Лимнология ( / l ɪ m ˈ n ɒ l ə dʒ i / lim- NOL -ə-jee ; от древнегреческого λίμνη ( límnē ) «озеро» и -λογία ( -logía ) «изучение») — изучение внутренних территорий. водные экосистемы . [1] Изучение лимнологии включает аспекты биологических , химических , физических и геологических характеристик пресных и соленых , природных и искусственных водоемов . Сюда входит изучение озер , водохранилищ , прудов , рек , родников , ручьев , водно-болотных угодий и подземных вод . [2] Водные системы часто подразделяются на проточные ( лотические ) и стоячие ( лентические ). [3]
Лимнология включает изучение водосборного бассейна, движения воды по бассейну и биогеохимических изменений, происходящих на пути следования. Более поздняя субдисциплина лимнологии, называемая ландшафтной лимнологией , изучает, управляет и стремится сохранить эти экосистемы с использованием ландшафтной точки зрения, путем подробного изучения связей между водной экосистемой и ее водосборным бассейном . Недавно необходимость понять глобальные внутренние воды как часть системы Земли привела к появлению субдисциплины под названием глобальная лимнология. [4] Этот подход рассматривает процессы во внутренних водах в глобальном масштабе, например, роль внутренних водных экосистем в глобальных биогеохимических циклах . [5] [6] [7] [8] [9]
Лимнология тесно связана с водной экологией и гидробиологией , изучающими водные организмы и их взаимодействие с абиотической (неживой) средой. Хотя лимнология во многом пересекается с дисциплинами, ориентированными на пресную воду (например, биологией пресной воды ), она также включает изучение внутренних соленых озер.
Термин «лимнология» был придуман Франсуа-Альфонсом Форелем (1841–1912), который основал эту область своими исследованиями Женевского озера . Интерес к этой дисциплине быстро возрос, и в 1922 году Август Тинеманн (немецкий зоолог) и Эйнар Науманн (шведский ботаник) стали соучредителями Международного общества лимнологии (SIL, от Societas Internationalis Limnologiae ). Первоначальное определение лимнологии, данное Форелем, « океанография озер», было расширено и охватило изучение всех внутренних вод [2] и повлияло на работу Бенедикта Дыбовского по озеру Байкал .
Среди выдающихся ранних американских лимнологов были Дж. Эвелин Хатчинсон и Эд Диви . [10] В Университете Висконсин-Мэдисон Эдвард А. Бирдж , Ченси Джудей , Чарльз Р. Голдман и Артур Д. Хаслер внесли свой вклад в развитие Центра лимнологии . [11] [12]
Физические свойства водных экосистем определяются сочетанием тепла, течений, волн и других сезонных распределений условий окружающей среды. [13] Морфометрия водоема зависит от типа объекта (например, озеро, река, ручей, водно -болотное угодье, устье и т. д.) и структуры земли, окружающей водоем. Озера , например, классифицируются по их образованию, а зоны озер определяются глубиной воды. [14] [15] Морфометрия систем рек и ручьев определяется геологией местности, а также общей скоростью течения воды. [13] На морфометрию ручья также влияет топография (особенно уклон), а также характер осадков и другие факторы, такие как растительность и освоение земель. Связь между ручьями и озерами зависит от плотности ландшафтного дренажа , площади зеркала и формы озера . [15]
Другими типами водных систем, изучаемыми лимнологией, являются эстуарии . Эстуарии — это водоемы, классифицируемые по взаимодействию реки и океана или моря. [13] Водно-болотные угодья различаются по размеру, форме и структуре, однако наиболее распространенные типы, болота, трясины и болота, часто колеблются между мелководными, пресноводными и сухими в зависимости от времени года. [13] Объем и качество воды в подземных водоносных горизонтах зависят от растительного покрова, который способствует пополнению запасов и помогает поддерживать качество воды. [16]
Световое зонирование – это концепция того, как количество проникновения солнечного света в воду влияет на структуру водоема. [13] Эти зоны определяют различные уровни продуктивности водных экосистем, таких как озеро. Например, глубина толщи воды, куда может проникать солнечный свет и где может расти большинство растений, известна как фотическая или эвфотическая зона. Остальная часть водного столба, которая находится глубже и не получает достаточного количества солнечного света для роста растений, известна как афотическая зона . [13] Количество солнечной энергии под водой и спектральное качество света, присутствующего на различных глубинах, оказывают существенное влияние на поведение многих водных организмов. Например, на вертикальную миграцию зоопланктона влияет уровень солнечной энергии. [16]
Подобно световой зональности, термическая стратификация или термозональность — это способ группировки частей водоема внутри водной системы на основе температуры разных слоев озера. Чем менее мутна вода, тем больше света может проникнуть в нее, и, таким образом, тепло передается глубже в воду. [17] Нагрев снижается экспоненциально с глубиной толщи воды, поэтому вода будет самой теплой у поверхности, но постепенно охлаждаться по мере продвижения вниз. Есть три основных участка, определяющих термическую стратификацию озера. Эпилимнион расположен ближе всего к поверхности воды и поглощает длинноволновую и коротковолновую радиацию , нагревая водную поверхность. В прохладные месяцы сдвиг ветра может способствовать охлаждению водной поверхности. Термоклин – это область в толще воды, где температура воды быстро снижается . [17] Нижний слой — это гиполимнион , в котором, как правило, самая холодная вода, поскольку его глубина ограничивает доступ солнечного света. [17] В озерах умеренного пояса осеннее охлаждение поверхностных вод приводит к круговороту водной толщи, где термоклин нарушается, и температурный профиль озера становится более однородным. В холодном климате, когда вода остывает ниже 4 ° С (температура максимальной плотности), во многих озерах зимой может наблюдаться обратная термическая стратификация. [18] Эти озера часто димиктические , с короткими весенними переворотами в дополнение к более длительным осенним переворотам. Относительное термическое сопротивление — это энергия, необходимая для смешивания слоев разной температуры. [19]
Годовой баланс тепла, также обозначаемый как θ a , представляет собой общее количество тепла, необходимое для повышения температуры воды от минимальной зимней температуры до максимальной летней температуры. Это можно рассчитать путем интегрирования площади озера на каждом интервале глубин (A z ), умноженной на разницу между летней (θ sz ) и зимней (θ wz ) температурами или A z (θ sz -θ wz ) [19]
На химический состав воды в водных экосистемах влияют природные характеристики и процессы, включая осадки , подстилающую почву и коренные породы водосборного бассейна , эрозию , испарение и седиментацию . [13] Все водоемы имеют определенный состав как органических , так и неорганических элементов и соединений. Биологические реакции также влияют на химические свойства воды. Помимо природных процессов, на химический состав водных систем и качество их воды сильно влияет деятельность человека. [17]
Аллохтонные источники углерода или питательных веществ происходят извне водной системы (например, из растений и почвенного материала). Источники углерода внутри системы, такие как водоросли и микробное расщепление водных твердых частиц органического углерода , являются автохтонными . В водных пищевых цепях часть биомассы, полученная из аллохтонного материала, называется «аллохтонией». [20] В ручьях и небольших озерах преобладают аллохтонные источники углерода, тогда как в крупных озерах и океане преобладают автохтонные источники. [21]
Растворенный кислород и растворенный углекислый газ часто обсуждаются вместе из-за их совместной роли в дыхании и фотосинтезе . Концентрация растворенного кислорода может быть изменена физическими, химическими и биологическими процессами и реакциями. Физические процессы, включая перемешивание ветром, могут увеличивать концентрацию растворенного кислорода, особенно в поверхностных водах водных экосистем. Поскольку растворимость растворенного кислорода связана с температурой воды, изменения температуры влияют на концентрацию растворенного кислорода, поскольку более теплая вода имеет меньшую способность «удерживать» кислород, чем более холодная вода. [22] Биологически и фотосинтез, и аэробное дыхание влияют на концентрацию растворенного кислорода. [17] Фотосинтез автотрофных организмов , таких как фитопланктон и водные водоросли , увеличивает концентрацию растворенного кислорода и одновременно снижает концентрацию углекислого газа, поскольку углекислый газ поглощается во время фотосинтеза. [22] Все аэробные организмы водной среды поглощают растворенный кислород во время аэробного дыхания, а углекислый газ выделяется как побочный продукт этой реакции. Поскольку фотосинтез ограничен светом, и фотосинтез, и дыхание происходят в дневное время, тогда как дыхание происходит только в темное время или в темных частях экосистемы. Баланс между производством и потреблением растворенного кислорода рассчитывается как скорость водного метаболизма . [23]
На вертикальные изменения концентрации растворенного кислорода влияют как ветровое перемешивание поверхностных вод, так и баланс между фотосинтезом и дыханием органического вещества . Эти вертикальные изменения, известные как профили, основаны на тех же принципах, что и термическая стратификация и проникновение света. По мере того, как доступность света снижается глубже в толще воды, скорость фотосинтеза также снижается, и образуется меньше растворенного кислорода. Это означает, что концентрация растворенного кислорода обычно снижается по мере продвижения вглубь водоема, поскольку фотосинтез не пополняет растворенный кислород, который поглощается при дыхании. [17] В периоды термической стратификации градиенты плотности воды предотвращают смешивание богатых кислородом поверхностных вод с более глубокими водами. Длительные периоды стратификации могут привести к истощению растворенного кислорода в придонной воде; когда концентрация растворенного кислорода ниже 2 миллиграммов на литр, воды считаются гипоксическими . [22] Когда концентрация растворенного кислорода составляет примерно 0 миллиграммов на литр, условия являются бескислородными . Как гипоксические, так и бескислородные воды уменьшают доступную среду обитания для организмов, которые дышат кислородом, и способствуют изменениям в других химических реакциях в воде. [22]
Азот и фосфор являются экологически значимыми питательными веществами в водных системах. Азот обычно присутствует в водных экосистемах в виде газа , однако большинство исследований качества воды, как правило, сосредоточены на уровнях нитратов , нитритов и аммиака . [13] Большинство этих растворенных соединений азота имеют сезонный характер: их концентрации в осенние и зимние месяцы выше, чем в весенние и летние . [13] Фосфор играет различную роль в водных экосистемах, поскольку он является ограничивающим фактором роста фитопланктона из-за, как правило, низких концентраций в воде. [13] Растворенный фосфор также имеет решающее значение для всех живых существ, часто сильно ограничивает первичную продуктивность пресной воды и имеет свой собственный характерный экосистемный цикл . [17]
Из озер «относительно легко брать образцы, потому что они имеют четкие границы (по сравнению с наземными экосистемами) и потому что полевые эксперименты относительно легко проводить», что делает их особенно полезными для экологов, которые пытаются понять экологическую динамику. [24]
Один из способов классификации озер (или других водоемов) — индекс трофического состояния . [2] Олиготрофное озеро характеризуется относительно низким уровнем первичной продукции и низким уровнем питательных веществ . Эвтрофное озеро имеет высокий уровень первичной продуктивности из-за очень высокого уровня питательных веществ. Эвтрофикация озера может привести к цветению водорослей . Дистрофические озера имеют высокий уровень гуминового вещества и обычно имеют желто-коричневую воду чайного цвета. [2] Эти категории не имеют жестких спецификаций; систему классификации можно рассматривать как скорее спектр, охватывающий различные уровни продуктивности водных организмов. [ нужна цитата ]
Тропическая лимнология — это уникальная и важная область лимнологии, которая фокусируется на различных физических, химических, биологических и культурных аспектах пресноводных систем в тропических регионах . [25] Физические и химические свойства тропической водной среды отличаются от свойств в регионах с умеренным климатом : более теплые и стабильные температуры, более высокие уровни питательных веществ и более сложные экологические взаимодействия. [25] Более того, биоразнообразие тропических пресноводных систем, как правило, выше, антропогенное воздействие зачастую более серьезное, и существуют важные культурные и социально-экономические факторы, которые влияют на использование и управление этими системами. [25]
Людей, изучающих лимнологию, называют лимнологами. Эти ученые в основном изучают характеристики внутренних пресноводных систем, таких как озера, реки, ручьи, пруды и водно-болотные угодья. Они также могут изучать неокеанические водоемы с соленой водой, такие как Большое Соленое озеро. Существует множество профессиональных организаций, связанных с лимнологией и другими аспектами водной науки, в том числе Ассоциация наук лимнологии и океанографии , Иберийская ассоциация лимнологов, Международное общество лимнологов , Польское лимнологическое общество , Общество канадских лимнологов, и Пресноводная биологическая ассоциация . [ нужна цитата ]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )