Биотический круговорот в водоеме

Количественно биотический круговорот в водоеме может быть оценен путем составления баланса органического вещества. Баланс (В) органического вещества рассматривают как разность между скоростью продукции (Р) и деструкции (Д) всей совокупности органических соединений в самом водоеме за конкретный промежуток времени: сутки, вегетационный период, год (В=Р-Д). Первый член этого равенства (Р) определяется по величине первичной продукции¹; второй - по поглощению растворенного в воде кислорода. Практически для оценки величины баланса органического вещества и продуктивности водоемов используют кислородный и радиоуглеродный методы. Величина первичной продукции определяется величиной фотосинтеза, характеризующейся количеством O₂, выделенного водорослями при температуре водоема. Деструкция ОВ определяется поглощением O₂ в темной склянке при тех же температурных условиях.

¹ (О первичной продукции см.: Ю. И. Сорокин. Роль бактерий в жизни водоемов, М., "Знание", 1974, с. 15 - 16, (серия "Биология"))

На примере многолетнего исследования волжских водохранилищ В. И. Романенко (1971) показал, что количество органического вещества, разрушаемого в водохранилищах в течение года (деструкция), больше, чем его образуется в результате фотосинтеза. Таким образом, в результате деятельности бактерий и других гетеротрофных организмов водного биоценоза происходит не накопление, а убыль органического вещества. Однако при учете органического вещества, приносимого в водоем извне с притоками и с поверхностным стоком, оно может в нем увеличиваться. Расчет баланса органическою вещества в Рыбинском водохранилище показал, что 62% массы органического вещества не связаны с первичной продукцией и приносятся речной водой, но многолетние значения превышения скорости распада над скоростью синтеза первичного органического вещества в самом водохранилище находятся в пределах 20 - 40%.

Благодаря работе потоков свободной энергии и недостатку в реках и водохранилищах легкоусвояемых органических веществ и биогенных элементов биомасса одноклеточных организмов и связанная с ними продукция органического вещества остается на уровне, необходимом для сохранения окислительных условий среды и формирования чистой воды.

Водоемы с годовой первичной продукцией 350 - 450 г/м² органического вещества слабо евтрофные. При интенсивном распаде органических веществ и сохранении окислительных условий среды эти величины первичной продукции не влияют на качество воды. Помехи в нормальной работе городских водопроводов, ухудшение органолептических свойств воды, накопление легкораспадающихся органических веществ возникают в них только кратковременно в период максимального развитий водорослей.

Более высокий уровень первичной продукции создает частые помехи в подготовке воды для водоснабжения даже нередко в том случае, если значительны и величины деструкции. Например, величина первичной продукции Цимлянского водохранилища 765 г/м². Это сравнительно неглубокий водоем. Глубины до 10 м занимают ²/₃, а 15 м и более - 13,4% площади водохранилища. В теплый период года его вода значительно прогревается: средняя температура воды с июня по сентябрь выше 20°С, а максимальная в разгар лета достигает 31°. Придонная температура колеблется около 20°С.

К показателям напряженности биотического круговорота в водоеме также относится уровень динамического равновесия между содержанием биогенных элементов в среде и скоростью их усвоения. Это означает, что для конкретного участка водоема поглощается и выделяется равное количество биогенных элементов, а обычно определяемая концентрация их в воде является результатом непрерывного обмена между водой и организмами. Известный специалист в области исследования биогенных элементов А. А. Былинкина для изучения обмена использовала радиоактивный фосфор. Время оборота фосфатов в воде верхневолжских водохранилищ колебалось в широких пределах - от 0,9 до 113,3 ч. Низкие значения времени оборота могли быть обусловлены малым содержанием минерального фосфора в водоеме и высокой биологической активностью воды. Скорость оборота минерального фосфора на глубоководных участках более евтрофированного Иваньковского водохранилища выше, чем в водах глубоководной русловой части мезотрофного Рыбинского водохранилища. Однако в мелководной зоне Рыбинского водохранилища в районе пос. Борок скорость оборота фосфатов выражалась величинами (4,5 - 13,6 мкгР/л в час), значительно превышавшими значения этого показателя в русловых водах Иваньковского и Рыбинского водохранилищ.

Определения скорости оборота минеральных и органических веществ позволяют установить связь между уровнями биотического круговорота в водоемах и степенью их загрязнения. Этот метод дает интегральную характеристику состояния водоема и служит ориентиром, позволяющим оценить допустимые уровни поступления биогенов в реки и водохранилища.

Энергия поступает в водоем не только в виде запасов организмов и в массе органического вещества, но и в виде тепла, света и движения воды.

Роль абиогенного потока энергии как фактора, который определяет многие процессы в экологической системе водоема, в настоящее время находит все более широкое признание. Главная роль в жизни водоема принадлежит энергии солнца, хотя на фотосинтетические процессы расходуется лишь небольшая ее часть. Например, суммарная солнечная радиация для акватории Иваньковского и Рыбинского водохранилищ составляет около 13 - 16 ккал/см² в месяц. Из этого количества на фотосинтез расходуется только 0,1 - 1%. Величина отраженного излучения может колебаться довольно широко - от 5 до 30%. Наиболее частые величины альбедо солнечной радиации для чистой поверхности воды в спокойном состоянии составляют 6%. Остальная часть солнечной энергии участвует в фотохимических реакциях, а также преобразуется в тепло. Наиболее действенный участок солнечного света - ультрафиолетовый (УФ). УФ-излучение от общего излучения солнца составляет 4 - 4,6%. Только длинноволновая область УФ (290 - 400 нм) достигает воды. Фотохимические реакции с участием УФ-излучения идут преимущественно в освещенном слое. Ростовский гидрохимик В. Г. Сойер (1973) измерил с помощью подводного фотометра степень ослабления ультрафиолетового излучения в области 290 - 330 нм и установил, что на глубине 20 см в водоемах Ростовской области оно ослабляется в 10 раз, но благодаря вертикальному турбулентному обмену его действию подвергаются и значительно более глубокие слои.

В результате роста энерговооруженности страны увеличивается величина энергетических отходов, которые общество не использует. Мощным источником свободной энергии, воздействующим на водоем, представляется тепловая электростанция - ТЭС (рис. 6). Расход энергии ТЭС распределяется следующим образом: 33% - на выработку электричества; 15% - излучается в воздух; 52% станция отдает с охлаждающей водой водоему. Для охлаждения отработанного пара ТЭС ежесуточно необходимо 3 - 10 млн. м³ воды. Количество тепла, отдаваемого ТЭС отдельным участкам водоема, сравнимо с величиной солнечной энергии, поступающей на его поверхность. Например, при полной нагрузке Конаковской ТЭС зимой водопотребление составляет 65 м³/с, летом - 85 м³/с, а повышение температуры воды на выходе по сравнению с ее значениями на водозаборе возрастает на 10°С. Количество отданного воде тепла зимой составляет 5,6·10¹⁰ккал, летом - 7,3·10⁹ккал (при повышении температуры на 7°). При полной нагрузке величина теплосодержания озерного плеса Иваньковского водохранилища возрастает в 2 раза и более.

Рис. 6. Действие ТЭС (АЭС) на водоемы

Большое количество тепла поступает в водоемы с городскими стоками. Влияние их подогрева особенно сказывается на малых реках. С очищенными сточными водами г. Москвы в реку поступает 36-1011 ккал/сут. Благодаря этому поверхность реки не замерзает на всем ее протяжении, что улучшает процессы самоочищения в ней в зимний период.

Обстоятельные исследования гидрологического режима в районе влияния подогретых вод проведены известным гидрологом Н. В. Буториным и его учениками Т. Н. Курдиной, А. С. Литвиновым. Изменения жизни в водоеме в результате подогрева много лет изучают Ф. Д. Мордухай-Болтовской и ученики его школы, а также сотрудники Украинского гидробиологического института.

Подогрев - один из факторов антропогенного евтрофирования водоемов. В будущем его воздействие на жизнь водоемов будет все более значительным. Размеры этого влияния зависят от степени подогрева воды, ее количества и географических особенностей водоема. В зоне холодного климата неблагоприятное влияние подогрева сказывается значительно меньше, чем в зоне с умеренным климатом. В зоне с жарким климатом подогрев воды на 10° вызывает гибель планктона, резкие изменения продукционных процессов и самоочищения.