Почему пруды и озёра зарастают?

Посмотрите на пруд с тростником. У самого берега стоит стена тростника. За ней на воде лежат листья кубышки или кувшинки, а ещё дальше под водой растут рдесты. Растения стоят поясами по глубине, и у каждого пояса есть нижняя граница: глубже у дна не хватает света. Пруд зарастает, потому что мелеет.

Ил и наносы год за годом заполняют котловину, мелководье расползается к середине, и пояса растений смещаются вслед за ним. Мелкие озёра в Орегоне со средней глубиной 2,4 м заполняются примерно на 3,5 мм в год. При такой скорости котловина заполнится целиком примерно за 700 лет.

Гораздо быстрее водоём зарастает, когда человек спускает воду осушительными канавами: в Ленинградской области озёра превращались в болота сразу после обмеления. Заросли ещё и помогают сами себе. Они гасят взмучивание ила, вода остаётся прозрачной, и свет доходит до дна.

Погружённым растениям нужен свет у дна. Шеффер и соавторы пишут: погружённые растения растут только до определённой глубины, а эта глубина зависит от мутности воды. Глубже света для них слишком мало¹. Поэтому пояса у берега сменяют друг друга по глубине. На озере Стрешно у самого уреза стоит полоса тростника шириной 1–5 м, а кубышка жёлтая растёт на глубине 1,5–2 м². На озере Островцы прозрачность воды 1,5 м. Кубышка там занимает глубины 1,5–2,5 м, а широколистные рдесты — 2–3,5 м³.

Значит, зарастание — это движение нижней границы зарослей. Всё, что делает пруд мельче или воду прозрачнее, сдвигает её к середине. Мелеет пруд двумя путями: медленно, когда котловину заполняет осадок, и быстро, когда падает уровень воды.

Медленный путь: котловина заполняется

Оценка срока держится на трёх предположениях:

• осадок ложится на дно с постоянной скоростью $v$;
• осадок не уплотняется;
• заполнить нужно всю среднюю глубину $h$.

$$t = \frac{h}{v}$$

То есть срок жизни водоёма равен его средней глубине, делённой на толщину слоя, который ложится на дно за год. Единицы сходятся: миллиметры, делённые на миллиметры в год, дают годы.

Мелкие озёра Верхний Клэмат и Юэвана в Орегоне при средней глубине 2,4 м заполняются примерно на 3,5 мм в год⁴:

$$t = \frac{2400\ \text{мм}}{3{,}5\ \text{мм/год}} \approx 690\ \text{лет}$$

Получается около семи веков. На разных участках тех же озёр скорость составляет от 0,9 до 12,5 мм в год, поэтому срок расходится от 192 до 2667 лет. Когда котловина становится мелкой, верх берут укореняющиеся растения. Водоём превращается в топь или низинное болото, а затем на него приходят наземные растения⁵. Для водоёмов всех типов, «независимо от их происхождения, возраста и размеров», зарастание — естественный процесс⁶.

Быстрый путь: падает уровень

На озере Соколье № 1 в Ленинградской области к 1981 году оставалось 1–1,5 м воды. В 1981 году осушительные канавы углубили, и к лету 1983 года уровень опустился ещё на 20 см. По словам исследователей, это «стимулировало дальнейший скачок нарастания сплавин»⁷. Сплавинами называют заросли, которые надвигаются с берегов на открытую воду.

20 см — это 13–20 % глубины такого озера (20 см от 1,5 м и от 1 м), и ушли они примерно за два года. Если считать по скорости орегонских озёр, медленному пути на те же 20 см понадобилось бы $t = \frac{200\ \text{мм}}{3{,}5\ \text{мм/год}} \approx 57$ лет. Авторы делают такой вывод: озёра «стремительно зарастают и превращаются в болота сразу вслед за обмелением, позволяющим растениям заселять мелководья». Уровень этих озёр снижался при лесоосушительной мелиорации, а сильнее всего — при торфоразработках⁷.

Почему заросли держатся сами

Растения занимают мелководье и поддерживают нужные им условия. Заросли:

• гасят взмучивание ила со дна;
• укрывают от рыб зоопланктон, который поедает водоросли;
• забирают из воды биогены — питательные вещества, на которых растут водоросли;
• выделяют аллелопатические вещества, которыми одни организмы угнетают другие.

Поэтому вода остаётся прозрачной, свет доходит до дна, и растения растут дальше. В мутной воде всё наоборот: погружённым растениям не хватает света. При одном и том же количестве биогенов мелкое озеро может находиться в одном из двух устойчивых состояний: прозрачном с зарослями или мутном с водорослями. Шеффер и соавторы называют это альтернативными равновесиями. Если озеро помутнело, растения вернутся в него только при сильном снижении биогенов¹.

Понижение уровня действует и здесь. На мелководье растениям хватает света даже в более мутной воде, поэтому мутное озеро может перейти в заросшее. На шведском озере Кранкесьён прозрачная вода и растения начали возвращаться после маловодья 1985–1986 годов¹.

Проверьте сами. Обойдите пруд и сравните пологий берег с крутым. Если зарастание идёт по глубине, у пологого берега пояса тростника и плавающих листьев окажутся широкими, а у крутого сожмутся в узкую ленту. Смотрите с берега или с мостков. У заросших берегов дно засорено корнями, песчаное дно бывает зыбучим, а ступать на сплавину опасно.

Тот же принцип. Тем же делением, объёма озера на объём осадка, который ложится на его дно за год, оценивают срок жизни тропических пойменных озёр. В 76 таких озёрах осадок сейчас накапливается со скоростью 1,06–5,18 мм в год, и некоторые из них могут заполниться «за несколько столетий»⁸.

Летом прозрачность малых водоёмов обычно не больше 1 м, а при «цветении» воды она падает до 0,1–0,5 м¹. Прозрачность измеряют диском Секки: это глубина, на которой опущенный в воду диск перестаёт быть виден. Кэнфилд и соавторы изучили 27 финских, 26 флоридских и 55 висконсинских озёр. Они связали прозрачность $S$ с максимальной глубиной зарастания $z$ (обе величины в метрах)²:

$$\lg z = 0{,}61 \cdot \lg S + 0{,}26$$

эмпирика

Иначе говоря, $z \approx 1{,}8 \cdot S^{0{,}61}$. При прозрачности 0,5 м заросли уходят до глубины около 1,2 м, при 1 м — до 1,8 м, при 2 м — до 2,8 м. Если вода становится вдвое прозрачнее, граница зарослей опускается примерно в полтора раза глубже: $2^{0{,}61} \approx 1{,}5$.

Обратная связь работает в обе стороны

Та же обратная связь может работать и против зарослей. Шведское озеро Тэмнарен мельче 2 м. Плотина подняла его уровень на 0,5 м, и заросшая доля дна упала с 80 до 14 %, примерно в 5,7 раза. Вода при этом помутнела³.

Что бывает со спущенным озером дальше

Когда фактор, вызвавший зарастание, перестаёт действовать, «процесс затухает». На Сокольем № 1 за 16 лет площади сплавин и открытой воды заметно не изменились. У озера бывшего посёлка № 12 соотношение болота и остаточного озера осталось прежним с 1981 по 2020 год, ширина сплавины там 25–30 м⁴.

Вернуть озеро уже нельзя: «процесс заболачивания озер не обратим». Если поднять воду в каналах, она только подтопит сплавину и «не вместится в заполненную торфом котловину». На Сокольем № 2 в 2020 году бобры подтопили болото, и на нём появились два водоёма. Сама сплавина тем временем зарастает лесом. На одном участке покрытие пушистой берёзы выросло с 1 % в 1981 году, когда деревья были высотой 1,5 м, до 40 % в 2020 году, при высоте 4–12 м. Появилась и сосна высотой до 12 м. Через 40–50 лет после начала заболачивания новые болота по составу сообществ похожи на естественные болота региона⁴.

Озёра в основном зарастали сразу после схода ледника, а дальше заболачивалась в основном суша. В XX веке заболачивание озёр снова запустил человек — осушительной мелиорацией и эвтрофированием⁴. Зарастание — естественный процесс, но нынешнюю волну на этих озёрах запустили люди.

Сколько живёт озеро

Сроки зависят от способа, которым измерена скорость осадконакопления. Lo и соавторы определяли скорость накопления осадка двумя способами. По радиоуглероду ¹⁴C долговременная скорость в тропических пойменных озёрах составляет 0,02–8,20 мм в год. В среднем это на порядок меньше современной скорости по свинцу ²¹⁰Pb, а у одного из типов озёр в выборке разница составляет $3{,}10 / 0{,}40 \approx 7{,}8$ раза. Рост скорости за последние 50 лет авторы связывают с ростом населения и вырубкой лесов на водосборах. Срок зависит и от способа расчёта объёма. Для озера Гранди-Куруаи срок заполнения сокращается с 490 до 200 лет, если брать объём по карте глубин, а не через среднюю глубину⁵.

Котловина не вечна, если её не обновляет тектоника. Большинство озёр живут недолго по геологическим меркам, и даже самые долгоживущие существуют лишь десятки миллионов лет⁶. Около дюжины озёр мира до трёх порядков величины старше большинства остальных. Среди них Танганьика и Байкал, которые существуют миллионы лет⁷. Под Байкалом лежит толща осадков мощнее 7,5 км⁸. Кора в Байкальском рифте растягивается на $4{,}5 \pm 1{,}2$ мм в год⁹. Это горизонтальное раскрытие рифта, а не углубление дна.

Границы этого рассуждения

• Формула $t = h/v$ считает скорость постоянной и не учитывает уплотнение осадка. Даже в одних и тех же озёрах скорость меняется от 0,9 до 12,5 мм в год, а долговременная оценка по ¹⁴C на порядок ниже современной по ²¹⁰Pb¹⁰⁵.
• Формула даёт срок до полного заполнения котловины. Заросли захватывают дно раньше. Если прозрачность 1 м, по уравнению Кэнфилда граница зарослей лежит около 1,8 м, и средняя глубина 2,4 м сократится до неё при 3,5 мм в год примерно через $(2400 - 1800)/3{,}5 \approx 170$ лет, а не через 690. Это грубая прикидка: с разбросом уравнения (46–236 %) граница лежит от 0,8 до 4,3 м, и срок выходит от нуля до примерно 450 лет.
• Сроки по Lo и соавторам получены для тропических пойменных озёр, и на пруды умеренного пояса их переносить нельзя. Эти сроки зависят от притока наносов⁵.
• Уравнение Кэнфилда считает свет главным ограничителем. Разным видам растений нужно разное количество света, и авторы называют это главной причиной разброса: уравнение объясняет 56 % разброса данных ($R^2 = 0{,}56$), а 95-процентный доверительный интервал — от 46 до 236 % расчётной глубины. Уравнение построено по озёрам Финляндии, Флориды и Висконсина, а для малых прудов его применимость не проверена².
• Два устойчивых состояния бывают только в мелких озёрах с одинаковой глубиной, где растения занимают большую часть толщи воды, и только при промежуточном количестве биогенов. Исчезновение растений при «критической мутности» сами авторы называют грубым упрощением³. В мелких озёрах большой площади главную роль играют ветер и волны, водных растений там обычно нет, и двух состояний не ждут¹¹. Дэвидсон и соавторы изучили 902 озера Дании и Северной Америки со средней глубиной меньше 3 м. На сроках больше 3 лет связь биогенов с хлорофиллом у них линейна, и альтернативные равновесия для её объяснения не нужны¹².
• Понижение уровня не всегда ведёт к зарослям. На Рыбинском водохранилище в 2003 году мелководья всё лето стояли сухими. Обсохшие заросли превратились в луг и кустарник, а зарастание мелководий, оставшихся под водой, сократилось в 3 раза. Но это водохранилище с регулируемым уровнем, а не озеро¹³. В двух мелких водохранилищах засушливого региона Бразилии уровень за два сухих года упал примерно вдвое, и вода помутнела¹⁴. Экстремальные уровни могут переводить озеро в любое из двух состояний¹⁵.
• Путь «спуск уровня, затем сплавина» показан для озёр глубиной 1–1,5 м. Для глубокой котловины без мелководий он не показан⁴.
• По степени зарастания нельзя судить о возрасте водоёма. В первые 2–3 года после заполнения ложа водохранилища свободно плавающие растения разрастаются вспышкой, а потом их становится меньше. Поэтому ряска на пруду ещё не значит, что он идёт к болоту¹³.

О чём спорят

Спорят о том, можно ли называть зарастание «старением» озера. Папченков и Папченкова, как и учебный курс Открытого университета, описывают зарастание как естественную судьбу водоёмов¹³¹⁶. Уайтсайд назвал неверным отождествление эвтрофикации со старением¹⁷. Корнийов отвергает мысль, что с возрастом озёра неизбежно и необратимо эвтрофируются¹⁸. Служба охраны среды Нью-Гэмпшира отделяет заполнение котловины внешним материалом от эвтрофикации¹⁹. Спор снимается уточнением: заполнение котловины осадком и эвтрофикация, то есть обогащение воды биогенами, — разные процессы. Естественная эвтрофикация обратима: биогенов в озере может стать и больше, и меньше¹⁶. В этом сюжете зарастание следует из заполнения котловины.

Открытый вопрос

Нужны ли два устойчивых состояния, чтобы объяснить зарастание и мутность мелких озёр? Дэвидсон и соавторы объясняют многолетние средние без них. При этом они не отрицают, что заросли меняют связь биогенов и водорослей на коротких сроках. Данные по отдельным годам, по их словам, не дают сильных доводов ни за, ни против¹². Ван Гест и соавторы изучили 70 пойменных озёр Рейна и описали «длительные переходные состояния» рядом с устойчивым состоянием, а не два равновесия²⁰. Опубликованного ответа сторонников теории на работу Дэвидсона найти не удалось.