Биогеохимия водосборного бассейна


Определения
Водоемы — это не замкнутые системы; они должны рассматриваться как часть более обширных водосборных бассейнов (см. гл. 2, разд. 7). Водосборная система — своеобразная минимальная экоси- стемная единица, которой может практически управлять человек.
Длительные исследования (10 и более лет круглогодичного наблюдения) на экспериментальных оборудованных приборами водосборных бассейнах (практически это лаборатории под открытым небом), такие, например, как исследования, проводящиеся сейчас на ручье Хаббард-Брук в шт. Нью-Гэмпшир, у Ковиты на западе шт. Северная Каролина и во многих других районах США и всего мира, значительно способствовали развитию наших знаний об основных биогеохимических процессах, идущих в сравнительно незатронутых человеком экосистемах истоков рек. Кроме того, такие исследования составили основу для сравнений с сельскохозяйственными, городскими и другими, более «одомашнейными» водосборными бассейнами, в которых живет большинство из нас. Эти сравнения показывают, насколько бездумной и бессмысленно расточительной бывает деятельность человека, и указывают, как можно уменьшить исключение из круговорота основных биогенных элементов и восстановить их циркуляцию. Это, разумеется, поможет и экономить энергию.
Примеры
На рис. 4.7 показана количественная модель круговорота кальция для горных лесистых водосборных бассейнов района Хаббард-Брук в Нью-Гемпшире, где ведутся экологические исследования. Данные основаны на изучении 6 водосборных бассейнов площадью от 12 до 48 га (Bormann, Likens, 1967, 1979; Likens et al., 1977). Осадки, составлявшие в среднем 123 см в год, измерялись системой водомерных станций, а количество воды, покидающее каждый водосборный бассейн с ручьевым стоком, измеряли у V-образных плотин типа показанной на рис. 2.16. Определив содержание кальция и других минеральных веществ в поступающей и оттекающей воде, а также в биотическом и почвенном фондах, можно рассчитать приходно-расходный «бюджет» бассейна, в упрощенном виде показанный на рис. 4.7,А.
Механизмы удержания кальция и его возвращения в круговорот в ненарушенном, но быстро растущем лесу оказались столь эффективными, что, согласно оценкам, экосистема теряла в год всего 8 кг кальция с гектара (и соответственно небольшие количества других биогенных элементов). Поскольку 3 кг кальция посту-

Рис. 4.7. А. Сбалансированный бюджет кальция для облесепного водосборного бассейна
Рис. 4.7. А. Сбалансированный бюджет кальция для облесепного водосборного бассейна (экспериментальный водосборный бассейн Хаббард-Брук, шт. Нью-Гэмпшир). Цифрами обозначены величины потоков кальция в кг/га в год. Поступление и выход невелики в сравнении с обменом кальцием между биотическими и абиотическими резервуарами внутри экосистемы бассейна. Б. Влияние сведения и естественного восстановления леса на вынос ручьем аэота и кальция (Bormann, Likens, 1967, 1979).


пало в систему с дождем, для установления равновесия достаточно было бы добавления всего 5 кг кальция на I га. Такое количество кальция, как полагают, вполне может поступать из подстилающих пород (резервного фонда) за счет природных процессов выветривания. Данные экспериментов по измерению оборота кальция с использованием радионуклида 45Ca, проведенных на водосборных бассейнах в районе Ок-Риджа (шт. Теннесси), показали, что деревья подлеска, например дёрен, работают как «кальциевые насосы», противодействующие миграции кальция в глубь почвы и этим сохраняющие кальций в круговороте между организмами и активными верхними слоями подстилки и почвы (Thomas, .1969).
На одном из экспериментальных водосборных бассейнов в районе Хаббард-Брук была удалена вся растительность, а восстановительный рост в последующие три сезона подавляли, распыляя гербициды с воздуха. Хотя почва при этом почти не нарушалась и органические вещества не удалялись из системы, потеря минеральных элементов питания с ручьевым стоком возросла по сравнению с нетронутыми контрольными водосборными бассейнами в 3—15 раз. На рис. 4.7, Б показано, что потери кальция выросли в раз, а азота — в 15. Увеличение ручьевого стока в той части экосистемы, где была уничтожена растительность, в основном объясняется устранением транспирации растений; в результате увеличения стока возросло и количество уносимых им минеральных веществ. До некоторой степени величина выноса элементов связана с их свойством, которое геохимики называют относительной подвижностью. Калий и азот очень подвижны (т. е. легко выносятся в результате выщелачивания), а кальций прочнее удерживается в почве.
Когда растительности дали возможность восстановиться (прекратили распыление гербицидов), потери элементов питания быстро снизились, и за 3—5 лет почти восстановился «сбалансированный бюджет», хотя для того, чтобы количество всех этих элементов в стоке вернулось к исходному, характерному для ненарушенного лесного водосборного бассейна, потребовалось              10—20 лет
(рис. 4.7,Б).
Быстрому восстановлению способности удерживать биогенные элементы задолго до восстановления видового состава и биомассы сведенного леса способствуют различные биорегулирующие адаптации, в частности так называемая «стратегия погребенного семени» (Marks, 1974). Попавшие в почву семена быстро растущих деревьев, типичных для пионерных стадий сукцессии, например пенсильванской черемухи, могут оставаться жизнеспособными многие годы. После уничтожения леса эти семена прорастают и быстро растущая черемуха вскоре образует нечто вроде временного леса, который стабилизирует потоки воды и элементов питания и уменьшает потери почвы с водосборного бассейна. Разумеется, такие восстановительные адаптации выработались в от-- вет на естественные нарушения, например бури и пожары. В самом деле, леса (и другие экосистемы), подверженные периодическим естественным нарушениям и потому приспособленные к ним, более упруги и быстрее восстанавливаются после вмешательства человека, чем леса, развивающиеся в благоприятных условиях, где физические факторы не подвержены серьезным естественным колебаниям. Поэтому такое присущее экосистемам свойство, как упругость, должно учитываться при выработке решений о сборе урожая или других процедурах, связанных с использованием экосистем.
Исследования в районе Ковиты в Северной Каролине показывают, чего будет стоить в целом увеличение стока воды, удовлетворяющее запросы расточительного индустриального общества. Уничтожение лесов на холмах увеличит поступление воды в долины (Hibbert, 1967), но это произойдет за счет качества воды, а также за счет объема продукции древесины и воздухоочистительной способности бассейна.
Потери элементов питания с ненарушенных облесенных водосборных бассейнов вдоль ручьев в верховьях рек невелики и в основном компенсируются поступлениями с дождем и продуктами выветривания. Ниже по течению, где деятельность человека более активна, складывается совершенно иная картина. На рис. 4.8 показано, как с увеличением степени освоения (т. е. доли площадей, занятых сельскохозяйственными угодьями и городами) водосборных бассейнов в водах ручьев и рек резко возрастает содержание азота и фосфора. В воде, стекающей с территории, на 100% занятой городами и сельскохозяйственными угодьями, в 7 раз больше этих элементов, чем в ручьях, протекающих по местности, целиком занятой лесом. Интересно, что концентрации NhP увеличиваются примерно одинаково, поскольку соотношение N/P остается тем же, около 28:1 (соотношение N/P в биомассе составляет 16:1). В стоке с сельскохозяйственных и городских районов 80% фосфора содержится в неорганической форме (в виде фосфатов), а в стоке с водосборных бассейнов, целиком занятых лесом или другой естественной растительностью, преобладают органические соединения фосфора.
Хотя на рис. 4.8 представлены данные только по азоту и фосфору, при интенсификации использования человеком земли и энергии вынос большинства других элементов питания, а также многих других химических веществ (в том числе токсичных) увеличивается сходным образом. Разумеется, большой вынос элементов питания и других химических соединений с освоенных и особенно «индустриальных» ландшафтов в какой-то степени прямо связан с большими поступлениями агрохимических и промышленных химикатов и пищевых отбросов, минеральная часть которых высвобождается в результате разложения и обработки сточных
Рис. 4.8. Зависимость количества азота и фосфора в воде ручья от доли площади водосборного бассейна, занятой сельским хозяйством и промышленностью
Увеличение доли площади, занятой сельсКШ
«                                                                                    -»gt;
хозяйством и городами* %


Рис. 4.8. Зависимость количества азота и фосфора в воде ручья от доли площади водосборного бассейна, занятой сельским хозяйством и промышленностью. Хотя на этом градиенте отношение N:P не изменяется, чисто городской ландшафт обычно отдает больше азота, а с водосборного бассейна, используемого в основном в сельском хозяйстве, сносится больше фосфора. Данные по площади, занятой природной растительностью, приняты за 0. (По данным Omernik, 1977.)
вод. Лишь малая часть этих крупных поступлений используется повторно, поскольку очень много уходит со стоком или, как в случае ядовитых отходов, накапливается в почве и подземных водах. Техника может облегчить возвращение в круговорот и сократить расточительный «однократный поток», но пока стимулы для применения таких технологий крайне незначительны. Они появятся тогда, когда I) запасы вносимых веществ истощатся или подорожают, или и то и другое вместе, и 2) стоки приведут к серьезному снижению качества воды или станут угрожать здоровью людей.
Тогда деньги и энергия, которые придется затрачивать на поддержание круговоротов, будут «окупаться». Пример вторичного использования бумаги (см. рис. 4.15) хорошо иллюстрирует этот процесс принятия решений в реальном мире экономики и политики. 
<< | >>
Источник: Одум Ю.. Экология: В 2-х т. Т. I. 1986

Еще по теме Биогеохимия водосборного бассейна:

  1. Водосборный бассейн
  2. Поступление органических веществ в водоем с водосборной площади
  3. ГЛАВА 7 ГОСУДАРСТВА ЭГЕЙСКОГО БАССЕЙНА
  4. К истории заселения бассейна р. Навли
  5. ГЛАВА ДЕСЯТАЯ В БАССЕЙНЕ МЕКОНГА
  6. Выбор сочетания схем транспортировки грузов в морском бассейне
  7. Борьба за Донецкий бассейн. — Начало общего отступления советских армий на Южном театре. Положение па Украине весною 1919 г. — Летняя кампания 1919 г. на Южном театре и на Украине. — Летняя и осенняя кампании 1919 г. на Западном театре. — Кампания 1919-1920 гг. на Северном театре.
  8. База данных по водным объектам
  9. Лентические экосистемы (osejia и пруды)
  10. Пути возвращения веществ в круговорот: коэффициент возврата
  11. РАБОЧИЙ ПРОЕКТ СТРОИТЕЛЬСТВА ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
  12. В раздел 5 "Служебные, жилые и бытовые помещения” внести следующие изменения:
  13. Владимир Иванович ВЕРНАДСКИЙ (1863-1945)
  14. Возможности проведения исследования
  15. Введение
  16. Несчастные случаи на воде.
  17. На пути к лидерству
  18. Водные ресурсы. Использование и загрязнение
  19. ВЫСТУПЛЕНИЯ РАБОЧИХ