тропические дождевые леса (вегетируют круглый год и являются самыми продуктивными экосистемами Земли).

Каждый биом формируется под воздействием определенного комплекса условий среды. На рис. 64 показаны экологические ареалы некоторых биомов в двух главных осях климатических факторов - среднегодовой температуры и количества осадков, а на рис. 65 - карта основных биомов мира. Однако для объяснения того, почему формируется тот или иной биом, этих показателей бывает недостаточно, важную роль играют динамика поступления осадков в течение года, максимальные и особенно минимальные температуры воздуха.

Различают всего два биома пресных вод:

биом стоячих вод,

биом проточных вод.

Экосистемы биома стоячих вод более разнообразны, так как в этом случае шире пределы изменения условий, определяющих состав биоты и ее продукцию, - глубины водоема, химического состава воды, степени зарастания водоема (включая и образующиеся вдоль побережий сплавины - сообщества на плавающем торфе). В биоме проточных вод большую роль играет скорость течения, и состав биоты перекатов и плесов различается.

В зарастающих водными растениями озерах вода богата элементами питания, обилен фитопланктон и выше вторичная биологическая продукция (включая и продукцию рыб). В глубоких озерах с мягкой водой низка и первичная, и вторичная продукция.

Различают семь основных биомов морских вод и прибрежий:

приморские скалистые побережья, достаточно бедные элементами питания;

лиманы - богатые элементами питания илистые отмели у впадения рек;

континентальный шельф - экосистемы прибрежных зон океанов с глубиной не более 200 м. Отличаются высоким биологическим разнообразием и высокой биологической продуктивностью. Это основные районы промысла морепродуктов;

фотические (автотрофные) экосистемы верхнего слоя вод открытого океана (поверхностные пелагические сообщества). Этот биом имеет низкую биологическую продуктивность, сравнимую с пустыней;

области апвеллинга. У западных побережий материков ветры постоянно отгоняют поверхностную воду от крутого берегового склона, и в этих местах из глубины поднимается вода, обогащенная элементами питания (в первую очередь фосфором и азотом). Это очень продуктивные экосистемы, которые являются районами промышленного рыболовства (особенно сельди);

морские глубоководные пелагические экосистемы (формируются при отсутствии света и потому представлены гетеротрофами, живущими за счет «питательного дождя»);

коралловые рифы - высокопродуктивные экосистемы тропических морей.

Более подробно характеристика биомов рассматривается на уроках географии.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные биомы наземных экосистем.

2. Чем отличаются экосистемы биомов стоячих и текучих вод.

3. Какие биомы морских вод имеют самую высокую биологическую продуктивность?

4. Какой биом морских вод представлен гетеротрофными экосистемами?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экосистемы разнообразны, в их составе - самые разные ансамбли видов в сочетании с разными условиями среды. Экосистемы, состав и функции которых определяются в основном природными факторами, называются естественными (лес, озеро, степь, океан, тундра). В антропогенных экосистемах главную роль в управлении их составом и функцией играет человек. Их примеры: сельскохозяйственные земли, территории городов и т.д.

Полностью естественных экосистем сегодня уже нет, так как влияние человека простирается не только на степи и луга, где он пасет скот, но и на отдаленные от его поселений участки океана или заоблачные ледники горных экосистем. Через атмосферу эти естественные экосистемы получают свою порцию загрязняющих веществ, на них влияет изменение климата, вызванное хозяйственной деятельностью человека.

Кроме того, экосистемы подразделяются по источнику энергии, на которой они «работают», и углерода, который используют как «сырье» для синтеза органического вещества. Автотрофные экосистемы используют энергию солнца или химических реакций минеральных веществ и неорганический углерод, гетеротрофные - готовые органические вещества и заключенную в них энергию. Органическое вещество для гетеротрофных экосистем производится в автотрофных экосистемах.

Даже экосистемы с одним типом питания и при сходном влиянии человека очень разнообразны. Так, к примеру, автотрофные естественные экосистемы леса и озера различаются не только по составу биоты, но и по многим параметрам функции. В экосистеме озера пищевые цепи более длинные, выедание организмов в пастбищных пищевых цепях более полное, быстрее протекает круговорот веществ, биомасса может быть больше биологической продуктивности, что невозможно в лесной экосистеме.

Среди хемотрофных естественных экосистем наиболее удивительны геотермальные оазисы рифтовых зон. За счет энергии окисления сероводорода бактериями и их симбиоза с червями-вестиментиферами формируется первичная биологическая продукция, за счет которой живут десятки видов других гетеротрофных организмов.

Экосистемы разных природных зон суши и разных частей океана, различающихся глубиной и богатством элементов питания, называются биомами.

Индивидуальное задание

Тема: «Сравнение экосистем леса и пруда».

Задача исследования - выявить различия биоты двух разных естественных автотрофных экосистем. Работа экспериментальная и трудоемкая, поэтому ее лучше выполнять нескольким школьникам, совместно работающим в экологическом кружке. Постарайтесь составить список видов растений, животных и других организмов (лишайников, грибов) леса и список растений и животных пруда. Для работы вам потребуется рыболовная сеть и разрешение природоохранных органов на вылов рыбы в научных целях. Потребуется микроскоп, чтобы в капле воды определить состав планктона (хотя бы до крупных групп). Конечно, вам не удастся полностью охарактеризовать состав биоты экосистем, но вы выявите достаточно много видов, для того чтобы показать различия сравниваемых экосистем. Функциональные параметры экосистем опишите на основе данных литературы.

В качестве источника материала используйте двухтомник Ю. Одума и краеведческую литературу о флоре и фауне своего района.

Глава 9. БИОСФЕРА

Самой большой экосистемой является биосфера - оболочка планеты, заселенная живыми организмами (рис. 66). Толщина биосферы немного больше 20 км (организмы обитают над поверхностью суши не выше 6 км над уровнем моря, опускаются не глубже 15 км в толщу суши и 11 км в глубь океана), но основная масса живого вещества сконцентрирована в приповерхностном слое толщиной всего несколько десятков метров: это высота лесного полога и глубина проникновения основной массы корней. В этих же пределах сконцентрированы наземные и почвенные животные и микроорганизмы. В океане наиболее обжиты растениями и животными освещаемые солнцем и прогреваемые приповерхностные 10-20 м толщи воды. В этом тонком слое биосферы сконцентрировано свыше 90% биомассы растений и животных.

По сравнению с диаметром Земли (13 тыс. км) биосфера - тонкая пленка, подобная кожице на большом яблоке.

Как мы уже говорили, истоки учения о биосфере лежат в работах А.Л. Лавуазье, Ж.Б. Ламарка, А. Гумбольдта. Термин «биосфера» предложил Э. Зюсс. Однако, учение о биосфере создал русский ученый В.И. Вернадский. Он доказал, что за 4 миллиарда лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования. В атмосфере появился кислород, раковины моллюсков образовали осадочные горные породы. Под влиянием жизнедеятельности организмов в биосфере постоянно происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ.

§ 43. СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ

В биосфере различают три части.

Атмосфера - газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси разных газов, простирающаяся примерно на 100 км (строгой верхней границы атмосферы не существует). В атмосфере различаются следующие слои:

- тропосфера - нижний 12-километровый слой, влияющий на погоду; в ней содержатся взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности планеты. Тропосфера составляет 2/3 массы всей атмосферы;

- стратосфера - достигает высоты 50 км. Она включает озоновый слой с максимальной концентрацией озона на высоте 20-45 км. Содержание озона в этом слое примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли. Если весь этот озон собрать и сжать до давления, равного давлению атмосферы на уровне моря, то его слой составит 3 мм. В процессе образования и разрушения озона происходит поглощение ультрафиолетового излучения. Таким образом озоновый слой защищает поверхность планеты от избытка ультрафиолетовых лучей, неблагоприятно влияющих на живые организмы;

- мезосфера - находится на высоте от 50 до 85 км;

- ионосфера - слой выше 85 км (простирается до 400 км).

С высотой меняется химический состав и физические свойства атмосферы. Главные составляющие атмосферы: азот (78%) и кислород (20,95%), аргон (0,93%), диоксид углерода (0,03%).

Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды, ледники. На 94% она представлена солеными водами океанов и морей, а вклад рек в водный бюджет планеты в 10 раз меньше, чем количество водных паров в атмосфере.

Три четверти пресной воды недоступны организмам, так как законсервированы в ледниках гор и полярных шапках Арктики и Антарктиды.

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, мощность которой составляет 50-200 км. Верхний слой литосферы называется земной корой.

Контрольные вопросы

1. Какова главная идея учения В.И. Вернадского о биосфере?

2. Из каких основных блоков состоит биосфера?

3. На какой высоте расположен озоновый слой и какова его роль в биосфере?

4. Какова доля пресной воды в гидросфере?

5. Какую мощность имеет литосфера?

Справочный материал

В зарубежной литературе часто вместо понятия «биосфера» используют слово «гея» (от греч. Гея - богиня Земли), которое в 70-х гг. нашего столетия предложил Дж. Лавелок.

Озон образуется при поглощении ультрафиолетового излучения молекулами, содержащими кислород. Атомы кислорода отщепляются от этих молекул и, сталкиваясь с молекулами кислорода, соединяются с ними. Это же излучение разрушает молекулы озона. Образованию озона способствуют электрические разряды и присутствие в атмосфере оксидов азота и углеводородов.

Таблица 2

Распределение водных масс в гидросфере Земли

(по М.И.Львовичу)

Часть гидросферы	Объем воды, тыс. км3	Доля в общем объеме вод, %
Мировой океан	1 370 000	94,1
Подземные воды	60 000	4,1
Ледники	24 000	1,7
Озера	280	0,02
Вода в почве	80	0,01
Пары атмосферы	14	0,001
Реки	1,2	0,0001
Вся гидросфера	1 454 375	100

Суммарные водные ресурсы России показаны на рис. 67.

§ 44. основные биосферные круговороты веществ

В биосфере постоянно протекают круговороты веществ. Рассмотрим основные круговороты, которые определяют жизнь экосистем.

Круговорот воды (рис. 68). Ткани живых организмов на 70% состоят из воды, и поэтому В.И. Вернадский определял жизнь как живую воду.

Основная масса воды сосредоточена в океанах. Испаряющаяся с его поверхности вода дает живительную влагу естественным и искусственным экосистемам суши. Чем ближе район к океану, тем больше там выпадает осадков. Суша постоянно возвращает воду океану: часть воды испаряется, особенно лесами, часть собирается реками, в которые поступают дождевые и снеговые воды. Обмен влагой между океаном и сушей требует очень большого количества энергии: на это затрачивается до 1/3 поступающей на Землю солнечной энергии.

Круговорот воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды, сколько расходовал ее при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озерах. С развитием цивилизации этот круговорот стал нарушаться. В частности, уменьшается испарение воды лесами, ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Реки южных районов обмелели, испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности пленки нефти. Все это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в Африке в зоне Сахеля.

Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России.

Доля пресной воды, доступной живым организмам, довольно мала, поэтому ее нужно расходовать экономно и не загрязнять. Этот прежде неисчерпаемый ресурс становится исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Круговорот углерода (рис. 69). Углерод - основа органических соединений. В атмосфере постоянно происходит обмен диоксида углерода: растения поглощают его при фотосинтезе, и все организмы выделяют в атмосферу в результате дыхания. До 50% (по некоторым данным - до 90%) углерода в форме диоксида углерода возвращают в атмосферу микроорганизмы почвы. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита - гумуса, торфа, сапропеля. Это происходит в тех случаях, когда распахиваются почвы, осушаются болота и создаются условия для деятельности аэробных микроорганизмов, разрушающих органические вещества.

Человек включает в круговорот углерода органические вещества из подземных кладовых детрита - нефти, угля, сланцев, газа. При сжигании этого топлива повышается содержание диоксида углерода в атмосфере. Пока это повышение незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать леса и фитопланктон океана. Кроме того, этот газ поглощается и самой водой океана, и образующиеся соединения откладываются на его дне. Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, океан - загрязняться, а количество антропогенных выбросов диоксида углерода - возрастать, то может произойти значительное увеличение его концентрации в атмосфере.

Участником круговорота углерода является и метан - органическое вещество, которое выделяется в атмосферу бактериями-редуцентами. До начала цивилизации круговорот метана был равновесным и его поступало в атмосферу столько же, сколько разрушалось. С развитием цивилизации количество поступающего в атмосферу метана стало больше, чем его отток. Основные источники метана - рисовые поля и скот. Метан выделяется также со свалок и из угольных шахт.

В круговороте углерода участвуют и геохимические процессы, при которых происходит обмен атмосферного углерода и углерода, содержащегося в горных породах (в известняках содержатся карбонаты, в сланцах - керогены и т.д.). Диоксид углерода расходуется на выветривание карбонатов и на сложные химические реакции преобразования силикатов в карбонаты и выделяется при отложении карбонатов в океане и разложении карбонатов в глубинных горизонтах земной коры. Однако данных о скорости этих процессов нет.

Круговорот кислорода (рис. 70). Кислород - самый распространенный элемент в биосфере. Он составляет 21% атмосферы, входит в состав воды, живых организмов и многих минералов. Важную роль играет озон.

Кислород выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании, он расходуется при сжигании топлива в хозяйстве человека. Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения, и часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.

Круговорот кислорода очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тыс. лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

До появления цивилизации этот круговорот также был равновесным. Сегодня кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в топках тепловых электростанций, в двигателях самолетов и ракет и т.д. Это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его круговорота. Пока биосфера справляется с вмешательством человека в круговорот кислорода: его потери компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании все большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет уменьшаться.

Круговорот азота (рис. 71). Азот - один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Он необходим для синтеза белка. Атмосфера в основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но это инертный газ и потому недоступен большинству организмов.

Связывание азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Этот процесс осуществляют и микроорганизмы-азотфиксаторы (в наземных экосистемах - бактерии и цианобактерии, в водных - цианобактерии). Кроме того, азот связывается в доступные растениям соединения при производстве азотных удобрений.

Однако пересыщения биосферы связанным азотом не происходит. Его соединения разрушаются до оксидов азота и восстанавливаются до молекулярного азота микроорганизмами-денитрификаторами, и азот возвращается в атмосферу. Азот почвы потребляют растения. В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота осуществляется в результате вымывания его из почвы и выделения в атмосферу в форме чистого азота и его оксидов. Бактерии разлагают белки до минеральных форм азота. Попадающий в водоемы азот также проходит по пищевым цепям «растение - животное - микроорганизмы» и возвращается в атмосферу.

Человек нарушает равновесие круговорота азота. При распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив, активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище - почве. Это ведет к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.

Человек влияет на круговорот азота при производстве и внесении минеральных удобрений, кроме того, значительное количество азота в форме оксидов азота поступает в атмосферу в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом и выпадает в виде кислотных дождей.

Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.

Круговорот фосфора (рис. 72). В отличие от круговоротов углерода и азота, которые являются закрытыми, круговорот фосфора - открытый, так как фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.

Фосфор содержится лишь в горных породах, откуда попадает в экосистемы либо при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений, производимых из некоторых горных пород. Растения поглощают фосфор, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают его в своих тканях. После разложения мертвых тел животных и растений редуцентами не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, однако в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.

Отток фосфора с суши в океан особенно усиливается под влиянием на экосистемы человека - в первую очередь вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашки почв и внесения фосфорных удобрений.

Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен, в будущем в земледелии возможен недостаток фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерновых). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора.

Контрольные вопросы

1. Какова доля пресной воды в мировом запасе, какая ее часть доступна организмам?

2. Как человек влияет на круговорот воды?

3. Какую роль в круговороте углерода играет метан?

4. Почему круговорот кислорода является самым сложным?

5. Что нужно сделать для нормализации круговорота азота?

6. Чем отличается круговорот фосфора, от круговоротов углерода или азота?

Справочный материал

Живое вещество состоит из множества химических элементов, но преобладают всего три - кислород (70%), углерод (18%) и водород (10%) и большая часть кислорода и водорода входит в состав воды, 1, 5% падает на долю азота, натрия, магния, кремния, фосфора, серы, калия, железа, хлора. На все остальные элементы таблицы Менделеева - 0,5%.

Потребность в воде у организмов очень велика. Например, для образования 1 кг биомассы дерева в разных районах расходуется от 200 до 500 л воды. Чтобы вырастить 1 т пшеницы, требуется 1500 т воды, а 1 т риса - 7000 т воды.

Разные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте воды по-разному и с разной скоростью. Так, для полного обновления воды в составе ледников необходимо 8 тыс. лет, подземных вод - 5 тыс. лет, океана - 3 тыс. лет, почвы - 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 суток.

1 м2 леса производит в год от 1 до 3 м3 кислорода. При снижении содержания кислорода в атмосфере до 16 % у человека ухудшается самочувствие (в особенности страдает сердце), до 7% - человек теряет сознание, а если этот показатель опускается до 3 % - наступает смерть.

Запасы углерода в атмосфере, в составе живых организмов суши и освещенного слоя океана примерно равны. По разным данным они составляют по 600-750 Гт (1 Гт = 1015 г). Над каждым квадратным метром суши находится 1 кг углерода, и под каждым квадратным метром океана при глубине 4 км - 100 кг неорганического углерода. Примерно треть этого количества (около 200 Гт) циркулирует, т.е. ежегодно усваивается организмами в процессе фотосинтеза и возвращается обратно в атмосферу, причем, вклад океана и суши также примерно сходный.

Количество диоксида углерода в атмосфере над зоной тайги примерно в 3 раза выше, чем над тропическим лесом, так как в тропиках активнее идет процесс фотосинтеза. Причем, если в тропиках в течение года содержание в атмосфере диоксида углерода более или менее стабильно, то в тайге в зимнее время его несравненно больше, чем летом, когда деревья активно фотосинтезируют.

Главными источниками метана являются болота - 21%, рисовые поля - 20%, скот - 15%, горение биомассы - 10%, природный газ - 8%, угольные шахты - 7%, свалки - 7%.

В мире 1,5 млрд. голов крупного рогатого скота, каждая корова производит 250 л метана в сутки (этого метана хватит, чтобы вскипятить 20 л воды).

В настоящее время вследствие уменьшения доли естественных экосистем биологическая азотфиксация стала меньше промышленной фиксации азота (соответственно 90-130 и 140 Гт), причем к 2020 г. ожидается увеличение промышленной азотфиксации на 60%. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов.

В США с атмосферными осадками выпадает 20-50 кг/га в год азота, а в отдельных районах эмиссия достигает 115 кг/га. Экологически безопасной считается величина эмиссии азота 10-30 кг/га в год. При более высоких нагрузках происходят значительные изменения в экосистемах: почвы подкисляются, происходит выщелачивание питательных элементов в глубокие горизонты, возможно усыхание древостоев и массовое развитие заносных видов-нитрофилов.

Высокое содержание азота в растениях, выросших на загрязненных азотом почвах, повышает их поедаемость, что может привести к выпадению из растительных сообществ даже доминантных видов. Так, в некоторых пустошах Западной Европы после того, как в вереске повысилось содержание азота, массово распространился вересковый жук (его количество достигало 2000 экземпляров на 1 м2). Жук практически полностью выел этот кустарник из сообществ. Аналогичные изменения отмечены и в составе загрязняемых промышленным азотом сообществ в Калифорнии.

Ежегодно в океаны вымывается 14 млн. т фосфора, а с рыбопродуктами и в результате деятельности приморских птиц возвращается всего 0,1 млн. т. Примерно половину количества смываемого в океаны фосфора человек вносит на поля с фосфорными удобрениями.

Живые организмы способны накапливать многие элементы и сложные вещества и повышать их концентрацию в тысячи раз. Ежегодно организмы поглощают из окружающей среды и концентрируют в своем теле 2 млрд. т фосфора, 100 млн. т железа, по 10 млн. т никеля, по 100 тыс. т кобальта и хрома.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мертвая планета Земля покрыта тонкой пленкой жизни - биосферой, сформированной живыми организмами за 4,5 млрд. лет существования их на планете. Толщина биосферы составляет около 20 км, но основная масса живого вещества сконцентрирована в слое 50-100 м. В биосфере различают три части - атмосферу, гидросферу и литосферу.

Жизнь - это мощная геологическая сила, которая преобразовала Землю - создала известняки и наполнила атмосферу кислородом. Живые организмы являются активными участниками основных биосферных круговоротов веществ - углерода, воды, кислорода, азота, фосфора и др. Они поглощают воду и испаряют ее. Благодаря организмам осуществляется круговорот углекислого газа, который тесно связан с круговоротом кислорода. Кислород усваивается всеми организмами при дыхании и превращается в углекислый газ, который используется растениями для фотосинтеза, в качестве побочного продукта при этом выделяется кислород, возвращающийся в атмосферу. Большая часть углерода, содержащегося в органическом веществе, созданном растениями и преобразованном животными, возвращается в атмосферу микроорганизмами-редуцентами, а некоторое количество - при дыхании всех других организмов.

Азотфиксирующие бактерии являются основным поставщиком азота в экосистемы, а бактерии-редуценты возвращают его обратно в атмосферу.

Растения усваивают фосфор, который поступает в почву из горных пород. Этот фосфор используется всеми другими организмами и возвращается в окружающую среду микроорганизмами-редуцентами. Однако часть фосфора при этом оседает на дне водоемов и исключается из круговорота.

До развития цивилизации все круговороты были равновесными, то есть в окружающую среду возвращалось столько веществ, сколько из нее было изъято. Развитие цивилизации привело к нарушению круговоротов.

Индивидуальное задание

Тема реферата: «Жизнь как геологическая сила на планете Земля».

Расскажите в реферате о том, как живые организмы сформировали современный облик биосферы и влияют на нее сегодня.

Для написания реферата используйте следующую литературу:

Лаппо А.В. Следы былых биосфер, или рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого. М.: Знание, 1987.

Аллен Дж., Нельсон М. Космические биосферы. М.: Прогресс, 1991.

Описание основных круговоротов веществ можно найти в двухтомнике Ю. Одума. Наконец, вы можете познакомиться с работами В.И. Вернадского о биосфере, которые есть во всех библиотеках.

Часть 2. ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Прикладная экология разрабатывает принципы, методы, конкретные технологии рационального использования естественных экосистем и способы управления социоприродными (антропогенными) экосистемами, при которых наносится минимальный ущерб окружающей среде (сохраняются природные ресурсы). К прикладной экологии относится и охрана природы в узком плане, так как для сохранения биологического разнообразия - отдельных видов и целых экосистем - нужны специальные технологии.

Вопросы использования и охраны природных ресурсов тесно связаны с проблемами социальной экологии - экономическими и правовыми рычагами, способствующими рациональному использованию природных ресурсов.

Глава 10. РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ

В Российской Федерации на долю естественных экосистем приходится более 60% территории, причем лишь несколько процентов этой площади сохраняется в системе особо охраняемых природных территорий (ООПТ). Остальная часть используется в хозяйственной деятельности. Рассмотрим принципы рационального использования естественных экосистем основных биомов России.

§ 45. ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

Лесные экосистемы очень важны для жизни биосферы: они обогащают атмосферу кислородом и поддерживают уровень содержания в ней диоксида углерода. Леса играют большую роль в круговороте воды: покрытая подстилкой поверхность лесных почв впитывает дождевые осадки и снеговые воды, пополняя запасы подземных вод. Лесные почвы фильтруют воды, стекающие с полей и промышленных площадок, и очищают их от многих вредных примесей. Лесные экосистемы испаряют в атмосферу влагу и благотворно влияют на климат, повышая влажность воздуха.

По способу хозяйственного использования и необходимости охраны различают три группы лесов.

Леса первой группы располагаются вдоль рек и по побережьям озер, а также вдоль крупных шоссейных дорог, в зеленых зонах городов, в заповедниках. Их вырубать нельзя.

Леса второй группы называют защитно-эксплуатационными. В таких лесах проводят рубки, но так, чтобы древостой полностью не уничтожался, и шел процесс его самовосстановления.

Леса третьей группы - эксплуатационные. В таких лесах древостой можно вырубать почти полностью, оставляют лишь отдельные деревья как источники семян для восстановления леса естественным путем или проводят посадку деревьев.

Леса - важный объект хозяйственной деятельности человека (рис. 73). Различают главное и побочное лесопользование. При главном лесопользовании в лесах заготовляется древесина, при побочном - грибы и ягоды, лекарственные растения. К побочному лесопользованию относится и охота на лосей, кабанов, зайцев, куниц, колонков, глухарей, рябчиков и других промысловых животных.

Леса играют рекреационную роль - это место отдыха городского и сельского населения. Обогащенный кислородом и насыщенный целительными выделениями растений (фитонцидами) лес - источник здоровья.

При рациональном использовании лесных экосистем в них поддерживается экологическое равновесие, и естественным путем возобновляются популяции деревьев, промысловых животных, лекарственных трав, грибов. В итоге сохраняется биосферная роль лесов. Однако принципы рационального использования лесов соблюдаются далеко не всегда.

Познакомимся с основными нарушениями принципов рационального использования лесных экосистем и способами их исправления и предотвращения.

Превышение расчетной лесосеки. Расчетная лесосека - это план заготовки древесины в пределах годичного прироста, при котором лесу не будет нанесен существенный урон, и он сможет восстановиться. В России на площади 1,7 млрд. га ежегодный прирост составляет 830 млн. м3, но используется только треть расчетной лесосеки. Древесина заготавливается в основном на территориях, приближенных к транспортным узлам (европейская часть, районы вдоль железных дорог и рек Сибири). В этих районах расчетные лесосеки ценных пород (ель, сосна, пихта, кедр, лиственница) часто превышаются. В итоге вырубки зарастают березой и другими малоценными породами. Для того чтобы предотвратить этот процесс, называемый сменой пород, необходимо при рубке специально оставлять крупные деревья. Из их семян сможет восстановиться лес с преобладанием нужной породы. Там, где уже нет возможности обеспечить восстановление леса естественным путем, проводят посадки ценных пород.

Лесные пожары. Лесные пожары ежегодно уничтожают десятки тысяч гектаров лесов. Хозяйства терпят убытки - гибнут древесина, промысловые звери и птицы, в горных лесах в результате пожаров развивается эрозия склоновых почв. Причиной пожаров могут быть молнии, однако сегодня их роль незначительна, большая часть пожаров начинается из-за неаккуратного обращения человека с огнем. Для профилактики пожаров запрещается в сухое время года в лесу разводить костры. В крупных лесных хозяйствах есть специальные пожарные бригады, в распоряжении которых вертолеты и современные огнетушители. Низовые пожары (когда выгорает только напочвенный покров и подлесок, а деревья сохраняются) могут быть даже полезны для леса, так как уничтожают избыток детрита, скапливающегося на поверхности почвы, и ликвидируют пристанища для размножения лесных вредителей, но они случаются редко.

Уменьшение водоохранной роли лесов. При полном или частичном сведении лесов первой и второй группы высыхают родники и колодцы, падает водность рек и нарушается равномерность стока (высокие весенние паводки и большие наводнения чередуются с сильным обмелением рек летом). В настоящее время проводятся работы по восстановлению лесов вдоль рек. В России увеличивается доля лесов второй группы.

Выпас скота. При выпасе погибают молодые деревца, которые скот объедает и вытаптывает, ухудшаются условия для роста взрослых деревьев, исчезают птицы и массово размножаются вредители. В лесах на склонах гор выпас вызывает смыв почвы (эрозию). Для исправления ситуации выпас в лесах прекращают. Скот обеспечивают кормом на сенокосах и пастбищах, продуктивность которых повышают использованием специальных приемов улучшения лугов: 1 га улучшенного луга в лесной зоне дает столько же корма скоту, сколько 20 га леса.

Влияние на леса пыли и ядовитых газов. Отрицательно влияют на лесные экосистемы выбросы в атмосферу токсичных газов и пыли промышленными предприятиями и транспортом. Эти загрязняющие вещества попадают из атмосферы в леса чаще всего с кислотными дождями. В непосредственной близости от промышленных предприятий, загрязняющих атмосферу, возможны ожоги листьев деревьев ядовитыми газами и пылью. Устойчивость разных деревьев к атмосферным загрязнителям различна. Устойчивы тополи, ивы, малоустойчивы ель, пихта, липа. Для уменьшения количества промышленных выбросов в атмосферу строят очистные сооружения и внедряют новые малоотходные технологии.

Влияние подтопления. Леса могут погибать при строительстве водохранилищ или крупных дорог, нарушающих подземный сток грунтовых вод. В прилегающих к водохранилищу низких местах и вдоль дорог к поверхности приближаются грунтовые воды. Это называется подтоплением. Такие породы, как липа, дуб или сосна, не приспособлены к жизни на переувлажненных почвах и погибают. Для уменьшения вреда от подтопления на таких участках высаживают деревья, которые меньше страдают от избытка влаги (тополь, ольха, ива).

Истощение ресурсов побочного лесопользования. При чрезмерной заготовке даров леса: грибов, ягод, лекарственных растений и ненормированном отстреле дичи ресурсы леса истощаются. Заготовку растительного сырья и охоту в лесах организуют так, чтобы не подрывать способность популяций к возобновлению, т.е. не превысить максимально допустимую долю изъятия урожая. Органы исполнительной власти контролируют использование лесных богатств, выдают специальные разрешения (лицензии) на отстрел животных и на заготовку определенного количества растительного сырья. В результате во многих регионах России в последние годы увеличилась численность таких животных, как лоси, кабаны. Население должно знать способы и сроки заготовки растительного лекарственного сырья, бережно обращаться с кустарниками при сборе плодов черемухи, калины, лещины и др.

Обеднение видового состава лесов при использовании химических препаратов. В современном лесоводстве применяют химические средства борьбы с насекомыми-вредителями. В год использования пестициды подавляют вредителей, но вместе с ними уничтожают множество «врагов наших врагов» - хищных насекомых (муравьев, ос) и птиц. На следующий год более массовые популяции вредителей могут вновь быстро восстановиться, а контролирующие их плотность менее многочисленные виды вообще исчезнут. Экологическое равновесие будет нарушено, и пестициды придется применять каждый год, все более ухудшая экологическую ситуацию в лесу и уменьшая разнообразие обитающих в нем животных. При соблюдении правил лесозаготовок и обеспечении охраны муравейников нет необходимости применять в лесу пестициды. Плотность насекомых-фитофагов регулируется механизмами экологического равновесия.

Захламление лесов. Большой вред лесным экосистемам наносит захламление лесов древесными остатками при заготовке древесины или бытовым мусором. Кучи сучьев, коры, тонких стволиков, высокие пни становятся местами размножения лесных вредителей. Бытовой мусор, оставленный в пригородном лесу отдыхающими, туристами или сваленный из автомашин, ухудшает эстетический вид леса, а при сильном захламлении способствует смене лесных трав растениями мусорных местообитаний - рудералами (в первую очередь крапивой и чистотелом). Для предотвращения захламления нужно строго контролировать соблюдение правил заготовки древесины, все древесные остатки использовать для приготовления древесностружечных плит или отправлять на химическую переработку. Ветки хвойных деревьев - это ценный корм, из них приготовляют витаминные концентраты.

Влияние отдыха и туризма. Лес - место отдыха сельского и особенно городского населения. Если леса будет посещать чрезмерно много отдыхающих, это приведет к ухудшению их состояния, и произойдет рекреационная сукцессия. Экологи определяют норматив - предельно допустимую рекреационную нагрузку на лес, при которой он сохранится. Этот норматив определяет число посещений отдыхающими 1 гектара леса за месяц или день. Если массив леса расположен в городской черте, его называют лесопарком. Экосистемы лесопарков испытывают самые большие рекреационные нагрузки. Для их уменьшения лесопарки благоустраиваются (проводятся пешеходные дорожки, создаются игровые площадки, оборудуются места отдыха - беседки, скамейки и т.д.). Для предотвращения захламления лесопарков бытовым мусором устанавливают контейнеры для его сбора, проводят очистку замусоренных лесов.

Существуют правила поведения туристов в лесу, которым они должны строго следовать. Больший вред лесным экосистемам может наносить неорганизованный туризм.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается биосферное значение лесов?

2. Что такое побочное использование лесов?

3. Какие группы лесов различаются по их хозяйственному использованию?

4. Как в России нарушается расчетная лесосека?

5. Может ли пожар быть полезными для леса?

6. Как можно снизить рекреационное влияние на лес?

Справочный материал

Чтобы компенсировать потери лесов из-за рубок, нужно ежегодно сажать 1,5 млн. га леса. Лидерами посадки леса сегодня стали Южная Корея и Кения. Компания из Коннектикута (США), которая производит электрооборудование, вложила 2 млн. долларов в посадку лесов в Гватемале. На площади 960 км2 посажено 52 млн. деревьев.

Леса России ежегодно поглощают 262 млн. т углерода, однако этот показатель можно удвоить, если улучшить возрастную структуру лесов и перестойные леса заменить на более молодые древостои. Чем продуктивнее лес, тем благотворнее его влияние на атмосферу. Древостой среднего возраста поглощает диоксида углерода больше, чем молодая посадка: 1 га 20-летнего сосняка поглощает 9 т диоксида углерода в год, а 60-летнего - 13 т. У старого перестойного древостоя способность поглощать диоксид углерода и выделять в атмосферу кислород снижается. Таким образом, вовремя срубить лес - это получить не только экономическую выгоду (древесину высокого качества), но и экологический выигрыш. Между тем в ряде районов России (Западная Сибирь, Башкортостан, Татарстан) много перестойных березняков.

Лес - санитар атмосферы: 1 га придорожного елового леса задерживает 30 т пыли в год, соснового бора - 38 т, а дубравы - 54 т. Зеленый фильтр леса шириной 100 м снижает запыленность воздуха до 65% от запыленности на открытом месте; шириной 400 м - до 38%, шириной 1000 м - до 25%, шириной 3 км - до 5%.

Важным источником кислорода и поглотителем диоксида углерода являются тропические леса, однако из-за хищнического использования они исчезают со скоростью 23 га в минуту. Каждый день в тропических лесах безвозвратно исчезают 3 биологических вида. Если положение не изменится, то эти леса исчезнут в начале следующего столетия, что резко усилит проявление парникового эффекта.

Когда Гималаи были покрыты деревьями, территория современного государства Бангладеш страдала от больших наводнений дважды за 100 лет. Сейчас там одно крупное наводнение происходит в среднем раз в четыре года.

Финляндия имеет всего 2% лесных запасов мира и производит 25% мировой бумаги. В этой стране 100 крупных предприятий по производству целлюлозы, бумаги, картона. Углубляя переработку древесины, Финляндия сокращает лесосеку и восстанавливает вырубаемые леса. Наша страна в основном торгует круглым лесом, стоимость которого 33 доллара за 1 м3. Кубометр целлюлозы, которую продает Финляндия, стоит 500 долларов. При этом финские целлюлозно-бумажные комбинаты экологически чистые и практически не загрязняют среду.

Расчетная лесосека России в 1998 г. была использована только на 20%.

В России используют от 50 до 70% биомассы срубленных деревьев, остальное гниет на вырубках или сжигается. В Японии используют до 99%, включая пни и кору, из которой готовят субстрат для выращивания грибов. После того как грибы используют нужные им питательные элементы, порошок коры можно использовать как органическое удобрение. Та часть древесины, которую нельзя использовать для изготовления пиломатериалов, становится сырьем для производства спирта и различных прессованных изделий (древесноволокнистых плит и т.д.).

Леса России богаты орехами, ягодами и грибами. В настоящее время учтено свыше 8485 тыс. т. клюквы, черники и брусники, 2759 тыс. т орехов, 4326 тыс. т грибов. Из 600 видов лекарственных растений, которые заготавливают на территории России, одна треть - лесные виды, в том числе 10 - древесные. Однако использование этих «даров леса» крайне неполное. Используется примерно треть урожая ягод, пятая часть урожая орехов и десятая часть урожая грибов. Ценнейшего продукта леса - кедрового ореха, обладающего редким комплексом полезных для здоровья человека качеств, заготавливается не более, чем четверть от возможного количества. В то же время популяции клюквы вблизи городов и дорог в значительной мере подорваны варварским сбором («вычесыванием»).

В лесу урожайность (на 1 га) грибов - 150-250 кг, ореха лещины - до 500 кг, брусники и черники - 300-350 кг (на вырубках - до 1,5-2 т), малины - 200-600 кг (на вырубках -- до 3 т), кедрового ореха -- от 250 до 600 кг (рекордный сбор - до 1,2-2 т). С 1 га зрелого березового леса можно получить 20-30 т сока.

Урожай лесных ягод в районах их интенсивной заготовки может быть повышен при применении удобрений: урожай малины, ежевики, смородины - в 2-3 раза, черники - на треть.

Одно взрослое дерево липы «дает» 70 кг меда, это столько же, сколько пчелы могут собрать с 1 га посевов гречихи. 1 га липняка - это 1 т меда. Липовыми лесами богаты Дальний Восток и Башкортостан.

В неприспособленном для отдыха лесопарке в течение года могут отдыхать не более 10-25 человек на 1 га, а при обустройстве его дорожками 1 га леса может выдержать 50 отдыхающих.

Разные типы леса различаются по предельно допустимым рекреационным нагрузкам. Так, в средней полосе России сосняк может выдержать 7, ельник - 15, осинник и березняк - до 20-30 человек на 1 га одновременно и ежедневно в течение 5-7 лет.

Семья синиц за лето съедает 35 тыс. гусениц, лазоревка в период кормления птенцов уничтожает до 250 тыс. гусениц. Добыча муравьев одного большого муравейника в сутки составляет 6500 гусениц, 28000 куколок и 2600 бабочек дубовой листовертки. Пять муравейников средней величины гарантируют здоровье целому гектару леса.

(ДОП.) § 46. РАЗНООБРАЗИЕ ЛЕСОВ РОССИИ

Основные производственные массивы лесов России связаны с умеренными широтами. Они представлены следующими типами.

Хвойные леса - еловые, сосновые, пихтовые, кедровые, лиственничные. Эти леса занимают северную часть лесной зоны России, называемую тайгой, и верхнюю часть лесного пояса гор - Кавказа, Карпат, Памира и Тянь-Шаня. Они дают наиболее ценную древесину, и потому именно в тайге ведут основные лесозаготовки, часто истощающие леса.

Широколиственные и смешанные леса. Основные породы этих лесов - дуб, липа, вяз. Они размещаются к югу от тайги. На севере ареала к широколиственным породам примешиваются ель, пихта, сосна.

Мелколиственные леса. Древостой в этих экосистемах состоит из разных видов березы, ольхи, осины. Чаще всего мелколиственные леса вторичны, т.е. растут на месте вырубленных широколиственных или хвойных лесов. Однако в Западной Сибири есть и первичные березовые леса.

Пойменные леса. Эти лесные экосистемы формируются в частях речных долин, заливаемых в весеннее время паводковыми водами. В составе пойменных лесов - различные виды ив, тополей, ольха черная. На высоких заливаемых на короткое время участках пойм в зоне тайги формируются еловые и лиственничные леса, в зоне широколиственных лесов - липняки.

Контрольные вопросы

1. Какие основные породы формируют хвойные леса России?

2. Какие основные породы формируют широколиственные леса России?

3. Какие основные породы формируют мелколиственные леса России?

4. Какие основные породы формируют пойменные леса России?

Справочный материал

Лесные экосистемы занимают почти 40% территории планеты. На их долю приходится 44% территории России, 14,1% - Украины, 33,9% - Белоруссии. Много лесов в странах Балтии. Значительные массивы лесов расположены в горах Кавказа, на Памире и Тянь-Шане. Все эти леса растут в условиях умеренного климата. Кроме того, лесами покрыты значительные площади в тропическом поясе, где деревья остаются зелеными в течение всего года или сбрасывают листья на непродолжительное время в период летней засухи.

В России - 22% площади лесов мира и 25% древесных запасов мира. Однако 40% наших лесов находится в зоне вечной мерзлоты, и потому их продуктивность сравнительно низка, а запасы древесины не превышают 70-80 м3/га (для сравнения: леса из секвойи, дугласовой пихты и хемлока в Северной Америке имеют запас 1000-1200 м3/га). Тем не менее, лесных богатств в России достаточно, и главным бичом лесного хозяйства остается их нерациональное использование.

Самый богатый лесом район России - Сибирь, так как в европейской части лесные богатства в значительной степени подорваны сплошными рубками, и ценные хвойные породы на больших площадях сменились мелколиственными - осиной, ольхой, березой. В Сибири ежегодно вырубают 600 тыс. га леса, столько же гибнет от пожаров. Искусственное восстановление не превышает 200 тыс. га. При таком режиме эксплуатации и ресурсы лесов Сибири за 30 - 40 лет будут подорваны.

Гидроэлектростанции в Сибири строили без расчистки леса на дне будущих рукотворных морей. Так, при строительстве Братской ГЭС было затоплено 40 млн. м3 прекрасной древесины хвойных пород. Если бы эту древесину использовали, то стоимость продуктов ее переработки смогла бы покрыть все расходы на строительство ГЭС. Примерно 20 млн. м3 древесины осталось на дне водохранилища при Усть-Илимской ГЭС, без расчистки дна были заполнены и водохранилища Вилюйской и Саяно-Шушенской ГЭС. Затопление леса не только лишает страну ценной древесины, но и ухудшает качество воды в водохранилищах и препятствует судоходству.

§ 47. СТЕПНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

В прошлом степные экосистемы занимали обширные пространства России, расположенные южнее лесной зоны, где для произрастания деревьев недостаточно влаги. Степи располагались на равнинах и по южным склонам гор. Большую роль в формировании степных экосистем играли стада диких копытных, таких, как сайгаки. Копытные помогали победить в конкуренции видам растений, которые хорошо отрастают после скусывания животными и не боятся вытаптывания. Главные среди них - злаки из рода ковыль и типчак. У этих злаков формируется густой пучок побегов - дерновина, поэтому их называют дерновинными. Между дерновинами ковылей и типчака растет яркое степное разнотравье и богатые белком бобовые. (Рис. 74). Степи очень богаты видами растений, на 1 м2 их можно насчитать более восьмидесяти.

У степных экосистем есть две особенности: во-первых, до 70% фитомассы степных растений «закопано в почву», в которой расположены мощные корневые системы ковылей, типчака и других степных трав; во-вторых, в середине лета в степях временно прекращается рост растений и они переходят в состояние покоя. После осадков, которые выпадают во второй половине июля или в августе, растения вновь трогаются в рост. Летнее высыхание степных травостоев создает большие сложности для скотоводов: пастбища в это время оскудевают, и корм для животных приходится подвозить с пашни.

Со временем на смену диким копытным пришли стада коров, овец, табуны лошадей. До тех пор пока на каждом участке степи скот пасся недолго и не каждый год, степные экосистемы не разрушались, и травостой хорошо восстанавливался. В июньскую пору волнами колыхались на ветру длинные пушистые ости ковылей. (Рис. 75.)

Под степными травостоями находятся самые плодородные черноземные почвы России, и 500-700 лет назад человек начал их распахивать, чтобы выращивать сельскохозяйственные культуры. Последние значительные площади степей были распаханы в Татарстане, Башкортостане и Южной Сибири в 1954 г., когда осваивались целинные земли. (Рис. 76).

Сегодня европейские степи на равнинных черноземах можно видеть только в заповедниках (Центрально-Черноземный, Галичья гора, Стрелецкая степь). Вне заповедников сохранились лишь степи, расположенные на склоновых горных почвах, которые нельзя было использовать под пашню. Таких степей довольно много по склонам Урала и в предгорном поясе Северного Кавказа. Под травостоем горных степей слой мелкозема, перемешанного с камешками, составляет всего 5-10 см. Поэтому в степных травостоях, наряду с ковылями, типчаком, таволгой обыкновенной, клевером горным и другим степным разнотравьем и бобовыми, произрастают особые виды-камнелюбы: оносма простейшая, василек сибирский, бурачок извилистый, горноколосник колючий.

Значительные участки степной растительности сохранились в Южной Сибири (в Хакасии, Туве, Читинской области. Бурятии). Это степи связаны не с черноземами, а с менее гумусированными каштановыми почвами.

Степные экосистемы формируются и на непригодных для освоения под пашню засоленных почвах - солонцах, у которых насыщенные солями горизонты залегают на глубине от 5 до 25-30 см. В солонцеватых степях к типчаку примешиваются такие растения, как полыни, злак вострец, кермек.

Год от года степей оставалось все меньше и меньше, но поголовье скота при этом не уменьшалось. Это привело к разрушению травостоя сохранившихся степей. Началась сукцессия перевыпаса. Состояние степных экосистем ухудшилось: обеднился видовой состав, уменьшилось число видов разнотравья и ковылей. В травостое стало больше типчака и полыней. Снизилась биологическая продуктивность степей, обеднилась их фауна. Исчезли сурки, стало меньше грызунов и питающихся ими степных орлов, луней. Катастрофическим можно назвать состояние степей в горных районах Урала, Хакасии, Тувы и особенно в Калмыкии.

...