Пресноводные водоёмы как сложные экосистемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Пресноводные водоёмы как сложные экосистемы

Введение

Ресурсы пресной воды являются важным компонентом гидросферы Земли и неотъемлемой частью всех земных экосистем. Среда пресноводных водоемов характеризуется круговоротом воды, включая наводнения и засухи, последствия которых в ряде регионов стали более серьезными и трагическими. Изменение глобального климата и загрязнение атмосферы также может оказывать воздействие на ресурсы пресной воды и их наличие и в результате подъема уровня моря представлять угрозу для и низинных прибрежных районов и экосистем малых островов.

Вода необходима во всех сферах жизни. Общая цель заключается в обеспечении адекватного снабжения водой хорошего качества всего населения нашей планеты, при этом сохраняя гидрологические, биологические и химические функции экосистем, корректируя деятельность человека с учетом возможностей природы и борясь со связанными с водой заболеваниями. Новые технологии, включая совершенствование местных технологий, необходимы для обеспечения полного использования ограниченных водных ресурсов и охраны этих ресурсов от загрязнения.

Нехватка пресной воды, постепенное уничтожение и усилившееся загрязнение ресурсов пресной воды, получившие широкое распространение во многих регионах мира, наряду с наращиванием объема нерациональной деятельности требуют обеспечения комплексного планирования и рационального использования водных ресурсов.

Такой комплексный подход должен охватывать все виды взаимосвязанных пресноводных водоемов, включая ресурсы поверхностных и подземных вод, и должным образом учитывать количественные и качественные аспекты, связанные с водой.

Необходимо признать много секторальный характер освоения водных ресурсов в рамках социально-экономического развития, а также многоцелевое использование водных ресурсов для целей водоснабжения и санитарии, сельского хозяйства, промышленности, городского развития, выработки гидроэлектроэнергии, внутреннего рыболовства, транспорта, отдыха, рационального использования низинных и равнинных земель и других видов деятельности.

Проекты рационального использования воды в целях освоения поверхностных и подземных источников водоснабжения и других потенциальных источников должны быть подкреплены одновременными мерами по охране вод и сведения к минимуму количества отходов. Первоочередное внимание, однако, должно придаваться мерам по предотвращению последствий наводнений и борьбе с ними, а также борьбе с наносами, в случае необходимости.

Трансграничные водные ресурсы и их использование имеют важное значение для прибрежных государств. В этой связи сотрудничество между этими государствами, возможно, было бы желательно в соответствии с существующими соглашениями или другими соответствующими механизмами, принимая во внимание интересы всех соответствующих прибрежных государств.

1. Экосистема

Экосистема (от греч. oikos - жилище, местопребывание и systema - сочетание, объединение), экологическая система, совокупность совместно обитающих организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом и образующих систему взаимообусловленных биотич. и абиотич. явлений и процессов.

Термин предложен А. Тенсли (1935), который считал, что экосистема «с точки зрения эколога, представляют собой основные природные единицы на поверхности земли», в которые входит «не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих то, что мы называем средой биома - факторы местообитания в самом широком смысле». Он подчёркивал, что для экосистемы характерен «разного рода обмен веществ не только между организмами, но и между органическим и неорганическим».

Понятие экосистемы относится к объектам разной степени сложности и размеров. Можно выделить экосистему пруда или озера в целом и в то же время различать экосистемы прибрежных зарослей водных растений или донной области. Массив леса - экосистема, в пределах которой находятся экосистемы почв разного типа, экосистема гниющего пня и т. д.

Чаще под экосистемой понимают совокупность организмов и неживых компонентов среды их обитания, при взаимодействии которых происходит большой или малый полный биотический круговорот. Термин экосистема приложим и к искусственным экосистемам (с.-х. угодья, сады, парки, сооружения биологической очистки сточных вод и пр.).

Экосистемы могут быть высоко устойчивыми, сохраняющими свои характерные особенности на протяжении длительного времени, или кратковременными (например, экосистемы эфемерных водоёмов). Независимо от степени сложности экосистема характеризуется видовым составом, численностью входящих в неё организмов, биомассой, соотношением отдельных трофических групп, интенсивностью процессов продуцирования и деструкции органического вещества. Пространственное разграничение экосистемы может быть выражена более или менее отчётливо, а в отношении протекающих в них процессов круговорота они могут быть в большей или меньшей степени автономными.

Существование экосистемы возможно лишь при притоке из окружающей среды не только энергии, но и большего или меньшего количества вещества. Все реальные экосистемы (в совокупности слагающие биосферу Земли) принадлежат к открытым системам.

С середины 20 в. (в значительной степени в связи с остротой вставших перед человечеством экологических проблем) широко развернулись исследования по количественной оценки функциональных особенностей экосистемы. Для понимания структуры, продуктивности и устойчивости экосистемы важно изучение трофических связей, через которые в экосистеме осуществляются процессы биологической трансформации вещества и энергии. Количественное определение интенсивности и эффективности этих процессов современными методами, в частности с помощью математического моделирования экосистемы - необходимая основа решения актуальных вопросов рационального использования биологических ресурсов природы и сохранения среды обитания человека.

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

- климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

- неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

- органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;

- продуценты - организмы, создающие первичную продукцию;

- гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

- гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

- биофаги - организмы, поедающие других живых организмов;

- сапрофаги - организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами.

Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет. Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

2. Водная экосистема

Главный объект исследований гидроэкологии - водные экосистемы. Большинство экологов рассматривают экосистему как “локализованную в пространстве и динамичную во времени совокупность совместно обитающих и входящих в сообщества различных организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи между собой и образующих систему взаимообусловленных биотических и абиотических процессов” (Алимов, 2001). В результате взаимодействия организмов между собой и окружающей их средой внутри экосистемы организуются потоки вещества, энергии и информации.

Экосистема может быть представлена как биологическое разнообразие видов плюс взаимосвязь потоков вещества, энергии и информации, причем последние рассматриваются как организующие и регулирующие (Bayers, Odum, 1993). Динамическое взаимодействие потоков вещества, энергии и информации, обеспечивающее стабильность экосистемы во времени в конкретных условиях среды, и есть ее функционирование.

Пресноводные экосистемы.

По сравнению с наземными и морскими экосистемами пресноводные экосистемы занимают сравнительно малую часть поверхности земли, но их значение для человека поистине огромно.

Пресные воды - самый удобный и дешевый источник для бытовых и промышленных нужд, запасы которых в планетарном гидрологическом цикле очень ограничены. Пресноводные экосистемы - самая удобная система третичной переработки отходов. Вот почему почти все крупные города располагаются на больших реках, озерах, в лиманах, которые служат бесплатными коллекторами. Человек всегда злоупотреблял использованием этого природного ресурса, поэтому пресноводные источники оказались сильно загрязненными, и все острее становится проблема обеспечения человека чистой пресной водой.

Вода обладает рядом уникальных термодинамических свойств, способствующих уменьшению температурных колебаний. Поэтому диапазон различных изменений в воде меньше, и происходят они значительно медленнее, чем в воздухе.

Можно отметить следующие самые важные термодинамические свойства воды:

- высокая удельная теплоемкость. Это значит, что для изменения температуры воды требуется относительно большое количество тепла. Для повышения температуры 1 мл. воды (1 грамм) на 1°С (например, от 15 до 16°С) необходимо затратить 1 калорию тепла. Только аммиак и немногие другие вещества обладают удельной теплоемкостью по принципам:

- большая скрытая теплота плавления. Для превращения 1 грамма льда в воду необходимо затратить 80 кал. (столько же тепла выделяется при замерзании воды);

- самая высокая скрытая теплота преобразования. При испарении (а оно происходит постоянно с поверхности растений, воды и льда) 1 г. воды поглощается 536 кал. Значительная часть солнечной энергии, поступающей на землю, расходуется на испарение воды. Этот поток энергии смягчает климат и делает возможным существование организмов;

- наибольшей плотностью вода обладает при 4°С. При температуре выше или ниже этого уровня вода расширяется и становится легче. Это уникальное свойство предохраняет, например, озера от промерзания до дна.

Лентические экосистемы.

Большинство пресных водоемов, которые заполнены сейчас стоячей водой (озера, пруды), в геологическом смысле молоды. Очень немногие из них, как озеро Байкал, являются древними, а остальные образовались не раньше ледникового периода. Крупные озера и пруды имеют четкую зональность и стратификацию. В литоральной зоне встречаются прибрежные укореняющиеся растения, в лимнической (открытой воде) зоне доминирует планктон, в глубоководной зоне живут только гетеротрофы.

В областях с умеренным климатом озера часто становятся стратифицированными летом и зимой, что вызывается нагреванием и охлаждением воды. Более теплые верхние слои временно изолируются от охлажденных глубинных под зоной термоклина, которая служит преградой для обмена различными веществами.

Вследствие этого запасы кислорода в глубине озер и биогенных элементов в верхних слоях истощаются. Весной и осенью, когда температура всей модной массы выравнивается, происходит перемешивание. В странах с теплым климатом перемешивание поды в озерах и прудах происходит один раз в год, в тропиках этот процесс идет постепенно и нерегулярно.

Первичная продукции экосистем со стоячей водой зависит от химической природы бассейна и от природы поступающих с притоками с суши веществ.

Урожай рыбы с единицы водной поверхности выше в мелких, чем в глубоких озерах, однако в глубоких рыба бывает крупнее. Парадокс состоит в том, что с точки зрения хозяйственного и рекреационного использования биологически бедные озера предпочтительнее высокопродуктивных. В одних местах люди увеличивают плодородие озер для нужд собственного питания, тогда как в других местах сдерживают плодородие (отравляя растения) ради сохранения красоты озера для организации купания и отдыха, считая водоемы, дающие много рыбы, не подходящим местом для этого.

Строительство искусственных прудов и водохранилищ, кроме изменения ландшафта и получения доходов, имеет и много отрицательных моментов, не знать и не считаться с которыми нельзя.

Затопление плодородных земель приводит к неполучению продуктов питания, в стоячей воде загрязнения окисляются медленнее, чем в проточных, при отсутствии растительности вода быстрее испаряется.

Поэтому, прежде чем приступить к строительству новых водохранилищ, следует провести всесторонний анализ и тщательный подсчет будущих выгод.

Тепловой бюджет искусственных водохранилищ сильно отличается от природных озер. Если водосброс в них придонный, то вниз по течению экспортируется холодная вода из нижних слоев, богатая биогенными элементами и бедная кислородом, а поверхностная, более теплая вода задерживается в водохранилище.

В этом случае водохранилище становится ловушкой тепла и экспортером биогенных элементов. Естественные, природные озера и пруда с поверхностным водосливом функционируют как ловушка биогенных элементов и экспортер тепла. Следовательно, характер водосбора сильно влияет на условия вниз по течению, и это надо учитывать при новом строительстве.

Лотические экосистемы.

В текучих водах (реки, родники, ручьи) происходит более интенсивный обмен между сушей и водой, здесь выше концентрации кислорода, и распределен более равномерно, почти отсутствует термическая стратификация (слои теплой и холодной воды). На протяжении конкретного речного потока можно выделить две зоны:

- перекаты: участки с достаточно быстрым течением, здесь дно свободно от ила и обломочных материалов. В этой зоне обитают организмы, прикрепляющиеся или прилипающие к грунту (личинки веснянок и ручейников), ими хорошие пловцы, способные плыть против течения (форель, жерех и др.);

- плесы: глубоководные участки с медленным течением. Здесь дно илистое или песчаное, благоприятное для жизни роющих и плавающих животных, укореняющихся растений и для развития планктона.

Заболоченные экосистемы.

Заболоченными участками называются пространства, которые часть года покрыты пресной водой. Почвы здесь насыщены водой постоянно.

Болота представляют собой открытые системы и по уровню связи с более глубокими водоемами классифицируются:

1. речные болота, расположенные в заливных долинах, связанных с реками;

2. озерные болота, которые соединены с озерами, прудами или каналами запруженных рек. Они периодически заполняются водой, когда ее уровень повышается в этих глубоководных водоемах;

3. собственно болота - это верховые и низинные болота, топи, сырые луга и временные пруды.

Хотя болота занимают лишь около 2% поверхности земли, по оценкам ученых (Armentano, 1980) здесь содержится от 10 до 14% углерода. Дренирование таких почв и использование для нужд сельского хозяйства приводит к высвобождению в атмосферу больших количеств углекислого газа и усугубляет «СО2 - проблему», т. е., всемирного потепления климата.

Экологи и экономисты в 70-х годах доказали ценность болот, и что нельзя рассматривать их как бросовую землю.

3. Антропогенное воздействие

Загрязнение водных экосистем представляет огромную опасность для всех живых организмов, и в частности для человека. Пресноводные экосистемы. Установлено, что под влиянием загрязняющих веществ в пресноводных экосистемах отмечается падение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, микробиологического загрязнения, эвтрофирования и других крайне неблагоприятных процессов.

Они снижают темпы роста гидробионтов, их плодовитость, а в ряде случаев приводят к их гибели. Наиболее изучен процесс эвтрофирования водоемов. Этот естественный процесс, характерный для всего геологического прошлого планеты, обычно протекает очень медленно и постепенно, однако в последние десятилетия, в связи с возросшим антропогенным воздействием, скорость его развития резко увеличилась. Ускоренная, или так называемая антропогенная эвтрофикация связана с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ - азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т. д.

В современных условиях эвтрофикация водоемов протекает в значительно менее продолжительные сроки - несколько десятилетий и менее.

Антропогенное эвтрофирование весьма отрицательно влияет на пресноводные экосистемы, приводя к перестройке структуры трофических связей гидробионтов, резкому возрастанию биомассы фитопланктона благодаря массовому размножению сине-зеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды, ухудшающих ее качество и условия жизни гидробионтов (к тому же выделяющих опасные не только для гидробионтов, но и для человека токсины).

Возрастание массы фитопланктона сопровождается уменьшением разнообразия видов, что приводит к невосполнимой утрате генофонда, уменьшению способности экосистем к гомеостазу и саморегуляции (Яблоков, 1983).

Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают многие крупные озера мира - Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь малые реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы сине-зеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей растительностью. Сами же сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие опасность для гидробионтов и человека.

Помимо избытка биогенных веществ на пресноводные экосистемы губительное воздействие оказывают и другие загрязняющие вещества: тяжелые металлы (свинец, кадмий, никель и др.), фенолы, СПАВ и др.

Так, например, водные организмы Байкала, приспособившиеся в процессе длительной эволюции к естественному набору химических соединений притоков озера, оказались неспособными к переработке чуждых природным водам химических соединений (нефтепродуктов, тяжелых металлов, солей и др.). В результате отмечено обеднение гидробионтов, уменьшение биомассы зоопланктона, гибель значительной части популяции байкальской нерпы и др.

Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в последнее время резко возросли. Ежегодно в океан сбрасывается до 300 млрд. м³ сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе и наземных животных - морских птиц, например. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды, пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.).

Заключение

Водная экосистема это природный объект, который является единством взаимозависимых среды и обитающей в ней биоты. Поэтому, для того, чтобы охарактеризовать состояние водной экосистемы, необходимо знать показатели воды как среды обитания и показатели биотической (организменной) части экосистемы.

Каждая водная экосистема находится в определенном состоянии, которое выражается в определенном сочетании показателей средовой и организменной составляющих водной экосистемы. Конкретному состоянию водной экосистемы соответствует определенный уровень способности к самоочищению, который может быть охарактеризован сочетанием показателей среды и биоты, а набор и величины их могут быть выражены в интервалах значений. экологический пресноводный водоем

Способность экосистем поверхностных водных объектов к самоочищению эксплуатируется при антропогенной деятельности как механизм утилизации сточных вод. Поэтому возникает необходимость адекватно ее оценивать, что невозможно сделать без экосистемного подхода к водному объекту.

На способность к самоочищению, а, следовательно, на состояние водной экосистемы, влияет ряд факторов как внешнего воздействия на водный объект, так и внутренних закономерностей саморазвития его водной экосистемы.

Список литературы

1. Савчук О.П. Модель химико-биологических взаимодействий // Проблемы исследования и математического моделирования экосистемы Балтийского моря. Вып. 5. Экосистемные модели. Оценка современного состояния Финского залива. Часть 1. Математические модели / Под ред. И.Н. Давидана, О.П. Савчука. - СПб.: Гидрометеоизд.

2. Liebig J. Chemistry in Its Application to Agriculture and Physiology London: Taylor and Walton 1840.

3. Stenseth N.C. Causes and consequences of dispersal in small mammals The Ecology af animal movement I.R. Swingland and P.J. Greenwood eds., 63-101, Oxford University Press.

4. Thomas R.H., Walsby A.E. Buoyancy regulation in a strain of Microcystis // J. Gen. Microbiol., v. 131, p. 799-809.

5. Астраханцев Г.П., Меншуткин В.В., Петрова Н.А. Моделирование экосистем больших стратифицированных озер. - М.: Наука, 2003. - 363 с.

6. Сердюцкая Л.Ф. Системный анализ и математическое моделирование экологических процессов в водных экосистемах. - М.: Либроком, 2009.

7. Техногенное загрязнение речных экосистем. - М.: Научный мир, 2002. - 140 с.

8. Экосистемы малой реки в изменяющихся условиях среды. - М.: КМК, 2007. - 384 с.

Размещено на Allbest.ru