Евтрофікація: Озеро, Яке Перевертається, і Не Повертатиметься до Спочатку

Озеро як саморегульована система

Здорове прісноводне озеро – це не просто тіло води, що стоїть нерухомо – це екосистема, яка підтримує себе в стані з чистою водою завдяки зворотним зв’язкам. Корінні рослини та чиста вода стабілізують відкладення, підтримуючи зоопланктон і рибу, які пожирають водорості; це харчування підтримує достатню прозорість води для того, щоб світло досягало рослин; а рослини продовжують стабілізувати відкладення. Евтрофікація відбувається тоді, коли до системи додається поживне речовина, майже завжди фосфор, швидше, ніж система може його засвоїти, і цей цикл зворотного зв’язку починає працювати у зворотному напрямку.

Причинник: навантаження фосфором

Фосфор зазвичай є обмежувальним поживним речовиною у прісноводних екосистемах – тим, що найменше доступне відносно того, що потребують водорості. Тому навіть помірний приплив фосфору з сільськогосподарських стіків, каналізації або добрив може спровокувати непропорційно швидке зростання водоростей. Зі збільшенням навантаження популяції фітопланктону зростають, вода стає поступово мутнішою, і менше світла досягає водних рослин на дні озера.

Чому руйнація відбувається раптово, а не поступово

Еколог Мартен Шеккер'с моделі неглибоких озер показують, що ця система має два стабільні стани для широкого діапазону навантаження фосфором, а не один: чістий стан з великою кількістю прикритої рослинності та мутний стан, домінований фітопланктоном, майже без будь-якої стабільної конфігурації між ними. Коли навантаження зростає, чистий стан не поступово згасає – він тримається, підтримуваний власними зворотними зв’язками, аж доки не перетинається поріг, після чого прикритої рослинності стає занадто мало світла, зоопланктон втрачає укриття від хижацької поведінки риб серед рослин, знижується травання водоростей, і озеро раптово переходить у мутний стан протягом одного ростучого сезону. Це – зсув режиму, тобто якісний стрибок між стабільними станами, а не плавна відповідь на плавне причину.

clear state:   plants + zooplankton grazing keep water clear → light reaches plants → state reinforces itself
turbid state:  algae block light → plants die back → sediment resuspends → state reinforces itself
              a fold bifurcation separates the two — the system snaps between them, it does not slide smoothly

Хістереза: чому зменшення доступу фосфору недостатньо

Найбільш значущою особливістю цієї моделі є гістерезація. Оскільки обидва стани стабілізуються за власною зворотним зв’язком, рівень фосфору, який викликає колапс з чистого до мутного, вищий за рівень фосфору, який би дозволив відновлення з мутного назад до чистого. Після того, як озеро перевернулося, просто повернення довантаження фосфором до його попереднього рівня колапсу недостатньо — власні зворотні зв’язки мутої стани (перемішаний осад, що вивільняє внутрішньозберігається фосфор, відсутність рослин, які не надають притулку зоопланктону) підтримують її муткість. Відновлення зазвичай потребує зменшення доступу фосфору значно нижче початкового рівня колапсу, іноді в поєднанні з безпосереднім видаленням планктонних риб або відновлення рослинності, перш ніж озеро перевернеться назад.

Кінцевий стан: анаеробність та загибель риби

Якщо не втручатися, мутна ситуація погіршується з часом. Щільні водорослеві цвітіння зрештою відмирають масово, а бактерії, які розкладають мертвого планктону, споживають розчинений кисень швидше, ніж він може бути відновлений, створюючи анаеробні (безкисневі) ддонні води. Риби та інші киснезалежні організми вмирають, іноді у масових загибелях, які видно як плаваючі на поверхні риби, а розкладаються риби додають ще більше поживних речовин у воду, підсилюючи цикл. У цій симуляції ви можете змінювати рівень надходження фосфору вгору та вниз і спостерігати обидва етапи цієї історії: раптовий крах, коли перетинається поріг, та небажання системи відновлюватися навіть після зменшення навантаження.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Eutrophication і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.