Кругообіг кисню в водних екосистемах. Формування кисневого режиму водних екосистем

Основним джерелом кисню у воді є його проникнення з повітря та виділення фотосинтезуючими рослинами. Внаслідок фотосинтезу відбувається окиснення води з виділенням молекулярного кисню і відновлення діоксиду вуглецю.

Розчинність атмосферного кисню у воді залежить від температури, солоності і атмосферного тиску. Обмін з атмосферою має динамічний характер і включає два етапи: інвазію – надходження кисню в воду з повітря і евазію – перехід кисню в атмосферу при перенасичені ним поверхневого шару води. Обмін киснем між водним середовищем і атмосферою прискорюється при турбулентному перемішуванні водних мас, а також в умовах впливу вітру на поверхню води.

За рахунок інвазії кисень надходить у водні екосистеми разом з іншими газами повітря – вуглекислим газом, азотом і аргоном. На частку кожного з них в атмосфері припадає за об'ємом: азоту – 78,084 %, кисню – 20,946 % і аргону – 0,934 %. Щоб розрахувати, яка кількість кисню розчиняється у воді з повітря, приймається до уваги закон Генрі-Дальтона: розчинність кожної складової частини суміші газів у рідині пропорційна тиску цього газу у даній суміші. Виходячи з коефіцієнтів їх поглинання водою (при 0°С і тиску 1 атм вони становлять 0,049 л на 1 л води, азоту – 0,023 і аргону – 0,053), в 1 л води при 0°С і тиску 1 атм будуть такі об'єми газів: азоту – 18,72 см³, або 63,3 %; кисню – 10,29 см³, або 34,9 % і аргону – 0,53 см³, або 1,8 %. Як видно з цих даних, вміст кисню у воді більший, ніж азоту, тоді як в атмосфері – навпаки. Для того, щоб перерахувати об'єм розчиненого у воді кисню в його вагові величини, необхідно прийняти до відома, що 1 л кисню важить 1,43 г (табл. 17).

Таблиця 17

Розчинність кисню при атмосферному тиску 1 атм, температурі 0°С і різній солоності води

Вміст кисню в воді визначається в абсолютних величинах або відносних (відсотках насичення). Під відсотком насичення розуміють відхилення у той чи інший бік від природного нормального насичення води киснем за певних умов (температура, рН, хвилювання). Слід підкреслити, що за рахунок інвазії атмосферного кисню максимальне насичення не може переви­щу­вати 100 %. Більші значення вмісту кисню 100 % виникають внаслідок фотосинтетичної діяльності водоростей і вищих водяних рослин, за рахунок якої насиченість води киснем може досягати 150–200 %, або навіть більше.

Насиченість води киснем менше 100 % свідчить про несприятливі умови для його інвазії з повітря, знижене утворення за рахунок фотосинтезу та значне витрачання на окиснення та біологічний розклад (деструкцію) органічних речовин.

Кругообіг кисню у водних екосистемах складається з кількох пов'язаних між собою процесів, які формують прибуткову і витратну частини їх кисневого балансу. Кожна з них включає зовнішні і внутрішньоводоймні процеси. До зовнішніх елементів прибуткової частини належить надходження кисню у водні об'єкти з водою інших джерел (наприклад, річкового стоку), атмосферних опадів та підземних вод, до прибуткової частини – інвазія його з повітря, а також внутрішньоводоймне утворення кисню в процесі фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин. Витратна частина у балансі кисню водних екосистем включає споживання гідробіонтами в процесі дихання, хімічне окиснення, винос з водним стоком та евазію в атмосферу (рис. 126).

Рис. 126. Схема кругообігу розчиненого кисню у водних екосистемах

Найбільшою водною екосистемою є Світовий океан. Хоча розчинність кисню у солоній воді знижується, але загальна кількість кисню у океанічній воді набагато перевищує його вміст у наземних екосистемах. Світовий океан забезпечує підтримання динамічної рівноваги в масштабах планетарного газообміну. Як відзначає О.П.Виноградов (1967) “... океанічна вода регулює об’єм кисню атмосфери і його ізотопний склад, швидкість проникнення кисню (як і інших газів) атмосфери і “нового” кисню з фотосинтезуючого шару в океанічну воду, первісний і кінцевий об’єми розчиненого кисню”.

Масштаби виділення кисню за рахунок фотосинтетичної діяльності морськими (океанічними) рослинами, які живуть в освітленому сонячною радіацією шарі води, досить значні. Завдяки цьому, а також внаслідок атмосферної аерації рівень кисню у поверхневому шарі Світового океану близький до повного насичення (93–97 %). Зі зниженням температури від екватора до полюсів середня концентрація кисню підвищується від 4,5–5,0 мг/дм³ у низьких широтах до 6,0–7,0 мг/дм³ в Антарктиці і до 7,5–8,0 мг/дм³ в Арктиці.

Вміст кисню від поверхні до більш глибоких морських океанічних глибин поступово спадає. Так, у високих широтах Світового океану (за винятком північної частини Тихого океану) концентрація його в глибинних водах становить лише 50–70 % насичення, а в північній частині Атлантичного океану – дещо вища (70–80 % насичення).

В континентальних водоймах існують певні сезонні особливості кисневого режиму. Так, у найбільш теплий літній сезон провідну роль відіграє фотосинтез водоростей і вищих водяних рослин, завдяки якому вода збагачується киснем. Але в літні жаркі дні часто можна спостерігати різке падіння насиченості води киснем, що зумовлене зменшенням його поглинання з повітря, а також витрачанням на окиснення органічних речовин. Гострий дефіцит кисню може відчуватись і у водоймах з великими площами заростей вищих водяних рослин, а також при “цвітінні” води внаслідок масового розвитку водоростей, коли в нічні години різко гальмується фотосинтетична діяльність, але триває дихання рослин і водяних тварин. Взимку, коли кисень витрачається на окиснення відмерлих і дихання живих організмів, а інвазія з повітря різко обмежена внаслідок крижаного покриття водойм, його дефіцит може досягти критичного рівня і викликати масову загибель риб та інших водяних організмів. Такі явища досить часто спостерігаються в Київському водосховищі, в підльодовий період, коли з р. Прип’ять та верхнього Дніпра надхо­­дять води, збіднілі киснем. Зареєстровані непоодинокі випадки падіння концентрації кисню в зимовий період у Київському водосховищі – до 0,4–1,3 мг/дм³, або 3–9 % насичення. Особливо погіршуються умови під час тривалого льодоставу.

В річках, де більш швидка течія і відсутні застійні зони, концентрація кисню у воді значно вища порівняно з озерами та водосховищами. Особливо високе насичення киснем характерне для гірських річок з швидкою течією, де на протязі їхнього русла утворюються водоспади і відбувається додаткове перемішування води.

Найбільш чітко такі зміни можна простежити на прикладі р. Дністер. Водний стік Дністра формується на північно-східних схилах Карпатських гір. Основним джерелом живлення верхнього Дністра є дощові та снігові атмосферні опади. У середній частині він зарегульований трьома греблями – Дністровського, Буферного та Дубосарського водосховищ. Нижче Дубосарського водосховища, біля впадіння у Дністровський лиман, знаходяться Дністровські плавні і багато невеликих озер, проток, гребель, що формують водно-болотні угіддя. На різних ділянках ріки вміст кисню істотно відрізняється. Газовий режим верхнього Дністра та його гірських приток характеризується значним вмістом (9,1–14,0 мг/дм³) розчиненого кисню. У нижній течії він залежить від водності та надходжень забруднюючих речовин. Так, у маловодні роки (1985–1987) його рівень не перевищував 8,1–9,6 мг/дм³. У наступні роки, коли водність ріки зростала, а навесні затоплювались плавневі зарості вищих водяних рослин, істотно підвищувався і рівень розчиненого кисню. Особливо чітко простежувалась роль вищих водяних рослин у газовому режимі в Дністровському лимані. Так, у північній частині лиману, де розташований широкий пояс вищих водяних рослин, під час весняної повені, коли в них інтенсивно проходить водообмін, насичення води киснем зростає до 140–150 % (Шевцова Л.В. та інш., 1998).

Процеси формування кисневого режиму у зв'язку з водообміном можна проілюструвати на прикладі Дніпровсько-Бузької гирлової області. Кисневий режим, який великою мірою визначає стан цієї унікальної екосистеми, залежить від масштабів і режиму попусків води через Каховський гідровузол.

Концентрація кисню в Дніпровсько-Бузькому лимані закономірно знижується з глибиною, що обумовлено послабленням фотосинтетичної і атмосферної аерації і поглинанням кисню дном. При зменшенні попусків води через Каховський гідровузол знижується концентрація розчиненого кисню у поверхневому і особливо у придонних шарах води. Це значною мірою обумовлено проникненням солоної води з моря, що посилюється при зменшенні попусків Каховської ГЕС. Морські води, які мають більшу щільність, концентруються в придонних шарах. Чим більше надходить морської води, тим вище над дном розміщується зона стрибка щільності (пікноклин) і зв'язаної з ним зони кисневого стрибка (оксиклин).

Так, якщо при попусках 1000 м³/с концентрація розчиненого кисню в поверхневих шарах води лиману коливалась в межах 9–9,5 мг/дм³, а у придонних – 8–8,3 мг/дм³, то проведені розрахунки показали, що при попусках 150 м³/с середня по лиману концентрація кисню у нижньому шарі води становила б всього 0,8–3 мг О₂/дм³. При цьому з'являлись безкисневі (анаеробні) зони на значних частинах лиману (Романенко В.Д., Оксіюк, О.П., Жукинський В.М. та ін., 1990).

В Дніпровсько-Бузькому лимані в період “цвітіння” води основним джерелом органічної речовини є фітопланктон. Вміст кисню в період “цвітіння” води істотно падає, бо значна його кількість витрачається на окиснення органічних речовин.

Таким чином, в естуарних екосистемах кисневий режим може істотно змінюватися в залежності від характеру водообміну, надходження солоної морської води або її витіснення річковим стоком, а також, як і в інших водних екосистемах, від фотосинтетичної діяльності водоростей та вищих водяних рослин (як джерела кисню) та від процесів біологічного і хімічного окиснення органічних ті мінеральних речовин.