13.1. Кругообіг. Формування кисневого режиму

Основне джерело кисню у воді — повітря навколишнього середовища. Крім того значну частину кисню виділяють фотосинтезуючі рослини. Внаслідок фотосинтезу відбувається окиснення води з виділенням молекулярного кисню і відновлення діоксиду вуглецю.

Розчинність атмосферного кисню у воді залежить від температури, солоності і атмосферного тиску. Обмін з атмосферою має динамічний характер і включає два етапи: інвазію (надходження кисню у воду з повітря) і евазію (перехід кисню в атмосферу при перенасиченні ним поверхневого шару води). Обмін киснем між водним середовищем і атмосферою прискорюється при турбулентному перемішуванні водних мас, а також в умовах впливу вітру на поверхню води.

За рахунок інвазії кисень надходить у водні екосистеми разом з іншими газами повітря — вуглекислим газом, азотом і аргоном. На кожен з них в атмосфері припадає за об'ємом: азоту — 78,084 %, кисню — 20,946 і аргону — 0,934 %. Щоб розрахувати, яка кількість кисню розчиняється у воді з повітря, приймається до уваги закон Генрі-Дальтона: розчинність кожної складової частини суміші газів у рідині пропорційна тиску цього газу в даній суміші. Відповідно до коефіцієнтів їх поглинання водою (при О °С і тиску 1 атм вони становлять: для кисню — 0,049 л на 1 л води, азоту — 0,023 і аргону -0,053. 1 л води при О °С і тиску 1 атм) містить такі об'єми газів: азоту — 18,72 см3, або 63,3 %; кисню — 10,29 см³, або 34,9 % і аргону — 0,53 см³, або 1,8 %. Як видно з цих даних, вміст кисню у воді більший, ніж азоту, тоді як в атмосфері — навпаки.

Для того, щоб перерахувати об'єм розчиненого у воді кисню в його масові величини, необхідно прийняти до відома, що 1 л кисню важить 1,43 г. Розчинність кисню при атмосферному тиску 1 атм, температурі О °С і різній солоності води така:

Солоність, % О₂, мг/дм³

...

0 14,6

15 13,2

25 12,3

35 11,5

Вміст кисню в воді визначається в абсолютних величинах або відносних — відсотках насичення. Під відсотком насичення розуміють відхилення від природного нормального насичення води киснем за певних умов (температура, рН, хвилеутворення). Слід підкреслити, що за рахунок інвазії атмосферного кисню максимальне насичення не може перевищувати 100 %. Понад 100 % вміст кисню збільшується внаслідок фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин. За таких умов насиченість води киснем може досягати 150— 200 % або навіть бути більшою.

Насиченість води киснем менша від 100 % свідчить про несприятливі умови для його інвазії з повітря, знижене утворення за рахунок фотосинтезу та значне витрачання на окиснення та біологічний розклад (деструкцію) органічної речовини.

Кругообіг кисню у водних екосистемах складається з кількох пов'язаних між собою процесів, які формують прибуткову і витратну частини їх кисневого балансу. Кожна з них включає зовнішні і внутрішньоводоймні процеси. До зовнішніх елементів прибуткової частини належить надходження кисню у водні об'єкти з водою інших джерел (наприклад, річкового стоку), атмосферних опадів та підземних вод, до прибуткової частини — інвазія його з повітря, а також внутрішньоводоймне утворення кисню в процесі фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин. Витратна частина у балансі кисню водних екосистем включає споживання гідробіонтами в процесі дихання, хімічне окиснення, винос з водним стоком та евазію в атмосферу (рис. 113).

Найбільшою водною екосистемою є Світовий океан. Хоча розчинність кисню у солоній воді знижується, але загальна кількість кисню в океанічній воді набагато перевищує його вміст у наземних екосистемах. Світовий океан забезпечує підтримання динамічної рівноваги в масштабах планетарного газообміну. Як відзначав О. П. Виноградов [43], океанічна вода регулює об'єм кисню атмосфери і його ізотопний склад, швидкість проникнення кисню (як і інших газів) атмосфери і «нового» кисню з фотосинтезуючого шару в океанічну воду, первісний і кінцевий об'єми розчиненого кисню.

Масштаби виділення кисню за рахунок фотосинтезу морськими (океанічними) рослинами, які живуть в освітленому сонячною радіацією шарі води, досить значні. Завдяки цьому, а також внаслідок атмосферної аерації рівень кисню у поверхневому шарі Світового океану близький до повного насичення (93—97 %). Зі зниженням температури від екватора до полюсів середня концентрація кисню підвищується від 4,5—5,0 мг/дм³ у низьких широтах до 6,0—7,0 мг/дм³ в Антарктиці і до 7,5—8,0 мг/дм³ в Арктиці.

Вміст кисню від поверхні до більш глибоких морських і океанічних глибин поступово спадає. Так, у високих широтах Світового океану (за винятком північної частини Тихого океану) концентрація його в глибинних водах становить лише 50—70 % насичення, а в північній частині Атлантичного океану — дещо вища (70—80 % насичення).

У континентальних водоймах існують певні сезонні особливості кисневого режиму. Так, у найбільш теплий літній сезон провідну роль відіграє фотосинтез водоростей і вищих водяних рослин, завдяки якому вода збагачується киснем. Але в літні жаркі дні часто можна спостерігати різке падіння насиченості води киснем, що зумовлене зменшенням його поглинання з повітря, а також витрачанням на окиснення органічних речовин. Гострий дефіцит кисню може відчуватись і у водоймах з великими площами заростей вищих водяних рослин, а також при «цвітінні» води внаслідок масового розвитку водоростей, коли в нічні години різко гальмується фотосинтетична діяльність, але триває дихання рослин і водяних тварин. Взимку, коли кисень витрачається на окиснення відмерлих і дихання живих організмів, а інвазія з повітря різко обмежена внаслідок крижаного покриття водойм, його дефіцит може досягти критичного рівня і викликати масову загибель риб та інших водяних організмів. Такі явища досить часто спостерігаються в підльодовий період на Київському водосховищі коли з Прип'яті та верхнього Дніпра надходять води з низьким вмістом кисню. Зареєстровані непоодинокі випадки падіння концентрації кисню в зимовий період у цьому водосховищі до 0,4—1,3 мг/дм³, або до 3—9 % насичення. Особливо погіршуються умови під час тривалого льодоставу.

У річках, де більш швидка течія і відсутні застійні зони, концентрація кисню у воді значно вища порівняно з озерами та водосховищами. Особливо високе насичення киснем характерне для гірських річок з швидкою течією, де утворюються водоспади і відбувається додаткове перемішування води.

Найбільш чітко такі зміни можна простежити на прикладі р. Дністер. Водний стік Дністра формується на північно-східних схилах Карпатських гір. Основним джерелом живлення верхнього Дністра є дощові та снігові атмосферні опади. У середній частині він зарегульований трьома греблями -Дністровського, Буферного та Дубосарського водосховищ. Нижче Дубосарського водосховища, біля впадіння у Дністровський лиман, знаходяться Дністровські плавні і багато невеликих озер, проток, що формують водно-болотні угіддя. На різних ділянках ріки вміст кисню істотно відрізняється. Газовий режим верхнього Дністра та його гірських приток характеризується значним вмістом (9,1 —14,0 мг/дм³) розчиненого кисню. У нижній течії він залежить від водності та надходжень забруднюючих речовин. Так, у посушливі роки (1985—1987) його рівень не перевищував 8,1—9,6 мг/дм³. У наступні роки, коли водність ріки зростала, а навесні затоплювались плавневі зарості вищих водяних рослин, істотно підвищувався і рівень розчиненого кисню. Особливо чітко простежувалась роль вищих водяних рослин у газовому режимі в Дністровському лимані. Так, у північній частині лиману, де розташований широкий пояс вищих водяних рослин, під час весняної повені, коли в них інтенсивно проходить водообмін, насичення води киснем зростає до 140—150 % [31].

Процеси формування кисневого режиму у зв'язку з водообміном можна проілюструвати на прикладі Дніпровсько-Бузької гирлової області. Кисневий режим, який значною мірою визначає стан цієї унікальної екосистеми, залежить від масштабів і режиму попусків води через Каховський гідровузол.

Концентрація кисню в Дніпровсько-Бузькому лимані закономірно знижується зі збільшенням глибини, що обумовлено послабленням фотосинтетичної і атмосферної аерації і поглинанням кисню дном. При зменшенні попусків води через Каховський гідровузол знижується концентрація розчиненого кисню у поверхневому і особливо у придонних шарах води. Це значною мірою обумовлено проникненням солоної води з моря, що посилюється при зменшенні попусків Каховської ГЕС. Морські води, які мають більшу щільність, концентруються в придонних шарах. Чим більше надходить морської води, тим вище над дном розміщується зона стрибка щільності (пікноклин) і зв'язана з ним зона кисневого стрибка (оксиклин).

Так, якщо при попусках 1 000 м³/с концентрація розчиненого кисню в поверхневих шарах води лиману коливалась у межах 9—9,5 мг/дм³, а у придонних - 8—8,3 мг/дм³, то проведені розрахунки показали, що при попусках 150 м³/с середня по лиману концентрація кисню у нижньому шарі води становила б усього 0,8—3 мг О₂/дм³. При цьому з'являлись би безкисневі (анаеробні) зони на значних частинах лиману [29].

У Дніпровсько-Бузькому лимані в період «цвітіння» води основним джерелом органічної речовини є фітопланктон. Вміст кисню в період «цвітіння» води істотно падає, бо знач­на його кількість витрачається на окиснення органічних речовин.

Таким чином, в естуарних екосистемах кисневий режим може істотно змінюватися в залежності від характеру водообміну, надходження солоної морської води або її витіснення річковим стоком, а також, як і в інших водних екосистемах, від фотосинтетичної діяльності водоростей та вищих водяних рослин (як джерела кисню) та від процесів біологічного і хімічного окиснення органічних та мінеральних речовин.