научная статья по теме ФАЗОВЫЕ ПОРТРЕТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ НАТУРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭКОСИСТЕМНЫХ ПРОЦЕССОВ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ФАЗОВЫЕ ПОРТРЕТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ НАТУРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭКОСИСТЕМНЫХ ПРОЦЕССОВ»

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 6, № 2, 2010, стр. 28-37

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 504.45.064

ФАЗОВЫЕ ПОРТРЕТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ НАТУРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭКОСИСТЕМНЫХ ПРОЦЕССОВ

© 2010 г. М.М. Трофимчук1, Е.Н. Бакаева1, 2, Б.Л. Сухоруков1, 2

Проведены исследования, направленные на развитие холистического подхода для оценки изменения состояния водных экосистем. Внутриводоемные процессы изучали в ходе натурного моделирования загрязнения мезокосмов солями кадмия. Материнским водоемом являлся пруд, заполняемый водами нижнего течения р. Дон. В каждом из пяти мезокосмов и в пруду (фон) определяли продукцию и деструкцию экосистемы, структурный и видовой состав фитопланктона, измеряли спектры яркости восходящего от воды излучения. В пространстве продукция-деструкция построены фазовые портреты процессов каждой из экосистем. Построены траектории оптических образов в пространстве оптических образов. Изменение наблюдаемых показателей указывает на наличие закономерных эко-системных процессов, возникающих при внешних воздействиях. Закономерность наблюдаемых процессов подтверждается при привлечении данных о видовом составе фитопланктона. Использование метода фазовых портретов для анализа продукционно-деструкционных процессов позволяет выделять границы различных состояний экосистем и их переходных областей.

Ключевые слова: водная экосистема, продукция, деструкция, фазовый портрет, оптический образ, фитопланктон.

Одной из важнейших задач экологии является изучение связи между светом (электромагнитным излучением в видимом (или даже оптическом) диапазоне волн) и водными экологическими системами, а также способами превращения энергии внутри системы [1]. Особую важность эта задача приобретает в условиях антропогенного воздействия на экосистему и развития современных приборных методов наблюдения за изменениями экосистем при таких воздействиях. Одной из наиболее информативных и объективных характеристик такой связи, согласно представлениям Ю. Одума, может быть выбрано отношение И/Б общего дыхания биологического сообщества к его суммарной биомассе, что тождественно отношению затрат энергии на поддержание жизнедеятельности системы к энергии, заключенной в структуре биосистемы [1]. Это отношение можно рассматривать в качестве меры термодинамической упорядоченности экосистемы. В случае изучения внутриводоемных процессов в качестве критерия оценки состояния экосистем можно выбрать показатели первичной продукции Р и деструкции Я, которые являются индикаторами

1 Гидрохимический институт Росгидромета, 344090, Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 198, тел.: (863) 222-66-68, e-mail: ghi@ aaanet.ru.

2 Южный отдел Института водных проблем Российской академии наук, 344090, Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 198; тел.: (863) 222-66-68, e-mail: bls-phys@yandex.ru.

интегральных свойств водных экосистем, характеризуют экосистему в целом и могут рассматриваться уже как термодинамические параметры состояния экосистемы в случае холистического подхода*. Используя указанные параметры состояния, можно следить за направленностью процессов, происходящих в экосистемах, по траекториям, построенным в пространстве параметров Р и Я. Следовательно, фазовые портреты, построенные в этих координатах, могут давать представление о процессах взаимодействия света и водной экосистемы.

С другой стороны, в наших работах по изучению внутриводоемных процессов было показано, что при решении обратной задачи в качестве интегральных показателей оценки состояния водных экосистем могут быть использованы обобщенные координаты (ОК) оптического образа (ОО), полученные при редукции спектров коэффициентов яркости (КЯ) восходящего от воды излучения [2-4]. Эти спектры КЯ по своей природе определяются концентрацией видимых компонентов, находящихся в водной экосистеме. В свою очередь количественные характеристики видимых компонентов:

* В отличие от бесконечно большого числа показателей, фиксирующих меру выраженности определенного свойства (существенного или несущественного), параметры состояния -физические величины, характеризующие состояние термодинамической (здесь экологической) системы, - взаимосвязаны так, что состояние экосистемы можно однозначно определить, установив значения ограниченного числа этих параметров.

взвешенных веществ, растворенных органических веществ, пигментов фитопланктона - можно рассматривать в качестве интегральных показателей состояния водной экосистемы.

Поэтому представляет интерес сопоставить фазовые портреты экосистем, построенные в пространстве, осями которого являются переменные, рассчитанные на основе продукции - деструкции, и фазовые портреты, полученные на основе дистанционно определенных показателей, и, возможно, установить связи между ними.

Кроме того, чисто холистический подход дает возможность следить за направленностью внут-риводоемных процессов, их поведением, линейностью или цикличностью. Но на этапе изучения процессов взаимодействия света с водной экосистемой необходимо дополнительно устанавливать ряд химических и биологических показателей состояния экосистемы для выяснения механизма формирования исследуемых параметров экосистемы, в частности структурные показатели фитопланктона.

Для изучения внутриводоемных процессов с различными целями используют метод натурного моделирования с применением модельных водных экосистем (мезокосмов) - один из эффективных методов наблюдения за внутриводоемными процессами при изучении воздействия на эти экосистемы как антропогенных, так и природных факторов. Этот метод позволяет моделировать внутриводоем-ные процессы в идентичных экосистемах с контролируемыми условиями воздействия на них, протекающие при одинаковых внешних условиях. В этой связи используют относительно небольшие, от единиц до десятков кубических метров, модельные водные экосистемы, выделенные в естественном водном объекте. Вопросы корректности использования данных, полученных в мезокосмах применительно к естественным экосистемам, обсуждены в различных работах, и результаты, полученные с использованием этого метода, нашли применение при решении различных экологических задач [5].

ЭКСПЕРИМЕНТ

В 2007 году, с 10 по 31 августа (всего 22 дня), в зимовальном рыбоводном пруду, заполняемом из р. Дон, был организован натурный эксперимент с мезокосмами для накопления информации о физико-химических и биологических показателях состояния водных экосистем при поступлении в эти экосистемы соединений металлов.

Было установлено пять мезокосмов унифицированной конструкции объемом 4 м3 при глубине 1,5 м, позволяющих выделять объем воды от поверхности до дна, включая донные отложения. Изолирующим материалом служила полиэтиленовая пленка толщиной около 100 мкм. Основание из пластика углубляли в дно водного объекта, на поверхности пленка удерживалась пластиковым кольцом диаметром 2 м, закрепленным на шпалерах.

Антропогенное воздействие моделировали путем внесения соединения кадмия. Концентрации кадмия во всех мезокосмах значительно превосходили ПДК (ПДКр/хоз для Сё 5 мкг/дм3) и варьировали как по величине, так и по периодичности воздействия (табл. 1).

Ежедневно измеряли концентрацию растворенного кислорода, температуру воды, спектры яркости восходящего от воды излучения, определяли первичную продукцию и деструкцию органического вещества. Дополнительно отбирали пробы фитопланктона, пробы для определения концентрации кадмия и хлорофилла а. В отдельные дни по причинам, связанным в основном с погодными условиями, измерения спектров яркости не выполняли.

ПРИБОРЫ И МЕТОДИКИ

Расчет валовой первичной продукции Р и деструкции органического вещества Я проводили на основе измеренных концентраций растворенного кислорода в замкнутых светлых и темных сосудах, экспонированных в течение 8 часов, с 9 до 17 ч, в период практически линейного роста продукции фитопланктона [6]. В отличие от стандартного метода

Таблица 1. Условия нагрузки мезокосмов

Номер мезокосма Расчетная кратность, ПДКр/хоз Режим и сроки внесения Исходная концентрация Сё2+, мкг/дм3 Конечная концентрация Сё2+, мкг/дм3

1 0 Не вносились 0 0

2 50+20+20+20+20=130 Многократно (в 1-е, 3-и, 6-е, 280 53,0

8-е, 10-е сут.)

3 100 Однократно в 1-е сутки 335 5,4

4 150 Однократно в 1-е сутки 396 2,0

5 100 Однократно в 1-е сутки 327 4,2

0,40 0,35 0,30

£

I 0,25 £

U

I 0,20

U

| 0,15 0,10 0,05 0,00

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Длина волны, нм

Рис. 1. Нормированные спектры коэффициентов яркости экосистем прудов нижнего Дона. На врезках - номер мезокосма или материнской экосистемы и сутки проведения съемки

с использованием склянок объемом 150-250 см3 в качестве сосудов для экспозиции были использованы прозрачные и темные пластиковые трубки диаметром 50 мм, которые устанавливали в каждом мезокосме и материнской экосистеме, заглубляя одним концом в дно так, чтобы верхний край трубки находился на уровне поверхности воды. Сверху трубки закрывали герметичными крышками. Измерение концентрации растворенного кислорода проводили in situ на среднем горизонте, на глубине 7075 см, соответствующей фотическому слою водной экосистемы. Таким образом, для экспозиции вырезали столб воды от поверхности до дна объемом около 3 дм3 с включением донных отложений.

Предварительные исследования, в которых концентрацию кислорода измеряли на трех горизонтах - подповерхностном, среднем и придонном, показали, что репрезентативным для определения продукции и деструкции всей толщи воды является средний горизонт. Примененная методика экспонирования сосудов для определения концентрации кислорода с последующей оценкой продукции и деструкции не является общепринятой. Она не получила еще широкого распространения по сравнению с общепринятыми титрометриче-ской и радиоуглеродной, хотя ее преимущества, связанные с оперативностью получения результатов, и простота при постановке эксперимента

несомненны. Поэтому следует говорить об изменении концентрации кислорода на указанном горизонте в результате продукционных и деструкци-онных процессов. Но для краткости изложения в работе используются общепринятые понятия продукции и деструкции.

Концентрацию раст

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком