علم البيئة المائية

تتمثل الافتراضات العامة لعلم المياه البيئية في الحد من تدهور النظم البيئية باستخدام مفاهيم تدمج العمليات الأرضية والمائية عبر مختلف المستويات. وتُعبَّر مبادئ علم المياه البيئية في ثلاثة مكونات متسلسلة:

1. الإطار الهيدرولوجي: ينبغي أن يكون قياس الدورة الهيدرولوجية لحوض ما بمثابة نموذج للتكامل الوظيفي بين العمليات الهيدرولوجية والبيولوجية. يشمل هذا المنظور مسألة المقياس، وديناميات المياه ودرجة الحرارة، والتفاعلات الهرمية بين العوامل الحيوية وغير الحيوية.
2. الهدف البيئي: يمكن توجيه العمليات المتكاملة على مستوى حوض النهر بطريقة تعزز القدرة الاستيعابية للحوض وخدماته البيئية . ويتناول هذا المكون جوانب مرونة النظام البيئي ومقاومته.
3. الهندسة البيئية (المنهج): يُعد تنظيم العمليات الهيدرولوجية والبيئية، استنادًا إلى نهج نظامي تكاملي، أداةً جديدةً للإدارة المتكاملة لأحواض المياه. يدمج هذا المنهج الإطار الهيدرولوجي والأهداف البيئية لتحسين جودة المياه وخدمات النظام البيئي، باستخدام أساليب هندسية مثل السدود، والمعالجة البيولوجية، وإعادة التشجير، وغيرها من استراتيجيات الإدارة.

يمكن النظر إلى تعبيرها كفرضيات قابلة للاختبار (زاليفسكي وآخرون، 1997) على النحو التالي:

• H1: تنظم العمليات الهيدرولوجية عموماً الكائنات الحية
• H2: يمكن تشكيل الكائنات الحية كأداة لتنظيم العمليات الهيدرولوجية
• H3: يمكن دمج هذين النوعين من اللوائح (H1 وH2) مع البنية التحتية الهيدروتقنية لتحقيق خدمات المياه والنظام البيئي المستدامة.

يمكن تقييم الهيدرولوجيا البيئية في نظام محدد من خلال الإجابة على بعض الأسئلة الأساسية ^{[ 2 ]} : من أين يأتي الماء وإلى أين يذهب؟ يُعرَّف هذا بأنه مسار تدفق الماء الداخل إلى مستجمع المياه قيد التقييم. ما هي مدة بقاء الماء في تدفق أو تجمع مائي محدد؟ يُعرَّف هذا بزمن الإقامة، حيث يمكن ملاحظة معدل دخول الماء أو خروجه أو تخزينه. ما هي التفاعلات والتغيرات التي يمر بها الماء خلال هذه العمليات؟ يُعرَّف هذا بالتفاعلات البيوجيوكيميائية، والتي لديها القدرة على تغيير المواد المذابة أو المغذيات أو المركبات في الماء. تُستخدم العديد من الطرق لمراقبة مستجمعات المياه واختبارها للإجابة على هذه الأسئلة. ومن هذه الطرق: المخططات الهيدرولوجية، والمؤشرات البيئية والمُحقونة، أو المعادلات مثل قانون دارسي . هذه العوامل الثلاثة متفاعلة ومترابطة. غالبًا ما تحدد ترابطية مستجمع المياه كيفية تفاعل هذه الخصائص. مع حدوث تدفقات موسمية أو على نطاق الأحداث، تؤثر التغيرات في ترابطية مستجمع المياه على مسار التدفق وزمن الإقامة والتفاعلات البيوجيوكيميائية. تُسمى الأماكن ذات النشاط التفاعلي العالي في مكان أو وقت محدد بالبؤر الساخنة أو اللحظات الساخنة (Pedroli، 1990)(Wand et al.، 2015)(Krause et al.، 2017)(Fisher et al.، 2004)(Trauth et al.، 2014)(Covino، 2016).

يُعدّ مفهومًا أساسيًا في علم البيئة المائية أن تطور قدرة التربة على امتصاص الكربون ووظائف النبات يرتبطان ارتباطًا مباشرًا بتوافر المياه. ^{[ 3 ]} ففي المناطق التي تتوفر فيها المياه بوفرة، كما هو الحال في الغابات المطيرة ، يعتمد نمو النبات بشكل أكبر على توافر العناصر الغذائية . أما في المناطق شبه القاحلة ، مثل السافانا الأفريقية ، فيرتبط نوع الغطاء النباتي وتوزيعه ارتباطًا مباشرًا بكمية المياه التي تستطيع النباتات استخلاصها من التربة. ^{[ 4 ]} وعندما تكون المياه المتوفرة في التربة غير كافية، تحدث حالة من الإجهاد المائي. وتُقلل النباتات التي تعاني من الإجهاد المائي من كلٍّ من النتح والتمثيل الضوئي من خلال عدد من الاستجابات، بما في ذلك إغلاق ثغورها . ويمكن أن يؤثر هذا الانخفاض في غطاء الأشجار، وتدفق المياه عبره، وتدفق ثاني أكسيد الكربون، على المناخ والطقس المحيطين. ^{[ 5 ]}

يُسبب نقص رطوبة التربة إجهادًا للنباتات، ويُعدّ توافر الماء أحد أهم عاملين (إلى جانب درجة الحرارة) يُحددان توزيع الأنواع . وتُفاقم الرياح العاتية، وانخفاض الرطوبة النسبية في الغلاف الجوي، وانخفاض ثاني أكسيد الكربون، وارتفاع درجة الحرارة، وشدة الإشعاع الشمسي ، نقص رطوبة التربة. كما يقلّ توافر رطوبة التربة عند انخفاض درجة حرارتها. ومن أوائل استجابات نقص الرطوبة انخفاض ضغط الامتلاء ؛ حيث يتوقف تمدد الخلايا ونموها فورًا، وتذبل الأفرع غير المُغطاة بالسوبرين سريعًا.

يُعدّ مفهوم نقص الماء، كما طوّره ستوكر في عشرينيات القرن الماضي، ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} مؤشرًا مفيدًا لتوازن امتصاص الماء وفقدانه في النبات. ويُعتبر نقص الماء الطفيف طبيعيًا ولا يُؤثر سلبًا على وظائف النبات، ^{[ 9 ]} بينما يُؤدي النقص الأكبر إلى تعطيل العمليات الحيوية الطبيعية للنبات.

يؤثر ارتفاع مستوى رطوبة التربة (الإسفنج الكربوني للتربة) ولو بمقدار خمسة ضغوط جوية فقط، على نمو الشتلات، ونتحها، وتوازن الماء الداخلي فيها. ويؤثر هذا على شتلات التنوب النرويجي أكثر من شتلات البتولا ، والحور الرجراج ، والصنوبر الاسكتلندي . ^{[ 10 ]} ويكون انخفاض معدل التمثيل الضوئي الصافي أكبر في التنوب مقارنةً بالأنواع الأخرى، ومن بين هذه الأنواع، لا يُظهر التنوب وحده أي زيادة في كفاءة استخدام الماء مع ازدياد جفاف التربة. ويُظهر كل من التنوب النرويجي والصنوبر الاسكتلندي، وهما من الصنوبريات، فروقًا أكبر في جهد الماء بين الورقة والتربة مقارنةً بالأشجار عريضة الأوراق. ^{[ 10 ]} وينخفض ​​معدل النتح في التنوب النرويجي بدرجة أقل من الأنواع الثلاثة الأخرى مع ازدياد إجهاد الماء في التربة حتى خمسة ضغوط جوية في بيئات مُحكمة. في الظروف الحقلية، تفقد إبر شجرة التنوب النرويجي ثلاثة أضعاف كمية الماء التي تفقدها أوراق البتولا والحور الرجراج من حالة الامتلاء الكامل، وضعف كمية الماء التي تفقدها أوراق الصنوبر الاسكتلندي، قبل أن تُغلق الثغور ظاهريًا (مع وجود بعض الصعوبة في تحديد نقطة الإغلاق بدقة). ^{[ 11 ]} لذلك، قد تستمر عملية التمثيل الضوئي لفترة أطول في التنوب مقارنةً بالصنوبر عندما يكون إجهاد الماء مرتفعًا، على الرغم من أن التنوب سيكون على الأرجح أول من "ينفد منه الماء".

رطوبة التربة مصطلح عام يصف كمية الماء الموجودة في المنطقة غير المشبعة ، أو الجزء غير المشبع من التربة تحت سطح الأرض. ولأن النباتات تعتمد على هذا الماء للقيام بعمليات بيولوجية حيوية، فإن رطوبة التربة عنصر أساسي في دراسة علم البيئة المائية. وتُعرف رطوبة التربة عمومًا بمحتوى الماء .${\displaystyle \theta }$أو التشبع ،${\displaystyle S}$ترتبط هذه المصطلحات بالمسامية .${\displaystyle n}$، من خلال المعادلة${\displaystyle \theta =nS}$تُعرف التغيرات في رطوبة التربة بمرور الوقت باسم ديناميكيات رطوبة التربة.

أظهرت دراسات عالمية حديثة باستخدام النظائر المستقرة للماء أن رطوبة التربة ليست متاحة بالتساوي لتغذية المياه الجوفية أو لنتح النباتات. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يمكن زيادة كمية المياه المتاحة للنباتات في التربة الرملية بوجود طين السيبيوليت . ^{[ 14 ]}

تصف ظاهرة الدوران المغذي كيفية تضافر العمليات البيولوجية والفيزيائية للتحكم في نقل المغذيات أو تنظيمها. ينتقل الماء باتجاه المصب، متبادلاً المغذيات عبر تيارات صاعدة غنية بالمغذيات وتيارات هابطة غنية بالأكسجين. وبدلاً من تبادل مستمر أو تدريجي، تدور المغذيات في أجزاء على طول قاع النهر. يتكون طول الدوران الكلي (S) من طول الامتصاص (Sw) وطول الدوران (Sp وSc). يمثل Sw متوسط ​​المسافة التي تقطعها المغذيات الذائبة باتجاه المصب قبل إعادة امتصاصها. يمكن تصور هذا المسار على شكل حلزوني. يتأثر الدوران المغذي بمستوى المجرى نظرًا لاختلاف نسبة تفاعل الماء مع قاع القناة حيث يحدث دوران المغذيات. يكون تفاعل المغذيات منخفضًا في حالة ارتفاع مستوى المجرى، وعاليًا في حالة انخفاضه. ( ^{[ 15 ]}

قد تزداد أو تنقص قدرة مستجمعات المياه على تدوير المغذيات ضمن نظامها الكلي تبعًا لانحدارها وتصريفها وسرعتها. ومع ذلك، كان للبشرية تأثير كبير في هذا المجال، مما أدى إلى تدهور صحة نظام مستجمعات المياه في كثير من الحالات. "لقد أدت الزراعة والتوسع الحضري واستخراج الموارد إلى زيادة كبيرة في كمية المغذيات وتغيير في توصيل وإنتاج المواد العضوية الذائبة... في السنوات الستين الماضية، ضاعف النشاط البشري تثبيت النيتروجين العالمي بأكثر من الضعف، وزاد من كمية الفوسفور أربع مرات. في الوقت نفسه، أدى استخدام الإنسان للأراضي إلى اضطراب مباشر في نصف مساحة اليابسة العالمية، مما أدى إلى تغيير جذري في قدرة النظم البيئية على امتصاص أو معالجة [أو تدوير] هذه المدخلات الغذائية." ^{[ 16 ]}

تُولي نظرية علم البيئة المائية أهميةً بالغةً للعلاقات الزمنية والمكانية. فالهيدرولوجيا، ولا سيما توقيت هطول الأمطار ، تُعدّ عاملاً حاسماً في تطور النظام البيئي بمرور الوقت. فعلى سبيل المثال، تشهد مناظر البحر الأبيض المتوسط ​​صيفاً جافاً وشتاءً ممطراً. وإذا كان موسم نمو النباتات صيفياً، فإنها غالباً ما تُعاني من نقص المياه، حتى وإن كان إجمالي هطول الأمطار على مدار العام معتدلاً. وقد تطورت النظم البيئية في هذه المناطق عادةً لدعم الأعشاب التي تحتاج إلى كميات كبيرة من المياه في الشتاء، عندما تكون المياه متوفرة بكثرة، والأشجار المُتكيفة مع الجفاف في الصيف، عندما تكون المياه شحيحة.

يهتم علم البيئة المائية أيضاً بالعوامل الهيدرولوجية التي تؤثر على التوزيع المكاني للنباتات. ويُحدد توافر المياه، جزئياً على الأقل، التباعد الأمثل والتنظيم المكاني للنباتات. ففي النظم البيئية ذات الرطوبة المنخفضة في التربة، عادةً ما تكون الأشجار متباعدة أكثر مما هي عليه في المناطق الغنية بالمياه.

تُعدّ معادلة توازن الماء عند نقطة معينة في البيئة المائية معادلة أساسية في علم البيئة المائية . تنصّ هذه المعادلة على أن كمية الماء الداخلة إلى التربة يجب أن تساوي كمية الماء الخارجة منها، بالإضافة إلى التغير في كمية الماء المخزّنة فيها. يتكوّن توازن الماء من أربعة عناصر رئيسية: تسرب مياه الأمطار إلى التربة، والنتح ، وتسرب الماء إلى الطبقات العميقة من التربة التي لا تصل إليها النباتات، والجريان السطحي من سطح الأرض. ويُمكن وصفه بالمعادلة التالية:

${\displaystyle nZ_{r}{\frac {ds(t)}{dt}}=R(t)-I(t)-Q[s(t),t]-E[s(t)]-L[s(t)]}$

تصف الحدود الموجودة على الجانب الأيسر من المعادلة إجمالي كمية الماء الموجودة في منطقة الجذور - وهي بمثابة إسفنجة الكربون في التربة. هذا الماء، المتاح للنباتات، له حجم يساوي مسامية التربة (${\displaystyle n}$) مضروبًا في نسبة تشبعه (${\displaystyle s}$) وعمق جذور النبات (${\displaystyle Z_{r}}$المعادلة التفاضلية${\displaystyle ds(t)/dt}$يصف هذا كيف يتغير تشبع التربة بمرور الوقت. أما المصطلحات الموجودة على الجانب الأيمن فتصف معدلات هطول الأمطار (${\displaystyle R}$الاعتراض (${\displaystyle I}$) الجريان السطحي (${\displaystyle Q}$، النتح والتبخر (${\displaystyle E}$والتسرب (${\displaystyle L}$تُعطى هذه القيم عادةً بالملليمترات في اليوم (مم/يوم). ويعتمد كل من الجريان السطحي والتبخر والتسرب بشكل كبير على تشبع التربة بالماء في وقت معين.

لحل المعادلة، يجب معرفة معدل النتح كدالة لرطوبة التربة. ينص النموذج المستخدم عادةً لوصف هذه العملية على أنه فوق مستوى تشبع معين، يعتمد التبخر فقط على عوامل مناخية مثل ضوء الشمس المتاح. أما عند انخفاض مستوى التشبع عن هذا الحد، فتصبح رطوبة التربة عاملاً مؤثراً على النتح، ويتناقص حتى تصل التربة إلى نقطة لا تستطيع النباتات عندها استخلاص المزيد من الماء. يُشار إلى هذا المستوى من التربة عادةً باسم " نقطة الذبول الدائم ". قد يُسبب استخدام هذا المصطلح لبساً، لأن العديد من أنواع النباتات لا تذبل فعلياً .

رقم دامكوهلر هو نسبة بدون وحدة تتنبأ بما إذا كانت المدة التي يقضيها عنصر غذائي أو مذاب معين في حوض أو تدفق معين من الماء ستكون كافية لحدوث تفاعل معين.

${\displaystyle Da={\frac {T_{transport}}{T_{reaction}}}}$

حيث يُمثل T زمن النقل أو زمن التفاعل. يُمكن استبدال زمن النقل بزمن التعرض (T) لتحديد إمكانية حدوث التفاعل، وذلك بناءً على مقدار تعرض المادة المتفاعلة للظروف المناسبة للتفاعل خلال زمن النقل. يشير رقم دامكوهلر الأكبر من 1 إلى أن التفاعل لديه الوقت الكافي لإتمامه، بينما يكون العكس صحيحًا بالنسبة لرقم دامكوهلر الأقل من 1.

قانون دارسي هو معادلة تصف تدفق السوائل عبر وسط مسامي. صاغ هذا القانون هنري دارسي في أوائل القرن التاسع عشر عندما كُلِّف بمهمة جلب المياه عبر طبقة المياه الجوفية إلى مدينة ديجون الفرنسية. أجرى هنري تجارب عديدة على تدفق المياه عبر طبقات الرمل لاستنتاج هذه المعادلة.

${\displaystyle Q=-KA{\frac {H}{L}}}$

حيث Q هو معدل التدفق مُقاسًا بالمتر المكعب في ^{الثانية} . K هي الموصلية الهيدروليكية (متر/ثانية). A هي مساحة المقطع العرضي الذي يقطعه الماء (متر مربع). H هو التغير في الارتفاع على امتداد المسافة التدريجية للخزان الجوفي (متر). L هو طول الخزان الجوفي أو المسافة التي يقطعها الماء (متر).

تُستخدم الرسوم البيانية المائية كنماذج لتحليل تصريف المياه عند نقطة معينة في النهر. وعادةً ما تُستخدم بعد هطول الأمطار أو الفيضانات لإظهار كيفية تغير تدفق المياه. ويُقاس التدفق بوحدة الحجم مقسومًا على الزمن .

يوجد 3 محاور رئيسية في الرسم البياني المائي. وهي: الزمن، والتصريف، والهطول.

تُطبق هذه المعادلة العامة قانون حفظ الكتلة على أنظمة المياه وتُستخدم لحساب تدفقات المياه الخارجة/الداخلة في الأنظمة المغلقة.

P = R + ET + ΔS

حيث P هي الهطول. R هو تدفق المياه. ET هو التبخر النتحي. ΔS هو التغير في التخزين.