11.3. Кальцій у водних екосистемах

Кальцій — один з найголовніших іонів водних екосистем. Він переважає серед катіонів слабомінералізованих вод, а при зростанні загальної мінералізації його доля порівняно з іншими хімічними елементами зменшується. У природних водах Са²⁺ утворює важкорозчинні сполуки з карбонатами та сульфатами, які в значній кількості випадають в осад. Внаслідок цього його концентрація як у морській, так і в прісній воді звичайно не перевищує 1 %. Кальцій в хімічних реакціях виступає як активний відновник, легко взаємодіє з киснем, утворюючи у воді гідроксид кальцію Са(ОН)₂.

Основним джерелом надходження кальцію в поверхневі води є вимивання з вапняків, доломітів, вапнякового цементу, гіпсу. Певна частина його надходить у водойми внаслідок вивітрювання з кальцієвмісних сполук. У підземні води він переходить у процесі інфільтрації через поверхневі шари ґрунту. Значна кількість кальцію надходить у водойми із стічними водами та змивається з сільськогосподарських угідь, де застосовуються мінеральні добрива, що містять його фосфорні сполуки.

Вміст кальцію в морських і океанічних водах

Океанічні (морські) води є водами хлоридного класу, групи натрію. Тому вміст Са²⁺ в них менший у порівнянні з поверхневими водами суші. Основна кількість кальцію надходить У Світовий океан з річковим стоком. Щорічно з річковими вода ми в моря і океани поступає до 961 млн т карбонату кальці 10 і 558 млн т розчиненого кальцію. Його концентрація неоднакова на різних глибинах. Так, в поверхневому шарі Чорного моря вона досягає 0,250 г/дм³, а на глибині 200 м — 0,287 г/дм³. відповідні концентрації для Азовського моря становлять 0,155–0,186 г/дм³ у поверхневих і 0,215 г/дм³ — у придонних шаpax води. Менша концентрація в поверхневих шарах води пов'язана з використанням кальцію планктонними організмами в процесі фотосинтезу. Більш висока концентрація кальцію в центральних ділянках морських акваторій.

Істотну роль відіграє фактор розбавлення морської води атмосферними опадами. На відміну від океанічних вод, іонний склад яких схожий повсюдно, в морях відзначається значна різниця як у загальній мінералізації, так і в співвідношенні окремих іонів. Це можна проілюструвати на прикладі Азовського, Чорного, Каспійського і Аральського морів. Останні два моря ізольовані від Світового океану, і їх можна розглядати як великі солоні озера. Характерною особливістю їх вод є більш висока концентрація іонів кальцію, магнію і сульфатних аніонів на фоні відносно зниженого вмісту натрію. За співвідношенням головних іонів води цих морів можна розглядати як проміжні між річковими і морськими. Каспійське море перенасичене карбонатами кальцію, що пов'язано із значним вмістом у воді іонів СО₃^2- та постійним надходженням їх з річковим стоком Волги. Аральське море насичене кальцієм (до 2,55—3,00 г/дм³), оскільки його води формуються за рахунок материкового стоку. В морях Північного Полярного басейну концентрація кальцію значно менша.

Висока мінералізація океанічних і морських вод супроводжується осадженням великої кількості солей. Майже весь кальцій і НСО₃^- , що надходять у Світовий океан з річковим стоком, випадають в осад. Це становить щорічно 494 млн т розчиненого кальцію, 1361 млн т СаСО₃ і MgCО₃, а 1,4*10⁹ г кальцію потрапляє в донні відкладення в процесі відмирання рослинних і тваринних організмів.

Вміст кальцію у континентальних водах

Вміст кальцію в поверхневих водах суші дуже мінливий і може істотно відрізнятися в залежності від геологічних умов водозбірної площі та кліматичних умов. Води більшості озер, річок, водосховищ належать до гідрокарбонатного класу, групи кальцію. При цьому в межах мінералізації річкових вод до 1000 мг/дм³ домінуюче положення серед інших катіонів займає кальцій. Із збільшенням мінералізації вище 1000 мг/дм³ можуть переважати іони натрію, а інколи магнію. Ця закономірність простежується майже на всій території України.

За вмістом Са²⁺ у воді малі річки поділяють на п'ять зон. До першої належать річки з вмістом Са²⁺ у воді від 17 до 25 мг/дм³. Це, зокрема, річки басейну Прип'яті та гірських районів Карпат (верхні притоки Дністра). У другу зону включені річки з вмістом кальцію у воді від30 до 50 мг/дм³. Це переважно річки Закарпаття та правобережні притоки Дніпра. Вміст кальцію в річках третьої зони коливається в межах 50—100 мг/дм³. До даної зони належать в основному малі річки Лісостепу, зокрема, річки Правобережжя і північної частини Лівобережжя — притоки Десни, Сули і Псла. Притоки середнього басейну Дніпра також віднесені до цієї зони. До четвертої зони належать малі річки, розташовані в південній частині Лівобережжя. Вміст кальцію в їх водах коливається від 100 до 200 мг/дм³ (річки басейну південної частини Південного Бугу і нижнього Дніпра). До п'ятої зони віднесені малі річки з вмістом кальцію у воді вище 200 мг/дм³. Такі води характерні для річок Приазов'я та Донбасу (Самара, Вовча). В їх водах на фоні високої загальної мінералізації вміст Са²⁺ досягає 380 мг/дм³.

У порівнянні з малими річками води середніх і великих річок відповідних геохімічних зон характеризуються більш високими концентраціями кальцію. Так, у воді Прип'яті у різні сезони року вона коливається від 27 до 100 мг/дм³, Десни - від 37 до 80 мг/дм³. Хімічний склад дніпровської води формується на глинистих, суглинистих і дерново-підзолистих ґрунтах Смоленсько-Московської височини. Це і визначає гідрокарбонатний характер води та відносно невелику концентрацію Са²⁺ у воді верхнього Дніпра (20—65 мг/дм³). За ходом течії вміст Са²⁺ збільшується, і уже в середній частині Дніпра становить 70—75 мг/дм³, а в нижній -80 мг/дм³. Після зарегулювання Дніпра і створення великих водосховищ концентрація кальцію в них у різні сезони року коливається в межах 20—75 мг/дм³.

Для порівняння відзначимо, що вміст кальцію у воді річок, які впадають у Балтійське, Біле і Баренцове моря , менший, ніж у річках Азовсько-Чорноморського басейну. Його вміст коливається від 4 мг/дм³ (Тулома) до 40—60 мг/дм³ (Печора, Луга, Західна Двіна, Неман). У волзьких водосховищах (Рибінське, Углицьке, Горьківське) його концентрація становить в середньому 36 мг/дм³, а в пониззі Волги зростає до 120 мг/дм³.

Незалежно від типу водойм на вміст у них кальцію істотний вплив справляють атмосферні опади і сезон року. В період весняної повені при надходженні значних об'ємів бідних на кальцій снігових і дощових вод його концентрація значно спадає, а у меженний період, навпаки, зростає.

Серед різних форм кальцію найбільше значення для екосистем мають його карбонатні солі. Вміст карбонатів у природних водах залежить від розчинення карбонатних порід та хімічного вивітрювання алюмосилікатів під впливом розчиненого у воді СО₂.

При високій інтенсивності процесів фотосинтезу в літній період, коли утилізуються не тільки розчинений у воді СО₂, але і вуглекислота, зв'язана іншими сполуками, карбонатна рівновага зміщується в напрямі розпаду гідрокарбонатів з утворенням карбонатів і вільного СО₂, що утилізується водяними рослинами в процесі фотосинтезу. Карбонати вступають у реакцію з кальцієм і магнієм, утворюючи важкорозчинні СаСО₃ і MgCО₃, які випадають в осад. Взимку, при послабленні фотосинтезу, відбувається зворотний процес розчинення карбонату кальцію.

У більшості внутрішніх водойм іон НСОз є основною складовою частиною сольового складу вод. Вміст його в річкових водах може коливатись від 50 до 500 мг/дм³. Основним джерелом НСО₃^- у воді є карбонатні породи - вапняки і доломіти, які поширені серед осадових порід. Розчиняючись У воді, яка містить СО₂, вони збагачують воду іонами Са²⁺ і НСО₃^-. Гідрокарбонатні води утворюються також внаслідок вивітрювання алюмосилікатів — найпоширеніших сполук земної поверхні (польові шпати, цеоліти, нефеліни тощо).

Вирішальним фактором формування карбонатного режиму водойм, зокрема неглибоких рибоводних ставків, є концентрація у воді діоксиду вуглецю. Добре прогрівання таких ставків У літні теплі дні, невисока проточність та добре розвинутий фітопланктон, а по берегах — вища водяна рослинність створюють необхідні умови для інтенсивного фотосинтезу.