Лимнология - Limnology

Озеро Хавеа, Новая Зеландия

Лимнология (/лɪмˈпɒлədʒя/ пределNOL--джи; от греческого λίμνη, Limne, "озеро" и λόγος, логотипы, "знание"), изучение внутренних водные экосистемы.[1] Изучение лимнологии включает аспекты биологический, химический, физический, и геологический характеристики и функции внутренних вод (проточные и стоячие, пресные и соленые, природные и искусственные). Это включает изучение озера, резервуары, пруды, реки, пружины, потоки, водно-болотные угодья, и грунтовые воды.[2] Более поздняя суб-дисциплина лимнологии, получившая название ландшафтная лимнология, изучает, управляет и стремится сохранить эти экосистемы используя ландшафтную перспективу, явно исследуя связи между водной экосистемой и ее водосборный бассейн. В последнее время потребность понять глобальные внутренние воды как часть Система Земли создал субдисциплину, названную глобальной лимнологией.[3] Этот подход рассматривает процессы во внутренних водах в глобальном масштабе, такие как роль внутренних водных экосистем в глобальных биогеохимических циклах.[4][5][6][7][8]

Лимнология тесно связана с водная экология и гидробиология, которые изучают водные организмы и их взаимодействие с абиотической (неживой) средой. В то время как лимнология в значительной степени пересекается с дисциплинами, ориентированными на пресную воду (например, пресноводная биология ), это также включает изучение внутренних соленых озер.

История

Термин лимнология был придуман Франсуа-Альфонс Форель (1841–1912), который основал эту область своими исследованиями Женевское озеро. Интерес к дисциплине стремительно расширился, и в 1922 г. Август Тиенеманн (немецкий зоолог) и Эйнар Науманн (шведский ботаник) соучредителем Международное общество лимнологов (SIL, от Societas Internationalis Limnologiae ). Исходное определение лимнологии Фореля: океанография озер ", была расширена, чтобы охватить изучение всех внутренних водоемов,[2] и повлиял Бенедикт Дыбовски работает над озеро Байкал.

Выдающиеся ранние американские лимнологи включали Дж. Эвелин Хатчинсон и Эд Диви.[9] На Университет Висконсин-Мэдисон, Эдвард А. Бирге, Чэнси Джудей, Чарльз Р. Гольдман, и Артур Д. Хаслер способствовал развитию Центр лимнологии.[10][11]

Общая лимнология

Физические свойства

Физические свойства водных экосистем определяются сочетанием тепла, течений, волн и других сезонных распределений условий окружающей среды.[12] В морфометрия Объем 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.[13] река и транслировать морфометрия системы определяется геологией, лежащей в основе данной области, а также общей скоростью движения воды.[12] Морфометрия ручья также зависит от топографии (особенно уклона), а также от характера осадков и других факторов, таких как растительность и освоение земель.

Другие типы водных систем, которые подпадают под изучение лимнологии: эстуарии. Эстуарии - это водоемы, классифицируемые по взаимодействию реки и океана или моря.[12] Водно-болотные угодья различаются по размеру, форме и рисунку, однако наиболее распространенные типы, болота, трясины и болота, часто колеблются между мелководными, пресноводными и сухими в зависимости от времени года.[12]

Легкие взаимодействия

Световое зонирование - это концепция того, как количество солнечного света, проникающего в воду, влияет на структуру водоема.[12] Эти зоны определяют различные уровни продуктивности в водных экосистемах, таких как озеро. Например, глубина водного столба, в которую может проникать солнечный свет и где может расти большая часть растений, известна как световой или эвфотический зона. Остальная часть толщи воды, которая находится глубже и не получает достаточного количества солнечного света для роста растений, известна как афотическая зона.[12]

Термическая стратификация

Аналогично световой зональности, термической стратификация или термическое зонирование - это способ группирования частей водного объекта в водной системе на основе температуры различных слоев озера. Менее мутный чем вода, тем больше света может проникнуть внутрь и, таким образом, тепло передается глубже в воду.[14] Нагревание экспоненциально уменьшается с увеличением глубины водяного столба, поэтому вода будет более теплой у поверхности, но постепенно холоднее по мере движения вниз. Термическая стратификация озера определяется тремя основными разделами. В эпилимнион находится ближе всего к поверхности воды и поглощает длинноволновое и коротковолновое излучение, нагревая поверхность воды. В более прохладные месяцы сдвиг ветра может способствовать охлаждению водной поверхности. В термоклин это область в толще воды, где температура воды быстро понижается.[14] Нижний слой - это гиполимнион, в котором обычно самая холодная вода, потому что ее глубина не позволяет солнечному свету достигать ее.[14] В озерах с умеренным климатом осеннее охлаждение поверхностных вод приводит к круговороту водяного столба, где термоклин нарушается, и температурный профиль озера становится более однородным. В относительное термическое сопротивление это энергия, необходимая для смешивания этих слоев с разными температурами.[15]

Бюджет тепла озера

Годовой баланс тепла, также обозначенный как θа, - общее количество тепла, необходимое для повышения температуры воды с минимальной зимней температуры до максимальной летней температуры. Это можно вычислить, интегрировав площадь озера на каждом интервале глубин (Az), умноженное на разность лета (θsz) и зимой (θwz) температуры или Аz(θsz-θwz)[16]

Химические свойства

На химический состав воды в водных экосистемах влияют природные характеристики и процессы, в том числе: осадки, лежащий в основе почва и коренная порода в водосборный бассейн, эрозия, испарение, и осаждение.[12] Все водоемы имеют определенный состав обоих органический и неорганический элементы и соединения. Биологические реакции также влияют на химические свойства воды. Помимо естественных процессов, деятельность человека сильно влияет на химический состав водных систем и качество их воды.[14]

Кислород и углекислый газ

Растворенный кислород и распался углекислый газ часто обсуждаются вместе из-за их совместной роли в дыхание и фотосинтез. Концентрация растворенного кислорода может изменяться в результате физических, химических и биологических процессов и реакций. Физические процессы, включая ветровое перемешивание, 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.[17] С биологической точки зрения, фотосинтез и аэробное дыхание влияют на концентрацию растворенного кислорода.[14] Фотосинтез автотрофные организмы, Такие как фитопланктон и водные водоросли, увеличивает концентрацию растворенного кислорода при одновременном снижении концентрации углекислого газа, так как углекислый газ поглощается во время фотосинтеза.[17] Все аэробные организмы в водной среде поглощают растворенный кислород во время аэробного дыхания, а двуокись углерода выделяется как побочный продукт этой реакции. Поскольку фотосинтез ограничен светом, фотосинтез и дыхание происходят во время дневной свет часов, в то время как во время тьма часов или в темных частях экосистемы. Баланс между производством и потреблением растворенного кислорода рассчитывается как скорость водного обмена.[18]

Вертикальные изменения концентрации растворенного кислорода зависят как от ветрового перемешивания поверхностных вод, так и от баланса между фотосинтезом и дыханием органическая материя. Эти вертикальные изменения, известные как профили, основаны на тех же принципах, что и термическая стратификация и проникновение света. По мере того, как доступность света уменьшается глубже в толще воды, скорость фотосинтеза также уменьшается, и образуется меньше растворенного кислорода. Это означает, что концентрация растворенного кислорода обычно уменьшается по мере того, как вы погружаетесь в воду, потому что фотосинтез не восполняет растворенный кислород, который поглощается посредством дыхания.[14] В периоды термической стратификации градиенты плотности воды не позволяют поверхностным водам, богатым кислородом, смешиваться с более глубокими водами. Продолжительные периоды стратификации могут привести к истощению растворенного кислорода в придонной воде; когда концентрация растворенного кислорода ниже 2 миллиграммов на литр, вода считается гипоксический.[17] Когда концентрация растворенного кислорода составляет примерно 0 миллиграммов на литр, условия являются аноксический. И гипоксические, и бескислородные воды сокращают доступную среду обитания для организмов, которые вдыхают кислород, и вносят свой вклад в изменения других химических реакций в воде.[17]

Азот и фосфор

Азот и фосфор являются экологически значимыми питательными веществами в водных системах. Азот обычно присутствует в виде газ в водных экосистемах, однако большинство исследований качества воды, как правило, сосредоточено на нитрат, нитрит и аммиак уровни.[12] Большинство этих растворенных азотных соединений имеют сезонный характер с более высокими концентрациями в Осень и зима месяцев по сравнению с весна и летом.[12] Фосфор играет иную роль в водных экосистемах, поскольку он является ограничивающим фактором роста фитопланктона из-за, как правило, низких концентраций в воде.[12] Растворенный фосфор также имеет решающее значение для всех живых существ, часто очень ограничивает первичную продуктивность в пресной воде и имеет свою особую экосистему. кататься на велосипеде.[14]

Биологические свойства

Озеро Джордж, Нью-Йорк, США, олиготрофное озеро

Трофическая классификация озер

Один из способов классификации озер (или других водоемов) - это индекс трофического состояния.[2] Для олиготрофного озера характерны относительно низкие уровни основное производство и низкий уровень питательные вещества. Эвтрофное озеро имеет высокий уровень первичной продуктивности из-за очень высокого уровня питательных веществ. Эвтрофикация озера может привести к цветение водорослей. Дистрофические озера имеют высокий уровень гуминовое вещество и обычно имеют желто-коричневую воду чайного цвета.[2] Эти категории не имеют жестких спецификаций; Систему классификации можно рассматривать как более широкий спектр, охватывающий различные уровни продуктивности водных ресурсов.

Профессиональные организации

Людей, изучающих лимнологию, называют лимнологами. Есть много профессиональных организаций, связанных с лимнологией и другими аспектами водной науки, включая Ассоциация наук лимнологии и океанографии, то Asociación Ibérica de Limnología, то Международное общество лимнологов, то Польское лимнологическое общество, Общество канадских лимнологов и Пресноводная биологическая ассоциация.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кумар, Арвинд (2005). Основы лимнологии. Издательство APH. ISBN  9788176489195.
  2. ^ а б c d Ветцель, Р. 2001. Лимнология: озерные и речные экосистемы, 3-е изд. Академическая пресса (ISBN  0-12-744760-1)[страница нужна ]
  3. ^ Даунинг, Джон А. (январь 2009 г.). «Глобальная лимнология: расширение водных услуг и процессов до планеты Земля». Труды SIL, 1922-2010. 30 (8): 1149–1166. Дои:10.1080/03680770.2009.11923903. S2CID  131488888.
  4. ^ Cole, J. J .; Prairie, Y.T .; Caraco, N.F .; McDowell, W.H .; Tranvik, L.J .; Striegl, R.G .; Duarte, C.M .; Kortelainen, P .; Даунинг, Дж. А .; Мидделбург, Дж. Дж .; Мелак, Дж. (23 мая 2007 г.). «Осуществление глобального углеродного цикла: включение внутренних вод в углеродный бюджет суши». Экосистемы. 10 (1): 172–185. CiteSeerX  10.1.1.177.3527. Дои:10.1007 / s10021-006-9013-8. S2CID  1728636.
  5. ^ Транвик, Ларс Дж .; Даунинг, Джон А .; Котнер, Джеймс Б.; Loiselle, Steven A .; Стригль, Роберт Г .; Ballatore, Thomas J .; Диллон, Питер; Финли, Керри; Фортино, Кеннет; Knoll, Lesley B .; Kortelainen, Pirkko L .; Куцер, Тийт; Ларсен, Сорен .; Лаурион, Изабель; Пиявка, Дина М .; Маккалистер, С. Ли; Макнайт, Дайан М .; Мелак, Джон М .; Оверхолт, Эрин; Портер, Джейсон А .; Прери, Ив; Ренвик, Уильям Х .; Роланд, Фабио; Sherman, Bradford S .; Шиндлер, Дэвид В .; Собек, Себастьян; Трембле, Ален; Ванни, Майкл Дж .; Verschoor, Антони М .; фон Вахенфельдт, Эдди; Вейхенмейер, Геса А. (ноябрь 2009 г.). «Озера и водохранилища как регуляторы круговорота углерода и климата». Лимнология и океанография. 54 (6part2): 2298–2314. Bibcode:2009LimOc..54.2298T. Дои:10.4319 / lo.2009.54.6_part_2.2298. HDL:10852/11601.
  6. ^ Раймонд, Питер А .; Хартманн, Йенс; Лауэрвальд, Ронни; Собек, Себастьян; Макдональд, Кори; Гувер, Марк; Бутман, Дэвид; Стригль, Роберт; Майорга, Эмилио; Хамборг, Кристоф; Кортелайнен, Пиркко; Дюрр, Ганс; Мейбек, Мишель; Ciais, Philippe; Гут, Питер (21 ноября 2013 г.). «Глобальные выбросы двуокиси углерода из внутренних водоемов». Природа. 503 (7476): 355–359. Bibcode:2013Натура.503..355р. Дои:10.1038 / природа12760. PMID  24256802. S2CID  4460910.
  7. ^ Энгель, Фабиан; Фаррелл, Кейтлин Дж .; Маккалоу, Ян М .; Скордо, Факундо; Denfeld, Blaize A .; Дуган, Хилари А .; де Эйто, Эльвира; Hanson, Paul C .; McClure, Ryan P .; Ныгес, Пеэтер; 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. Bibcode:2018SciNa.105 ... 25E. Дои:10.1007 / s00114-018-1547-z. ЧВК  5869952. PMID  29582138.
  8. ^ О'Рейли, Кэтрин М .; Шарма, Сапна; Грей, Дерек К .; Хэмптон, Стефани Э .; Читать, Jordan S .; Роули, Рекс Дж .; Шнайдер, Филипп; Лентерс, Джон Д .; Макинтайр, Питер Б .; Kraemer, Benjamin M .; Weyhenmeyer, Gesa A .; Стрейле, Дитмар; Донг, Бо; Адриан, Рита; Аллан, Мэтью Дж .; Анневиль, Орлан; Арвола, Лаури; Остин, Джей; Бейли, Джон Л .; Барон, Джилл С .; Брукс, Джастин Д.; Эйто, Эльвира де; Докулил, Мартин Т .; Гамильтон, Дэвид П .; Хэвенс, Карл; Hetherington, Amy L .; Хиггинс, Скотт Н .; Крюк, Саймон; Изместьева, Любовь Р .; Joehnk, Klaus D .; Кангур, Кулли; Каспрзак, Питер; Кумагаи, Мичио; Куусисто, Эско; Лешкевич, Георгий; Ливингстон, Дэвид М .; Макинтайр, Салли; Мэй, Линда; Мелак, Джон М .; Мюллер-Наварра, Doerthe C .; Науменко, Михаил; Ногес, Пеэтер; Ногес, Тиина; North, Ryan P .; Плиснье, Пьер-Дени; Ригоши, Анна; Риммер, Алон; Рогора, Микела; Rudstam, Lars G .; Русак, Джеймс А .; Сальмазо, Нико; Samal, Nihar R .; Schindler, Daniel E .; Шладов, С. Джеффри; Шмид, Мартин; Schmidt, Silke R .; Силов, Евгений; Сойлу, М. Эврен; Тойбнер, Катрин; Вербург, Пит; Воутилайнен, Ари; Уоткинсон, Эндрю; Уильямсон, Крейг Э .; Чжан, Гоцин (2015). «Быстрое и весьма непостоянное потепление поверхностных вод озер по всему миру». Письма о геофизических исследованиях. 42 (24): 10, 773–10, 781. Bibcode:2015GeoRL..4210773O. Дои:10.1002 / 2015gl066235.
  9. ^ Фрей, Д. (ред.), 1963. Лимнология в Северной Америке. Университет Висконсин Press, Мэдисон
  10. ^ "История лимнологии - UW Digital Collections". Получено 2019-05-02.
  11. ^ Бекель, Аннамари Л. «Открытие новых вод: век лимнологии в Университете Висконсина. Специальный выпуск». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  12. ^ а б c d е ж грамм час я j Хорн, Александр Дж; Гольдман, Чарльз Р. (1994). Лимнология (Второе изд.). Соединенные Штаты Америки: Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-023673-8.[страница нужна ]
  13. ^ Уэлч, П.С. (1935). Лимнология (публикации зоологической науки). Соединенные Штаты Америки: Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-069179-7.[страница нужна ]
  14. ^ а б c d е ж грамм Бойд, Клод Э. (2015). Качество воды: введение (Второе изд.). Швейцария: Спрингер. ISBN  978-3-319-17445-7.[страница нужна ]
  15. ^ Ветцель, Р. Г. (2001). Лимнология: озерные и речные экосистемы. Сан-Диего: Academic Press.[страница нужна ]
  16. ^ Ветцель, Р. Г. (2001). Лимнология: озерные и речные экосистемы. Сан-Диего: Academic Press.[страница нужна ]
  17. ^ а б c d 1958-, Доддс, Уолтер К. (Уолтер Кеннеди) (2010). Пресноводная экология: концепции и экологические приложения лимнологии. Whiles, Мэтт Р. (2-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Academic Press. ISBN  9780123747242. OCLC  784140625.CS1 maint: числовые имена: список авторов (связь)[страница нужна ]
  18. ^ Коул, Джонатан Дж .; Карако, Нина Ф. (2001). «Углерод в водосборных бассейнах: связь потерь углерода на суше с водным метаболизмом». Морские и пресноводные исследования. 52 (1): 101. Дои:10,1071 / mf00084. S2CID  11143190.

дальнейшее чтение

  • Джеральд А. Коул, Учебник лимнологии, 4-е изд. (Waveland Press, 1994). ISBN  0-88133-800-1
  • Стэнли Додсон, Введение в лимнологию (2005), ISBN  0-07-287935-1
  • Эй Джей Хорн и К. Р. Голдман: Лимнология (1994), ISBN  0-07-023673-9
  • Г. Э. Хатчинсон, Трактат по лимнологии, 3 тт. (1957–1975) - классический, но устаревший
  • H.B.N. Хайнс, Экология проточных вод (1970)
  • Джейкоб Калфф, Лимнология (Prentice Hall, 2001)
  • Б. Мосс, Экология пресных вод (Блэквелл, 1998)
  • Роберт Г. Ветцель и Джин Э. Лайкенс, Лимнологические анализы, 3-е изд. (Springer-Verlag, 2000)
  • Патрик Э. О'Салливан и Колин С. Рейнольдс Справочник по озерам: лимнология и лимнетическая экология ISBN  0-632-04797-6