Метод определения биологической продуктивности водоемов, в том числе и Мирового океана но величинам первичной продукции.

Сущность метода состоит в том, что определенная различными способами величина первичной продукции в виде фитопланктона и водорослей - макрофитов - кормовой основы организмов всех последующих трофических уровней - используется для пересчета соответствующих объектов (величин) организмов, существующих за счет растений и далее определяется возможная продукция растительноядных, планктоноядных, хищных рыб и других животных.

Способы определения первичной продукции различны. Один из наиболее часто применяемых заключается в вычислении химически общего количества фотосинтеза.

Объем (величина) фотосинтеза может быть оценен либо непосредственно через количество образующегося органического вещества, либо косвенно через количество выделяющегося О₂ или по убыли углекислого газа.

Общее выражение схемы фотосинтетической реакции синтеза углеводов (глюкозы):

6С0₂ + 6Н₂0 + энерг. = С₆н₁₂0₆ +60₂

В современной исследовательской практике объем (величина) фотосинтеза обычно устанавливается изменением количества выделяющегося кислорода или поглощаемой углекислоты. Для учета образующегося 0₂ используют две склянки, из которых одна прозрачная и одна темная, заполняются водой с растениями, герметически закрываются и выдерживаются определенное время - 24 часа. В темной склянке измеряют количество 0₂, идущего на дыхание растений; в светлой склянке измеряют прибыль 0₂ за счет превышения фотосинтеза над окислительными процессами. Истинные величины будут соответствовать разнице концентраций кислорода в сравниваемых склянках в начале эксперимента и в конце эксперимента. Иначе говоря. Количество продуцированного кислорода равно увеличению его в прозрачной склянке + количество потраченного на дыхание в темной бутылке.

Заполняя склянки образцами воды с разных горизонтов водоема (в метрах) выдерживая затем их в местах взятых проб, можно определить величину (объем) фотосинтеза в разных зонах водоема.

Радиоуглеродный метод. Более широко используется определение величины фотосинтеза на основании учета потребления растениями углекислоты с применением радиоактивного углерода (изотопа углерода С₁₄). Эта методика была впервые предложена Стимен - Нильсеном - датским ученым в 1951 году и использована во время кругосветного плавания «Галамей»

По этой методике берут в склянку пробу воды_, содержащую фитопланктон, определяют содержание С0_2, добавляют определенное заранее количество изотопа С₁₄ и в виде карбоната или бикарбоната, склянку запечатывают и подвешивают в точке сбора проб на время опыта - обычно 4 часа. Затем фитопланктон фильтруют через мембранный фильтр и по радиоактивности осевших на мембране водорослей определяют содержание радиоактивного углерода. Общий выход углерода может быть затем установлен по первоначальному присутствующему количеству углерода и количеству радиоактивного углерода добавленного и поглощенного (разница между С₁₄ в начале эксперимента и в конце). Радиоактивный метод почти в 100 раз чувствительнее кислородного и в этом его преимущество. Этот метод дает возможность определить темпы формирования первичной продукции по количеству углерода ассимилированного водорослями в единицу времени. Стимен -_Нильсен дал следующие пределы величин ассимиляции углерода: минимум = 0, 05 г/См² в день (Саргассово море), максимум = 3 г/См² в день (Юго-Западная Африка). По его данным количество ассимилированного углерода в пересчете на площадь 1 км² в год составляет для прибрежных (продуктивных, богатых питательными солями) вод океана 180-2000 т/км², а в открытых (малопродуктивных, бедных питательными солями вод, например, в Саргассовом море) районах - всего 20 т углерода/км² в год.

Во внутренних водоемах, в частности высоко эвтрофных озерах величина первичной продукции по определениям Винберга Г.Г. - известного советского ученого - составляет 2-3 гС/м² в день, в олиготрофных озерах - 0, 1-0, 3 г С/м² в день; в реках и водохранилищах вследствие низкой прозрачности воды первичная продукция еще ниже.

Описанные способы определения первичной продукции (есть и другие, например, непосредственное изучение биомассы фитопланктона с помощью комбинированных сетей или батометров) относительно объективны и позволяют дать оценку происходящего в водоеме процесса фотосинтеза и ежегодно продуцированного органического вещества растительного происхождения и тем самым дать оценку величины продукции первого звена живой цепи. Однако в масштабе Мирового океана надо иметь не одну тысячу определений органического углерода, чтобы быть уверенным в достоверности получаемой величины и распределения первичной продукции. Ныне их достаточно много.

По величине первичной продукции, то есть используя этот метод, можно получить сравнительные оценки продуктивности различных районов Мирового океана и внутренних водоемов и приближенно определить их потенциальные возможности в продуцировании последующих более высоких трофических уровней до конечной хозяйственной продукции — рыб, крупных беспозвоночных и млекопитающих, включительно.

Следует однако помнить, что этот метод имеет недостатки и при его использовании неизбежны допущения и он может привести к неправильным представлениям о кормности того или иного водоема или района океана. Как уже говорилось, расчеты при применении этого метода многоступенчаты: продукция фитопланктона, определенная с помощью радиоактивного углерода в том или ином районе за сутки умножается:

• А) на толщину слоя, в котором происходит фотосинтез;

• Б) на площадь, на которой формируется первичная продукция

В) на продолжительность периода формирования продукции.

В итоге нескольких перемножений величина годовой продукции получается огромной при ничтожно малой величине объема фитопланктона в конкретный промежуток времени. Но это только первый этап расчетов.

Далее, используя переходные коэффициенты, постепенно подходят к оценкам реальной промысловой продуктивности отдельного района или океана в целом.

В 50-х годах советский ученый Дадно В.Г. (1955) на основании представлений о первичной продукции в Черном море подсчитал, что биомасса рыб в Черном море составляет 5, 7 (около 6 млн. т) млн. т, а их продукция - 2, 85 млн. т (около 3, 0 млн. т). Вылов же в этом водоеме был тогда равен 150 тыс. т. Подсчитанная рыбопродуктивность Черного моря оказалась в 20 раз выше фактической (по вылову) - соответственно 5300 кг/км² и 250 кг/км², то есть очень близкой к продуктивности Азовского моря. Возник вопрос, где же рыбопродукция? Вот тогда и было высказано предположение, что 95% её съедают дельфины (Водяницкий и др.), что не соответствует действительности. Короче, оценки были завышены.

В практике применяются и некоторые модификации рассмотренного метода. В частности, оценка запасов рыб по кормовой базе. Например, определив продукцию зоопланктона и зообентоса, можно, используя кормовые коэффициенты и другие показатели, подойти к оценке биомассы и продукции рыб в отдельном районе, или в океане в целом, то есть без определения первичной продукции. Недостатки здесь те же. Кроме того, нужна густая сетка станций для получения данных о биомассе и продукции кормовых организмов рыб (планктона и зообентоса).

Такие подсчеты, например, производил Л.А. Зенкевич (1952), который, исходя из биомассы зоопланктона и зообентоса в 13 млрд. т, определил биомассу рыб в 500 млн. т. Много и других примеров, когда по биомассе зоопланктона и зообентоса специалисты определяли рыбопродуктивность того или иного района (Нейман и Спалкин - численность камбал Берингова моря и др.)

Другой метод оценки биологической и промысловой продуктивности основан на иных принципах и идет не от первичной продукции.