Введение
Частично закрытый прибрежный водоем соленой воды
Эстуарий – это частично закрытый прибрежный водоем соленой воды, в который впадают одна или несколько рек или ручьев, и имеющий свободную связь с открытым морем. Эстуарии формируют переходную зону между речными и морскими экосистемами и являются примером экотона. Эстуарии подвержены как морскому влиянию, такому как приливы, волны и приток соленой воды, так и речному влиянию, такому как потоки пресной воды и осадочных пород. Смешение морской и пресной воды обеспечивает высокий уровень питательных веществ как в толще воды, так и в донных отложениях, что делает эстуарии одними из самых продуктивных природных сред обитания в мире. Большинство современных эстуариев образовалось в эпоху голоцена в результате затопления речных долин, размытых реками или выщербленных ледниками, когда уровень моря начал повышаться примерно 10 000–12 000 лет назад. Эстуарии обычно классифицируются по их геоморфологическим особенностям или схемам циркуляции воды. Они могут иметь различные названия, такие как заливы, гавани, лагуны, проливы или звуки, хотя некоторые из этих водоемов не строго соответствуют вышеуказанному определению эстуария и могут быть полностью солеными. Многие эстуарии страдают от деградации из-за различных факторов, включая эрозию почвы, вырубку лесов, перевыпас скота, чрезмерный вылов рыбы и засыпку водно-болотных угодий. Эвтрофикация может приводить к избыточному содержанию питательных веществ в сточных водах и отходах животноводства, а также к загрязнению тяжелыми металлами, полихлорированными бифенилами, радионуклидами и углеводородами из сточных вод, а также к строительству дамб или плотин для борьбы с наводнениями или перенаправления водных потоков.
Определение
Слово "эстуарий" происходит от латинского слова aestuarium, означающего приливный пролив моря, которое, в свою очередь, происходит от термина aestus, означающего прилив. Было предложено множество определений для описания эстуария. Наиболее общепринятое определение: "полузакрытый прибрежный водоем, имеющий свободную связь с открытым морем, в котором морская вода заметно разбавляется пресной водой, поступающей с суши".
Фиордный тип
Фьорды образовались там, где плейстоценовые ледники углубили и расширили существующие речные долины, придав им U-образное поперечное сечение. В устьях обычно встречаются скалы, бары или пороги, сложенные ледниковыми отложениями, которые влияют на циркуляцию эстуария. Эстуарии фьордового типа формируются в глубоко врезанных долинах, созданных ледниками. Эти U-образные эстуарии обычно характеризуются крутыми склонами, скальным дном и подводными порогами, сформированными движением ледника. Наименьшая глубина эстуария наблюдается в его устье, где конечные ледниковые морены или скальные бары образуют пороги, ограничивающие поток воды. В верхней части эстуария глубина может превышать 100 метров. Отношение ширины к глубине, как правило, невелико. В эстуариях с очень мелкими порогами приливные колебания воздействуют только на воду до глубины порога, а более глубокие слои могут оставаться неподвижными в течение длительного времени, обеспечивая лишь эпизодический обмен глубоких вод эстуария с океаном. Если глубина порога значительна, циркуляция воды менее ограничена, и происходит медленный, но непрерывный обмен водой между эстуарием и океаном. Эстуарии фьордового типа можно встретить вдоль побережья Аляски, в районе Пьюджет-Саунд на западе штата Вашингтон, в Британской Колумбии, восточной Канаде, Гренландии, Исландии, Новой Зеландии и Норвегии.
Произведены тектонически
Эти устья формируются в результате опускания или отделения земли от океана под воздействием движений земной коры, связанных с разломами, вулканами и оползнями. Затопление, вызванное эвстатическим повышением уровня моря в эпоху голоцена, также способствовало образованию этих устьев. Тектонически образованных устьев немного; одним из примеров является залив Сан-Франциско, образовавшийся из-за движений земной коры в системе разломов Сан-Андреас, приведших к затоплению нижних течений рек Сакраменто и Сан-Хоакин.
Соляный клин
В этом типе устья речной сток значительно превышает морское воздействие, а влияние приливов незначительно. Пресная вода образует слой над морской водой, который постепенно истончается по направлению к морю. Более плотная морская вода движется к суше по дну устья, формируя клиновидный слой, который становится тоньше по мере приближения к берегу. По мере развития разницы в скорости между этими слоями, силы сдвига генерируют внутренние волны на границе раздела, перемешивая морскую воду с пресной. Примером устья с соляным клином является река Миссисипи. Эта вода опускается вниз и распространяется по дну как в морском, так и в речном направлении. Река Салум и река Касаманс, Сенегал.
Перерывная
Тип устья реки значительно варьируется в зависимости от притока пресной воды и способен изменяться от полностью морского залива до любого другого типа устья.
Физиохимические изменения
Наиболее важными переменными характеристиками воды устья являются концентрация растворенного кислорода, соленость и мутность. Пространственная изменчивость солености крайне велика: от почти нуля у границы прилива притоков до 3,4% устья реки. В любой точке соленость значительно меняется во времени и по сезонам, что создает суровые условия для организмов. Осадок часто оседает на межприливных илистых отмелях, которые крайне трудно заселить. Отсутствуют точки прикрепления для водорослей, поэтому растительные сообщества не формируются. Осадок также может закупоривать органы питания и дыхания видов, и у обитателей илистых отмелей существуют специальные адаптации для преодоления этой проблемы. Наконец, колебания концентрации растворенного кислорода могут создавать проблемы для живых организмов. Осадок, богатый питательными веществами, поступающий из антропогенных источников, может стимулировать циклы первичной продукции, что в конечном итоге может привести к разложению и удалению растворенного кислорода из воды, формируя гипоксические или аноксические зоны.
Влияние эвтрофикации на биогеохимические циклы
Азот часто является основной причиной эвтрофикации в устьях рек умеренных зон. Во время эвтрофикации биогеохимическая обратная связь уменьшает количество доступного кремнезема. Эти обратные связи также увеличивают поступление азота и фосфора, создавая условия, благоприятные для сохранения вредных цветений водорослей. В связи с нарушением баланса цикла азота, устья рек могут перейти от ограничения по азоту к ограничению по фосфору. На устья рек может серьезно повлиять нарушение баланса цикла фосфора, поскольку фосфор взаимодействует с доступностью азота и кремнезема. При избытке питательных веществ в экосистеме растения и водоросли чрезмерно разрастаются и в конечном итоге разлагаются, выделяя значительное количество углекислого газа. Выделяя углекислый газ в воду и атмосферу, эти организмы одновременно поглощают весь или почти весь доступный кислород, создавая гипоксическую среду и нарушая баланс цикла кислорода. Избыток углерода может приводить к снижению pH и закислению океана, что особенно опасно для уязвимых прибрежных регионов, таких как устья рек.
Влияние эвтрофикации на эстуарные растения
Эвтрофикация оказывает негативное влияние на многие растительные сообщества в эстуарных экосистемах. Соляные болота – это тип экосистемы, встречающийся в некоторых устьях рек, который особенно сильно пострадал от эвтрофикации. Избыток питательных веществ способствует более интенсивному росту растений в надземной части, однако меньше энергии направляется на развитие корневой системы, поскольку питательные вещества присутствуют в избытке. Это приводит к уменьшению биомассы подземной растительности, что дестабилизирует берега болот и усиливает эрозию. Повышение содержания азота стимулирует рост побегов и подавляет рост корней. Некоторые животные, обитающие в эстуариях, более чувствительны к воздействию эвтрофикации, чем другие. Примером может служить белорыбица из Европейских Альп. Эвтрофикация настолько снизила содержание кислорода в их среде обитания, что икра белорыбицы перестала выживать, что привело к локальным вымираниям. Это наблюдается в популяциях окуня или щуки. Во время цветения водорослей рыбаки отмечают значительное увеличение численности рыбы. Резкий рост первичной продуктивности вызывает всплеск популяций рыб, что, в свою очередь, приводит к повышенному потреблению кислорода. В 2016 году продукция от рекреационного и коммерческого рыболовства внесла миллиарды долларов в валовой внутренний продукт (ВВП) Соединенных Штатов. Зимой рыбное сообщество доминирует выносливая морская фауна, а летом в эстуарии и из них перемещаются разнообразные морские и анадромные рыбы, используя их высокую продуктивность. Эстуарии обеспечивают критически важную среду обитания для множества видов, для завершения жизненного цикла которым необходимы эстуарии. Тихоокеанская сельдь (Clupea pallasii) известна тем, что откладывает икру в эстуариях и заливах, песчанки рожают в эстуариях, молодь камбалы и окуня мигрирует в эстуарии для выращивания, а анадромные лососевые и миноги используют эстуарии в качестве миграционных коридоров. Кроме того, на эстуарии полагаются популяции перелетных птиц, такие как чернохвостый веретенник. Двумя основными проблемами жизни в эстуарии являются изменчивость солености и процессы осадконакопления. Многие виды рыб и беспозвоночных обладают различными механизмами контроля или адаптации к колебаниям концентрации соли и классифицируются как осмоконформеры и осморегуляторы. Многие животные также роют норы, чтобы избежать хищников и жить в более стабильной осадочной среде. Однако в осадках содержится большое количество бактерий, потребляющих большое количество кислорода. Это снижает содержание кислорода в осадках, часто приводя к частично аноксическим условиям, которые могут усугубляться ограниченным водообменом. Фитопланктон является ключевым первичным продуцентом в эстуариях. Он перемещается вместе с водными массами и может выноситься и вноситься приливами. Их продуктивность в значительной степени зависит от мутности воды. Основными представителями фитопланктона являются диатомовые водоросли и динофлагелляты, которые в изобилии встречаются в осадках. Детрит, образующийся в результате осадконакопления, является основным источником пищи для многих организмов в эстуариях, включая бактерии.
Влияние на человека
Из тридцати двух крупнейших городов мира в начале 1990-х годов двадцать два были расположены на устьях рек. Эстуарии, как экосистемы, находятся под угрозой из-за антропогенного воздействия, такого как загрязнение и чрезмерный вылов рыбы. Угрозу также представляют сточные воды, прибрежные поселения, вырубка лесов и многое другое. Эстуарии подвержены влиянию событий, происходящих высоко по течению, и концентрируют такие вещества, как загрязнители и осадочные отложения. Поверхностный сток, а также промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы попадают в реки и сбрасываются в эстуарии. В морскую среду могут попадать загрязняющие вещества, которые медленно разлагаются, такие как пластик, пестициды, фураны, диоксины, фенолы и тяжелые металлы. Эти токсины могут накапливаться в тканях многих видов водных организмов в процессе, называемом биоаккумуляцией. Они также накапливаются в бентосных средах, таких как эстуарии и илистые отложения в заливах: это геологическая летопись человеческой деятельности последнего столетия. Элементный состав биоплёнки отражает участки эстуария, подверженные антропогенному воздействию, и со временем может изменить базовый состав экосистемы, вызывая обратимые или необратимые изменения в абиотических и биотических компонентах системы, начиная снизу. Например, промышленное загрязнение из Китая и России, такое как фенолы и тяжелые металлы, привело к истощению рыбных запасов в реке Амур и повреждению почв её устья. Эстуарии, как правило, естественным образом эвтрофны, поскольку поверхностный сток приносит в них питательные вещества. Однако в результате человеческой деятельности поверхностный сток теперь включает в себя множество химических веществ, используемых в качестве удобрений в сельском хозяйстве, а также отходы животноводства и жизнедеятельности человека. Избыток веществ, истощающих кислород в воде, может привести к гипоксии и образованию мертвых зон. Это может привести к ухудшению качества воды, сокращению численности рыб и других животных. Также происходит перелов рыбы. В Чесапикском заливе когда-то процветала популяция устриц, которая была почти полностью уничтожена из-за перелова. Устрицы фильтруют эти загрязнители, потребляя их или формируя небольшие сгустки, которые оседают на дне, где они безвредны. Исторически устрицы фильтровали весь объем воды в эстуарии, удаляя избыток питательных веществ каждые три-четыре дня. Сегодня этот процесс занимает почти год, и осадки, питательные вещества и водоросли могут вызывать проблемы в местных водах.