Индекс трофического состояния

Озеро Джордж, Нью-Йорк , олиготрофное озеро.

Индекс трофического состояния ( TSI ) — это система классификации, предназначенная для оценки водных объектов на основе уровня биологической продуктивности, которую они поддерживают. Хотя термин «трофический индекс» обычно применяется к озерам, индексу может быть подвергнут любой поверхностный водоем.

TSI водного объекта оценивается по шкале от нуля до ста. По шкале TSI водные объекты можно определить как:

• олиготрофные (TSI 0–40, имеющие наименьшую биологическую продуктивность, «хорошее» качество воды);
• мезотрофные (TSI 40–60, умеренный уровень биологической продуктивности, «удовлетворительное» качество воды); или
• от эвтрофных до гиперэвтрофных (TSI 60–100, наивысшая биологическая продуктивность, «плохое» качество воды).

Количество азота , фосфора и других биологически полезных питательных веществ является основным фактором, определяющим TSI водоема. Такие питательные вещества, как азот и фосфор, как правило, ограничивают ресурсы в стоячих водоемах, поэтому увеличение концентрации обычно приводит к усилению роста растений с последующим увеличением последующих трофических уровней . Следовательно, трофический индекс иногда можно использовать для приблизительной оценки биологического состояния водоемов.

Индекс трофического состояния Карлсона

Индекс Карлсона был предложен Робертом Карлсоном в его основополагающей статье 1977 года «Индекс трофического состояния озер». Это один из наиболее часто используемых трофических индексов, используемый Агентством по охране окружающей среды США . Трофическое состояние определяется как общая масса биомассы в данном водоеме на момент измерения. Поскольку они представляют общественный интерес, индекс Карлсона использует биомассу водорослей в качествеобъективный классификатор трофического состояния озера или другого водоема. По данным Агентства по охране окружающей среды США, индекс Карлсона следует использовать только для озер, в которых относительно мало укоренившихся растений и источников мутности, не связанных с водорослями.

Индексная переменная

Поскольку они имеют тенденцию коррелировать, для расчета индекса Карлсона можно использовать три независимые переменные: пигменты хлорофилла , общий фосфор и глубину Секки . Из этих трех хлорофилл, вероятно, даст наиболее точные показатели, поскольку он является наиболее точным показателем биомассы. Фосфор может быть более точной оценкой летнего трофического статуса водоема, чемхлорофилла, если измерения проводятся зимой. Наконец, глубина Секки, пожалуй, наименее точная мера, но в то же время самая доступная и целесообразная. Следовательно, программы гражданского мониторинга и другие добровольные или крупномасштабные опросы часто будут использовать глубину Секки. Путем перевода значений прозрачности Секки в логарифмическую шкалу с основанием 2 каждое последовательное удвоение биомассы представляется как целое целое индексное число. Глубина Секки, которая измеряет прозрачность воды, указывает на концентрацию растворенных и твердых частиц в воде, что, в свою очередь, может быть использовано для получения биомассы. Эта связь выражается следующим уравнением:

$\left({\frac {1}{z}}\right)\left(\ln {\frac {I_{0}}{I_{z}}}\right)=k_{w}+\alpha C$

где z = глубина, на которой исчезает диск,

I ₀ – интенсивность света, падающего на поверхность воды,

I _z составляет около 10% от I ₀ и считается постоянной,

k _w – коэффициент ослабления света водой и растворенными веществами,

α рассматривается как константа с единицами измерения квадратных метров на миллиграмм и

C — концентрация твердых частиц в миллиграммах на кубический метр.

Трофические классификации

Озеро обычно относят к одному из трех возможных классов: олиготрофному , мезотрофному или эвтрофному . Озера с экстремальными показателями трофности также можно считать гиперолиготрофными или гиперэвтрофными (также «гипертрофными»). В таблице ниже показано, как значения индекса переводятся в трофические классы.

Взаимосвязь между индексом трофического состояния, хлорофиллом, фосфором, глубиной Секки и трофическим классом (по Карлсону, 1996 г.)

Индекс трофического состояния	Хлорофилл (мкг/л)	Фосфор (мкг/л)	Глубина Секки (м)	Трофический класс
< 30—40	0—2.6	0—12	> 8—4	Олиготрофные или гипотрофные
40—50	2.6—7.3	12—24	4—2	Мезотрофный
50—70	7.3—56	24—96	2—0.5	эвтрофный
70—100+	56—155+	96—384+	0,5— < 0,25	Гипертрофический

обычно очень мало или вообще нет В олиготрофных озерах водной растительности , и они относительно прозрачны, тогда как в эвтрофных озерах обычно обитает большое количество организмов, включая цветение водорослей. Каждый трофический класс также поддерживает разные виды рыб и других организмов. Если биомасса водорослей в озере или другом водоеме достигает слишком высокой концентрации (скажем, >80 TSI), может произойти массовая гибель рыбы , поскольку разлагающаяся биомасса лишает воду кислорода.

олиготрофный

Озеро Куртковец — олиготрофное озеро в Татрах на юге Польши.

Лимнологи используют термины « олиготрофные » или «гипотрофные» для описания озер, имеющих низкую первичную продуктивность из-за дефицита питательных веществ . (Это контрастирует с эвтрофными озерами, которые являются высокопродуктивными из-за обильного запаса питательных веществ, что может возникнуть в результате человеческой деятельности, такой как сельское хозяйство в водоразделе.)

подстилаемых кристаллическими магматическими гранитными Олиготрофные озера наиболее распространены в холодных, малоразвитых регионах , породами. Из-за низкого уровня образования водорослей в этих озерах очень чистая вода и высокое качество питьевой воды .

Озера, имеющие перемешивание слоев, относят к голомиктовым , а озера, не имеющие межслоевого перемешивания, — постоянно стратифицированным и поэтому называются меромиктическими .

Обычно в голомиктическом озере осенью охлаждение эпилимниона уменьшает стратификацию озера, тем самым позволяя происходить перемешиванию. Ветры помогают в этом процессе. Таким образом, именно глубокое перемешивание озер (которое чаще всего происходит осенью и в начале зимы в голомиктических озерах мономиктического подтипа) обеспечивает транспорт кислорода из эпилимниона в гиполимнион.

Таким образом, олиготрофные озера могут содержать значительное количество кислорода до глубины, до которой происходит вышеупомянутое сезонное перемешивание, но ниже этой глубины они будут испытывать дефицит кислорода. Поэтому в олиготрофных озерах часто обитают такие виды рыб , как озерная форель , которым требуется холодная, хорошо насыщенная кислородом вода. Содержание кислорода в этих озерах зависит от их сезонно-смешанного гиполимнетического объема. Гиполимнетические объемы, которые являются бескислородными, приведут к скоплению рыб в местах, где кислорода достаточно для их нужд.

Аноксия чаще встречается в гиполимнионе летом, когда смешивания не происходит. При отсутствии кислорода в эпилимнионе разложение может вызвать гипоксию гиполимниона.

Мезотрофный

Мезотрофные озера – это озера среднего уровня продуктивности. Эти озера обычно представляют собой озера и пруды с чистой водой, зарослями подводных водных растений и средним уровнем питательных веществ.

Термин мезотрофный также применяется к наземным средам обитания. Мезотрофные почвы имеют умеренный уровень питательных веществ.

Эвтрофные и гипертрофные

эвтрофный

Основная статья: Эвтрофикация

Цветение водорослей в деревенской реке в горах недалеко от Чэнду , Сычуань , Китай

Эвтрофный водоем, обычно озеро или пруд, имеет высокую биологическую продуктивность. Благодаря избытку питательных веществ, особенно азота и фосфора, эти водоемы способны поддерживать обилие водных растений. Обычно в водоеме преобладают либо водные растения, либо водоросли. Когда преобладают водные растения, вода имеет тенденцию быть прозрачной. Когда преобладают водоросли, вода имеет тенденцию быть темнее. Водоросли участвуют в фотосинтезе, который снабжает кислородом рыб и биоту, населяющую эти воды. Иногда происходит чрезмерное цветение водорослей, что в конечном итоге может привести к гибели рыбы из-за дыхания водорослей и донных бактерий. Процесс эвтрофикации может происходить естественным путем и в результате воздействия человека на окружающую среду .

Эвтрофический происходит от греческого euтрофos , что означает «хорошо питаемый», от eu, что означает «хороший», и trephein, что означает «питать».

Гипертрофический

Гипертрофные или гиперэвтрофные озера — это очень богатые питательными веществами озера, характеризующиеся частым и сильным цветением водорослей и низкой прозрачностью. Гиперэвтрофные озера имеют глубину видимости менее 3 футов (90 см), в них содержится более 40 микрограммов/литр общего хлорофилла и более 100 микрограммов/литр фосфора .

Чрезмерное цветение водорослей также может значительно снизить уровень кислорода и помешать функционированию жизни на более низких глубинах, создавая мертвые зоны под поверхностью.

Аналогичным образом, крупное цветение водорослей может вызвать биодилюцию , то есть уменьшение концентрации загрязняющего вещества с повышением трофического уровня . Это противоречит биомагнификации и происходит из-за снижения концентрации из-за увеличения поглощения водорослями.

Драйверы трофического индекса

как природные, так и антропогенные На трофический индекс озера или другого водоема могут влиять факторы. Водоем, расположенный в богатом питательными веществами регионе с высокой чистой первичной продуктивностью , может быть естественным эвтрофным. Питательные вещества, попадающие в водоемы из неточечных источников, таких как сельскохозяйственные стоки, бытовые удобрения и сточные воды, увеличивают биомассу водорослей и могут легко привести к тому, что олиготрофное озеро станет гиперэвтрофным.

Пресноводные озера

Хотя не существует абсолютного консенсуса относительно того, какие питательные вещества в наибольшей степени способствуют увеличению первичной продуктивности, считается, что концентрация фосфора является основным ограничивающим фактором в пресноводных озерах. Вероятно, это связано с преобладанием в этих системах азотфиксирующих микроорганизмов, которые могут компенсировать недостаток легкодоступного фиксированного азота.

Морские экосистемы

Исследования показали, что в некоторых прибрежных морских экосистемах азот является ключевым лимитирующим питательным веществом, стимулирующим первичное производство независимо от фосфора. Фиксация азота не может адекватно снабжать эти морские экосистемы, потому что микробы, фиксирующие азот, сами по себе ограничены наличием различных абиотических факторов, таких как солнечный свет и растворенный кислород. Однако морские экосистемы представляют собой слишком широкий спектр сред, чтобы одно питательное вещество могло ограничить всю первичную продуктивность моря. Лимитирующее питательное вещество может варьироваться в разных морских средах в зависимости от множества факторов, таких как глубина, расстояние от берега или наличие органического вещества.

Цели управления

Часто желаемый трофический индекс различается у разных заинтересованных сторон. Любители водоплавающих птиц (например, охотники на уток) могут захотеть, чтобы озеро было эвтрофным, чтобы оно могло поддерживать большую популяцию водоплавающих птиц. Однако жители, возможно, захотят, чтобы это же озеро было олиготрофным, так как там приятнее купаться и кататься на лодках. Агентства природных ресурсов обычно несут ответственность за согласование этих противоречивых видов использования и определение того, каким должен быть трофический индекс водоема.

См. также

• Биомасса (экология)
• Эвтрофикация
• Неточечный источник загрязнения
• Сухие диски
• Поверхностный сток
• Трофический уровень
• Индекс трофического уровня , аналогичный показатель, используемый в Новой Зеландии.
• Качество воды
• Список нарушений биологического развития