Влияние круговорота вещества на устойчивость природных экосистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Экологическая система - единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты соединены между собой причинно-следственными связями, круговоротом веществ и потоком энергии. Функционирование экосистем возможно благодаря постоянному круговороту вещества. Отсюда, актуальность темы курсовой работы заключающейся в том, что круговорот вещества является основой устойчивости экосистем.

Цель работы: изучить как круговорот вещества влияет на устойчивость природных экосистем.

Задачи:

1. Изучить круговороты веществ в природе.

2. Рассмотреть схему круговоротов веществ в природных экосистемах.

3. Изучить общую характеристику экосистем

4. Рассмотреть понятие устойчивости экосистем;

5. Дать краткую характеристику устойчивости биосферы, естественных и городских экосистем.



1. Круговорот вещества

1.1 Круговорот вещества в биосфере

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд. т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд. т кислорода и расщепляют 140 млрд. т воды, образуя более 230 млрд. т органического вещества (в пересчёте на сухой вес)[2].

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана - приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд. т азота, 210 млрд. т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость[2].

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило, животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.[2]

1.2 Биогенный круговорот вещества в природе

Деятельность живых организмов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Приведем несколько примеров:

Ш Круговорот воды. Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоёмов и воздушными течениями переносятся на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород и делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. Она размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворёнными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей важнейшее звено в поддержании жизни на Земле. Растения участвуют в круговороте воды двояким способом: извлекают её из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород поступает в атмосферу. Животные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют её во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Ш Круговорот углерода. Углерод поступает в биосферу в результате фиксации его в процессе фотосинтеза. Количество углерода, ежегодно связываемого растениями, оценивается в 46 млрд. т. Часть его поступает в тело животных и освобождается в результате дыхания в виде СО2, который вновь поступает в атмосферу. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счёт вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых. Хотя основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов, содержание СО2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается.

Ш Круговорот азота. Азот один из основных биогенных элементов в громадных количествах содержится в атмосфере, где составляет 80% от общей массы её газообразных компонентов. Однако в молекулярной форме он не может использоваться ни высшими растениями, ни животными. В форму, пригодную для использования, атмосферный азот переводят электрические разряды (при которых образуются оксиды азота, в соединении с водой дающие азотистую и азотную кислоты) , азотфиксирующие бактерии и сине-зелёные водоросли. Одновременно образуется аммиак, который другие хемосинтезирующие бактерии последовательно переводят в нитриты и нитраты. Последние наиболее усвояемы для растений. Биологическая фиксация азота на суше составляет примерно 1 г/м2, а в плодородных областях достигает 20 г/м2. После отмирания организмов гнилостные бактерии разлагают азотсодержащие соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, часть восстанавливается денитрифицирующими бактериями до молекулярного азота, но основная масса окисляется до нитритов и нитратов и вновь используется. Некоторое количество соединений азота оседает в глубоководных отложениях и надолго (миллионы лет) выключается из круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами.

Ш Круговорот серы. Сера входит в состав белков и также представляет собой жизненно важный элемент. В виде соединений с металлами сульфидов она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения растворимую форму эти соединения переводятся хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.

Ш Круговорот фосфора. Резервуаром фосфора служат залежи его соединений в горных породах. Вследствие вымывания он попадает в речные системы и частью используется растениями, а частью уносится в море, где оседает в глубоководных отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добывается от 1 до 2 млн. т. фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора также вымывается и исключается из круговорота. Благодаря лову рыбы часть фосфора возвращается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс. т. элементарного фосфора в год).

Из приведённых примеров видно, какую значительную роль в эволюции неживой природы играют живые организмы. Их деятельность существенно влияет на формирование состава атмосферы и земной коры. Большой вклад в понимание взаимосвязей между живой и неживой природой внёс выдающийся советский учёный В. И. Вернадский.

Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Таким образом, живые организмы, испытывая на себе влияние факторов неживой природы, своей деятельностью изменяют условия окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению структуры всего сообщества биоценоза[7].

1.3 Общая схема круговорота веществ в природных экосистемах

Под круговоротом веществ в экосистеме понимается циклический обмен химическими веществами между живыми организмами и органической средой, различные стадии которых происходят внутри самой экосистемы. Осуществление круговорота веществ и высвобождение запасённой в органическом веществе энергии - важная функция трофических цепей в экосистеме. Если трофическую цепь дополнить редуцентами, превращающими органическое вещество в минеральные неорганические соединения, потребляемые продуцентами в процессе фотосинтеза, то получится замкнутая цепь, по которой происходит направленное циклическое движение химических веществ, т.е. круговорот веществ.



Рис. 1. Схема круговорота веществ в природных экосистемах МВ и ОВ - минеральные и органические вещества; П - продуценты; К₁ и К₂ - консументы 1-го и 2-го порядка; Р - редуценты [1]

Для обозначения замкнутых (в большей или меньшей степени) путей многократного циркулирования в биосфере химических веществ и элементов, которые сначала поглощаются живым веществом, заражаясь биохимической энергией, и затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию, Вернадский предложил термин биогеохимические циклы. Этим термином обозначают круговороты питательных веществ, участниками которых являются как живые, так и неживые компоненты экосистемы. Движение химических элементов по замкнутым циклам являются результатом взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов по цепям питания. Различные виды организмов непрерывно ищут и поглощают в виде пищи вещества, необходимые им для роста, поддержания жизни и воспроизводства вида.

Несмотря на то, что из всех водных компонентов биосферы атмосферная влага содержит наименьшую массу воды, она имеет наибольшее значение для осуществления биогеохимических циклов, являясь источником осадков и вовлекая в круговорот химические вещества, в том числе, и вредные для природных экосистем загрязнители [1].

1.4 Антропогенное воздействие на окружающую среду

Уже много лет назад в распределение химических элементов вмешался человек. С начала ХХ столетия деятельность человека стала главным способом их путешествия. При добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная переработка сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это загрязняет среду обитания живых организмов. На земле появляются новые участки с высокой концентрацией химических элементов рукотворные геохимические аномалии. Они распространены вокруг рудников цветных металлов (меди, свинца). Эти участки иногда напоминают лунные пейзажи, потому что практически лишены жизни из-за высоких содержании вредных элементов в почвах и водах. Остановить научно-технический прогресс невозможно, но человек должен помнить, что существует порог в загрязнении природной среды, переходить который нельзя, за которым неизбежны болезни людей и даже вымирание цивилизации. Создав биогеохимические "свалки", природа, возможно, хотела предостеречь человека от непродуманной, безнравственной деятельности, показать ему на наглядном примере, к чему приводит нарушение распределения химических элементов в земной коре и на её поверхности[7].



2. Понятие экосистемы

2.1 Общая характеристика экосистем

В природе виды животных и растений распределяются не случайно, они всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы - сообщества. Сообщество - исторически сложившаяся устойчивая совокупность популяций организмов разных видов (растений, животных, грибов, микроорганизмов), сосуществующих на одном и том же местообитании и взаимодействующих посредством трофических (пищевых) и пространственных взаимоотношений [3].

Типы сообществ:

· фитоценоз - растительное сообщество;

· зооценоз - совокупность животных организмов;

· микробоценоз - сообщество микроорганизмов.

Биоценоз - это многокомпонентная система, объединяющая популяции разных видов (фитоценоз + зооценоз + микробоценоз) и характеризующаяся сложившейся системой отношений между входящими в её состав организмами [3].

Экологическая система (экосистема или биогеоценоз) - функциональная система, природно-антропогенный комплекс, включающая в себя сообщество живых организмов разных видов и окружающую их среду обитания (физическую среду), взаимодействующих между собой, объединенных в единое функциональное целое и образующих экологическую единицу, другими же словами, экологическая система - это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Термин был введён английским экологом А. Тенсли в 1935 г. Термин «экосистема» при рассмотрении его с позиций понятий о системах представляется как «множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство» (СЭС, 1980, с. 1225), и полностью этим понятиям отвечает. Биосфера как совокупность конкретных экосистем в её структуре и функциях также отвечает биологическим (экологическим) системам, характеризующимся специфической функцией, упорядоченными взаимоотношениями составляющих её частей (субсистем) и основывающимися на этих взаимоотношениях регулярными механизмами, определяющими целостность системы на фоне колеблющихся внешних условий [3].

Экосистема ₌ Сообщество ₊ Среда обитания (биогеоценоз) (биоценоз) (экотоп или биотоп)

Биогеоценоз - это сложная многокомпонентная система, включающая как живой компонент - биоценоз, так и неживой - косный компонент (почва, вода, воздух), и характеризующаяся определённым уровнем обмена веществ и превращением энергии.

Биотоп (экотоп) - участок земной поверхности суши или водоёма, с однородными условиями обитания: почвой (эдафотоп), климатом (климатоп), водным режимом (гидротоп), занимаемый биоценозом.

Основные свойства экосистем:

· способность осуществлять круговорот веществ и энергии;

· способность противостоять внешним воздействиям (устойчивость, стабильность, само регуляция);

· способность производить биологическую продукцию [3].

Выделяют экосистемы различного ранга:

· микроэкосистемы (водоём, ствол дерева, аквариум, лужа, капля воды с живыми организмами, осуществляющими круговорот веществ и энергии, нора млекопитающего с её обитателями, включающая паразитом и сожителей);

· мезоэкосистемы (лес, пруд, река);

· макроэкосистемы (океан, континент, природная зона);

· глобальная экосистема (биосфера в целом) [3].

2.2 Экологические факторы

биосфера экосистема биогенный круговорот

Общие закономерности действия факторов среды на организмы

Экологические факторы - существенные свойства окружающей среды, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы в экосистеме и на состояние экосистемы в целом. Экологические факторы можно отождествлять с условиями существования организмов в экосистеме. Существует несколько классификаций экологических факторов по различным признакам:

I. По степени периодичности воздействия на экосистему:

· периодические (природные явления, обусловленные вращением Земли);

· непериодические (не имеют выраженной цикличности);

II. По природе происхождения:

· биотические - факторы живой природы (совместное обитание организмов, взаимовлияние одних организмов на др.);

· абиотические - факторы неживой природы (климатические, атмосферные, эдафические, геоморфологические, гидрологические и др.);

· антропогенные - обусловлены деятельностью человека.

1. Прямое влияние на организмы - промысел;

2. Косвенное влияние на организмы - загрязнение среды, уничтожение кормовых угодий, строительство плотин на реках и т.д.

III. По направленности действия:

· факторы направленного действия - потепление/похолодание климата, заболачивание;

· факторы неопределенного действия - антропогенные факторы, вредные факторы - ксенобиотики, различные загрязняющие вещества) [3].

Наиболее существенные воздействия на природную среду оказывают антропогенные экологические факторы, связанные с деятельностью человека и отражающие ее воздействие как на живые организмы, так и на абиотические факторы среды обитания. Именно возросшая в последние десятилетия мощь антропогенных факторов и привела к глобальному экологическому кризису. Наиболее существенную роль в воздействии на природные компоненты экосистем оказывают антропогенные факторы, обусловленные деятельностью промышленности, называемые техногенными факторами. Оценка их воздействия на природную среду составляет в настоящее время одно из важнейших направлений деятельности природоохранных экологических служб [3].

Выделяют закономерности действия факторов среды на организмы:

Правило оптимума: для экосистемы, организма или определённой стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения экологического фактора (рис. 1.1). За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения, переходящие в критические точки, за которыми существование невозможно.

Степень влияния факторов определяется силой их действия. Интенсивность фактора, наиболее благоприятную для жизнедеятельности, называют оптимальной зоной или оптимумом. При оптимальной силе воздействия фактора (экологический оптимум, создающий наилучшие условия для жизни) данный вид нормально живет, развивается, размножается. Так, к зоне оптимума обычно приурочена максимальная плотность популяции. Границы, за которыми существование организма невозможно, называют нижним и верхним пределами выносливости. Для всех организмов и для каждого вида существуют свои предела выносливости (по каждому экологическому фактору отдельно). Например, границы, за пределами которых существование невозможно: ледяная пустыня, горячий источник, верхние слои атмосферы.



Рис. 1.1. Действие фактора среды на организмы [3]

Экологическая валентность - диапазон значений фактора между критическими точками. Пределы выносливости у различных организмов неодинаковы и выделяют две группы организмов:

· Эврибионты (греч. «эври» - широкий) - организмы с широким диапазоном выносливости, могут переносить значительные отклонения от оптимальных значений.

· Стенобионты (греч. «стенос» - узкий) - организмы с узким диапазоном выносливости.

Поскольку зоны оптимума по каждому экологическому фактору различаются, наиболее благоприятно для организмов, когда спектр факторов имеет оптимальные значения. В относительно стабильной по свойствам среде обитания - больше видов-стенобионтов (в водной среде). В динамичной среде больше видов-эврибионтов (в наземно-воздушной среде).

Зона оптимума и экологическая валентность обычно шире у теплокровных организмов, чем у холоднокровных.

Экологическая валентность изменяется в различных условиях обитания (в северных и южных) и в разные периоды жизни (молодые и старые организмы - требуют более однородных условий), по отношению к температуре - личинки насекомых - стенобионты, куколки и взрослые особи - эврибионты [3].

Термин толерантность (от лат. «tolerantia» - терпение) означает выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо фактора, или другими словами, способность организмов переносить отклонения экологических факторов среды от оптимальных для них величин. Изменения величин этих факторов для каждого организма допустимы только в определённых пределах, при которых сохраняется нормальное функционирование организма, т.е. его жизнеспособность. Допустимые пределы изменений факторов среды называются границами толерантности [1].

Правило взаимодействующих факторов: на отдельные организмы или их популяции одновременно воздействуют многие факторы, создающие определенный комплекс условий, в которых обитают эти организмы. Одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов.

Например, избыток тепла смягчается пониженной влажностью воздуха; недостаток света для фотосинтеза растений компенсируется повышенным содержанием в воздухе углекислого газа; при оптимальной температуре повышается выносливость организмов к недостатку влаги и пищи. Однако каждый из экологических факторов незаменим. Так, недостаток тепла нельзя заменить обилием света, минеральные элементы, необходимые для питания растений - водой [3].

Правило лимитирующих факторов: фактор, находящийся в недостатке или избытке, т.е. вблизи критических точек, отрицательно влияет на организмы и ограничивает возможность проявления силы действия других факторов, в том числе находящихся в оптимуме.

Например, рост и развитие растений обусловлены наличием в почве того химического элемента, который - в недостатке. Все другие элементы (в достатке) не проявляют на этом фоне своего действия. Поэтому, например, необходимо сбалансированное внесение удобрений в почву.

Лимитирующий фактор - жизненно важный фактор среды (вблизи критических точек), при отсутствии которого жизнь становится невозможной. Лимитирующие факторы обычно обусловливают границы распространения видов.

Ограничивающий фактор - это фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма (за пределы допускаемого max и min). В жизни человека - это освоение новых сред обитания (Космоса, Арктики, подводного мира) [3].

Адаптация организмов к факторам среды: показатели устойчивости организмов в изменяющихся условиях среды обитания определяются возможностями организмов приспосабливаться (адаптироваться) к изменениям биотических и абиотических факторов. Адаптациями называются эволюционно выработанные и наследственно (генетически) закрепленные свойства организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при изменениях экологических факторов. Адаптационные возможности у разных видов очень сильно различаются (береза хорошо растет как на сухих, так и увлажненных почвах, а сосна - только на почвах с умеренным увлажнением). Организмы легче адаптируются к факторам, действующим строго периодично и направленно. Более трудна адаптация организмов к нерегулярно-периодическим факторам, но организмы имеют механизмы предчувствия их возможности, что может смягчать их отрицательные последствия (землетрясения, ураганы, наводнения). Наиболее трудна адаптация к факторам неопределенного действия, с которыми вид не встречался в эволюции и не готов к ним. В этом специфика и анти экологичность антропогенных факторов.

В отдельных случаях по отношению к вредным факторам организмы могут использовать механизмы предадаптаций, т.е. адаптации, выработанные по отношению к другим факторам. Например, устойчивости растений к загрязнителям воздуха способствуют структуры, используемые для повышения засухоустойчивости (плотный покров, восковый налет, опушенность, мало устьиц на листьях). Основными важными видами адаптаций организмов к изменениям экологических факторов являются:

· Морфологические - видоизменения органов (например, у китов и дельфинов плавников вместо ног);

· Физиологические - связаны с особенностями ферментативного набора в пищеварительном тракте (например, потребность верблюдов во влаге удовлетворяется в пустынях путем биохимического окисления жиров);

· Поведенческие - проявляются у птиц - в способах теплообмена, у животных - с помощью линьки и т.д. [1,3].

2.3 Развитие и смена экосистем

Любая экосистема развивается и эволюционирует. Сукцессия - смена биогеоценозов и экосистем, направленная и непрерывная последовательность появления и исчезновения популяций разных видов в данном биотопе. Различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичная сукцессия - формирование биогеоценоза на изначально безжизненном субстрате (например, в заброшенных песчаных карьерах, на горных породах, продуктах извержения вулканов - лаве, пепле). В различных географических районах (лес, степь, тропики) имеют место общие и специфические изменения в экосистемах. Общие закономерности следующие:

· заселение живыми организмами;

· увеличение видового разнообразия;

· возрастание плодородия почв;

· уменьшение числа экологических ниш;

· постепенное формирование более сложных экосистем.

Ведущее значение в процессе смены наземных биогеоценозов принадлежит растениям. Смена идет в определённых направлениях, а длительность существования разных биогеоценозов различна. Чем полнее круговорот веществ в биогеоценозе, тем он более устойчив и долговечен.

Идут последовательные стадии сукцессий (смена одних экосистем другими), а сукцессионные ряды заканчиваются относительно мало изменяющимися климаксными (коренными, узловыми) экосистемами.

Например, в лесной зоне происходят следующие процессы. На исходно безжизненном субстрате сначала появляются организмы-пионеры (лишайники, водоросли), которые в течение до 10 лет осваивают и изменяют среду. В течение 10 - 50 лет формируется растительность (травы, кустарники, деревья-пионеры: берёза, осина, ива). В течение 50 - 120 лет образуется климаксное сообщество (например, смешанный елово-лиственный или чисто еловый лес).

Различные типы биогеоценозов тесно связаны с географической зональностью. Каждую природную зону характеризуют преобладающие типы коренных биогеоценозов.

Причины сукцессий (сукцессионные смены) обычно связывают с тем, что существующая экосистема (сообщество) создает неблагоприятные условия для наполняющих её организмов (изменение среды самими живыми организмами) вследствие почвоутомления; неполного круговорота веществ; самоотравления продуктами разложений и др.

Другие причины сукцессий: влияние климатических факторов, глобальные катастрофы (пожары, вулканы, наводнения), антропогенный фактор (вырубка лесов, распашка степей, осушение болот, рекреация - отдых населения, химическое загрязнение среды, выпас скота, пожары и др.).

Дигрессия - упрощение экосистем под антропогенным воздействием. Различают дигрессии пастбищные и рекреационные. Смены такого типа обычно завершаются не климаксными экосистемами, а стадиями катоценоза и полным распадом экосистемы.

Вторичная сукцессия - самовосстановление некоторых устойчивых биогеоценозов после нарушения, разрушения (после вырубок леса, лесных пожаров, при зарастании сельскохозяйственных угодий и др.), которое осуществляется через ряд этапов. Например, смена биогеоценозов при восстановлении елового леса. Этот процесс занимает более ста лет, причем каждый последующий биогеоценоз долговечнее предыдущего.

Вторичные сукцессии (в отличие от первичных) начинаются на месте нарушенных или разрушенных экосистем с промежуточных стадий (трав, кустарников, древесных растений-пионеров), на фоне более богатых почв и протекают гораздо быстрее.

Общие закономерности сукцессионного процесса таковы.

На начальных стадиях видовое разнообразие незначительно, продуктивность и биомасса малы. Эти показатели возрастают по мере развития сукцессии.

С развитием сукцессионного ряда увеличиваются взаимосвязи между организмами, возрастает количество и роль симбиозов, полнее осваивается среда обитания, усложняются цепи и сети питания.

Уменьшается количество свободных экологических ниш, уменьшается и вероятность вспышек численности отдельных видов.

Интенсифицируются процессы круговорота веществ, потока энергии и дыхания экосистем.

Скорость сукцессионного процесса зависит от продолжительности жизни организмов в составе экосистемы. Так, например, наибольшей продолжительностью сукцессий характеризуются лесные экосистемы, по сравнению с травянистыми сообществами и водными экосистемами.

Неизменяемость климаксных (завершающих) стадий сукцессий относительна, так как процессы изменения среды обитания и смены поколений организмов медленно продолжаются.

В зрелой стадии климаксного сообщества (но не старческой) биомасса достигает максимальных значений; тогда как продуктивность увеличивается и достигает максимума на промежуточных стадиях сукцессионного процесса и резко снижается в климаксном сообществе [3].



2.4 Агроэкосистемы (агроценозы)

Агроценоз (греч. агро - поле, ценоз - общее) - сообщество живых организмов (растений, грибов и микроорганизмов), созданное для получения сельскохозяйственной продукции и регулярно поддерживаемое человеком.

Агроценозы характеризуются:

· мало видовым составом (присутствует одна монокультура);

· малой экологической стабильностью;

· неполным круговоротом веществ;

· поддерживаются человеком.

По сравнению с природными биогеоценозами, агроценозы имеют ограниченный состав растительных и животных компонентов, не способны к самообновлению, само регуляции, подвержены угрозе гибели от максимального размножения вредителей, болезней, поэтому для поддержания стабильности требуют постоянной хозяйственной деятельности человека. Примером таких экосистем, созданных человеком являются: поля, огороды, пастбища, лесные насаждения, сады. Агроценозы занимают 10% всей поверхности суши и дают человеку около 90% пищевой энергии.

Таблица 1.2. Сравнительная характеристика агроценоза и биогеоценоза

Признаки	Агроценоз	Биогеоценоз
Источники энергии	Солнечная энергия и искусственное освещение	Солнечная энергия
Видовое разнообразие	Мало видов, монокультура	Много различных видов
Регуляция	Человек	Само регуляция
Отбор	Искусственный	Естественный
Баланс питательных веществ	Неполный круговорот веществ (часть веществ уносится с урожаем)	Полный круговорот веществ
Устойчивость	Неустойчив	Устойчив
Продуктивность	Высокая	Низкая



3. Устойчивость экосистемы

3.1 Понятие устойчивости экосистем

Под устойчивостью экосистемы понимается её способность выдерживать изменения экологических факторов при сохранении её нормального функционирования. Рассматривают устойчивость экосистем на двух уровнях:

1. Видовой (на уровне организмов, см. правило оптимума);

2. Системный (на уровне экосистемы): устойчивость экосистем проявляется в общем случае как их способность сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов. Адаптации организмов к изменениям факторов среды обитания обеспечивают в определенной степени устойчивость (к изменению экологических факторов среды) экосистем, в состав которых они входят. Однако экосистема по сравнению с отдельными видами организмов имеет более высокую степень надёжности функционирования в изменяющейся среде, так как на системном уровне формируются и развиваются новые, системные механизмы обеспечения устойчивости и живучести экосистем, которые отсутствовали у отдельных видов в экосистеме. Такие эволюционно выработанные механизмы приспособления экосистем к изменениям среды обитания называются адаптациями экосистем.

Рассмотренные выше механизмы адаптации организмов к изменению экологических факторов проявляются на видовом уровне. Системный уровень адаптации экосистем образуют приспособительные механизмы, возникающие за счет взаимодействия видов по трофическим цепям и сетям. Природа этих интеграционных, системных механизмов обеспечения устойчивости экосистем основана на круговороте веществ, который осуществляется по цепям питания.

Существование биогеохимических круговоротов создает возможность для само регуляции экосистем (или гомеостаза), что придает экосистеме устойчивость в течение длительных периодов. Например, показателем устойчивости глобальной экосистемы, связанной с круговоротом веществ, может служить следующий факт. Известно, что 93% массы тела человека составляют четыре химических элемента: кислород, углерод, водород и кальций, которые, во-первых, входят в перечень одиннадцати самых распространенных в геосферах Земли химических элементов, и, во-вторых, эти четыре элемента сами образуют более 56% массы геосфер.

Видовое разнообразие - также один из факторов обеспечения устойчивости экосистем к неблагоприятным факторам среды. Биоразнообразие обеспечивает как бы подстраховку, дублирование устойчивости. Например, малочисленный вид при неблагоприятных условиях для другого более широко представленного вида может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое. Такая последовательная смена видов или замена одного биоценоза другим называется сукцессий (подробнее об этом будет сказано ниже) (от латинского «сукцедо» - следую), два примера которой приведены ниже:

1. известно, что после лесного пожара сначала появляются лиственные породы леса, а затем через 70-100 лет их сменяют хвойные;

2. в упавшем дереве сначала поселяются короеды, затем появляются пожиратели древесины, а бактерии и грибы завершают процедуру превращения упавшего дерева в гумус почвы.

Таким образом, увеличение биоразнообразия является основой того, что экосистемы с более длинными цепями питания формируют более интенсивный круговорот веществ и, следовательно, обладают повышенной устойчивостью благодаря более развитым возможностям само регуляции (гомеостаза) [1].



3.2 Гомеостаз

Природные экосистемы (например, лесные, степные) существуют в течение длительного времени и обладают определённой стабильностью, для поддержания которой необходима сбалансированность потоков вещества и энергии в процессах обмена между организмами и окружающей средой. Однако абсолютной стабильности в природе не бывает. Поэтому стабильность состояния природных экосистем является относительной, показателем которой может служить, например, периодически изменяющаяся численность популяций разных видов в экосистеме: численность одних видов увеличивается, других уменьшается. Такое динамически равновесное состояние, или состояние подвижно-стабильного равновесия экосистем, называют гомеостазом (от греч. «гомео» - тот же; «стазис» - состояние).

Ключевой для понимания гомеостаза экосистем термин «подвижно-стабильное равновесие» означает, что устойчивое функционирование экосистем в изменяющихся условиях среды возможно именно следствие того, что экосистема находится в квазиравновесном состоянии, принципиально отличающемся от понимания состояния равновесия в физике. Составными частями этого термина являются:

1. Стабильность означает, что природные экосистемы существуют в течение длительного времени и обладают определенной стабильностью во времени и пространстве. Особенностью искусственных экосистем (техногенных и агроэкосистем, созданных человеком) является то, что человек сам должен поддерживать равновесие в этих экосистемах, т.е. управлять процессами их функционирования.

2. Подвижность означает изменчивость свойств (например, численности популяций) и структуры экосистемы, т.е. совокупности видов. Последовательные изменения в состоянии равновесия природных экосистемах отражаются в смене видов (например, в процессе сукцессии), сопровождающейся и изменениями в структуре и свойствах трофических цепей (сетей).

Таким образом, гомеостатичность - общее свойство всех экосистем, зависящее от эффективности комплекса адаптационных механизмов, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне экосистемы в целом. Гомеостатичность зависит от возраста и видового разнообразия экосистем и поэтому сильно отличается как у разных сообществ, так и в естественных и искусственных экосистемах [1].

3.3 Устойчивость биосферы

За последние два столетия влияние человека на биосферу резко возросло и по существу превратило ее в техносферу [4]. Следствие хозяйственной деятельности человека является парниковый эффект, который усиливается за счет повышения содержания в атмосфере парниковых газов. Вследствие этого меняется климат, он становится более теплым. Потепление наносит ущерб биоте -- в океане гибнут кораллы, пустыня наступает на саванны и тропические леса. Дальнейшее потепление ускорит таяние ледников Гренландии, тогда в недалеком будущем климат изменится в сторону похолодания (одна из гипотез). Очевидно, что при любом сценарии ничего хорошего планету не ожидает. Никто не знает, сколько новых сюрпризов преподнесет человеку нарушаемая им природа [4]. Также проблемой глобального характера является разрушение озонового слоя, главная причина которого - попадание в озоновый слой хлора промышленного происхождения и оксидов азота. В результате выбросов в атмосферу оксидов серы и азота предприятиями ТЭК, металлургическими и химическими заводами, а также транспортом образуются кислотные дожди, которые вызывают подкисление почв, снижение прироста леса и урожайности сельскохозяйственных культур, обедняют состав биоты водоемов.

Уровень загрязнения океана достиг опасной черты и ситуация продолжает ухудшаться. Особенно большое давление испытывают прибрежные зоны. Из этих районов в Мировой океан постоянно сбрасываются промышленные и коммунальные стоки, а также смывается с полей насыщенной органикой мелкозем, удобрения и пестициды. Наиболее опасным считается загрязнение нефтью (это самый опасный вариант загрязнения, которое приобретает глобальный характер), тяжелыми металлами, биогенами (источником загрязнения морей стоками, содержащими фосфор, азот и органические вещества, является сельское хозяйство).

Загрязняющие вещества, попадающие в атмосферу, способны перемещаться на тысячи километров. К сожалению, создать защитные барьеры в атмосфере невозможно, по этой причине единственный путь снижения поступления атмосферных загрязнителей - снижение их количеств.

3.4 Устойчивость естественных экосистем

В природе нет полезных и вредных организмов, все они вместе и по-разному вносят свой вклад в экологическое равновесие, которое понимается не как динамическое, постоянно подстраивающееся под изменяющиеся условия среды. Сохранить или повысить устойчивость можно только в природных экосистемах, которые используются человеком. Все экосистемы, созданные им, -- сельскохозяйственные, городские, промышленные -- неустойчивы. Тем не менее, если нельзя сделать их устойчивыми, то вполне реально снизить их неустойчивость [5].

Равновесие экосистемы - это равновесие популяций. Стабильность экосистемы предполагает, что численность популяции каждого входящего в нее вида остается более или менее неизменной. Устойчивое увеличение или уменьшение популяции приводит к изменению экосистемы. Наиболее устойчивой будет экосистема со многими относительно малочисленными видами. Однако, поскольку факторы среды, как биотические, так и абиотические, изменчивы, соответственно изменчивы и плотность, и численность популяции. При улучшении условий численность популяции увеличивается, при ухудшении - уменьшается. Это и есть показатель устойчивости популяций.

Устойчивость экосистемы поддерживается взаимоотношениями организмов разных видов. Главный тип взаимоотношений организмов - это конкуренция, т.е. соперничество между особями одного или разных видов за жизненные ресурсы. Для устойчивости экосистем большую роль играет мутуализм - частный случай симбиоза, т.е. устойчивого сосуществования организмов. При таких отношениях каждый взаимодействующий органам получает пользу. Экологическое равновесие устанавливается и между популяциями, которые связаны антагонистическими отношениями, когда один из участников этих отношений поедает другого («жертва -- хищник», «паразит -- хозяин»).

Происходит круговорот веществ и поддерживается устойчивость экосистемы благодаря продуцентам, консументам и редуцентам. В устойчивой экосистеме перетекание энергии и органического вещества с одного трофического уровня на другой подчиняется общим закономерностям - передается в среднем около 10% энергии без каких-либо неблагоприятных последствий для экосистемы. В результате протекания вещества по пищевым цепям и его разрушения редуцентами происходит круговорот биогенов, замкнутость которого является главным показателем устойчивости экосистем.

Биота большинства экосистем представлена большим числом разных таксонов. Связь состава биоты и устойчивости экосистем -- неоднозначная. Существуют устойчивые экосистемы из небольшого числа видов и неустойчивые -- с большим числом видов.

Для устойчивости естественных экосистем необходима их способность к самовосстановлению после разрушений. Экосистемы «учились» восстанавливаться после естественных нарушений -- пожаров, ветровалов, оползней и т.д. После усиления влияния человека приобретенный «опыт» восстанавливаться оказался для экосистем весьма полезным.

3.5 Устойчивость городских экосистем

О том, можно ли считать город экосистемой, экологи спорят уже много лет. С одной стороны, в городе есть все составляющие экосистемы: продуценты (растения садов, парков, газонов и т.д.), консументы (сам человек и домашние животные, разнообразная городская фауна) и редуценты, разрушающие органическое вещество. С другой стороны, в городе отсутствует круговорот веществ, который характерен для естественных экосистем и в какой-то мере выражен в сельскохозяйственных экосистемах [6]. Городская экосистема - это гетеротрофная антропогенная экосистема, которую часто называют урбоэкосистемой. Итак, что же влияет на устойчивость городских экосистем?

Главным виновником ухудшения состояния городской среды является автомобильный транспорт. Кроме того, в воздух поступает также резиновая пыль, образующаяся при стирании покрышек. При использовании бензина с добавлением соединений свинца автомобиль загрязняет почвы этим тяжелым металлом. При мытье автомобилей или при попадании в воду отработанного моторного масла происходит опасное загрязнение водоемов. Автомобили являются источником шумового загрязнения.

Если автомобили в городе постоянно снижают устойчивость этой экосистемы, то им противостоят - зеленые растения: природа «протягивает свои руки в каменные мешки городов». Озеленение позволяет решить целый комплекс проблем городской экологии: улучшить микроклимат и газовый состав атмосферы, снизить шумовое загрязнение, придать городу эстетичный.

Особенно эффективно улучшают городскую среду лесопарки и пригородные леса, которые называют «легкими городов». Большую роль играют древесные насаждения в городе: сады, парки, скверы, посадки деревьев вдоль улиц. Улучшают экологический режим города и газоны. Эффективность влияния древесных насаждений на городскую среду зависит от сомкнутости крон и высоты деревьев, определяющей суммарную площадь листьев.

По рекомендации экологов город должен не расширять своих границ, а расти вверх, причем высокие здания должны чередоваться с зелеными массивами [6].

После автомобилей, которые загрязняют атмосферу, бытовые отходы и стоки являются вторым фактором разрушения окружающей среды, который ведет к снижению устойчивости городских экосистем. Есть три основных варианта обращения с ТБО: накопление, сжигание, сортировка и переработка.

Радикальные экологи сформулировали цель - «Zero Waste» (ноль отходов). Она, конечно, недостижима, так как какую-то часть бытовых отходов переработать не удастся. Значит, их придется сжигать. Тем не менее, на пути к этой цели человечество научится экологическому обращению с отходами [6].

Большинство городов уже сегодня испытывает дефицит чистой воды, обеспечение которой повысит устойчивости городской экосистемы. Для того чтобы города были обеспечены доброкачественной питьевой водой, необходимо: платное водопользование, разделение питьевой и технической воды, использование дождевой воды для санитарных нужд и полива, защита водосборов от загрязнения.

Итак, если городская экосистема не сможет стать устойчивой и всегда будет находиться в диссонансе с окружающей природой, то уменьшить этот диссонанс можно. Однако для этого потребуются не только новые технологические решения, но и некоторый аскетизм горожан, которым придется подавлять в себе потребительство [6].



Заключение

Именно способность экосистемы выдерживать изменения экологических факторов при сохранении её нормального функционирования и есть устойчивость экосистемы. Каждая экосистема - это динамическая структура из сотен и даже тысяч видов продуценты, консументов и редуцентов, которых связывают пищевые и непищевые отношения. Экосистема поддерживает свое существование за счёт круговорота биогенов и постоянного притока солнечной энергии. Глобальный биогенный круговорот веществ слагается из круговоротов, происходящих в элементарных экосистемах. В каждой из экосистем обязательные экологические категории -- продуценты, консументы, редуценты -- никогда не представлены одним видом, но всегда их набором. Это своеобразная гарантия: если что-то случается с одним видом, его долю работы принимают на себя другие, и биогеоценоз продолжает функционировать. Эта сложная взаимосвязь обеспечивает устойчивость жизненных процессов в экосистеме.

Под круговоротом веществ в экосистеме понимается циклический обмен химическими веществами между живыми организмами и органической средой, различные стадии которых происходят внутри самой экосистемы. Осуществление круговорота веществ и высвобождение запасённой в органическом веществе энергии - важная функция трофических цепей в экосистеме.



Список используемой литературы

1. Валова В.Д. Основы экологии / Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский Дом «Дашков и К^о», 2001. - 212 с.

2. Горелов А.А. Экология / Учеб. пособие для вузов. - М.: Юрайт-М, 2002. - 312 с.

3. Петросова Р.А. и др. Естествознание и основы экологии / Учеб. пособие для студ. сред. пед. учеб. заведений / Петросова Р.А., Голов В.П., Сивоглазов В.И., Страут Е.К. - 4-е изд., стереотип. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 304 с.

4. Полищук Ю.М. Общая экология / Учебн. пособие. - Ханты-Мансийск, Югорский гос. ун-т: РИЦ ЮГУ, 2004. - 206 с.

5. Потапов А.Д. Экология / Учеб. для строит. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 2002. - 446 с.

6. Савенко В.С. Проблемы глобального экологического кризиса и устойчивого развития // Вестник МГУ. №6. сер. 5.- география. - 2004. 31-37с.

7. Шустанова Т.А. Пособие-репетитор для подготовки к ЕГЭ по биологии / Учебное пособие для абитуриента. - Ростов н/Д: Феникс, 2004. - 544 с.

8. Чернова Н.М. Основы общей экологии / Методическое пособие для студентов заочного отделения. - М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. - 48 с.

Размещено на Allbest.ru