Исследование ставит под сомнение основную парадигму лимнологии

Согласно теории об экологическом равновесии в изучении внутренних вод (лимнологии), мелководные озера могут находиться в двух альтернативных устойчивых состояниях. Эта парадигма была поставлена под сомнение исследованием, проведенным Центром Гельмгольца по исследованию окружающей среды (UFZ) и Орхусским университетом (Дания) и опубликованным в журнале Nature Communications.

В анализе данных по 902 мелководным озерам исследовательская группа не нашла доказательств существования двух альтернативных устойчивых состояний. Авторы критически относятся к мерам управления озерами, основанным на этой теории. Они рекомендуют в будущем уделять больше внимания сокращению поступления питательных веществ для обеспечения экологического равновесия мелководных озер.

Примерно 42% озер во всем мире — это так называемые мелководные озера со средней глубиной до трех метров. «Мелководные озера — это очень важные водоемы для человека: они обеспечивают нас водой для питья, рыбалки и отдыха. Для этого важен хороший экологический статус», — говорит последний автор статьи доктор Даниэль Гребер из отдела анализа и управления водными экосистемами UFZ.

«Поскольку мелководные озера обычно питаются из поверхностных вод, они часто получают повышенное количество питательных веществ. Это может легко нарушить их экологическое равновесие».

Согласно теории, разработанной в 1990-х годах и широко принятой в лимнологии, мелководные озера должны иметь возможность самостоятельно колебаться между двумя альтернативными устойчивыми состояниями при одинаковой доступности питательных веществ: одно состояние характеризуется мутной водой с преобладанием фитопланктона, а другое — чистой водой и обилием водных растений.

«Теория также утверждает, что эти два состояния демонстрируют долгосрочную стабильность после изменения», — объясняет доктор Томас А. Дэвидсон, лимнолог из Орхусского университета и ведущий автор исследования. «Биоманипуляционные меры, основанные на этой объяснительной модели, уже были реализованы несколько сотен раз в Европе и США для улучшения экологического состояния озер».

Цель такого вмешательства: противодействовать последствиям высокого поступления питательных веществ — усиленному росту фитопланктона, дефициту кислорода, токсичному цветению сине-зеленых водорослей и гибели рыбы. Например, добавление хищных рыб призвано регулировать повышенное производство фитопланктона через экологические обратные связи: хищные рыбы поедают рыб-жертв, меньше рыб-жертв поедает меньше мелких ракообразных, а больше мелких ракообразных поедает больше фитопланктона.

Таким образом, мутное мелководное озеро, характеризующееся высоким ростом фитопланктона, должно быть переведено в свое второе устойчивое состояние — чистую воду с водными растениями и нерестилищами для рыб — с долгосрочной стабильностью, несмотря на высокую доступность питательных веществ. «Это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой», — говорит Гребер.

«За последние годы несколько исследований уже дали первые указания на то, что в реальности эта теория может играть лишь второстепенную роль. Мы хотели изучить это более подробно и проверить реальность этой широко принятой в лимнологии объяснительной модели альтернативных устойчивых состояний мелководных озер».

Для этого исследовательская группа проанализировала долгосрочные данные мониторинга 902 мелководных озер. Озера находились в Дании и США и имели глубину менее трех метров. Исследователи изучили взаимосвязь между концентрацией питательных веществ и концентрацией хлорофилла a (как меры биомассы фитопланктона) в озерах и ее изменение с течением времени.

Они разработали специальный статистический метод, чтобы проверить, возникают ли в озерах альтернативные состояния и являются ли они, как предсказывает теория, также стабильными и самоподдерживающимися в течение нескольких лет. «Сначала мы использовали симуляции, чтобы проверить, действительно ли работает наш статистический метод и способен ли он вообще обнаруживать альтернативные устойчивые состояния. Эти симуляции включали сценарии с альтернативными устойчивыми состояниями и без них, и наш метод надежно обнаруживал наличие или отсутствие альтернативных устойчивых состояний», — говорит лимнолог UFZ.

Таким образом, результаты анализа данных по 902 озерам также можно считать надежными: в изученных озерах исследовательская группа не нашла никаких указаний на наличие двух альтернативных устойчивых состояний. «Что мы смогли четко установить, так это выраженную линейную зависимость между концентрацией питательных веществ и концентрацией фитопланктона», — говорит Гребер. «Таким образом, больше питательных веществ неизбежно приводит к большему количеству фитопланктона. Ни одно из озер не показало иной реакции на высокие концентрации питательных веществ. Объяснительная модель двух альтернативных устойчивых состояний, по-видимому, не встречается в реальности — по крайней мере, для озер в умеренных зонах».

Но что означают эти результаты на практике? Как мы можем поддерживать экологическое равновесие мелководных озер? «Биоманипуляционные меры, такие как добавление хищных рыб, не могут стабилизировать экосистему мелководного озера в долгосрочной перспективе, потому что альтернативного устойчивого состояния не существует», — говорит Гребер. «Есть только один способ поддерживать равновесие мелководных озер в непрерывном устойчивом состоянии, и альтернативы нет: поступление питательных веществ должно быть последовательно сокращено».