stringtranslate.com

Лимнология

Озеро Хавеа , Новая Зеландия

Лимнология ( / l ɪ m ˈ n ɒ l ə dʒ i / lim- NOL -ə-jee ; от древнегреческого λίμνη ( límnē )  «озеро» и -λογία ( -logía )  «изучение») — это наука о внутренних водных экосистемах . [1] Изучение лимнологии включает в себя аспекты биологических , химических , физических и геологических характеристик пресных и соленых , естественных и искусственных водоемов . Это включает в себя изучение озер , водохранилищ , прудов , рек , родников , ручьев , водно-болотных угодий и грунтовых вод . [2] Водные системы часто классифицируются как проточные ( проточные ) или стоячие ( лентические ). [3]

Лимнология включает в себя изучение водосборного бассейна, движения воды через бассейн и биогеохимических изменений, которые происходят на пути. Более поздняя субдисциплина лимнологии, называемая ландшафтной лимнологией , изучает, управляет и стремится сохранить эти экосистемы, используя ландшафтную перспективу, явно исследуя связи между водной экосистемой и ее водосборным бассейном . Недавно необходимость понимания глобальных внутренних вод как части системы Земли создала субдисциплину, называемую глобальной лимнологией. [4] Этот подход рассматривает процессы во внутренних водах в глобальном масштабе, такие как роль внутренних водных экосистем в глобальных биогеохимических циклах . [5] [6] [7] [8] [9]

Лимнология тесно связана с водной экологией и гидробиологией , которые изучают водные организмы и их взаимодействие с абиотической (неживой) средой. Хотя лимнология имеет существенное совпадение с дисциплинами, ориентированными на пресную воду (например, с биологией пресной воды ), она также включает изучение внутренних соленых озер.

История

Термин лимнология был придуман Франсуа-Альфонсом Форелем (1841–1912), который основал эту область своими исследованиями Женевского озера . Интерес к дисциплине быстро рос, и в 1922 году Август Тиенеманн (немецкий зоолог) и Эйнар Науманн (шведский ботаник) совместно основали Международное общество лимнологии (SIL, от Societas Internationalis Limnologiae ). Первоначальное определение лимнологии Форелем, « океанография озер», было расширено, чтобы охватить изучение всех внутренних вод, [2] и повлияло на работу Бенедикта Дыбовского об озере Байкал .

Выдающимися ранними американскими лимнологами были Г. Эвелин Хатчинсон и Эд Диви . [10] В Университете Висконсин-Мэдисон Эдвард А. Бирдж , Чанси Джудей , Чарльз Р. Голдман и Артур Д. Хаслер внесли свой вклад в развитие Центра лимнологии . [11] [12]

Общая лимнология

Физические свойства

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-болотные угодья, эстуарий и т. д.) и структуры земли, окружающей водоем. Озера , например, классифицируются по их образованию, а зоны озер определяются глубиной воды. [14] [15] Морфометрия речных и ручьевых систем обусловлена ​​геологией местности, а также общей скоростью воды. [13] Морфометрия ручьев также зависит от топографии (особенно уклона), а также характера осадков и других факторов, таких как растительность и освоение земель. Связность между ручьями и озерами связана с плотностью дренажа ландшафта , площадью поверхности озера и формой озера . [15]

Другие типы водных систем, которые попадают в область изучения лимнологии, — это эстуарии . Эстуарии — это водоемы, классифицируемые по взаимодействию реки и океана или моря. [13] Водно-болотные угодья различаются по размеру, форме и рисунку, однако наиболее распространенные типы, болота, топи и топи, 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 и помогает поддерживать качество воды. [16]

Световые взаимодействия

Зонирование света — это концепция того, как количество солнечного света, проникающего в воду, влияет на структуру водоема. [13] Эти зоны определяют различные уровни продуктивности в пределах водных экосистем, таких как озеро. Например, глубина водного столба, в который может проникать солнечный свет и где может расти большинство растений, известна как фотическая или эвфотическая зона. Остальная часть водного столба, которая глубже и не получает достаточного количества солнечного света для роста растений, известна как афотическая зона . [13] Количество солнечной энергии, присутствующей под водой, и спектральное качество света, присутствующего на различных глубинах, оказывают значительное влияние на поведение многих водных организмов. Например, вертикальная миграция зоопланктона зависит от уровней солнечной энергии. [16]

Термическая стратификация

Подобно световой зональности, термическая стратификация или термическая зональность — это способ группировки частей водоема в водной системе на основе температуры различных слоев озера. Чем менее мутная вода, тем больше света может проникнуть, и, таким образом, тепло передается глубже в воду. [17] Нагрев экспоненциально уменьшается с глубиной в водной толще, поэтому вода будет самой теплой вблизи поверхности, но постепенно холоднее по мере движения вниз. Существует три основных участка, которые определяют термическую стратификацию в озере. Эпилимнион находится ближе всего к поверхности воды и поглощает длинноволновое и коротковолновое излучение для нагрева поверхности воды. В более прохладные месяцы сдвиг ветра может способствовать охлаждению поверхности воды. Термоклин — это область в водной толще, где температура воды быстро снижается. [17] Нижний слой — гиполимнион , который, как правило, имеет самую холодную воду, потому что его глубина ограничивает попадание солнечного света. [17] В озерах умеренного климата осеннее охлаждение поверхностных вод приводит к обороту водной толщи, где термоклин нарушается, и профиль температуры озера становится более однородным. В холодном климате, когда вода охлаждается ниже 4 o C (температура максимальной плотности), многие озера могут испытывать обратную термическую стратификацию зимой. [18] Эти озера часто являются димиктическими , с коротким весенним опрокидыванием в дополнение к более длительному осеннему опрокидыванию. Относительное тепловое сопротивление — это энергия, необходимая для смешивания этих слоев с разными температурами. [19]

Бюджет Лейк-Хита

Годовой тепловой бюджет, также обозначаемый как θ a , представляет собой общее количество тепла, необходимое для повышения температуры воды от минимальной зимней температуры до максимальной летней температуры. Его можно рассчитать, интегрировав площадь озера в каждом интервале глубины (A z ), умноженную на разницу между летней (θ sz ) и зимней (θ wz ) температурами или A z (θ sz -θ wz ) [19]

Химические свойства

Химический состав воды в водных экосистемах зависит от природных характеристик и процессов, включая осадки , подстилающую почву и коренные породы в водосборном бассейне , 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, деятельность человека сильно влияет на химический состав водных систем и качество их воды. [17]

Аллохтонные источники углерода или питательных веществ поступают извне водной системы (например, растительный и почвенный материал). Источники углерода внутри системы, такие как водоросли и микробное разложение водного органического углерода , являются автохтонными . В водных пищевых цепях часть биомассы, полученная из аллохтонного материала, называется «аллохтонией». [20] В ручьях и небольших озерах доминируют аллохтонные источники углерода, тогда как в крупных озерах и океане доминируют автохтонные источники. [21]

Кислород и углекислый газ

Растворенный кислород и растворенный углекислый газ часто обсуждаются вместе из-за их связанной роли в дыхании и фотосинтезе . Концентрации растворенного кислорода могут быть изменены физическими, химическими и биологическими процессами и реакциями. Физические процессы, включая перемешивание ветра, могут увеличить 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, как фотосинтез, так и аэробное дыхание влияют на концентрацию растворенного кислорода. [17] Фотосинтез автотрофными организмами , такими как фитопланктон и водные водоросли , увеличивает концентрацию растворенного кислорода, одновременно снижая концентрацию углекислого газа, поскольку углекислый газ поглощается во время фотосинтеза. [22] Все аэробные организмы в водной среде поглощают растворенный кислород во время аэробного дыхания, в то время как углекислый газ выделяется как побочный продукт этой реакции. Поскольку фотосинтез ограничен светом, и фотосинтез, и дыхание происходят в течение светового дня , тогда как только дыхание происходит в темное время суток или в темных частях экосистемы. Баланс между производством и потреблением растворенного кислорода рассчитывается как скорость водного метаболизма . [23]

Поперечная диаграмма озера факторов, влияющих на скорость метаболизма озера и концентрацию растворенных газов в озерах. Процессы в золотом тексте потребляют кислород и производят углекислый газ, в то время как процессы в зеленом тексте производят кислород и потребляют углекислый газ.

Вертикальные изменения концентрации растворенного кислорода зависят как от ветрового перемешивания поверхностных вод, так и от баланса 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 уменьшается глубже в толще воды, скорость фотосинтеза также уменьшается, и производится меньше растворенного кислорода. Это означает, что концентрация растворенного кислорода обычно уменьшается по мере продвижения вглубь водоема, поскольку фотосинтез не восполняет растворенный кислород, который поглощается через дыхание. [17] В периоды термической стратификации градиенты плотности воды не позволяют поверхностным водам, богатым кислородом, смешиваться 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, вода считается гипоксической . [22] Когда концентрация растворенного кислорода составляет приблизительно 0 миллиграммов на литр, условия являются бескислородными . Как гипоксические, так и аноксические воды сокращают доступную среду обитания для организмов, дышащих кислородом, и способствуют изменениям в других химических реакциях в воде. [22]

Азот и фосфор

Азот и фосфор являются экологически значимыми питательными веществами в водных системах. Азот обычно присутствует в виде газа в водных экосистемах, однако большинство исследований качества воды, как правило, сосредоточены на уровнях нитрата , нитрита и аммиака . [13] Большинство этих растворенных соединений азота следуют сезонной схеме с более высокими концентрациями осенью и зимой по сравнению с весной и летом . [13] Фосфор играет другую роль в водных экосистемах, поскольку он является ограничивающим фактором в росте фитопланктона из-за, как правило, низких концентраций в воде. [13] Растворенный фосфор также имеет решающее значение для всех живых существ, часто очень ограничивает первичную продуктивность в пресной воде и имеет свой собственный отличительный экосистемный цикл . [17]

Биологические свойства

Озеро Джордж , Нью-Йорк , США, олиготрофное озеро.

Роль в экологии

Озера «относительно легко поддаются отбору проб, поскольку они имеют четкие границы (по сравнению с наземными экосистемами) и поскольку полевые эксперименты проводить относительно легко», что делает их особенно полезными для экологов, которые пытаются понять экологическую динамику. [24]

Трофическая классификация озера

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 . Дистрофные озера имеют высокий уровень гуминовых веществ и обычно имеют желто-коричневую, чайного цвета воду. [2] Эти категории не имеют жестких спецификаций; система классификации может рассматриваться скорее как спектр, охватывающий различные уровни водной продуктивности. [ необходима ссылка ]

Тропическая лимнология

Тропическая лимнология — это уникальная и важная подобласть лимнологии, которая фокусируется на отдельных физических, химических, биологических и культурных аспектах пресноводных систем в тропических регионах . [25] Физические и химические свойства тропических водных сред отличаются от свойств умеренных регионов , с более теплыми и стабильными температурами, более высокими уровнями питательных веществ и более сложными экологическими взаимодействиями. [25] Более того, биоразнообразие тропических пресноводных систем, как правило, выше, воздействие человека часто более серьезное, и существуют важные культурные и социально-экономические факторы, которые влияют на использование и управление этими системами. [25]

Профессиональные организации

Люди, которые изучают лимнологию, называются 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, включая Ассоциацию по наукам о лимнологии и океанографии , Иберийскую лимнологическую ассоциацию, Международное общество лимнологии , Польское лимнологическое общество , Общество канадских лимнологов и Ассоциацию пресноводной биологии . [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Кумар, Арвинд (2005). Основы лимнологии. APH Publishing. ISBN 9788176489195.
  2. ^ abcd Wetzel, RG (2001). Лимнология: экосистемы озер и рек (3-е изд.). Academic Press . ISBN 0-12-744760-1.) [ нужна страница ]
  3. ^ Марш, Г. Алекс; Фэрбридж, Родс В. (1999). «Лентичные и проточные экосистемы». Геология окружающей среды. Дордрехт: Springer Netherlands. стр. 381–388. doi :10.1007/1-4020-4494-1_204. ISBN 978-1-4020-4494-6. Получено 21.04.2022 .
  4. ^ Даунинг, Джон А. (январь 2009 г.). «Глобальная лимнология: масштабирование водных услуг и процессов на планете Земля». Труды SIL, 1922-2010 . 30 (8): 1149–1166. Bibcode : 2009SILP...30.1149D. doi : 10.1080/03680770.2009.11923903. S2CID  131488888.
  5. ^ Cole, JJ; Prairie, YT; Caraco, NF; McDowell, WH; Tranvik, LJ; Striegl, RG; Duarte, CM; Kortelainen, P.; Downing, JA; Middelburg, JJ; Melack, J. (23 мая 2007 г.). «Plumbing the Global Carbon Cycle: Integrating Inland Waters into the Terrestrial Carbon Budget». Ecosystems . 10 (1): 172–185. Bibcode :2007Ecosy..10..172C. CiteSeerX 10.1.1.177.3527 . doi :10.1007/s10021-006-9013-8. S2CID  1728636. 
  6. ^ Транвик, Ларс Дж.; Даунинг, Джон А.; Котнер, Джеймс Б.; Луазель, Стивен А.; Штригль, Роберт Г.; Баллаторе, Томас Дж.; Диллон, Питер; Финлей, Керри; Фортино, Кеннет; Нолл, Лесли Б.; Кортелайнен, Пиркко Л.; Кутсер, Тийт; Ларсен, Сорен; Лорион, Изабель; Лич, Дина М.; МакКаллистер, С. Ли; Макнайт, Дайан М.; Мелак, Джон М.; Оверхолт, Эрин; Портер, Джейсон А.; Прери, Ив; Ренвик, Уильям Х.; Роланд, Фабио; Шерман, Брэдфорд С.; Шиндлер, Дэвид В.; Собек, Себастьян; Тремблей, Ален; Ванни, Майкл Дж.; Версхур, Энтони М.; фон Вахенфельдт, Эдди; Вейхенмейер, Геза А. (ноябрь 2009 г.). «Озера и водохранилища как регуляторы круговорота углерода и климата». Лимнология и океанография . 54 (6часть2): 2298–2314. Bibcode : 2009LimOc..54.2298T. doi : 10.4319/lo.2009.54.6_part_2.2298 . hdl : 10852/11601.
  7. ^ Raymond, Peter A.; Hartmann, Jens; Lauerwald, Ronny; Sobek, Sebastian; McDonald, Cory; Hoover, Mark; Butman, David; Striegl, Robert; Mayorga, Emilio; Humborg, Christoph; Kortelainen, Pirkko; Dürr, Hans; Meybeck, Michel; Ciais, Philippe; Guth, Peter (21 ноября 2013 г.). "Глобальные выбросы углекислого газа из внутренних вод". Nature . 503 (7476): 355–359. Bibcode :2013Natur.503..355R. doi :10.1038/nature12760. PMID  24256802. S2CID  4460910.
  8. ^ Engel, Fabian; Farrell, Kaitlin J.; McCullough, Ian M.; Scordo, Facundo; Denfeld, Blaize A.; Dugan, Hilary A.; de Eyto, Elvira; Hanson, Paul C.; McClure, Ryan P.; Nõges, Peeter; Nõges, Tiina; Ryder, Elizabeth; Weathers, Kathleen C.; Weyhenmeyer, Gesa A. (26 марта 2018 г.). «Концепция классификации озер для более точной глобальной оценки экспорта растворенного неорганического углерода из наземных экосистем во внутренние воды». The Science of Nature . 105 (3): 25. Bibcode : 2018SciNa.105...25E. doi : 10.1007/s00114-018-1547-z. PMC 5869952. PMID  29582138 . 
  9. ^ O'Reilly, Catherine M.; Sharma, Sapna; Gray, Derek K.; Hampton, Stephanie E.; Read, Jordan S.; Rowley, Rex J.; Schneider, Philipp; Lenters, John D.; McIntyre, Peter B.; Kraemer, Benjamin M.; Weyhenmeyer, Gesa A.; Straile, Dietmar; Dong, Bo; Adrian, Rita; Allan, Mathew G.; Anneville, Orlane; Arvola, Lauri; Austin, Jay; Bailey, John L.; Baron, Jill S.; Brookes, Justin D.; Eyto, Elvira de; Dokulil, Martin T.; Hamilton, David P.; Havens, Karl; Hetherington, Amy L.; Higgins, Scott N.; Hook, Simon; Izmest'eva, Lovev R.; Йоэнк, Клаус Д.; Кангур, Кулли; Каспржак, Питер; Кумагай, Мичио; Куусисто, Эско; Лешкевич, Георгий; Ливингстон, Дэвид М.; Макинтайр, Салли; Мэй, Линда; Мелак, Джон М.; Мюллер-Наварра, Дорте К.; Науменко Михаил; Ногес, Петер; Ногес, Тиина; Норт, Райан П.; Плиснье, Пьер-Дени; Ригози, Анна; Риммер, Алон; Рогора, Микела; Рудстам, Ларс Г.; Русак, Джеймс А.; Сальмасо, Нико; Самал, Нихар Р.; Шиндлер, Дэниел Э.; Шладоу, С. Джеффри; Шмид, Мартин; Шмидт, Силке Р.; Силов, Евгений; Сойлу, М. Эврен; Тойбнер, Катрин; Вербург, Пит; Вотилайнен, Ари; Уоткинсон, Эндрю; Уильямсон, Крейг Э.; Чжан, Гоцин (2015). «Быстрое и сильно изменчивое потепление поверхностных вод озер по всему миру». Geophysical Research Letters . 42 (24): 10, 773–10, 781. Bibcode :2015GeoRL..4210773O. doi : 10.1002/2015gl066235 . hdl : 10289/10465 .
  10. ^ Фрей, Д. Г. (ред.), 1963. Лимнология в Северной Америке. Издательство Висконсинского университета, Мэдисон
  11. ^ "История лимнологии – UW Digital Collections" . Получено 2019-05-02 .
  12. ^ Беккель, Аннамари Л. (1987). «Прорыв новых вод: столетие лимнологии в Университете Висконсина. Специальный выпуск». Труды Висконсинской академии наук, искусств и литературы .
  13. ^ abcdefghij Хорн, Александр Дж.; Голдман, Чарльз Р. (1994). Лимнология (Второе изд.). Соединенные Штаты Америки: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-023673-8.[ нужна страница ]
  14. ^ Welch, PS (1935). Лимнология (Zoological Science Publications) . Соединенные Штаты Америки: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-069179-7.[ нужна страница ]
  15. ^ ab Seekell, D.; Cael, B.; Lindmark, E.; Byström, P. (2021). "Фрактальная масштабная связь для речных заливов в озера". Geophysical Research Letters . 48 (9): e2021GL093366. Bibcode : 2021GeoRL..4893366S. doi : 10.1029/2021GL093366. ISSN  1944-8007. S2CID  235508504.
  16. ^ ab Tundisi, Jose Galizia; Tundisi, Takako Matsumura (2012-01-27). Лимнология (0 ред.). CRC Press. doi :10.1201/b11386. ISBN 978-0-203-80395-0.
  17. ^ abcdefg Бойд, Клод Э. (2015). Качество воды: Введение (Второе изд.). Швейцария: Springer. ISBN 978-3-319-17445-7.[ нужна страница ]
  18. ^ Янг, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли К.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геса А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хричик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (2021). «Новая термическая классификация покрытых льдом озер». Geophysical Research Letters . 48 (3): e2020GL091374. Bibcode : 2021GeoRL..4891374Y. doi : 10.1029/2020GL091374. ISSN  1944-8007. S2CID  233921281.
  19. ^ ab Wetzel, RG (2001). Лимнология: Озерные и речные экосистемы. Сан-Диего: Academic Press. [ нужная страница ] стр. 74, 86
  20. ^ Grosbois, G., del Giorgio, PA & Rautio, M. (2017). Аллохтония зоопланктона пространственно неоднородна в бореальном озере. Freshwat. Biol., 62, 474-490
  21. ^ Эби, ГН, 2004, Принципы экологической геохимии: Thomson Brooks/Cole, Пасифик-Гроув, Калифорния, 514 стр.
  22. ^ abcd Доддс, Уолтер К. (2010). Экология пресных вод: концепции и экологические приложения лимнологии . Уайлс, Мэтт Р. (2-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Academic Press. ISBN 9780123747242. OCLC  784140625.[ нужна страница ]
  23. ^ Коул, Джонатан Дж.; Карако, Нина Ф. (2001). «Углерод в водосборах: связь потерь углерода на суше с водным метаболизмом». Исследования морской и пресной воды . 52 (1): 101. doi :10.1071/mf00084. S2CID  11143190.
  24. ^ Ламперт, В. и Зоммер, У. 2007. Лимноэкология.
  25. ^ abc Льюис, Уильям М. (1987). «Тропическая лимнология». Annual Review of Ecology and Systematics . 18 : 159–184. doi :10.1146/annurev.es.18.110187.001111. ISSN  0066-4162. JSTOR  2097129.

Дальнейшее чтение