Экология и восстановление водно-болотных угодий: анализ биоценозов

1. Влияние лесопользования и вырубки лесов на гидробиологический режим водоемов. Взаимосвязь между древесным ярусом и мелководными экосистемами носит фундаментальный характер, поскольку окружающий лесной массив напрямую формирует микроклиматические и трофические условия водоемов. Окружающие деревья оказывают определяющее воздействие на временные лесные пруды и водотоки, главным образом посредством регулирования степени затенения акватории и регулярного поступления аллохтонного органического вещества в виде лиственного опада. Взаимное перекрытие крон снижает суммарную солнечную радиацию, поддерживая низкую температуру воды и ограничивая интенсивность первичной продукции фитопланктона и перифитона. В свою очередь, лиственный опад служит первичным энергетическим субстратом для детритофагов, формируя основу детритной пищевой цепи в малых лесных водоемах.

Практика лесного хозяйства способна существенно трансформировать гидрологический режим и функционирование прилегающих водно-болотных угодий. В частности, проведение предварительного осушения перед посадкой лесных культур приводит к сокращению периода затопления и увеличению частоты маловодных периодов, что негативно сказывается на гидрофильных гидробионтах. Напротив, по мере смыкания молодняка и восстановления растительного покрова наблюдается постепенная стабилизация уровня грунтовых и поверхностных вод за счет регуляции процессов эвапотранспирации. Однако амплитуда и скорость этих изменений напрямую зависят от интенсификации лесохозяйственных мероприятий и структуры насаждений.

Наиболее глубокие и стремительные изменения гидробиоценозов происходят при осуществлении сплошной вырубки леса. Ликвидация древесного яруса сопровождается резким сокращением поступающего лиственного опада и кратным увеличением уровня инсоляции водной поверхности. В результате происходит фундаментальная перестройка кормовой базы водных сообществ: первичный источник энергии смещается с детритного компонента на водорослевую биомассу. Интенсивное развитие нитчатых водорослей и микрофитобентоса под воздействием прямого солнечного света изменяет видовой состав бентосных и планктонных органимов, вытесняя специализированные виды-детритофаги.

Даже если лесозаготовительные работы проводятся с цикличностью в несколько десятилетий, подобные антропогенные нарушения вызывают длительную дестабилизацию экосистемы. Повторяющиеся колебания освещенности, температуры и характера трофических ресурсов препятствуют формированию климаксных водных сообществ. В результате видовая структура, биомасса и трофическая сеть малых водоемов претерпевают долговременную трансформацию, снижающую их экологическую устойчивость.

Рисунок 1 — Схема трансформации трофической цепи водной экосистемы при сплошной вырубке леса

2. Сравнительный анализ естественных и восстановленных водно-болотных угодий. Оценка экосистемной целостности и видового богатства растительных сообществ на восстановленных территориях является ключевой задачей реставрационной экологии. В центральной части США, где исторически произошло масштабное уничтожение гидроморфных ландшафтов из-за расширения сельскохозяйственных угодий, к настоящему времени реализованы тысячи проектов по регенерации водно-болотных экосистем. В данном регионе гидрологический режим способен восстанавливаться естественным путем после демонтажа дренажных систем и возобновления естественного стока. Однако возвращение растительного покрова к эталонному состоянию остается предметным вопросом научных дискуссий.

В исследовании Галатовича и ван дер Валка (Galatowitsch and van der Valk, 1996) была проведена проверка гипотезы об «эффективном сообществе» (effective community hypothesis). Данная гипотеза утверждает, что все виды растений, физиологически способные произрастать в текущих абиотических условиях окружающей среды, со временем неизбежно колонизируют восстановленный участок и сформируют устойчивый семенной банк почвы. Для проверки данного положения авторы провели сравнительный анализ 10 восстановленных и 10 смежных естественных водно-болотных угодий в северной части штата Айова.

Результаты трехлетнего мониторинга показали существенный разрыв во флористическом составе исследуемых объектов. На восстановленных участках среднее видовое богатство составило 27 видов (58,7 % от показателя естественных эталонов), в то время как на естественных водно-болотных угодьях произрастало 46 видов. Хотя видовое разнообразие надводных гелофитов в обеих группах оказалось схожим, между ними наблюдалось множество ключевых структурных различий.

В восстановленных водно-болотных угодьях фиксировался выраженный дисбаланс функциональных групп: таксон осоковых лугов демонстрировал недостаточное присутствие, тогда как погруженные растения распределялись с избыточной плотностью. Кроме того, были зафиксированы явные отклонения в высотном распределении видов, изменения их численности и обеднение семенных банков почвы как по видовому разнообразию, так и по количеству семян.

Ограниченная способность многих растений к распространению создает барьер для их самостоятельного расселения на измененных территориях. Это вызывает серьезные опасения экологов, так как естественная сукцессия без дополнительного подсева может неоправданно затянуться на долгие годы.

3. Эдафические и биоценотические различия естественных и искусственно созданных болот. Аналогичные закономерности и структурные диспропорции выявляются при анализе искусственно созданных водно-болотных угодий, проектируемых в качестве компенсации за уничтоженные природные объекты. В работе Кэмпбелла и соавторов (Campbell et al., 2002) проводилось комплексное сравнение созданных и естественных водно-болотных угодий на территории штата Пенсильвания. Исследователи установили, что естественные болота обладают достоверно более высоким видовым богатством растительности и общим проективным покрытием. На созданных участках поддерживалась несоразмерно большая доля горных (мезофитных) видов, непривычных для гидроморфных условий.

Существенные различия были обнаружены и в физико-химических свойствах почвенного покрова на искусственных объектах возрастом от 2 до 18 лет. В почвах созданных болот зафиксировано пониженное содержание органического вещества, повышенная объемная плотность (вплоть до 1,4–1,6 г/см³ и более), более высокая цветность почвенного матрикса, а также увеличенное содержание фрагментов горных пород.

Данные абиотические параметры свидетельствуют об отсутствии сформированного гидроморфного горизонтирования. Даже о наиболее старых искусственных участках нельзя сказать, что они приближаются к эталонному состоянию природных водно-болотных угодий.

Обеднение растительного фонда и нарушение физико-химической структуры почвенного субстрата оказывают каскадное негативное воздействие на смежные трофические уровни. Дефицит специфических микроместообитаний снижает плотность и разнообразие водных беспозвоночных, амфибий (земноводных) и рептилий (пресмыкающихся), для которых естественные водно-болотные угодья служат критически важными местами обитания.

4. Конструируемые водно-болотные угодья в практике очистки сточных вод. В современной прикладной экологии наблюдается смещение акцентов: помимо компенсационного восстановления природных объектов, все большую популярность приобретает создание искусственных водно-болотных угодий с целью биологической очистки сточных вод. В штате Квинсленд (Австралия) было предложено создать городские фитоочистные системы для очистки муниципальных сточных вод.

В рамках исследования Гринвэй и Вулли (Greenway and Woolley, 1999) была проведена оценка функционирования девяти пилотных искусственных болот, расположенных в различных географических зонах: тропической, субтропической и засушливой (аридной). Объекты отличались конфигурацией и были заселены различными видами макрофитов (высших водных растений), которые либо высаживались искусственно, либо приживались самостоятельно.

Результаты систематического мониторинга гидрохимических показателей продемонстрировали высокую эффективность данных систем в отношении снижения параметров загрязнения сточных вод. В частности, показатель биохимической потребности в кислороде (БПК) снизился на 17–89 %, содержание взвешенных веществ сократилось на 14–77 %, уровень общего азота уменьшился на 18–86 %, а концентрация химически активного фосфора снизилась примерно на 13 %.

Исследование выявило различие в механизмах извлечения биогенных элементов между отдельными экологическими группами растений. Погруженные макрофиты (например, роголистник) и плавающие виды (например, ряска) оказались более эффективными биоаккумуляторами питательных веществ в расчете на единицу биомассы по сравнению с надводными видами.

Однако надводные виды имели гораздо большую суммарную биомассу и, следовательно, могли накапливать больше питательных веществ в расчете на единицу площади водно-болотного угодья (г/м²). Сведения о фаунистических комплексах и обитателях этих искусственных водно-болотных угодий в рамках данного исследования не приводились.

5. Выводы и рекомендации для экологической инженерии. Подводя итог анализу функционирования и восстановления водно-болотных экосистем, следует выделить ключевые научно-практические принципы, необходимые для успешной реставрации ландшафтов и конструирования фитоочистных сооружений:

1. Учет гидрологического режима и затенения. При проведении лесохозяйственных мероприятий вблизи водоемов необходимо сохранять водоохранные буферные полосы леса шириной не менее 30–50 м. Это предотвратит резкую трансформацию трофической цепи с детритной на водорослевую и защитит водную фауну от температурного шока.

2. Искусственное обогащение семенного банка. Поскольку естественная колонизация целевых видов (особенно осоковых лугов) ограничена их низкой способностью к распространению, проекты восстановления должны предусматривать обязательный подсев семян и посадку корневищ целевых гигрофитов.

3. Оптимизация почвенно-грунтовых условий. При конструировании новых болот критически важно избегать чрезмерного уплотнения грунта (объемная плотность должна составлять ≤ 1,2 г/см³) и вносить органические субстраты (торф, компост) для ускорения формирования гидроморфного почвенного профиля.

4. Комбинирование видов макрофитов. В очистных водно-болотных угодьях рекомендуется совместное использование погруженных видов (для оперативного поглощения растворенных элементов) и надводных видов с высокой биомассой (для долгосрочной иммобилизации фосфора и азота из расчета на м²).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Дадли Уильямс, Блауштейн Л. и С.С. Шварц, Кили Дж.Э. и П.Х. Зедлер, Аматали М.А., Боуэн Р.

Источник: Биология временных водоемов

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим биологические и экологические науки, начинающим исследователям в области экологии пресноводных водоемов и зоологии беспозвоночных, а также специалистам по охране природы и всем, кто интересуется глобальной сравнительной экологией сообществ временных водных сред обитания.