Свойства воды, как лимитирующего фактора в экосистеме

Выделяют следующие характеристики, важные для описания воды как лимитирующего фактора в экосистеме: соленость, реакция среды (рН), газовый состав, жесткость, доступная площадь водного зеркала и др.

Соленость или минерализация:

Соленостью принято называть количество граммов солей, находящихся в одном литре морской воды и выражаемое в промилле (^о¤_оо). К числу наиболее растворенных в морях солей, по мере убывания, относятся хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, магния, калия и кальция. Моря имеют различную соленость, средняя величина которой составляет: Азовское – 14 ^о¤_оо, Черное – 18 ^о¤_оо, Средиземное -–28 ^о¤_оо, Мировой океан – 35^о¤_оо.

Пресной считается вода, имеющая минерализацию до 1000 мг/литр, что указывает на количество растворенных веществ в 1 литре воды. Минерализация может измеряться в частицах на миллион частиц воды (parts per million) – сокращенно ppm.К числу наиболее растворенных в пресных водоёмах, по мере убывания, относятся гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция, натрия, магния, калия. Соотношение между единицами измерения мг/л и ppm считается: 1мг/л = 1ppm.

Водяной обмен для водных организмов (гидробионтов) тесным образом связан с солевым. Для всех гидробионтов характерно наличие проницаемых для воды покровов тела, поэтому различие в концентрации растворенных солей в водной среде и в клетках организма, создает осмотическое давление воды. Поток воды всегда направлен в сторону большей концентрации солей, то есть в сторону создания большего давления. Например, весной тополь для подачи воды в крону, создает давление до 30 атмосфер, при этом чешуйки почек лопаются и растущие листья имеют доступ к солнечному свету. Для создания такого осмотического потока корневая система тополя имеет большую концентрацию солей, чем почва.

Для поддержания необходимого осмотического равновесия между средой и организмом гидробионты тратят часть биологической энергии. Чем больше разница концентраций между организмом и средой, тем больше траты биологической энергии.

Свойство растворов различных концентраций создавать осмотическое давление можно использовать практически. В Норвегии уже запущена опытная электростанция, работающая на осмотическом давлении в устье реки, впадающей в море, т. е. на разнице концентраций морской и пресной воды.

Реакция среды (рН)

рН – это показатель, характеризующий концентрацию свободных ионов водорода в воде. Для удобства введен специальный показатель, условно названный рН, по сути это десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, т.е. рН = -lg(Н⁺). Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся при диссоциации воды. Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода по сравнению с ионами ОН^-, то вода будет иметь щелочную реакцию и значение рН>7. При повышенном содержании ионов Н ⁺ вода имеет кислую реакцию, при этом значение рН< 7. В чистой деминерализованной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга, в таких случаях вода нейтральна, и рН = 7.

Поэтому показатель рН воды – один из важнейших, определяющих её экологическое качество. В зависимости от величины рН, в экосистеме может изменяться скорость протекания биологических и химических процессов. Поэтому распространение и численность популяций существенно зависит от реакции почвы или водной среды.

В природных пресных водах рН обычно находится в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3 Выпадение "кислых дождей" вызывает закисление различных объектов окружающей среды. Сейчас проблема "кислых дождей" стала приобретать глобальный характер. Влияние закисления сводится к следующему. Снижение рН ниже 3, также как повышение выше 9, приводит к повреждению протоплазмы корней большинства сосудистых растений. Изменение рН в почве вызывает ухудшение условий питания: снижается доступность биогенных элементов для растений. Снижение рН до 4,0 - 4,5 в почве или донных осадках в водных экосистемах вызывает разложение глинистых пород (алюмосиликатов), вследствие чего среда становится токсичной из-за поступления в воду ионов алюминия (Al). Даже железо и марганец, необходимые для нормального роста и развития растений, при низких рН становятся токсичными вследствие перехода в ионную форму. Пределы устойчивости к закислению почвы у разных растений различны, но только немногие растения могут расти и размножаться при рН ниже 4,5. При высоких значениях рН, т. е. при подщелачивании, также создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности растений. В щелочных почвах железо, марганец, фосфаты присутствуют в виде малорастворимых соединений и плохо доступны для растений.

Газовый состав среды обитания:

Для многих видов организмов, как бактерий, так и высших животных и растений, концентрация кислорода и двуокиси углерода, которые составляют в атмосферном воздухе 21 % и 0,03 % по объему соответственно, являются лимитирующими факторами. В водных экосистемах количество и состав газов, растворенных в воде, сильно варьирует. В водных объектах – озерах и водохранилищах, богатых органическим веществом – кислород становится фактором, лимитирующим процессы окисления, и тем самым приобретает первостепенную важность.

В воде содержится значительно меньше кислорода, чем в атмосферном воздухе. Растворимость кислорода в воде повышается с понижением температуры и снижается с повышением солености.

Общее количество кислорода в воде обеспечивается поступлением из двух источников: из атмосферного воздуха (путем диффузии) и из растений (как продукт фотосинтеза). Физический процесс диффузии из воздуха протекает медленно и зависит от ветра и движения воды, поступление кислорода при фотосинтезе определяется интенсивностью последнего и зависит прежде всего от освещенности и температуры воды. Вследствие этих причин количество кислорода, растворенного в воде, сильно изменяется в течение суток, в разные сезоны, а также отличается в различных физико-географических и климатических условиях.

Вода, поступающая из почвы в растения, почти полностью испаряется через поверхность листьев. Это явление называется транспирацией. Транспирация - уникальное явление в наземных экосистемах, играющее важную роль в энергетике экосистем. Рост растений существенно зависит от транспирации. Транспирация – это выделительная система растений, позволяющая им, избавится от избытка воды в виде росы, после использования необходимых для фотосинтеза солей. Роса – это лишенная растворимых веществ вода.

Жесткость воды:

Жесткость водных экосистем обусловлена наличием в растворах двухвалентных катионов, в основном Са⁺² и Мg⁺² и измеряется в мг-экв/л.

В пресноводных экосистемах преобладают ионы кальция, образующие бикарбонатную жесткость. В морских экосистемах преобладают ионы магния, образующие хлоридную и сульфатную жесткость. Это происходит из-за поглощения морскими организмами растворенного кальция для создания скелетных и других образований (раковин, чешуи и др.)

Свободная площадь водного зеркала:

Водные экосистемы также нуждаются в солнечном свете, от которого зависит фотосинтез. Количество света, проходящего в толщу воды, прямопропорционально зависит от площади поверхности водоёма. Зона фотосинтеза расположена до глубины 40 – 60 метров и зависит от прозрачности воды.