4. Озерные экосистемы

По сообщению Ю. П. Беличенко и Л. Я. Полянинова (1976), на территории СССР расположено 285 тыс. озер. Надо полагать, что эта цифра очень занижена, поскольку, по данным С. С. Фолитарека, Н. В. Востряковой и В. А. Понько (1976), только в Западной Сибири насчитывается 1,14 млн. озер общей площадью 66,7 тыс. км², из них в лесной зоне расположено 0,91 млн. озер общей площадью 45 тыс. км².

Известный американский лимнолог Дж. Хатчинсон (1969) по способу образования выделяет 76 типов озер и включает сюда искусственные водоемы (пруды и водохранилища), что вряд ли правомерно. Все существующие классификации озер основаны на свойствах собственно водоемов, т. е. в них не учитываются в достаточной мере геологические, исторические и биогеоценологические особенности водосборных бассейнов, что существенно ограничивает понимание их динамики, особенно под влиянием человека. Самостоятельное значение приобретает необходимость региональных классификаций озер по их санитарным, рекреационным и даже эстетическим признакам. Наконец, до сих пор отсутствует единая классификация озерных ландшафтов, т. е. генетически однородных региональных объединений озер: озерно-болотно-лесных, озерно-степных, озерно-ледниковых и других комплексов.

Как и во многих других случаях, полезно подразделение озерных экосистем на сточные, проточные (транзитные) и аккумулятивные. Различия в динамике экосистем упомянутых типов на едином географическом фоне поразительны. Рассмотрим конкретную ситуацию.

В августе 1908 г. участником Ямальской экспедиции Русского Географического общества капитаном В. Н. Введенским (см.: Записки по общей географии Имп. Рус. геогр. об-ва, т. 48, 1911; т. 49, 1912) была произведена мензульная топографическая съемка самых крупных водораздельных озер Центрального Ямала - Нейто (Малто), Нейто (Ерто), Нейто 1-е (Нгэвогыто) и Ямбуто. Первые три озера сообщаются между собой, имеют абсолютные отметки уреза воды 15 м над ур. м., а сток из них происходит и в Байдарацкую, и в Обскую губу. Оз. Ямбуто имеет абсолютную отметку уреза воды 16 м и сток в Обскую губу. Длина последнего озера достигает 22 км, а глубина - 28 м (13 саженей, по данным Введенского). Общая площадь этих озер достигает 550 км².

Вполне очевидно, что система упомянутых озер может служить увеличенной (!) моделью тех гидрографических процессов, которые происходят в любой ямальской системе необозримого множества более мелких водораздельных озер. В этой связи особое внимание к рассматриваемой системе привлекают именно данные инструментальной съемки 1908 г. Настоящее и будущее этой системы мы можем исследовать когда и как угодно, но ее прошлое навсегда документально запечатлено в уникальных материалах Введенского.

Исходя из этих предпосылок, мы проделали небольшое самостоятельное исследование, техника которого предельно проста. Приведя карту Введенского и топокарту 1955 г. к единому масштабу, мы совместили их, добиваясь максимального совпадения контуров обрывистых берегов озер. На совмещенной карте особо были выделены участки, которые в 1908 г. представляли собой сушу, а к 1955 г. оказались покрытыми водой; далее были выделены участки, претерпевшие обратный процесс; наконец, из всех последующих построений была исключена южная половина оз. Малто, поскольку для нее данные Введенского ненадежны (инструментальная съемка там не производилась). Как и следовало ожидать, контуры на период 1908 и 1955 гг. совместились в целом вполне удовлетворительно. Наибольшие расхождения обнаружились именно на пониженных участках озерного побережья и в мелководных зонах озер. Местами, особенно на оз. Ямбуто, береговая линия за рассматриваемый отрезок времени сместилась на расстояние более 2 км, и нет никаких оснований считать, что это всего лишь искажение, допущенное при съемке или при трансформации карт. По совмещенной карте проведена серия измерений и вычислений, результаты которых показаны в табл. 3.

Таблица 3. Сравнительная характеристика некоторых водораздельных озер Центрального Ямала по данным съемок 1908 и 1955 гг.

Следует заметить, что оз. Ямбуто - сточное, причем его собственный водосборный бассейн весьма невелик. Озера Малто, Ерто и Нгэвогыто - проточные, их собственный объединенный водосборный бассейн довольно значителен, и к тому же они взаимно зарегулированы. Все это дает основание предполагать, что режим оз. Ямбуто должен быть наиболее динамичным. Режим трех других озер должен быть сравнительно стабилен, причем степень их зарегулированности должна возрастать от оз. Нгэвогыто к озерам Ерто и Малто.

Как видно, данные таблицы вполне подтверждают высказанные выше соображения. "Изменчивость" сточного озера Ямбуто оказывается более чем вдвое выше изменчивости группы проточных озер. Самое же замечательное, что изменения озер рассматриваемых типов происходили с противоположной направленностью. Акватория оз. Ямбуто в целом неуклонно срабатывалась, а озера противоположного типа увеличивались в размерах, и все это происходило на фоне одинаковой обводненности (точнее, единых колебаний обводненности) территории. Вполне очевидно, что ценные результаты динамического порядка можно получить, продублировав эти наблюдения по новейшим топографическим материалам. Экологические и гидробиологические исследования рассматриваемой группы озер приобретут при этом достаточно надежную историческую и геоморфологическую основу.

Что касается классификации собственно озерных водоемов, то следует отметить несколько их наиболее распространенных типов, выделяемых в зависимости от глубины водной толщи, местного климата и содержания химических примесей в воде.

На основании глубины водоема выделяют три типа озер. Меромиктические - очень глубокие озера, в которых наблюдается постоянная стратификация водной толщи на верхний, хорошо перемешиваемый и соответственно богатый кислородом слой, называемый эпилимнионом; и нижний, застойный, более холодный и почти лишенный растворенного кислорода слой, называемый гиполимнионом. Граница резкого перепада температуры между упомянутыми слоями называется термоклиной. В озерах умеренных широт термоклина залегает обычно на глубине 5 - 10 м.

Голомиктические озера - более мелкие, один или несколько раз в году перемешиваемые на всю глубину, в которых стратификация имеет не постоянный, а периодический характер. К третьему типу относятся озера глубиной в несколько метров, в которых термической и химической стратификации вообще не происходит.

По частоте и периодичности циркуляции вод в связи с климатом выделяется несколько типов озер, главным образом в арктических и тропических областях. Озера же умеренных широт относятся все к типу димиктических, т. е. характеризующихся двумя периодами активного перемешивания и обновления вод (весной и осенью). Для наших условий весьма актуально подразделение озер в соответствии с климатом на промерзающие и непромерзающие, заморные и т. д.

Наиболее отвечающей интересам экологии является классификация озер по химическим особенностям воды и по их биологической продуктивности. На основании этих признаков выделяются три крупных типа озер. Олиготрофные - как правило, глубокие озера с прозрачной и холодной водой, бедной минеральным азотом и фосфором, с достаточным содержанием кислорода, но низким содержанием CO₂. Эвтрофные - неглубокие малопрозрачные озера, из-за геологических и прочих особенностей водосбора богатые азотом и фосфором. Биологическая продуктивность их весьма высокая, поэтому временами (особенно в глубинных слоях) ощущается острый дефицит кислорода. Азот при этом переходит в аммиачную форму. Дистрофные - мелкие озера в торфяных берегах. Вода в них окрашена в бурый цвет взвесью гуминовых веществ, вымываемых из торфяной залежи. Кислорода в воде чрезвычайно мало, жизнь в озере и само оно постепенно деградируют.

Между этими типами имеется масса взаимопереходных состояний. В частности, выделяются широко распространенные олиготрофно-эвтрофные (мезотрофные) озера. В целом в связи с аллювиальным процессом и сукцессиями водной растительности озера эволюционируют от олиготрофного к дистрофному типу. В результате человеческой деятельности на водосборных территориях эта естественная тенденция усиливается.

Не затрагивая здесь обширной области гидробиологии озер, совершенно необходимо рассмотреть ряд моментов, имеющих наибольшее практическое значение. К ним относится явление эвтрофикации (обогащения) водоемов - поистине ключевая проблема при оценке состояния и перспектив озерного хозяйства. Угроза эвтрофикации весьма актуальна и для океана. Эвтрофикацией называется процесс преобразования водной экосистемы в результате привнесения в водоем минеральных и органических питательных веществ с водосбора в таких количествах, которые не могут быть усвоены биоценозом водоема. Известные формулировки Ю. Одума (1975) в данном случае усилены указанием на то, что эвтрофикация - это процесс, и в первую очередь он связан с состоянием водосбора, с хозяйственной деятельностью на его территории.

Уместно заметить, что жизнь на Земле еще с момента ее зарождения сопровождалась локальными проявлениями эвтрофикации, т. е. это явление не характерно исключительно для современной геологической эпохи. Именно грандиозным масштабам эвтрофикации в отдаленном геологическом прошлом планеты мы обязаны сегодня наличием залежей угля, месторождений нефти, газа, горючих сланцев и многих других полезных ископаемых биогенного происхождения. Более того, эвтрофикация в прошлом могла быть одним из существенных факторов эволюции метаболизма сообществ, их структурно-функциональной организации, особенно в гетеротрофном цикле. На рис. 3 основные пути эвтрофикации сведены в схему.

Следует пояснить, что на рисунке отражены только новые причины эвтрофикации, связанные с деятельностью человека. Самостоятельное значение придается "тепловым загрязнениям" водоемов. В этой связи надо целиком согласиться с Ф. Д. Мордухай-Болтовским (1975), что "изучение тепла как экологического фактора в изменяемых человеком природных комплексах, по существу, только начинается" (с. 66). Как показано на схеме, отдельные тракты эвтрофикации обладают так называемым множественным эффектом, т. е. несут одновременно органические, минерально-солевые и тепловые загрязнения. Многие источники эвтрофикации обладают кумулятивными свойствами, т. е. в зависимости от дозы и периодичности воздействия могут то подавлять, то стимулировать метаболизм экосистемы. Наконец, отдельные "эвтрофикаторы" образуют между собой самые причудливые комбинации, суммарные биологические эффекты воздействия которых на текущем уровне знаний практически непредсказуемы.

Вполне очевидно, что подобные схемы должны быть составлены для каждого водоема, находящегося в критическом состоянии и нуждающегося в оздоровлении. Они и будут основной предпосылкой для выбора оптимальной стратегии борьбы с эвтрофикацией данного конкретного водоема.

Рис. 3. Пути эвтрофикации водоемов

Переходя к рассмотрению механизма эвтрофикации, следует подчеркнуть, что современные представления о нем весьма поверхностны: преобладают догадки и качественные предположения, но почти отсутствуют количественные оценки явлений. Естествознание, понимаемое в самом широком смысле, стоит здесь перед множеством проблем. Ведь в конце концов даже о воде как об активном субстрате протекания эвтрофикации предстоит выяснить очень многое. Французский физик М. Батисс весьма справедливо и своевременно заметил по этому поводу: "...понадобится еще много времени, прежде чем мы узнаем все об этом сложном веществе - жидкой воде. Физики продолжают выдвигать теории и строить модели, пытаясь объяснить все ее свойства" (Батисс, 1978, с. 16).

На рис. 4 сведены в определенную систему некоторые достаточно известные представления об отдельных элементах механизма эвтрофикации. Эта логическая схема, являющаяся по существу продолжением предыдущей (рис. 3), может служить вспомогательным средством для понимания действия на гидроэкосистемы всевозможных токсичных веществ, эффективность, производство, применение и соответственно утечки которых растут с фантастической скоростью. Особо следует продумать схему и конкретное содержание отдельных этапов эвтрофикации: механизмы вспышек и угасания автотрофного и гетеротрофного циклов метаболизма озерных биоценозов. Создание количественной и динамической модели явления эвтрофикации представляется одной из важнейших междисциплинарных проблем современности.

Попытки "лечения" озер предпринимаются во многих странах и на всех континентах. В Западной Европе наиболее радикальные меры для оздоровления озер предпринимаются ГДР, Венгрией, Швецией, Францией, Данией и Италией. В Венгрии на оз. Балатон построены сооружения, перехватывающие сток в него органических веществ (Sigray, 1979). Относительно знаменитого Женевского оз., например, с 1963 г. действует франко-швейцарская конвенция. На основании конвенции на озере сооружено около 100 очистных станций, запрещен сброс пестицидов, начаты работы по дефосфатации стоков. К 1978 г. качество воды в Женевском оз. стабилизировалось, но существенное улучшение обстановки ожидается не ранее чем через 15 лет (Vernet, Scolari, 1980). В Швейцарии же в отдельных случаях рекомендуется извлечение глубинных вод и их обогащение кислородом (Arnbuhl, 1978).

Рис. 4. Принципиальный механизм эвтрофикации водоемов

Во Франции наиболее серьезное положение сложилось на крупнейшем оз. Бурже (площадь 45 км²): для его сохранения требуется на 95% сократить сброс в него сточных вод. С этой целью за пять лет построен подземный коллектор (Rey, 1980). Канал-коллектор сооружен также вокруг оз. Паландру (Chassin, 1978). Аналогичным образом поступают в Италии: там на оз. Варези сооружена система перехвата стоков и переработки их на центральной станции очистки, а не на множестве мелких станций; централизованная очистка считается более эффективной (Frangipane, 1978). В Дании на примере оз. Наксков для очистки речных стоков в озеро весьма успешно применяют водорослевые пруды-отстойники (Nyholm, Sorensen и др., 1978).

В Швеции действуют наиболее радикально: на небольших озерах откачивают со дна ил, транспортируют его в отстойники и используют в дальнейшем в качестве удобрения. В ряде случаев органические осадки с помощью соответствующих веществ биохимически окисляются непосредственно в озере. Наконец, сильно эвтрофицированные и заросшие высшей растительностью озера механически пропалываются в несколько приемов с культивацией грунта - вычесыванием и измельчением корней растений (Gelin, 1978; Roralett, 1978). Аналогичные мероприятия практикуются и в ГДР, где только до 1980 г. на "лечение" озер было ассигновано 130 млн. марок.

В США и Канаде наиболее острая проблема - сохранение Великих озер. С 1972 г. действует канадско-американская комиссия по качеству воды в Великих озерах, имеющая соответствующие научно-исследовательские вспомогательные подразделения. Важнейшие мероприятия предусматривают устранение фосфатов из моющих препаратов, более полную очистку сточных вод, механическое усиление водообмена, удаление высшей водной растительности, аэрацию гиполимниона (Delfino, 1979; Maugh, 1979). Для строительства очистных сооружений на Великих озерах от США требуется около 5 млрд. долл. капитальных затрат, от Канады - 65 млн. долл. Как видим, дело восстановления нарушенных озерных экосистем весьма сложное и дорогостоящее, но общество вынуждено идти на это.

В связи с растущими антропогенными "нагрузками" на озерные ландшафты большой научный и практический интерес представляют исследования динамики превращений в системе: "озеро - болото (дериват озера) - лес (дериват озера - болота)". Термином "дериват" в широком смысле обозначается производное от чего-либо первичного (болото на месте озера - дериват озера, лес на месте болота - дериват болота и т. д.). Вполне очевидно, что эта проблема затрагивает интересы не только озероведения, болотоведения и лесоведения. На примере группы озер Ильменского государственного заповедника на первый взгляд с противоположных, а фактически - взаимодополняющих исходных теоретических и методических позиций были сделаны первые попытки в изучении этой проблемы (Маковский, 1978а, 19786; Плотников, 1978а, 19786).

В. И. Маковский тщательно исследовал структуру фитоценозов и стратиграфию торфяной залежи на нескольких типичных дериватах озер. Мною по результатам дешифрирования аэрофотоснимков были получены и статистически обработаны сведения о нескольких десятках генетически сходных и одновозрастных озерно-болотно-лесных комплексов, находящихся в различных состояниях деривации ("продвинутости замещения"). И в том и в другом исследовании были даны региональные прогнозы (в том числе и количественные), которые в основных своих чертах совпадают. И все-таки полученные результаты недостаточно корректны, поскольку в обеих работах не принимались в расчет параметры и вообще какие-либо характеристики водосборных территорий исследуемых водоемов. Исследования должны быть продолжены именно с учетом всевозможных характеристик, а указанные работы могут быть полезны в рекогносцировочном и методическом плане.

Выше речь шла главным образом о пресных озерах. Соленые озера имеют множество специфических особенностей. Как известно, к пресным относятся воды, содержание растворенных солей в которых менее 0,1%; при минерализации от 0,1 до 3,5% воды считаются солоноватыми, а собственно соленые - это воды с минерализацией более 3,5% (в открытом океане на глубине 300 м соленость составляет 3,5%). Соленость и химический состав солей в соленых озерах варьируют в широких пределах. Так, известны карбонатные, углекислые (содовые), сульфатные, сернокислые, хлоридные и многие другие типы химического состава озерной воды, а содержание солей может достигать нескольких десятков процентов. В зависимости от гидрометеорологических факторов соленость и тип минерализации в одном и том же озере могут периодически изменяться, подчиняясь одновременно нескольким хронологическим ритмам.

Особый интерес для эколога представляют озерные провинции, подобные Северному Казахстану, где пресные и соленые озера чередуются в непосредственной близости одно от другого, а иногда даже отдельные участки одного и того же озера могут быть либо пресными, либо солеными. В таких ситуациях требует специального изучения структура и динамика населения переходной полосы. В целом же видовое разнообразие растений и животных в соленых озерах по сравнению с пресными обычно невелико, но популяции отдельных видов могут достигать очень высокой плотности. Существенную роль в эвтрофикации таких водоемов играют водоплавающие птицы.

К числу зональных природных явлений относятся озера термокарстового типа, распространенные в поясе многолетнемерзлых грунтов, занимающем около 49% территории СССР. Характерной особенностью этих озер является их высокая геоморфологическая активность: на Южном Ямале, например, термокарстовые озера занимают около 20% площади, но их деятельностью переработано до 50% поверхности водораздельных пространств. Имеются убедительные доказательства, что днища спущенных термокарстовых озер можно трансформировать в превосходные луга (Крючков, 1979). Народнохозяйственное значение озер многообразно: здесь надо учитывать кроме биологических ресурсов и запасы различных солей, и урожаи тростника (до 200 ц с гектара), и лечебные грязи, и залежи сапропеля, и отложения торфа... Степень использования всех этих ресурсов пока что невысокая. Между тем абсолютно все полезные отправления озер относительно легко доступны для оптимизации и регулирования путем простейших гидротехнических и мелиоративных мероприятий (дноуглубительные работы, сооружение дамб, облесение берегов, строительство каналов или плотин на временных и постоянных водотоках, снегонакопление, аэрация, подсев кормовых трав, разведение ценных пород рыб и т. д.). Важной народнохозяйственной задачей является паспортизация озер, и в первую очередь в наиболее освоенных районах.