О : Безносов В.Н., Суздалева А.Л.
реклама
ОПУБЛИКОВАНО: Безносов В.Н., Суздалева А.Л. Экологические последствия техногенных нарушений стратификации водоемов // Инженерная экология. 2000. №1. С.14-21. Экологические последствия техногенных нарушений стратификации водоемов В.Н. Безносов, А.Л. Суздалева Водная толща подавляющего большинства водоемов – от относительно мелких континентальных, типа озер и водохранилищ, до океанов – стратифицирована. Она состоит из слоев, воды которых существенно отличаются по своим свойствам. Явление стратификации обусловлено физическими свойствами воды и, в связи с этим, в том или ином виде существовало на протяжении всей истории биосферы. Можно сказать и по другому: характер приспособительной эволюции водных организмов во многом определялся особенностями режима стратификации водоема. Биотопом большинства водных организмов является не весь водоем, а определенный его слой. Происходящее вследствие некоторых видов человеческой деятельности нарушение стратификации приводит к резкому изменению условий среды и оказывает существенное воздействие на представителей различных групп водной биоты. [1]. Однако при оценке экологических последствий реализации различных проектов, связанных с эксплуатацией водных ресурсов этот фактор во многих случаях учитывается недостаточно. Основное внимание специалистов, как правило, концентрируется на определении традиционных форм загрязнения водной среды, а нарушение структуры ее водных масс в лучшем случае описывается довольно расплывчатыми понятиями: например, «нарушение биотопов планктонных организмов». Вместе с тем, в настоящее время исследования этого вида антропогенного воздействия представляет весьма актуальную задачу, так как если в прошлом человек использовал только мелководные прибрежные части крупных водоемов, в настоящее время в сферу технологической деятельности постепенно вовлекается весь объем их вод, что достаточно часто сопровождается нарушением стратификации вод. Условно все виды деятельности, приводящие к нарушению вертикальной структуры вод, можно разделить на 2 группы. К первой из них относятся те случаи, когда подъем холодных глубинных вод осуществляется целенаправленно. Сюда относятся различные системы искусственного апвеллинга, использующие богатые биогенами глубинные воды для повышения продуктивности хозяйств морской аквакультуры [2]. Как правило, объем глубинных вод, использующийся на объектах мари-культуры, относительно невелик и способен вызвать сугубо локальные изменения в водной среде. Однако некоторые проекты предусматривают использование искусственного апвеллинга в более широких масштабах [3]. В больших масштабах целенаправленный подъем глубинных вод осуществляется в так называемых ОТЭС (океанских термальных электростанциях) [4, 5]. Имеющие постоянно низкую температуру глубинные воды представляют значительный интерес и для использования в системах охлаждения различных промышленных и энергетических объектов [6]. В другой группе видов человеческой деятельности нарушение стратификации водоемов является побочным явлением. Постоянная или временная дестратификация водной среды может возникнуть в результате строительства гидротехнических сооружений, подводных взрывных работ, прокладки кабелей и трубопроводов. Само по себе наличие в толще воды каких-либо конструкций (например, опор нефтяных платформ) при взаимодействии с водными течениями может вызвать образование восходящих потоков глубинных вод. Характер динамики вод может измениться и в результате строительства искусственных рифов [7]. Схожие явления могут вызываться и при искусственном изменении донного рельефа. Нарушение стратификации водоемов, при подъеме больших объемов глубинных вод в поверхностные горизонты, происходит при добыче полезных ископаемых в море [8]. Аналогичные процессы могут быть связаны со строительством и функционированием приливных электростанций (ПЭС) [9]. Крупномасштабные изменения строения водной толщи могут быть вызваны сокращением стока рек, вследствие строительства водохранилищ или забора воды для орошаемого земледелия. Например, ожидается, что в первой половине XXI века уменьшение стока рек может привести к росту солености поверхностных вод Черного моря, что приведет к исчезновению в зимний период основного пикноклина [10]. В результате возникнет угроза крупномасштабного подъема к поверхности глубинных сероводородных вод из анаэробной зоны, высокотоксичных для подавляющего большинства водных организмов. Еще более значительные нарушения вертикальной структуры водных масс могут быть вызваны дальнейшим развитием «парникового эффекта» [11,12]. Например, вследствие увеличения глубины основного пикноклина при повышении средней температуры нижних слоев атмосферы, а также в результате увеличения частоты сильных ураганов, приводящих к перемешиванию верхней части водной толщи морей и океанов. Таким образом, самые различные виды человеческой деятельности прямо или косвенно приводят к нарушению стратификации водоемов. В связи с этим уже в настоящее время эти явления в целом можно квалифицировать, как самостоятельный вид антропогенного воздействия. Последствие нарушений стратификации могут носить длительный ступенчатый характер [1,13]. Каждая фаза этих процессов обладает своей спецификой. Изменение условий среды в момент нарушения стратификации вод Среди многообразных случаев нарушения стратификации можно выделить 2 основных типа [14]. 1. При нарушении «миктического типа» (от греч. mixis – смешение), происходит смешение 2-х (или более) водных масс. Условия среды при этом резко изменяются и в первый момент в значительной мере определяются физико-химическими свойствами исходных водных масс и соотношением объемов их вод в образующейся новой водной массе. 2. Нарушения стратификации «хорического типа» (от греч. chora – место) наблюдаются в тех случаях, когда водная масса меняет свое пространственное положение и под воздействием другого сочетания внешних факторов, в новом местоположении трансформируется в водную массу, обладающую иными свойствами. Например, после подъема к поверхности глубинной водной массы (без перемешивания с поверхностными водами) увеличение уровня инсоляции и контакт с атмосферным воздухом неминуемо приведут к изменению основных ее параметров. Аналогичные по своей значимости изменения водной среды наблюдаются и при опускании поверхностной водной массы на глубину. Очевидно, что подобное разделение носит весьма условный характер. Эти явления сопровождается в разной степени смешением различных водных масс и можно допустить, что некоторая часть объема водной массы при миктическом нарушении остается вне зоны контакта, хотя и меняет свое пространственное положение. То есть, тот или иной тип нарушения можно определить скорее как основную тенденцию развития событий. В случае крупномасштабных нарушений стратификации, по-видимому, полезно было бы рассматривать миктическую и хорическую зоны, в зависимости от преобладания того или иного типа нарушения. Характер воздействия миктических нарушений на представителей водной биоты, прежде всего, зависит и от степени отличия физикохимических свойств смешивающихся водных масс. Например, в экспериментах, имитирующих условия нарушения миктического типа на Черном море, добавление в поверхностный слой воды непосредственно изпод нижней границы сезонного термоклина (30 м) вызывало значительно меньший процент гибели организмов, чем добавление воды с глубины 60 м (табл. 1). Еще более высокая смертность наблюдалась при добавлении в среду воды из самых нижних слоев аэробной зоны (120 м). Изменение условий существования планктонных организмов при нарушениях хорического типа носит в целом более плавный характер, хотя и происходит также за относительно короткий промежуток времени. Эффект воздействия нарушения хорического типа на организмы бентоса и перифитона, напротив, может быть значительнее. Это связано с тем, что их жизненное пространство, представляет собой местообитание, фиксированное на определенном участке дна. В отличие от пелагических организмов, которые при нарушении хорического типа испытывают влияние хотя и быстрой, но все-таки постепенной трансформации условий своей водной массы, донные организмы сразу попадают из одной водной массы, где они обитали, в другую с отличными от нее условиями. Они, условно говоря, «затапливаются» чуждой им водной массой. Сравнительные результаты одного из экспериментов, имитирующего нарушения этих 2-х типов представлены в табл. 2. Таблица 1. Смертность массовых форм зоопланктонных ракообразных и мальков рыб, обитающих в поверхностном слое, при добавлении в среду 75% глубинной воды Виды Acartia clausi Giesbr. Oithona minuta Kritcz. Paraclanus parvus Cl. Penilia avirostris Dana Centropages kroyeri Giesbr. Мальки черноморской хамсы (Engraulis encrasicolus ponticus Aleksandrov) Мальки черноморской ставриды (Trachurus mediterraneus ponticus Aleev) 30 м 0 0 0 15,0 10,0 0 Смертность, % 60 м 0 12,0 11,0 75,0 23,0 20 120 м 17,0 18,0 20,0 95,0 39,0 81,7 0 21,7 73,3 Таблица 2. Смертность массовых форм зообентоса верхней сублиторали Виды Актиния (Actinia eauina (L.) Многощетинковый червь (Nereis zonata Malm.) Брюхоногий моллюск (Rissoa splendida Eichw.) Брюхоногий моллюск (Bittium reticutatum (Costa)) Двустворчатый моллюск (Mytiiaster lineatus (Gmelin)) Двустворчатый моллюск (Mytilus galloprovincialis Lam.), сеголетки Смертность, % миктический хорический тип тип нарушения нарушения 3,3 9,0 7,0 17,7 2,8 11,6 3,0 15,0 20,0 26,7 5,5 10,5 Негативное воздействие нарушения стратификации вод проявляется не только в гибели организмов, но и в снижении их активности, темпов роста и развития [15,16]. Например, в зоне искусственного подъема глубинных вод (искусственного апвеллинга) на Черном море средний размер массовых форм перифитона и его общая биомасса были значительно ниже (табл. 3). Таблица 3. Средние значения характерных размеров и биомассы перифитона в Черном море Организменные формы Домики балянусов Раковины мидий Биомасса перифитона Характерный параметр диаметр, мм длина, мм масса, кг/м2 Зона искусств. апвеллинга 3,1 27,5 3,5 Контрольная точка 8,0 43,2 6,2 Дальнейшее развитие организмов после нарушения стратификации Следующим этапом развития событий является возникновение в результате нарушения новой водной массы, с иными физико-химическими параметрами. Организмы, пережившие стрессовую ситуацию, оказываются в среде часто существенно отличающейся от обычной среды их обитания. Иногда эта среда более благоприятна для их развития. Например, происшедшее в результате нарушения обогащение поверхностных вод соединениями азота, фосфора и других биогенных элементов может вызвать интенсивное развитие отдельных видов водорослей. В экспериментах, добавление в поверхностный слой моря вод из нижних слоев аэробной зоны приводило к увеличению биомассы планктонных водорослей на 2-3 порядка [17]. Следует отметить, что увеличение биомассы происходило совершенно иначе, чем весеннее развитие фитопланктона после обогащения поверхностного слоя биогенами в результате зимней конвекции. Иногда наблюдалось аномальное развитие нескольких видов, численность же других видов в условиях подобных нарушений сокращалась, либо они исчезали полностью. Даже глубинные воды в сероводородной зоне Черного моря, высокотоксичные для большинства организмов, после кратковременного контакта с атмосферным воздухом, становятся хорошей средой для развития некоторых видов фитопланктона [18]. Аналогичное увеличение роста наблюдалось и в экспериментах с макрофитами [19, 20]. Увеличение растительной биомассы может вызвать развитие и некоторых видов, ее потребляющих. Например, на шиферных пластинах, экспонировавшихся в зоне искусственного апвеллинга на Черном море, в ряде случаев происходило не только увеличение массы макрофитов, но и повышение численности мелких брюхоногих моллюсков, питающихся этими водорослями. Возникшие после нарушение условия могут быть благоприятны и для развития некоторых видов животных, рост численности которых в нормальных условиях ограничивался конкурентами или хищниками. На первых этапах в значительной степени характер развития организмов определяется типом нарушения. От этого во многом зависит, с какой скоростью и в каком направлении будут развиваться экологические процессы. Например, в экспериментах, имитировавших нарушение хорического типа, продукция фитопланктона в глубинной воде, поднятой в поверхностный слой, в начальный период весьма незначительна. Это связано с тем, что в этих слоях фитопланктона очень мало, его разнообразие невелико, а состав в значительной мере случаен. Поэтому, характер первых стадий сукцессии в основном определятся тем, клетки каких видов фитопланктона присутствуют в глубинных водах и в каком физиологическом состоянии они находятся. В условиях нарушения миктического типа, попадание в богатые соединениями фосфора и азота глубинные воды, вод из поверхностного горизонта, которые содержат физиологически полноценные клетки фитопланктона, вызывает развитие продукционных процессов значительно быстрее. Разнообразие фитопланктона в этом случае существенно выше, а характер начальных стадий сукцессии более предсказуем. В отличие от ситуации, наблюдающейся непосредственно в момент нарушения, в последующий период важное значение могут иметь биотические факторы, обусловленные различными взаимодействиями между организмами. Например, результаты экспериментов с природным фитопланктоном показали, что часть видов, относительно хорошо переносящая изменение абиотических условий в момент нарушения, в дальнейшем исчезла, не выдержав конкуренции с другими видами [21]. В экспериментах в период бурного развития фитопланктона в среде, состоящей из смеси глубинных вод и поверхностных водных масс, почти всегда наблюдалась массовая гибель организмов зоопланктона в результате отравления экзометаболитами водорослей. Таким образом, при нарушениях стратификации вод гибель организмов может быть обусловлена двумя разнородными категориями причин. Во-первых, это гибель организмов непосредственно в момент нарушения, из-за резкого изменения физико-химических условий среды (температуры и др.), во-вторых, это элиминация в ходе дальнейшей сукцессии. Изменения структурно-функциональной организации экосистем Доля того, чтобы в достаточной мере охарактеризовать экологические процессы, происходящие на участках нарушений стратификации, необходимо провести анализ изменений морской экосистемы в целом, поскольку эти процессы по своему характеру могут существенно отличаться от тех, которые можно ожидать на основании исследования реакций отдельных видов. В связи с этим необходимо рассмотреть воздействие нарушений на основные элементы водной экосистемы: продуценты, консументы и редуценты. Основными продуцентами в водных экосистемах являются фитопланктон, а в прибрежной зоне – крупные донные растения – макрофиты. Суммарная продукция этого трофического уровня после нарушения стратификации в целом может существенно возрасти. Но следует особо подчеркнуть, что подъем биогенных элементов из глубоких слоев обусловливает только потенциальную возможность увеличения биологической продукции. В реальной ситуации непременным условием увеличения биомассы фитопланктона является сохранность образовавшейся в результате нарушения водной массы в течение достаточно длительного времени, необходимого для развития водорослей. В тех случаях, когда область нарушения носит временный или неустойчивый характер, этого не происходит. При точечном подъеме глубинных вод увеличение количества фитопланктона часто не наблюдается, так как глубинная вода уносится течением и быстро «растворяется» в поверхностной водной массе [19, 22]. Значительная часть животных – консументов обитающих как в поверхностном слое моря, так и в более глубоких слоях может погибнуть в результате прямых и косвенных последствий нарушения стратификации. В дальнейшем у различных видов наблюдаются уменьшение численности, снижение темпов роста и размножения. Следовательно, интенсивность процессов жизнедеятельности этого трофического уровня может существенно снизиться. Понижение температуры поверхностных вод, сопутствующее нарушению стратификации, вызывает уменьшение интенсивности размножения бактерий, являющихся основными редуцентами [23]. Таким образом, в результате нарушения стратификации в фотической зоне может наблюдаться резкое увеличение растительной биомассы на фоне одновременного подавления процессов жизнедеятельности и сокращения численности у консументов. Это неминуемо приводит к несбалансированности трофических уровней. Эффект заключается в том, что значительная часть создаваемого фотосинтетиками органического вещества не используется в последующих звеньях трофической цепи. «Избыточное» же вещество, синтезируемое продуцентами, но недоиспользованное организмами в пределах поверхностного слоя, поступает в нижележащие слои водоема. Сходные явления наблюдаются в естественных условиях. Например, в умеренных областях весеннее развитие фитопланктона обычно происходит несколько раньше, чем развитие питающегося им зоопланктона. Благодаря этому возникает несбалансированность: значительная часть клеток фитопланктона остается не потребленной и опускается в глубинные слои, обогащая донные осадки органическим веществом [24]. Экспериментальные исследования показывают: в условиях нарушения стратификации количество образующегося в поверхностном слое детрита во много раз может превышать уровень детритообразования в нормальных условиях [25]. При этом детрит образуется не в виде пеллет мезозоопланктона, который практически полностью погибает в период бурного развития фитопланктона, а в форме крупных хлопьев из склеившихся отмерших и живых водорослевых клеток. Расчеты показывают, что для их оседания за пределы фотической зоны достаточно нескольких часов. Увеличение потока органического вещества в нижележащие слои и изменение самого характера детритообразования на участках нарушений неминуемо приводит к изменению облика бентических сообществ даже в тех случаях, когда придонные слои не затронуты нарушением стратификации. Процессы разложения органики могут вызвать образование аноксических условий. Аналогичные явления наблюдаются при несбалансированности трофических уровней в экосистемах некоторых естественных апвеллингов [26]. Нарушение стратификации, климат и биогеохимический цикл углерода Гидрологическая структура крупных водоемов является важнейшим климатообразующим фактором. Нарушения стратификации достаточно большого масштаба неминуемо оказывают заметное влияние на это важное природное явление. Характер самого воздействия складывается из 2-х различных по геофизической природе процессов [27]. 1.Как правило, глубинные водные массы имеют значительно более низкую температуру, в связи с этим нарушения стратификации часто сопровождаются понижением температуры поверхностных вод. Это может привести к изменению процессов теплообмена на отдельных участках контактной зоны гидросферы и атмосферы. 2.Более серьезных последствий можно ожидать в результате развития процессов, обусловленных изменением продукционно-деструкционного баланса водных экосистем. Поскольку нарушение гидрологической структуры в целом создает предпосылки для формирования биогенных осадков можно предположить, что в условиях крупномасштабных нарушений гидрологической структуры значительное количество углерода, содержащегося в атмосфере и гидросфере, может уйти в осадочные отложения. Известно, что соотношение между общим содержанием подвижных соединений углерода и его количеством, находящемся в составе осадочных пород, является одним из важнейших факторов, определяющих климат планеты [28]. Иначе говоря, крупномасштабные нарушения стратификации морских бассейнов, могут повлечь необратимые климатические изменения [1]. Возможно, что именно такие события, вызывали изменения глобального климата в геологическом прошлом [13, 29]. Таким образом, нарушения стратификации морских и континентальных водоемов могут вызвать целый комплекс нежелательных экологических последствий. В настоящее время эти явления можно рассматривать как один из видов антропогенного воздействия, который должен учитываться при оценке экологической безопасности многих видов человеческой деятельности. Список литературы 1.Безносов В.Н. Нарушение гидрологической структуры морских водоемов как причина экологических катастроф в настоящем, будущем и ... в прошлом. // Экосистемные перестройки и эволюция биосферы. Вып. 3. М.:1998, с.55-59. 2.Пшеничный Б.П. Искусственный апвеллинг и возможности повышения биологической продуктивности морских вод. // Антропогенное воздействие на прибрежно-морские экосистемы. М: Изд-во ВНИРО, 1986, с.71-79. 3.Suzuki Т. Development of large-scale artiflcal upwelling structures. // Bull. Mar Sci. 1994. V.55.N2-3. p. 1354. 4.Коробков B.A. Экологические аспекты энергетики океана. //Техникоэкономические и экологические аспекты использования энергии океана. Владивосток: Изд-во ДВНЦ АН СССР, 1985, с. 3-14. 5.Liu Clack C,K. Mixing and marine environment (U.S, overview, part 2): Mixing of deep.ocean water effluent plums in open ocean, // Int. OTEC/DOWA Ass. Newsletter, 1995, V.6, N2, p.6-7. 6.Суздалева А.Л., Безносов В.Н., Пшеничный Б.П. Применение глубинных водозаборов для компенсации промышленных выбросов углекислого газа в атмосферу. // Природообустройство и экол. проблемы водн. хоз-ва и мелиорации. – М.; Изд. Московского гос. университета природообустройства, 1999, с. 62-63. 7.Гершанович Д.Е. Экологическая роль искусственных рифов в море. // Искусств, рифы для рыбн. хоз-ва. Тез. докл. Всесоюзн. конф. М: 1987, с. 1013. 8.Ахмедов Р.Б. Возобновляемые горючие энергоресурсы океанов и морей. // Технико-экономические и экологические аспекты использования энергии океана. – Владивосток: Изд-во ДВНЦ АН СССР, 1985, с. 35-40. 9.Марфенин Н.Н., Малютин O.И., Пантюлин А.Н., Перцова Н.М., Усачев И.Н. Влияние приливных электростанций на окружающую среду. – М: Изд-во МГУ, 1995, 125 с 10.Виноградов М.Е. Современные тенденции изменения экосистемы Черного моря. // Вестн. АН СССР, 1987. №10. с.56-57. 11.Manabe S., Stouffer R.J., Spelman M.J. Response of a coupled OceanAtmosphere Model to atmospheric c&rbon dioxide. // ANBIO, 1994, V.23, N1, p.44-49. 12.Fraga S. Harmfull algal blooms in relation to wind induced coastall upwelling and plumes. // ICES Coop. Res. Rept. 1995, N206, p.35-43. 13.Безносов В.Н. Крупномасштабное нарушение гидрологической структуры океана как стартовое событие биотического кризиса. // Докл. РАН. 1998, Т.361, N4. с.562-563. 14.Безносов В.Н., Суздалева АЛ. Экологические последствия нарушения гидрологической структуры морских и континентальных водоемов. // Природообустройство – важная деятельность человека. Тез. докл. научно-техн. конф. М: 1998, с. 83-84. 15.Безносов В.Н. Особенности роста гидробионтов в зоне искусственного апвеллинга. // Докл. МОИП. Зоол. и ботаника. М: Изд-во МОИП, 1989, с. 42-44. 16.Безносов В.Н Формирование сообщества перифитона в зоне искусственного апвеллинга. // Природообустройство – важная деятельность человека. Тез. докл. научно-техн. конф. М.: 1998, с. 85-86. 17.Безносов В.Н. Рост фитопланктона и бактериопланктона в глубинной воде из аэробной зоны Черного моря. // Океанология. 1999. Т.39, №1, с.75-79. 18.Поликарпов Г.Г., Лазоренко Г.Е., Ланская Л.А. Реакция планктонных водорослей (Bacillariophyta и Pyrrophyta) на водную среду из восстановительной зоны Черного моря. // Докл. АН УССР, 1986, Сер. Б, №8, с.73-75. 19.Безносов В.Н., Исенгулова А.Р., Побединский Н.А. Изменения в поверхностном слое моря в районе искусственного апвеллинга. //Докл. МОИП. Зоол. и ботаника. М: Изд-во МОИП, 1989, с. 39-41. 20.Безносов B.Н., Побединский Н.А. Рост цистозиры в зоне искусственного апвеллинга. // Тез. докл. III Всесоюзн. конф. по морск. биол. ч.2. Киев: 1988, с. 196. 21.Безносов В.Н. Влияние глубинных вод аэробной зоны Черного моря на жизнедеятельность гидробионтов. // Автореф. дисс. ... канд. биол. наук, М.:МГУ, 1995, 23 с, 22.Безносов В.Н., Побединский Н.А., Исенгулова A.P. Влияние искусственного апвеллинга на экосистему поверхностного слоя моря. // III Всесоюзн. Конф. по морск. биол. Тез. докл. Ч.1. Киев: 1988, с. 105-106. 23.Безносов В.Н., Побединский Н.А. Формирование бактериального перифитона в зоне искусственного апвеллинга. // Проблемы биотехнологии, научн. конф. Междунар. биол. центр МГУ. М.:1997, с.23. 24.Виноградов М.Е., Лисицын A.П. Глобальные закономерности распределения жизни в океане и их отражение в составе донных осадков, Закономерности распределения планктона и бентоса в океане. // Изв. АН СССР, 1981, №3, с.5-25. 25.Безносов В.Н. Процесс детритообразования в условиях нарушения структуры водных масс в морских водоемах. // Экосистемные перестройки и эволюция биосферы. Вьп. 4, М:1999, с. 73-79. 26.Гордеев В.В., Демина Л.Л., Романкевич Е.А., Беляева А.Н. Биогеохимическая характеристика вод перуанского апвеллинга. // Биопродуктивность экосистем апвеллингов. М: Изд. Ин-та океанологии АН СССР, 1983, с. 52-62. 27.Безносов В.Н. Воздействие антропогенных нарушений гидрологической структуры на водные экосистемы и их возможное влияние на биогеохимический цикл углерода. // Метеорология и гидрология. 1998. №12, с.98-102. 28.Будыко М.И., Израэль Ю.А. Антропогенные изменения климата – Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 406 с. 29.Малиновский Ю.М. Биосферные ритмы и задачи их изучения. // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993, с.191-201.
