Индекс трофического состояния ( TSI ) — это система классификации, предназначенная для оценки водоемов на основе уровня биологической продуктивности, которую они поддерживают. [1] Хотя термин «трофический индекс» обычно применяется к озерам, любой поверхностный водоем может быть проиндексирован.
TSI водоема оценивается по шкале от нуля до ста. [1] Согласно шкале TSI водоемы могут быть определены как: [1]
Количество азота , фосфора и других биологически полезных питательных веществ являются основными детерминантами TSI водоема. Питательные вещества, такие как азот и фосфор, имеют тенденцию ограничивать ресурсы в стоячих водоемах, поэтому повышенные концентрации, как правило, приводят к увеличению роста растений, за которым следует сопутствующее увеличение последующих трофических уровней . [a] Следовательно, трофический индекс иногда может использоваться для приблизительной оценки биологического состояния водоемов. [2]
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] Согласно Агентству по охране окружающей среды США, индекс Карлсона следует использовать только для озер, в которых относительно мало укоренившихся растений и неводорослевых источников мутности. [2]
Поскольку они, как правило, коррелируют, для расчета индекса Карлсона можно использовать три независимые переменные: пигменты хлорофилла , общий фосфор и глубина Секки . Из этих трех хлорофилл, вероятно, даст самые точные измерения, так как он является самым точным предиктором биомассы. Фосфор может быть более точной оценкой летнего трофического статуса водоема, чем хлорофилл, если измерения проводятся зимой. Наконец, глубина Секки, вероятно, является наименее точной мерой, но также наиболее доступной и целесообразной. Следовательно, программы гражданского мониторинга и другие добровольные или крупномасштабные исследования часто будут использовать глубину Секки. При переводе значений прозрачности Секки в логарифмическую шкалу с основанием 2 каждое последующее удвоение биомассы представляется в виде целого числа индекса. [4] Глубина Секки, которая измеряет прозрачность воды, указывает концентрацию растворенного и сыпучего материала в воде, что, в свою очередь, может быть использовано для получения биомассы. Эта связь выражается следующим уравнением:
Озеро обычно классифицируется как относящееся к одному из трех возможных классов: олиготрофное , мезотрофное или эвтрофное . Озера с экстремальными трофическими индексами также могут считаться гиперолиготрофными или гиперэвтрофными (также «гипертрофными»). Таблица ниже демонстрирует, как значения индекса переводятся в трофические классы.
Олиготрофные озера обычно содержат очень мало или вообще не содержат водной растительности и относительно прозрачны, в то время как эвтрофные озера, как правило, содержат большое количество организмов, включая цветение водорослей. Каждый трофический класс поддерживает различные типы рыб и других организмов. Если биомасса водорослей в озере или другом водоеме достигает слишком высокой концентрации (например, >80 TSI), может произойти массовая гибель рыб, поскольку разлагающаяся биомасса дезоксигенирует воду.
Лимнологи используют термин « олиготрофный » или «гипотрофный» для описания озер, имеющих низкую первичную продуктивность из-за дефицита питательных веществ . (Это контрастирует с эвтрофными озерами, которые обладают высокой продуктивностью из-за обильного запаса питательных веществ, что может быть результатом деятельности человека, например, сельского хозяйства в водоразделе.)
Олиготрофные озера наиболее распространены в холодных, малоразвитых регионах, которые залегают на кристаллических магматических , гранитных породах. Благодаря низкому производству водорослей , эти озера, следовательно, имеют очень чистую воду с высоким качеством питьевой воды .
Озера, в которых наблюдается перемешивание слоев, относятся к категории голомиктических , тогда как озера, в которых отсутствует перемешивание слоев, постоянно стратифицированы и поэтому называются меромиктическими .
Как правило, в голомиктическом озере осенью охлаждение эпилимниона уменьшает стратификацию озера, тем самым позволяя происходить перемешиванию. Ветры способствуют этому процессу. [5] Таким образом, именно глубокое перемешивание озер (которое чаще всего происходит осенью и в начале зимы в голомиктических озерах мономиктического подтипа) позволяет кислороду транспортироваться из эпилимниона в гиполимнион. [6] [7] [8]
Таким образом, олиготрофные озера могут иметь значительное количество кислорода вплоть до глубины, на которой происходит вышеупомянутое сезонное смешивание, но они будут испытывать дефицит кислорода ниже этой глубины. Поэтому олиготрофные озера часто поддерживают такие виды рыб , как озерная форель , которым требуются холодные, хорошо насыщенные кислородом воды. Содержание кислорода в этих озерах является функцией их сезонно смешанного гиполимнетического объема. Гиполимнетические объемы, которые являются аноксическими, приведут к тому, что рыбы будут собираться в областях, где кислорода достаточно для их потребностей. [6]
Аноксия чаще встречается в гиполимнионе летом, когда смешивание не происходит. [5] При отсутствии кислорода в эпилимнионе разложение может вызвать гипоксию в гиполимнионе. [9]
Мезотрофные озера — это озера со средним уровнем продуктивности. Эти озера обычно представляют собой озера и пруды с чистой водой, зарослями подводных водных растений и средним уровнем питательных веществ.
Термин мезотрофный также применяется к наземным местообитаниям. Мезотрофные почвы имеют умеренный уровень питательных веществ.
Эвтрофный водоем, обычно озеро или пруд, имеет высокую биологическую продуктивность. Благодаря избыточному содержанию 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, как правило, прозрачная. Когда преобладают водоросли, вода, как правило, темнее. Водоросли участвуют в фотосинтезе, который снабжает кислородом рыбу и биоту, населяющую эти воды. Иногда происходит чрезмерное цветение водорослей, которое в конечном итоге может привести к гибели рыб из-за дыхания водорослей и донных бактерий. Процесс эвтрофикации может происходить естественным путем и в результате воздействия человека на окружающую среду .
Эвтрофный происходит от греческого eutrophos , что означает «хорошо питаемый», от eu, что означает хороший, и trephein, что означает «питать». [10]
Гипертрофные или гиперэвтрофные озера — это очень богатые питательными веществами озера, характеризующиеся частым и сильным неприятным цветением водорослей и низкой прозрачностью. Гиперэвтрофные озера имеют глубину видимости менее 3 футов (90 см), они содержат 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.
Аналогично, обильное цветение водорослей может вызвать биоразбавление , которое представляет собой снижение концентрации загрязняющего вещества с повышением трофического уровня . Это противоположно биоусилению и происходит из-за снижения концентрации из-за повышенного поглощения водорослями.
На трофический индекс озера или другого водоема могут влиять как естественные, так и антропогенные факторы. Водоем, расположенный в богатом питательными веществами регионе с высокой чистой первичной продуктивностью, может быть естественным эвтрофным. Питательные вещества, поступающие 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]
Хотя нет абсолютного консенсуса относительно того, какие питательные вещества вносят наибольший вклад в повышение первичной продуктивности, концентрация фосфора считается основным ограничивающим фактором в пресноводных озерах. [14] [15] [16] Это, вероятно, связано с преобладанием в этих системах азотфиксирующих микроорганизмов, которые могут компенсировать недостаток легкодоступного фиксированного азота. [16]
В некоторых прибрежных морских экосистемах исследования показали, что азот является ключевым ограничивающим питательным веществом, стимулирующим первичную продукцию независимо от фосфора. [17] [18] Фиксация азота не может адекватно обеспечить эти морские экосистемы, поскольку микробы, фиксирующие азот, сами ограничены доступностью различных абиотических факторов, таких как солнечный свет и растворенный кислород. [19] Однако морские экосистемы представляют собой слишком широкий диапазон сред для того, чтобы одно питательное вещество ограничивало всю морскую первичную продуктивность. Ограничивающее питательное вещество может различаться в разных морских средах в зависимости от различных факторов, таких как глубина, расстояние от берега или доступность органического вещества. [20] [19]
Часто желаемый трофический индекс различается у разных заинтересованных сторон. Любители водоплавающих птиц (например, охотники на уток) могут захотеть, чтобы озеро было эвтрофным, чтобы оно поддерживало большую популяцию водоплавающих птиц. Однако местные жители могут захотеть, чтобы то же самое озеро было олиготрофным, так как в нем приятнее плавать и кататься на лодке. Агентства по природным ресурсам, как правило, отвечают за согласование этих противоречивых видов использования и определение того, каким должен быть трофический индекс водоема.
