Приток питательных веществ как фактор изменения экологического равновесия в водоемах. Возможности определения биогенной нагрузки.

Интенсификация сельскохозяйственного производства существенно меняет хозяйственно-биологический круговорот веществ, что нередко приводит к обострению экологических проблем, связанных с функционированием агроэкосистем, в том числе обусловленных состоянием поверхностных и подземных вод, которые не только загрязняются токсичными веществами, но и находятся под воздействием процессов усиленного эвтрофирования (от греч. еutrophe– тучность, жирность, усиленное питание).

Под эвтрофированием нередко понимают обогащение вод питательными веществами, вызывающее массовое развитие водорослей. Однако это всего лишь видимая часть сложного естественно-антропогенного процесса, в котором превалируют природные процессы, а воздействие человека играет роль мощного катализатора. Таким образом, эвтрофирование (эвтрофикация, эвтрофия) вод – это повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под воздействием антропогенных или естественных (природных) факторов.

Начальным этапом процесса эфтрофирования признано избыточное поступление биогенных элементов в водотоки и водоемы. Однако этот процесс не ограничивается поверхностыми водами, поэтому в последние годы термин «эвтрофирование» применяют и для характеристики состояния подземных вод, а также загрязнения зон морей и Мирового океана. На рис. 10.2 показаны основные процессы развития эвтрофирования.

В геологических масштабах времени водоемы постепенно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами, т.е. эвтрофирование - часть природного процесса, естественный процесс «старения» водоемов, проявляющийся в повышенной продукции органического вещества. Однако хозяйственная деятельность человека значительно ускоряет процесс эвтрофирования: за несколько десятилетий антропогенный фактор эвтрофирования привел к изменениям, которые в естественном ритме произошли бы в водоемах за десятки тысяч лет. Этому способствовало строительство каскадов ГЭС и водохранилищ, рекреационные мероприятия, судоходство, сбросы промышленных, коммунально-бытовых и животноводческих сточных вод, ливневые стоки селитебных территорий и т.д. (рис. 10.3).

Наиболее быстро процесс антропогенного эвтрофирования развивается в водоемах, площади водосборов которых осваиваются сельскохозяйственным производством. Факторы интенсификации растениеводства и животноводства (механизация, мелиорация и особенно химизация и промышленное производство) стали мощным ускорителем процесса эвтрофирования вод.

Основные химические элементы, способствующие эвтрофикации — фосфор и азот, главным образом, в виде фосфатовинитратов. Основные антропогенные источники фосфора и азота: необработанные сточные воды (в особенности из животноводческих комплексов) и смыв удобрений с полей.

Явным признаком эфтрофирования как процесса нарушения экологического равновесия водоема следует считать изменение соотношения между двумя жизненными формами водных растений: бентосной и фитопланктонной. Рис. 10.4

Основное условие устойчивого фотосинтеза бентосных растений (укореняющихся на дне) – проникновение сквозь толщу воды достаточного количества света, что находится в прямой зависимости от фитопланктона (свободно плавающие водоросли).

Несбалансированная эвтрофикация может приводить к бурному развитию водорослей (цветение воды), и появлению в воде цианобактерий, которые в период цветения выделяют токсины (алкалоиды и низкомолекулярные пептиды) способные вызвать отравление людей и животных, а также приводит к дефициту кислорода, заморам рыб и животных. Этот процесс можно объяснить малым проникновением солнечных лучей вглубь водоёма и, как следствие, отсутствием фотосинтеза у надонных растений, а значит и кислорода. (рис. 10.5 и 10.6).

В упрощённом виде процесс эвтрофирования имеет следующие базовые стадии:

• В верхнем слое воды происходит концентрация биогенных веществ, что провоцирует активное развитие микрофлоры (прежде всего, фитопланктона, также водорослей-обрастателей) в этой зоне и увеличение массы питающегося фитопланктономзоопланктона. Подобный рост снижаетпрозрачность воды, глубина проникновения лучей солнца уменьшается, в результате недостатка света начинается гибель придонных растений. Процесс отмирания донных водных растений влечёт за собой гибель прочих организмов, которым эти растения формируют местообитание или для которых они являются вышестоящим звеном в пищевой цепи.
• От температурного режима верхнего слоя воды зависит активность увеличения биомассырастений (особенно водорослей). В ночное времяфотосинтезв этих растениях не происходит, но активный процесс дыхания продолжается. Летом, в предутренние часы тёплых дней, содержание кислорода в верхних горизонтах воды падает и наблюдается гибельаэробныхорганизмов, населяющих эти горизонты и требовательных к содержаниюкислорода(так называемый«летний замор»).
• Отмершие организмы падают на дно водоёма и разлагаются аэробнымибактериями. Однако, страдающая от гипоксии донная растительность уже не в состоянии обеспечивать производство кислорода в должной мере. А если учесть, что общая биопродуктивность эвтрофного водоема увеличивается, нарастает дисбаланс между производством и потреблением кислорода в придонных горизонтах. Усугубившийся дефицит кислорода ведёт к гибели требовательной к кислороду донной и придонной фауны. Схожее явление наблюдается зимой в мелководных замкнутых водоёмах — т.н.«зимний замор».
• В донном грунте, лишенном кислорода, идет анаэробный распад отмерших организмов с образованием таких сильных ядов, как фенолы и сероводород, и столь мощного «парникового газа» (по своему эффекту в этом плане превосходящего углекислый газ в 25 раз), как метан. В результате процесс эвтрофикации уничтожает большую часть видов флоры и фауны водоема, практически полностью разрушая или очень сильно трансформируя его экосистемы, и сильно ухудшает санитарно-гигиенические качества его воды, вплоть до её полной непригодности для купания и питьевого водоснабжения. Водоём может даже стать болотом из-за низкого уровня кислорода.

Оценка распространения биогенных веществ в водном объекте может быть проведена на основе определения удельной (по объему) биогенной нагрузки (Н) на водоем по следующей формуле:

По удельным показателям биогенной нагрузки составляют территориальную характеристику степени опасности антропогенного поступления биогенных веществ в водные объекты. Основную сложность при этом представляет оценка суммарного поступления биогенных веществ (∑W_ni). Для определения этого показателя предложено множество подходов, разработаны различные модели, описывающие поведение биогенных веществ в пределах водосборов с количественной оценкой их поступления от различных источников. Задача несколько упрощается, если каждый фактор – участник биогенной нагрузки на площади данного водосбора рассматривать отдельно. Если в качестве такого фактора выбрать воздействие сельскохозяйственного производства, то удельную биогенную нагрузку (Н_с.-х) можно определить по формуле:

Анализ удельных показателей биогенной нагрузки позволяет установить особенности сельскохозяйственного производства в бассейне и биогенного загрязнения как всего водотока, так и отдельных его частей.

Косвенным показателем интенсивности выноса биогенных веществ в водоемы является удельная сельскохозяйственная нагрузка , определяемая как отношение площади сельскохозяйственных угодий к длине сопряженного участка водного объекта:

Для определения биогенной нагрузки на водные объекты зарубежными и отечественными исследователями предложены различные методы расчета, в том числе и на основе оценки выноса биогенных веществ с аграрных территорий.

В Гидрохимическом институте Роскомгидромета на основании результатов полевых наблюдений разработано около 60 частных моделей выноса азота в форме NH₄⁺ и более 90—в форме NO2^-, а также установлены зависимости смыва NO₃^- и PO₄^3- с аграрных территорий. Особый интерес представляют модели прогнозирования биогенной нагрузки, ориентированные на решение оптимизационных задач с помощью методов линейного и динамического программирования. При расчете поступления биогенных веществ от рассредоточенных источников рекомендуется рассматривать три основных комплекса: гидрологический, почвенно-эрозионный и почвенно-химический. Гидрологический комплекс включает характеристики, отражающие зависимость выноса биогенов от поверхностного и почвенного стоков, инфильтрации, испарения, густоты гидрографической сети (рис 1 и 2), особенностей гидрологического режима, интенсивности осадков, изменчивости снеготаяния, уклонов рельефа, водно-физических свойств почв, степени покрытия водосборов растительностью и множества других факторов.

Почвенно-эрозионный комплекс включает систему характеристик, отражающих изменчивость гранулометрического состава почв (рис 3), их физических свойств и различных зон накопления биогенных веществ (поверхностной, верхней, нижней и зоны грунтовых вод). Многочисленные исследования миграции загрязняющих веществ по вертикали позволили выявить особенности распространения биогенных веществ в реальных условиях. Имеются также уравнение для расчета транспорта выносов с поверхностным стоком.

Почвенно-химический комплекс включает характеристики, учитывающие трансформацию загрязняющих биогенных веществ в ходе их миграции (рис. 10.10).

Анализ существующих подходящих определению выноса биогенных веществ в водные объекты показывает, что рассмотренные модели не может быть использованы для прогнозирования и оптимизации биогенного загрязнения вод на этапе проектирования, так как для этих целей необходимы подходящие данные об экологическом состоянии изучаемых систем, получаемых на основе укрупненных показателей как в пространстве, так и во времени (месяц, сезон, год). Расчеты основываются на большом числе данных (начальная концентрация вещества в стоке, интенсивность поверхностного стока, концентрация вещества в потоке, количество биогенных веществ в пахотном слое почвы, слой поверхностного стока за расчетный интервал времени, глубина на пахотного слоя и его активной зоны, полная влагоемкость почвы и т. д.).

Для ориентировочной оценки поверхностного сноса и выноса биогенных веществ из почвы рекомендуется агрохимический подход, основанный на за­висимости их потерь от процессов вымывания и выщелачивания, а также от выноса с урожаем.