Разработка методики оценки уровня антропогенного влияния на экосистему Санкт-Петербурга

Названные выше, как и многие другие взаимовлияния компонентов и составляющих их частей между собой связаны с обменом энергией, а часто и веществом. Основным источником энергии в биогеоценозе является солнечная радиация, аккумулируемая зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Через растения эта энергия поступает в другие организмы и в почву. Кроме того, тепловая энергия солнечной радиации непосредственно или косвенно влияет на процессы, как в живых, так и в абиотических компонентах.

Выделяют также тип связей, которые носят название фабрических (лат. фабрикатио - изготовление). Для них характерно использование одними организмами других или продуктов их жизнедеятельности, частей (например, растений, перьевого покрова, шерсти, пуха) для постройки гнезд, убежищ и т. п.

Данная классификация строится по принципу влияния, которое оказывают одни организмы на другие в процессе взаимных контактов. Эти взаимоотношения можно обозначить математическими значками «+»,«-», «0» (положительно, отрицательно, нейтрально).

Если взаимоотношения обоим партнерам выгодны, они обозначаются значками (+,+) и носят название симбиоза или мутуализма. Степень этих связей различна. В ряде случаев организмы настолько тесно связаны, что функционируют как единый организм. Например, лишайники, представляющие симбиоз гриба и водоросли. Водоросль поставляет грибу продукты фотосинтеза, а гриб для водоросли является поставщиком минеральных веществ и, кроме того, субстратом, на котором она живет. В то же время сожительство грибов с корня ми растений (микориза) носит хотя и взаимовыгодные, но не в такой степени тесные взаимоотношения. Тип взаимовыгодных отношений широко распространен. Сюда относятся и микроорганизмы, населяющие пищеварительный тракт животных, способствуя усвоению пищи; и, в ряде случаев, травоядные животные. Установлено, что исключение поедания трав животными может иметь следствием оскудение растительных сообществ, снижение ими продуктивности и устойчивости. Даже умеренное объедание листьев древесных растений насекомыми или их гусеницами может быть положительным не только для животных, но и для растений.

Взаимоотношения, которые положительны для одного вида и отрицательны дпя другого (+,-), характеризуются как хищничество и паразитизм. Хищник и паразит обычно приспосабливаются к использованию других организмов (их жертв и хозяев), а последние, в свою очередь, имеют адаптации, которые сохраняют им жизнь. Эти типы взаимоотношений обычно играют большую роль в регулировании численности организмов. Интенсивное размножение хищников и паразитов обычно имеет следствием уменьшение численности их жертв или хозяев.

В свою очередь, уменьшение численности жертв и хозяев подрывает кормовую базу хищников и паразитов, что ведет к сокращению их численности и т. д. В конечном счете имеет место обычно пульсирующая численность организмов, вступающих в такие типы взаимоотношений.

Хотя взаимоотношения типа хищничества и паразитизма сходны по результатам влияния на численность особей, они резко различаются по образу жизни и адаптациям. Во взаимоотношениях хищник-жертва оба организма постоянно совершенствуются: первый в плане успешности охоты, второй - в отношении самосохранения. И в том и в другом случае требуется быстрая реакция, высокая скорость передвижения, хорошее зрение, обоняние и т. п.

Во втором типе взаимоотношений у паразита адаптации идут по пути специализации структур на использование хозяина как источника пищи и «благоустроенного» местообитания. Результатом этого является упрощение многих органов (пищеварительный тракт, накожные покровы, органы передвижения, чувств и др.). Вместе с тем, поскольку жизнь паразита очень тесно связана с хозяином, он адаптирован на выживание во внешней среде после смерти хозяина. Достигается это за счет большого количества зачатков (семян, спор, цист и т. п.), обычно долго сохраняющихся в среде.

Адаптации хозяина направлены, как правило, на уменьшение вреда от паразита. Это проявляется в выработке активного иммунитета, заключении внутренних паразитов в различного вида капсулы (галлы, цецидии и т. п.).

В ряде случаев адаптации паразитов и хозяев приводят к их взаимовыгодным отношениям типа симбиоза. Есть основание полагать, что в большинстве случаев симбиоз (мутуализм) вырос из паразитизма.

Взаимоотношения, невыгодные обоим партнерам (-,-), носят название конкуренции. Последняя тем сильнее, чем ближе потребности организмов к фактору или условию, за которые они конкурируют. В этом отношении наиболее близки интересы организмов одного вида, и, следовательно, внутривидовая конкуренция рассматривается как более острая по сравнению с межвидовой. Однако данное положение противоречит тому факту, что практически все механизмы существования вида направлены на его выживание. Такое противоречие решается тем, что на внутривидовом уровне есть механизмы, которые позволяют снять остроту конкурентной борьбы, в том числе жертвуя частью особей (см. разд.У.2). Конкуренция и взаимоотношения типа хищник-жертва являются основными в совершенствовании видов, в то время как взаимоотношения типа мутуализма (симбиоза) способствуют оптимизации жизненных процессов, более полному освоению среды.

Менее распространенным типом взаимоотношений является комменсализм (франц. комменсал - сотрапезник) - отношения, положительные для одного и безразличные для другого партнера (+,0), его иногда делят на нахлебничесгво, когда один организм поедает остатки пищи со «стола» другого (крупного) организма (например, акулы и сопровождающие их мелкие рыбы; львы и гиены) и квартиранство, или синойкийю (греч. синойкос -сожительство), когда одни организмы используют другие как «квартиру», убежище. Например, молодь некоторых морских рыб прячется под зонтик из щупалец медуз, или некоторые насекомые живут в норах животных, гнездах птиц, используя их только для укрытия.

Не часто встречается также аменсализм (лат. аменс - безрассудный, безумный) - отрицательный для одного организма и безразличный для другого (-,0). Например, светолюбивое растение, попавшее под полог леса. Отношения, при которых организмы, занимая сходные местообитания, практически не оказывают влияния друг на друга, носят название нейтрализма (0,0). Например, белки и лоси в лесу. Сохранение разнообразия связей - важнейшее условие устойчивости экосистем. Связи, основанные на использовании местообитаний, носят название топических (греч. топос - место). Например, топические связи возникают между животными и растениями, которые предоставляют им убежище или местообитание (насекомые, прячущиеся в расщелинах коры деревьев или живущие в гнездах птиц, растения, поселяющиеся на стволах деревьев (но не паразиты). Не только трофическими, но и топическими отношениями связаны паразиты с организмами, на которых они паразитируют. Следующий тип связей носит название форических (лаг. форас - наружу, вон). Они возникают в том случае, если одни организмы участвуют в распространении других или их зачатков (семян, плодов, спор). Животными это распространение может осуществляться как на наружных покровах, так и в пищеварительном тракте.

6. Механизм круговорота веществ биогеоценоза

Совместная деятельность различных живых организмов определяет закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений, включающий введение их в состав живых клеток, преобразования химических веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ, в результате которой высвобождаются минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных биогеоценозах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом. Ниже рассматриваются наиболее значимые элементы круговорота веществ.

Круговорот фосфора

По структуре круговорот фосфора несколько проще круговорота азота, поскольку фосфор встречается лишь в немногих химических формах. Как показано, этот важный и необходимый элемент протоплазмы циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями [4, c. 210].

Круговорот азота

Два способа изображения сложного круговорота азота; каждая из схем иллюстрирует какую-то существенную общую особенность или движущую силу.

Подчеркивается цикличность перемещений и приведены виды микроорганизмов, осуществляющие основные типы обмена азотом между организмами и средой. Азот протоплазмы переводится из органической в неорганическую форму в результате деятельности ряда бактерий-редуцентов, причем каждый вид выполняет свою часть работы. Некоторое количество азота переводится, в конце концов, в аммиак и нитрат - формы, наиболее пригодные для использования зелеными растениями. Воздух, на 80% состоящий из азота, представляет собой крупнейший «резервуар» и одновременно «предохранительный клапан» системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно возвращается в круговорот в результате деятельности азотфиксирующих бактерий или водорослей (биологическая фиксация азота), а также действия электрических разрядов (молний) и других физических процессов, в которых происходит фиксация азота.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 7.3. показаны энергетические взаимоотношения между компонентами круговорота азота, необходимые для функционирования этого круговорота. Ступенчатый процесс разложения белков до нитратов сам служит источником энергии для организмов, осуществляющих это разложение, а обратный процесс требует других источников энергии, таких, как органическое вещество или солнечный свет. Например, хемосинтезирующие бактерии Nitrosomonas, превращающие аммиак в нитрит, и Nitrobacter, превращающие нитрит в нитрат, получают энергию за счет разложения, а де нитрифицирующие и азотфиксирующие бактерии используют для производимых ими превращений энергию других источников.

Примерно до 1950 г. считалось, что фиксировать атмосферный азот способны лишь распространенные в природе виды микроорганизмов:

1. Свободноживущие бактерии -- Azotobacter (аэроб) и Clostridium (анаэроб).

1. Симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений -- Rhizobium

Главный источник азота органических соединений -- молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксиды азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота.

Как отмечалось выше, более важной формой усвоения азота является деятельность азотфиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализуется. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га (для сравнения -- путем фиксации азота разрядами молний 4 --10 кг/га).

Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот диффундирует в литосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) на 1 га накапливается за год 150-- 400 кг азота.

Круговорот кислорода

В природе кислород находится как в свободном состоянии в атмосфере (объемная доля О₂ в воздухе, массовая - 23%), так и в виде соединений, из которых наиболее важным является вода. Массовая доля кислорода в чистой воде 88,81 %, в мировом океане с учетом растворенных солей его содержание несколько меньше - 86 % от массы океана. Земная кора в значительной степени состоит из оксидов и солей кислородсодержащих кислот, так что массовая доля кислорода в ней составляет около 47 %. Общее содержание кислорода в атмосфере, гидросфере и литосфере оценивается в 50 % (по массе) [10, c. 293].

Весь кислород в атмосфере Земли - результат фотосинтеза. Фотосинтез протекает практически повсеместно на нашей планете, в связи с этим значение кислорода огромное. В процессе фотосинтеза зеленые растения из углекислого газа и воды создают органические вещества (рис. 7.4.)[5, c.168].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.4. Круговорот кислорода и углекислого газа

Круговорот углекислого газа

Углекислый газ (СО₂) - соединение, лежащее в основе биогенного круговорота углерода. В природе углекислый газ входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе CО₂ и Н₂О образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют углеводы в более сложные (крахмал, гликоген), а также в протеиды, липиды и др. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и зеленых растений.

В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.

Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разложению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания.

В почве разложение, накапливающихся мертвых остатков, идет замедленным темпом - через образование сапрофагами (животными и микроорганизмами) гумуса, минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти. Схема кругооборота углекислого газа представлена на рис. 7.4. [10, c. 168].

В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО₂ в состав СаСОз в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота целые геологические эпохи. Лишь поднятие органогенных пород над уровнем моря приводит к возобновлению круговорота через выщелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем - действием лишайников, корней растений.

Круговорот серы

Основными особенностями круговорота серы являются:

1. Обширный резервный фонд в почве и отложениях; меньший - в атмосфере;

2. Ключевую роль в быстро обменивающемся фонде играют специализированные микроорганизмы, между которыми существует разделение труда - каждый вид выполняет определенную реакцию окисления или восстановления;

3. Микробная регенерация из глубоководных отложений, в результате которой вверх движется газовая фаза (H₂S);

4. Взаимодействие геохимических и метеорологических процессов (эрозия осадкообразование, выщелачивание, дождь, абсорбция -- десорбция и т. д.) с биологическими процессами (продукция и разложение);

5. Взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота в глобальном масштабе.

Сульфат (SO₄^2-), аналогично нитрату и фосфату, доступная основная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки, (сера входит в состав ряда аминокислот). Для биогеоценоза требуется не так много серы, как азота и фосфора, и сера реже бывает фактором, лимитирующим рост растений и животных. Тем не менее, круговорот серы является ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы. Например, когда в осадках образуются сульфиды железа, фосфор из нерастворимой переводится в растворимую форму и становится доступным для организмов. Это пример того, как один круговорот регулируется другим.

«Кольцо» в центре схемы (рис. 7.5.) иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (SO₄^2-) и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и в осадках [4, с.157].

Круговорот воды

Вода -- необходимое вещество в составе любых живых организмов. Основная масса воды на планете сосредоточена в гидросфере. Испарение с поверхности водоемов представляет источник атмосферной влаги; конденсация ее вызывает осадки, с которыми в конце концов вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды на поверхности Земного шара.

В пределах отдельных биогеоценозов осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот и обеспечивающие его биологически важную часть. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они достигнут поверхности земли. Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в нее и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку; частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоев почвы влага всасывается корнями растений; часть ее достигает листьев и транспирируется в атмосферу.

Эвапотранспирация -- это суммарная отдача воды из биогеоценоза в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.

Если количество воды, просочившейся в почву, превышает ее влагоемкость, она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой. Таким образом, для круговорота воды в пределах экосистем наиболее важны процессы перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока.

В целом круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накаливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы биогеоценоза используется лишь около 1 % воды, выпадающей с осадками [11, c.205].

Экологический прогноз существования биогеоценоза, система его сохранения и оздоровления

Экологическое прогнозирование -- предсказание возможного поведения природных систем, определяемого естественными процессами и воздействием на них человечества.

Виды экологических прогнозов. Прогнозы можно подразделить по времени, по масштабам прогнозируемых явлений и по содержанию.

По времени упреждения различают следующие виды прогнозов: сверхкратковременные (до одного года), краткосрочные (до 3-5 лет), среднесрочные (до 10--15 лет), долгосрочные (до несольких десятилетий вперед), сверхдолгосрочные (на тысячелетия и более вперед).

По масштабам прогнозируемых явлений прогнозы делятся на четыре группы: глобальные, региональные, национальные, локальные.

Основными особенностями экологических прогнозов являются:

1. Природа развивается по своим законам.

2. Природные ресурсы и объекты планеты взаимосвязаны и взаимообусловлены.

3. При прогнозировании последствий ухудшения состояния (природной среды на человеческом организме возникают трудности учета сопротивляемости, устойчивости, приспосабливаемости организма человека как промежуточного звена природной среды, природных комплексов.

Экологический краткосрочный прогноз развития исследуемого биогеоценоза заключается в изменении луговых сообществ, так называемой пастбищной регрессии. Выпас скота влияет по разному, в зависимости вида, количества, длительности пребывания на пастбище и частоте повторного стравливания.

Выпас действует двояко: непосредственно на травостой, когда растения скусываются или обламываются при наступании копыт, и опосредованно - через изменение водного режима.

Для оздоровления биогеоценоза необходим умеренный выпас, т.к. для большинства видов растений умеренный выпас полезен [5, c. 177-178].

Выводы

1. Для определения механизмов, регулирующих структурно-функциональную организацию исследуемого биогеоценоза выделены доминантные и эдификаторные виды.

2. Для оценки условий место произрастания по растениям-индикаторам в данной дипломной работе использовали видовую структуру. В результате исследования установлено, что в лесу и на пастбище произрастают черника и мох сфагнум. Это указывает на несколько избыточное увлажнение и некоторый дефицит элементов минерального питания (черника), и на чрезмерно избыточное увлажнение, дефицит минеральных веществ, недостаток кислорода для дыхания корней и наличие процессов торфообразования (сфагнум).

3. С целью выявления источника возбудителя инвазии в исследуемом биогеоценозе рассмотрены представители животного мира. Установлено, что наиболее часто встречаются веслоногие рачки и пресноводные моллюски. Как известно, веслоногие рачки и пресноводные моллюски являются переносчиком трематод, которые вызывают парамфистоматоидозы.

Список литературы

1. Биология: Большой энцикл. словарь/ Гл. ред. М.С. Гиляров. - М.: Науч. Изд-во «Большая Рос. энциклопедия»., 1998.-656 с.

2. Воронков Н.А. Основы общей экологии: Учебник для студентов высших учебных заведений. - М.: Агар, 1999. - 96 с.

3. Кеннеди К. Экологическая паразитология/ Пер. с анг. под ред. К.М. Рыжикова и О.Н. Бауэра. - М.: «Мир»., 1978. - 235 с.

4. Одум Ю. Экология: В 2 т. / Под ред. акад. В.Е. Соколова. - М.: «Мир»., 1986.

5. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов/ Автор - Сотавитель А.С. Степановских. - М.: ЮНИТИДАНА, 2001. - 559 с.

6. Программа и методика биогеоценологических исследований/ Под ред. О.Н. Дылиса. - М.: «Мир». - 1974. - 534 с.

10. Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия: Учебник для вузов. - 4-е изд., исправл. - СПб: Химиздат, 2000. - 624 с.

11. Шилов И.А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов.--2-е изд.; испр.--М.: «Высш. шк.», 2000. - 520 с.

12. Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в 2008 году: Справочно-аналитический обзор/ А.М. Алимов, Н.В. Анисимова и др., (Ленкомэкология). - СПб.: Гидрометиздат, 2003. - 351 с.

Размещено на Allbest.ru