stringtranslate.com

Индекс трофического состояния

Озеро Джордж, Нью-Йорк , олиготрофное озеро.

Индекс трофического состояния ( TSI ) — это система классификации, предназначенная для оценки водных объектов на основе уровня биологической продуктивности, которую они поддерживают. [1] Хотя термин «трофический индекс» обычно применяется к озерам, любой поверхностный водоем может быть проиндексирован.

TSI водного объекта оценивается по шкале от нуля до ста. [1] По шкале TSI водные объекты можно определить как: [1]

Количество азота , фосфора и других биологически полезных питательных веществ является основным фактором, определяющим TSI водоема. Такие питательные вещества, как азот и фосфор, как правило, ограничивают ресурсы в стоячих водоемах, поэтому повышение концентрации обычно приводит к усилению роста растений с последующим увеличением последующих трофических уровней . [a] Следовательно, трофический индекс иногда может использоваться для приблизительной оценки биологического состояния водоемов. [2]

Индекс трофического состояния Карлсона

Индекс Карлсона был предложен Робертом Карлсоном в его основополагающей статье 1977 года «Индекс трофического состояния озер». [3] Это один из наиболее часто используемых трофических индексов, используемый Агентством по охране окружающей среды США . [2] Трофическое состояние определяется как общий вес биомассы в данном водоеме на момент измерения. Поскольку они представляют общественный интерес, индекс Карлсона использует биомассу водорослей в качестве объективного классификатора трофического статуса озера или другого водоема. [3] По данным Агентства по охране окружающей среды США, индекс Карлсона следует использовать только для озер, в которых относительно мало укоренившихся растений и источников мутности, не связанных с водорослями. [2]

Индексная переменная

Поскольку они имеют тенденцию коррелировать, для расчета индекса Карлсона можно использовать три независимые переменные: пигменты хлорофилла , общий фосфор и глубину Секки . Из этих трех хлорофилл, вероятно, даст наиболее точные показатели, поскольку он является наиболее точным показателем биомассы. Фосфор может быть более точной оценкой летнего трофического статуса водоема, чем хлорофилл, если измерения проводятся зимой. Наконец, глубина Секки, пожалуй, наименее точная мера, но в то же время самая доступная и целесообразная. Следовательно, программы гражданского мониторинга и другие добровольные или крупномасштабные опросы часто будут использовать глубину Секки. Путем перевода значений прозрачности Секки в логарифмическую шкалу с основанием 2 каждое последовательное удвоение биомассы представляется как целое целое индексное число. [4] Глубина Секки, которая измеряет прозрачность воды, указывает на концентрацию растворенных и твердых частиц в воде, что, в свою очередь, может быть использовано для получения биомассы. Эта связь выражается следующим уравнением:

где z = глубина, на которой исчезает диск,
I 0 – интенсивность света, падающего на поверхность воды,
I z составляет около 10% от I 0 и считается постоянной,
k w – коэффициент ослабления света водой и растворенными веществами,
α рассматривается как константа с единицами измерения квадратных метров на миллиграмм и
C — концентрация твердых частиц в миллиграммах на кубический метр. [3]

Трофические классификации

Озеро обычно относят к одному из трех возможных классов: олиготрофному , мезотрофному или эвтрофному . Озера с экстремальными показателями трофности также можно считать гиперолиготрофными или гиперэвтрофными (также «гипертрофными»). В таблице ниже показано, как значения индекса переводятся в трофические классы.

В олиготрофных озерах водной растительности обычно очень мало или вообще нет, и они относительно прозрачны, тогда как в эвтрофных озерах обычно обитает большое количество организмов, включая цветение водорослей. Каждый трофический класс также поддерживает разные виды рыб и других организмов. Если биомасса водорослей в озере или другом водоеме достигает слишком высокой концентрации (скажем, >80 TSI), может произойти массовая гибель рыбы , поскольку разлагающаяся биомасса приводит к потере кислорода в воде.

олиготрофный

Озеро Куртковец — олиготрофное озеро в Татрах на юге Польши.

Лимнологи используют термины « олиготрофные » или «гипотрофные» для описания озер, имеющих низкую первичную продуктивность из-за дефицита питательных веществ . (Это контрастирует с эвтрофными озерами, которые очень продуктивны из-за обильного запаса питательных веществ, что может возникнуть в результате человеческой деятельности, такой как сельское хозяйство в водоразделе.)

Олиготрофные озера наиболее распространены в холодных , малоразвитых регионах, подстилаемых кристаллическими магматическими гранитными породами. Из-за низкого уровня образования водорослей в этих озерах очень чистая вода и высокое качество питьевой воды .

Озера, в которых наблюдается перемешивание слоев, относят к голомиктовым , а озера, в которых нет межслоевого перемешивания, — постоянно стратифицированным и поэтому называются меромиктическими .

Обычно в голомиктическом озере осенью охлаждение эпилимниона уменьшает стратификацию озера, тем самым позволяя происходить перемешиванию. Ветры помогают в этом процессе. [5] Таким образом, именно глубокое перемешивание озер (которое происходит чаще всего осенью и в начале зимы в голомиктических озерах мономиктического подтипа) обеспечивает транспорт кислорода из эпилимниона в гиполимнион. [6] [7] [8]

Таким образом, олиготрофные озера могут содержать значительное количество кислорода до глубины, до которой происходит вышеупомянутое сезонное перемешивание, но ниже этой глубины они будут испытывать дефицит кислорода. Поэтому в олиготрофных озерах часто обитают такие виды рыб , как озерная форель , которым требуется холодная, хорошо насыщенная кислородом вода. Содержание кислорода в этих озерах зависит от их сезонно-смешанного гиполимнетического объема. Гиполимнетические объемы, которые являются бескислородными, приведут к скоплению рыб в местах, где кислорода достаточно для их нужд. [6]

Аноксия чаще встречается в гиполимнионе летом, когда смешивания не происходит. [5] При отсутствии кислорода в эпилимнионе разложение может вызвать гипоксию в гиполимнионе. [9]

Мезотрофный

Мезотрофные озера – это озера среднего уровня продуктивности. Эти озера обычно представляют собой озера и пруды с чистой водой, с зарослями подводных водных растений и средним уровнем питательных веществ.

Термин мезотрофный также применяется к наземным средам обитания. Мезотрофные почвы имеют умеренный уровень питательных веществ.

Эвтрофные и гипертрофные

эвтрофный

Цветение водорослей в деревенской реке в горах недалеко от Чэнду , Сычуань , Китай

Эвтрофный водоем, обычно озеро или пруд, имеет высокую биологическую продуктивность. Благодаря избытку питательных веществ, особенно азота и фосфора, эти водоемы способны поддерживать обилие водных растений. Обычно в водоеме преобладают либо водные растения, либо водоросли. Когда преобладают водные растения, вода имеет тенденцию быть прозрачной. Когда преобладают водоросли, вода имеет тенденцию быть темнее. Водоросли участвуют в фотосинтезе, который снабжает кислородом рыб и биоту, населяющую эти воды. Иногда происходит чрезмерное цветение водорослей, что в конечном итоге может привести к гибели рыбы из-за дыхания водорослей и донных бактерий. Процесс эвтрофикации может происходить естественным путем и в результате воздействия человека на окружающую среду .

Эвтрофический происходит от греческого euтрофos , что означает «хорошо питаемый», от eu , что означает «хороший», и trephein, что означает «питать». [10]

Гипертрофический

Гипертрофные или гиперэвтрофные озера — это очень богатые питательными веществами озера, характеризующиеся частым и сильным цветением водорослей и низкой прозрачностью. Гиперэвтрофные озера имеют глубину видимости менее 3 футов (90 см), в них содержится более 40 микрограммов/литр общего хлорофилла и более 100 микрограммов/литр фосфора .

Чрезмерное цветение водорослей также может значительно снизить уровень кислорода и помешать функционированию жизни на более низких глубинах, создавая мертвые зоны под поверхностью.

Аналогичным образом, крупное цветение водорослей может вызвать биодилюцию , то есть уменьшение концентрации загрязнителя с повышением трофического уровня . Это противоречит биомагнификации и происходит из-за снижения концентрации из-за увеличения поглощения водорослями.

Драйверы трофического индекса

На трофический индекс озера или другого водоема могут влиять как природные, так и антропогенные факторы. Водоем, расположенный в богатом питательными веществами регионе с высокой чистой первичной продуктивностью, может быть естественным эвтрофным. Питательные вещества, попадающие в водоемы из неточечных источников, таких как сельскохозяйственные стоки, бытовые удобрения и сточные воды, увеличивают биомассу водорослей и могут легко привести к тому, что олиготрофное озеро станет гиперэвтрофным. [11] [12] [13]

Пресноводные озера

Хотя не существует абсолютного консенсуса относительно того, какие питательные вещества в наибольшей степени способствуют увеличению первичной продуктивности, считается, что концентрация фосфора является основным ограничивающим фактором в пресноводных озерах. [14] [15] [16] Вероятно, это связано с преобладанием азотфиксирующих микроорганизмов в этих системах, которые могут компенсировать недостаток легкодоступного фиксированного азота. [16]

Морские экосистемы

Исследования показали, что в некоторых прибрежных морских экосистемах азот является ключевым лимитирующим питательным веществом, стимулирующим первичное производство независимо от фосфора. [17] [18] Азотфиксация не может адекватно обеспечивать эти морские экосистемы, поскольку микробы, фиксирующие азот, сами по себе ограничены доступностью различных абиотических факторов, таких как солнечный свет и растворенный кислород. [19] Однако морские экосистемы представляют собой слишком широкий спектр сред, чтобы одно питательное вещество могло ограничить всю первичную продуктивность моря. Лимитирующее питательное вещество может варьироваться в разных морских средах в зависимости от множества факторов, таких как глубина, расстояние от берега или наличие органического вещества. [20] [19]

Цели управления

Часто желаемый трофический индекс различается у разных заинтересованных сторон. Любители водоплавающих птиц (например, охотники на уток) могут захотеть, чтобы озеро было эвтрофным, чтобы оно могло поддерживать большую популяцию водоплавающих птиц. Однако жители, возможно, захотят, чтобы это же озеро было олиготрофным, так как там приятнее купаться и кататься на лодках. Агентства по природным ресурсам обычно несут ответственность за согласование этих противоречивых видов использования и определение того, каким должен быть трофический индекс водоема.

Смотрите также

Найдите олиготрофные , мезотрофные или гипертрофные в Викисловаре, бесплатном словаре.

Примечания

  1. ^ Обратите внимание, что такое использование трофических уровней относится к динамике питания и имеет совершенно иное значение, чем трофический индекс водоемов.

Рекомендации

  1. ^ abc Институт воды Университета Южной Флориды. «Индекс трофического состояния (TSI)». Узнайте больше об индексе трофического состояния (TSI) — Lake.WaterAtlas.org . Университет Южной Флориды . Проверено 6 июня 2018 г.
  2. ^ abc Агентство по охране окружающей среды США (2007) Индекс трофического состояния Карлсона. Водное биоразнообразие . http://www.epa.gov/bioindicators/aquatic/carlson.html , по состоянию на 17 февраля 2008 г.
  3. ^ abc Carlson, RE (1977) Индекс трофического состояния озер. Лимнология и океанография . 22:2 361–369.
  4. ^ ab Карлсон Р.Э. и Дж. Симпсон (1996) Руководство для координатора по методам добровольного мониторинга озер. Североамериканское общество управления озерами . 96 стр.
  5. ^ Аб Доддс, Уолтер К. (Уолтер Кеннеди), 1958- (2010). Экология пресной воды: концепции и экологические применения лимнологии . В то время как, Мэтт Р. (2-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Академическая пресса. ISBN 978-0-12-374724-2. ОСЛК  784140625.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  6. ^ аб Санчес-Эспанья, Хавьер; Мата, М. Пилар; Вегас, Хуана; Морельон, Марио; Родригес, Хуан Антонио; Салазар, Анхель; Юста, Иньяки; Хаос, Аида; Перес-Мартинес, Кармен; Навас, Ана (01 декабря 2017 г.). «Антропогенные и климатические факторы, усиливающие гиполимнетическую аноксию в горном озере умеренного пояса». Журнал гидрологии . 555 : 832–850. Бибкод : 2017JHyd..555..832S. doi :10.1016/j.jгидрол.2017.10.049. ISSN  0022-1694.
  7. ^ Саху, Великобритания; Шладов, С.Г.; Рейтер, Дж. Э.; Коутс, Р. (9 июля 2010 г.). «Влияние изменения климата на тепловые свойства озер и водохранилищ и возможные последствия». Стохастические экологические исследования и оценка рисков . 25 (4): 445–456. дои : 10.1007/s00477-010-0414-z . ISSN  1436-3240.
  8. ^ Растворенный кислород. https://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/water-quality/dissolved-oxygen Fondriest Environmental Products, дата доступа 28 ноября 2020 г.
  9. ^ Вайнке, Энтони Д.; Бидданда, Бопайя А. (01 декабря 2019 г.). «Влияние эпизодических ветровых явлений на термическую стратификацию и гипоксию придонных вод в устье Великих озер». Журнал исследований Великих озер . 45 (6): 1103–1112. дои : 10.1016/j.jglr.2019.09.025 . ISSN  0380-1330. S2CID  209571196.
  10. ^ Определение эвтрофного на словаре.com .
  11. ^ Тилман, Дэвид (25 мая 1999 г.). «Глобальные экологические последствия расширения сельского хозяйства: необходимость устойчивых и эффективных методов». Труды Национальной академии наук . 96 (11): 5995–6000. дои : 10.1073/pnas.96.11.5995 . ISSN  0027-8424. ПМК 34218 . ПМИД  10339530. 
  12. ^ Лапоинт, Брайан Э.; Херрен, Лаура В.; Дебортоли, Дэвид Д.; Фогель, Маргарет А. (01 марта 2015 г.). «Свидетельства эвтрофикации сточных вод и вредного цветения водорослей в лагуне реки Индиан во Флориде». Вредные водоросли . 43 : 82–102. дои : 10.1016/j.hal.2015.01.004. ISSN  1568-9883.
  13. ^ Тоор, Гурпал С.; Оккипинти, Марти Л.; Ян, Юн-Я; Майчерек, Тэмми; Хавер, Даррен; Оки, Лоренс (12 июня 2017 г.). «Управление городскими стоками в жилых кварталах: азот и фосфор в стоках, вызванных орошением газонов». ПЛОС ОДИН . 12 (6): e0179151. дои : 10.1371/journal.pone.0179151 . ISSN  1932-6203. ПМЦ 5467952 . ПМИД  28604811. 
  14. ^ Шиндлер, Дэвид В.; Хекки, RE; Финдли, Д.Л.; Стейнтон, член парламента; Паркер, БР; Патерсон, MJ; Бити, КГ; Линг, М.; Касьян, SEM (12 августа 2008 г.). «Эвтрофикацию озер невозможно контролировать путем уменьшения поступления азота: результаты 37-летнего эксперимента над всей экосистемой». Труды Национальной академии наук . 105 (32): 11254–11258. дои : 10.1073/pnas.0805108105 . ISSN  0027-8424. ПМК 2491484 . ПМИД  18667696. 
  15. ^ Ан, Кван-Гук; Ким, Донг Су (01 октября 2003 г.). «Реакция качества воды в водохранилище на поступление питательных веществ из ручьев и рыбных ферм в озерах». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 149 (1): 27–49. дои : 10.1023/А: 1025602213674. ISSN  1573-2932. S2CID  101079728.
  16. ^ аб Хиггинс, Скотт Н.; Патерсон, Майкл Дж.; Хекки, Роберт Э.; Шиндлер, Дэвид В.; Венкитесваран, Джейсон Дж.; Финдли, Дэвид Л. (1 сентября 2018 г.). «Биологическая фиксация азота предотвращает реакцию эвтрофного озера на пониженную нагрузку азота: данные 46-летнего эксперимента на всем озере». Экосистемы . 21 (6): 1088–1100. дои : 10.1007/s10021-017-0204-2. ISSN  1435-0629. S2CID  254079555.
  17. ^ Райтер, Джон Х.; Данстан, Уильям М. (12 марта 1971 г.). «Азот, фосфор и эвтрофикация в прибрежной морской среде». Наука . 171 (3975): 1008–1013. дои : 10.1126/science.171.3975.1008. ISSN  0036-8075. PMID  4993386. S2CID  9715466.
  18. ^ Домингес, Рита Б.; Ансельмо, Таня П.; Барбоза, Ана Б.; Зоммер, Ульрих; Гальвао, Хелена М. (20 января 2011 г.). «Питательное ограничение роста фитопланктона в пресноводной приливной зоне мутного устья Средиземного моря». Устьевые, прибрежные и шельфовые науки . 91 (2): 282–297. doi :10.1016/j.ecss.2010.10.033. ISSN  0272-7714.
  19. ^ Аб Паерл, Ханс В. (20 октября 2018 г.). «Почему ограничение N сохраняется в морских водах мира?». Морская химия . 206 : 1–6. дои : 10.1016/j.marchem.2018.09.001 . ISSN  0304-4203. S2CID  105382102.
  20. ^ Хасслер, CS; Риджуэй, КР; Боуи, Арканзас; Батлер, ECV; Клементсон, Луизиана; Доблин, Массачусетс; Дэвис, DM; Закон, К.; Ральф, Пи Джей; Мерве, П. ван дер; Уотсон, Р.; Эллвуд, MJ (07 мая 2014 г.). «Первичная продуктивность, вызванная железом и азотом в Тасмановом море: обзор экспедиции PINTS». Морские и пресноводные исследования . 65 (6): 517–537. дои : 10.1071/MF13137. ISSN  1448-6059.