Водные экосистемы. Виды водных экосистем, их характеристики

В зависимости от природных и климатических условий можно выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов) .В основе классификации для наземных экосистем лежит тип естественной (исходной) растительности, для водных экосистем – гидрологические и физические особенности.

Наземные экосистемы:

Размещение по земной поверхности основных наземных биомов определяют два абиотических фактора – температура и количество осадков. Климат в разных районах земного шара неодинаков. Годовая сумма осадков меняется от 0 до 2500 мм и более. В связи с неравномерностью выпадения осадков различают влажные – гумидные (до 2000 мм/год) и засушливые (менее 250 мм/год) – аридные зоны; умеренные зоны расположены там, где выпадает промежуточное количество осадков (250–750 мм/год). При этом они выпадают равномерно в течение года или их основная доля приходится на определенный период – влажный сезон. Среднегодовая температура также варьирует от отрицательных величин до 38° С. Температуры могут быть практически постоянными в течение всего года (у экватора) или меняться по сезонам.

1. Тундры (в северном полушарии к северу от тайги). Климат очень холодный с полярным днем и полярной ночью, среднегодовая температура ниже 0° С. За несколько недель короткого лета земля оттаивает не более чем на один метр в глубину. Осадков менее 200-300 мм в год. Растительность: отсутствуют деревья, господствуют медленно растущие лишайники, мхи, травы (злаки и осоки), стелющиеся или карликовые кустарнички (брусника, черника) и кустарники (карликовая береза). Животный мир небогат, встречаются крупные травоядные копытные – северный олень (Евразия) и карибу (Северная Америка), мелкие роющие млекопитающие (лемминги), хищники (песец, горностай, ласка). Среди птиц преобладают полярная сова, ржанка, пуночка. Среди насекомых обильны двукрылые. Почвы тундровые – бедные с малой мощностью над слоем вечной мерзлоты. Очень ранимые экосистемы из-за медленного их восстановления.

2. Бореальные хвойные леса (тайга) (северные районы Евразии и Северной Америки). Климат: долгая и холодная зима, много осадков выпадает в виде снега. Растительность: господствуют вечнозеленые хвойные леса (ель, пихта, сибирская кедровая сосна, сосна обыкновенная, лиственницы) с мощной лесной подстилкой. Животный мир: крупные травоядные копытные (лось), мелкие растительноядные млекопитающие (барсук, белка, бурундук), хищники (медведь, рысь, росомаха, соболь, лисица, волк, норка), обилен гнус. Характерно множество болот и озер. Почвы подзолистые, дерново-подзолистые, мерзлотно-таежные – маломощные и бедные.

3. Листопадные леса умеренной зоны (широколиственные леса) (Западная Европа, Восточная Азия, восток США). Климат сезонный с зимними температурами ниже 0° С, осадков 750–1500 мм в год. Растительность: господствуют широколиственные листопадные породы деревьев (дуб, бук, клен, липа, ясень, граб), кустарниковый подлесок, мощная лесная подстилка. Животный мир: млекопитающие (лоси, медведи, рыси, лисицы, волки, белки, землеройки), птицы (дятлы, дрозды, совы, соколы). Биота адаптирована к сезонному климату: спячка, миграции, состояние покоя в зимние месяцы. Почвы бурые и серые лесные. В этих районах человеческая цивилизация получила наибольшее развитие, поэтому большая часть широколиственных лесов заменена культурными сообществами.

4. Степи умеренной зоны (в Евразии) и их аналоги: прерии (в Северной Америки), пампасы (в Южной Америки), туссоки (в Новой Зеландии). Климат сезонный, лето от умеренного теплого до жаркого, зимние температуры ниже 0° С, осадков 250–750 мм в год. Растительность: господствуют дерновинные злаки высотой до 2 м и выше в некоторых прериях Северной Америки или до 50 см, например, в степях России, с отдельными деревьями и кустарниками на влажных участках. Животный мир: крупные растительноядные млекопитающие – бизоны, вилорогие антилопы (Северная Америка), сайгаки, а ранее дикие лошади – тарпан (Евразия), кенгуру (Австралия), жирафы, зебры, белые носороги, антилопы (Африка); мелкие роющие млекопитающие (суслики, сурки, полевки, кролики), хищники (волки, койоты, львы, леопарды, гепарды, гиены), разнообразные птицы. Почвы: черноземы (самые плодородные почвы в мире) и каштановые. Большая часть степей в настоящее время используется под пашню, пастбища, сенокосы и т.д.

5. Чапараль (Средиземноморье, южный берег Австралии, в Калифорнии, Мексике и Грузии). Климат мягкий умеренный (средиземноморский – дождливая зима и засушливое лето), осадков 500-700 мм. Растительность: деревья и кустарники с жесткими вечнозелеными листьями (лавр, дуб, мирт, олеандр, можжевельник, дикая фисташка). Почвы коричневые и серо-коричневые.

6. Тропический грасленд и саванны (Центральная и Восточная Африка, Южная Америка, Австралия, значительная часть Южной Индии). Климат сухой и жаркий большую часть года, температура высокая круглый год, осадков 250–750 мм в год, распределяются неравномерно по сезонам (влажный и сухой сезоны). Растительность: травянистая растительность (злаковые) с редкими листопадными деревьями (баобабы, акации, пальмы). Животный мир: крупные растительноядные млекопитающие (антилопы, зебры, жирафы, носороги, слоны), хищники (львы, леопарды, гепарды), птицы (африканский страус, грифы). Много кровососущих насекомых, например, муха цеце. Почвы красные ферраллитные, красно-бурые и коричнево-красные. На распаханных землях выращивают злаковые, хлопчатник, арахис, сахарный тростник.

7. Пустыни травянистая и кустарниковая (некоторые районы Африки, например Сахара, Ближнего Востока и Центральной Азии, Большой Бассейн и юго-запад США, север Мексики и др.). Климат очень сухой, с жарким днем и холодными ночами, осадков менее 200–250 мм в год. Растительность: ксерофитные травы и редкостойный кустарник, кактусы, множество эфемеров, быстро развивающихся после непродолжительных дождей. Корневые системы у растений обширные, поверхностные, перехватывающие влагу редких осадков или стержневые корни, проникающие в землю до уровня грунтовых вод (30 м и глубже). Животный мир: разнообразные грызуны (тушканчики, суслики), копытные (куланы, джейран, вилорогая антилопа), хищники (волк, койот, корсак). Из птиц саджа, рябки, жаворонки. Много пресмыкающиеся, насекомых и паукообразных. Почвы светло-бурые, сероземы. Экосистемы хрупкие, легко нарушаются в результате перевыпаса, ветровой и водной эрозии.

8. Полувечнозеленые сезонные листопадные тропические леса (тропическая часть Азии, Центральная Америка). Климат со сменой сухого (4–6 месяцев) и влажного сезонов, среднегодовое количество осадков 800–1300 мм в год. Растительность: господствуют леса. Доминируют деревья верхнего яруса, сбрасывающие листья в сухой сезон. Нижний ярус образуют в основном вечнозеленые деревья и кустарники. Много лиан и эпифитов. Животный мир: практически так же богат, как в вечнозеленых тропических дождевых лесах. Характерны слоны, жирафы, буйволы. Почвы красные ферраллитные.

9. Вечнозеленые тропические дождевые леса (север Южной Америки, Центральная Америка, западная и центральная части экваториальной Африки, Юго-Восточная Азия, прибрежные районы северо-запада Австралии, острова Индийского и Тихого океанов). Климат без смены сезонов в связи с близостью к экватору, среднегодовая температура выше 17°С (обычно 28° С), среднегодовое количество осадков превышает 2000–2500 мм в год. Растительность. Деревья разной высоты образуют густой полог из многих ярусов (выделяют до 10–12 ярусов). Кустарники отсутствуют, травяной покров беден. На стволах и ветвях деревьев развиваются растения-эпифиты, корни которых не достигают почвы, и деревянистые лианы, укореняющиеся в почве и взбирающиеся по деревьям до их вершин. Видовое разнообразие растений огромно. Животный мир по видовому составу богаче, чем во всех других биомах вместе взятых: млекопитающие (обезьяны, ленивцы, ягуары), птицы (попугаи, колибри, туканы). Встречаются многочисленные пресмыкающиеся, земноводные, насекомые с яркой окраской. Почвы красно-желтые ферраллитные – маломощные и бедные органическим веществом и минеральными элементами питания растений. Большая часть питательных веществ закреплена в биомассе растительности. При сведении тропических лесов под пашню почвы теряют плодородие за 2–3 года.

Пресноводные экосистемы:

Распределение организмов в водных экосистемах зависит от степени освещенности. Выделяются следующие зоны: литоральная зона (толща воды, где солнечный свет доходит до дна), лимническая зона (толща воды до глубины, куда проникает всего 1% от солнечного света и где затухает фотосинтез), эвфотическая зона (вся освещенная толща воды – включает литоральную и лимническую зоны), профундалъная зона (дно и, толща воды, куда не проникает солнечный свет). В проточных водоемах выделяют перекаты (мелководные участки с быстрым течением: дно без ила, встречаются преимущественно прикрепленные формы перифитона и бентоса) и плесы (глубоководные участки: течение медленное, на дне мягкий илистый субстрат и роющие животные). По количеству проникающего света водоемы подразделяют на две горизонтальные зоны: верхнюю или эфотичесую (до 100–200 м) и нижнюю, простирающуюся до больших глубин – афотическую , где света для фотосинтеза недостаточно.

1. Лентические экосистемы (озера, пруды, водохранилища и др.). Литоральная зона населена двумя группами растений: укрепившиеся в дне (камыши, рогозы, кувшинки, прикрепленные водоросли и др.) и плавающие (водоросли, рдесты и др.). Животные в литорали более разнообразны, чем в других зонах водоема. Встречаются моллюски, коловратки, мшанки, личинки насекомых и др. Рыбы большую часть жизни проводят в литорали и здесь же размножаются. Многие обитающие здесь животные дышат кислородом атмосферного воздуха (лягушки, саламандры, черепахи и др.). Зоопланктон представлен ракообразными, имеющими большое значение для питания рыб (дафнии и др.). Лимническая зона. Продуценты представлены фитопланктоном. В водоемах умеренного пояса «цветение» весной связано с массовым развитием диатомовых, летом – зеленых, осенью – азотфиксирующих сине-зеленых водорослей. Зоопланктон представлен растительноядными ракообразными и коловратками. Нектон лимнической зоны – только рыбы. Профундальная зона около дна представлена бентосными формами – личинками насекомых, моллюсками, кольчатыми червями, сапротрофными бактериями и грибами.

2. Лотические экосистемы (реки, родники, ручьи и др.) отличаются от стоячих водоемов следующими особенностями: 1) наличие течения; 2) более активный обмен между водой и сушей; 3) более высокое содержание кислорода и более равномерное его распределение; 4) преобладание детритных цепей питания (здесь более 60% энергии консументы получают от привнесенного материала). Выделяют логические сообщества перекатов и плесов. На перекатах поселяются организмы, способные прикрепиться к субстрату (например, нитчатые водоросли) или хорошие пловцы (например, форель). На участках плеса сообщества напоминают прудовые. В больших реках прослеживается продольная зональность: в верховьях – сообщества перекатов, в низовьях и дельте – плесов, между ними местами могут возникать и те и другие. Видовой состав рыб к низовьям обедняется, но увеличиваются их размеры.

3. Заболоченные участки и болота бывают низинные (имеют, как правило, питание подземными водами) и верховые (питаются атмосферными осадками). Верховые могут встречаться в любом понижении или даже на склонах гор, низинные возникают вследствие зарастания озер и речных стариц. Здесь распространены болотные растения. Болотные почвы и торфяники содержат много углерода. Их сельскохозяйственная отработка приводит к выделению в атмосферу большого количества углекислого газа.

Морские экосистемы:

1. Открытый океан беден биогенными элементами. Эти районы можно считать «пустынями» по сравнению с прибрежными водами. Арктические и антарктические зоны более продуктивны, так как плотность планктона растет при переходе от теплых морей к холодным, и фауна рыб и китообразных здесь значительно богаче. Продуцентом выступает фитопланктон, им питается зоопланктон, а тем в свою очередь нектон. Видовое разнообразие фауны снижается с глубиной. На глубине в стабильных местообитаниях сохранились виды из далеких геологических эпох.

2. Глубоководные рифтовые зоны океана находятся на глубинах около 3000 м и более. Условия жизни в экосистемах глубоководных рифтовых зон очень своеобразны. Это полная темнота, огромное давление, пониженная температура воды, недостаток пищевых ресурсов, высокая концентрация сероводорода и ядовитых металлов, встречаются выходы горячих подземных вод, и т. д. В результате живущие здесь организмы претерпели следующие адаптации: редукция плавательного пузыря у рыб или заполнение его полости жировой тканью, атрофирование органов зрения, развитие органов светосвечения и др. Живые организмы представлены гигантскими червями (погонофорами), крупными двустворчатыми моллюсками, креветками, крабами и отдельными видами рыб. Продуцентами выступают сероводородные бактерии, живущие в симбиозе с моллюсками.

3. Область континентального шельфа является самой богатой в фаунистическом отношении. Прибрежная зона очень благоприятна по условиям питания, даже в дождевых тропических лесах нет такого разнообразия жизни, как здесь.

4. Районы апвеллинга расположены вдоль западных пустынных берегов континентов. Здесь наблюдается апвеллинг – подъем холодных вод с глубины океана, так как ветры перемещают воду от крутого материкового склона, а взамен ей из глубины поднимается вода, обогащенная биогенными элементами. Эти районы богаты рыбой и птицами, живущими на островах.

5. Эстуарии, лиманы, устья рек, прибрежные бухты и т. д. – прибрежные водоемы, представляющие собой экотоны между пресноводными и морскими экосистемами. Это высокопродуктивные районы, где наблюдается аутвеллинг – привнесение биогенных элементов с суши. Они обычно входят в литоральную зону и подвержены приливам и отливам. Здесь встречаются болотные и морские травы, водоросли, рыба, крабы, креветки, устрицы и т.д.

2. Особенности абиотических элементов экосистем озер и водохранилищ

Примерно до 70-х годов XX столетия в лимнологических исследованиях не уделялось серьезного внимания принципиальным различиям между водохранилищами и озерами. Достаточно отметить, что классик современной лимнологии Д.Хатчинсон относил водохранилища к одному из типов озер [Хатчинсон, 1963]. Рост количества водохранилищ в мире в середине столетия, актуальность оценки их экологического состояния в связи с задачей сохранения высокого качества воды в источниках хозяйственного водоснабжения стимулировали углубленные лимнологические исследования этих водных объектов. В результате этих исследований были установлены существенные различия в функционировании экосистем водохранилищ по сравнению с экосистемами озер . Причиной этих различий выступают, главным образом, абиотические компоненты экосистем. И хотя процессы, определяющие круговорот вещества и энергии в озерах и водохранилищах, имеют одинаковую природу, их пространственно-временная изменчивость и интенсивность могут существенно варьировать в зависимости от особенностей этих водных объектов.

Любой конкретный водоем обладает индивидуальными особенностями, которые могут не охватывать всего многообразия процессов, встречающихся, а часто и доминирующих в данном типе водного объекта. При сравнении озер и водохранилищ важно показать, что тот или иной процесс, тот или иной фактор чаще наблюдается в данном водном объекте, по сравнению с другим. Иначе говоря, средние значения характеристик, оказывающих влияние на функционирование экосистем этих типов внутренних водоемов, имеют существенные различия.

Теоретически бесконечное разнообразие абиотических элементов экосистем водоемов суши обусловлено сочетанием трех основных факторов: географо-гидрографическим положением водоема, формой и размером его чаши и антропогенным воздействием. Взаимодействие этих трех главных факторов определяет гидрологический режим водоема с его водной, радиационно-термической, седиментологической и гидрохимической составляющими. Взаимосвязь перечисленных факторов с отдельными элементами гидролого-гидрохимического режима может быть представлена в виде схемы, показанной на рис.2.1.

Рис.2.1. Факторы, определяющие функционирование экосистем водоемов.

Эта схема одинаково применима как к озерам, так и к водохранилищам. Исключение составляет выделенная на схеме связь антропогенного воздействия и гидрологического режима водохранилищ. Для озер, если не считать сравнительно незначительного влияния отбора воды и сброса сточных вод на гидрологический режим озера, это воздействие практически отсутствует. Для водохранилищ, как объектов, создающихся с целью регулирования стока, управление водным режимом имеет принципиальное значение в формировании гидрологического режима и функционирования экосистемы.

Каждый из этих факторов по разному проявляется в озерах и водохранилищах. Их сложная комбинация приводит к формированию существенных особенностей абиотических элементов экосистем и, тем самым, особенностей их функционирования в этих двух классах сравниваемых водных объектах – озерах и водохранилищах.

Учитывая, что важнейшей характеристикой любой экосистемы выступает ее первичная продуктивность, комплекс представленных на схеме факторов целесообразно разделить на группы внешних влияний, прямо или косвенно определяющих процессы первичного продуцирования органического вещества в водоеме. К таким группам мы относим

энергетические факторы (поглощенная экосистемой солнечная радиация, температура воды),

гидролого-морфологические (гидрологический режим и морфометрические характеристики водоема),

гидрохимические (биогенное питание фитопланктона).

Факторы первой из этих групп характеризуются ярко выраженной географической зональностью и внутригодовой изменчивостью. Влияние гидрологического режима и размеров водоема на продуктивность опосредовано большим числом динамических и термических процессов, поэтому его роль возможно выделить в чистом виде лишь путем математического моделирования функционирования экосистем. Гидрохимические и, особенно, морфологические факторы – азональны и должны рассматриваться вне зависимости от географического местоположения водоема. Проведенные по данным наблюдений на водоемах мира оценки продуктивности континентальных водоемов показывают ведущую роль энергетических факторов, которые определяют более 70% изменчивости величин продуктивности озер и водохранилищ мира . Поэтому вполне правомерно говорить о зональности продуктивности водоемов. Это, в свою очередь, определяет необходимость различных подходов к оценкам трофического состояния и процесса эвтрофирования водоемов, расположенных в различных географических зонах.

При сравнении озер и водохранилищ чрезвычайно важное значение имеет генетическое разнообразие этих объектов. Широкое разнообразие озер земного шара обусловлено происхождением озерных котловин, с которым тесно связаны их размеры и форма, а, следовательно, и определенные черты режима. По известной классификации М.А.Первухина , все озера подразделяются на плотинные и котловинные. В количественном отношении явно преобладают котловинные озера. Среди котловинных озер наиболее многочисленны озера ледникового происхождения, которые в свою очередь подразделяются на эрозионные и аккумулятивные. К областям крупных сдвигов земной коры обычно приурочены озера тектонического происхождения, среди которых глубочайшие озера мира – Байкал и Танганьика. Водно-эрозионные и водно-аккумулятивные озера преобладают в долинах и дельтах рек, вблизи морских побережий. Провальные и вулканические озера сравнительно немногочисленны.

Даже приблизительное количество озер на земном шаре определить практически невозможно. По известным оценкам Р.Ветцеля , всего в мире примерно 10 млн. озер, занимающих около 1% земной поверхности . Однако, не вызывает сомнения, что самая многочисленная группа озер – озера ледникового происхождения. В Швеции среди десятков тысяч озер – около 97% - озера ледникового происхождения. Такое соотношение характерно и для Севера США, Финляндии, Карелии – тех мест, где прошло оледенение. Наиболее полный современный банк данных об озерах мира, включающий более 40 тыс. озер различных континентов, собран С.В.Рянжиным [Рянжин, Ульянова, 2000].

Разнообразие типов водохранилищ значительно меньше, поскольку их генезис, в большинстве случаев, определяется возведением плотины в долине реки. В основу наиболее обоснованной и строгой классификации водохранилищ, предложенной К.К.Эдельштейном положен тот же принцип, что и для озер. Согласно этой классификации все водохранилища подразделяются на три типа: долинные, котловинные и смешанные. По самому обширному из опубликованных перечней водохранилищ мира [Авакян и др., 1987] 75% всех водохранилищ относятся к долинному типу. Именно эти водохранилища мы будем рассматривать при сравнении особенностей экосистем озер и водохранилищ. Преобладающие среди котловинных водохранилищ озерно-котловинные водохранилища образуются при сооружении гидроузла в истоке реки, вытекающей из озера, и по сравниваемым характеристикам очень близки к озерам.

С генезисом озер тесно связан их возраст, имеющий определяющее значение в формировании и функционировании экосистемы не только на протяжении веков, но и в настоящее время. Возраст озер определяется геологическими периодами времени, даже самые молодые озера насчитывают десятки тысяч лет (если не принимать во внимание возникающие в эрозионных котловинах речных долин небольшие озера и термокарстовые тундровые озера). Водохранилища - молодые водоемы. Хотя известны водохранилища, построенные еще в древнейшие времена , интенсивное строительство водохранилищ началось в ХХ веке и лишь к середине столетия эти водные объекты стали обычным элементом большинства природных ландшафтов. Наиболее интенсивное строительство водохранилищ во всех странах наблюдалось в период между 1950 и 1970 годами. Для иллюстрации можно привести графики увеличения количества водохранилищ в индустриально развитых Сев. Америке и Европе в прошедшем столетии.

Рис. 2.2. Рост числа водохранилищ в Сев. Америке и Европе в 20 веке. (По [Водохранилища…, 1979]).

К концу столетия темпы строительства водохранилищ замедлились, что связано в большей степени с завершением регулирования рек в индустриально развитых странах и созданием комплексов водоснабжения в крупных урбанизированных районах мира (Волга, Днепр, Теннесси). В то же время в некоторых развивающихся странах, особенно в регионах засушливого климата (Бразилия, некоторые страны Африки, Азии) темпы строительства водохранилищ даже возросли, поскольку хозяйственное развитие этих регионов тесно связано с необходимостью гарантированного обеспечения населения, сельского хозяйства и промышленности водой.

2.1. Географическое распределение озер и водохранилищ на земном шаре.

Распределение озер на земном шаре тесно связано с их происхождением. Главной чертой этого распределения выступает максимум количества озер в поясе ледниковой деятельности северного полушария. По выборке из 2300 естественных озер Р.Шуллинг построил график широтного распределения количества озер на земном шаре, имеющий тримодальный вид. Трудно определить насколько репрезентативна выборка Шуллинга, но в целом представленное распределение вполне соответствует распределению климатических и геологических факторов их генезиса. Все три пика на графике Шуллинга соответствуют районам земного шара богатых водными ресурсами. Это можно считать главной особенностью распределения озер на земном шаре, большинство из которых сосредоточены во влажных районах. По оценкам В.Левиса , в умеренных широтах сосредоточено 90% озер мира. В тропических широтах доминируют пойменные озера в бассейнах крупнейших рек тропического пояса и небольшие прибрежные озера. Некоторые известные озерные районы семиаридного климата (озера Кулундинской степи, озера Прикаспия, озера Флориды) обусловленные особенностями рельефа можно считать исключением из этой общей закономерности.

Распределение водохранилищ на земном шаре определяют цели их создания. Интенсивное строительство водохранилищ ведется в регионах, развитых в хозяйственном отношении, с высокой плотностью населения (выработка электроэнергии, водный транспорт, борьба с наводнениями) и в регионах с явно выраженным дефицитом водных ресурсов (промышленное и коммунальное водоснабжение, ирригация). В развитых и развивающихся странах семиаридного климата количество построенных водохранилищ достигает десятков тысяч (Испания, Бразилия).

Иллюстрацией этого положения представляются графики распределения по широтам озер и водохранилищ в США и на Европейской территории России. Распределение озер и водохранилищ по широте в Европейской части России показано на рис.2.3.

Рис. 2.3. Распределение озер и водохранилищ по широте на Европейской территории России

А – количество (на 10 тыс. кв. км), Б – суммарная площадь, км 2 (темные столбики – водохранилища, светлые столбики – озера)

График построен по данным «Кадастра водохранилищ СССР» [Кадастр…, 1988] и справочным данным рек и озер СССР [Доманицкий и др., 1971]. Помимо количества водных объектов на графике представлена величина суммарной площади водной поверхности озер и водохранилищ в соответствующих широтных поясах. Распределение озер и водохранилищ на Европейской территории России имеет ярко выраженную противоположную направленность. Северный максимум озер обусловлен широким распространением небольших тундровых озер на этих широтах. Максимум по площади расположен несколько южнее и связан с ледниковыми озерами Северо-Запада. В распределении водохранилищ максимум как в количестве, так и в суммарной площади относится к широтам, соответствующим Черноземной полосе ЕТ России и югу России, где по сравнению с северными регионами значительно более высокая плотность населения и развитое сельское хозяйство. Это подтверждает преобладание экономико-географических причин в закономерностях распределения водохранилищ.

Для США подобный график построен К.Торнтоном по выборке из 309 естественных озер и 109 водохранилищ (рис. 2.4). Этот график показывает максимум в распределении озер в ледниковом районе (севернее 40 градусов северной широты), а максимум водохранилищ находится существенно южнее.

Рис. 2.4. Распределение водохранилищ (темные столбики) и озер (светлые столбики) по широтам в США (по К.Торнтону ).

Большинство водохранилищ США сосредоточено в центральном, юго-восточном и восточном районах, районах интенсивного развития сельского хозяйства и напряженного водохозяйственного баланса.

Uеографическое распределение озер и водохранилищ и на земном шаре в целом проявляет противоположную тенденцию. Это обусловило доминирование различных типов ландшафта и влияния различных географических факторов на гидроэкологический режим этих водных объектов.

Различия в климатических характеристиках озер и водохранилищ полностью связаны с разницей в их географическом положении. Для водохранилищ, доминирующих в полуаридном климате, характерно преобладание испарения над осадками. Высокое испарение ведет к прямым потерям воды, например водохранилище Собриньо на Северо-востоке Бразилии ежегодно теряет около 2 км 3 воды. . Однако, несмотря на это, создание водохранилищ в этих регионах часто выступает едва ли не единственной возможностью увеличения водных ресурсов за счет регулирования крайне неравномерного во времени речного стока. Большинство же озер расположено во влажных районах с превышением осадков над испарением. Интересный аспект климатических различий отмечен в работе К.Торнтона, который показал, что в районах США, где сосредоточено большинство водохранилищ, более активна циклоническая деятельность и связанный с ней ветровой режим .

Важнейшим следствием различий в географическом распределении озер и водохранилищ выступают особенности их водосборов. Именно через водосбор, посредством речного и склонового стока, проявляется, главным образом, как природное, так и антропогенное влияние на экосистему водоема. Степень этого влияния зависит от величины внешнего водообмена водоема. В водохранилищах практически всегда доминирует горизонтальная (речная) составляющая внешнего водообмена. Они характеризуются значительно большими величинами коэффициента водообмена. В широко использующемся в лимнологической литературе понятии «отклик экосистемы на внешнее воздействие» основной смысл связан с воздействием на водоем в виде речного притока с водосбора. Рассмотрение водоема и водосбора как единой системы стало отличительной чертой современных комплексных лимнологических исследований [Драбкова, Сорокин, 1979, Изменения…, 1983].

Различия водосборов озер и водохранилищ проявляются в ландшафтных особенностях и в форме водосборной площади. Размер и форма водосборов определяет характер пространственного распределения внешней нагрузки на водоем, существенно зависящий от положения водоема в бассейне. Водосбор водохранилищ обычно узкий и удлиненный, завершающийся водоемом, в отличие от водосбора озер – кругового с водоемом в центре. Важной количественной характеристикой водосбора выступает его удельная величина, представляющая отношение площади водосбора к площади водоема, которая наряду с климатическими характеристиками определяет структуру водного баланса водоема.

Для водохранилищ площадь водосбора определяется выбором местоположения створа плотины в том или ином месте речной сети. Сравнительный анализ распределения относительного числа долинных водохранилищ и озер с различными размерами удельного водосбора, проведенный К.К.Эдельштейном по выборке из 852 водоемов [Эдельштейн, 1991], показал, что почти треть из рассмотренных им озер имеют удельный водосбор менее 20, в то же время для 90% долинных водохранилищ эта величина более 20. По этому показателю различия озер и водохранилищ проявляются весьма отчетливо: удельные водосборы водохранилищ в среднем намного превышают удельные водосборы озер. Следует отметить, что в отличие от ландшафтных характеристик, форма водосборов и их удельная величина относятся к азональным факторам. Ландшафтные особенности водосборов связаны с описанными выше различиями в их географическом распределении и проявляются в особенностях формирования водного, химического стока и стока взвешенных веществ.

2.2. Морфологические различия чаши озер и водохранилищ

Строение чаши водоемов оказывают глубокое влияние на внутриводоемные процессы, определяя особенности процессов внутреннего водообмена и связанного с ним круговорота химических веществ.

Особенности котловин озер и долинных водохранилищ определяется их различным генезисом. Чаши долинных водохранилищ формируются в речной долине, но несмотря на большое разнообразие типов речных долин, обусловленное геоморфологическими особенностями отдельных регионов суши, имеют общие закономерности. Долинные водохранилища характеризуются большой удлиненностью и гетероморфностью строения котловины, которая всегда асимметрична с максимальной глубиной у плотины. Размеры и емкость долинных водохранилищ существенно зависят от выбора створа плотины в речной системе и высоты плотины, что проявляется в эмпирической связи между площадью акватории и емкостью долинных водохранилищ.

Озера отличаются значительно большим разнообразием строения котловины, связанным с разнообразием их генезиза. Однако общей чертой строения их котловин можно считать положение максимальной глубины вблизи центра озера.

Морфометрические характеристики размера чаш озер и водохранилищ варьируют в значительных пределах и не имеют принципиальных различий. Особенности строения их чаши проявляются в существенных различиях некоторых относительных морфометрических показателей и в геометрическом моделировании формы котловины. Водохранилища отличаются от озер значительно меньшим размахом колебаний средней глубины, т.е. отношением объема к площади (W/F), большей удлиненностью (l = L/B ср), где L – длина водоема, Bср – средняя его ширина. При этом в морфометрически сложных долинных водохранилищах эти различия усиливаются.

Для оценки влияния строения чаши водоема на особенности функционирования экосистемы и процессы эвтрофирования важной морфометрической характеристикой водоемов представляется форма ложа. Два крайних типа этой формы имеют вид V- образного и U- образного сечения. Значение этой характеристики обусловлено особой значимостью в эвтрофировании процессов массообмена на границе вода-дно водоема.

Для каждого выделенного в водоеме горизонтального слоя площадь зоны контакта вода-дно зависит формы ложа. Влияние донных отложений на этот слой определяется отношением поверхности дна в этом выделенном слое к объему слоя. Это отношение, названное Имбоуденом «Функцией взаимодействия поверхности дна» можно выразить следующим образом:

(1)

где F – площадь водоема на глубина h , W – объем

Изменение концентрации какого-либо химического вещества в водоеме под влиянием его потока из донных отложений или наоборот из воды в донные отложения определяется как

C – концентрация вещества, S - поток вещества из донных отложений.

Разделив обе части на DW и, учитывая выражение (1), получаем

Таким образом, скорость изменения концентрации веществ в водоеме под влиянием донных отложений определяется интенсивностью потока вещества и параметром а , характеризующим морфометрические особенности водоема. В глубоководных частях водоемов V- образной формы величина а значительно меньше, чем в глубоководных частях водоемов с U- образной формы, поэтому при прочих равных условиях влияние донных отложений на химический состав вод водоема в последних будет больше.

Площадь зоны контакта вода-дно имеет исключительно важное значение также и для кислородного режима водоема вследствие высокой активности процессов минерализации органического вещества на поверхности донных отложений. В мелких водоемах быстрое образование зон аноксии при одинаковых условиях продуцирования и поступления на дно органического вещества значительно более вероятно, чем в глубоких.

Степень изрезанности береговой линии водохранилищ определяется геоморфологическими особенностями местности и у сложно-долинных водохранилищ может быть очень велика. Статистическое сравнение озер и водохранилищ по одному из очень распространенных морфометрических показателей – коэффициенту емкости водоема, представляющего собой отношение средней глубины водоема к максимальной, (h/H max) показало, что водохранилища существенно отличаются от озер и имеют меньшие средние значения и меньшую вариабельность этого показателя [Эдельштейн, 1991]. Соответственно, в гидрологическом режиме, динамике водных масс водохранилищ роль размеров и формы ложа значительно важнее, чем в других водных объектах замедленного водообмена.

Для характеристики формы котловины применяется геометрическое моделирование, заключающееся в сравнении формы водоема с известными геометрическими телами. Количественная оценка близости формы водоема к этим телам производится по различным показателям, называемым показателями формы. Озерные котловины при геометрическом моделировании сопоставляются с телами вращения, имеющими вертикальную ось (конусом, парабалоидом, полуэллипсоидом и цилиндром). Такое сопоставление позволило проанализировать связь динамических процессов, протекающих в озере, со строением его чаши и в первую очередь изменений гидродинамической устойчивости масс воды при неоднородном поле плотности [Богословский, 1960, Хомскис, 1969].

Морфологические и морфометрические особенности долинных водохранилищ предопределили выбор усеченной трапецеидальной призмы в качестве модельной фигуры их формы [Эдельштейн, 1975, Страшкраба, Гнаук, 1989]. Анализ влияния такой асимметричной формы чаши водохранилищ на динамические процессы, проявляющееся в существовании наряду со свободной конвекцией продольной плотностной циркуляции вод, показывает их принципиальное отличие от динамических процессов в озерах, характеризующихся длительными периодами стагнации водных масс. В динамике вод это в первую очередь относится к возникновению и широкому распространению в водохранилищах плотностных течений, которые относительно редко встречаются в озерах. В водоемах умеренной зоны плотностные течения в водохранилищах связаны, главным образом, с различиями плотности по минерализации и проявляются в зимний период. В водохранилищах аридной зоны нередки плотностные потоки мутьевого происхождения [Пуклаков, 1999, Самолюбов, 1999].

Влияние морфометрических особенностей проявляется также в развитии вертикальной плотностной и химической стратификации водной толщи в озерах и водохранилищах. Наконец, продольные различия динамических явлений также существенно различаются в водных объектах сравниваемых двух классов.

2.3. Особенности антропогенного влияния на озера и водохранилища

Водохранилища – водные объекты, создаваемые с целью регулирования речного стока, поэтому главная их особенность по сравнению с озерами состоит в том, что их водный режим в значительной степени зависит от управления стоком воды через гидроузел.

Основное следствие этого регулирования – значительно больший, чем в озерах, размах внутригодового колебания уровня воды. Это имеет важное значение для внутриводоемных процессов, особенно в вегетационный перио,д и для развития донных биоценозов, их участия в функционировании водной экосистемы. По периметру водохранилища имеется пространство переменной ширины и площади, периодически затапливаемое водой. Особенно обширны такие мелководно-осушные зоны на равнинных водохранилищах, где они составляют существенную долю площади акватории при НПУ. Методика выделения зон постоянного и периодического затопления в водохранилищах, основанная на совместном анализе кривых обеспеченности уровня воды в водохранилище и его батиграфических кривых разработана К.К.Эдельштейном [Эдельштейн, 1975]. Однако, роль этого пространства в функционировании экосистемы водохранилища, в формировании его биологической продуктивности, в процессах вторичного загрязнения и самоочищения воды до сих пор не получила обоснованной оценки.

Второе важнейшее следствие хозяйственного регулирования водного режима – нестабильность гидродинамического режима, проявляющаяся в колебаниях скорости стокового течения, в появлении длинных волн и в усложнении гидрологической структуры водоема. Существенное экологическое значение имеет также сброс воды из водохранилища. В стратифицированных водохранилищах это влияет на характер круговорота веществ в приплотинном участке. Конструкции водосбросных сооружений отличаются значительным разнообразием. С точки зрения влияния на гидрологический режим водохранилища наибольшее значение имеют конструкции, обеспечивающие возможность селективного многоуровенного сброса. Эта особенность принципиально отличает водохранилища от озер, не имеющих глубинного стока. В озерах сброс вод гиполимниона невозможен, в то время как в водохранилищах ГЭС в период стагнации сброс вод проиводится как раз из глубинных слоев.

Еще одна особенность гидроэкологического режима водоемов связана с антропогенным влиянием. Водохранилища создаются в основном в густонаселенных и интенсивно развивающихся в хозяйственно-экономическом отношении регионах. В связи с этим они испытывают, как правило, значительно более высокую антропогенную нагрузку химическими веществами. Поступление загрязняющих веществ разнообразного химического состава может быть как непосредственно в водохранилища, так и в притоки водохранилища, т.е. в гидрографическую сеть водосбора водохранилища. Загрязняющие вещества поступают в водоем и в водотоки бассейна, как путем сосредоточенных сбросов канализационных систем, так и из рассредоточенных источников вследствие смыва поверхностными водами с загрязняемых городских и промышленных территорий, сельскохозяйственных угодий, ферм и пастбищ. Сток загрязняющих веществ и биогенных элементов с водосбора, определяющий химическую нагрузку водоема, зависит как от физико-географических особенностей водосбора, так и от степени антропогенной его освоенности, которая для водохранилищ, как правило, более высока, чем для озер. К антропогенным факторам, влияющим на химическую нагрузку на водоемы, относится их рекреационное использование. Роль этого фактора в урбанизированных районах естественно значимее. Создание, как отдельных водохранилищ, так и гидротехнических комплексов для водоснабжения крупных городов связано с их интенсивным использованием для целей рекреации. Примером может служить система водоснабжения г.Москвы, включающая 12 водохранилищ, большинство из которых широко используются для водного отдыха и любительского рыболовства жителями многомиллионного города.

Заметное ухудшение качества воды наблюдается в водохранилищах в первые годы их существования, когда происходит выщелачивание химических веществ из залитых почв. Интенсивному поступлению веществ в воду способствуют анаэробные условия в придонных слоях, возникающих при разложении затопленного растительного покрова. Особенно сильно этот дефицит выражен в водохранилищах, ложе которых не очищалось от растительности перед затоплением. В дальнейшем с течением времени, длительность которого зависит от характера почв, растительности, климатических условий и интенсивности водообмена, экосистема водохранилища стабилизируется, дно покрывается иловыми отложениями, и сбалансированные внутриводоемные процессы уже мало отличаются от озерных.

Чрезвычайно важным обстоятельством является то, что в водохранилищах имеется возможность целенаправленного регулирования интенсивности и направленности внутриводоемных процессов, что невозможно в озерах без создания специальных конструкций. Через регулирование внутриводоемных процессов можно приблизиться к решению задач управления круговоротом вещества в экосистеме водоема и, тем самым, к достижению важнейшей цели современной гидроэкологии – управлению качеством воды водохранилищ.

2.4. Сравнительные характеристики гидролого-гидрохимического режима озер и водохранилищ

Отмеченные в предыдущем разделе особенности главных факторов, определяющих функционирование экосистем озер и водохранилищ, проявляются в характере гидрологического и гидрохимического режимов этих водоемов. После того, как на гидроэкологические особенности водохранилищ лимнологи начали обращать особое внимание, сделано несколько попыток сформулировать и обобщить принципиальные различия между озерами и водохранилищами . В нашей работе это обобщение проведено по гидрологическим (табл. 2.1), гидрохимическим (табл. 2.2) элементам экосистем этих водных объектов. Естественно, следствием различий этих элементов экосистем выступают различия в развитии их биотической части рассматриваемых классов водоемов. (табл. 2.3). Биотическое сообщество экосистемы водохранилища отличается от озерного, как правило, низким разнообразием, относительно четко выраженной специализацией экологических ниш, быстрым селективным развитием. Особым периодом в становлении экосистемы водохранилищ, как правило, характеризующимся крайне высокой продуктивностью, является период после затопления ложа водохранилища, когда в результате интенсивного выщелачивания химических веществ из затопленных почв и разложения органического вещества на дне водохранилища водные массы обогащаются биогенными элементами, что приводит к аномальным вспышкам «цветения» фитопланктона. Длительность этого периода становления экосистемы зависит от физико-географических характеристик местности, степени подготовленности ложа к затоплению.

Таблица. 2.1.

Сравнительные характеристики гидрологического режима озер и водохранилищ.

Таблица 2.2.

Особенности элементов гидрохимического режима и их последствий в озерах и водохранилищах

Таблица 2.3.

Особенности элементов гидробиологического режима и их последствий в озерах и водохранилищах

Учитывая выявленные особенности водохранилищ, становится важен вопрос о применимости индексов, классификаций и критериев трофического состояния к водохранилищам. Здесь мнения исследователей различны. Так, некоторые лимнологи подчеркивают необходимость разработки специальной типологии состояния экосистем водохранилищ, которая учитывала бы специфику водохранилищ . В тоже время в уже упоминавшейся международной программе по эвтрофированию не проводилось разделения оценок трофического состояния по водохранилищам и озерам. Это мнение разделяется рядом отечественных лимнологов, считающих, что интенсивность фотосинтеза в любом водоеме и даже в реках колеблется в одинаковом диапазоне, поэтому разделять объекты не следует [Баранов, 1961, Лебедев, 1988]. Проведенная проверка ряда классификаций на озерах и водохранилищах показала, что они вполне адекватны по всем показателям, за исключением прозрачности, которая в водохранилищах завышала трофический уровень. Причина этого видится в более высоком содержании минеральной (нефитопланктонной) мутности в водохранилищах. Помимо прозрачности, необходимо отметить еще некоторые особенности водохранилищ, которые необходимо иметь в виду при применении классификаций и индексов. Во-первых, вследствие ярко выраженной продольной неоднородности состава воды в водохранилище нередко наблюдается продольная неоднородность абиотических и биотических элементов экосистемы и, соответственно, трофических условий . Поэтому при применении показателей трофии для характеристики всего водохранилища необходимо их пространственное осреднение с учетом площадей и объемов участков водохранилища. Во-вторых, характерные для водохранилищ и редко наблюдающиеся в озерах плотностные потоки могут приводить к сбросу поступающих в них биогенных элементов без перемешивания с основной водной массой водохранилища. Наконец, Линд и др. выявили, что в обследованных ими водохранилищах наблюдалось неадекватное соответствие между содержанием общего фосфора и трофическим состоянием. Эти особенности вызвали попытки разработки специальных индексов трофического состояния, применимых исключительно для водохранилищ и дающих более адекватную оценку, чем обычные общеиспользуемые. Заслуживает внимания опыт разработки специального индекса для оценки трофического состояния водохранилищ, предложенный для каскада Тенесси Дж.Кохом . Выделив в системе регулирования бассейна р.Тенесси глубокие водохранилища, расположенные на притоках р.Тенесси, и относительно мелководные, расположенные непосредственно на р.Тенесси, Дж.Кох справедливо предположил, что для этих различных типов водохранилищ, индивидуальные индексы трофического состояния должны базироваться на различных показателях. Для водохранилищ на притоках показатель Коха представляет собой сумму относительного значения концентрации хлорофилла «а» и среднего из трех относительных значений концентраций биогенных элементов: неорганического углерода (щелочности), растворенного неорганического азота и общего фосфора. Эти относительные значения концентраций определяются как отношение разницы фактического среднего значения соответствующей концентрации в рассматриваемом водохранилище и минимального его значения во всей выборке к общему диапазону изменения соответствующих относительных значений во всех обследованных водохранилищах. Этот же принцип использовался при разработке показателя трофности для водохранилищ на р.Тенесси (собственно каскадных). Индекс равен сумме двух слагаемых. Первое – полусумма значений концентрации хлорофилла «а» и площади распространения макрофитов в водохранилище, второе – среднеяя величина следующих относительных значений: период водообмена, глубина видимости диска Секи, относительная площадь мелководий и относительная удлиненность. Однако, как подчеркивает Дж.Кох применимость этих индексов должна быть ограничена только водохранилищами, имеющими сходные лимнологические и водохозяйственные черты с водохранилищами каскада Тенесси, что по сути делает эти индексы исключительно индивидуальными для рассматриваемого каскада.

Рассматривая применимость наиболее распространенного индекса – индекса Карлсона – к оценке трофического состояния водохранилищ, В.Уокер предложил модифицировать уравнение Карлсона для прозрачности, включив в него дополнительный параметр, характеризующий так называемую нефитопланктонную мутность . Уравнение В.Уокера имеет вид

Где SD – глубина видимости диска Секки, м, α – дополнительный параметр, характеризующий так называемую нефитопланктонную мутность, обусловленную составляющей взвеси в водоеме, не связанной с фитопланктоном, 1/м. Величину α В.Уокер предлагает вычислять по эмпирическим формулам в зависимости от глубины водохранилища, периода его водообмена и широты местности, где оно расположено .

где h – глубина водохранилища, Т – период водообмена, φ – широта местности, где расположено водохранилище.

Эти зависимости получены В.Уокером по наблюдениям на водохранилищах Среднего Запада и Юга США, поэтому имеют региональное значение.

Индивидуальные индексы для оценки трофического состояния отдельных каскадов или систем водохранилищ безусловно позволяют более точно оценить изменения, происходящие в экосистемах этих водохранилищ, однако для их разработки нужны детальные комплексные лимнологические исследования в течение многолетнего периода, которые еще очень редки. Как показал широкий опыт применения классификаций трофического состояния, при ориентировочных оценках применение разработанных для озер методов определения трофического состояния вполне допустимо для водохранилищ при условии внимательного отношения к особенностям использования соответствующих показателей состояния этих водных объектов.

Биотических и абиотических закономерностях и особенностях экосистем элементов водохранилищ и озер [Мордухай-Болтовская, ...

На Земле возникали озера в результате тектонических сдвигов породы, отступления ледников при таянии или изменения русел рек. К ним можно относить пруды, более мелкие водные образования. Общее у них, то, что это замкнутые экосистемы с тенденцией к исчезновению.

Неважно, является водоем сточным, то есть из которого вытекает вода, или бессточным, экосистема озера постепенно будет трансформироваться в сторону преобладания в ней растительного над животным миром. Затем превратиться в болото и, в конце концов, высохнет и исчезнет. Быстрота такого превращения зависит лишь от величины и глубины водного объекта.

Структура системы и основные факторы влияния

Экосистема озера представляет собой видовую совокупность, существующую в границах водного объекта, и взаимодействующая между собой. Трофическая цепь типичная и состоит из продуцентов – растений и водорослей, консументов – рыбы, рептилии, водоплавающей птицы, некоторые видов животных, а также редуцентов – бактерий, червей и ракообразных.

Схематическая иллюстрация экосистемы озера.

Соленая в озере вода или пресная, влияет только на видовую структуру, в которой преобладают живые организмы, приспособленные к существованию в воде с большим или меньшим содержанием соли.

Главным и определяющим из них – солнце. Вступая во взаимодействие с водой, солнечная энергия изменяет, а именно повышает, температуру последней. Это, в свою очередь, влияет на процесс фотосинтеза, то есть производства кислорода, его содержание и растворимость в воде.

По количеству поступающей солнечной энергии, водную массу озера можно разделить на горизонтальные слои или пласты.

В летний период верхний слой получает максимальное количество солнечной энергии. Он нагревается. Продуценты активно перерабатывают солнечную энергию в кислород. Фауна в верхнем слое играет роль консументов. Это в основном водоплавающие животные и птицы, рептилии, некоторые виды рыб и насекомые.

Следующий пласт воды играет «заградительную» функцию между разными температурными слоями, расположенными над и под ним. Этот слой с максимальной плотностью воды, которая возникает, когда температура ее +4°С. Он сдерживает перемешивание слоев воды озера. Обычно перемешивание происходит весной и осенью. В результате чего происходит обмен кислородом и питательными веществами.

Солнечный свет, доходя до придонного слоя, сильно рассеивается. На дно попадают остатки живых организмов и отходы их жизнедеятельности. Придонный слой населяют редуценты – раки, черви, личинки насекомых, бактерии и микроорганизмы. Очень редки рыбы. Главная их функция переработка органических отходов. Последний этап пищевой цепи, перед началом нового.

На этом этапе и происходит тот сбой, который, в конечном счете ведет к исчезновению озера. Условия существования не позволяют справиться с переработкой отходов полностью. А верхний слой, подпитанный во время перемешивания, увеличивает биомассу. Отходы увеличиваются, а остатки накапливаются. Они превращаются в ил, а затем в торф. Озеро начинает мелеть и исчезать.

Использование человеком

Использование озера человеком можно описать предельно коротко. Человек берет из него воду и пищу, и возвращает неочищенную воду и отходы.

Перед тем как полностью исчезнуть, озеро превращается в болото. Донный ил становится торфом. Торф обладает способностью сохранять влагу. Накапливая ее в период таяния снегов или дождей, он затем отдает ее ручьям и тем поддерживают уровень воды в больших водоемах и в грунтовых водах. Человек добывая торф, как природное топливо или удобрение, проводя мелиоративные работы и осушая болота, изменяет водный режим региона со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Экосистема озера не содержит фосфор, азот и другие вещества, стимулирующие рост растений. Сточные воды промышленных предприятий, сбросы канализационных систем городов, неочищенные бытовые стоки и, главное, вода, сходящая после ливней и таяния снегов с земель, используемых под сельскохозяйственные нужды, содержит эти вещества. А они ускоряют рост и увеличивают количество биомассы, особенно сине-зелёных водорослей.

Тот же эффект при сбросе теплой воды, после охлаждения ею оборудования электростанций. Повышение температуры воды в результате таких сбросов ускоряет рост все тех же водорослей и других растений. Если температура будет слишком велика, то животный мир может вообще погибнуть или произойти сбой в его репродуктивной системе.

Но самое основное – это нарушается ритма весеннего и осеннего перемешивания вод, в результате чего придонные слои не будут получать необходимый запас кислорода.

Еще одна форма использования человеком экосистемы озера – это привнесение в нее живых организмов, ей несвойственных. Иногда это может произойти случайно. Но бывает, что это делается преднамеренно, с целью разведения полезных для человека видов рыб, моллюсков, беспозвоночных и тому подобное.

Эти организмы ведут себя агрессивно по отношению к местным видам флоры и фауны. А с учетом стимулирования их роста и развития человеком, то природная биосистема начинает подвергаться существенным изменениям. Происходит дисбаланс, который может привести к ее полной гибели. Примером могут служить Великие озера в Америке.

Вам будет интересно посмотреть фото и картинки экосистемы озера.

Посмотрите видео: Красивые фото озер, рек и морей.

Урок по окружающему миру на тему:

«Экосистема озера»

Цель урока:

– познакомить учащихся с экосистемой озера, их особенностями и обитателями;

– показать взаимную приспособленность живых организмов – членов экосистемы озера, их зависимость от неживых компонентов и влияние на них.

Тип учебного занятия: урок открытие нового знания по учебнику Окружающий мир «Обитатели Земли». 3 класс. 1 часть, авторы А.А. Вархрушев, О.В. Бурский, А.С.Раутин. Вид учебного занятия: урок-исследование
Формы работы : работа в парах, групповая и индивидуальная работа.

Задачи:

Образовательные задачи:

создать условия для формирования первичного представления об озере как экосистеме;

познакомить учащихся с типичными представителями растительного и животного мира озера, их ролью в экосистеме;

закрепить степень усвоения учащимися нового материала и ранее изученной информации об экосистеме;

Развивающие задачи:

развивать пространственное воображение, познавательный интерес, кругозор, творческие способности, интерес к чтению энциклопедической литературы;

развивать умение работать с учебным текстом;

развивать навыки контроля и самоконтроля, навыки практической работы в группах;

развивать познавательную активность детей, умение наблюдать, сравнивать, обобщать и делать выводы.

Воспитательные задачи:

содействовать формированию личности ученика, поддерживать потребности и мотивы узнавать «новое»;

прививать уважительное отношение друг к другу, к народам, живущим на Земле;

формировать эмоционально-положительное отношение к предмету, показывая связь изучаемых предметов с жизнью;

воспитывать бережное отношение к природе.

Планируемые результаты:

Личностные УУД:

формирование целостного, социально-ориентированного взгляда на мир в его органичном единстве;

формировать мотивацию к обучению и целенаправленной познавательной деятельности;

воспринимать одноклассников как членов своей команды (группы);

вносить свой вклад в работу для достижения общих результатов;

быть толерантным к чужим и собственным ошибкам, другому мнению и проявлять готовность к их обсуждению.

Метапредметные УУД.

Регулятивные УУД:

совместно с учителем обнаруживать и формулировать учебную проблему;

после предварительного обсуждения самостоятельно формулировать тему урока и цель урока;

прогнозировать предстоящую работу: определение цели учебной деятельности, выбор темы, составление плана;

оценивать учебные действия в соответствии с поставленной задачей;

сверять свои действия с целью, учиться давать оценку результатов учебной деятельности;

выполнять самопроверку по эталону и корректировку своей деятельности.

Познавательные УУД:

ориентироваться в своей системе знаний;

извлекать и перерабатывать информацию для открытия новых знаний;

извлекать информацию, представленную в разных формах (текст, таблица, карта, иллюстрация, видео);

перерабатывать полученную информацию: делать выводы в результате совместной работы всего класса, группы, пары.

Коммуникативные УУД:

доносить свою позицию до других: высказывать свою точку зрения и пытаться её обосновать, приводя аргументы;

оформлять свои мысли в речевой форме и доносить свою позицию до других;

слушать других, пытаться принимать другую точку зрения, быть готовым изменить свою точку зрения;

совместно договариваться о правилах общения и поведения в группе и следовать им;

осознанно выбирать критерий качественной оценки работы группы.

Предметные УУД:

уметь объяснять значение терминов «озеро», «экосистема»;

знать, что такое озеро, экосистема, основных видов растений и животных озёр, их «профессии» в экосистеме;

уметь приводить примеры животных и растений экосистемы озера и обосновывать свой ответ.

Оборудование: А. А. Вахрушев, Д.Д.Данилов, О.В.Бурский, А.С. Раутиан Окружающий мир. 3 класс. ("Обитатели Земли"). Учебник в 2-х частях. Часть 1.-М.: Баласс, 2013. (Образовательная система "Школа 2100"); А. А. Вахрушев, О.В.Бурский, А.С. Раутиан Рабочая тетрадь к учебнику "Окружающий мир", 3 класс. (Обитатели Земли). - М.: Баласс, 2016. (Образовательная система "Школа 2100") , мультимедийный проектор, презентация к уроку, карточки для работы в парах; карточки с названием природных зон, энциклопедии, конверты с заданиями.

Ход урока

I . Организационный момент. (слайд 2)

Прозвенел звонок. Начинаем наш урок.

Сегодня у нас на уроке гости. Поприветствуем их. Садитесь.

Проверьте, всё ли необходимое лежит у вас на столе.

Сегодня мы продолжим встречу с удивительным и загадочным миром природы. Думаю, что вы готовы отвечать на вопросы и делать новые открытия.

II .Актуализация

Первая стадия – ВЫЗОВ (актуализация имеющихся знаний, мотивация к дальнейшей работе, пробуждение интереса к получению новой информации)

Прочитайте слова на доске. - Слайд 1

единство

живая и неживая природа

сообщество

живые организмы

разные профессии

способно

совместные усилия

поддержка

круговорот веществ

Для какого определения они являются опорными?

(Это опорные слова для определения экосистемы)

Что такое экосистема?

(Экосистема - это единство живой и неживой природы, в котором сообщество живых организмов разных "профессий" способно совместными усилиями поддерживать круговорот веществ)

Назовите составные части экосистемы.

(Экосистема включает в себя воздух, воду, почву, горные породы и производители, потребители и разрушители)

- Из каких групп состоит экосистема? (Живая и неживая природа) слайд 4

Что отнесём к живой природе? (Производителей, потребителей и разрушителей).

А к неживой природе? (Воздух, воду, почву, горные породы).

Какой процесс происходит внутри экосистемы? (круговорот веществ).

Как вы понимаете сочетание слов "круговорот веществ"? (учебник с.29- цепочка превращений, которая начинается одним и тем же веществом ).

III. Формулирование темы урока.

Отгадайте загадку: Слайд 5

Глядятся в него молодые рябинки,
Цветные свои, примеряя косынки.
Глядятся в него молодые березки,
Свои перед ним поправляя причёски.
И месяц, и звёзды-
В нём всё отражается:.
А как это зеркало называется? ( озеро )

Итак, о чём мы будем говорить сегодня на уроке?

ТЕМА УРОКА - ЭКОСИСТЕМА ОЗЕРА.

IV. Постановка целей урока.

Что вы знаете об озере?

Продолжите фразу: "Я знаю:" - Слайд 6-10

Озеро - это скопление воды в природном углублении на суше.

Озёра бывают проточные и бессточные.

Бессточное - это озеро, не имеющее выхода вод, из него не вытекают реки и ручьи.

Прочное - это озеро, имеющее выход вод, из него вытекают реки, ручьи.

Озёра бывают пресные и солёные.

Самое большое пресное озеро – Байкал.

Самое большое озеро в мире - Каспийское озеро - море.

Продолжите фразу: "Я хочу узнать:" - Слайд 11

Какие организмы живут в озере?

Какова их роль?

Почему озеро зарастает?

V. Решение проблемы.

Вторая стадия – ОСМЫСЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ (Направлена на сохранение интереса при получении новой информации, постепенное продвижение от знания «старого» к «новому»).

- Как вы думаете, является ли озеро экосистемой?

Чтобы ответить на этот вопрос самостоятельно изучите материал учебника на с. 47-49 и найдите составные части экосистемы.

Я буду заполнять по вашим ответам схему «ФИШБОУН» Слайд 12

Прием «Фишбоун »-рыбная кость.

Что вы узнали?

(В озере обитают производители, потребители и разрушители). Слайд 13

Кто же является представителями производителей, потребителей и разрушителей озёр и какую работу они выполняют, нам предстоит узнать.

Сейчас вы будете поработать в группах. Для начала давайте п овторим Устав групповой работы: (слайд 14)

Уважай своего товарища.

Умей каждого выслушать.

Не согласен – предлагай!

Разбейтесь на группы.

У каждой группы на столе лежит конверт с заданием. Для его выполнения изучите материал учебника с. 46-49. Приступили к работе.

(Самостоятельная работа в группах)

Задания группам:

Производители озера

Потребители озера

Разрушители озера

Обмен веществ в озере

Работа разрушителей озера

(Отчёты групп)

- Что вы можете рассказать о производителях озёр? Слайд 15

Экосистема озера двухэтажная. Верхний этаж составляют мелкие организмы, которые плавают в толще воды и переносятся течением, их называют планктоном. К нему относятся одноклеточные растения – водоросли и животные.

Слайд 16 На дне растут более крупные растения: элодея, хара.

Вблизи берегов видны кувшинки: белые - лилии и желтые – кубышки.

Также по берегам озер растет рогоз, камыш.

(Опережающее задание) 1 ученик

Щ. Элодея довольно широко распространена. Эти водоросли могут выживать в любых условиях и вытеснять все другие растения, поэтому ей дали прозвище "водяная чума".

Щ. Белая кувшинка – самый крупный и красивый водный цветок наших мест. У кувшинки толстое корневище, которое лежит на дне, а крупные листья плавают на воде. Цветки белые, имеют приятный аромат. Цветок чем-то напоминает пышную белую розу. Белая кувшинка занесена в Красную книгу.

Щ. Рогоз – это широко распространенное растение, которое многие ошибочно называют камышом. В старину рогозом застилали крыши, плели изгороди.

Что вы узнали о потребителях? Слайд 17

- Потребители озёр – водоросли, мелкие рачки и рыбы: карась, плотва, уклейка, щука, ротан, ёрш.

(Опережающее задание) 3 ученика

1. Щ. Множество одноклеточных водорослей привлекает внимание потребителей. Среди них преобладают мелкие рачки: циклопы, дафнии . Их используют в качестве корма для рыб любители аквариумов. Они фильтруют воду, забирая мелкие водоросли. Один такой рачок, которого можно увидеть только в лупу, пропускает за сутки 1 литр воды.

2. Щ. Рачками кормятся многие рыбы: карась, плотва, уклейка.

Карась. Обыкновенный карась живет в заболоченных, заросших водоемах. Любит заилиные места. На зиму обыкновенные караси закапываются в ил (до глубины 70 см) и выживают даже тогда, когда в холодные зимы мелкие стоячие водоемы промерзают до самого дна.

Плотва – стайная рыба. Плотва обитает в глубоких местах со спокойной и теплой водой. Плотва питается разнообразной пищей: моллюсками, водорослями, червями, личинками насекомых.

3. Щ. Этими рыбами, в свою очередь, нередко лакомятся хищные: щука, ротан, ёрш.

Щука – это самый известный озерный хищник. Её легко узнать по длинному пятнистому телу. В основном щука питается больными и ослабленными рыбами и является биологическим санитаром озера.

Какую роль в жизни озера играют разрушители и кто к ним относится ? Слайд 18

-Разрушители озёр: бактерии, мотыль, рак, прудовик и беззубка.

(Опережающее задание) 2 ученика

Щ. 1. МИКРООРГАНИЗМЫ (микробы)-

мельчайшие организмы, видимые только в микроскоп, например, бактерии. Играют большую роль в круговороте веществ в природе.

Мотыль- личинки комаров. Обитают на дне озёр и питаются остатками умерших организмов.

Раки – водятся в чистых водоемах. Они предпочитают глубину до трех метров. Тело рака покрыто крепким панцирем. Клешни – это грозное оружие, которое рак использует на охоте и для защиты от врагов. Рак – ночной хищник. Раки линяют. Во время линьки раки не только меняют свой панцирь, но вместе с ним обновляют и жабры, и пищеварительные органы.

2. Щ. Прудовик – это подвижные и самые прожорливые водные улитки. Питаются водорослями, остатками погибших организмов, икринками. Они хорошо очищают воду.

Беззубка – крупный моллюск. Беззубки очищают воду, пропуская ее через себя в поисках пищи.

Слайд 19

- Можем теперь сделать вывод, что озеро – это экосистема?

- Вспомним полное определение экосистемы. (Единство живой и неживой природы, в котором сообщество живых организмов разных профессий способны совместными усилиями поддерживать круговорот веществ ).

Докажите, что круговорот веществ в озере существует.

(Отчёт 4 группы) 2 человека у доски. (Пока группы отчитываются эта группа составляет круговорот веществ в озере). Слайд 20

IV группа - от производителей потребители получают органические вещества, умершие организмы разрушаются мусорщиками. От них потребители получают минеральные вещества, которые снова преобразуются в органические. Таким образом, в озере происходит круговорот веществ.

- Итак, какой вывод можно сделать?

- Озеро – это экосистема, т.к. в нём присутствуют все его части и есть круговорот веществ. Слайд 21

Физминутка Слайд 22

- На нашей схеме отсутствует голова- это то, чего мы еще не знаем.

Ответьте на такой вопрос: «Почему озеро зарастает?» фишбоун Слайд 23

Постановка проблемы.

Вернёмся к схеме круговорота веществ озера. А что необычного вы заметили на схеме этого круговорота веществ?

- От мертвых организмов идет черная стрелка, направленная вниз.

Что она обозначает?

Прочитаем диалог Лены и Миши на странице 46. Ребята помогут вам найти ответ на этот вопрос. (Чтение диалога вслух по ролям). Слайд 24

(Отчёт 5 группы)

V группа - разрушители не справляются со своей работой. Поэтому мёртвые организмы накапливаются на дне. Круговорот замкнут не полностью, часть веществ оседает на дне.

- Если круговорот не замкнут, как вы думаете, повлияет ли это на условия в экосистеме? (Да)

- И что же может произойти с экосистемой? (Она может разрушиться. Озеро зарастает и со временем превращается в болото).

Слайд 24 - щелчок

Вот это мы и поместим в наш «хвост» Слайд 25

- Давайте проверим наше предположение по учебнику. Вывод на с. 46.

VI . Практическое применение знаний, полученных на уроке.

Много интересного вы узнали об озере.

Откройте рабочую тетрадь на стр. 23 и выполните задание 2, поработав самостоятельно.

Проверим правильность выполнения задания (слайд 26)

Вопросы к ученику (начало формирования алгоритма самооценки):

– Что тебе нужно было сделать?

– Удалось тебе выполнить задание?

– Ты выполнил правильно или были недочёты?

– Ты выполнил всё сам или с помощью товарища?

– Сейчас мы вместе с … (имя ученика ) учились оценивать свою работу.

– Молодец! Ты не только правильно выполнил задание, но и объективно оценил свою работу.

VII . Итог урока (рефлексия)

Третья стадия – РЕФЛЕКСИЯ (Необходимо вернуть учащихся к первоначальной информации, внести изменения уточнения в таблицу. Дать творческое задание).

Человек может повлиять на судьбу озера?

Как вы думаете, должен человек вмешиваться в экосистему озера? (да, если он хочет сохранить озеро, как место отдыха, ловли рыбы, памятника природы).

Вы не раз отдыхали на озерах. И видели, в каком состоянии находятся наши озера.

Чем вы можете помочь озеру?

Рефлексия Слайд 27

Синквейн

1.Озеро

2.Чистое, прозрачное, полезное

3.Охранять, не засорять, отдыхать, купаться,

4. Бороться с браконьерами. Стараться не загрязнять места отдыха.

5. Водоем.

Итог урока

Наш урок подходит к концу. Давайте подведём итоги.

- Продолжите фразу: " Я узнал:" - Слайд 28

Попробуйте в 1 предложении сказать. (Озеро- это экосистема, в которой круговорот не замкнут.)

Какие главные выводы вы можете сделать? (озеро – это природное богатство, которое нужно охранять)

VIII . Задание на дом:

а) чтение текста учебника – стр. 46 – 49;

б) в рабочей тетради № 1, 4, 5 стр. 23-24;

в) составить памятку об охране озер (по желанию).

На Земле возникали озера в результате тектонических сдвигов породы, отступления ледников при таянии или изменения русел рек. К ним можно относить пруды, более мелкие водные образования. Общее у них, то, что это замкнутые экосистемы с тенденцией к исчезновению.

Неважно, является водоем сточным, то есть из которого вытекает вода, или бессточным, экосистема озера постепенно будет трансформироваться в сторону преобладания в ней растительного над животным миром. Затем превратиться в болото и, в конце концов, высохнет и исчезнет. Быстрота такого превращения зависит лишь от величины и глубины водного объекта.

Структура системы и основные факторы влияния

Экосистема озера представляет собой видовую совокупность, существующую в границах водного объекта, и взаимодействующая между собой. Трофическая цепь типичная и состоит из продуцентов – растений и водорослей, консументов – рыбы, рептилии, водоплавающей птицы, некоторые видов животных, а также редуцентов – бактерий, червей и ракообразных.

Схематическая иллюстрация экосистемы озера.

Соленая в озере вода или пресная, влияет только на видовую структуру, в которой преобладают живые организмы, приспособленные к существованию в воде с большим или меньшим содержанием соли.

Главным и определяющим из них – солнце. Вступая во взаимодействие с водой, солнечная энергия изменяет, а именно повышает, температуру последней. Это, в свою очередь, влияет на процесс фотосинтеза, то есть производства кислорода, его содержание и растворимость в воде.

По количеству поступающей солнечной энергии, водную массу озера можно разделить на горизонтальные слои или пласты.

В летний период верхний слой получает максимальное количество солнечной энергии. Он нагревается. Продуценты активно перерабатывают солнечную энергию в кислород. Фауна в верхнем слое играет роль консументов. Это в основном водоплавающие животные и птицы, рептилии, некоторые виды рыб и насекомые.

Следующий пласт воды играет «заградительную» функцию между разными температурными слоями, расположенными над и под ним. Этот слой с максимальной плотностью воды, которая возникает, когда температура ее +4°С. Он сдерживает перемешивание слоев воды озера. Обычно перемешивание происходит весной и осенью. В результате чего происходит обмен кислородом и питательными веществами.

Солнечный свет, доходя до придонного слоя, сильно рассеивается. На дно попадают остатки живых организмов и отходы их жизнедеятельности. Придонный слой населяют редуценты – раки, черви, личинки насекомых, бактерии и микроорганизмы. Очень редки рыбы. Главная их функция переработка органических отходов. Последний этап пищевой цепи, перед началом нового.

На этом этапе и происходит тот сбой, который, в конечном счете ведет к исчезновению озера. Условия существования не позволяют справиться с переработкой отходов полностью. А верхний слой, подпитанный во время перемешивания, увеличивает биомассу. Отходы увеличиваются, а остатки накапливаются. Они превращаются в ил, а затем в торф. Озеро начинает мелеть и исчезать.

Использование человеком

Использование озера человеком можно описать предельно коротко. Человек берет из него воду и пищу, и возвращает неочищенную воду и отходы.

Перед тем как полностью исчезнуть, озеро превращается в болото. Донный ил становится торфом. Торф обладает способностью сохранять влагу. Накапливая ее в период таяния снегов или дождей, он затем отдает ее ручьям и тем поддерживают уровень воды в больших водоемах и в грунтовых водах. Человек добывая торф, как природное топливо или удобрение, проводя мелиоративные работы и осушая болота, изменяет водный режим региона со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Экосистема озера не содержит фосфор, азот и другие вещества, стимулирующие рост растений. Сточные воды промышленных предприятий, сбросы канализационных систем городов, неочищенные бытовые стоки и, главное, вода, сходящая после ливней и таяния снегов с земель, используемых под сельскохозяйственные нужды, содержит эти вещества. А они ускоряют рост и увеличивают количество биомассы, особенно сине-зелёных водорослей.

Тот же эффект при сбросе теплой воды, после охлаждения ею оборудования электростанций. Повышение температуры воды в результате таких сбросов ускоряет рост все тех же водорослей и других растений. Если температура будет слишком велика, то животный мир может вообще погибнуть или произойти сбой в его репродуктивной системе.

Но самое основное – это нарушается ритма весеннего и осеннего перемешивания вод, в результате чего придонные слои не будут получать необходимый запас кислорода.

Еще одна форма использования человеком экосистемы озера – это привнесение в нее живых организмов, ей несвойственных. Иногда это может произойти случайно. Но бывает, что это делается преднамеренно, с целью разведения полезных для человека видов рыб, моллюсков, беспозвоночных и тому подобное.

Эти организмы ведут себя агрессивно по отношению к местным видам флоры и фауны. А с учетом стимулирования их роста и развития человеком, то природная биосистема начинает подвергаться существенным изменениям. Происходит дисбаланс, который может привести к ее полной гибели. Примером могут служить Великие озера в Америке.

Вам будет интересно посмотреть фото и картинки экосистемы озера.

Посмотрите видео: Красивые фото озер, рек и морей.