Курс лекций: Водные растения

4. Катастрофическая стадия наблюдается при постоянно неудовлетворительном качестве воды, которая относится к категории загрязненной. Происходит существенная перестройка водных сообществ: снижение видового разнообразия, выпадение олигосапробных видов, развитие фитопланктона. Водоем зарастает растениями с плавающими листьями, погруженные растения исчезают, хорошо развита прибрежная растительность, развитие и последующее отмирание фитопланктона взывает вторичное загрязнение воды.

5. Стадия чрезвычайной экологической ситуации - формируется гипертрофный (полисапробный) водоем, в котором отсутствуют погруженные растения, могут присутствовать рясковые, и хорошо развита прибрежная растительность. Биомасса фитопланктона очень высокая, но развиваются всего несколько видов, в основном сине-зеленые водоросли.

6. Экологический коллапс - полная деградация водоема, развиваются только сине-зеленые и анаэробные бактерии, высшая растительность отсутствует, такой водоем подлежит ликвидации.

13.3 Зоны сапробности пресных водоемов

Сапробность - физиологические свойства организма, которые обуславливают его способность обитать в водоемах с определенной степенью загрязнения. Иными словами сапробность можно охарактеризовать как степень интенсивности распада органических соединений в водном объекте, что, в ряде случаев, приводит к повышенному потреблению кислорода и накоплению ядовитых продуктов распада в водном объекте (углекислота, сероводород, органические кислоты).

Отличие зон сапробности друг от друга заключается в различной степени разложения органического вещества. Чаще всего выделяют следующие основные зоны:

1. Полисапробная (р-сапробная) зона сильного загрязнения органическими веществами (100-400 мг/л) и продуктами их анаэробного распада (метан, сероводород). Все биохимические процессы носят восстановительный характер в результате дефицита или отсутствия кислорода. Население полисапробных вод обладает низким видовым разнообразием, но отдельные виды могут развиваться в массе и достигать большой численности, в основном здесь распространены бесцветные жгутиконосцы и анаэробные бактерии.

2. Альфа-мезосапробная (-сапробная) зона содержит меньшее количество органики (до 25-100 мг/л.), в воде и донных отложениях идут окислительно-восстановительные, так как присутствует незначительное количество кислорода. В результате распада белковых органических соединений накапливаются аминокислоты и аммиак, начинаются процессы самоочищения. В зоне обитают организмы, устойчивые к дефициту кислорода (сине-зеленые и зеленые водоросли, некоторые водные растения).

3. Бета-мезосапробная зона (в-сапробная) характеризуется меньшим количеством органики (2-20 мг/л), окислительные процессы преобладают над восстановительными. Концентрация кислорода может колеблется в течение суток. Зоне свойственно наибольшее видовое разнообразие фитопланктона и макрофитов.

4. Олигосапробная зона (о-сапробная) - это чистые воды, содержащие кислород в количествах, близких к насыщению, содержание органических веществ не превышает 1 мг/л. Небольшое видовое разнообразие фитопланктона и макрофитов, часто встречаются харовые водоросли.

Трофность и сапробность взаимосвязанные показатели состояния водных биоценозов, указывающие также на качество воды.

Таблица 3

Соотношение трофности, сапробности и качества воды [11]

В одном и том же водоеме могут присутствовать зоны разной сапробности, что может являться естественным свойством водоема. В прибрежных участках, где активно идет старение водоема, связанное с его зарастанием, находится б-мезосапробныая зона, на глубоких участках может быть полисапробная зона, весь водоем может быть переходным от в- к б-мезосапробному. Для каждой зоны можно выделить виды, являющиеся ее индикаторами.

Оценка уровня сапробности и биомассы водных растений служат показателями качества воды и степени эвтрофикации. Оптимальным считается зарастание акватории на 15-20% при значении фитомассы растений около 1,5 кг/м².

Несмотря на то, что для каждой зоны сапробности можно выделить ряд индикаторных видов гидробионтов, основой выделения зон явяляются механизмы деструкции органического вещества. Виды-индикаторы лишь подтверждают сделанный на основе химических методов анализа воды вывод об уровне сапробности водного объекта. Также отсутствие универсальности анализа водного объекта лишь по наличию индикаторных видов, не принимая во внимание прочие параметры, подтверждают виды, относящиеся одновременно к разным зонам сапробности.

13.4 Сукцессии в пресноводных водоемах

Сукцессия - последовательная смена сообществ (биоценозов, экосистем) в одном и том же водоеме.

Особенности процесса:

1. Сукцессия происходит под влиянием биотических факторов экосистемы.

2. Сукцессия имеет направленность и изменения в экосистеме можно пролонгировать.

3. Высшей точкой сукцессии является стабилизированная экосистема.

4. Конечная стадия сукцессии - климаксное (стабильное сообщество).

При сукцессии в водоемах происходи смена видового состава растений. От олигосапробного (олиготрофного) водоема к полисапробному (гипертрофному) ухудшаются показатели, имеющие важное значение для всех гидробионтов и водных растений в частности:

1. Снижается концентрация растворенного кислорода.

2. Нитраты переходят в более токсичные нитриты и аммонийные соединения.

3. Сульфаты переходят в сульфиты, затем в сульфиды и до сероводорода.

4. Снижается прозрачность воды.

5. Увеличивается концентрация биогенных элементов.

В результате снижается устойчивость экосистемы, уменьшается способность водоема к самоочищению, на конечной стадии происходит полная деградация экосистемы.

Водные растения по-разному реагируют на загрязнение среды обитания, но можно выделить две, наиболее характерные реакции:

1. Уменьшение видового разнообразия.

2. Изменение количества видов.

Закономерности смены видового состава:

1. Начальный этап - водоемы с низкой минерализацией, недостаточным количеством биогенных веществ, что препятствует развитию водной растительности и обуславливает низкое видовое разнообразие. Из планктонных водорослей представлены зеленые и диатомовые. Высшая водная растительность: лобелия Дортмана (Lobelia dortmanna), полушник озерный (Isoйtes lacъstris), полушник колючеспоровый (I. Еchinospora, Прибрежница одноцветковая (Littorella uniflora), ситник луковичный (Juncus bulbosus). На дне обитают только харовые водоросли (род Chara). Растения с плавающими листьями отсутствуют. Прибрежная растительность обычно представлена тростником.

2. На втором этапе в результате увеличения количества биогенных веществ повышается уровень трофности. Для этой стадии характерно наибольшее видовое разнообразие водных растений, которое может доходить до 60 видов. Фитопланктон состоит из зеленых и диатомовых водорослей, развитие сине-зеленых незначительно. Среди погруженных растений доминируют широколистные рдесты: (Potamogeton perfoliatus), рдест блестящий (P. lucens). Часто встречается Myriophillum spicatum, уруть мутовчатая (M. verticillatum), Elodea canadensis. Около 20-30% площади водоема занимают растения с плавающими листьями: Polygonum amphibium, Nuphar luteum, Nymphaea candida, Hydrocharis morsus-ranae. Прибрежная растительность представлена Phragmites communis, Tэpha latifуlia, Scirpus lacustris, Irisps pseudacorus, Carex elata.

3. Дальнейшее обогащение органикой приводит к смене видового состава в биоценозе. В сообществе фитопланктона происходит сдвиг в сторону сине-зеленых водорослей, они становятся доминирующей группой, вызывая «цветение» воды, видовое разнообразие уменьшается до 20-30 видов. Широколистные рдесты сменяются узколистными: Potamogeton berchtoldii, рдест волосовидный (P. trichoides), много Ceratophэllum demйrsum и Elodea canadensis. Хорошо развиты плавающие растения: Lemna minor, L. trisulca, Spirodela polyrrhiza, площадь покрытия поверхности водоема может достигать 60%. Прибрежная растительность хорошо развита (Phragmites communis, Tэpha latifуlia, Scirpus lacustris, Iris pseudacorus, Carex elata и др.).

4. Последняя стадия - образование сильно эвтрофного или гипертрофного водоема, в котором доминирует не более 2-3 видов, в основном это плавающие растения, настоящие водные растения отсутствуют. Много прибрежных растений, фитопланктон представлен сине-зелеными водорослями, летом вода «цветет».

13.5 Экологическая зональность пресных водоемов

Экологическая зональность - это наличие зон, населяемых разными организмами и их сообществами (рис. 79). Она обусловлена сменой условий окружающей среды от поверхности в глубину водоема и от прибрежной зоны к открытой воде. При этом происходит изменение абиотических факторов: температуры, освещенности, давления, газового режима и т.д. Экологическая зональность в проточных водах не выражена, в водохранилищах схожа с озерами.

Водная масса вне зависимости от сезона года разделяется по вертикали на три зоны:

1. Эпилимнион. Теплый поверхностный слой воды до глубины 5-8 м, прогревающийся летом до 19-20 ?. Для этой зоны характерно: хорошая степень освещенности, насыщенность кислородом, интенсивное перемешивание воды, достаточная минерализация. Перемешивание способствует насыщению воды кислородом и понижению температуры, что вызывает сдвиг популяций водорослей от сине-зеленых к зеленым. В пелагиали хорошо представлены планктонные виды водорослей (диатомовые, зеленые, сине-зеленые), создающих первичную продукцию. Летом поверхностный слой содержит большое количество водорослей, забор воды вызывает закупорку фильтров, вода может приобретать привкус и неприятный запах.

Массовое развитие водорослей приводит к «цветению» воды, вдоль подветренной береговой линии может скапливаться много разлагающейся пены характерного зеленовато-коричневого цвета. Единственным достаточно эффективным средством предотвращения эвтрофикации воды является контроль над поступлением биогенных веществ.

2. Металимнион. Зона до глубины около 12.м, для которой характерен наибольший градиент температур (в летний период температура в пределах 5-10 ?). С глубиной изменяется концентрация кислорода (возможно как перенасыщение, так и дефицит). Причиной недостатка могут быть окислительные процессы, так как вещества задерживаются в более холодном слое воды. Освещенность недостаточная, интенсивного перемешивания воды не происходит. Из представителей фитопланктона доминируют диатомовые, среди которых много холодолюбивых видов.

3. Гиполимнион. Нижние, наиболее холодные застойные слои воды, глубина слоя ниже 12 м. Температура часто может оставаться постоянной. Воды гиполимниона содержат большое количество углекислого газа, т.к. идет анаэробное разложение органики истощает запас кислорода. Дефицит кислорода, низкая освещенность препятствуют фотосинтезу, фитопланктон отсутствует, но в теплое время года интенсивный рост водорослей может распространяться и на гиполимнион.

Дно озер (бенталь) разделяется на более глубоководную часть (профундаль), которая более-менее соответствует водам гиполимниона и прибрежную зону - литораль. Литораль простирается до глубины 5-7 м (до границы возможной глубины обитания макрофитов), благодаря температурному и газовому режиму, видовой состав растений достаточно разнообразен. В этой зоне хорошо развиты полупогруженные, погруженные растения и растения с плавающими листьями.

Рис. 79 Экологическая зональность пресных водоемов [20]

14. Биоиндикация

Биоиндикация - оценка качества и степени загрязнения воды основанная на качественных и количественных характеристиках живых организмов. Биоиндикация применяется к водоемам, имеющим собственную биоту - исторически сложившуюся совокупность живых организмов.

Биоиндикаторы - отдельные организмы или их сообщества, являющиеся показателями процессов, которые протекают в экосистеме в результате каких-либо видов загрязнения. Для индикации качества воды и степени загрязнения водоемов используют практически все группы гидробионтов, прибрежно-водные растения в качестве индикаторных видов позволяет провести рекогносцировочную оценку состояния водоема.

Для рекогносцировочной оценки состояния водных объектов с использованием водных растений используются следующие показатели:

1. Наличие или отсутствие наиболее характерных видов для водоемов определенного типа.

2. Оценка состояния растений (отсутствие цветения, изменение окраски, некрозы листьев, бурые или желтые пятна и т.д.).