Лимнология
Лимнология ( / l ɪ m ˈ n ɒ l ə dʒ i / lim- NOL -ə-jee ; от древнегреческого λίμνη ( límnē ) «озеро» и -λογία ( -logía ) «изучение») — это изучение внутренних территорий. водные экосистемы . [1] Изучение лимнологии включает аспекты биологических , химических , физических и геологических особенностей пресных и соленых , природных и техногенных водоемов . Сюда входит изучение озер , водохранилищ , прудов , рек , родников , ручьев , водно-болотных угодий и подземных вод . [2] Водные системы часто делятся на проточные ( лотические ) и стоячие ( лентические ). [3]
Лимнология включает изучение водосборного бассейна, движения воды по бассейну и биогеохимических изменений, происходящих на пути следования. Более поздняя субдисциплина лимнологии, называемая ландшафтной лимнологией , изучает, управляет и стремится сохранить эти экосистемы с использованием ландшафтной точки зрения, путем подробного изучения связей между водной экосистемой и ее водосборным бассейном . Недавно необходимость понять глобальные внутренние воды как часть системы Земли привела к появлению субдисциплины под названием глобальная лимнология. [4] Этот подход рассматривает процессы во внутренних водах в глобальном масштабе, например, роль внутренних водных экосистем в глобальных биогеохимических циклах . [5] [6] [7] [8] [9]
Лимнология тесно связана с водной экологией и гидробиологией , изучающими водные организмы и их взаимодействие с абиотической (неживой) средой. Хотя лимнология во многом пересекается с дисциплинами, ориентированными на пресную воду (например, биологией пресной воды ), она также включает изучение внутренних соленых озер.
История [ править ]
Термин «лимнология» был придуман Франсуа-Альфонсом Форелем (1841–1912), который основал эту область своими исследованиями Женевского озера . Интерес к этой дисциплине быстро возрос, и в 1922 году Август Тинеманн (немецкий зоолог) и Эйнар Науманн (шведский ботаник) стали соучредителями Международного общества лимнологии (SIL, от Societas Internationalis Limnologiae ). Первоначальное определение лимнологии, данное Форелем, « океанография озер», было расширено и теперь охватывает изучение всех внутренних вод. [2] и оказал влияние на работу Бенедикта Дыбовского об озере Байкал .
Среди выдающихся ранних американских лимнологов были Дж. Эвелин Хатчинсон и Эд Диви . [10] В Университете Висконсин-Мэдисон Эдвард А. Бирдж , Ченси Джудей , Чарльз Р. Голдман и Артур Д. Хаслер внесли свой вклад в развитие Центра лимнологии . [11] [12]
Общая лимнология [ править ]
Физические свойства [ править ]
Физические свойства водных экосистем определяются сочетанием тепла, течений, волн и других сезонных распределений условий окружающей среды. [13] Морфометрия . водоема зависит от типа объекта (например, озеро, река, ручей, водно-болотное угодье, устье и т. д.) и структуры земли, окружающей водоем Озера , например, классифицируются по их образованию, а зоны озер определяются по глубине воды. [14] [15] Морфометрия систем рек и ручьев определяется геологией местности, а также общей скоростью воды. [13] На морфометрию ручья также влияет топография (особенно уклон), а также характер осадков и другие факторы, такие как растительность и освоение земель. Связь между ручьями и озерами зависит от плотности ландшафтного дренажа , площади зеркала и формы озера . [15]
Другими типами водных систем, изучаемыми лимнологией, являются эстуарии . Эстуарии — это водоемы, классифицируемые по взаимодействию реки и океана или моря. [13] Водно-болотные угодья различаются по размеру, форме и структуре, однако наиболее распространенные типы (болота, трясины и болота) часто колеблются между мелководными, пресноводными и сухими в зависимости от времени года. [13] Объем и качество воды в подземных водоносных горизонтах зависят от растительного покрова, который способствует пополнению запасов и помогает поддерживать качество воды. [16]
Легкие взаимодействия [ править ]
Световое зонирование – это концепция того, как количество проникновения солнечного света в воду влияет на структуру водоема. [13] Эти зоны определяют различные уровни продуктивности водных экосистем, таких как озеро. Например, глубина толщи воды, куда может проникать солнечный свет и где может расти большинство растений, известна как фотическая или эвфотическая зона. Остальная часть водного столба, которая находится глубже и не получает достаточного количества солнечного света для роста растений, известна как афотическая зона . [13] Количество солнечной энергии, присутствующей под водой, и спектральное качество света, присутствующего на различных глубинах, оказывают существенное влияние на поведение многих водных организмов. Например, на вертикальную миграцию зоопланктона влияет уровень солнечной энергии. [16]
Термическая стратификация [ править ]
Подобно световой зональности, термическая стратификация или термозональность — это способ группировки частей водоема внутри водной системы на основе температуры разных слоев озера. Чем менее мутна вода, тем больше света может проникнуть в нее, и, таким образом, тепло передается глубже в воду. [17] Нагрев снижается экспоненциально с глубиной толщи воды, поэтому вода будет самой теплой у поверхности, но постепенно охлаждаться по мере продвижения вниз. Есть три основных участка, определяющих термическую стратификацию озера. Эпилимнион расположен ближе всего к поверхности воды и поглощает длинноволновую и коротковолновую радиацию , нагревая водную поверхность. В прохладные месяцы сдвиг ветра может способствовать охлаждению водной поверхности. Термоклин . – это область в толще воды, где температура воды быстро снижается [17] Нижний слой — это гиполимнион , в котором, как правило, самая холодная вода, поскольку его глубина ограничивает доступ солнечного света. [17] В озерах умеренного пояса осеннее охлаждение поверхностных вод приводит к круговороту водной толщи, при котором термоклин нарушается, и профиль температуры озера становится более однородным. В холодном климате, когда вода остывает ниже 4 О С (температура максимальной плотности) многие озера зимой могут испытывать обратную термическую стратификацию. [18] Эти озера часто димиктические , с короткими весенними разливами и более длительными осенними переливами. Относительное термическое сопротивление — это энергия, необходимая для смешивания слоев разной температуры. [19]
озера Хит Бюджет
Годовой баланс тепла, также обозначаемый как θ a , представляет собой общее количество тепла, необходимое для повышения температуры воды от минимальной зимней температуры до максимальной летней температуры. Это можно рассчитать путем интегрирования площади озера на каждом интервале глубин (A z ), умноженной на разницу между летней (θ sz ) и зимней (θ wz ) температурами или А z (θ sz -θ wz ) [19]
Химические свойства [ править ]
На химический состав воды в водных экосистемах влияют природные характеристики и процессы, включая осадки , подстилающую почву и коренные породы водосборного бассейна , эрозию , испарение и седиментацию . [13] Все водоемы имеют определенный состав как органических , так и неорганических элементов и соединений. Биологические реакции также влияют на химические свойства воды. Помимо природных процессов, на химический состав водных систем и качество их воды сильно влияет деятельность человека. [17]
Аллохтонные источники углерода или питательных веществ происходят извне водной системы (например, из растений и почвенного материала). Источники углерода внутри системы, такие как водоросли и микробное расщепление водных твердых частиц органического углерода , являются автохтонными . В водных пищевых цепях часть биомассы, полученная из аллохтонного материала, называется «аллохтонией». [20] В ручьях и малых озерах преобладают аллохтонные источники углерода, а в крупных озерах и океане – автохтонные. [21]
Кислород и углекислый газ [ править ]
Растворенный кислород и растворенный углекислый газ часто обсуждаются вместе из-за их совместной роли в дыхании и фотосинтезе . Концентрация растворенного кислорода может быть изменена физическими, химическими и биологическими процессами и реакциями. Физические процессы, включая перемешивание ветром, могут увеличивать концентрацию растворенного кислорода, особенно в поверхностных водах водных экосистем. Поскольку растворимость растворенного кислорода связана с температурой воды, изменения температуры влияют на концентрацию растворенного кислорода, поскольку более теплая вода имеет меньшую способность «удерживать» кислород, чем более холодная вода. [22] Биологически и фотосинтез, и аэробное дыхание влияют на концентрацию растворенного кислорода. [17] Фотосинтез автотрофных организмов , таких как фитопланктон и водные водоросли , увеличивает концентрацию растворенного кислорода и одновременно снижает концентрацию углекислого газа, поскольку углекислый газ поглощается во время фотосинтеза. [22] Все аэробные организмы водной среды при аэробном дыхании поглощают растворенный кислород, при этом в качестве побочного продукта этой реакции выделяется углекислый газ. Поскольку фотосинтез ограничен светом, и фотосинтез, и дыхание происходят в дневное время, тогда как дыхание происходит только в темное время или в темных частях экосистемы. Баланс между производством и потреблением растворенного кислорода рассчитывается как скорость водного метаболизма . [23]
На вертикальные изменения концентрации растворенного кислорода влияют как ветровое перемешивание поверхностных вод, так и баланс между фотосинтезом и дыханием органического вещества . Эти вертикальные изменения, известные как профили, основаны на тех же принципах, что и термическая стратификация и проникновение света. По мере того, как доступность света снижается глубже в толще воды, скорость фотосинтеза также снижается, и образуется меньше растворенного кислорода. Это означает, что концентрация растворенного кислорода обычно снижается по мере продвижения вглубь водоема, поскольку фотосинтез не пополняет растворенный кислород, который поглощается при дыхании. [17] В периоды термической стратификации градиенты плотности воды не позволяют поверхностным водам, богатым кислородом, смешиваться с более глубокими водами. Длительные периоды стратификации могут привести к истощению растворенного кислорода в придонной воде; когда концентрация растворенного кислорода ниже 2 миллиграммов на литр, воды считаются гипоксическими . [22] Когда концентрация растворенного кислорода составляет примерно 0 миллиграммов на литр, условия являются бескислородными . Как гипоксические, так и бескислородные воды уменьшают доступную среду обитания для организмов, которые дышат кислородом, и способствуют изменениям в других химических реакциях в воде. [22]
Азот и фосфор [ править ]
Азот и фосфор являются экологически значимыми питательными веществами в водных системах. Азот обычно присутствует в водных экосистемах в виде газа, однако большинство исследований качества воды, как правило, сосредоточены на нитратов , нитритов и аммиака . уровнях [13] Большинство этих растворенных соединений азота имеют сезонный характер: их концентрации в осенние и зимние месяцы выше, чем в весенние и летние . [13] Роль фосфора в водных экосистемах иная, поскольку он является лимитирующим фактором роста фитопланктона из-за, как правило, его низких концентраций в воде. [13] Растворенный фосфор также имеет решающее значение для всех живых существ, часто сильно ограничивает первичную продуктивность пресной воды и имеет свой собственный характерный экосистемный цикл . [17]
Биологические свойства [ править ]
в экологии Роль
Из озер «относительно легко брать образцы, потому что они имеют четкие границы (по сравнению с наземными экосистемами) и потому что полевые эксперименты относительно легко проводить», что делает их особенно полезными для экологов, которые пытаются понять экологическую динамику. [24]
Трофическая классификация озер [ править ]
Один из способов классификации озер (или других водоемов) — индекс трофического состояния . [2] Олиготрофное озеро характеризуется относительно низким уровнем первичной продукции и низким содержанием питательных веществ . Эвтрофное озеро имеет высокий уровень первичной продуктивности из-за очень высокого уровня питательных веществ. Эвтрофикация озера может привести к цветению водорослей . Дистрофические озера имеют высокий уровень гуминового вещества и обычно имеют желто-коричневую воду чайного цвета. [2] Эти категории не имеют жестких спецификаций; систему классификации можно рассматривать как скорее спектр, охватывающий различные уровни продуктивности водных организмов. [ нужна цитата ]
Тропическая лимнология [ править ]
Тропическая лимнология — это уникальная и важная область лимнологии, которая фокусируется на различных физических, химических, биологических и культурных аспектах пресноводных систем в тропических регионах . [25] Физические и химические свойства тропической водной среды отличаются от таковых в регионах с умеренным климатом , с более теплыми и стабильными температурами, более высоким уровнем питательных веществ и более сложными экологическими взаимодействиями. [25] Более того, биоразнообразие тропических пресноводных систем обычно выше, антропогенное воздействие часто более серьезное, и существуют важные культурные и социально-экономические факторы, которые влияют на использование и управление этими системами. [25]
Профессиональные организации [ править ]
Людей, изучающих лимнологию, называют лимнологами. Эти ученые в основном изучают характеристики внутренних пресноводных систем, таких как озера, реки, ручьи, пруды и водно-болотные угодья. Они также могут изучать неокеанические водоемы с соленой водой, такие как Большое Соленое озеро. Существует множество профессиональных организаций, связанных с лимнологией и другими аспектами водной науки, в том числе Ассоциация наук лимнологии и океанографии , Иберийская ассоциация лимнологов , Международное общество лимнологов , Польское лимнологическое общество , Общество канадских лимнологов, и Пресноводная биологическая ассоциация . [ нужна цитата ]
См. также [ править ]
- Гидрология - наука о движении, распределении и качестве воды на Земле и других планетах.
- Экосистема озера , также известная как лентические экосистемы — тип экосистемы.
- Лимноформирование
- Лимнологическая башня — Сооружение для изучения водных экосистем.
- Речная экосистема , также известная как Лотические экосистемы — тип водной экосистемы с текущей пресной водой.
- Палеолимнология - Научное изучение древних озер и ручьев.
Ссылки [ править ]
- ^ Кумар, Арвинд (2005). Основы лимнологии . Издательство АПХ. ISBN 9788176489195 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Ветцель, Р.Г. (2001). Лимнология: озерные и речные экосистемы (3-е изд.). Академическая пресса . ISBN 0-12-744760-1 . ) [ нужна страница ]
- ^ Марш, Г. Алекс; Фэрбридж, Родс В. (1999). «Стоматичные и лотичные экосистемы». Экологическая геология . Дордрехт: Springer Нидерланды. стр. 381–388. дои : 10.1007/1-4020-4494-1_204 . ISBN 978-1-4020-4494-6 . Проверено 21 апреля 2022 г.
- ^ Даунинг, Джон А. (январь 2009 г.). «Глобальная лимнология: расширение водных услуг и процессов на планете Земля». Протоколы SIL, 1922–2010 гг . 30 (8): 1149–1166. Бибкод : 2009SILP...30.1149D . дои : 10.1080/03680770.2009.11923903 . S2CID 131488888 .
- ^ Коул, Джей-Джей; Прейри, Ю.Т; Карако, Северная Каролина; Макдауэлл, Вашингтон; Транвик, LJ; Штригль, Р.Г.; Дуарте, CM; Кортелайнен, П.; Даунинг, Дж. А.; Мидделбург, Джей-Джей; Мелак, Дж. (23 мая 2007 г.). «Изучение глобального углеродного цикла: интеграция внутренних вод в земной углеродный бюджет». Экосистемы . 10 (1): 172–185. Бибкод : 2007Ecosy..10..172C . CiteSeerX 10.1.1.177.3527 . дои : 10.1007/s10021-006-9013-8 . S2CID 1728636 .
- ^ Транвик, Ларс Дж.; Даунинг, Джон А.; Котнер, Джеймс Б.; Луазель, Стивен А.; Стригль, Роберт Г.; Баллатор, Томас Дж.; Диллон, Питер; Финли, Керри; Фортино, Кеннет; Нолл, Лесли Б.; Кортелайнен, Пиркко Л.; Куцер, Тийт; Ларсен, Сорен; Лорион, Изабель; Пиявка, Дина М.; Маккалистер, С. Ли; Макнайт, Дайан М.; Мелак, Джон М.; Оверхолт, Эрин; Портер, Джейсон А.; Прейри, Ив; Ренвик, Уильям Х.; Роланд, Фабио; Шерман, Брэдфорд С.; Шиндлер, Дэвид В.; Собек, Себастьян; Трамбле, Ален; Ванни, Майкл Дж.; Вершур, Антони М.; фон Вахенфельдт, Эдди; Вейхенмейер, Геса А. (ноябрь 2009 г.). «Озера и водохранилища как регуляторы круговорота углерода и климата» . Лимнология и океанография . 54 (6 часть 2): 2298–2314. Бибкод : 2009LimOc..54.2298T . дои : 10.4319/lo.2009.54.6_part_2.2298 . hdl : 10852/11601 .
- ^ Раймонд, Питер А.; Хартманн, Йенс; Лауэрвальд, Ронни; Собек, Себастьян; Макдональд, Кори; Гувер, Марк; Бутман, Дэвид; Стригль, Роберт; Майорга, Эмилио; Гумборг, Кристоф; Кортелайнен, Пиркко; Дюрр, Ганс; Мейбек, Мишель; Сиа, Филипп; Гут, Питер (21 ноября 2013 г.). «Глобальные выбросы углекислого газа из внутренних вод» . Природа . 503 (7476): 355–359. Бибкод : 2013Natur.503..355R . дои : 10.1038/nature12760 . ПМИД 24256802 . S2CID 4460910 .
- ^ Энгель, Фабиан; Фаррелл, Кейтлин Дж.; Маккалоу, Ян М.; Скордо, Факундо; Денфельд, Блейз А.; Дуган, Хилари А.; де Эйто, Эльвира; Хэнсон, Пол С.; МакКлюр, Райан П.; Ныгес, Петер; Ныгес, Тийна; Райдер, Элизабет; Уэзерс, Кэтлин С.; Вейхенмейер, Геса А. (26 марта 2018 г.). «Концепция классификации озер для более точной глобальной оценки экспорта растворенного неорганического углерода из наземных экосистем во внутренние воды» . Наука о природе . 105 (3): 25. Бибкод : 2018SciNa.105...25E . дои : 10.1007/s00114-018-1547-z . ПМК 5869952 . ПМИД 29582138 .
- ^ О'Рейли, Кэтрин М.; Шарма, Сапна; Грей, Дерек К.; Хэмптон, Стефани Э.; Прочтите, Джордан С.; Роули, Рекс Дж.; Шнайдер, Филипп; Лентерс, Джон Д.; Макинтайр, Питер Б.; Кремер, Бенджамин М.; Вейхенмейер, Геза А.; Страйл, Дитмар; Донг, Бо; Адриан, Рита; Аллан, Мэтью Г.; Анневиль, Орлейн; Арвола, Лаури; Остин, Джей; Бейли, Джон Л.; Барон, Джилл С.; Брукс, Джастин Д.; Эйто, Эльвира де; Докулил, Мартин Т.; Гамильтон, Дэвид П.; Хэвенс, Карл; Хетерингтон, Эми Л.; Хиггинс, Скотт Н.; Крюк, Саймон; Изместьева Любовь Р.; Йоэнк, Клаус Д.; Кангур, Кулли; Каспржак, Питер; Кумагай, Мичио; Куусисто, Эско; Лешкевич, Георгий; Ливингстон, Дэвид М.; Макинтайр, Салли; Мэй, Линда; Мелак, Джон М.; Мюллер-Наварра, Дорте К.; Науменко Михаил; Ногес, Петер; Ногес, Тиина; Норт, Райан П.; Плиснье, Пьер-Дени; Ригози, Анна; Риммер, Алон; Рогора, Микела; Рудстам, Ларс Г.; Русак, Джеймс А.; Сальмасо, Нико; Самал, Нихар Р.; Шиндлер, Дэниел Э.; Шладоу, С. Джеффри; Шмид, Мартин; Шмидт, Силке Р.; Силов, Евгений; Сойлу, М. Эврен; Тойбнер, Катрин; Вербург, Пит; Вотилайнен, Ари; Уоткинсон, Эндрю; Уильямсон, Крейг Э.; Чжан, Гоцин (2015). «Быстрое и сильно изменчивое потепление поверхностных вод озер по всему миру» . Письма о геофизических исследованиях . 42 (24): 10, 773–10, 781. Бибкод : 2015GeoRL..4210773O . дои : 10.1002/2015gl066235 . hdl : 10289/10465 .
- ^ Фрей, Д.Г. (редактор), 1963. Лимнология в Северной Америке. Университет Висконсина Пресс, Мэдисон
- ^ «История лимнологии - цифровые коллекции UW» . Проверено 2 мая 2019 г.
- ^ Беккель, Аннамари Л. «Открытие новых вод: век лимнологии в Университете Висконсина. Специальный выпуск» .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час я дж Хорн, Александр Дж; Гольдман, Чарльз Р. (1994). Лимнология (Второе изд.). Соединенные Штаты Америки: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-023673-8 . [ нужна страница ]
- ^ Уэлч, PS (1935). Лимнология (научно-зоологические публикации) . Соединенные Штаты Америки: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-069179-7 . [ нужна страница ]
- ^ Перейти обратно: а б Сикелл, Д.; Сил, Б.; Линдмарк, Э.; Быстрем, П. (2021). «Отношения фрактального масштабирования для устьев рек и озер» . Письма о геофизических исследованиях . 48 (9): e2021GL093366. Бибкод : 2021GeoRL..4893366S . дои : 10.1029/2021GL093366 . ISSN 1944-8007 . S2CID 235508504 .
- ^ Перейти обратно: а б Тундизи, Хосе Галиция; Тундиси, Такако Мацумура (27 января 2012 г.). Лимнология (0-е изд.). ЦРК Пресс. дои : 10.1201/b11386 . ISBN 978-0-203-80395-0 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г Бойд, Клод Э. (2015). Качество воды: Введение (второе изд.). Швейцария: Шпрингер. ISBN 978-3-319-17445-7 . [ нужна страница ]
- ^ Ян, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли С.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геза А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хрычик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (2021). «Новая термическая классификация покрытых льдом озер» . Письма о геофизических исследованиях . 48 (3): e2020GL091374. Бибкод : 2021GeoRL..4891374Y . дои : 10.1029/2020GL091374 . ISSN 1944-8007 . S2CID 233921281 .
- ^ Перейти обратно: а б Ветцель, Р.Г. (2001). Лимнология: Озерные и речные экосистемы. Сан-Диего: Академическая пресса. [ нужна страница ] стр74, 86
- ^ Гросбуа, Г., дель Джорджио, Пенсильвания и Раутио, М. (2017). Аллохтонность зоопланктона бореального озера пространственно неоднородна . Фрешват. Биол., 62, 474-490.
- ^ Эби, Дж. Н., 2004, Принципы геохимии окружающей среды: Томсон Брукс / Коул, Пасифик Гроув, Калифорния, 514 стр.
- ^ Перейти обратно: а б с д Доддс, Уолтер К. (2010). Экология пресной воды: концепции и экологические применения лимнологии . В то время как, Мэтт Р. (2-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Академическая пресса. ISBN 9780123747242 . OCLC 784140625 . [ нужна страница ]
- ^ Коул, Джонатан Дж.; Карако, Нина Ф. (2001). «Углерод в водосборах: связь потерь углерода на суше с водным метаболизмом». Морские и пресноводные исследования . 52 (1): 101. дои : 10.1071/mf00084 . S2CID 11143190 .
- ^ Ламперт В. и Соммер У. 2007. Лимноэкология.
- ^ Перейти обратно: а б с Льюис, Уильям М. (1987). «Тропическая лимнология» . Ежегодный обзор экологии и систематики . 18 : 159–184. doi : 10.1146/annurev.es.18.110187.001111 . ISSN 0066-4162 . JSTOR 2097129 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Джеральд А. Коул, Учебник лимнологии , 4-е изд. (Вэйвленд Пресс, 1994) ISBN 0-88133-800-1
- Стэнли Додсон, Введение в лимнологию (2005 г.), ISBN 0-07-287935-1
- Эй.Дж.Хорн и Ч.Р.Голдман: Лимнология (1994), ISBN 0-07-023673-9
- Г. Е. Хатчинсон , Трактат по лимнологии , 3 тт. (1957–1975) - классика, но устаревшая.
- Х.Б.Н. Хайнс, Экология проточной воды (1970)
- Джейкоб Калфф, Лимнология ( Прентис Холл , 2001)
- Б. Мосс, Экология пресных вод ( Блэквелл , 1998).
- Роберт Г. Ветцель и Джин Э. Лайкенс , Лимнологический анализ , 3-е изд. ( Шпрингер-Верлаг , 2000)
- Патрик Э. О'Салливан и Колин С. Рейнольдс Справочник по озерам: лимнология и пресноводная экология ISBN 0-632-04797-6
