14. Круговорот органического вещества в гидроэкосистеме

Организмы каждого озера тесно взаимосвязаны между собой и окружающей средой. В процессе их жизнедеятельности и взаимосвязи с окружающей средой осуществляется круговорот органического вещества и энергии в озере. В верхних слоях воды и в литорали происходит образование органического вещества. Осуществляется оно главным образом путем фотосинтеза высшими растениями и водорослями, использующими углекислоту и минеральные соединения. Синтез органического вещества из неорганического производится в процессе хемосинтеза некоторыми автотрофными бактериями (например, серобактериями, нитрофицирующими бактериями). Готовое органическое вещество и некоторое количество биогенов поступают в водоем также с его площади. В процессе фотосинтеза зеленые растения проявляют много индивидуальных черт. Диатомовые водоросли, например, развиваются при относительно низких температурах (16—18° С) и наличии в воде кремния, сине-зеленые водоросли — при более высоких температурах. Первые появляются при несколько большем содержании в воде железа и фосфора по сравнению со вторыми и меньшем количестве аммонийного азота. Органическое вещество, поступившее извне или синтезированное в озере, видоизменяется. Водоросли и высшие растения широко используются животными для питания. Их поедают простейшие, губки, коловратки, ракообразные, моллюски, личинки и мальки рыб и сами рыбы. Животные потребляют также растворенные и разлагающиеся коллоидные вещества. Важным пищевым ресурсом служат бактерии. Они синтезируют в себе белковые вещества. Хищники поедают (избирательно) животных других видов. Растительные и животные организмы, отмирая, подвергаются сложному биохимическому распаду, который происходит как в толще воды, так и на дне озера.

15. Фосфорная и азотная нагрузка на лимносистемы и методы их определения.

С поступлением биогенных веществ в озера тесно связаны процессы эвтрофирования озер. Различают естественное эвтрофирование озер, когда процесс развития лимносистем протекает медленно на протяжении голоцена и озера эволюционируют от олиготрофного водоема к статусу высоко эвтрофного и на закючительном этапе к дистрофному. Процесс эвтрофирования зависит от внешней и внутренней биогенной нагрузки. Внешнюю биогенную нагрузку на озеро можно рассчитать по формуле: Lс = Pосн.+ Pб + Pс + Pn + Pn+m + Pa, Где - Lс – внешняя биогенная нагрузка на озеро, г Р/м2 год; Pосн. - поступление фосфора из основных водотоков, г/м2 год; Pб – поступление биогенов из прилежащего к озеру водосбора, г/м2 год; Pс – поступление биогенов с атмосферными осадками, г/м2 год; Pn - поступление биогенов с подземными водами, г/м2 год; Pn+m - поступление биогенов за счет околоводных птиц и животных, г/м2 год; Pa – поступление биогенов из точечных источников антропогенного происхождения, г/м2 год. В связи с огромным значением фосфора и других биогенных элементов в продукционных процессах и эвтрофированием озер были предложены многочисленные формулы и модели для определения фосфорной нагрузки и концентрации фосфора в озерах. Критическую нагрузку фосфора на озеро R. A. Vollenweider (1976) предложил рассчитывать по формуле:Lс = 10 z QV (1 + V/Q), где Lс – критическая нагрузка, мг/Р м2 год; z – средняя глубина озера, м; Q – сумма притока воды с водосбора и атмосферные осадки на озеро, м3; V – объем озера, м3. В настоящее время под внутренней биогенной нагрузкой чаще всего понимают поток биогенов со дна озера и последующим включением его в биотический круговорот.

В водоемах практически невозможно определить происхождение фосфора или азота в связи с разными источниками их поступления. С одной стороны, это поступление биогенов из-за пределов водосборов ( площадь водосбора, атмосферные осадки, грунтовые воды и т.д.), с другой стороны – за счет внутренних возможностей: фито- и зоопланктонные организмы, разлагающиеся in situ, продукты экскреции планктонных организмов, донные отложения, из которых биогены поступают в фотическую зону, высвобождение водорослями и бактериями растворенных органических соединений, которые расщепляются in situ с образованием растворенных биогенов. Кроме того, нужно добавить выделение биогенов с экскерментами планктонных, бентосных, беспозвоночных и рыб. Все эти факторы составляют внутреннюю нагрузку на озеро. Если внешняя биогенная нагрузка указывает на поступление биогенов извне, то внутренняя биогенная нагрузка – на интенсивность круговорота биогенов. Внутренний баланс веществ отражает перераспределение отдельных химических элементов в процессе геохимической и биогеохимической миграции. Управление этими процессами позволит управлять экосистемами озер.Зная величину первичной продукции фитопланктона, фитобентоса и их элементный состав (С : N : Р), можно рассчитать вероятную величину фосфора и азота, которые пошли на создание данной продукции, и из этой величины вычесть величину внешней нагрузки, что даст внутреннюю нагрузку фосфором и азотом. Т.В. Жукова рассчитала ассимиляцию фосфора автотрофами, поступление фосфора с водосборной площади, донных отложений, экскреции фосфора зоопланктоном в Нарочанских озерах и подсчитала проценты ассимиляции автотрофами за счет этих поступлений.Эти процессы тесно связаны с поступлением биогенных элементов. По последним исследованиям наиболее важным показателем эвтрофирования озер является фосфорная нагрузка.

Фосфор (минеральный) присутствует в воде главным образом в виде фосфатов (Р043-). Он входит в состав любого органического вещества, но в воде его содержание очень небольшое и в чистых озерах исчисляется тысячными долями миллиграмма на литр. В ходе сезонных изменений фосфаты, как и нитраты, летом почти исчезают в зоне эпилимниона. При отмирании организмов часть фосфатов поступает в воду, а также оседает в верхнем слое осадков. Благоприятные условия скопления фосфатов возникают в анаэробных условиях, свойственных гиполимниону. В годичном цикле наибольшее количество фосфора (сотые доли миллиграмма на литр) наблюдается в период зимней стагнации и в придонных слоях воды.

Обратно в воду из донных отложений фосфор возвращается вместе с железом и снова поступает в биотический круговорот. Повышенное количество соединений фосфора в воде и в осадках служит свидетельством накопления органического вещества, поэтому низкий показатель фосфора в озере принято считать индикатором чистой воды.

Азот играет основную роль и лимитирует развитие всех растительных организмов. Обогащение азотом происходит за счет поступления его из воздуха, сбросов с водосбора, а также автохтонных процессов. В круговороте азота принимают деятельное участие бактерии (азотофиксаторы).

При отмирании животных организмов белковые вещества разрушаются под действием бактерий и содержащийся в них азот выделяется в виде иона NH4 (процесс аммонификации). Вот почему повышенное содержание аммиака в воде служит одним из показателей загрязне­ния озера. Поднимаясь в верхние слои воды, попадая в условия окислительной среды и действия аэробных бактерий, NH4 окисляется до NO2, а затем до NO3 в процессе нитрификации.

Нитраты в анаэробных условиях способны восстанавливаться до свободного азота, который выделяется в атмосферу в процессе денитрификации, заканчивая, таким образом, круговорот азота в озерах. В большинстве озер Белоруссии содержание соединений азота небольшое в связи с невысокой гумификацией и богатством фитопланктона. В период летней стагнации и «цветения» содержание нитритов минимальное, вплоть до полного потребления. В придонных слоях его количе­ство несколько увеличивается (до сотых долей миллиграмма на литр). В годичном цикле максимальные концентрации азота характерны для конца зимней стагнации.

№17 Научные основы создания озерных водохранилищ как метод олиготрофикации лимносистем

Наиболее подробная характеристика влияния хозяйственной деятельности на экосистемы озер рассмотрены в монографии Б.П. Власова (2004).

Гидротехническое строительство. Говоря о негативных последствиях техногенной трансформации нельзя не подчеркнуть их положительные черты. К ним, в частности, следует отнести создание озерных водохранилищ, которые созданы в целях энергетических (Браславская ГЭС, Гомельская ГЭС, ГЭС «Дружба народов», «Путь к коммунизму», Лепельская, Лукомская, Селявская, Тулава, Белозерская), орошения (Мотоль, Любань, Лукомское, Гоща), рыборазведения и рекреация (Освейское, Погост, Харабровка).

Создание озерных водохранилищ приводит к увеличению площади зеркала и дополнительного объема воды, снижению уровня трофности, созданию условий для сомоочищения загрязненных придонных вод при обваловании озерных котловин (Полесье) измен, изменяются морфометрические параметры в сторону сокращения длины береговой лини, а также возникновения четкой и устойчивой температурной стратификации.

Изучение вопросов антропогенных трансформаций около тысячи озерных экосистем позволило выделить наиболее репрезентативные признаки этих явлений и дать им количественную оценку. К числу последних отнесены показатели: биологическое потребление кислорода (БПК5), содержание в воде фосфора минерального (РО4) и максимальная биомасса фитопланктона в летний сезон.

Основные показатели трансформации озер при создании водохранилищ приведены в таблице 11.3.

Группа факторов	Основные геоэкологические факторы	Показатели (критерии) трансформации гидроэкосистемы
Морфо- метри- ческие	Увеличение объёма воды; изменение соотношения мелководной и глубоко­водной частей ложа; изменение глубин, показатель удельных затоплений при подъёме уровней	Показатели формы котловин; средний уклон котловин; теплозапас воды, мощность эпилимниона
Морфологические	Характер и выраженность морфологических элементов котловины озера (террас, пойм и др.); контур береговой линии нового водоёма; сопряжение морфологических элементов озера и озёрного водохранилища	Показатели формы котловин; средний уклон котловин; теплозапас воды
Гидрологические	Вид осуществляемого регулирования; призма сработки; полезный объем; тип проточности; гидродинамические условия (длина разгона волн; длина напорного фронта, др.)	Расчётная мощность эпилимниона; содержание кислорода; индекс запаса;
Гидротехнические	Обвалование котловин озёр; дноуглубительные работы; принудительная подача воды; укрепление естественных берегов; формирование искусственных пляжей; планировка берегов и ложа; уборка торфяных залежей; добыча сапропелей	Соотношение лимнических слоев; содержание кислорода, форма котловины
Влияние на окружающую среду	Переформирование берегов; подтопления прибрежной территории; изменение животного мира и растительности; микроклимата	Ширина зоны влияния на прибрежную территорию
Изменение в ижнем бьефе	Деформация русла, изменение газового и гидрохимического режимов; температура воды и др.	Расстояние (протяжённость) изменённого режима вытекающих рек
Изменение природы на водосборе	Изменение структуры сельскохозяйственных угодий на водосборе; установление водоохранных зон; перенос хозяйственных объектов и населенных пунктов; увеличение площади водосбора; санитарные мероприятия на водосборе	Запас кислорода; изменение минерализации воды