Дополнения к гл. 12

12.4.1. Нарушенные биогеохимические циклы и загрязнение среды

Основные пути, по которым происходит круговорот углерода, показаны на рис. 9.2 (т. 1). Дополнительный, индуцированный человеком цикл (мощность его оценивается в 5⋅10¹² кг год^-1) связан с использованием ископаемого топлива. Некоторые ученые полагают, что сведение лесов также является важным дополнительным источником атмосферного диоксида углерода (углекислого газа), а скорость антропогенного поступления углерода в атмосферу приближается к 10⋅10¹² кг⋅год^-1.

12.14. Как сведение лесов приводит к увеличению содержания диоксида углерода в атмосфере?

В норме диоксид углерода содержится в нижних слоях атмосферы (так называемой тропосфере) в очень небольшом количестве - около 300 частей на миллион или 0,03% в объемных единицах. Важность этого газа определяется его вкладом в парниковый эффект, проявляющийся в масштабе всей планеты. Диоксид углерода прозрачен для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, но он сильно поглощает энергию в длинноволновой части спектра, которая переизлучается Землей обратно в космос. Таким образом, диокид углерода "ловит" уходящее излучение, согревая нижние слои атмосферы, в свою очередь излучающие энергию обратно к поверхности Земли (а также вверх и в стороны). Естественно, что в конце концов любая "порция" входящей энергии будет рассеяна и потеряна в космосе, но энергообмена между атмосферой и поверхностью Земли, обусловленного наличием диоксида углерода и других парниковых газов, достаточно, чтобы повысить температуру поверхности Земли примерно на 40°С по сравнению с той, что наблюдалась бы в отсутствие такого обмена. Очень важно осознать, что без некоторого основного уровня парникового эффекта, мало изменявшегося на протяжении миллионов лет, живые системы, во всяком случае в той форме, в какой мы их знаем, существовать бы не могли. Имеющиеся в настоящее время данные ясно свидетельствуют о том, что содержание в атмосфере диоксида углерода и других газов, обеспечивающих парниковый эффект, в частности моноксида углерода, метана и хлорфтор - углеродов, увеличивается со скоростью, беспрецедентной для недавней истории Земли; это увеличение по логике вещей должно способствовать повышению температуры окружающей среды (см. рис. 12.12). В свою очередь такое повышение температуры усиливает испарение и соответственно увеличивает концентрацию водяных паров в атмосфере. Поскольку водяной пар также действует как мощный поглотитель длинноволнового излучения, это приведет к дальнейшему повышению температуры в приповерхностных слоях атмосферы. Достигнутое в результате всех этих процессов повышение температуры вызовет изменение в распределении и интенсивности основных воздушных и водных потоков, определяющих погоду на планете, что в свою очередь может существенным образом повлиять на хозяйственную деятельность человека.

Некоторые ученые-метеорологи и правительственные чиновники не придавали большого значения угрозе парникового эффекта, полагая, что он будет компенсирован за счет возросшей запыленности атмосферы^* (из-за усилившейся эрозии почвы в результате сведения лесов, интенсификации сельского хозяйства, уничтожения живых изгородей, перевыпаса и т.д.) и, таким образом, результирующее воздействие окажется незначительным. Однако необычные (порой катастрофические для человека) погодные явления, наблюдавшиеся в планетарном масштабе летом 1988 г., в частности сильная засуха в юго-западной части США, наводнения в Китае и Судане, частые случаи понижения давления и выпадения осадков в Англии (обычно такое происходит в летнее время значительно севернее), а также не вызывающее уже сомнений воздействие хлорфторуглеродов на озоновый слой, привели к гораздо более широкому признанию реальной возможности возникновения глобальных климатических изменений при загрязнении среды и к осознанию угрожающих последствий этих изменений. Независимо от того, вызваны ли описываемые события парниковым эффектом или нет, надо приветствовать усилия правительств, направленные на контроль за поступлением в атмосферу загрязняющих ее парниковых газов, так как природные механизмы, обеспечивающие их удаление, работают слишком медленно, чтобы изменить ситуацию (такое наблюдается, например, в случае диоксида углерода), или же создают новые проблемы, как, например, в случае разрушения озона стратосферы хлорфтор-углеродами (см. разд. 12.9).

^* (Наличие в атмосфере пыли в большей степени приводит к сокращению поступающего коротковолнового излучения, чем к задержке исходящего от поверхности земли длинноволнового излучения.)

Диоксид углерода изымается из атмосферы посредством фотосинтеза, а также в результате обмена с океаном и захоронения в виде карбонатов. Главный из этих процессов - обмен с океаном. Верхние 75 метров океанической толщи представляют собой слой воды, хорошо перемешиваемый ветром и согреваемый солнцем. Указанные особенности данного слоя в сочетании с химическими свойствами карбонатов обеспечивают довольно быстрое поглощение им диоксида углерода. В конце концов скорость поступления диоксида углерода в океан определяется процессами обмена между его поверхностными и глубинными слоями, так как именно в результате этого обмена восстанавливается способность поверхностных вод к дальнейшему поглощению диоксида углерода. Обмен поверхностных вод с глубинными в большинстве районов океана протекает очень медленно. Громадные массы холодной (с температурой менее 5°) океанической воды изолированы от поверхностных перемешиваемых вод зоной стагнации - так называемым океаническим термоклином. Эта зона, характеризующаяся тем, что по мере возрастания глубины в ней снижается температура и повышается плотность воды, простирается до глубины порядка 1000 м. По имеющимся оценкам за сотни лет к поверхности подходит не более 10% общего объема воды в океане. Таким образом, хотя океаны потенциально могут поглотить весь образовавшийся в результате деятельности человека излишек атмосферного диоксида углерода, на практике реализации этой возможности (во всяком случае во временных масштабах, сопоставимых с временем интенсивной хозяйственной деятельности человека) препятствует медленный перенос от поверхностных вод к глубинным. Возможно также, что, по мере того как вода у поверхности будет насыщаться диоксидом углерода, способность океана к дальнейшему поглощению этого газа уменьшится, в результате чего вся проблема повышения содержания его в атмосфере станет еще более серьезной.

Предсказать будущую концентрацию диоксида углерода в атмосфере довольно трудно. Отчасти это объясняется недостаточным пониманием всех тонкостей химического процесса абсорбции (видимо, в океане может быть абсорбировано большее количество диоксида углерода, чем это следует из химической модели), а отчасти также тем, что возросшая озабоченность общественности состоянием окружающей среды может затормозить процесс сведения лесов и ускорить развитие альтернативных источников энергии; это в свою очередь сократит скорость потребления ископаемого топлива. Тем не менее широко распространено мнение о том, что к середине двадцать первого века концентрация диоксида углерода в атмосфере увеличится до 600 частей на миллион, превысив, таким образом, более чем вдвое уровень, зарегистрированный для конца девятнадцатого века. Трудно также предсказать климатические последствия, поскольку существует большое число весьма вероятных обратных связей, включенных в рассматриваемые процессы. В соответствии с предсказаниями большинства моделей к середине двадцать первого века средняя для планеты температура увеличится на 3 + 1,5°. В высоких широтах может сложиться еще более серьезная ситуация из-за наличия механизмов обратной связи. По мере того как снег и лед тают, альбедо земли (т.е. ее отражательная способность) снижается, вследствие чего усиливается поглощение поверхностью Земли солнечного излучения. Это повлечет за собой интенсификацию процессов испарения, в результате чего в конце концов возрастет содержание паров воды в атмосфере. Поскольку водяной пар сам по себе является газом, усиливающим парниковый эффект, скорость потепления в высоких широтах при удвоении концентрации атмосферного диоксида углерода окажется в два-три раза выше, чем в тропиках. Последствия такого потепления могут быть самыми разными - от затопления обширных участков прибрежных низменностей (что может угрожать юго-восточной Англии, Нидерландам, Бангладеш и тропическим островам, возникшим на коралловых рифах, например Мальдивским), до крупных сдвигов в распределении мировых климатических зон. Все эти события существенным образом повлияют на производство пищи и на сложившийся баланс сил в сфере торговли и политики. Некоторая незначительная по масштабам компенсация процессов увеличения содержания в воздухе СО₂ может быть достигнута за счет возрастания интенсивности фотосинтеза в наземных экосистемах (обычно диоксид углерода - это фактор, лимитирующий фотосинтез).

Может также возрасти продукция морского фитопланктона, особенно в прибрежных водах, где за счет поступления загрязняющих веществ увеличена концентрация нитратов и фосфатов - основных биогенных элементов, ограничивающих развитие фитопланктона. Эти процессы в конечном счете могут способствовать изъятию диоксида углерода из атмосферы, однако желательность их вызывает большие сомнения. Отмеченное возрастание продуктивности прибрежных вод благоприятствует увеличению численности быстро растущих видов, уменьшению разнообразия фитопланктона и появлению в нем доминантов, слабо поедаемых консументами. Все это не способствует возрастанию продукции консументов - фитофагов, а массовое отмирание водорослей приводит к снижению концентрации кислорода и увеличению смертности консументов.

Обзор по проблеме парникового эффекта опубликован в журнале "New Scientist" от 22 октября 1988 г.

Эвтрофизация - это обогащение водных экосистем биогенными элементами. В течение длительного, измеряемого тысячелетиями, периода времени озерные экосистемы испытывают постепенное превра-щение, переходя из олиготрофного состояния (характеризующегося малым содержанием биогенных элементов) в эвтрофное (характеризующееся высоким содержанием биогенных элементов) или даже дистрофное (характеризующееся высоким содержанием биогенных элементов, находящихся в трудноусвояемой форме) (табл. 12.4). Однако в XX в. во многих озерах (среди которых Эри в Америке, Цюрихское озеро в Швейцарии, Лох-Ней в Северной Ирландии), во внутренних морях (например, в Балтийском и Черном) и во многих речных системах, разбросанных по всему свету, наблюдалась очень быстрая эвтрофизация, что обусловлено интенсификацией хозяйственной деятельности человека. К числу главных факторов, непосредственно воздействующих на это явление, следует отнести массированное использование азотных удобрений на сельскохозяйственных угодьях и увеличившийся сток фосфатов в сточных водах. Проблемы, связанные с избыточным поступлением фосфатов в водоемы, отражают не только возросшую численность населения, но и существующую тенденцию его скопления в городах, что приводит к развитию крупных систем сброса сточных вод. Таким образом, происходит не только увеличение абсолютного количества фосфорсодержащих сточных вод, но и возрастание (причем значительно быстрее, чем раньше) их локальной концентрации в местах сброса в реки, озера и моря. Особенно серьезные проблемы возникают при сбросе стоков в озера. Примером может служить ситуация, возникшая в середине пятидесятых годов в оз. Вашингтон (США). Наблюдавшееся здесь бурное "цветение" фитопланктона сопровождалось существенным снижением концентрации растворенного кислорода в глубинных водах озера (так называемом гиполимнионе). Произошло это вследствие сильно возросшего сброса сточных вод, поступавших от быстро развивающегося города Сиэтл. Ситуацию удалось поправить, отведя сточные воды города непосредственно в Тихий океан через залив Пьюджет-Саунд. В то же время удалось улучшить очистку сбрасываемых вод и избежать таким образом сильного загрязнения самого залива. Эвтрофизация озерных систем в настоящее время наблюдается повсеместно по всему миру. Везде, где только возможно, следует избегать сброса стоков в озера и другие более или менее замкнутые водоемы, например в бухты.

Таблица 12.4. Основные черты олиготрофных и эвтрофных озер

(Примечание. В классическом варианте процесса естественной эвтрофизации недавно образовавшееся глубокое озеро (например, при отступлении ледника) содержит мало питательных веществ, поскольку вещества эти еще не высвободились из материнских и осадочных пород территории водосбора. Первичная и вторичная продукция в таком озере низка, прозрачность высокая, а кислородный режим благоприятный. Со временем при разрушении и выщелачивании пород приток биогенных элементов увеличивается, первичная и вторичная продукция возрастают, на дне накапливаются органические и неорганические осадки и озеро мелеет. Прозрачность снижается, а в гиполимнионе к концу лета наблюдается дефицит кислорода. Дистрофным называют озеро, которое основное количество органических веществ, синтезированных растениями, получает с суши. Этим обусловливается коричневый цвет воды в дистрофных озерах. Располагаются такие озера обычно среди торфяных болот и постепенно сами превращаются в болота.)

Процесс эвтрофизации, быстро развивающийся в результате хозяйственной деятельности человека, правильнее называть "культурной" (или "антропогенной") эвтрофизацией. Возникает он обычно в результате нарушений в круговоротах азота и фосфора. Антропогенные воздействия приводят к тому, что количество вещества, вовлекаемого в активную фазу цикла, начинает превышать то, которое соответствует саморегулирующимся (гомеостатическим) возможностям системы по крайней мере тем, что имеются у них в настоящее время. Антропогенная эвтрофизация создает серьезные экономические и экологические проблемы. Вода хорошего качества необходима для многих технологических процессов, для питья человеку и домашним животным, для коммерческого и любительского рыболовства, а также для поддержания водных путей в удовлетворительном состоянии (см. табл. 12.5).

Нитраты и фосфаты наиболее часто выступают в качестве питательных веществ, ограничивающих увеличение первичной продуктивности водных экосистем. Добавление нитратов и фосфатов способствует, таким образом, увеличению численности быстро растущих и являющихся более сильными конкурентами водорослей, например Oscillatoria rubescens, и уменьшению общего видового разнообразия фитопланктона. Подобные процессы в озерах нередко приводят к непропорциональному возрастанию доли несъедобных водорослей, т.е. водорослей, неподходящих в качестве пищи для консументов. Эта особенность доминирующих водорослей, а также более длительный жизненный цикл консументов (и соответственно - большее время реакции их на изменения в среде), приводят к тому, что не вся возросшая первичная продукция потребляется консументами. Отсюда и включение излишка образовавшегося органического вещества непосредственно в процессы разложения (минерализации). Поскольку для разрушения сложных органических веществ (и превращения их в простые минеральные) требуется кислород, содержание этого газа, растворенного в толще воды, может снизиться ниже уровня, необходимого для успешного роста и размножения таких чувствительных видов, как лосось или форель (Salmo spp.). В некоторых крайних случаях гибель рыб и последующее разложение их трупов приводит в свою очередь к дальнейшему снижению концентрации кислорода и ухудшению всей ситуации (по принципу положительной обратной связи). Непосредственные эффекты такой ситуации могут наблюдаться в географически отдаленных областях. Наличие зон пониженного содержания кислорода в реке бывает достаточно для того, чтобы даже при отсутствии других неблагоприятных воздействий нарушилось размножение таких мигрирующих видов, как лососи или угри.

Проблема снижения концентрации растворенного кислорода при эвтрофизации глубоких озер усугубляется наличием сезонной термической стратификации (т.е. расслоением водной толщи на эпилимнион - хорошо перемешиваемый и прогреваемый поверхностный слой, термоклин, в пределах которого наблюдается резкое падение температуры с глубиной, и гиполимнион-глубинные воды, сохраняющие низкую температуру с весны до осени). В умеренных широтах термическая стратификация, препятствующая проникновению кислорода в гиполимнион, устанавливается обычно в начале лета и держится до осени, а затем нарушается в результате охлаждения воды у поверхности и усиления ветрового перемешивания. Вода впадающих в озеро рек обычно теплая (так как реки мелкие), поэтому растворенные в речной воде питательные вещества и кислород попадают только в эпилимнион. Животные же, чувствительные к изменениям температуры, обычно обитают только в гиполимнионе. Масса фитопланктона, образовавшаяся в прогреваемом и богатом питательными веществами эпилимнионе, при отмирании попадает в гиполимнион, где в процессе ее разложения потребляются и без того ограниченные здесь запасы кислорода. Продувание воздухом гиполимниона может компенсировать возникший дефицит кислорода и тем самым сохранить обитающих там животных. Однако, если не следить внимательно за складывающейся ситуацией, то в конце лета может произойти внезапная катастрофическая гибель рыб вследствие наступившего дефицита кислорода.

В бродах^* Норфолка содержание нитратов и особенно фосфатов очень сильно возросло по сравнению с уровнем конца прошлого века, причем наиболее заметные изменения произошли за последние 40 лет (табл. 12.6). В то же время чистые прозрачные воды, характеризующиеся низкой продуктивностью фитопланктона и развитием прикрепленной растительности (например, водорослей Chara spp.), сменились водами непрозрачными, богатыми фитопланктоном, в которых произрастали только немногие прикрепленные растения. В 1973 г. прозрачность воды в Бартон-Брод, измеренная с помощью диска Секки^**, составляла только 11см. Хотя большая часть обитавшей здесь до 1800-х годов фауны (включая ценные виды промысловых рыб) позднее исчезла, к середине двадцатого века местность эта снова приобрела славу мирового центра спортивного рыболовства. Продолжающийся, однако, быстрый рост количества поступающих биогенных элементов, особенно фосфора, а также воздействие целого комплекса других факторов, означают реальную угрозу рыболовству. Дополнительные проблемы возникают из-за периодического затопления территории морской водой, которое к тому же усугубляется эрозией берега, нарушением структуры донных отложений и уничтожения тростниковых зарослей, не только защищающих речные берега, но и создающих удобные места для нереста рыб. Разрушение поясов прибрежной полупогруженной растительности (тростник, рогоз, камыш и т. д.) происходит вследствие расширяющейся и меняющей свой характер рекреационной нагрузки, в частности все большим вытеснением парусного спорта катанием на различного рода моторных лодках.

^* ("Броды" (broads) - это заброшенные торфяные выборки, затопленные водой в конце XIII-начале XIV веков. Многие "броды" соединены узкими неглубокими протоками с речной системой. Отсюда и частая практика изолирования их дамбами.)

^** (Диск, разделенный на 4 сектора, выкрашенных в черный и белый цвета. Опуская диск Секки на размеченной веревке, отмечают ту глубину, на которой нельзя уже более различить его контрастных секторов. Данная глубина используется как показатель прозрачности.)

Таблица 12.6. Уровень фосфатов в озерах и 'бродах' Норфолка начиная с 1800 г.

Недавние эксперименты, проведенные на "бродах" Англии, свидетельствуют о том, что эвтрофизация может быть приостановлена и даже как бы обращена вспять. Так, например, когда два брода - Алдерфен и Кокшут - отгородили от речной системы запрудами, поступление в них воды, богатой биогенными элементами, прекратилось. В Алдерфене ничего более не предпринималось и вслед за наблю-давшимся вначале улучшением ситуации (увеличением прозрачности и т. п.) состояние водоема снова ухудшилось. Произошло это вследствие сложного взаимодействия процессов, протекающих, с одной стороны, в донных отложениях, а с другой - в толще воды при разложении фитопланктона, давшего весной вспышку численности ("цветение"). Результатом этого взаимодействия было высвобождение фосфатов из богатых биогенными элементами донных отложений. Если сразу после запруживания протоков рост водорослей в Алдерфене лимитировали нитраты, то позднее в нем развились формы, фиксирующие атмосферный азот, и летом 1985 г., спустя шесть лет после начала эксперимента, прозрачность воды снова стала крайне низкой из-за очень большого количества содержащихся в ней водорослей и цианобактерий. При отделении запрудой другого брода - Кокшута - было проведено драгирование и очистка водоема от богатых фосфором донных отложений. Постепенно здесь сформировались заросли прикрепленной водной растительности и возросла численность рыб. Стоимость дра-гирования Кокшута оценивалась в 75 тыс. фунтов стерлингов, но для большинства бродов, учитывая их размеры, она должна составлять примерно 250 тыс. фунтов стерлингов. К сожалению, во многих случаях действующие правила судоходства запрещают сооружение дамб и изоляцию бродов, особенно если это не временная мера.

Отделение водоемов от питающей их речной системы далеко не всегда осуществимо практически, но описанные выше эксперименты показывают, что улучшение сложившейся в таких водоемах ситуации реально возможно, хотя и достижимо порой только довольно сложным путем. Эти эксперименты помогают также лучше понять суть процесса эвтрофизации и возможных способов борьбы с ним. Изымание фосфатов из сточных вод сейчас нередко осуществляется в местах сброса стоков. Основывается оно на химическом осаждении фосфора известью и солями железа. Подобная процедура, особенно если она сопровождается предварительным драгированием, может заметно облегчить очистку протоков. Вынутые из водоемов донные отложения могут с успехом использоваться в качестве удобрения, по крайней мере при установлении на них льготных цен. В результате драгирования озёра и каналы углубляются, поэтому проточность всей системы улучшается, а толща воды обильно снабжается кислородом. В более глубоких стратифицированных озерах при этом увеличивается объем гиполимниона и соответственно растут запасы растворенного кислорода. Углубление водоемов приводит также к установлению в них стратификации, к ограничению тем самым притока биогенных элементов в эпилимнион, а следовательно, и к сокращению продукции фитопланктона. Содержание биогенов в воде может быть уменьшено и такими способами, как изолирование дна от толщи воды (например, полиэтиленовой пленкой), или же химическое осаждение (например, с помощью сульфата алюминия).

"Цветение" водоемов может также непосредственно подавляться альгицидами - химическими веществами, убивающими водоросли, но способ этот отнюдь не бесспорный, так как нельзя исключить возникновения трудно предсказуемых отрицательных последствий для других видов организмов.

Серьезную экологическую проблему представляет собой эвтрофизация водохранилищ. Так, например, водоросли могут забивать фильтры водозаборных сооружений, что сильно ограничивает пропускную способность станций очистки и порой даже требует их временной остановки для смены фильтров. Мелкие водоросли могут некоторое время существовать в водопроводных системах; в результате разложения этих водорослей потребляемая вода порой приобретает неприятный вкус и запах, что, однако, еще не свидетельствует о ее вредности.

Большая часть усилий по борьбе с эвтрофизацией направляется на сокращение количества сбрасываемых в воду фосфатов. Делается это главным образом потому, что фосфаты попадают в водоемы в легко выявляемых местах ("точечных источниках" загрязнения^*). Что же касается избыточного количества нитратов, то их источник - это по сути дела весь сток с суши, охваченной сельскохозяйственным производством. Таким образом, поступление азота в водные системы рассредоточено по большой площади и контроль за его поступлением может осуществляться не иначе как через радикальные перемены во всей системе ведения сельского хозяйства. Уровень нитратов в питьевой воде вызывает, однако, серьезную озабоченность. Европейские санитарные нормы устанавливают пороговую концентрацию нитратов в питьевой воде, равную 50 мг л^-1, хотя и допускают ее подъем до 100 мг л^-1. В низменной части Англии речная вода обычно содержит нитраты в концентрации, большей чем 100 мг л^-1, и поэтому для нужд питьевого водоснабжения ее необходимо предварительно смешивать с водой, содержащей малое количество нитратов.

^* (Фосфатам (и фосфору вообще) при борьбе с эвтрофизацией в пресных водах уделяется также первоочередное внимание потому, что важная группа продуцентов-цианобактерии (или, как их раньше называли, "сине-зеленые водоросли") - обладают способностью фиксировать для своих нужд азот воздуха, т. е. использовать практически неограниченные его запасы. Фосфор оказывается при этом единственным ресурсом, лимитирующим рост численности цианобактерий- Прим. ред.)

Связанные с эвтрофизацией изменения в водоеме могут быть подвергнуты биологическому и химическому мониторингу. Полученные при этом данные позволяют предпринять определенные оздоровительные меры, не допуская возможности катастрофического разрушения экосистемы. Изменения видового состава фитопланктона могут свидетельствовать о начавшейся эвтрофизации. Характерными примерами являются случаи "цветения" сине-зеленых водорослей (цианобактерий): Oscillatoria rubescens в оз. Вашингтон и Anabaena flos-aquae в оз. Лох-Ней. В табл. 12.7 приведены группы планктонных организмов (водорослей и цианобактерий), типичных для олиготрофных и эвтрофных озер. Обычно для эвтрофных вод характерна высокая численность фитопланктона и малое видовое разнообразие. Ссылки на руководства, позволяющие определить планктонные организмы, можно получить от Philip Harris Ltd.^* При другом варианте мониторинга прослеживаются во времени изменения содержания хлорофилла а как показателя общей биомассы водорослей. В летнее время средние значения биомассы фитопланктона в олиготрофных озерах составляют 0,3-2,5 мг⋅м^-3, а в эвтрофных- 5-140 мг⋅м^-3.

^* (Нашему читателю можно предложить, например, такое руководство как "Определитель пресноводных беспозвоночных Европейской части СССР",/Л.: Гидрометеоиздат, 1977.- Прим. ред.)

Таблица 12.7. Ассоциации водорослей (и цианобактерий), характерных для планктона олиготрофных и эвтрофных озер

(Из: Mason С. F. (1981), Biology of freshwater pollution, Longman)

Полезным индикатором качества воды в реках может быть видовой состав крупных беспозвоночных животных. Простая пятиуровневая схема такого анализа приведена в табл. 12.8. При сборе проб, необходимых для проведения подобного анализа, следует позаботиться о стандартизации всей процедуры и обеспечении достаточно репрезентативной выборки из каждого обследуемого местообитания. В Великобритании специалисты водного хозяйства используют чаще всего две принятые системы оценки качества воды: индекс Ф. Вудевиса (известный также как "биотический индекс реки Трент"; табл. 12.9) и показатель Чендлера (или "баллы Чендлера"). Индекс Вудевиса учитывает наличие или отсутствие "ключевых" видов и общее число видов, но не требует знания численности разных видов. Подобный способ расчета индекса позволяет быстро определить его величину, но вместе с тем величина эта может существенно зависеть от случайного попадания (или непопадания) в пробу того или иного чувствительного к загрязнению вида. При расчете показателя Чендлера обилие каждого отдельного вида оценивается по 5-балльной шкале. Недостаток этого индекса в том, что оценка самого обилия в каждом случае довольно произвольна. Но поскольку в принципе все организмы в пробе могут быть не только определены, но и подсчитаны, реальные возможности показателя Чендлера больше, чем у индекса Вудевиса. Полное описание обоих методов, включая разбор примеров, можно найти в книге: Mason С. F. (1981), Biology of Freshwater Pollution, Longman.

Таблица 12.8. Пятиуровневая шкала для оценки загрязнения вод по данным о присутствии или отсутствии индикаторных видов

Таблица 12.9. Индекс Вудевиса ('Биотический индекс реки Трент')

¹⁾ (Исключая Baetis rhodani)

²⁾ (Baetic rhodani (Ephemeroptera) учитывается в этой графе)

Перечень групп

Термин «группа» в данном случае просто уровень, до которого ведется определение.

Группы эти следующие:

Любой известный вид плоских червей (Platyhelminthes)

Кольчатые черви (Annelida) за исключением рода Nais.

Род Nais

Любой известный вид пиявок (Hirudinae)

Любой известный вид моллюсков (Mollusca)

Любой известный вид ракообразных (Asellus, креветки)

Любой известный вид веснянок (Plecoptera)

Любой известный вид поденок (Ephemeroptera), за исключением Baetis rhodani

Поденка Baetis rhodani

Любое семейство ручейников (Trichoptera)

Любой вид сетчатокрылых (Neuroptera)

Личинки хирономид (Chironomidae), за исключением мотыля Chironomus thummi

Личинки Chironomus thummi (мотыль)

Семейство мошки (Simuliidae)

Личинки любых других видов двукрылых

Любые виды жуков и их личинки (Coleoptera)

Любые виды водяных клещей (Hydracarina)

Максимальная величина индекса равна 10. Более низкие значения соответствуют некоторому загрязнению. Наибольшая степень загрязненности-0.

Процедура подсчета:

1. Животные из взятой пробы сортируются по группам (согласно приведенному списку). Подсчитывается общее число групп.

2. Отмечаются виды-индикаторы, начиная с верхней части списка.

3. Для того чтобы определить величину индекса, берется вид наибольшего ранга из присутствующих, например Trichoptera, и отмечается число групп (из приведенного списка). Таким образом, индикаторные виды определяют строку таблицы, а общее число обнаруженных групп-столбец. Считываемая на пересечении цифра и есть значение индекса.

Пример: Вид-индикатор, занимающий наивысший ранг, относится к ручейникам (Trichoptera); ручейников более чем один вид в пробе;

Общее число групп-7.

Соответствующее значение индекса в таблице равно 6.

Полезным химическим показателем степени эвтрофизации может быть величина биохимического потребления кислорода (БПК). Величина эта, оценивающая скорость поглощения кислорода организмами, отражает активность микроорганизмов, которые разлагают содержащееся в воде органическое вещество (как уже упоминалось, содержание органического вещества обычно возрастает при обогащении воды биогенными элементами в минеральной форме). Потребление кислорода в процессе дыхания водорослей также неизбежно должно включаться в итоговую величину БПК. В большинстве случаев оно практически не имеет особого значения, но иногда на дыхание водорослей приходится до 50% общего БПК. Величина БПК, следовательно, довольно приблизительный показатель качества воды, использовать который наиболее целесообразно в комбинации с другими индексами. Стандартная оценка БПК дается обычно как количество кислорода (в мг), поглощенного из пробы воды объемом 1 л, помещенной в темноту на 5 сут при температуре 20°С. Чистая речная вода характеризуется, как правило, величиной БПК порядка 3 мг л^-1, вода из сильно загрязненной реки - 10 мг⋅л^-1, а типичные значения БПК для бытовых стоков равны 250-350 мг⋅л^-1 (см. табл. 12.10).

Таблица 12.10. А. Руководство по определению качества воды по величине БПК. Б. Сравнение оценок величины БПК в некоторых типичных промышленных стоках

Уменьшение содержания кислорода в реке при сбросе в нее богатых органическим веществом сточных вод - процесс медленный, поэтому то место, где наблюдается наиболее выраженный дефицит кислорода, может находиться значительно ниже по течению от места сброса сточных вод.

12.15. Перечислите факторы, определяющие степень дефицита кислорода.

В р. Темза в 1967 г. в сравнительно маловодный осенний период зона пониженного содержания кислорода начиналась сразу за Лондонским мостом и тянулась на 40 км, тогда как весной при высокой скорости течения зона эта начиналась только в 22 км ниже моста, а протяженность ее составила 12 км.