що забезпечує фупкціопуиашїя водних екосистем у нерозривній єдності усіх їх компонентів. Зокрема, донні грунти є джерелом вторинного забруднення водних об’єктів, бо накопичені в них мінеральні і органічні речовини поступово переходять у товщу води. Цей процес відіграє особливу роль у підтриманні високого вмісту біогенних елементім у водоймах уповільненого стоку (озера, водоймища). В озерних екосистемах відкладення донного мулу під дією мікроорганізмів, які мінералізують органічні речовини, можуть перетворюватись у сапропель (“гниючий мул”).
Структура донних відкладень відіграє визначальну роль у розселенні бентонтів, формуванні їх чисельності і біомаси. Так, на мулистих грунтах розселяються переважно черви та личинки комах, які можуть занурюватись у товщу ґрунту. В той же час вони уникають напіврідких і легкоперетіючих донних ґрунтів.
На піщаних грунтах переважно поширені молюски, здатні закріплюватись на твердому піщаному дні водойм. Особливі умови існування складаються у інтерстиціальних водах піщаних ґрунтів існування складаються у інтерстиціальних водах піщаних ґрунтів. У них зосереджуються бактерії, водорості, найпростіші, дрібні безхребетні тварини. Донні грунти прибережних зон визначають і склад фітоценозів вищих водяних рослин.