11.2. Антропогенное эвтрофирование лимнических экосистем

Проблема чистой воды относится к важнейшей в современном мире. Тесная зависимость деятельности человека от источников пресной воды стала особенно актуальной в эпоху научного прогресса, урбанизации и техногенеза.

В последние 30—40 лет повсеместно стали отмечать резкое ухудшение качества озерных вод в районах по­вышенной плотности населения, концентрации сельскохозяйственного и промышленного производства. Исследования показали, что изменения, происходящие в этих случаях в озерах, отражают резкую активизацию продукционно-биологических процессов, повышение трофи­ческого уровня в результате внезапного увеличения концентрации биогенных элементов в воде. Этот процесс, получивший название антропогенного эвтрофирования, приводит к коренному нарушению естественной эволюции озерных экосистем (Л. Л. Россолимо, Г. С. Шилькрат)

Может показаться, что антропогенное эвтрофирование, способствующее повышению трофического уровня озер, выгодно с точки зрения увеличения их рыбопродуктивности. Однако в первую очередь оно вызывает ухудшение качества воды, кроме того, искусственно разрушает установившуюся схему внутренних связей в водоеме и, наконец, «загрязняет» озеро продуктами распада мощной массы органического вещества, приближает старение водоема.

Изменение качества воды, которое несет с собой антропогенное эвтрофирование, обесценивает водоем как источник водоснабжения и других видов водопользования, как важнейший элемент природных комплексов рекреационного назначения, с которым связаны разные виды отдыха, туризма и, наконец, как рыбохозяйственное угодье.

Скорость проявления антропогенного эвтрофирования зависит от ряда причин, к числу которых относятся интенсивность поступления биогенных элементов, проточность, морфометрические параметры озер. Естественно, что признаки этого процесса наблюдаются прежде всего в небольших и мелководных озерах, но в глубоких они более устойчивы благодаря значительной мощности гиполимниона.

В литературе приводятся многочисленные примеры антропогенных нарушений лимнических экосистем. Еще в конце 19 в. признаки антропогенного эвтрофирования зафиксированы в типично олиготрофном альпийском Цюрихском озере. Они появились в результате усиления коммунальных стоков.

Сведения по антропогенному эвтрофированию собраны по американским озерам в системе реки Св. Лаврентия. Великие озера (общая площадь 245,2 тыс. км², объем воды 22,7 тыс. км³) — крупнейший резервуар пресной воды. В их бассейне сосредоточено 13,5 % населения США и треть населения Канады. Особенно боль­шая плотность вблизи озер Эри, Мичиган, Онтарио. Огромный объем воды и относительно небольшой водосбор долгое время способствовали сохранению олиготрофных черт озер. Сдвиг экологических систем в последние десятилетия заставил обратить на эти озера внимание специалистов и природопользователей. Наиболее заметны изменения в самом мелководном озере Эри (средняя глубина 18 м), расположенном в центре района с интенсивно развитым сельским хозяйством. Наименьшие изменения произошли в озере Верхнем и Гурон, в водосборах которых промышленность развита слабо, лесистость достигает 70—80 %. Антропогенное эвтрофирование озер Северной Америки — серьезная угроза качеству воды во внутренних бассейнах. Этот процесс ярко выражается в увеличении биомассы сине-зеленых водорослей, исчезновении и сокращении сиговых, лососевых, корюшковых рыб, понижении прозрачности, повышении содержания в воде минеральных и органических веществ.

Вблизи г. Сиэтл быстро эвтрофируется озеро Грин, которое интенсивно используется в рекреационных целях. Таковы же причины экологических изменений озера Тахо, занимавшего первое место в мире по чистоте и прозрач­ности. С начала 20 в. неочищенные стоки города Сиэтл сбрасывались в олиготрофное озеро Вашингтон. Озеро стало эвтрофироваться настолько быстро, что менее чем за 20 лет биомасса фитопланктона увеличилась в нем почти в 20 раз; пришлось строить сбросовые сооружения в залив Пьюджет-Саунд.

Необходимость детального изучения и предотвращения антропогенного эвтрофирования заставила правительства Канады и США выделить особую «территорию экспериментальных озер» в северо-западной части провинции Онтарио площадью около 500 км² для проведения долгосрочных исследований (не менее 20 лет) озер, находящихся до сего времени в естественном состоянии.

Основываясь на исследованиях Экспериментальной озерной области, американский лимнолог Шиндлер считает, что скорость поступления веществ в озеро пропорциональна площади его водосбора и акватории, т. е. бассейна в целом, а концентрация веществ в самом водоеме обратно пропорциональна объему водной массы.

В работах Фолленвейдера (1970 г.) рассматриваются связи между нагрузкой озера биогенными элементами, его средней глубиной и трофическим уровнем.

Исследования, связанные с антропогенным эвтрофированием водоемов, проводятся Институтом географии АН СССР на озере Валдайском, Институтом озероведения АН СССР на малых озерах Латвии, лабораториями озероведения и экспериментальной биологии БГУ на озерах Нарочанской группы, Лимнологическим институтом на Байкале и др.

Основоположник этой отрасли лимнологии Л. Л. Россолимо выделяет три основные стадии в развитии антро­погенных нарушений озерных экосистем.

Первая стадия характеризуется усилением развития и изменением состава автотрофных гидробионтов, что отражает повышение обеспеченности питательными веществами. Однако это не вызывает заметных нарушений гидрохимического режима. Кислородная кривая еще сохраняет черты олиготрофного и мезотрофного режимов. По данным американского ученого Сойера, летнее «цветение» озер в умеренной зоне начинается при содержании минерального азота 0,3 мг/л, а минерального фосфора 0,01 мг/л.

Вторая стадия отличается высоким и устойчивым уровнем развития фитопланктона с преобладанием сине-зеленых водорослей и летним «цветением». При этом уменьшается прозрачность воды, увеличивается биомас­са некоторых макрофитов, в частности нитчатых водорослей. С увеличением первичной продукции фитопланктона возрастает напряженность окислительно-восстано­вительных процессов в мета- и гиполимнионе, которая выражается в резкой контрастности распределения газов и минеральных компонентов водной массы. Кислородная кривая приобретает черты эвтрофного типа, ей соответствует и распределение СО₂ по вертикали. В придонных слоях скапливаются восстановленные соединения (железо) и продукты разложения органического вещества, аммонийного азота, сероводорода. На контакте воды и осадков возникает восстановленная микрозона. Изменяется ихтиофауна, исчезают холодолюбивые сиговые и оксифильные бентические беспозвоночные. Все эти процессы протекают при участии специфической бактериальной флоры.

В третью стадию наступают глубокие изменения во всей озерной экосистеме. В первую очередь это сказы­вается на структуре биоценозов, которые характеризуются более стенотопными организмами. При увеличении общей биомассы фитопланктона прибрежная зона густо зарастает полупогруженными макрофитами. Заметные преобразования происходят и в ихтиофауне, которая становится карасево-линевой.

При дальнейшем усилении процесса не столько уве­личивается объем первичной продукции, проявляются показатели загрязнения, которые выражаются в накоплении автохтонного и аллохтонного органического вещества, заморных явлениях, резкой кислородной недостаточности. В этом состоянии озера нередко относят к числу ультраэвтроф-ных (гиперэвтрофных). Уместно также называть это явление антропогенным дистрофированием (вторичным загрязнением).

Основной причиной антропогенного эвтрофирования служит поступление в водоем таких биогенных элементов, как азот и фосфор. Источники антропогенных эвтрофирующих веществ связаны с хозяйственной деятельностью человека. Для Европы одним из сравнительных показателей распределения азота и фосфора принимается плотность населения и размещение основных сельскохозяйственных угодий. В Западной Европе средняя плотность населения 150 человек на 1 км²; 30 % ее территории занимают пашни, 30,% —луга и пастбища, 20 % —леса и 20 % про­чие земли. Выделение азота, фосфора в составе продуктов обмена веществ человека, коммунальных, ливневых, рекреационных и других сбросов при такой плотности принимается равным в среднем 0,66 rN и 0,08 гР в год на 1 м². Важную роль в обогащении питательными ве­ществами играет сельскохозяйственная деятельность человека. В Европе на гектар пашни приходится в среднем 235 кг удобрений, что дает на каждый квадратный метр общей площади 2,3 г азота и 0,5 г фосфора. Количество эвтрофирующих веществ, поступающих с экскрементами сельскохозяйственных животных, оценивается цифрами 7,6 г/м² азота и 1,4 г/м² фосфора в год. Из них в водоемы поступает примерно 10—25 % N и 1 —10 % Р.

Для наиболее урбанизированных и промышленных районов 3. Европы эти цифры выглядят намного заниженными. Например, в Германии среднее количество питательных веществ на 1 км² поверхности в течение года составляет: оммунальные воды 1 110 кг азота и 266 кг фосфора; продукты обмена веществ человека 1 110 кг азота и 136 кг фосфора; хо­зяйственные загрязнения 130 кг фосфора; стоки с сельскохозяйственных угодий 2 560 кг азота и 27 кг фосфора. Чтобы рассчитать прогноз антропогенного эвтрофи­ования, была использована населенность водосбора Великих озер Америки: на водосборе олиготрофного озера Верхнего за 1900—1960 гг. население увеличилось на 400 тыс. человек, на водосборе озера Эри, в котором ярко выражено антропогенное эвтрофирование, за этот же период количество населения с 3 млн. возросло до 10,1 млн. человек, то же можно сказать об озере Mn£h-чан, на территории водосбора которого рост населения составил 3 млн. человек.

В связи с интенсивным использованием озер в качестве центров рекреации следует учитывать поступление биогенных элементов с рекреационными стоками. Примером эвтрофирования ультраолиготрофного водоема может служить озеро Тахо в США, продуктивность кото­рого за 4 года (1968—1971) возросла на 25 % в результате усиленного использования озера для рекреационных целей.

Изучение процесса антропогенного эвтрофирования озер Белоруссии затрудняется рядом обстоятельств: большое количество водоемов находится в стадии есте­ственного эвтрофирования, а сведения о режиме мезотрофных озер стали появляться только с конца 50-х го­дов, поэтому сравнительная характеристика их охватывает не более 20 лет.

Природные черты и особенности хозяйственного освоения основных озерных районов республики (Поозерья и Полесья) долгое время способствовали сохранению естественного состояния озер. К их числу относятся небольшая плотность населения на водосборах, высокая лесистость и заболоченность низинных пространств.

Заметные антропогенные нарушения лимнических экосистем начали проявляться в последние 15—20 лет, в первую очередь в связи с урбанизацией территории, ростом промышленности и интенсификацией сельского хозяйства. Они коснулись озер, расположенных вблизи городов и принимающих городские коммунальные и промышленные стоки (Браслав, Миоры, Глубокое, Поставы, Мядель и др.). Наряду с этим большое эвтрофирующее (и загрязняющее) воздействие стали оказывать много­численные предприятия по переработке сельскохозяйственного сырья: мясо-молочные, овощеконсервные комбинаты, льнозаводы, потребляющие воду из озер и сбрасывающие ее (нередко без очистки) обратно в водоемы. В результате этого озера приобретали черты гиперэвтрофных. Менее заметное, но широкое распространение получило антропогенное эвтрофирование, связанное с поступлением питательных веществ с пахотных территорий. В Витебской области, например, при общей площади 40,1 тыс. км² 1,2 млн. га приходится на пашни и 700 тыс. га — на сенокосы и пастбища.

Самая высокая степень антропогенных нарушений отмечается в мелководных гиперэвтрофных водоемах. Нарушения выражаются в частых зимних заморах, сильно щелочной реакции воды в период «цветения», повы­шенной минерализации и резких ее колебаниях, большом количестве фосфора и азота. Например, вода озера Великого (в черте города Глубокое) мутная, с неприятным запахом и цветностью больше 100°, окисляемость ее около 27 мгО²/л, биомасса фитопланктона превышает 50 г/м³. В 1974 г. в озере было очень много фосфатов - 3,568 мг/л. Озеро Ковальки вблизи города Поставы отличает высокой минерализацией. Летом в нем содержится 500 мг/л минеральных веществ, прозрачность составляет не более 0,5 м, биомасса фитопланктона превышает 55 г/м³. В 1973 г. количество фосфатов (РО₄) в озере повысилось до 0,53 мг/л.

Озеро Забельское в Глубокском районе имеет большую нагрузку биогенных веществ за счет коммунальных стоков и стоков крупной птицефермы. Мутная вода, неприятный запах, сильно щелочная (рН>9,5) реакция летом, высокая биомасса (24 г/м³) фитопланктона, содержание РО₄ 0,83—0,90 мг/л, аммонийного азота 0,02—0,04 мг/л (июнь 1975 г.) —свидетельства антропогенного загрязнения.

Несколько иначе выглядит процесс антропогенного эвтрофирования в глубоких с признаками олиготрофии озерах. Прежде всего он сказывается в резком разгра­ничении верхней трофогенной области и глубинной трофической. Последняя занимает около половины объема водной массы и характеризуется резким дефицитом кислорода, возникновением придонного восстановленного слоя, иногда появлением сероводорода, исчезновением характерных для многих чистых глубоких озер реликтовых представителей зообентоса. Происходят заметные изменения в составе ихтиофауны, сигово-снетковые озера превращаются в лещево-щучьи.

Озеро Даубле в Браславском районе получает большое количество биогенных элементов вместе со стоками многочисленных ферм. По данным 1957 г., озеро имело признаки олиготрофии. В настоящее же время прозрач­ность в нем не превышает 0,8 м, в гиполимнионе в пе­риоды стагнации полностью отсутствует кислород, появляется сероводород. Величина фосфатов достигает 0,8—0,7 мг/л.

Признаки антропогенного дистрофирования появились в глубоком живописном озере Лесковичи (Шуми-линский район), принимающем неочищенные стоки маслозавода и фермы. Это мутная, с неприятным запахом вода, отсутствие кислорода в гиполимнионе, высокое содержание фосфатов. Мало того, озеро сильно загряз­няет связанное с ним глубокое озеро Круглик. В последние годы признаки антропогенного эвтрофирования наблюдаются в озере Долгом (вблизи озера построен животноводческий комплекс).

Антропогенное дистрофирование в озере Лядно (Лепельский район), принимающем промышленные сточные воды, выражается в резком дефиците кислорода, высоком сероводородном насыщении и очень низкой биомассе фитопланктона (1,5 г/м³).

Значительное влияние хозяйственно деятельности сказывается также в процессе техногенной трансформации. В этих случаях нарушаются уже сложившиеся взаимосвязи озер и водосбора, нарушается питание, понижается уровень и др. В озере Ореховском (Маларитский район) в результате мелиоративных работ площадь водосбора уменьшилась в 17 раз. Она соединено каналом с озером Олтушским, водосбор которого в связи с нарушением гидрологических условий уменьшается с 301,9 до 47 км². В наливное водохранилище при полном отсутствии природного водосбора превращено в наливное водохранилище коренные изменения произошли в системе озера Вечелье в Любанском районе, которое в результате мелиоративных болот потеряло водные источники с водосбора и уже в 30-х годах питается водными ресурсами р. Оресы.

При условии определенной осредненности показателей озера Белоруссии разделены на три группы с сильной (I), средней (II) и слабой (III) степенью антропогенной трансформации.

В первую группу включены озера, имеющие признаки антропогенного загрязнения городскими, промышленными отходами и сбросами крупных животноводческих комплексов. Вода их непригодна для использования. Средние показатели БПК₅>6 мгО₂/л; РО₄>0,1 мгР/л; максимальная биомасса фитопланктона >10 г/м³.

Вторая группа объединяет большое количество озер средней и малой глубины, расположенных среди распаханных полей, вблизи небольших населенных пунктов. Вода их относительно чистая и может употребляться на культурно-бытовые нужды: БПК₅<6 мгО₂/л; РО₄ 0,01 — 0,1 мг/л; биомасса фитопланктона 5—10 г/м³.

Наиболее чистые озера, принадлежащие к III группе, используются для водоснабжения. Обычно это глубокие и удаленные от населенных пунктов водоемы: БПК₅ до 3 мгО₂/л; РО₄ менее 0,01 мг/л; биомасса фитопланктона <5 г/м³.

Важнейшим индикатором состояния лимнической экосистемы и степени антропогенной трансформации следует считать соотношение биомассы зоо- и фитопланктона за летний сезон. Для водоемов первой группы это соотношение достигает 1:20 и свидетельствует о «перегруженности» экосистемы автохтонным органиче­ским веществом. Во второй группе соотношение резко изменяется в направлении сокращения биомассы продуцентов и возникновения определенного баланса с биомассой зоопланктона 1:5 и даже менее. В озерах третьей группы соотношение биомассы основных групп планктонных организмов характеризует некоторую «угнетенность» фитопланктона и составляет 1:2, 1:0,5.

Одной из важнейших задач современной лимнологии следует считать разработку путей восстановления озерных экосистем, испытавших антропогенное эвтрофирование, а также рекультивацию загрязненных гиперэвтрофных водоемов.