Anyag-spirál

(kivonat Szilágyi F.: Mérnökökológia c. jegyzetéből - BMGE VKKT, 2003.)

Az anyagspirál elmélet 

A folyókban folyásirány mentén a bioszféra tápanyagainak változatos sokfélesége áramlik görgetve, lebegve és oldva a tengerek felé. A lejtőn mozgó molekulák sebességét természetes gátak és alzathoz rögzült fizikai, kémiai, növényi és állati felvevő és leadó folyamatok lassítják. A nagy tartózkodási idejű és visszatartó kapacitású élőhelyeken az áramlás lelassul, ezért az anyagforgalmi kutatások eddig a tápanyagok körforgás modelljét követték. Ugyanakkor az elmúlt két évtizedben a tavakra elkészített bevétel-kiadás tápanyagmérlegek már sejtetik, hogy a tápanyag felvétel és leadás nem irható le a körforgás egyszerű modelljével.

 A  térben is áthelyeződő molekulák mennyisége jelentősebb lehet, mint a helyben körforgó molekuláké. Az élőlény társulások tápanyag felvételét és leadását szimbolizáló forgás egyszerűsített köre a térben valóságosan áramló tápanyag molekulák mennyiségével arányosan spirállá módosul. A valóságban tehát nem anyagforgás, hanem anyagspirálozás a működő mechanizmus az ökoszisztémák anyagáramlásában (.. ábra).  A csavarhossz, spirálozási hossz vagy röviden spirálhossz, azt az átlagos távolságot jelenti, amelyet a molekula egyetlen forgás, vagyis felvétel és leadás ideje alatt megtesz. A spirálhossz kiterjedése nagymértékben függ a víz áramlási, víz tartózkodási viszonyoktól. A forgás és a lejtőmozgás  a körforgást spirálmozgássá alakítja. A körforgás zárt abban az értelemben,  hogy ugyanaz a tápanyag molekula többször is áthaladhat egy trofikus szinten, kémiai állapoton vagy ökoszisztéma kompartmenten, miközben egy tóban vagy patak rendszerben tartózkodik. Nyitott abban a vonatkozásban, hogy a körforgás teljessé tétele nem ugyanazon a helyen történik, mivel a tápanyag a lejtőn lefelé halad, térben áthelyeződik,  miközben egy körforgás bezárul. A folyók csatornává alakításával nemcsak a lejtőmozgás gátjai, de a tápanyagok biológiai körforgását megvalósító élőlénytársulások otthonai  is megsemmisülnek. A tápanyag molekulák szabadon áramlanak a tengerek felé, az anyagspirál kitágul. A természetes folyóvölgyben változatos élőlénytársulások hatékony tápanyag visszatartó összenyomott anyagspiráljai működtek. Jelentős tápanyag felhalmozás valósult meg a folyóvölgyek magasabb térségeit és teraszait borító keményfa ligeterdőkben (Quercetum) és alattuk, a mélyebb talajvízi élettájékon (Freaton). Ma már a több száz éves tölgyesek itt-ott még látható maradványai elmúló védett természeti értékeink csupán. A rendszeres tavaszi áradások egészen a teraszokig bőséges vízellátást biztosítottak a felszíni és felszín alatti élettájékok változatos sokféleségének (az ábrán szaggatott vonal). A nyárvégi kisvíz idejére legfeljebb a folyó főágától legtávolabbi időszakos vizek száradtak ki rövid időre (Plesiopotamon). A főágtól az év nagyobb részében izolált holtágakkal (Paleopotamon) együtt hatékony tápanyag visszatartást valósítanak meg. A folyó mellékága (Parapotamon) az év nagy részében kapcsolatban áll a főággal, legalábbis az alvízen, így azután anyagspirálja széthúzottabb, tápanyagtartalma viszont kisebb, amint azt a spirál átmérője is mutatja. A főmederben [Eupotamon) a leghosszabb a spirál csavarhossza, ugyanakkor a tápanyagtartalma kevés, legalábbis, ha a teljes folyóvölgy változatos élettájainak összesített anyagtartalmához viszonyítjuk. Ezek hiányában ugyanis minden visszatartott tápanyag molekula felszabadulna és a csatornává degradált főmederbe áramlana. Az ártér égerlápjai (Alnetum) tápanyag visszatartásban vetekszenek a keményfa ligetekkel. A sekély, felszínhez közeli, olykor felszín feletti talajvízi tájékon kialakuló puhafa ligeterdők és füzesek (Populetum, Salicetura) tápanyag-visszatartása nagyságrendileg hasonlítható az ártéri nedves rétek, kaszálók és lápok (Sphagnetum), valamint a főágat kisérő folyás alatti élettájékok (Hyporheon) anyagspiráljaihoz. Természetes körülmények között tehát az árterek természetes élőhelyein (nedves földek, ligeterdők, mocsarak, stb.) a folyó jobban megszabadulhat a vizgyüjtőn egyre intenzívebb termelésre kényszerülő társadalmak tápanyag hulladékától az anyagspirál szűkülése révén (nagyobb tartózkodási idő, intenzívebb anyagforgalom).

 Összefoglalva: A folyók biológiai anyagforgalmában a víztesten kívül fontos szerepe van a parti tájéknak, az időszakosan elöntött területeknek, és a kavicságynak is. A parti zóna tápanyagcsapdaként működve csökkenti a vízgyűjtőről érkező szenynyezőanyag terhelés vizminőségi hatását. A folyót követő erdőségek, mocsarak, primer produkciója a legnagyobb (100 t/ha/év). Ebben a régióban történik meg a folyóba jutott szervesanyag lebontása és a növényi tápanyagok felvétele, vagyis más szóval a folyó "öntisztulása". A csatornába szorított folyók esetében az "öntisztulás" jelentősen kárt szenved. mivel a parti zóna kiesik a biológiai anyagforgalomból, vagy szerepe drasztikusan csökken. Ha parti zóna öntisztító képessége kiesik a folyó anyagforgalmából, annak pótlása a szennyvíztisztitó technológiákkal lényegesen költségigényesebb. Következésképpen a folyószabályozás jövőbeni  stratégiájának kidolgozása során az ökológiai érdekeket a természet- és tájvédelmen túlmenően gazdasági szempontok miatt is célszerű figyelembe venni.

 A folyók forrásvidékétől a torkolat felé haladva a biológiai anyagforgalmi folyamatok intenzitásában jellemző változások következnek be. A felső szakaszon az allochton szervesanyag lebontása dominál, a bakteriális produkció nagyobb a primer produkciónál, Lefelé haladva a két folyamat kiegyenlítődik, majd a primer produkció korlátozódik a fényviszonyok, vagy a tápanyag-ellátottság csökkenése miatt. Az alsó szakaszon a bakteriális produkció - főként az autochton szervesanyagok miatt ismét nő.

 A felszíni vizek anyagforgalmában a körforgás helyett helyesebb az anyagspirál fogalmának bevezetése. Az anyagspirál arra az úthosszra jellemző, amit egy molekula a felvétel és leadás között megtesz. Az anyagspirál hossza következésképpen a víz áramlási sebességétől és tartózkodási idejétől, valamint az élőlénytársulás diverzitásától függ. A csatornázott folyók gyors áramlása és a víz rövid tartózkodási ideje miatt az anyagspirál megnyúlik, amihez az élőlénytársulások alacsonyabb diverzitása is hozzájárul. A természetes folyóvölgy az anyagspirált összenyomja, a spirálhosszt rövidíti, a változatos élőlény együttesek közötti bonyolult kölcsönhatásrendszer lehetőséget ad a bekerült anyag és energia hatékonyabb visszatartására, illetve rendszerből való kikerülésére, erősen leegyszerűsítve a folyó "öntisztulására".

  A földi Élet különböző szerveződési szintjeinek (Bioszféra - vízgyűjtő - ökoszisztéma - populáció - "soksejtű" élőlény - sejt - ) folyamatait, az élő rendszerek információs tevékenységét, energiaáramoltatását és anyagörvényeltetését (körforgásban tartását), a külső környezethez való alkalmazkodás és annak javítására irányuló törekvését mutatja be Agócs József: Bioszférabiológia című könyve.