Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

1.1 Структура экосистем

1.2 Гомеостаз и сукцессия экологической системы

2. ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ

2.1 Потоки энергии в экосистемах

2.2.Экологические пирамиды

3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

3.1 Круговорот биологический и геологический

3.2 Круговорот углерода

3.3 Круговорот азота

3.4 Круговорот фосфора

Литература

1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

1.1 Структура экосистем

Экосистемы состоят из живого и неживого компонентов, называемых соответственно биотическим и абиотическим. Совокупность живых организмов биотического компонента называется сообществом. Исследование экосистем включает, в частности, выяснение и описание тесных взаимосвязей, существующих между сообществом и абиотическим компонентом. Экосистема - термин, введенный в науку А. Тенсли в 1935г. для обозначения любого единства включающего все организмы (биоценоз) на данном участке (биотопе) и взаимодействующего с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы. По определению А. Тэнсли, экосистемы - это безразмерные устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот, веществ и энергии. Не любая комбинация жизнь - среда является экосистемой. Экосистема должна обладать стабильностью и четко функционирующим внутренним круговоротом веществ. В ней объем внутреннего обмена веществ больше внешнего. Экосистема это элементарная функциональная единица биосферы. Различные экосистемы вместе образуют биосферу, или экосферу, включающую все живые организмы и всю физическую среду, с которой они взаимодействуют. Таким образом, океан, поверхность суши и нижние слои атмосферы - все это входит в экосферу. Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» близки друг к другу, но не являются синонимами. С некоторым допущением можно приравнять понятия экосистема и биогеоценоз. Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы, представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении и развитии. Экосистема может включать несколько биогеоценозов. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз», т.е. любой биогеоценоз является экологической системой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом, причем биогеоценозы - это сугубо наземные образования, имеющие свои четкие границы.

На уровне биогеоценоза происходят все процессы круговорота веществ и потока энергии в биосфере. Антропогенная деятельность всегда направлена на биогеоценозы (экосистемы), вне которых нет жизни на Земле.

Рис.1 Схема биогеоценоза (по В. Н. Сукачеву, 1972)

Структура биогеоценоза это деление биогеоценоза на вертикальные и горизонтальные подразделения - ярусы, консорции, синузии, парцеллы и др.

Наземные экосистемы многоярусны, т.е. для них характерно вертикальное расслоение, на разно высокие структурные части. Так, в лесу соответственно размещению корней, стволов, крон деревьев можно выделить ряд ярусов: деревья первой величины, подлесок из кустарников и молодого поколения деревьев, живой напочвенный покров (травянистые растения и кустарнички), мхи. Животные, обитающие в лесу, также занимают различные ярусы, в которых локализованы их экологические ниши.

Горизонтальные структурные части наземных биогеоценозов называют синузиями. Горизонтальная неоднородность, например, лесного биогеоценоза, связана с особенностями мезо- и микрорельефа, а, следовательно, с динамикой влажности, температуры. Поэтому в лесу деревья очень часто растут группами, состоящими из одной или нескольких пород. В подобных случаях говорят о парцеллярности биогеоценоза, причем отдельным парцеллам присущи свои синузиальные группировки животных. То же касается и водных систем.

1.2 Гомеостаз и сукцессия экологической системы

Естественные экологические системы (биогеоценозы), например леса, степи, водоемы, существуют в течение длительного времени - десятков и даже сотен лет, т.е. обладают определенной стабильностью. Для поддержания стабильности системы необходима сбалансированность потоков, вещества и энергии, процессов обмена веществ (ассимиляции и диссимиляции) между организмами и окружающей их средой. Эти процессы имеют более или менее правильную периодичность и в целом не выводят систему из равновесия. Состояние подвижно - стабильного равновесия экосистемы (биогеоценоза) носит название гомеостаза. Гомеостатичность - важнейшее условие существования любой экологической системы. В естественном биогеоценозе гомеостаз поддерживается за счет открытости системы. экологическая система гомеостаз сукцессия

Антропогенная экологическая система созданная человеком не может рассматриваться как открытая. Это, например агробиоценозы, биологические очистные сооружения и т.д. Последовательную смену одного биоценоза (биоты) другим называют сукцессией.

2. ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ

2.1 Потоки энергии в экосистемах

Первоисточником энергии в экосистемах является Солнце. На долю Земли приходится солнечной энергии в 10,5·10⁶ кДж/м² в год из которых около 40% отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли, около 15% поглощается атмосферой. Оставшиеся 45% поглощаются растениями и земной поверхностью. Это составляет около 5·10⁶ кДж/м² в год и зависит от географического положения поверхности.

Ежедневная потребность в пище различных организмов (в кДж на кг массы): человек - 167, мелкие птицы и млекопитающие - 4186, насекомые - 2093

Пищевые цепи и трофические уровни.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ. Отношения между организмами в первую очередь определяется их отношением к пищевым ресурсам. Последовательность (схема) перехода энергии и вещества от автотрофов к гетеротрофам разного уровня называется пищевой цепью. Каждое звено этой цепи - трофическим уровнем.

Последовательность цепи - первичные продуценты - первичные консументы, вторичные консументы. Обычно бывает 4-5 трофических уровней реже 6-7. Продуцент - это растительные организмы, потребляющие минеральные вещества и продуцирующие органические за счет фотосинтеза.

Продуцентами могут быть и хемосинтезирующие бактерии, также использующие минеральные вещества. Основные продуценты в наземных экосистемах - зеленые растения. Продуценты составляют первую ступень (основание) экологической пирамиды. Консументы первичные это травоядные животные, птицы, насекомые, а в воде - фитопланктон, моллюски.

Консументы второго и третьего порядка. Это плотоядные животные к ним относятся хищники, падальщики и паразиты. Пример трофической цепи суши: растение-пчела-паук-землеройка-сова, водной: водоросли (фитопланктон) - ракообразные (зоопланктон)-сельдь-кета-тюлень.

Рис. 2 Пищевые цепи и трофические уровни.

Различают виды, способные питаться одним видом растения или животного (монофаги), многими видами (полифаги), а также более или менее ограниченным ассортиментом кормов (олигофаги). Трофические цепи (цепь питания) - это взаимоотношения между организмами при переносе энергии. Все биологические виды можно подразделить на автотрофные и гетеротрофные организмы. Все живые организмы попадут в одну из двух групп. Автотрофы - это организмы, использующие в качестве источников питания неорганические вещества газообразные и минеральные и производящих органическое вещество за счет фотосинтеза и хемосинтеза. Гетеротрофы - организмы, использующие в качестве источника питания органические вещества, произведенные другими организмами. К гетеротрофам относятся человек, все животные, некоторые растения, большинство бактерий, грибы. В пищевой цепи экосистем составляют группу консументов.

Детрит это частично разложившийся органический материал. Детритом питаются детритофаги. Редуценты (бактерии и грибы) - превращающие органику в неорганические вещества.

Существуют два главных типа пищевых цепей пастбищные и детритовые. Пастбищные, или цепи выедания (основу составляют автотрофные организмы, затем идут консументы), и детритные, или цепи разложения (начинаются от детрита, идут к микроорганизмам, а затем к детритофагам и их потребителям - хищникам). При переносе энергии от звена к звену большая ее часть (до 80-90%) теряется в виде теплоты. Поэтому число звеньев в трофических цепях обычно не превышает 4-5. Чем длиннее цепь, тем меньше продукция ее последнего звена по отношению к продукции начального. Поскольку в состав пищи каждого типа входит обычно несколько видов, каждый из которых в свою очередь может служить пищей нескольким видам, трофические взаимоотношения видов в природе точнее передаются термином трофическая сеть.

Трофический уровень это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания.. Они характеризуются определенной формой организации и утилизации энергии. Организмы разных трофических цепей, получающие пищу через равное число звеньев в трофической цепи.

Предполагается, что со временем человечество перейдет к получению пищи напрямую за счет энергии Солнца без участия продуцентов, что позволит стратегически изменить природоохранный аспект.

2.2 Экологические пирамиды

Для графического представления взаимоотношений организмов в экосистемах используют не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды.

Различают пирамиды численности, биомассы, энергии.

Рис.3 Два типа обычных пирамид численности (А и Б)

Пирамида численности (пирамида чисел Элтона) приводится на рис, где в основании пирамиды (первом трофическом уровне) находятся растения (продуценты) их число превосходит число организмов второго уровня (травоядных) число которых меньше числа организмов третьего уровня (хищников). Пирамиды биомассы учитывают суммарную массу организмов каждого трофического уровня отнесенную к единице площади или объема.

Пирамиды энергии отображают количеств энергии на ед. площади или объема прошедшей через определенный трофический уровень за определенное время. Пирамида энергии наиболее информативна из трех видов пирамид.

Продуктивность экосистем.

Изучая, продуктивность экосистем мы имеем дело с потоком энергии проходящим через нее. Скорость, с которой растения накапливают энергию, называют первичной валовой продуктивностью. При поедании одних организмов другими энергия и вещество переходит с одного трофического уровня на другой. При этом каждый организм расходует энергию на дыхание, рост, размножение, тепловые потери, поддержание жизнедеятельности и выделяет с отходами. Энергия и вещество, накопленные гетеротрофными организмами называется вторичной продукцией. В каждом звене цепи энергия теряется.

Рис.4 Пирамида энергии в одной из экосистем.

Цифрами обозначено количество энергии на каждом трофическом уровне в кДж·м²·гoд. (Е. Одум 1971).

Таблица 1

Плотность, биомасса и поток энергии, характеризующие пять популяций первичных консументов.

Средняя величина переноса энергии от растения к травоядным около 10%, от животного к животному - 20%. Так, например если первичная накопленная энергия 8000 кДж то до вторичных хищников доходит 16 кДж.

Одна из причин изучения потока энергии в экосистемах это необходимость удовлетворения человека в пище и энергии.

3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

Биосфера самая крупная глобальная экосистема Земли.

В состав биосферы входят - нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенные живыми организмами, «область существования живого вещества» (В.И. Вернадский); оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Биосфера - самая крупная (глобальная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Существует неверное (излишне упрощенное) двухуровневое представление о биосфере как о целом, состоящем лишь из совокупности биогеоценозов. На самом деле биосфера сложена иерархией экосистем и геосистем, ее составляющим.

Биосфера включает организмы (ок. 3 млн. видов), их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные и видоизмененные этими организмами. В состав биосферы, кроме живого вещества (растительного, животного и микроорганизмов), входят биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов - осадочные породы органического происхождения), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами) и косное вещество (горные породы магматические, вода, а также переработанные и видоизмененные живыми организмами вещества космического происхождения, т.е. космическая пыль, метеориты и т.п.). Кроме того, в состав биосферы входят радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов, и рассеянные атомы, не связанные. Самая существенная особенность биосферы - биогенная миграция атомов химических элементов, вызванная энергией Солнца и выражающаяся в процессах обмена веществ, росте и размножении организмов. Биогенная миграция подчиняется биогеохимическим принципам, сформулированным В.И. Вернадским (1940). Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочке Земли сформулировал Ж.Б. Ламарк (1802). Термин «биосфера» ввел в науку австрийский геолог Э. Зюс (1875); современное материалистическое учение о биосфере создано В.И. Вернадским (1926). С точки зрения иерархии уровней организации живой материи и системного подхода, биосфера - это совокупность всех экосистем (биогеоценозов), распространенных в пределах геосфер, с которыми взаимодействует живая оболочка Земли. Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни. Это «поле существования жизни», особенно активной, по новейшим данным, ограничено в вертикальном пределе главным образом высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофиллоносные растения - продуценты (6,2 км в Гималаях). Выше, в эоловой зоне, обитают лишь пауки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и др. органическими частицами, заносимыми ветром (возможно, также выпадающими из стратобиосферы). Еще выше живые организмы попадают лишь случайно (микроорганизмы могут сохранять жизнь в виде спор). Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном океана и изотермой 100°С в литосфере, расположенными соответственно на отметках около 11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км (фактически жизнь распространена в литосфере до глубины 3-4 км). Таким образом, вертикальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает чуть более 17 км, сухопутной - до 12 км.

Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой. Возникла одновременно с возникновением жизни на Земле, первоначально (около 4 млрд. лет тому назад) в виде примитивных биоценозов (протобиоценозов) в первичном Мировом океане. Около 45 млн. лет назад биосфера начала занимать сушу, где, несмотря на гораздо более жесткие, чем в океане, условия, эволюционировала в направлении максимального видового разнообразия. В результате соотношение числа видов животных и растений в Мировом океане и на суше составило в среднем 1:5. Основным факторами эволюции биосферы являются: абиотические (космические и геологические), биотические (изменчивость, т.е. мутации, наследственность, борьба за существование, естественный отбор), а также антропогенные, особенно в эпоху научно-технической революции, благодаря которым биосфера постепенно переходит в ноосферу. Общая биомасса биосферы составляет около 85_100 млрд.т., сухого органического вещества, в т.ч. в Мировом океане - 30 млрд. т. Среднегодовая биопродуктивность биосферы - около 150 млрд. т сухого органического вещества, или 4,2·10² Дж/год. Потенциальная биопродуктивность биосферы является основным источником обеспечения человечества продовольствием. Ограниченностью потенциальной продуктивности биосферы и демографический взрыв обусловлен глобальный дефицит (разница между реальной продуктивностью биосферы и потребностью человечества) продовольствия, составляющий по белку более 20%, по количеству калорий - более 40%. В целях комплексного изучения взаимодействия человека и биосферы. ЮНЕСКО разработала (1971) комплексную долговременную программу «Человек и биосфера». Этой проблемой занимаются также Международный союз охраны природы и природных ресурсов, Международный фонд охраны дикой природы, ЮНЕП и др.

3.1 Круговорот биологический и геологический

Процессы фотосинтеза органического вещества из минеральных компонентов продолжаются миллионы лет. Однако количество любых химических элементов на планете ограничено. За миллионы лет их ассимиляции фотосинтетиками они должны быть исчерпанными. Однако этого не происходит. Это связано с тем, что все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Геологический круговорот длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде вещества, сносятся водой в моря и водоемы где образуют отложения и лишь частично возвращаются на сушу. Процессы опускания суши и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов приводят к тому, что эти отложения вновь оказываются на сушу, и процесс начинается вновь.

Биогенный круговорот, являясь частью геологического, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в аккумуляции веществ (углерод, фосфора, кальция, азота и др.) в растениях, расходуются на построение и жизненные процессы, как их самих, так и организмов - консументов. Продукты разложения органики почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, черви, моллюски, насекомые, простейшие) до минеральных компонентов вновь вовлекают в круговорот вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы и обратно в неорганическую среду с поглощением солнечной энергии носит название биогеохимического цикла.

3.2 Круговорот углерода

Круговорот углерода совершается по большому и малому циклам. Биотический круговорот углерода - составная часть большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащийся, в атмосфере служит «сырьем» для фотосинтеза растений, которые потребляется консументами разных трофических уровней. При дыхании растений и животных, а также при работе деструкторов (редуцентов) мертвой органики выделяется СО₂, который и возвращается в атмосферу. Часть углерода накапливается в виде остатков отмерших животных и растений, переходя в осадочные породы. Залежи каменного угля это органическое вещество процесса фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.

В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно использует, то возникает так называемый биолого-технический круговорот углерода.

Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных породах океана в каменном угле и нефти. Этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшими количествами углерода, участвующего в малом круговороте и содержащегося в растительных и в животных тканях. Время переноса атмосферного углерода составляет около 8 лет, ежегодно в наземных экосистемах в круговорот вовлекается примерно 12% содержащегося в воздухе диоксида углерода.

3.3 Круговорот азота

Азота около 80% в атмосферном воздухе. Он содержится в почве и в воде в виде неорганических соединений, а часть - в форме органических соединений. Большой круговорот азота, включает сушу и атмосферу. Малый кругооборот азота заключается в том, что органические соединения азота после гибели организмов подвергаются (при участии бактерий) процессам аммонификации, нитрификации с последовательным образованием аммиака, нитратов и нитритов. Нитраты и нитриты вновь ассимилируются растениями, подвергаются восстановлению (денитрификации) до оксида азота (III), азота и свободного азота поступающего в атмосферу. Свободный азот почвы также способен усваиваться растениями при помощи так называемых клубеньковых бактерий . Общее время круговорота азота оценивается более 110 лет, кислорода - 2500 лет.

3.4 Круговорот фосфора

Фосфор один из биогенных элементов: он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии костной ткани, дентина. Круговорот фосфора совершается по большому и малому циклам и связан с жизнедеятельностью организмов. Он является подвижным элементом, и поэтому процессы, связанные с его круговоротом, зависят в первую очередь от антропогенных факторов, например, при использовании моющих средств и удобрений. Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почв. В кислых средах, характерных для торфяных почв, фосфор связывается в комплексы с алюминием, железом, марганцем и становится недоступным для растений,

Круговороты всех биогенных элементов происходят в природе на уровне биогеоценоза, что имеет особое значение для сельского хозяйства и лесов. В сельском хозяйстве применяется известкование почв с повышения доступности фосфора растениям.

В отличие от скорости большого (геологического) круговорота скорость круговоротов (или время переноса) биогенных элементов значительно меньше.

Литература

Арустамов Э.А., Левакова И.В., Баркалова Н.В. «Экологические основы природопользования»: 5-е изд. перераб. и доп., М.: Издательский Дом «Дашков и К», 2008-320с.

Гальперин М.В. Экологические основы природопользования. Учебник - 2-е издание, испр. М.: ФОРУМ: ИНФА- М, 2007-256с.

Колесников С.И. «Экологические основы природопользования». Учебник. Изд-во «Дашков и К», 2008-304с.

Константинов В.М., Челедзе Ю.Б. ЭОПП: Учебное пособие для студентов учреждения среднего профессионального образования. М.: Издательский центр «Академия», НМЦ СПО, 4-е изд., испр. и доп. 2006-208 с.

Трушина Т.П. Экологические основы природопользования. Учебник для колледжей и средне-специальных учебных заведений. 5-е изд. перераб., Ростов на Дону: «Феникс», 2009- 408 с.

Размещено на Allbest.ru