Романенко Основы гидроэкологии. Р69 Основы гидроэкологии Учебн для студентов высших учебных заведений. К генеза, 2004. 664 с 1
 Скачать 7.62 Mb.
|
|
В. Д. Романенко Допущено Министерством образования и науки Украины как учебник для студентов высших учебных заведений Киев 2004 ББК 28.08я7 Р69 Допущено Министерством образования и науки Украины как учебник для студентов высших учебных заведений (Письмо Министерства образования и науки Украины 1/11-610 от 26. 02. 2001 г.) Печатается при финансовой поддержке Программы ПРООН-ГЭФ экологического оздоровления бассейна Днепра д. б. н, проф. ОП. Оксиюк, д. б. н, проф, чл.-корр. Украины НЮ. Евтушенко д. б. н, проф. Л. П. Брагинский та доповнена новими ана- видання (К Обереги, 2001). за- i питания пдроекологп. з рою водних типу (моря озера, ставки канали). проводив заре- гулювання систем, антропогенного евтрофування, токсичного водних В.Д. Р69 Основы гидроэкологии: Учебн. для студентов высших учебных заведений. - К Генеза, 2004. — 664 с [1] лист илл Переработанная и дополненная новыми материалами версия аналогичного украинского издания (К Обереги, 2001). Включает общие и специальные вопросы гидроэкологии. Знакомит с гидросферой, особенностями функционирования водных экосистем разного типа (моря, лиманы, реки, водохранилища, озера, пруды, во- доемы-охладители энергетических объектов, каналы. Анализируются процессы формирования качества воды и биопродуктивности в условиях зарегулирования речных систем, антропогенного эвтро- фирования, токсического и радионуклидного загрязнения водных объектов. ББК я Романенко В.Д., 2001 © Романенко В.Д. Авторский перевод на русский язык, 2004 © Издательство Генеза, 2004. Ори- гинал-макет, художественное оформление СОДЕРЖАНИЕ Предисловие Вступление РАЗДЕЛ I. Гидросфера Глава 1. Гидросфера и ее экологическая зональность 25 1.1. Общая характеристика гидросферы 25 1.2. Экологическая зональность Мирового океана и морей 29 1.3. Экологическая зональность водоемов 34 1.4. Экологическая зональность речных систем 36 2. Водная экосистема, ее состав и место в биосфере . . . . 39 2.1. Экосистема как структурно-функциональная составляющая биосферы 39 2.2. Сообщества гидробионтов отдельных экологических зон водных экосистем 42 2.3. Трофическая структура биоты водных экосистем . . . . РАЗДЕЛ П. Биологические компоненты водных экосистем . . . Глава 3. Бактерии и вирусы 50 3.1. Бактерии 50 3.2. Вирусы Глава 4. Водоросли (Algae) 57 4.1. Экологические формы водорослей. Синезеленые водоросли (Cyanophyta) 61 4.3. Диатомовые водоросли 66 4.4. Зеленые водоросли 68 4.5. Харовые водоросли (Charophyta) 72 4.6. Динофитовые водоросли (Dinophyta) 73 4.7. Криптофитовые водоросли (Cryptophyta) 74 4.8. Эвгленовые водоросли 75 4.9. Золотистые водоросли (Chrysophyta) 77 4.10. Желтозеленые водоросли (Xanthophyta) 79 Красные водоросли, или багрянки 81 ' 4.12. Бурые водоросли 82 ' 4.13. Рафидофитовые водоросли Глава 5. Высшие водные растения 84 5.1. Общая характеристика 84 5.2. Экологические группы Глава 6. Водные беспозвоночные животные 92 6.1. Простейшие (Protozoa) 92 6.2. Губки 100 Основы гидроэкологии 6.3. Кишечнополостные (Coelenterata) 101 6.4. Плоские черви (Турбеллярии (Turbellaria) 104 6.5. Немертины 106 6.6. Круглые черви, или Нематоды и коловратки (Rotatoria) 106 6.7. Кольчатые черви (Annelida). Полихеты (Polychaeta), олигохеты (Oligochaeta) и пиявки (Hirudinea) 109 6.8. Водные членистоногие (Arthropoda) 112 6.9. Моллюски (Mollusca) 143 6.10. Щупальцевые (Tentaculata) 157 6.11. Щетинкочелюстные, или морские стрелки) 159 6.12. Иглокожие (Echinodermata) Глава 7. Рыбообразные и рыбы (Pisces) 163 7.1. Экологические особенности формирования ихтиофауны 163 7.2. Рыбообразные 165 7.3. Хрящевые рыбы (Chondrichthyes) 169 7.4. Хрящевые ганоиды 171 7.5. Настоящие костистые рыбы (Teleostei) РАЗДЕЛ III. Абиотические факторы водных экосистем . . . . Глава 8. Динамика водных масс и ее роль вводных экосистемах 196 8.1. Водные массы как компонент гидрологической структуры водоемов и водотоков 196 8.2. Типизация водных объектов и их гидрологическая характеристика 197 8.3. Роль течений в формировании структуры биоценозов и функционировании водных экосистем Глава 9. Гидрофизические факторы вводных экосистемах . . 204 9.1. Физико-химические свойства воды и их экологическое значение 204 9.2. Термостабильные свойства воды 206 9.3. Плотность воды 208 9.4. Вязкость воды и поверхностное натяжение 210 9.5. Цветность воды 211 9.6. Температурный и термический режим водных объектов 211 9.7. Ледовый режим 216 9.8. Свети его роль в функционировании водных экосистем 218 9.9. Седиментация, осадкообразование и формирование донных грунтов 222 9.10. Роль гидрофизических факторов в жизнедеятельности гидробионтов 225 Содержание Глава 10. Солевой состав води адаптация к нему гидробионтов 228 10.1. Классификация природных вод по солевому составу 228 10.2. Солевой состав океанических и морских вод 229 10.3. Солевой состав континентальных вод 233 10.4. Эвригалинные и стеногалинные гидробионты 236 10.5. Осмотические факторы среды и осморегуляция у гидробионтов 238 10.6. Адаптация гидробионтов к водно-солевым условиям среды Глава 11. Ионные компоненты и их экологическая роль . . . . 250 11.1. Неорганические элементы океанических, морских и пресных вод 250 11.2. Натрий, калий и цезий вводных экосистемах . . . . 251 11.3. Кальций вводных экосистемах 257 11.4. Магний морских и континентальных вод 263 11.5. Сера природных води процессы сульфатредукции Глава 12. Микроэлементы водных экосистем и их биологическая роль 269 12.1. Гидробионты как биоконцентраторы микроэлементов 269 12.2. Железо 270 12.3. Медь 274 12.4. Марганец 278 12.5. Цинк 282 12.6. Кобальт 286 12.7. Кадмий, хром, алюминий Глава Кислород гидросферы и его роль вводных экосистемах 290 13.1. Круговорот кислорода. Формирование кислородного режима 290 13.2. Разложение органических веществ и формирование качества воды 295 13.3. Роль кислорода в жизнедеятельности гидробионтов 297 13.4. Особенности утилизации гидробионтами кислорода из воды Глава 14. Диоксид углерода вводных экосистемах 303 14.1. Химические и биологические превращения 303 14.2. Фиксация углекислоты автотрофными и гетеротрофными организмами. Фотосинтез 306 14.3. Адаптация рыб к изменениям содержания диоксида углерода вводе Глава 15. Круговорот и роль азота вводных экосистемах . . . 310 15.1. Круговорот азота в биосфере 310 15.2. Азотфиксация вводных экосистемах 312 15.3. Усвоение азота водорослями в биосинтетических процессах 313 Основы гидроэкологии 15.4. Аллохтонный и автохтонный азот водных экосистем 314 Аммонификация, нитрификация и денитрификация и их роль в круговороте азота вводных экосистемах Глава 16. Фосфор вводных экосистемах 317 16.1. Неорганический и органический фосфор вводных экосистемах 317 16.2. Содержание фосфора в организме гидробионтов и его метаболическая роль РАЗДЕЛ IV. Водные экосистемы Глава Популяции гидробионтов 323 17.1. Общее представление о популяции 323 17.2. Половая и возрастная структура популяций 326 17.3. 329 17.4. Внутрипопуляционные взаимоотношения гидробионтов 330 17.5. Численность и биомасса популяций гидробионтов. Методы их определения 332 17.6. Регуляция численности популяции 338 17.7. Функциональные и информационные связи в популяциях гидробионтов 341 17.8. Плотность популяции гидробионтов Глава 18. Гидробиоценозы как биологические системы гидросферы 345 18.1. Общая характеристика гидробиоценозов 345 18.2. Видовое разнообразие гидробиоценозов 346 18.3. Гидробиоценозы переходных экологических зон (экотонов) 349 18.4. Структура гидробиоценозов 349 18.5. Взаимоотношения гидробионтов в экосистемах . . . 353 в биологических процессах водных экосистем . . . . Глава Биологическая продуктивность водных экосистем 365 19.1. Биологическая продукция и поток энергии вводных экосистемах 365 19.2. Некоторые положения продукционной гидроэкологии 373 19.3. Методы определения первичной продукции 376 19.4. Методы определения вторичной продукции 380 19.5. Расчеты потенциальной и промысловой рыбопродуктивности РАЗДЕЛ V. Антропогенное влияние на водные экосистемы .. Глава 20. Органическое загрязнение 385 20.1. Органические вещества и их круговорот вводных экосистемах 385 Содержание. Сапробность водных объектов 389 20.3. Самозагрязнение и самоочищение водоемов Глава 21. Эвтрофикация, ее причины и последствия для водных экосистем 396 21.1. Естественная и антропогенная эвтрофикация 396 21.2. Цветение воды как гидробиологический процесс, обусловленный эвтрофикацией Глава 22. Токсическое загрязнение и его последствия для водных экосистем 402 22.1. Источники токсического загрязнения 402 22.2. Реакция гидробионтов на токсическое воздействие 405 22.3. Токсикометрия 408 22.4. Факторы на токсичность химических веществ для гидробионтов 412 22.5. Методы оценки и контроля токсичности водной среды для гидробионтов 413 22.6. Физиолого-биохимические механизмы действия токсикантов на водные организмы 418 22.7. Реакция гидробиоты на токсическое действие химических веществ в естественных условиях . . . . 419 22.8. Биологическая индикация и мониторинг токсических загрязнений водных экосистем 421 22.9. Биологическая детоксикация и буферность водных экосистем 423 22.10. Нормирование уровня токсического загрязнения Глава 23. Радионуклидное загрязнение водных экосистем и его влияние на гидробионтов 431 23.1. Естественная радиоактивность водных объектов . . 431 23.2. Радиационное облучение гидробионтов естественными источниками ионизирующей радиации 434 23.3. Загрязнение водных объектов искусственными радионуклидами 436 23.4. Загрязнение водных объектов в Чернобыльской радионуклидной аномалии 437 23.5. Формы радионуклидов в естественных водах 441 23.6. Распределение и миграция радионуклидов вводных экосистемах 443 23.7. Накопление радионуклидов в организме гидробионтов 446 23.8. Влияние радионуклидного загрязнения на гидробионтов Глава 24. Качество воды 453 24.1. Экологические и водохозяйственные подходы к определению качества воды 453 24.2. Факторы, влияющие на солевой состав вод как среды обитания гидробионтов 453 Основы процессов на воды 455 24.4. Методы оценки качества природных вод 455 24.5. Картографирование экологического состояния поверхностных вод РАЗДЕЛ VI. Моря и внутренние воды Глава 25. Экосистема Черного моря 465 25.1. Водный баланс и качество воды 465 25.2. Газовый режим 467 25.3. Растительный и животный мир 468 25.4. Ихтиофауна и рыбный промысел 473 25.5. Проблемы экологического оздоровления Черного моря Глава 26. Экосистема Азовского моря 477 26.1. Формирование водного баланса 477 26.2. Гидрохимический режим 479 26.3. Флора и фауна 482 26.4. Ихтиофауна Азовского моря 485 26.5. Влияние антропогенной нагрузки на экосистему Азовского моря Глава 27. Экосистемы причерноморских лиманов 488 27.1. Экосистемы открытых лиманов 488 27.2. Экосистемы закрытых лиманов 496 Биологические ресурсы лиманов и их народнохозяйственное значение Глава 28. Гидрографическая сеть физико-географических зон стран днепровского бассейна 501 28.1. Структура речной сети Глава 29. Бассейн Днепра 507 29.1. Общая характеристика Глава 30. Экология бассейна р. Припять 510 30.1. Гидрологический и гидрохимический режим бассейна р. Припять 510 30.2. Видовое разнообразие гидробиоценозов бассейна р. Припять 512 30.3. Роль антропогенных факторов в формировании качества воды Глава 31. Экология бассейна р. Десны Глава 32. Экология днепровских водохранилищ 517 32.1. Общая характеристика зарегулированной части р. Днепр 517 32.2. Особенности формирования экосистем 521 32.3. Основные сообщества водорослей и их роль в экосистемах водохранилищ 524 32.4. Бактериальное население днепровских водохранилищ 526 32.5. Сообщество высших водных растений в экосистемах 527 Содержание 32.6. Основные сообщества животного населения 531 32.7. Загрязнение водохранилищ и его влияние на формирование качества воды и рыбопродуктивность Днепра Глава 33. Экология украинской части бассейна Дуная 540 33.1. Общая гидролого-гидрохимическая характеристика экосистемы Килийской дельты . . . 540 33.2. Биота Килийской дельты 543 33.3. Бассейны притоков Дуная, стекающих с Украинских Карпат Глава 34. Экология р. Днестр 550 34.1. Гидрографическая характеристика, водность и качество воды 550 34.2. Сообщества гидробионтов разных экологических зон Днестра 554 34.3. Влияние зарегулирования на экологическое состояние Днестра Глава 35. Экология р. Южный Буг 557 35.1. Гидрологический и гидрохимический режим реки 557 35.2. Биота Южного Буга 559 35.3. Влияние энергокомплексов на водные экосистемы Глава 36. Экология р. Северский Донец 563 36.1. Гидрографическая сеть и водный сток реки 563 36.2. Гидрохимический режим и формирование качества воды 566 36.3. Биота Северского Донца Глава 37. Экология р. Западный Буг Глава 38. Экологические особенности малых рек 571 38.1. Формирование водного стока и качества воды малых рек 571 38.2. Влияние сельскохозяйственного освоения земель на экосистемы малых рек 574 38.3. Влияние промышленных предприятий и городских конгломератов на состояние малых рек Глава 39. Экосистемы озер 582 39.1. Общая характеристика озер Украины 582 39.2. Экосистема Шацких озер Глава 40. Экологические особенности болот 589 40.1. Общая характеристика 589 40.2. Гидробионты болотных экосистем 592 40.3. Осушение болот и их экологические последствия Глава 41. Пруды рыбохозяйственного назначения 596 41.1. Общая характеристика 596 41.2. Гидрохимический режим прудов 598 41.3. Гидробиологический режим прудов рыбохозяйственного назначения 600 9 Основы гидроэкологии 41.4. Прудовое рыбоводство Глава 42. Экосистемы водоемов-охладителей энергетических объектов 608 42.1. Общая характеристика 608 42.2. Гидрохимический режим водоемов-охладителей 610 42.3. Гидробиологический режим водоемов-охладителей 612 42.4. Тепловое загрязнение (термофикация) водной среды 618 42.5. Рыбохозяйственное использование водоемов-охладителей Глава 43. Экосистемы каналов 621 43.1. Общая характеристика каналов Украины 621 43.2. Особенности гидрологического режима каналов и их влияние на формирование гидробиоценозов .. 624 43.3. Гидробиоценозы каналов 625 43.4. Формирование качества воды в каналах Глава 44. Законодательное регулирование водохозяйственной и водоохранной деятельности Русские и латинские названия гидробионтов Список литературы 657 ПРЕДИСЛОВИЕ Начало XXI века характеризуется обострением взаимоотношений между человеком и окружающей средой практически на всех континентах нашей планеты. Это обусловлено ростом численности населения, интенсификацией промышленного и сельскохозяйственного производства, а соответственно и возрастанием антропогенной нагрузки на окружающую среду - воздушную, наземную и водную. Участники конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро (1992 г) и Всемирной встречи по устойчивому развитию в Йоханнесбурге (2002 г) проявили глубокую озабоченность ухудшением качества окружающей среды и снижением биологического разнообразия. Отмечалось, что сохранение экологически безопасного состояния биосферы, всех ее составляющих является жизненно важной обязанностью всех государств, каждого члена общества. В современных условиях особую актуальность приобретает повышение всеобщей экологической грамотности населения и овладение профессиональными навыками в области экологии и охраны природы со стороны каждого руководителя и специалистов, работающих в различных отраслях хозяйственной деятельности. Экологическое образование должно обеспечиваться на всех этапах общеобразовательного процесса (начальном, среднем, высшем. При обучении студентов в высших учебных заведениях и повышении квалификации специалистов в число обязательных дисциплин входит курс общей экологии и охраны природы. Расширению и углублению знаний в области экологии среди специалистов и широких слоев населения способствовало появление таких фундаментальных монографических работ и учебников, как Экология Ю. Одума [77], Основы экологии Р. Дежо [37], Основы общей экологии Р. Риклефса [89], Основы общей экологии и охраны природы ГА. Новикова [76], Экология Федорова, Т.Г. Гильманова [108], Экология И. Шилова Вопросы экологии водных организмов на популяционном и биоценотическом уровнях рассмотрены в учебнике для университетов Общая гидробиология АС. Константинова [56]. Вышли из печати учебные пособия по экологии некоторых систематических групп растений и животных [32, 64, 74]. 11 Основы Вместе стем до последнего времени отсутствовали учебники и учебные пособия по гидроэкологии - науке о водных экосистемах, особенностях их функционирования в условиях антропогенного воздействия на водные объекты и прилегающие к ним водосборные площади. Как отмечается в «Гамильтонском заявлении об управлении совместными водными ресурсами, принятом на Всемирной встрече по устойчивому развитию в Йоханнесбурге (2002 г, сегодня более половины населения мира проживает в пределах 150 км от побережья. Это растущее население своим проживанием, промышленной деятельностью и отдыхом оказывает все более сильное давление на эти ценные и уязвимые экосистемы. Берега морей и пресноводных водоемов во всем мире находятся в критическом состоянии. Все это негативно сказывается на состоянии морских и континентальных водоемов. Ухудшается качество их воды, снижаются видовой состав и численность гидробионтов. Особенно сложно решаются проблемы охраны водных ресурсов в странах, испытывающих их природный дефицит. К их числу относятся многие страны Европы, Азии и других континентов. Недостаток пресных вод проявляется ив регионах с довольно высокими запасами природных вод в местах чрезмерной концентрации водоемких производств. При этом возрастает безвозвратное водопотребление, ухудшается качество природных води снижается самоочистительная способность водных экосистем. Для решения проблем окружающей среды в сложившейся ситуации необходима повседневная квалифицированная работа специалистов-гидроэкологов, направленная на поиски практическое применение научно обоснованных методов рационального использования и охраны водных ресурсов. Познание механизмов функционирования водных экосистем служит основой для решения многих практических задач, связанных с повышением продуктивности водоемов, улучшением качества воды в них и осуществлением водоохранных мероприятий на водосборных площадях. Именно этим объясняется то, что в последние годы XX века во многих высших учебных заведениях наряду с чтением общего курса Экология в учебный процесс введен еще и специальный курс Экология водоемов с основами гидробиологии, основы которого изложены в настоящей книге. При ее подготовке использованы материалы многолетних исследований автора и других ученых, работавших в разные периоды формирования водных экосистем после осуществления крупномасштабного гидротехнического строительства на Волге, Днепре, Днестре, малых реках и других водных объектах. Учтены требования к программе курса гидроэкологии, который автор на протяжении ряда лет преподает студентам Киево-Могилянской академии Предисловие Книга освещает общие и специальные вопросы гидроэкологии, знакомит с гидросферой и ее обитателями, физико-химическими и биологическими процессами, связанными с функционированием водных экосистем, формированием качества воды и биопро- дуктивности, влиянием токсических и радиоактивных загрязнений на водные экосистемы. На примере водных объектов Украины рассматриваются особенности функционирования водных экосистем разного типа. Анализируется состояние Черного и Азовского морей, причерноморских лиманов, днепровских и днестровских водохранилищ, озер, малых рек, прудов рыбохозяйственного назначения, водоемов-охладителей тепловых и атомных электростанций, каналов территориальной переброски водного стока. В книге приводятся рисунки наиболее распространенных гидробионтов, изображение которых соответствует их описанию в учебниках и определителях микроводорослей [22, 102], высших водных растений [79], беспозвоночных [40, 47, 67] и рыб [95, В основу книги положена переработанная и дополненная новыми материалами версия аналогичного украинского издания г, вышедшего под грифом Министерства образования и науки Украины в качестве учебника для студентов экологических и биологических специальностей высших учебных заведений. Автор выражает искреннюю признательность коллегам Института гидробиологии и других научных учреждений Национальной академии наук Украины за ценные замечания при рассмотрении дискуссионных положений гидроэкологии, а также кандидатам биологических наук ЮГ. Кроту, И.Н. Коновцу, НА. Могилевич за содействие при подготовке рукописи к печати Новосаду за любезно Предоставленные цветные изображения наиболее характерных водных объектов Украины ВСТУПЛЕНИЕ Предмет, задачи и методы гидроэкологии Гидроэкология — это биологическая наука, изучающая водные экосистемы и их части как целостную систему взаимодействующих живых (биотических) и неживых (абиотических) ком- понентов. В современной биологической науке различают девять уровней организации живого молекулярный, генный, клеточный, тканевой (суборганизменные уровни, организменный и надорга- низменные - популяционный, биоценотический, экосистемный и биосферный. Наиболее высоким уровнем организации жизни на нашей планете является биосферный. Каждый из этих уровней исследуют разные науки (молекулярная биология, генетика, цитология, гистология, физиология экология, биоценология, биосферология и биогеохимия). Гидроэкология изучает закономерности жизни преимущественно на надорганизменных уровнях - популяционном, биоцено- тическом и экосистемном - в связи с условиями водной среды и близлежащих территорий. Она опирается на закономерности, установленные для других уровней организации живых систем, но имеет свои подходы и методы исследования биологических и иных естественных процессов, происходящих вводной среде. Гидроэкология изучает взаимодействие биотических и абиотических компонентов и устанавливает их роль в функционировании водных экосистем. Рассматривая водную экосистему как целостную функциональную единицу биосферы, гидроэкология опирается на базовые дисциплины - ботанику, зоологию, микробиологию, гидробиологию. Более широко гидроэкология использует данные гидрологических и гидрохимических исследований, в частности таких направлений наук экологическая гидрология (экогидрология) и экологическая гидрохимия. В последнее время важное значение приобрели составные части гидроэколо- гии - водная радиоэкология и водная токсикология. Вместе стем в гидроэкологии сформировались свои интегральные подходы к изучению и оценке структуры и функционирования водных экосистем как сложных систем надорганизменного уровня Вступление Гидроэкология - не только биологическая наука, это и соци- ально-экологическая дисциплина, имеющая большое социальное значение, поскольку она рассматривает влияние хозяйственной деятельности человека на качество воды, состояние и функционирование водных экосистем в целом как составляющих окружающей среды. В настоящее время водоемов с антропогенно неизмененными экосистемами практически нет. Речь может идти лишь о степени и характере таких изменений. Их причинами могут быть гидротехническое строительство, в частности зарегулирование речного стока при сооружении плотин, спрямление русел рек, углубление дна, сброс вводные объекты подогретых и загрязненных вода также поступление загрязняющих веществ с водосборной площади. Под влиянием этих факторов вводных экосистемах существенным образом изменяются физико-химические и биологические процессы. Это приводит к резкому ухудшению состояния экосистем и потере их естественной устойчивости, а также к снижению качества воды и биологической продуктивности водоемов. Важнейшая проблема современной гидроэкологии — это КАЧЕСТВО ВОДЫ, в частности экологические основы его формирования в экосистемах разных водных объектов - реках, озерах, водохранилищах, морях и океанах. Это процессы загрязнения- самоочищения, реакции экосистем на различные антропогенные воздействия, такие как эвтрофикация, органическое загрязнение, подогрев сбросными водами атомных и тепловых электростанций (термофикация), кислотные дожди (ацидифика- ция), токсическое загрязнение (токсификация), радионуклидное загрязнение и др. Огромное значение имеет также изучение изменений вводных экосистемах в результате гидростроительства (сооружение плотин, каналов и др) для гидротехнического проектирования, которое должно учитывать влияние гидросооружений на водную среду, а именно, на качество воды и биологические процессы, происходящие в ней. Вторая важная проблема гидроэкологии, равно как гидробиологии и ихтиологии, - это БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ВОДОЕМОВ, с которой связано решение многих проблем рыбного хозяйства и рыбного промысла - рыбоводство в естественных водоемах, прудовое рыбоводство, воспроизводство рыбных запасов, промысловых беспозвоночных животных (раков, крабов, моллюсков) и водорослей, искусственное разведение полезных водных организмов (аквакультура) и многие другие аспекты их использования в народном хозяйстве. В условиях антропогенного воздействия биологическая продуктивность водоемов, непосредственно связанная с качеством Основы гидроэкологии воды, существенно снижается. Обе эти проблемы рассматриваются в гидроэкологии во взаимосвязи, поскольку качество воды в значительной мере формируется под влиянием биологических процессов. Важное значение имеет разработка средств борьбы с вредными организмами — возбудителями и переносчиками возбудителей инфекционных и паразитарных заболеваний человека, домашних животных и рыба также с организмами, которые создают препятствия в коммунальном, питьевом и техническом водоснабжении, судоходстве, эксплуатации гидросооружений и др. Основная цель исследований и практической деятельности в области гидроэкологии состоит в научном обосновании путей и средств сохранения водной среды и жизни в ней как необходимой основы существования человеческого общества и развития продуктивных сил. А это значит предусматривать возможные отрицательные последствия хозяйственной деятельности и управлять естественными процессами вводной среде, опираясь на знание закономерностей их хода. Гидроэкологические исследования благодаря использованию научно-технических разработок позволяют решать проблемы охраны окружающей среды наиболее рационально и экономически эффективно. В мировой практике такой подход имеет название МЕНЕДЖМЕНТ окружающей среды. Гидроэкология, как и каждая естественная наука, для решения своих задач использует богатый арсенал методов наблюдения в природе изучение видового состава живого населения водоемов и определение количественных показателей отдельных видов химический анализ воды и донных отложений эксперименты на отдельных популяциях, биоценозах и экосистемах лабораторные эксперименты и эксперименты на естественных водоемах лабораторное и математическое моделирование водных экосистем применение новейших технических средств - подводного телевидения, датчиков для получения оперативной информации о состоянии водных организмов. Для обработки полученной информации применяется компьютерная техника (экоинформатика). В последние десятилетия важное значение приобрели аэрофотосъемка больших водных объектов и фотографирование из космоса с помощью искусственных спутников Земли, позволяющие получить широкомасштабную панораму водных систем - речных и озерных бассейнов, водохранилищ, морей и океанов. Для биологических исследований водной среды широко используются специальные приборы — планктонные сетки, планкто- нособиратели, планктоночерпатели, тралы, драги, дночерпатели (для отбора проб донных грунтов и гидробионтов, позволяющие Вступление проводить анализ видового состава водной флоры и фауны, в частности ее микроскопических компонентов, а также рассчитывать их численность и биомассу те. концентрацию, водных организмов в определенных точках водоема и их динамику в пространстве и времени. Наблюдения на естественных водных объектах наиболее информативны, если они проводятся регулярно в определенном месте через определенные промежутки времени. Гидроэкологичес- кие наблюдения обычно носят комплексный характер, те. сочетают деятельность специалистов разного профиля - гидрологов, гидрохимиков, гидробиологов различных узких специализаций (гидроботаников, планктологов, бентологов и др. Такая организация наблюдений называется мониторинг (от англ. to monitor - наблюдать). Во многих развитых странах мира, а в последние годы ив Украине, данные мониторинга, осуществляемого разными организациями и учреждениями, концентрируются в национальных компьютерных центрах (геоинформационных системах). В Украине гидроэкологическими исследованиями занимаются научные учреждения Национальной академии наук Институт биологии южных морей им. А.А. Ковалевского (Севастополь, филиал в Одессе ив Крыму — Карадаг Институт гидробиологии (Киев), Институт биологии Днепропетровского университета, Институт экологических проблем (Харьков. Гидроэкологичес- кие вопросы, связанные с интересами рыбного хозяйства, изучают также Институт рыбного хозяйства Украинской аграрной академии наук (Киев, Южный научно-исследовательский институт рыбного хозяйства (Керчь) и его Одесский филиал. Отдельные вопросы гидроэкологии разрабатываются на кафедрах Днепропетровского, Киевского, Львовского, Одесского, Тер Ужгородского, Харьковского и Черновицкого уни- верситетов. Оперативный мониторинг качества воды в реках, водохранилищах и других водных объектах осуществляет Гидрометеорологическая служба Украины. Исследования и наблюдения на водоемах могут носить стационарный характер, те. проводиться на определенных постоянных объектах - реках, озерах, прудах. С этой целью организуются гидробиологические станции. При исследовании морей и океанов, больших реки построенных на них водохранилищ применяют экспедиционный метод, те. выезды научных коллективов по заранее намеченным маршрутам на кораблях, специально оборудованных для научных исследований и имеющихся в распоряжении научно-исследовательских учреждений многих стран. В Украине на протяжении х годов прошлого столетия работали Основы гидроэкологии такие суда, как Академик Вернадский, Гидробиолог (на Днепре), Академик (на Днепре и Дунае, сейнер «Академик Зернов» (в низовьях Днепра и лиманах северо-запад- ного Причерноморья, Александр Ковалевский», «Профессор Водяницкий» (на морях и океанах. В результате экспедиций на этих судах собран огромный материал, послуживший основой многим научным разработкам. Основные понятия и термины гидроэкологии При рассмотрении вопросов гидроэкологии постоянно используются некоторые базовые понятия и термины. Водный организм - это живое существо (растение, животное), обитающее вводной среде. Отдельный организм, приспособленный к определенной среде, называется соответственно водный организм — геобионт — это обитатель наземной среды аэробионт - воздушной. Некоторые бионты (например, лягушки) могут менять водную среду на наземную и наоборот, их называют Все водные растения и животные- гидробионты. Гидробионты, которые на протяжении своего жизненного цикла меняют водную среду на воздушную или обитают определенное время среди воздушно-водных растений, например водные насекомые (комары, стрекозы и проч, называются гетеротопными организмами или гетеротопамй. Гидробионты, живущие лишь вводе, называются гомотопными организмами или гомотопами. Совокупность гидробионтов, живущих в определенных зонах водоемов (в толще воды, на дне, среди растений, называется сообщество. Совокупность организмов, обитающих в пределах одного водного объекта, образует биом; для обобщенного обозначения растительного и животного населения (флоры и фауны) водоемов используется термин биота Состав биоты отображает биологическое разнообразие водной среды (океанов, морей, пресноводных водоемов и водотоков). Каждый вид в природе имеет определенную область распространения ареал В пределах отдельной территории или акватории вид занимает определенный участок с соответствующими условиями среды, к которым он приспособлен. Такой участок называется биотопом, или экотопом. Совокупность особей одного вида, населяющих один биотоп, называется популяцией а несколько (множество) популяций образуют биоценоз Вступление влияния вводной среде и их действие на гидробионтов Физические, химические, физико-химические, гидрологические, оптические и другие параметры водной среды в определенных пределах обеспечивают необходимые условия существования водных организмов, формирования и функционирования их популяций, сообществ, биоценозов и экосистем в целом. Вода — не только среда, окружающая гидробионтов, но и одновременно их внутренняя среда, поскольку тело гидробионтов более чем на 90 % состоит из воды. Водные организмы формируют также внешнюю среду друг для друга, выделяя и потребляя кислород и диоксид углерода, выделяя продукты своего обмена (экзометаболиты), поедая друг друга (хищники - жертвы) и т. п. Каждый организм живет во взаимодействии с окружающей средой, без которой, по мнению известного эколога XIX века К. Рулье, он не может ни родиться, ни жить, ни умереть. Все параметры окружающей среды, так или иначе влияющие на жизнь в водоемах, называются факторы Их подразделяют на абиотические, биотические и антропогенные. Среди абиотических факторов различают космические и зет ные. Космические факторы — это, прежде всего, солнечное излучение, в состав которого входит 48 % видимого света, до 7 % ультрафиолетового и 45 % инфракрасного излучения. Благодаря солнечной радиации осуществляется фотосинтез водных растений основной процесс образования органического вещества, а также повышается температура воды — важнейший экологический фактор жизнедеятельности водных организмов. Кроме того, на все живое на Земле, в том числе и на гидробионтов, действуют разные виды космического излучения, в частности гамма-лучи и другие радиоактивные факторы, а также магнитное поле Земли, которое периодически возмущается под влиянием взрывов на Солнце. Естественный магнетизм играет значительную роль в миграциях водных млекопитающих (китов, кашалотов, дельфинов) и некоторых рыб (угрей). Важнейшую экологическую роль играют силы всемирного тяготения, обусловливающие в океанах и морях приливно-отливные явления и, как следствие, - непостоянные условия жизни организмов шельфа и литорали, периодически обводняющейся и высыхающей. Чередование дня и ночи и другие периодические явления, связанные с вращением Земли вокруг Солнца, влияют на поведение, образ жизни и процессы размножения водных животных. Следствием приспособления гидробионтов к периодическим колебаниям космических факторов является формирование так называемых биологических часов (или циркадных ритмов, те Основы гидроэкологии ритмических колебаний жизненных процессов водных животных в соответствии с колебаниями условий окружающей среды (ритмические колебания сохраняются ив тех случаях, когда гидробионты живут за пределами своей естественной среды, например в аквариумах. Биоритмы известны даже у водорослей (в частности, у синезеленой водоросли осциллятории). Этот механизм выработан входе продолжительного эволюционного процесса и закреплен генетически. К чередованию дня и ночи приспособились многие ночные животные, питающиеся преимущественно Сезонные изменения температуры воды связаны с вращением Земли вокруг Солнца и отражаются на всем составе гидробиоты: весенний, летний и осенний планктон в водоемах систематически сменяют друг друга. Процессы размножения гидробионтов приурочены к теплому периоду, тогда как осенью жизнь угнетается, а зимой замирает значительная часть животных находится в состоянии анабиоза или откладывает устойчивые к внешним воздействиям яйца (споры, цисты, а растительные организмы отмирают. Рыбы большей частью не и зимуют в неподвижном Вспышки размножения гидробионтов (или волны жизни, по Вернадскому) также приурочены к сезонным изменениям температуры и освещения. В целом, вся жизнь вводе полностью подчинена влиянию Солнца и связанных с ним ритмов физических, химических, гидрологических и других процессов. Из числа земных абиотических факторов наибольшее экологическое значение имеют физические и химические свойства воды удельный вес, вязкость, поверхностное натяжение, мутность, освещенность, прозрачность, цветность. Гидрологический режим водоемов определяет формирование специфических сообществ организмов, приспособленных к условиям замедленного течения сообщества) или к условиям проточности сообщества. Соответственно формируются или экосистемы, которые существенно отличаются как по составу биоты, таки по особенностям протекания гидробиологических процессов. На больших глубинах океанов и морей важнейшим среди физических факторов является атмосферное давление. К физико-химическим факторам относятся активная реакция среды (рН), окислительно-восстановительный потенциал (щелочность, жесткость, осмотическое давление. Химические факторы - это содержание кислорода, диоксида углерода, других растворенных газов, минерализация, солевой состав, соленость, концентрация органических веществ, наличие загрязняющих веществ разного химического состава Вступление Для донных организмов важное значение имеют структура донных отложений, уровень заиленности, содержание органического вещества вилах и др. Биотические факторы формируются в результате воздействия водных организмов на среду или друг на друга. К таким факторам можно отнести изменение условий (кондиционирование) среды преобладающими видами (эдификаторами), например изменение содержания кислорода и углекислого газа в водоемах, заросших высшими водными растениями. Поедание одних видов другими (растений - животными, мирных животных хищными, т. е. процессы, которые формируют трофические цепи (система хищник жертва паразитирование одних организмов на других использование одних организмов в качестве места обитания других и много иных связей, которые складываются между обитателями водоемов в течение продолжительного или короткого времени существования экосистемы. Такой комплекс связей собственно и составляет суть экосистемы как концентрированного центра жизни, ибо, как отмечал известный эколог ММ. Камшилов, связи и отношения - это не внешний атрибут жизни, а сама жизнь». Любой организм или совокупность организмов всегда существуют в системе экологических связей и сочетания (констелляции) нескольких факторов среды. Следствием такого взаимодействия становится или процветание, или угнетенность, или смерть как на организменном, таки на популяционном и биоценотическом уровнях, хотя системы более устойчивы к колебаниям факторов, чем отдельные особи. В XX веке наибольшее значение для водной среды приобрели антропогенные факторы. Хозяйственная деятельность человека, хищническое использование рыбных запасов, неограниченный промысел морских животных привели к резкому снижению численности полезных водных животных, к перестройке структуры биоценозов, вымиранию наименее защищенных видов. К важнейшим антропогенным факторам, влияющим навесь ход биологических процессов в биосфере, относятся гидротехническое строительство (зарегулирование рек плотинами, межбас- сейновая переброска стока и др, чрезмерное водопользование, загрязнение водоемов сточными водами разных производств и коммунально-бытовыми стоками, нефтяное загрязнение морей и океанов вследствие аварий танкеров, а пресных вод - вследствие судоходства и широкого использования моторных лодок для рекреации и рыболовства. Среди антропогенных факторов, в наибольшей степени изменяющих качество природных води снижающих биологическую продуктивность водоемов, можно отметить следующие эвтрофи- 21 Основы гидроэкологии кация, обусловленная повышением содержания вводе биогенных веществ - азота и фосфора, приводит к чрезмерному развитию водорослей и последующему самозагрязнению водоема при их отмирании органическое загрязнение (сапробизация); токсическое загрязнение химическими веществами разного происхождения (токсификация); тепловое загрязнение вследствие сброса вводные объекты подогретых вод тепловых и атомных электростанций кислотные дожди, которые изменяют активную реакцию воды- рН (ацидификация). В е годы XX века вследствие многоразового испытания атомного и термоядерного оружия большое значение для биосферы в целом и для гидросферы в частности приобрело загрязнение, связанное также с авариями на атомных электростанциях (в Украине — это авария на Чернобыльской АЭС в 1986 В тоже время на водные организмы на протяжении всей геологической истории Земли влияла естественная радиоактивность горных пород, океанического дна и других естественных источников. Подробнее эти вопросы рассматриваются в соответствующих главах и разделах учебника. Абиотические и антропогенные факторы поддаются количественной оценке и выражаются в соответствующих международных стандартизированных единицах измерения (табл. Таблица 1. |