Размещено на http://www.allbest.ru/

Задачи

- Изучение основных законов и концепций биоразнообразия;

- Изучение теоретических принципов биологической систематики, экологических особенностей представителей различных систематических групп, их роли в биосфере;

- Формирование представлений о принципах функционирования и пределах устойчивости экосистем и биосферы, о взаимодействии человека с природной средой, о причинах экологических кризисных ситуаций и о возможностях их преодоления;

- Прогнозирование изменения и стабилизации биомов в конкретных условиях;

- Обоснование природоохранных мероприятий разного уровня для поддержания биологического разнообразия.

Целями освоения дисциплины Биоразнообразие являются:

- Получение теоретических знаний о базовых концепциях в изучении биоразнообразия и практических навыков в области проблем его сохранения;

- Формирование мировоззренческих представлений и, прежде всего, системного подхода к изучению биоразнообразия как широкого спектра дисциплин в науках о Земле,

- Овладение методами анализа и оценки биоразнообразия на различных уровнях организации биосферы для практического применения в области экологического мониторинга, сохранения биологического разнообразия с учётом основных стратегий его восстановления, обеспечения безопасности и устойчивого взаимодействия человека с природной средой и обществом.



Вклад различных групп организмов в общее биоразнообразие

Россия занимает 1\8 часть суши планеты - большую часть внетропической Евразии. Несмотря на ее высокое ландшафтное разнообразие (Мнльченко и др., 2004) биологическое разнообразие здесь сравнительно низкое по сравнению с более южными регионами. Рассматривая часть континента включает ландшафты 8 природных зон, на территории которых встречаются сотни тысяч различных представителей флоры и фауны, составляющих от 1 до 20% мирового разнообразия отдельных таксонов. Ратификация Россией (в 1995 г.) и другими странами б. СССР Конвенции по биологическому разнообразию сделала сохранение живой природы Северной Евразии важной международной проблемой .

В Российской Федерации представлено более 12 500 видов сосудистых растений, 2200 - мохообразных, около 3000 - лишайников, 320 - млекопитающих, более 732 - птиц, 75 - рептилий, около 30 амфибий и почти 343 видов рыб пресных вод, 9 - круглоротых и около 1 500 видов морских рыб (Национальная стратегия…, 2001). Наиболее высоким уровнем разнообразия флоры и фауны отличаются регионы Дальнего Востока, гор юга Сибири и Северного Кавказа. Высокий уровень локального биоразнообразия на равнине характерен для зональных экотонов, в первую очередь для Европейской лесостепи.

Исключительно велик вклад биоразнообразия России в глобальное биоразнообразие планеты (Табл. 1) В нашей стране представлено около 5% мировой флоры сосудистых растений, 18% - фауны млекопитающих и почти 8% - фауны птиц нашей планеты.

агроценоз видовый биогеоценоз фитопланктон



Таблица 1. Основные параметры биоразнообразия Российской Федерации (Национальная стратегия…, 2001; Тишков, 2005)

Таксономическая группа	Оценка числа видов в России	% в мировой фауне
Растения
Водоросли	9 500	23,8
Лишайники	3 000	30,0
Мохообразные	2 200	12,0
Сосудистые растения	12 500	5,6
Животные
Простейшие	6 500	16,3
Губки	350	3,9
Кишечнополосные	450	5,0
Плоские черви	1 900	9,0
Круглые черви	2 000	6,0
Моллюски	2 000	2,8
Ракообразные	2 000	5,0
Паукообразные	10 000	13,3
Насекомые	Около 100 000	10,5
Рыбы пресноводные	443	1,4
Рыбы морские	Около 1500	4,5
Земноводные	27	0,6
Пресмыкающиеся	75	1,2
Птицы	732	7,6
Млекопитающие	320	7,0

Следует отметить, что значительная часть таксономических групп, составляющих биоразнообразие страны, находится на грани исчезновения и представлена в Красной Книге Российской Федерации. Несмотря на достаточно внушительный список исчезающих видов растений и грибов, представленных в Красной Книге России в прежней и новой редакции, ситуация с охраной флоры в России не столь остра, как с охраной фауны. 
Но глобальная роль биоразнообразия России оценивается не столько исходя из его такснономического разнообразия и уникальности (эндемизма), а сколько из осуществления ее природными экосистемами биосферных функций и, соответственно, экосистемных услуг.

Сейчас биоразноообразие страны является своеобразным гарантом устойчивого развития нашей планеты в целом, поскольку здесь сосредоточено около 40% ненарушенных арктических экосистем, почти 25% лесов, значительные площади других зональных и азональных экосистем, крупнейшие в мире реки и озера, уникальные очаги биоразнообразия на Кавказе, Урале, Алтае, Саянах, Забайкалье и Дальнем Востоке. Общий вклад биоразнообразия страны в глобальное разнообразие в некоторых таксономических группах организмов достигает 24% (почвенные водоросли), хотя в большинстве таксонов значительно меньше (млекопитающих и птиц, например, по 7,0 и 7,6 %).

Биоразнообразие играет ведущую роль в обеспечении устойчивости экосистем и биосферы в целом (поглощение загрязнений, стабилизация климата, обеспечение пригодных для жизни условий). Биоразнообразие выполняет регулирующую функцию в осуществлении всех биогеохимических, климатических и других процессов на Земле. Каждый вид, каким бы незначительным он ни казался, вносит определенный вклад в обеспечение устойчивости не только своей локальной экосистемы, но и биосферы в целом.

Генетическое разнообразие -- основа непрерывности эволюционного процесса: в условиях меняющейся среды одни особи получают больше шансов оставить потомство и, следовательно, передать свои гены по наследству, чем другие, хуже приспособленные к среде. Особи, вносящие наибольший относительный вклад в численность производимого потомства, оказывают и наибольшее влияние на его наследственные признаки.

Велика роль организмов, которые напрямую используются человеком в пищу, а также животных фильтраторов и детритофагов, которые вносят существенный вклад в круговорот биогенных элементов. И следовательно, среди огромного разнообразия организмов существуют группы, которые приносят пользу косвенным путем. Многие организмы на заре развития Земли внесли огромный вклад в становление и развитие атмосферы и климата Земли, например сине-зеленые водоросли. Деятельность целого ряда животных и растений до сих пор является мощным стабилизирующим фактором в отношении климата.

Разные стадии жизненного цикла или разные жизненные формы одного и того же вида часто занимают разные местообитания и экологические ниши и вносят свой вклад в разнообразие.

Некоторые группировки организмов в силу своих качеств и характеристик могут вносить в общее разнообразие больший вклад, чем другие, оказывать большее влияние на общее разнообразие. Это говорит о качественном разнообразии экониш. Одна из гипотез касается размера, продолжительности жизненных циклов и подвижности. Разнообразие выше для таксонов с малыми размерами, короткими жизненными циклами и большей подвижностью

Наибольший вклад в биомассу (г сухой массы/ м2 ) комплексов почвообитающих животных вносят микроорганизмы (85,4%), дождевые черви (7,7%) и членистоногие (6,2%) (Рис. 2). В верхнем слое плодородной почвы биомасса бактерий может составлять 400-5000 кг/га. По некоторым подсчетам, 1 т почвы содержит 1016 клеток прокариотических организмов. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%.



Видовое разнообразие агроценоза

Агроценоз (греч. agros -- поле) -- это сообщество организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного пользования, занятых посевами или посадками культурных растений. Примерами таких экосистем являются поля, огороды, сады, парки, искусственные пастбища, цветники и т. д. Сообщества растений и животных, искусственно создаваемые человеком в морских и пресноводных водоемах, также можно отнести к категории агроценозов.

Видовое разнообразие организмов в агроценозе резко снижено и представлено отдельными сельскохозяйственными культурами, чаще одной (поле пшеницы). Кроме агроценоза в виде возделываемых полей имеются пастбищные агроценозы различной степени интенсивности.

При создании агроценозов человек применяет комплекс агротехнических приемов: различные способы обработки почвы (вспашка, боронование, дискование и др.), мелиорацию (при избыточном увлажнении почвы), иногда искусственное орошение, посев (посадка) высокоурожайных сортов растений, подкормку, борьбу с сорняками, вредителями и болезнями растений.

В агроценозах резко снижено разнообразие организмов. Однообразие и видовую бедность агроценозовчеловек поддерживает специальной сложной системой агротехнических мер. На полях обычно культивируют один вид растений, в связи с чем резко обедняется и животное население, и состав микроорганизмов почвы. Однако даже самые обедненные агроценозы включают несколько десятков видов организмов, принадлежащих к разным систематическим и экологическим группам.

Структура агроценоза

Агроценозы, как и любые природные экосистемы, обладают определенным составом организмов (культурные растения, сорняки, насекомые, дождевые черви, мышевидные грызуны и др.) и определенными взаимоотношениями между живыми организмами и условиями среды. Эти взаимоотношения наиболее четко проявляются на уровне трофических связей между организмами.

В агроценозе (например, ржаного поля) складываются те же пищевые цепи, что и в природной экосистеме: продуценты (рожь и сорняки), консументы (насекомые, птицы, полевки, лисы) и редуценты (бактерии, грибы). Обязательным звеном этой пищевой цепи является человек, который своим трудом создает каждый агроценоз и обеспечивает его высокую продуктивность, а затем собирает и использует урожай.

Агроценозы существенным образом отличаются от природных биогеоценозов. Основными особенностями существования агроценозов являются следующие:

* Агроценозы характеризуются низким видовым разнообразием, так как основным компонентом данной экосистемы является один вид растений, искусственно поддерживаемый человеком.

* Обычно агроценоз существует 1-2 сезона, так как для обрабатываемых территорий характерен севооборот. А, как известно, смена основного биотического компонента экосистемы приводит к смене типа экосистемы.

* Организмы, обитающие в пределах агроценоза и не относящиеся к объектам хозяйственной деятельности человека, испытывают на себе постоянное воздействие антропогенных факторов и вынуждены приспосабливаться к ним.

Повышению продуктивности агроценозов способствует использование новых технологий выращивания сельскохозяйственных растений. Все более широкое применение получает индустриальная технология, в основе которой лежат новейшие достижения биологической и других областей науки. Индустриальная технология характеризуется высокой специализацией хозяйства, применением достижений селекции, агрохимии, растениеводства, использованием высокопроизводительной техники, которая работает с учетом биологических особенностей сельскохозяйственных растений.

В целях сохранения плодородия земель проводят минимальное число обработок почвы, чтобы тяжелая техника не разрушала структуру почвы. Так, предпосевную обработку почвы совмещают с внесением высокоэффективных и быстро разлагающихся химических препаратов для уничтожения сорняков. Индустриальная технология требует выращивания на полях высокопродуктивных сортов и гибридов растений, внесения оптимальных доз органических и минеральных удобрений.

Важнейшее условие применения индустриальной технологии - размещение сельскохозяйственных культур по лучшим предшественникам. Например, предшественник кукурузы должен быть убран рано с поля, чтобы осенью можно было тщательно обработать почву, очистить поле от сорняков, обеспечить достаточный запас влаги в почве. Предшественник кукурузы не должен иметь общих с ней вредителей, возбудителей заболеваний. Этим требованиям удовлетворяют зернобобовые, которые обогащают почву азотом, а также картофель.

Важное условие получения высоких урожаев - своевременное проведение всех сельскохозяйственных работ. Нельзя опаздывать с посевом семян, проведением агротехнических мероприятий по уходу за растениями, уборкой урожая.

Применение индустриальной технологии выращивания сельскохозяйственных культур способствует значительному повышению продуктивности агроценозов.

В настоящее время агроценозами занято около десяти процентов суши.

Несмотря на то, что в агроценозе, как и в любой природной экосистеме, существуют обязательные трофические уровни -- продуценты, консументы, редуценты, образующие типичные трофические сети, между этими двумя типами сообществ существуют довольно большие различия:

1) В агроценозах резко снижено разнообразие организмов. Однообразие и видовую бедность агроценозов человек поддерживает специальной сложной системой агротехнических мер. На полях обычно культивируют один вид растений, в связи с чем резко обедняется и животное население, и состав микроорганизмов почвы. Однако даже самые обедненные агроценозы включают несколько десятков видов организмов, принадлежащих к разным систематическим и экологическим группам. Например, в агроценоз пшеничного поля, кроме пшеницы, входят сорняки, насекомые - вредители пшеницы и хищники, беспозвоночные -- обитатели почвы и напочвенного слоя, патогенные грибы и др.

2) Виды, культивируемые человеком, поддерживаются искусственным отбором и не могут выдерживать борьбу за существование без поддержки человека.

3) Агроэкосистемы получают дополнительную энергию благодаря деятельности человека, обеспечивающей дополнительные условия роста культивируемых растений.

4) Чистая первичная продукция агроценоза (биомасса растений) удаляется из экосистемы в виде урожая и не поступает в цепи питания. Частичное потребление ее вредителями всячески пресекается деятельностью человека. В результате этого почва обедняется минеральными веществами, необходимыми для жизнедеятельности растений. Следовательно, снова необходимо вмешательство человека в виде внесения удобрений.

В агроценозах ослаблено действие естественного отбора и действует в основном искусственный отбор, направленный на максимальную продуктивность растений, нужных человеку, а не тех, которые лучше приспособлены к окружающим условиям.

Таким образом, агроценозы, в отличие от природных систем, не являются саморегулирующимися системами, а регулируются человеком. Задачей такой регуляции является повышение продуктивности агроценоза. Для этого орошаются засушливые и осушаются переувлажненные земли; уничтожаются сорняки и поедающие урожай животные, меняются сорта культивируемых растений и вносятся удобрения. Все это создает преимущества только для культивируемых растений.

В отличие от природной экосистемы агроценоз неустойчив, он быстро разрушается, т.к. культурные растения не выдержат конкуренции с дикорастущими и будут ими вытеснены.

Для агробиоценозов также характерен краевой эффект в размещении насекомых вредителей. Они концентрируются в основном в краевой полосе, а центр поля заселяют в меньшей степени. Указанное явление связано с тем, что в переходной полосе резко обостряется конкуренция между отдельными видами растений, а это в свою очередь, снижает у последних уровень защитных реакций против насекомых.



Насекомые в агроценоза

Пищевые связи насекомых с растениями и друг с другом часто настолько сложны и многообразны, что не всегда поддаются анализу и требуют специальных исследований. Наряду с энергией от продуцентов к консументам передаются некоторые метаболически устойчивые вещества, накапливающиеся в организмах консументов высшего порядка. Пример такого рода -- эффект биологического накопления персистентных хлорорганических инсектицидов (ДЦТ и его производные), достигающих в конечных звеньях пищевой цепи особенно высоких концентраций. Примененные для уничтожения вредных насекомых инсектициды нередко накапливаются в организмах насекомоядных птиц и рыб, а иногда и человека, питающегося ими.

Свои основные потребности в пище насекомые удовлетворяют в естественных биоценозах, не вовлеченных в антропогенное использование. В противном случае они могли бы уничтожить все посевы. Между тем для повышения урожайности ведущих сельскохозяйственных культур вдвое требуется 10-кратное увеличение расходов энергии. Поэтому необходимость защиты культурных растений от вредных насекомых очевидна.

В целом насекомые необходимы человеку и не только как элементы природы, выполняющие малозаметную, но нужную для биосферы работу, но и как источники пищевых ресурсов для потребляющих их животных, а также непревзойденного по своим качествам сырья, как регуляторы численности вредителей в агроценозах и постоянный резерв генофонда для культивируемых в промышленных масштабах видов, как модельные объекты для наблюдений и экспериментов.

Поэтому уместно остановиться на некоторых аспектах непреднамеренного влияния деятельности человека на мир насекомых. Эти воздействия, или антропогенные факторы, часто нарушают естественный ход развития биоценозов. Урбанизация, связанная с отчуждением земель и концентрацией населения в городах, требует постоянного санитарно-эпидемиологического надзора, а развитие современных средств транспорта и товарооборота между разными странами ставит новые проблемы перед службами карантина. Еще имеются примеры завоза вредных насекомых на новые территории.

Значительным воздействиям подвергается состав почвенных насекомых при вовлечении земель в сельскохозяйственное производство. Распашка и освоение целины в Оренбургских степях привели к резкому сокращению числа видов, но при этом и к существенному увеличению числа особей в расчете на 1 м2 пахотного горизонта (табл. 5, 6).

Особенно резко возросла численность серой зерновой совки (.Лратеа sordida Bkh.) и пшеничного трипса (Haplothrips tritici Kurd.), тогда как безвредные муравьи Leptothorax nassonovi R. стали исключительно редкими. Сократилась также численность мароккской саранчи (Dociostaurus maroccanus Thub.) и жуков-кравчиков, лишившихся привычных местообитаний на посевах пшеницы.

Осушение низинных болот в Белоруссии и вовлечение мелиорированных земель в сельскохозяйственное производство сопровождалось нарастанием численности ногохвосток и проволочников, однако при орошении и освоении полупустынь Средней Азии эти почвообитающие насекомые, наоборот, стали более редко встречаться (табл.).

Следует отметить, что коренная мелиорация пойменных земель на юге нашей страны привела к ликвидации очагов перелетной саранчи и мест выплода малярийных комаров.

Резкие изменения состава насекомых происходят при сведении лесов и посадках леса. Меняя гидрологический режим и региональный климат, эти мероприятия влекут за собой глубокие перестройки биоценозов. На посевах и пастбищах, сменивших лесные массивы, возникают очаги саранчовых и других ксерофильных вредителей, тогда как типичные обитатели леса вымирают. Нередкие при засухе лесные пожары ослабляют лес и этим способствуют размножению сибирского шелкопряда и многих стволовых вредителей.

Напротив, проведение лесопосадок создает условия, благоприятные для мезофильных видов, включая вредителей расположенных рядом садов и полей. Создание полезащитных лесных полос при всех очевидных достоинствах этого мероприятия содействовало размножению гессенской (Mayetiola destructor Say.) и шведской (Oscinella frit L.) мух, вредной черепашки (Eurygaster integriceps Put.) и других видов, обнаруживших благоприятные для себя места зимовок и дополнительного питания.

Чрезмерная насыщенность севооборотов зерновыми злаковыми культурами приводит к сильному размножению пшеничного цветочного клеща (вызывает массовую пустоколосость твердых пшениц) или хлебной жужелицы (Zabrus tenebrioides Goeze.). Все эти влияния вполне прогнозируемы и не должны бьггь неожиданными для службы защиты растений.

Отличия агроценозов от естественных биогеоценозов

Между естественными и искусственными биогеоценозами наряду со сходством существуют и большие различия, которые важно учитывать в сельскохозяйственной практике.

Первое отличие состоит в разном направлении отбора. В природных экосистемах существует естественный отбор, отвергающий неконкурентоспособные виды и формы организмов и их сообществ в экосистеме и тем самым обеспечивающий ее основное свойство -- устойчивость. В агроценозах действует преимущественно искусственный отбор, направленный человеком прежде всего на максимальное повышение урожайности сельскохозяйственных культур. По этой причине экологическая устойчивость агроценозов невелика. Они не способны к саморегуляции и самовозобновлению, подвержены угрозе гибели при массовом размножении вредителей или возбудителей болезней. Поэтому без участия человека, его неустанного внимания и активного вмешательства в их жизнь агроценозы зерновых и овощных культур существуют не более года, многолетних трав -- 3--4 года, плодовых культур -- 20--30 лет. Затем они распадаются или отмирают.

Второе отличие -- в источнике используемой энергии. Для естественного биогеоценоза единственным источником энергии является Солнце. В то же время агроценозы, помимо солнечной энергии, получают дополнительную энергию, которую затратил человек на производство удобрений, химических средств против сорняков, вредителей и болезней, на орошение или осушение земель и т. д. Без такой дополнительной затраты энергии длительное существование агроценозов практически невозможно.

Третье отличие сводится к тому, что в агроэкосистемах резко снижено видовое разнообразие живых организмов. На полях обычно культивируют один или несколько видов (сортов) растений, что приводит к значительному обеднению видового состава животных, грибов, бактерий. Кроме того, биологическое однообразие сортов культурных растений, занимающих большие площади (иногда десятки тысяч гектаров) , часто является основной причиной их массового уничтожения специализированными насекомыми (например, колорадским жуком) или поражения возбудителями болезней (мучнис-торосяными, ржавчинными, головневыми грибами, фитофторой и др.) .

Четвертое отличие состоит в разном балансе питательных элементов. В естественном биогеоценозе первичная продукция растений (урожай) потребляется в многочисленных цепях (сетях) питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота в виде углекислого газа, воды и элементов минерального питания.

Классификация ландшафтов

Многокомпонентность ландшафтов отражается в их классификации и таксономии. Классификация - это разделение понятий одного рода на группы по одному признаку. Поскольку предметы одного рода могут обладать несколькими признаками, то для каждого признака необходима своя классификация. Например, деревья могут классифицироваться по форме кроны на овальные, пирамидальные, шаровидные, плакучие и т.п. Они же могут классифицироваться по густоте кроны на деревья с плотной кроной и с прозрачной кроной. По характеру листовых органов они делятся на хвойные и лиственные. По сохранности листвы в зимний период на вечнозеленые и листопадные. Когда необходимо учесть несколько признаков, то эти классификации выстраиваются в определенной последовательности в иерархическую, таксономическую систему, то-есть в соподчинение однородных объектов , классифицированных по разным признакам, по степени значимости этих признаков, в зависимости от того, насколько важным признается тот или иной классификационный признак.

Ландщафты классифицируются в соответствии с ландшафтообразующими факторами и природными компонентами по климатическим условиям, по рельефу, условиям увлажнения, почвам, растительности. Причем учитываются разные уровни этих признаков. В итоге выстраивается следующая таксономическая система типологических единиц ландшафтов:

Тип ландшафта - классифицируется по климату, а именно по общим зональным характеристикам климата ( арктические, тундровые, таежные ( бореальные) типы ландшафтов и т.д.).

Подтип - выделяется в пределах типа аналогично почвенно-растительным подзонам. В таежном типе различают : северотаежный, среднетаежный, южнотаежный подтипы.

Класс ландшафта - классифицируется по рельефу, а именно по гипсометрической высоте местности и наличию высотной поясности климата и растительности (равнинные и горные ландшафты).

Подкласс ландшафта - по характеру рельефа более низкого уровня. Для равнинных ландшафтов это низменные и возвышенные ландшафты, для горных - низко-, средне- и высокогорные.

Вид ландшафта - опять по рельефу, но с еще большей детализацией - по генезису, структуре и морфологии рельефа и связанному с этим характеру материнских пород.

Схема эта может дифференцироваться, особенно на более низкие ступени (подвиды), по характеру дренированности (увлажнения), химизму материнских пород одного генезиса ( морены карбонатные и бескарбонатные) и т.п. Такая система предложена А.Г.Исаченко и она не содержит упоминания о более низких уровнях растительности, чем подзона.

Это связано с тем, что растительность учитывается на более низких ступенях - урочищах и фациях, на которые подразделяются ландшафты.

Рис. Пример ландшафтного районирования России

Территориальная физико-географическая дифференциация определяется сочетанием широтной климатической зональности с геологическим строением. На этих признаках основано физико-географическое районирование Российской Федерации. Ландшафтное районирование по сути есть физико-географическое районирование, так как при выделении ландшафтов ( природно-территориальных комплексов) учитываются все основные природные факторы, изучаемые физической географией. Широтная зональность в пределах России представлена следующей системой зон: арктическая пустыня, тундра, лесотундра, тайга ( с делением на северную, среднюю и южную подзоны), зона хвойно-широколиственных лесов Европейской части, зона муссонных хвойно-широколиственных лесов Дальнего Востока, лесостепь, степь, полупустыня, пустыня умеренного пояса, средиземноморская зона. Геологическое строение определяет наличие нескольких горных стран с вертикальной зональностью: Урал, Кавказ, Южно-сибирская, Байкальская, Путорано-Анабарская, Якутско-Чукотская, Южно-Дальневосточная и Курильско-Камчатская горные страны. Перечисленные зоны и страны являются высшей таксономической ступенью в системе физико-географического районирования.

Особенности биотопов в городе

В городе формируются специфические экосистемы, включающие различные комбинации синантропных и эвритропных видов. Это связано с характерными особенностями городской среды.

Городам свойственны особые климатические условия: парниковый эффект, связанный с загрязнением воздуха; повышенная теплоемкость и отопление зданий приводят к локальному повышению среднегодовой температуры на 0,5-1,50С. В городе реже наблюдаются ночные заморозки. Результатом является удлинение вегетационного периода у растений и более раннее их зацветание в центре города.

Уровень земли в старых городах бывает на несколько метров повышен (благодаря накоплению «культурного слоя») или, наоборот, снижен (благодаря сильному оседанию почвы над надземными пустотами).

Плодородный почвенный слой, как правило, запечатан асфальтовым или бетонным покрытием. Уровень грунтовых вод обычно снижен, так как подземные воды извлекаются для хозяйственных нужд, а осадки не просачиваются внутрь из-за покрытий улиц. Городские почвы обычно сильно уплотнены. Чаще всего они эвтрофированы - сильно обогащены питательными веществами. Почвы в промышленных зонах и под свалками значительно загрязнены отравляющими веществами.

Характерной особенностью крупных городов является мозаичный характер их природных комплексов или зеленых насаждений. Это определяет, в свою очередь, островной характер местообитаний животных в городе [Симкин и др., 2000].

Постройки, их высотность и расположение, также имеют большое значение для городских животных. Структура поверхности зданий в известной мере срав­нима с этой точки зрения со скальным рельефом.

Внутри города можно выделить целый ряд различных по своим условиям биотопов: плотная и разреженная застройка, садово-парковые зоны, подвалы, чердаки, свалки, пригороды с индивидуальными постройками и садами, поля орошения, наконец, прилегающие к городу пустыри и леса. Таким образом, разнообразие биотопов порождает и большое количество экологических ниш.

В связи с этим видовой состав флоры и фауны городов достаточно богат. Наряду с местными видами, характерными для данной климатической зоны, большую роль в городских биоценозах играют интродуценты. Города исторически являются исходными центрами распространения и накопления видов, завезенными человеком. Так, в Европе достоверно установлено внедрение около 10 000 интродуцированных и заносных видов.

Можно считать также, что для многих местных видов в городе находятся выгодные условия существования: избыточное количество корма на свалках и помойках, места эрозий и отложений у рек. Некоторые биологи допускают возможность возникновения новых видов растений в городских условиях на основе завезенных родительских форм [Sucopp, 2000]. Для многих городских животных Европы не известны крупные популяции вне городов; иные местные виды избирательно концентрируются в городских условиях. Примерами могут служить голубь-сизарь, домовой воробей, хохлатый жаворонок, черный стриж. Некоторые виды животных, обитающие в природе на скалах и в пещерах, в городе осваивают стены домов и подвальные помещения.

Необходимо еще раз отметить, что урбоэкосистемы являются искусственными природно-антропогенными комплексами. От естественных самоподдерживающихся экосистем их отличают резко нарушенные биогеохимические циклы, наличие громадного количества отходов, которые не в состоянии утилизировать биота. Биоценозы города неустойчивы, так как в них нарушено экологическое равновесие за счет преобладания гетеротрофного звена. Поэтому первостепенные задачи современного градостроительства связаны с планированием «зеленых островов», «экологического каркаса» [Кавтарадзе, 2000] в городе, поддержки фитоценозов (продуцентов), а также охраной и рекультивиро­ванием почв и восстановлением редуцентов - деструкторов отходов.

Почвы города

Почва является одной из основ устойчивости экосистем. Именно в почве происходит этап биогеохимического цикла, связанного с деструкцией органического вещества, происходит биохимическое преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые; почва является питательным субстратом для растений. Почва служит «банком» для семян, регулятором газообмена и т.д. [Добровольский, Строганова, 1997].

Важнейшими свойствами почвы как среды обитания являются: наличие минеральных элементов питания растений и способность их удерживать, наличие воды и влагоудерживающая способность. Инфильтрация воды с поверхности и аэрация почвы зависят от ее структуры. Переуплотненные почвы становятся непригодными для роста растений. Переувлажнение почв также нарушает газообмен, а относительная кислотность и ионный состав почвенного раствора сильно влияют на жизнь организмов в почвенном слое. Почвенные экосистемы включают следующие компоненты: минеральные частицы, детрит (мертвые остатки растений и животных) и множество живых организмов - почвообразователей. К числу последних относятся редуценты (грибы и бактерии), детритофаги (дожде­вые черви, насекомые, моллюски), простейшие, микроводоросли, землероющие животные (кроты и др.).

Плодородие почвы в значительной мере определяется наличием гумуса продукта жизнедеятельности почвенных организмов, остатка органического вещества после потребления детрита. Самоподдержание почвенных экосистем тесно связано с жизнью растений. Растения обеспечивают детрит (опавшие листья, отмершие части корней) и защищают почву от эрозии. В природе почва и растительность находятся в состоянии динамического равновесия. Почва служит основой жизни наземных растений, а растения, в свою очередь, - ведущим звеном всего сообщества живых организмов.

В городе почвы исполняют различные экологические функции. Почвы влияют на химический состав подземных вод, являются универсальным адсорбентом, поставщиком и регулятором содержания CO2, N2, O2 в воздухе, поглотителем вредных газовых примесей, в том числе выбросов автотранспорта, ТЭЦ и др. Газовый состав атмосферы почва регулирует путем выделения и поглощения метана, аммиака, углекислого газа.

Благодаря своим биогеохимическим свойствам и мелкодисперсной структуре почва может превращаться в «депо» токсических соединений, и она же может играть до известной степени роль барьера для солей тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов, минеральных удобрений на пути их миграции в грунтовые воды.

В городах и промышленных зонах плотная застройка нарушает газо- и водообмен почв, изменяет механические свойства грунтов, нарушает структуру. Органические остатки - продукты жизнедеятельности людей - и промышленные отходы изменяют физико-химические и биологические свойства почв. Культурный слой - исторический след всех антропогенных преобразований территории города - формируется насыпными грунтами, остатками древних строений и настилов, захоронений, свалок. Культурный слой Москвы имеет толщину от 4 до 21 м. Современное подземное хозяйство города уходит на глубину до 100 м. В силу этого нарушается геологическое строение территории, происходит оседание земной поверхности. Так, в Токио за 35 лет поверхность земли опустилась на 3-4 м, в Мехико - на 7 м с 1900 по 1960 год [Негробов и др., 2000].

Природные почвенные экосистемы теряют способность к саморегуляции также в силу химического, механического, бактериального и физического загрязнения: отходами промышленности, сельского и коммунально-бытового хозяйства. В Москве площадь значительного загрязнения с 1977 по 1988 год увеличилась со 100 до 600 км2. В 6 раз возросло среднее содержание в почвах тяжелых металлов. Удаление и складирование твердых отходов - проблема любого городского хозяйства. В отвалы предприятий добывающей и перерабатывающей промышленности идет до 90% добытого из недр сырья, площадь отвалов составляет тысячи квадратных километров.

Бытовые отходы, как и промышленные, частично утилизируются (компост, вторсырье), частично складируются и должны подвергаться обеззараживанию и уничтожению (сжиганию). Площадь городских свалок впечатляет; в развитых странах на одного городского жителя ежегодно приходится до 900 кг мусора. Почвы под свалками испытывают значительное механическое и тепловое воздействие, в них диффундируют токсичные вещества, размножаются патогенные микроорганизмы. Считается, что для обеззараживания такого современного полигона необходимо 50-100 лет.

Естественные почвы и самоподдерживающиеся почвенные экосистемы в городе сохраняются в основном на территории природных комплексов: оставшихся участков леса, крупных парков. Сохранение их - необходимое условие существования полноценных экосистем. На застроенных участках города обра­зуется новый тип почв, так называемый «урбанозем» [Строганова, Прокофьева, 2000]. В городе встречаются «запечатанные» территории под покрытием, непроницаемым для водного и воздушного обмена, и открытые территории, которые могут быть озелененными, где почвы сохраняют свои экологические функции, и не озелененными, где растительность представлена сорными и рудеральными видами, а почвы деградируют, теряя плодородие и основные свойства. При градостроительстве необходимо ограничивать «запечатывание» почв и сохранить сеть соединенных между собой озелененных зон, преимущественно сохраняющих специфику природных экосистем. Необходимы мероприятия по рекультивации почв в промышленных зонах, разработка новых методов, в том числе биотехнологических, создание микробных комплексов для этих целей.

Микробные сообщества в городских почвах имеют ряд особенностей. По сравнению с естественными почвами в городских почвах средней полосы России резко снижено содержание мицелия грибов, основных почвообразующих организмов - деструкторов органических остатков. При этом ухудшаются условия роста растений. Доля бактерий в почвенной биомассе увеличивается. Увеличивается также доля эвритопных микроскопических грибов. Формируются более упрощенные, чем в естественных условиях, микробокомплексы. На поверхности почвы увеличивается присутствие фитопатогенных грибов. На поверхностях городских сооружений, благодаря выпадению кислотных осадков, активно размножаются бактерии, разрушающие камень, бетон и деревянные покрытия. Зачастую представители этих видов микроорганизмов вызывают аллергические реакции у людей [Марфенина, 1999].



Водные системы города

Гидрологический цикл в природе включает процессы: испарения воды с поверхности водоемов, конденсации водных паров в атмосфере, выпадения осадков, фильтрации через почву; проникновение в подземные водоносные пласты; всасывание, транспорт и транспирацию воды растениями, включение воды в биохимические процессы во всех живых организмах. Влияние городов на водные системы связано со значительным перерасходом водных ресурсов, а также с загрязнением воды, потерей водными экосистемами способности к самоочищению, изменением и обеднением их видового состава.

Живое вещество приблизительно на 90% состоит из воды. Ежегодно биота связывает в фотосинтезированном органическом веществе 60 млрд. т углерода и около 500 км3 воды [Голубев, 1999]. Растения Земли забирают из почвы, используют в метаболических процессах и затем транспирируют в атмосферу еще большее количество воды. Всего в биологической ветви гидрологического цикла участвует около 25% суммарного количества осадков, выпадающих на поверхность суши.

В процессе фильтрации через почву вода выпавших на поверхность осадков очищается. Но если почва загрязнена токсическими веществами, они могут вместе с фильтрующейся водой попасть в подземные воды, и затем - в родники, реки и т.д. Вода, как биокосное, тело формируется живыми организмами.

Жизнь городских водоемов зависит от качества воды. Во многих промышленных городах реки мертвы из-за высокого уровня загрязнения, причем это влияние распространяется на много километров вниз по течению.

Однако живое население водоемов с более низким уровнем загрязнения приспосабливается к этим воздействиям. По сравнению с естественными водными экосистемами, состав биоценозов городских водоемов изменяется. В нем преобладают виды, устойчивые к загрязнениям. Гидробионты играют большую роль в очищении воды. Например, в Воронежском водохранилище встречается более 300 видов водорослей, 67 видов высших водных растений, около 200 видов зоопланктона, более 170 видов зообентоса, 38 видов рыб. Подсчитано, что вся толща воды в Воронежском водохранилище может отфильтроваться за 4,2 суток только за счет активности зоопланктона [Животова, 1996, Негробов, 1997]. В фильтрации и в процессах разложения органических загрязнений (бытовые сточные воды, детрит и др.) участвуют многие организмы, живущие на дне водоема: моллюски, губки, ресничные черви, личинки насекомых, простейшие, бактерии, водоросли, водные высшие растения. Вблизи мест сброса сточных вод находятся скопления моллюсков, например дрейссены, которые играют роль биофильтров. Мелководные пруды и берега водохранилищ, занятые тростником и другими околоводными видами, являются удобными местообитаниями водоплавающих птиц, рептилий, амфибий, млекопитающих. Зеленые и влажные долины малых рек в городе служат естественными коридорами миграции и местами укрытия многих животных.

Видовая структура водных биоценозов и физиологическое состояние отдельных видов гидробионтов может дать полезную информацию о качестве окружающей среды. Растения и животные, фильтруя воду, накапливают в своих организмах токсические вещества. Донные животные являются надежными индикаторами качества воды и состояния всей водной экосистемы. Благодаря достаточной длительности их жизненных циклов, накопление токсических веществ в телах этих животных позволяет оценить характер и степень загрязнения проточного водоема. В стоячих водах прудов или в малопроточных водоемах надежными индикаторами биологической полноценности служат также планктонные (парящие в толще воды) мелкие организмы. Фотосинтетическая активность фитопланктона является при этом одним из важных показателей. Биологическая диагностика водоемов основывается на анализе состояния всей водной экосистемы, включая основные звенья биоценоза: водных высших растений, донных животных, водорослей, планктона, рыб, амфибий, личинок водных животных, микробных комплексов.

Часто используется так называемая «шкала сапробности», соответствующая способности организмов существовать и размножаться в водоемах, в различной степени загрязненных органическими веществами. В шкале выделяются группы организмов - полисапробов, обитающих в загрязненной воде, мезосапробов, переносящих среднюю степень загрязнения, и олигосапробов, предпочитающих чистые воды. Таким образом, по мере загрязнения водоемов изменяется состав и численность организмов разных групп; олигосапробные виды исчезают, преимущественно размножаются мезо- и полисапробы.

Антропогенное воздействие отражается также на значительном изменении водного баланса и гидрологического режима водоемов в городе и его окрестностях. Проблемы водоснабжения городов решаются за счет водозабора из поверхностных источников и за счет откачки глубинных подземных вод. Зачастую приходится также использовать искусственные водоемы - водохранилища и каналы для переброски части водостока из соседних территорий. На каждого жителя крупного города расход воды составляет от 300 до 600 л воды ежесуточно. На нужды промышленности и энергетики расходуется около 600 млн. м3 в сутки [Зарубин и др., 1977]. Дефицит пресной воды уже сейчас ограничивает развитие многих промышленных центров. Поступление и очистка воды в водопроводных системах города требуют расхода значительных средств.

Развитие города существенно влияет на структуру водных систем, объемы стоков в реках и ручьях. Исчезновение прибрежной растительности ведет к эрозии берегов, обмелению озер и рек, снижению уровня грунтовых вод. Засыпка оврагов и балок, бетонирование русел рек и превращение малых рек в подземные коллекторы меняет направление грунтовых вод, истощает родники, нарушает естественный дренаж территории. Откачка подземных вод приводит в ряде случаев к оседанию земной поверхности, образованию провалов и воронок. На территории Москвы за время ее существования исчезли около 800 малых рек, ручьев, прудов, болот, озер. Таким образом, исчезли местообитания многих видов животных и растений.

Создание искусственных водохранилищ также порождает целый комплекс экологических проблем, так как затопление территорий ведет к уничтожению пойменных биоценозов, в то же время вода в хранилище имеет измененный химический состав из-за гниющих растительных остатков, в ней активно размножаются цианобактерии, она становится непригодной для жизни многих гидробионтов.

Когда из рек отводят воду, болота вдоль их русел, не подпитываясь паводками, пересыхают, и это также ведет к исчезновению многих видов растений и животных. Болота в природе играют большую роль в очищении воды, просачивающейся сквозь их толщу в грунтовые воды. Болота являются регуляторами речного стока, они питают родники и реки. Кроме того, болота, обогащенные биогенами, представляют собой наиболее продуктивные экосистемы, служат местообитаниями многих диких животных.

Сброс бытовых сточных вод и смывание почвы, богатой органическими остатками, приводит к эвтрофикации водоемов - обогащению биогенами, в особенности азотом и фосфором. Это создает условия для быстрого размножения и затем отмирания фитопланктона, накопления детрита. Отмерший фитопланктон и крупные водоросли поступают в глубинную зону, где их потребляют редуценты. Процессы гниения водной растительности приводят к дефициту кислорода и вымиранию бентосных видов. Экосистема теряет устойчивость.

В результате антропогенного воздействия в p. Москве, по данным археологических и биологических исследований, полностью исчезли следующие виды рыб: русский осетр, стерлядь, каспийский лосось, таймень, белорыбица, каспийская минога. Исчезают и относятся к редко встречающимся такие виды рыб, как подуст, язь, елец, жерех, линь, красноперка, сом, налим и др. До сих пор многочисленны: плотва, лещ, серебряный карась, пескарь, окунь.

Вместе с тем появились акклиматизированные виды рыб: чехонь, белоглазка, карп, толстолобик, ротан, угорь, гуппи и др. Сейчас ихтиофауна p. Москвы насчитывает 37 видов [Соколов и др., 2000].

Полностью исчезли проходные рыбы, а также виды рыб, нуждающиеся в условиях рек с быстрым течением. Более многочисленны устойчивые к эвтрофикации рыбы - обитатели стоячих или слабопроточных вод.

В прибрежных зонах городских и пригородных водоемов Москвы резко сокращается разнообразие и обилие земноводных (осталось 9 видов) и пресмыкающихся (2 вида) [Леонтьева, 2000]. Представители герпетофауны обитают главным образом на периферии города, в местах, связанных с естественными водотоками там, где имеется луговая и лесная растительность, мелководные водоемы для размножения (амфибий) с пологими берегами, сохранение путей миграции в другие биотопы и мест укрытия (валежник, лесная подстилка).

Исчезновение многих ранее обычных для водоемов Москвы и Подмосковья видов рыб и амфибий связано с отсутствием условий для размножения и развития. Генетические дефекты и нарушения развития часто являются следствием загрязнения водоемов бытовыми и промышленными отходами. Как у амфибий, так и у рыб наблюдаются аномалии развития, приводящие к гибели или уродствам [Мелехова и др., 2000]. У плотвы в р. Москве, например, от 10 до 70% взрослых особей имеют те или иные морфологические дефекты: «рыбы-мопсы» с уродливым черепом, особи с искривлением позвоночника, слепые и одноглазые рыбы и т.п. [Соколов и др., 2000]. Химический анализ рыб из Москвы-реки показал накопление в их телах таких токсикантов, как нефтепродукты, тяжелые металлы, пестициды.

Растительность в городе

Растительность - основополагающая часть экосистем города. Роль растений в жизни горожан трудно переоценить. Функции растений в городе разнообразны: улучшение городского микроклимата, производство продуктов питания, регуляция газового состава воздушной среды города, обогащение ее кислородом, поглощение пыли и токсических веществ, снижение уровня шума, обогащение эстетического облика города, условий отдыха горожан. Растения в экосистемах играют ведущую роль, являясь источниками пищи и кислорода и создавая условия для жизни и убежища для других организмов.

Одно дерево может выделить в сутки количество кислорода, необходимое для дыхания трех человек [Никитин, Новиков, 1986]. На озелененной территории летом температура ниже, а зимой выше примерно на 3?С по сравнению с неозелененной. Деревья и кустарники поглощают углекислый газ, серный ангидрид, окислы азота, сероводород, до 20-80% пыли, до 20-40% болезнетворных микробов, обогащают воздух аэроионами. Деревья значительно снижают уровень шума.

В городе основными типами зеленых насаждений являются парки, сады, скверы, бульвары, внутриквартальное и вертикальное озеленение. Многие города окружены «зеленой зоной» - пригородными лесами.

Среди многих показателей, определяющих качество жизни городского населения, значится площадь зеленых насаждений, приходящаяся на одного человека. В Париже этот показатель равен 6 м2/чел., в Нью-Йорке - 7,5 м2/чел., в Москве - 20 м2/чел.

В городе происходит смешение местной аборигенной флоры с посадками интродуцированных видов. Например, в Москве - более 90 завезенных видов растений. В целом флора городов насчитывает сотни видов: в Казани - 914, в Познани - 551, в Бирмингеме - 547. В Воронеже насчитывается 780 видов растений, в том числе:

- в лесопарках - 292;

- в скверах - 204;

- на бульварах - 192;

- в городских парках - 286;

- в садах и на пустырях - 162;

- в прибрежных ценозах - 148;

- на обочинах дорог - 158;

- на свалках - 121;

- в трещинах зданий и дорог - 100;

- в живых изгородях - 43.

Флора Москвы насчитывает в настоящее время около 1100 видов дикорастущих растений, из которых 200-500 являются интродуцентами [Чичев, 2000]. В границах Москвы сохранились остатки естественных лесных массивов. В результате вытаптывания и загрязнения постепенно разрушаются лесные экосистемы, изменяется их видовая структура, снижается способность к самоподдержанию и эстетическая ценность. На территории Москвы около 20% лесных массивов - сосняки с включением широколиственных пород. Подрост сосны затруднен затенением, которое усиливается по мере разрастания широколиственных видов - дуба, липы, клена, лещины. Лиственные леса в Подмосковье возникли на месте вырубленных ельников, и возможно их преобладание в будущем. Липа более устойчива к антропогенным воздействиям, дает жизнеспособный подрост и, вероятно, будет играть роль основного вида - эдификатора. Численность дуба постоянно снижается, как в городе, так и за его пределами. Значительную площадь занимают относительно молодые березняки. Под березами формируется ярус рябины. Осиновые древостои деградируют.

Дикорастущая флора с преобладанием синантропных видов сохраняется в городе в поймах малых рек. К антропофитам относятся из травянистых растений, например, мятлик однолетний, горец птичий, марь белая, лебеда раскидистая, недотрога железистая и др. Общее число ныне дикорастущих видов, привнесенных человеком в прибрежных зонах, - около 140 [Чичев, 2000].

Уличные насаждения представлены липой, разными видами тополей, березой, рябиной, конским каштаном. В парках и садах много интродуцированных видов (белая акация, туя, клен ясеневидный, сирень). Газонные и цветущие растения также очень разнообразны, и многие из них являются интродуцентами.

Чувствительность растений к токсичным газам различна. Так, к SO2 наиболее чувствительны ель и сосна, липа, малина, средней чувствительностью обладают сирень, бузина, устойчивы к SO2 бересклет, бирючина. Чувствительными индикаторами чистоты воздуха являются эпифиты - мхи и лишайники, обитающие на стволах деревьев. Отсутствие их свидетельствует о загрязнении воздушной среды. Характерными для города являются сообщества рудеральных и сорных растений, обитающих на свалках, вдоль дорог, на россыпях строительного мусора. Это лопух, полынь, чертополох, болиголов, белена, лебеда, крапива и др.

Состояние многолетних растений в городе зависит от степени загрязненности почвы, воздуха и воды. Асфальтовые и бетонные покрытия улиц нарушают доступ воздуха и воды в почву, к корням растений. Зеленые листья не получают достаточного количества света из-за затененности зданиями и загазованности и сниженной прозрачности воздуха. В силу этого процессы фотосинтеза замедляются, нарушается рост и развитие растений, ухудшается их питание, сокращается срок жизни.