Раздел 11. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОРЕСУРСОВ ГИДРОСФЕРЫ

Биопродукция водных экосистем. Первичная и вторичная продукция. Факторы, влияющие на продукцию. Методы оценки продукции. Мировой промысел гидробионтов. Аквакультура и акклиматизация.

Первичная и вторичная продукция

Биомассой называют совокупность организмов, присутствующих в экосистеме в момент наблюдения; она может быть выражена числом особей, а также в весовых и энергетических единицах (калориях).

Продукция – все произведенное данной биосистемой за рассматриваемое время вещество с вычетом трат на обмен, независимо от того, находится ли оно в конце исследуемого периода в системе или элиминировано.

Биологическая продукция – органическое вещество производимое популяцией.

Продуктивность – это свойство биологической системы – ее способность производить подобное себе вещество (т.е. это свойство популяций образовывать органическое вещество в форме организмов).

Продукция - это скорость продуцирования биомассы.

Первичной продукцией называется скорость, с которой продуценты (зеленые растения) в процессе фотосинтеза связывают энергию и запасают ее в форме органических веществ. В последующем эти вещества используются растительноядными организмами, т.е. консументами, в качестве пищи.

Первичной валовой продукцией называют суммарную продукцию фотосинтеза (суммарную ассимиляцию), включающую, следовательно, и вещество, сжигаемое при дыхании за период наблюдений.

Первичная чистая продукция, или видимый фотосинтез, - это скорость накопления создаваемого органического вещества сверх того, которое затрачено на дыхание. Это вещество, которое можно взвесить при уборке урожая.

Вторичной продукцией называется биомасса, продуцируемая консументами или редуцентами.

Поток энергии, проходящий через трофический уровень, представляет собой суммарную ассимиляцию на этом уровне, или сумму продуцированной биомассы и веществ, затраченных в процессе продуцирования на дыхание.

Из света, абсорбированного растениями, лишь малая часть используется для фотосинтеза углеводов; фиксированная таким образом энергия представляет собой валовую продукцию экосистемы.

Созданные углеводы служат для роста и развития растения. Эти процессы могут быть осуществлены только с использованием энергии, затрачиваемой на дыхание в течение всего периода продуцирования углеводов. При этом, чистая продукция равна валовой за вычетом потерь на дыхание.

Часть созданных продуцентами веществ служит кормом растительноядным; остальная часть их оказывается неиспользованной; она в конце концов отмирает и поступает в пищу биоредуцентам. Из съеденного растительноядными животными корма, некоторое количество ассимилируется, а часть выбрасывается в окружающую среду в виде выделений и экскрементов. Из ассимилированного корма лишь часть используется для образования биомассы растительноядных животных; для создания биомассы используется энергия, выделяемая при дыхании, на что и затрачивается часть ассимилированного корма.

Методы оценки продукции

Методы определения первичной продукции (роста растений)

В основу изучения первичной продукции водных автотрофов положено общеизвестное балансовое равенство фотосинтеза

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ – 674 ккал/моль

Это же равенство при чтении справа налево передает итог деструкции ОВ в процессе аэробного обмена или дыхания организмов, когда субстратом дыхания служат углеводы.

О величине продукции в принципе можно судить по нескольким различным показателям, например, по скорости выделения кислорода, потреблению углекислоты, изменению рН, накоплению продуктов фотосинтеза.

· Кислородный метод

По отношению к морскому планктону этот метод впервые был применен немецким физиологом Пюттером (1908).

В соответствие с уравнением фотосинтеза 1 мг освобожденного кислорода соответствует 0,375 мг синтезированного углерода, при этом потребляется 3,5 кал солнечной энергии, таким образом, по выделению свободного кислорода в процессе фотосинтеза можно судить о количестве образовавшегося ОВ.

По разности в содержании кислорода в склянках, инкубируемых на свету и в темноте, судят о фотосинтезе. Разница между исходным содержанием кислорода и таковым после суточной экспозиции в темноте дает значение деструкции (дыхания). Валовая продукция определяется по разности в содержании кислорода в инкубируемой пробе воды без затемнения. Соответственно чистую продукцию получают вычитанием затрат на дыхание из величины валовой первичной продукции. Чистую продукцию планктона следует отличать от чистой продукции фитопланктона, которая представляет собой валовый фотосинтез за вычетом затрат кислорода на дыхание только фитопланктона. Последняя величина не поддается прямому измерению и чаще всего остается неизвестной или оценивается косвенным образом. Затраты на дыхание фитопланктона в среднем достигают 15-20% валовой первичной продукции.

У планктонных водорослей на дыхание используется 15%, у травянистых растений – 40-50%, у деревьев – 70-80% валовой первичной продукции.

· Радиоуглеродный метод.

Впервые радиоуглеродную модификацию метода склянок для определения первичной продукции морского планктона впервые применил в 1950 году Стеман-Нильсен во время работ датской морской экспедиции на судне «Галатея» (1951).

К заключенной в незатемненную склянку воде добавляется известное количество изотопа углерода ¹⁴С в виде карбоната или гидрокарбоната натрия с известной радиоактивностью. При этом используется ампулы, содержащие стандартные дозы раствора бикарбоната с меченым углеродом. После экспозиции вода профильтровывается через мембранный фильтр. Измерив активность фильтра с осевшим на нем планктоном (r) и зная общую начальную активность внесенного радиоуглерода (R), находят отношение этих величин. Принимается, что количество ассимилированной углекислоты находится в том же соотношении с общим количеством ее во взятом объеме воды (с). Таким образом, ассимилированной количество углекислоты (А) находится из соотношения:

А = (r ∙ с) / R

Радиоуглеродная модификация скляночного метода почти на два порядка чувствительнее кислородной модификации.

Недостатки:

- В длительных опытах этим методом измеряется не валовая, а чистая продукция, т.е. не истинный, а видимый фотосинтез, т.к. часть синтезированного ОВ тратиться на дыхание.

- Не учитывает выделение РОВ, а также разрушение клеток при фильтрации.

· Расчет продукции по содержанию хлорофилла

Впервые содержание хлорофилла было определено Е.М. Крепсом и Н.А. Вержбицкой в 1930 г. при изучении планктона Баренцева моря.

Хлорофилл «а» экстрагируют и его концентрацию определяют на спектрофотометрах или флуориметрах.

Ассимиляционное число - представляет собой отношение всего количества хлорофилла «а» к скорости фотосинтеза и выражается в мг ОВ, синтезированного за 1 час, на 1 мг хлорофилла в условиях освещенности, к которым данная система приспособлена. Среднее ассимиляционное число на глубине оптимального фотосинтеза зависит от трофического статуса водоема и физиологического состояния водорослей и равно примерно 2 мг С/ (мг∙ч).

· Определение суточной динамики содержания кислорода в водоеме.

Впервые этот метод был использован Г.Г. Винбергом и Л.И. Яровициной (1939) в 1937 году на озере Белом.

Мировой промысел гидробионтов

60% животного белка, потребляемого человеком, поступает из Мирового океана.

По данным ФАО общая годовая прибыль от добычи биологических ресурсов из Мирового океана составляет 80 млрд. дол. США (в США – 3,5 млрд. дол.). Кроме пищи биоресурсы используют на изготовление медпрепоратов (50 млн. дол. США).

Около 2 млрд. дол. США тратят туристы на посещение океанариумов (только во Флориде, США).

В мире насчитывают 15-20 млн. рыбаков, из которых 90% «мелкомасштабные». Эти рыбаки обеспечивают работой еще 180 млн. людей.

В Мировом океане объектами промысла являются 727 видов, которые добываются в 200-мильной экономической зоне государств.

279 видов – имеют статус устойчивых (массовых), из которых 31%, т.е. 86 видам грозит перелов.

Мировой вылов рыбы и морепродуктов в 1999 году достиг 126.2 млн. тонн, из них во внутренних пресноводных водоемах было добыто 8.2 млн. тонн, а аквакультура дала 33 млн. тонн.

Есть ли резервы, позволяющие увеличить этот объем?

Эта проблема неоднократно рассматривались учеными и промысловиками. Оценки 70-х годов указывали на возможность довести вылов до 250 млн. тонн, более осторожные мнения сводились к тому, что можно брать до 100-150 млн. тонн биоресурсов.

На долю Средиземного и Черного моря при этом приходится от 2 до 4% мирового промысла.

Среднегодовой объем вылова рыбы в Черном моря достиг максимума в 1988 году и составил 797, 5 тыс. т.

Объекты промысла в Черном море (в среднем за 1970-1992, по данным FAO, № 68, 1997):

Рыбы

227646 т – хамса аnchovy Engraulis encrasicolus ponticus – (63% Турция)

48661 т – ставрида horse mackerel Trachurus mediterraneus ponticus – (86% Турция)

41171 т – шпрот sprat Sprattus sprattus phalaericus – (95% Украина, Россия)

18855 т – мерланг whiting Merlangus merlangus euxinus – (50% Турция)

10000 т – пиленгас haarder Lisa haematocheila

9628 т – пеламида bonito Sarda sarda – (Турция)

6972 т – луфарь bluefish Pomatomus saltator – (98% в Турции)

4012 т - катран spiny dogfish Squalus acanthias – (69,8% Турция)

2793 т – камбала turbot Psetta maeotica - (71% Турция, 19% СССР, 10% Болг.+Рум.)

2487 т - кефали – (88% в Турции)

сингиль golden mullet Lisa aurata – (72 % улова)

остронос leaping grey mullet Lisa saliens – (22 % улова)

лобан grey mullet Mugil cephalus – (6 % улова)

2172 т – барабуля striped mullet, Mullus barbatus ponticus – (91% в Турции, 9% - СССР)

2092 т – морская лисица thornback-ray Raja clavata – (59% в Турции, 41% - СССР)

2011 т – дунайская сельдь scad Alosa kessleri pontica – (Румыния, Украина)

1503 т (215 т - с 1968 только в Турции) - скумбрия Black Sea mackerel Scomber scombrus

1000 т – морской кот sting-ray Dasiatis pastinaca – (Украина)

323 т - Осетровые:

Севрюга starred sturgeon Acippenser stellatus – (60 % улова)

Белуга great sturgeon Huso huso – (23 % улова)

Русский осетр Acippenser guldanstadti – (17 % улова)

Моллюски

2000 т - мидии Mytilus galloprovincialis

> 1000 т (мяса) - рапана Rapana thomasiana - ежегодный экспорт Турции около 60 млн. USD (100 г мяса = 6 USD)

Объекты Мирового промысла

Перуанская ставрида – самый массовый промысловый вид южной части Тихого Океана. Обитает на обширной акватории (около 4 млн. кв. миль) от берегов Южной Америки до Австралии. Наиболее интенсивный промысел велся с 1980 по 1992 г., когда в юго-восточ­ной части Тихого океана успешно работали промысловые экспедиции общей численностью до 150 крупнотоннажных судов из семи стран - Перу, Чили, СССР, Кубы, Болгарии, Эквадора и Польши. Общий годовой вылов ставриды в те годы достигал 4 млн. т.

За короткий период времени (около 5 лет) данный вид расселился вплоть до крайних западных участков ареала у берегов Новой Зеландии (ЮЗТО), где его численность вскоре достигла промысловых масштабов. В 1998- 1999гг. ее промысел в новозелан­дской экономической зоне достиг 20 тыс. т. Общий объем добычи ставриды в этом районе в 2000 г. составил 30 тыс. Запасы ставриды и скумбрии оценены только по району ЮВТО в объеме около 8 млн. т. Объем же возможного ежегодного вылова по всему ее ареалу- 2-3 млн. т.

Минтай. В 2005 году квота минтая взята в полном объеме. Около 500 судов «процеживают» море в течение года, в «квадрате» 20 х 5 миль при добыче минтая было сосре­доточено около 100 судов.

Дальневосточный крабоид. Крабовый промысел на Западной Кам­чатке под воздействием слабо контролируемого промысла в период с 1998 по 2003 г. привел к сокращению численности промысловых самцов западнокамчатской популяции крабов в 13-22 раза. Широко­масштабный промысел, включая браконьерский, привел к катастро­фическому подрыву его промыслового запаса и численности пополне­ния.

Промысел на подводных горах

По данным промысловой статистики, в годы интенсивного промысла в районе Гавайского хребта была определена рыбопродуктивность этого района, составлявшая 29 т/км². При этом практика промысла в различных районах Мирового оке­ана также показывает, что сырьевая база подводных гор обладает большой неустойчивостью, поэтому общие годовые уловы в боль­шинстве районов промысла изменялись в пределах 1-10 тыс. т. В общей сложности в районах подводных гор обнаружено более 400 видов рыб, из которых промысловая ихтиофауна представлена 80-90 видами. Среди них имеются рыбы, обладающие высокими пищевыми качествами. Это бериксы, кабан рыба, красноглазки, гладкоголовы, полиприоны, этелисы, эпигонусы и др. К активному промыслу на океаничес­ких горах в конце XX века приступили многие страны.

АКВАКУЛЬТУРА

Аквакультура - это разведение и выращивание рыбы, других водных животных и растений с целью получения товарной продукции и пополнения их запасов в естественных водоемах, осуществляемые под контролем человека.

В мировом рыбном хозяйстве, в ведущих рыболовных странах она признана одним из основных факторов, улучшающих состояние экономики, обеспечения продовольственной независимости страны, насыщения внутреннего рынка, повышение занятости населения, увеличения экспортных поступлений.

Мировая аквакультура является самой быстро развивающейся подотраслью производства пищевой продукции, опережающей рыболовство и составляющей 40% общего мирового улова. Темп роста аквакультуры во всем мире составляет более 10,6% в год, в то время, как в России последние несколько лет – всего 5%. За последние 50 лет годовая продукция аквакультуры увеличилась с 1 млн. т в начале 50-х годов до 54,9 млн. т в 2004 году, что соответствует 70,3 млрд. дол. США. Около 69.9% продукции аквакультуры приходится на Китай (карповые рыбы) и 21,9 на Азию и Тихоокеанский регион (морские рыбы). Центральная Европа обеспечивает лишь 0,4% продукции аквакультуры (250 тыс. т).

25% выращиваемой рыбы приходиться на Китай, Индию. Тайвань и Тайланд.

США производит 3% мировых объемов аквакультуры – это 800 млн.т. Общий объем выращенных гидробионтов в мире достигает 33 млрд. т.

Из Азии и Тихоокеанского региона поступают:

· 99.8% - водных растений

· 97.5% - карпов

· 93.4% - Мировых запасов устриц.

Вместе с тем Европа обеспечивает 55.6% объема культивируемого лосося. Америка также преимущественно специализируется на выращивании лососей (форелей).

900 тыс.т теляпии ежегодно добывают в Китае.

Объекты культивирования (по объему продукции):

47,4% - рыба

20,4% - ракообразные

14,2% - моллюски

442 вида культивируются (по данным ФАО) – 5 видов в год в среднем добавляется.

Наиболее популярные объекты культивирования:

18,2 млн. т/год - карп

4,6 млн. т/год – устрица

4,5 млн. т/год – ламинария (кельпы)

РФ намерен до конца 2006 г внести на рассмотрение правительства РФ проект федерального закона "Об аквакультуре". Кроме того, по его словам, в октябре 2006 г на рассмотрение правительства РФ будет также внесен проект федеральной целевой программы "Повышение эффективности использования и развитие ресурсного потенциала рыбохозяйственного комплекса в 2008-2012 годах".

Россия располагает огромным водным фондом - свыше 25 млн. гектаров озер и водохранилищ, около 0,4 млн. гектаров прибрежных морских акваторий, более 1 млн. гектаров сельскохозяйственных водоемов и почти 150 тыс. гектаров прудов рыбохозяйственного назначения.

Негативные аспекты аквакультуры

· Деградация качества среды (разрушение мангров при культивировании креветок)

· Эвтрофикация

· Генетическое воздействие, или конкуренция с нативными видами

· Проникновение новых болезней.

С появлением человека и по мере ускорения прогресса развития цивилизации процессы интродукции растений и животных многократно возросли.

Пример попутной акклиматизации (одновременно с ценными видами) - из 36 видов, завезенных из США:

· 4-6 - используются в рыбоводстве и для спортивного рыболовства,

· 10 – аквариумные рыбы,

· 20 - опасны для аборигенной фауны.

Территории или акватории с отрицательными факторами среды, а также степень чувствительности (толерантности) к ним различных видов бактерий, грибов, растений и животных формируют естественные преграды, препятствующие равномерному распределению (расселению) организмов по нашей планете. Так, соленость воды является барьером, препятствующим проникновению гидробионтов из Средиземного моря в Черное, а из последнего в Азовское. При этом акватории, пригодные для существования солоноватоводных организмов, к которым в частности относиться Черное море, широко распространены на Земном шаре, т.к. это все зоны взаимодействия с речными водами.

Ареал гидробионтов, приспособленных к таким условиям, ограничен соленостью 5-26‰. Преодолев однажды преграду, вид может расселиться на новой территории и расширить ареал. Часто это происходит с помощью человека в результате сознательной или случайной акклиматизации.

Акклиматизация водных организмов – это биолого-биотехнический процесс вселения объектов, доставленных из одних водоемов, регионов, стран в другие, где их ранее не было или они исчезли, с целью их полной или частичной натурализации, а также других форм хозяйственного использования (спортивное рыболовство, озерно-товарное хозяйство, биологическая мелиорация).

Формы акклиматизации:

Ø Полноцикловая (натурализация) – вселенец приспособился к новым условиям, определилась его ниша и взаимоотношения с аборигенами в экосистеме заселяемого водоема (натурализация пиленгаса в Азово-Черноморском бассейне).

Ø Поэтапная – незавершенная акклиматизация, когда некоторые этапы развития вселенца не могут завершится в условиях водоема вселения и проходят в других водоемах или под протекцией человека (осетровые, сазан в водохранилищах).

Зарыбление – частный случай поэтапной акклиматизации. Метод хозяйственной деятельности, предусматривающий регулярный выпуск посадочного материала на нагул (пелядь, толстолоб).

Реакклиматизация – интродукция особей вида в целях восстановления популяции в пределах его естественного (в прошлом) ареала, в котором этот вид по каким либо причинам исчез (осетровые, кумжа).

В Российской империи работы по интродукции рыб начаты около 150 лет назад под руководством Русского общества по акклиматизации, организованного в 1857 г. основными объектами были лососи, сиги, сазан, лещ, судак и сом. До распада СССР, в стране ежегодно осуществлялось около 250 переселений 35 видов рыб и 13 видов беспозвоночных. В последние годы в России проводится около 100 вселений 16 видов рыб и двух видов беспозвоночных (пример акклиматизации гигантской устрицы на заводе Шольца в начале 1900 годов).

Интродукция рыб в водоемы Молдовы проводилась в три этапа:

· 1950-1961 работы с чудским сигом, карпами, судаком, лещом, таранью и осетровыми;

· 1961-1974 интродукция рыб из водоемов Китая: белый и пестрый толстолоб, белый амур;

· 1974-1990 зарыбление ценными породами рыб с американского континента: три вида буфало, канальный сомик, веслонос.

Примеры успешной акклиматизации:

· 1920-1930 – черноморская кефаль,

· 1935-1940 – нереис и синдесмия в Каспийское море.

В 1946 году при Министерстве рыбной промышленности СССР была организована бригада по акклиматизации рыб и беспозвоночных (Л.А. Зенкевич, Г.В. Никольский, А.Ф. Карпевич, Б.С. Ильин).

Негативные последствия – бракеражная интродукция:

ü 1948-1958 – в Аральское море из Каспийского завезли бычков, атерину; амурского чебачка, паразита ботриоцефалюса.

1947 – создание Центрального производственно-акклиматизационного управления и станции (первый директор А.Ф. Карпевич).

1975 – «Положение о порядке проведения работ по акклиматизации рыб и других водных организмов».

Основной метод акклиматизации сегодня – создание маточных стад ценных видов рыб с целью последующего полученияпосадочного материала и расселения его по водоемам.

Ежегодные уловы акклиматизантов составляли до распада Союза около 320 тыс. ц или 13% уловов рыб во внутренних пресноводных водоемах.

Начиная с 1960-х годов, предприняты попытки акклиматизации морских видов рыб и беспозвоночных (перевозка горбуши и камчатского краба – 1961-79 – 1,5 млн. личинок - в Северный регион; акклиматизация пиленгаса в начале 1970-х годов – 1989 высокоурожайное поколение).