Базовим є рівняння балансу продукційно-деструкційних процесів, здійснюваних гідробіонтами в підсистемах планктону, бентосу, і вищої водної рослинності (ВВР):

CBOD, SO, B(Hn) = Ai(Hn) - Ri(Hn) - Rbi(Hn), (1)

де

Ai - валова первинна продукція i-ї підсистеми біоти;

Ri - дихання гідробіонтів у підсистемі;

Rbi- бактеріальна деструкція мертвої органічної речовини в підсистемі.

Аi розраховується на основі біомаси фотосинтетиків підсистеми (Вi) і питомої первинної продукції одиниці цієї біомаси на горизонті максимального фотосинтезу (аio):

Аi(Нn) = аio(Hn,Bi)Bi(Hn)kfi, (2)

де kfi  коефіцієнт форми, що визначає співвідношення між аio і середньою величиною питомої первинної продукції підсистеми у живому перетині русла.

У рівняння введено коефіцієнти і функціональні залежності, що дозволяють оцінити такі впливи поверхневого стоку на продукційно-деструкційні процеси:

вплив завислих речовин на а0 за рахунок як зменшення прозорості води, так і абразивної дії на клітини фітопланктону;

вплив розчинених органічних домішок і кисню на розміри R, BOD і SO;

вплив біогенних елементів (N, P) на аio внаслідок зменшення її біогенного лімітування.

Для опису впливу біогенних елементів на аio використовується коефіцієнт ?i:

аio = і ?аio max (Bi), (3)

де

і - коефіцієнт біогенного лімітування,

аio - валова первинна продукція одиниці рослинної біомаси на горизонті максимального фотосинтезу у відсутності лімітування.

Розмір коефіцієнта приймається рівним 1 при відсутності біогенного лімітування і зменшується відповідно до зменшення питомої валової первинної продукції, пов'язаного з дефіцитом біогенних елементів. Співвідношення між вмістом у воді біогенних елементів і значеннями ? визначається на підставі досліджень продукційної спроможності фотосинтетиків в умовах різної забезпеченості біогенними елементами.

Нами в умовах натурного експерименту на дослідному полігоні досліджено залежність між вмістом азоту й інтенсивністю фотосинтезу фітопланктону у воді з каналу Дніпро-Донбас. У відкритих циркуляційних лотках ємністю 40 м3 і глибиною 0,7 м імітувалися умови, типові для водотоків Центральної України в літній період по температурі води, її хімічному складу, швидкості течії та освітленості.

Основною формою мінерального азоту в екосистемі лотка був амонійний азот. Його вміст у дослідах змінювали східчасто, підвищуючи концентрацію у воді лотка на 0,5 мг N/дм3 при кожному внесенні. Фосфорне лімітування усували, підтримуючи концентрацію фосфатів у воді в межах 0,1-0,2 мг Р/дм3 . Величина ao обчислювалася як відношення добової валової первинної продукції фітопланктону на оптимальній глибині (Аo) до його середньодобової біомаси В. Розмір (Аo) визначався експериментально за методом Вінберга в кисневій модифікації при 24-годинній експозиції склянок, що здійснювалася в лотках на глибині 0,1 м.

Значення ao для відповідних дослідних значень В обчислювались за допомогою рівняння, що апроксимує співвідношення між ao і B і отримане на підставі результатів досліджень, проведених на ряді євтрофних водних об'єктів [2]:

ao (B) = 3,9 exp(-0,4 B) + 0,52 - 2 10-3 B (4)

За одержаними даними були визначені експериментальні значення N, які разом з відповідними значеннями концентрацій мінерального (Nm) і загального (Nt) азоту наведені в таблиці 3.

Таблиця 3. Результати експерименту з дослідження впливу азотного лімітування на продукцію фітопланктону

Час від початку експерименту | aо max,

г О2/гдобу | ao,

г О2/гдобу | N | В,

г/м3 | Nm,

г/м3 | Nt,

г/м3

Дослід 1

До внесення | 2,60 | 0,81 | 0,31 | 1,59 | 0,11 | 0,20

Після внесення:

30 хвилин | 0,60 | 0,70

1 доба | 1,40 | 1,09 | 0,78 | 2,49 | 0,16 | 0,70

2 доби | 0,92 | 0,68 | 0,74 | 7,73 | 0,13 | 0,70

3 доби | 0,80 | 0,31 | 0,39 | 14,70

5 діб | 0,86 | 0,38 | 0,44 | 10,20 | 0,08 | 0,70

Дослід 2

До внесення | 0,86 | 0,30 | 0,35 | 10,50 | 0,11 | 0,70

Після внесення:

30 хвилин | 0,60 | 1,20

1 доба | 0,83 | 0,55 | 0,66 | 12,30 | 0,08 | 1,20

2 доби | 0,80 | 0,63 | 0,79 | 15,20 | 0,10 | 1,20

4 доби | 0,77 | 0,44 | 0,57 | 19,20 | 0,08 | 1,20

Концентрація загального азоту визначалася виходячи з того, що весь внесений азот протягом експерименту продовжував знаходитися в товщі води, але вже переважно у формі органічних сполук (у тому числі в складі біомаси фітопланктону).

Після кожного внесення основна кількість амонійного азоту вже протягом першої доби утилізувалася водоростями. При цьому різко збільшувалася питома валова первинна продукція і зростала біомаса фітопланктону. Значення N складали 0,74-0,79. На третю-четверту добу питома продукція фітопланктону знижувалася, а його біомаса і значення N стабілізувалися на рівні, що відповідав концентрації загального азоту у воді модельної екосистеми.

Результати експерименту показують, що після утилізації фітопланктоном мінерального азоту його залишковий вміст визначається умовами метаболізму в екосистемі і не впливає безпосередньо на величину N. В цій ситуації азотне лімітування визначається сумарним вмістом органічного азоту, причому залежність N від його концентрації в дослідженому діапазоні значень може бути апроксимована прямою:

N = 0,5 (Nt – Nm). (5)

З даних експерименту можна також встановити, що вмісту мінерального азоту у водотоці 0,6 мг/дм3 відповідають значення N 0,7 - 0,8, отже, очікується, що при вмісті Nm понад 1 мг/дм3 значення N будуть наближатися до одиниці.

Уточнення зв'язку значень N з концентрацією різних форм азоту і визначення залежності ?N від вмісту у воді сполук фосфору є предметом подальших досліджень на дослідному полігоні.

Для визначення поточних значень концентрацій мінерального азоту при розрахунках з використанням N у систему розрахунків нами уведено наступне