Исследователи пролили свет на устойчивость рек к наводнениям

Ученые из Университета Невады в Рино провели одно из самых масштабных исследований устойчивости рек, изучив, как речные экосистемы восстанавливаются после наводнений. Они разработали новый модельный подход, использующий данные с датчиков кислорода, размещенных в реках, для оценки ежедневного роста водных растений и водорослей. Затем исследователи смоделировали биомассу водорослей и растений в 143 реках на территории континентальной части США, чтобы количественно определить, какая величина паводка нарушает биомассу и как долго реки восстанавливаются после наводнений.

Углубленное понимание устойчивости рек важно для поддержания их здоровья, поскольку деятельность человека может влиять на режим паводков и изменять условия в реках для других водных организмов, которые могут зависеть от водорослей и растений как источника пищи.

Исследование возглавили доцент Джоанна Блащак и научный сотрудник Хейли Лоуман из Колледжа сельского хозяйства, биотехнологии и природных ресурсов и Глобального водного центра Университета. Результаты опубликованы в двух отдельных статьях.

Предварительная работа под руководством Блащак, опубликованная в Ecology Letters в июне прошлого года, была посвящена шести рекам и заложила основу для второго исследования 143 рек, которое провела Лоуман. Его результаты были опубликованы 24 января в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследование уникально, поскольку позволяет оценивать изменения биомассы в реках чаще, чем когда-либо, без прямого отбора проб. Для этого используются данные с датчиков кислорода, установленных Геологической службой США, и популяционная модель биомассы водорослей и растений — аналогичная модели человеческой популяции, но отслеживающая изменение количества водорослей и растений.

Датчики кислорода начали собирать данные в 2007 году, и текущее исследование 143 рек включает данные за период до девяти лет — одни из самых длительных подобных записей для рек в мире.

«Раньше вам пришлось бы идти к реке и скрести камни, чтобы измерить водоросли, и делать это несколько раз в течение длительного периода, чтобы оценить изменения в росте и потере биомассы. Это очень трудоемко, поэтому данные были крайне ограничены по сравнению с масштабами наших сетей датчиков», — сказала Блащак.

С помощью датчиков кислорода, снимающих показания каждые пять минут, команда смогла использовать статистические модели для определения объема ежедневного фотосинтеза и оценки суточных изменений количества биомассы в реке с течением времени.

«Датчики растворенного кислорода показывают пик днем и спад ночью, и по этим паттернам можно оценить, сколько новых водорослей и другой биомассы выросло за день. Поскольку датчики непрерывно измеряют данные в сотнях рек уже годами, мы можем получить гораздо более полную и ясную картину. Данные есть, и мы можем использовать их, чтобы смоделировать величину паводка, необходимую для нарушения биомассы в реке, а также скорость восстановления реки после нарушений, что может помочь нам более эффективно управлять реками», — пояснила Блащак.

Начало работы

В первом исследовании Блащак использовала два года данных с датчиков кислорода в шести реках. Она обнаружила, что может успешно использовать эти данные для моделирования специфичного для каждой реки порога паводка, нарушающего биомассу. Оказалось, что величина паводка, необходимая для нарушения биомассы и снижения продуктивности экосистемы, как правило, ниже порога расхода воды, необходимого для перемещения донных отложений — общепринятой метрики нарушения в речных исследованиях.

Другими словами, вместо оценки нарушения реки по движению камней на дне, это исследование использовало биологический показатель — изменения в росте водорослей и растений — для количественной оценки нарушения и обнаружило, что биологический порог нарушения ниже.

«Количество биомассы важно для качества воды и является источником пищи для всего, что живет в реке, поэтому оно важнее, чем движение камней, с точки зрения воздействия нарушения на речную экосистему», — объяснила Блащак.

Расширение до континентального масштаба

Блащак хотела углубиться, применив этот подход к большему количеству рек за более длительный период, чтобы выяснить, как различные факторы могут влиять на пороги паводковых нарушений и устойчивость рек к наводнениям. Для этого она привлекла Лоуман ко второму, более масштабному исследованию. Работа Лоуман была посвящена характеристикам ландшафта и рек, влияющим на устойчивость рек к паводкам.

«У нас никогда не было такого глубокого понимания устойчивости рек. Благодаря объему данных и нашему моделированию мы теперь понимаем естественную изменчивость устойчивости и то, что самые широкие реки без плотин выше по течению восстанавливаются быстрее всего», — сказала Лоуман.

Тот факт, что широкие реки без плотин восстанавливаются быстрее, чем широкие реки с плотинами, не был очевиден и является примером того, как реки могут быть затронуты и/или управляемы нашими действиями. Большинство исследованных рек имели данные за три-четыре года, некоторые — до девяти лет, а несколько — менее года.

«Наличие данных за три-четыре года — это намного больше, чем мы когда-либо могли использовать раньше. И мы использовали реки разного размера с разным климатом и характеристиками земель», — отметила Лоуман.

Помимо более широких рек без плотин, более устойчивыми также оказались реки с более частыми паводками.

«Возможно, у них долгая история частых наводнений, поэтому их сообщества водорослей и растений развили способность адаптироваться к более частым нарушениям», — предположила она.

В целом, новые результаты модели согласуются с предыдущими подходами. Однако Лоуман отметила, что некоторым участкам, независимо от размера реки, требовалось гораздо больше времени — месяц или более — для восстановления после паводков.

«Это может быть связано с составом сообществ водорослей и растений, структурой русла реки или другими факторами. Пороги и время восстановления, весьма вероятно, частично зависят от уклона, размера частиц осадка и, возможно, других менее документированных факторов. Это следующие шаги для будущих исследований», — заключила она.