Читайте также:
|
|
Основные типы наземных биомов - это пустынные, травянистые и лесные экосиаемы. Каждой экосистеме присущи свои типичные
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
сообщества растений, животных и редуцентов, которые приспособлены к определенным климатическим условиям. Среднегодовое количество осадков, среднегодовая температура и их колебания в течение года - основные факторы, которые срормируют сообщества пустынь, лугов и лесов в тропических, умеренных и полярных широтах. Важными факторами также являются: циркуляция воздуха, распределение солнечного света, сезонность климата, высота и ориентация гор, гидродинамика вод.
Наземные формации в основном определяются растительностью, так как растения теснейшим образом зависят от климата, и именно они образуют основную часть биомассы. Лимитирующим фактором, формирующим ее характер на большей части Земли, является количество осадков.
В пустыне испарение менее^ 250 мм в год, но при этом превышает количество осадков. Наблюдаются контрасты между дневными и ночными температурами. Здесь произрастает скудная, разреженная, низкорослая растительность.
Травянистые экосистемы приурочены к регионам, где среднегодовое количество осадков достаточно для произрастания трав, но выпадают они неравномерно. Периодические засухи и пожары препятствуют развитию древесной растительности.
Леса, состоящие из разнообразных пород деревьев и низкорослой растительности, покрывают ненарушенные территории со средним и высоким количеством осадков.
Климатические условия местности меняются в зависимости от широты и ее высоты над уровнем моря. Среднегодовая температура на экваторе 26 °С, на широте 40 ° - около 13 °С. При движении от экватора к полюсам климат становится прохладнее и влажнее. Соответственно меняется и тип растительности. С увеличением высоты над уровнем моря климат также становится более прохладным и влажным. Поэтому даже в тропических широтах высокогорья покрыты снегами и льдами.
Растения, характерные для Арктики, могут встречаться в высокогорьях теплых широт (альпийская тундра, например). Сходную
последовательность смены растительных сообществ можно наблюдать, проезжая тысячи километров от экватора на север или просто поднимаясь в горы (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Смена растительных сообществ в зависимости от географической широты и высоты в горах
Все три типа наземных биомов (пустыни, трявянистые сообщества, леса) встречаются практически во всех географических широтах, кроме ледников. В каждом климате они имеют свои особенности, специфическую растительность, которые формируют и сообщества животных организмов, адаптированных к этим условиям.
Существуют биомы, занимающие промежуточное положение, например, полувечнозеленый тропический лес с выраженными клажными и сухими сезонами. Границы между биомами чаще
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
размыты и представляют широкие переходные зоны - экотоны. Самый богатый по числу видов наземный биом планеты - это вечнозеленый дождевой тропический лес.
■ Водные экосистемы меньше зависят от климата, чем наземные. Они формируются в зависимости от глубины водоема, содержания растворимых солей, глубины проникновения солнечных лучей, количества растворенного в воде кислорода, доступности питательных элементов, гидродинамики и температуры воды. Эти факторы определяют горизонтальное и вертикальное размещение организмов. Соли, растворенные в морской воде (в основном NaCl), меняют и физические свойства воды. Так, морская вода, в отличие от пресной, замерзает при температуре ниже О °С.
По степени солености водные экосистемы подразделяют на морские, солоноватоводные и пресноводные.
Морские экосистемы образуют морские биомы, к которым
ОТНОСЯТ также ЭСТуарИИ (лат. aestuarium - заливаемый приливом), Т. е.
воронкообразные устья рек, где соленые воды смешиваются с пресной водой; прибрежные болота и коралловые рифы. Распределение морских биомов показано на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Деление мирового океана на зоны в зависимости от глубины
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Прибрежное океаническое мелководье, ограниченное с одной стороны берегом, а с другой - гребнем континентального склона (до 600 м), называется континентальным шельфом (англ. shelf - полка). Площадь шельфа составляет около 8 % от общей площади мирового океана. В области шельфа расположена литоральная зона, которая подразделяется на супралитораль, собственно литораль и сублитораль. Небольшие глубины, близость к материкам, приливы и отливы определяют ее насыщенность питательными веществами, доступность солнечного света, высокую продуктивность и разнообразие организмов. Здесь производится свыше 80 % всей биомассы океана и сконцентрирован мировой океанический промысел.
От нижнего края шельфа над континентальным склоном до глубины 2 - 3 тыс. м простирается батиальная зона (гР. bathys -глубокий). Площадь этой зоны - чуть более 15 % от всей площади океана. Фауна и флора батиали гораздо беднее, чем литорали; общая биомасса не превышает 10 % биомассы мирового океана. От подножия континентального склона до глубин 6 - 7 тыс. м находится абиссальная область (гр. abysses - бездна) океана. Она занимает более 75 % дна океана. Абиссаль характеризуется отсутствием солнечного света у дна, слабой подвижностью водных масс, ограниченностью питательных веществ, бедностью животного мира, низким видовым разнообразием, биомассой от 0,5 до 7,0 г/м2 (в литорали она исчисляется десятками и сотнями г/м2). В абиссальной области могут встречаться глубокие впадины - до 11 тыс. м, площадь которых около 2 % от общей площади дна океана. Открытую часть океана часто называют «пустыней».
Эстуарии и прибрежные заболоченные земли играют большую роль в природе и жизни людей, хотя многие обыватели и некомпетентные чиновники полагают, что это бесполезные территории, кишащие комарами. Долгое время считалось, что их следует осушать, застраивать или использовать для свалки отходов.
На самом деле это высокопродуктивные экосистемы, которые предоставляют условия для питания и размножения многим рыбам,
75
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
моллюскам и другим морским организмам. Кроме того, здесь гнездятся водоплавающие птицы и нерестится около 70 % промысловых морских организмов: креветки, лосось, устрицы, пикша и многие другие. Коммерческое и промышленное рыболовство развивается в основном в этих зонах, дает ежегодно многомиллиардные доходы и обеспечивает миллионы рабочих мест. В прибрежных районах происходит разбавление и фильтрование сбрасываемых загрязненных вод, а следовательно, улучшаются экологические условия для рекреации, рыболовства и обитания диких животных. Они, как губка, поглощают паводковый сток. Эти территории относятся к продуктивным и ценным природным экосистемам.
Именно вблизи этих водных экосистем наиболее плотно селятся люди; они используются и подвергаются негативным влияниям человека. В результате антропогенных воздействий нарушаются или даже утрачиваются многие важные функции этих экосистем. Коралловые рифы встречаются в прибрежных зонах океана в тропических и субтропических широтах при температуре воды выше 20 °С. Они образуются в результате жизнедеятельности колониальных неподвижных морских животных, прикрепляющихся к скалам и похожих на растения, - кораллов. Кораллы имеют известковый скелет и могут достигать громадных размеров. Нарастая со дна к поверхности, они образуют рифы и целые острова, которые могут простираться на многие километры. Сложное строение и разнообразие рифов с большим количеством красных и зеленых водорослей привлекает сюда рыб и другие организмы. Не менее трети морских рыб и других морских животных обитают в коралловых рифах. Это наиболее продуктивные морские экосистемы. Кроме того, кораллы, благодаря красочным пигментам и разнообразию форм, являются одними из самых красивых морских животных, а известковые части благородных видов ценятся как драгоценные камни.
Пресноводные экосистемы отличаются низкой соленостью -это внутриматериковые водоемы. Ведущим фгактором в этих экосистемах становится скорость циркуляции воды. По этому признаку
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
различают логические (лот. btvs - омывающий), текучие воды, или водотоки (реки, ручьи) И лентические (лат. /вп/е - медленно, спокойно), СТОЯЧИв
воды, или водоемы (озера, пруды, болота, водохранилища).
Реки и ручьи образуются либо из поверхностного стока атмосферных осадков, либо за счет питания из подземных вод. Территория, с которой вода, наносы, растворенные вещества смываются и текут с водотоками в главную реку, а затем в море, называется водосборным бассейном, который часто определяет гидрохимический состав воды. Сток с горных территорий - это турбулентный поток, образующий водопады и пороги. Он поглощает из воздуха много кислорода. Растения в таких водотоках лишь прикрепленные, а из рыб преобладают холодолюбивые и требующие большого кличества кислорода, например форель. В зависимости от количества солей кальция и магния выделяют жестководные и мягководные водотоки.
Текучие воды играют важную роль в преобразовании земной поверхности, вымывая глубокие овраги и каньоны. С другой стороны, равнинные реки за счет аккумуляции наносов образуют холмы и даже горы.
Озера - это пресноводные естественные водоемы со стоячей водой. Они образуются при заполнении впадин земной поверхности атмосферными осадками или подземными водами. Древние озера образовались в результате ледниковых процессов. По содержанию питательных веществ (в основном, нитратов и фосфатов) озера делят на три основные группы: дистрофные - очень бедные, олиготрофные - бедные и эвтрофные - богатые биогенными веществами. В последних обитает большое количество микроскопических водорослей - фитопланктона, микроскопических животных - зоопланктона, а также многие рыбы. В глубоких эвтрофных озерах у дна бывает дефицит кислорода, особенно в зимний период, из-за поглощения его отмершими водорослями при аэробном разложении. Очень многие озера занимают промежуточное положение между олиготрофными и эвтрофными, они называются мезотрофными.
77
Глава 2, Экосистемы - предмет экологии
В результате сброса в водоемы избыточного количества азота и фосфора озера могут быстро зацветать и переходить в эвт-рофное состояние. Этот нежелательный процесс может приводить к вторичному загрязнению воды и полной деградации водной экосистемы (см. гл. 8). В глубоких озерах умеренных широт зимой и летом наблюдаются значительные различия температур в верхних и нижних горизонтах воды. Это приводит к неравномерному распределению по вертикали питательных солей, кислорода и других ингредиентов. Такое явление называется вертикальной стратификацией. Весной и осенью происходит выравнивание температур и перемешивание поверхностных и глубинных вод. Раздел гидробиологии, изучающий озера, выделился в самостоятельную ДИСЦИПЛИНУ - ЛИМНОЛОГИЮ (гр. limne - озеро, logos - учение, наука).
Водохранилища - искусственные пресноводные водоемы, которые соружаются с целью регулирования стока и аккумуляции воды. Сбрасываемые воды используются также для производства электроэнергии (ГЭС). Кроме того, аккумулированные в водохранилищах воды могут направляться на орошение или поступать в города для бытового и промышленного водоснабжения. Водохранилища используются также в целях рекреации. Однако они еще в большей степени, чем озера, подвержены эвтрофирова-нию, т. е. «цветут» и зарастают.
Наземные и водные экосистемы тесно взаимосвязаны. Наиболее важным процессом является смыв биогенных (нитраты, фосфаты) и органических веществ с поверхности суши в водные экосистемы. Эти вещества составляют основу питания водных организмов. Смываемая почва, попадая в озера и реки, осаждается на дне. Донные осадки постепенно преобразуют структуру водных биоценозов. Водные экосистемы могут постепенно превращаться в наземные, но это длительный процесс.
С другой стороны, рыбы, моллюски являются пищей для многих обитающих на суше животных, птиц и человека. Поэтому часть смытого питательного материала возвращается на сушу, участвуя в глобальном круговороте веществ.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Ш Антропогенные экосистемы обладают теми же основными признаками, что и природные: определенной структурой биоценоза (продуценты, консументы, редуценты), потоком энергии и круговоротом веществ. Однако имеются и различия. Проследим черты сходства антропогенных и природных экосистем и их отличия на некоторых примерах.
Город, особенно промышленный, является гетеротрофной экосистемой, получающей энергию, пищу, воду и другие вещества с больших площадей, находящихся за его пределами. Город отличается от природных гетеротрофных систем, примером которых может служить устричная банка (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Гетеротрофные экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями): А - устричная банка; Б - промышленный город
Устричная банка целиком зависит от поступления энергии с большой площади окружающей среды. Существование города также поддерживается колоссальным притоком энергии извне, при этом возникает и огромный отток в виде тепла, промышленных и бытовых отходов. Однако потребности 1 м2 города в энергии примерно в 70 раз превышают потребности устричной банки такой же площади и составляют около 4000 ккал/сут, а в год - около 1,5 млн ккал.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Большинство городов имеют «зеленый пояс», т. е. автотрофный компонент: газоны, парки, пруды, озера и т. п. Но органическая продукция этого зеленого пояса не играет никакой роли в снабжении энергией механизмов и людей, населяющих город. Городские парки представляют в основном лишь эстетическую и рекреационную ценность, смягчают колебания температуры, уменьшают загрязнения и шумовое воздействие, являются местом обитания птиц и мелких животных. Труд и горючее, затрачиваемые на их содержание, лишь увеличивают расходы на жизнь города. Ежегодные энергетические дотации для газона (труд, бензин, удобрения и т. п.) оцениваются приблизительно в 530 ккал/м2. Без огромных поступлений извне пищи, горючего, электричества и воды люди погибли бы или покинули город.
Хотя площадь суши, занятая городами, не так уж и велика (1 -5 %), но, воздействуя на свои^обширные пригородные зоны, они изменяют водные пути, леса, поля, атмосферу и океан. Город может влиять на удаленный лес не только непосредственно загрязнением воздуха или использованием продуктов леса и древесины, но и изменяя состав деревьев в нем. Например, спрос на бумагу оказывает экономическое давление: естественные леса, состоящие из деревьев разных пород и возраста, превращаются в плантации деревьев одного вида и возраста.
Гектар города потребляет приблизительно в тысячи раз больше энергии, чем такая же площадь сельской местности. Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов. В городах теплее, повышена облачность, меньше солнца, больше тумана, чем в прилегающей сельской местности. Строительство городов стало основной причиной эрозии почвы.
Размеры загрязнения среды на выходе города зависят от интенсивности его жизнедеятельности и степени технического развития. Отсутствие очистных сооружений для сточных вод и выбросов в атмосареру, переработки твердых отходов приводят к сильному негативному воздействию на среду в окрестностях города.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Город практически не производит пищу, он только перерабатывает ее, не очищает воздух, почти не возвращает в круговорот воду и органические вещества, но находится в симбиотических отношениях с окружающей сельской местностью. Он производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обогащая этим сельское население и получая взамен услуги и пищу.
Город можно рассматривать как экосистему только в том случае, если учитываются его обширные пригороды. Одно из имеющихся, к сожалению, препятствий для такого разумного подхода - порочное административное разделение между городом и сельской местностью. Пока городские и областные лидеры не научатся ставить общие интересы выше частных, управление городом и областью как единой функциональной экологической системой не может быть реализовано.
Агроэкосистемы, в отличие от городов, являются автотроаЬ-ными экосистемами, т. е. обладают обширным «зеленым поясом». Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем (лес, луг, поляна), работающих только на энергии Солнца. Они получают дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных, удобрений, пестицидов, орошающей воды, горючего, механизмов, машин и т. п. Для максимизации выхода какого-либо одного продукта человек резко снижает разнообразие организмов. Виды растений и животных подвергаются искусственному, а не естественному отбору. Сельское хозяйство использует только 30 % свободной от льда суши планеты: около 10 % -пахотные земли и приблизительно 20 % - пастбища.
Условно агроэкосистемы можно разделить на два типа.
Агроэкосистемы доиндустриального периода используют дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных. Они поставляют продукты питания в основном для семьи фермера и частично - на местный рынок.
Интенсивные механизированные агроэкосистемы получают энергетические дотации в виде горючего, химикатов, работы машин. Эти высокопродуктивные системы производят продукты пита-
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии |
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
ния в основном на рынок; продукты питания превращаются в товар, играющий важную роль в экономике.
Доиндустриальное сельское хозяйство часто называют примитивным и направленным только на выживание. Тем не менее оно очень эффективно, если оценивать по количеству произведенной пищи на единицу затраченной энергии. Например, на огородах со смешанными культурами соотношение полученной и затраченной энергии может составлять 16:1. Напротив, многие механизированные агроэкосистемы потребляют часто не меньше энергии, чем возвращают в виде продуктов питания. Однако даже хорошо приспособленные доиндустриальные системы, эффективно использующие энергию, часто не могут производить достаточного количества избыточных продуктов питания, чтобы прокормить огромные города.
Таким образом, неиндустр*иализованное сельское хозяйство эффективно расходует энергию, но оно малотоварно. Как правило, такие агроэкосистемы дают меньший урожай на единицу площади, чем интенсивное механизированное сельское хозяйство. Но, выигрывая в одном, человек проигрывает в другом - ничто не дается даром. Поскольку в развитых странах и интенсивность энергетических субсидий, и урожай, видимо, достигли максимума, повышение вкладов в сельское хозяйство может привести к уменьшению выхода продукции (отрицательная обратная связь).
Может ли человек искусственно создать полноценную экосистему вне биосферы? Является ли даже такая совершенная техногенная система, как космический корабль, в полной мере экосистемой? Может ли она долгое время функционировать за пределами биосферы? Попытаемся ответить на эти вопросы.
Космический корабль, предназначенный для длительных путешествий, представляет собой как бы миниатюрную экосистему, включающую человека. Пилотируемые космические корабли в настоящее время снабжены модулями жизнеобеспечения запасающего типа: в них частично осуществляется регенерация воды и воздуха лишь физико-химическими методами. Для настоящих регенерационных экосис-
тем, которые могли бы долгое время находиться в космосе, ничего не получая с Земли, потребовались бы сообщества растительных и крупных животных организмов, которые могли бы использоваться человеком в пищу, значительное видовое разнообразие их и большие емкости для воздуха и воды.
Рис. 2.13. Сравнительные объемы атмосферы и океана, приходящиеся на 1 м2 суши (по Ю. Одуму, 1986) |
Основная задача, которую предстоит решить, - чем заменить буферную способность атмосферы и океана, благодаря которой очищаются отходы, стабилизиру-
ются и поддерживаются условия жизни в биоссрере в целом. На Земле на 1 м2 суши приходится более 1 000 м3 буферной емкости атмооферы и почти 10 000 м3 океана плюс большие объемы растительности (рис. 2.13).
Атмосфера, океан и растительность выполняют роль накопи-телей и регенераторов отходов. При длительном пребывании человека в космосе часть этой бусрерной функции должны взять на себя механические устройства, работающие на солнечной и, возможно, атомной энергии.
Однако, по выводам Национального управления по аэронав-(ике США, на современном этапе развития невозможно создать безопасную и надежную закрытую экологическую систему жизнеобеспечения даже для использования ее на Земле. Создать миниа-тюрную модель биосферы, т. е. искусственную экосистему без притока и оттока вещества и энергии, с полной регенерацией отходов и регуляцией условий, для использования ее в космосе не только сложно, но и очень дорого.
Правда, некоторые энтузиасты освоения космоса, например физик Дж. О'Нейл (1977), предсказывали, что в XXI веке воз-
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2, Экосистемы - предмет экологии
никнут космические поселения, обеспечиваемые функционированием тщательно отобранной биоты, свободной от паразитов и других непродуктивных организмов. Для поддержания таких поселений можно будет использовать солнечную энергию и минеральные богатства спутников планет Солнечной системы. В связи с тем что буферные объемы воздуха и воды будут невелики, возможность поддержания такого поселения без поступлений извне кажется сомнительной.
В заключение еще раз следует подчеркнуть, что функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех основных составляющих: сообщества, потока энергии и круговорота веществ (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Блоковая модель экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями): А - автотрофы; Г - гетеротрофы; 3 - запасы питательных веществ
Поток энергии направлен в одну сторону, часть ее преобразуется автотрофами в органическое вещество, которое затем используется гетеротрофами. Но большая часть энергии покидает экосистему в виде рассеивающегося тепла.
В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно.
Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми,
они должны получать энергию, вещества и организмы из среды
на входе и отдавать их в среду на выходе экосистемы. Экосисте
ма не может быть герметичной, так как ее живое сообщество не
вынесло бы такого заключения. /тч
Контрольные вопросы
1. Из каких компонентов состоят экосистемы?
2. Какие биосистемы изучает экология?
3. Какие компоненты экосистемы относятся к абиотическим?
4. Какие компоненты экосистем относятся к биотическим?
5. Какие организмы называются продуцентами?
6. Какие организмы называются консументами?
7. Какие свойства экосистемы называются эмерджентными?
8. Напишите уравнение фотосинтеза.
9. Напишите уравнение реакции аэробного дыхания.
10. Напишите уравнение реакции анаэробного дыхания.
1 1. Напишите уравнение реакции брожения.
12. Как соотносятся скорости автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере?
13. Чем можно объяснить накопление кислорода в атмосфере и горючих ископаемых в недрах Земли?
14. Что такое гомеостаз, с действием какого технического устройства его можно сравнить?
15. Чем различаются управляющие механизмы в технических и экологических системах?
16. Приведите примеры положительной и отрицательной обратной связи в экосистемах.
17. Что понимается под стабильностью экосистем?
18. Какие типы устойчивости экосистем вы знаете?
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
19. Что такое сукцессии?
20. Какие типы сукцессии вы можете назвать?
21. Как изменяются растительные сообщества при перемещении с юга на север и при подъеме в горы?
22. Какие морские и пресноводные экосистемы вам известны?
23. Каково основное отличие экосистемы города от агроэкоси-стемы?
24. Можно ли космический корабль назвать экосистемой?
ГЛАВА 3
ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ
Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
3.1. Преобразование ЭнерГИЯ (гр. energeia - деятельность] - ИСТОЧ-
энергии в экосистемах ник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами. С помощью энергии выращиваются продукты питания, необходимые человеку и другим организмам; поддерживается температура тела и обогреваются жилища; производится промышленная продукция; создаются сложнейшие технические сооружения и устройства, интеллектуальные и культурные ценности. Энергия позволяет переводить вещества из одного состояния в другое, перемещать предметы и организмы, осуществлять круговорот веществ в природе и т. д.
Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия - движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.
Дата добавления: 2015-07-20; просмотров: 296 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Весие главным образом за счет отрицательных обратных связей. | | | Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся. |