Почвенный покров как часть биосферы, экологические функции почвы. Способы регулирования численности популяции. Эколого-биологическая роль редуцентов. Методы адаптивного растениеводства

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Почвенный покров как часть биосферы, экологические функции почвы

Педосфера (лат. «педис» - нога, стопа) - оболочка Земли, образуемая почвенным покровом, верхняя (дневная) часть литосферы на суше.

Почва является граничным слоем между атмосферой и биосферной частью литосферы. В ней наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но и их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы.

Известно, что все органическое вещество на планете начинается с растений, а основой для существования самих растений является почва. По классическому определению, почва - это поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия, так называемых факторов почвообразования: растительности, животных, микроорганизмов, горных пород и климата и является самостоятельным природным образованием. Т.к. почвообразующие факторы неодинаковы в различных частях Земли, то и мир почв также отличается широким разнообразием. Каждая почва отличается особым строением и отражает местные природные условия. Наиболее важными с экологической точки зрения свойствами и признаками почв являются следующие: мощность почвы, гранулометрический состав, структура, сложение, плотность, содержание гумуса, влажность, состав почвенного раствора, кислотность и др.

Почва обеспечивает существование биосферы, является биологическим адсорбентом и нейтрализатором загрязнений. Без почвенного покрова невозможно воспроизводство биомассы, а, следовательно, накопление колоссальных количеств энергии в процессе фотосинтеза растений.

Очень сложные химические, физические, физико-химические и биологические процессы протекают в поверхностном слое горных пород на пути их превращения в почву. Процессы почвообразования - медленнотекущие геологические процессы.

Под действием солнечного света, ветра, атмосферной влаги в связи с изменениями климата и температурными колебаниями материнские горные породы, например, гранит, известняк, базальт и т.д., постепенно трескаются и превращаются в рыхлую, минеральную почвенную массу. На этой массе поселяются микроорганизмы, питающиеся преимущественно углеродом и азотом атмосферы и минеральными соединениями, которые они получают из горных пород. Выделения микроорганизмов разрушают горные породы, и их химический и минералогический состав постепенно изменяется. Затем здесь посе­ляются лишайники и мхи, остатки которых, переработанные микроорганизмами, образуют гумус - основное органическое вещество почвы, содержащее питательные вещества, необходимые высшим растениям. Живые организмы окончательно разрушают горную породу, превращая ее верхний слой в почву. В результате химического выветривания материнской горной породы из полевых шпатов и других алюмосиликатов происходит выщелачивание ионов К, Na, Ca, которые, соединяясь с анионами кислот, образуют растворимые карбонаты, сульфаты, хлориды и т.д., усваиваемые растениями.

2. Способы регулирования численности (плотности) популяции

Популяция - совокупность особей одного вида, в течение длительного времени (большое число поколоений) населяющих определенное пространство и способных свободно скрещиваться (панмиксия).

Любая популяция обладает следующими особенностями:

1) существование ее на протяжении большого числа поколений;

2) наличие определенной степени панмиксии, т.е. свободного скрещивания особей;

3) определенная степень изоляции популяции.

Популяции имеют определенные экологические характеристики, которые отсутствуют у отдельных ее членов, а именно:

1) своя особая ниша, занимаемая популяцией;

2) численность и биомасса популяции;

3) динамические характеристики популяции - рождаемость, скорость роста, смертность, выживаемость.

Численность популяции может сильно варьировать у разных организмов. Как правило, численность популяций крупных животных сравнительно невелика и может составлять несколько сотен особей; численность популяций мелких организмов (беспозвоночных, одноклеточных) может достигнуть миллионов особей. В связи с проблемой сохранения на планете исчезающих и редких видов необходимо знать, что популяции с малым числом особей неустойчивы и могут исчезнуть при определенных изменениях условий обитания.

Численность популяции обычно подвержена большим колебаниям во времени и обусловлена многими воздействиями со стороны как живой, так и неживой природы. Эти колебания осложняют планирование эксплуатации данной популяции, поскольку ежегодное изъятие (отстрел, промысел) одного и того же числа особей может означать, что в один год будет изъято 5% особей, а в другой год, когда численность популяции упадет, например в 10 раз, - целых 50% от существующего состава популяции. С численностью популяции неразрывно связана биомасса популяции, которая является важнейшей ее характеристикой. Именно биомассу полезных видов растений и животных человек потребляет, поэтому как для организмов, так и для практических нужд человека крайне важной является скорость образования биомассы. В сельском и лесном хозяйстве от численности растительноядных видов зависит наносимый ими ущерб. Не зная фактической численности и состояния популяций редких и исчезающих видов, невозможно вести работы по их охране и воспроизводству.

Численность популяций в природе редко остается постоянной. Даже в случае, когда она не меняется, популяция находится в состоянии динамического равновесия - естественная убыль особей равна их возобновлению.

Динамика численности популяций складывается при взаимодействии четырех основных популяционно-динамических процессов:

1) рождаемости,

2) смертности;

3) иммиграции новых особей из других популяций;

4) эмиграции некоторых особей за пределы ареала данной популяции. Эти характеристики называются динамическими.

Торможение размножения.

В частности, конкуренции внутри популяции с ее нежелательными последствиями можно избежать, если при возрастании плотности популяции животные как бы автоматически будут затормаживать свое размножение. Так происходит в группах самых различных животных. Скажем, у круглых червей (класс Nematoda), например у свекловичной нематоды (Heteroderu schachtii), превышение некоторой предельной плотности приводит к ее последующему снижению. В отношении вредителей пищевых продуктов известно, что собственные выделения этих насекомых, засоряющие их пищу, вызывают при чрезмерном росте популяции снижение плодовитости самок и потенции самцов; типичный пример - мучные хрущики (род Tribolium). У мелких грызунов с повышением плотности популяции снижается число детенышей в пометах, но на готовность к спариванию этот факт не влияет Исключительно интересные механизмы, приводящие к упорядочению конкуренции, демонстрируют нам особенности поведения животных внутри популяции, а именно иерархия ее членов и их территориальное поведение. В обоих случаях часть особей популяции почти или совсем исключается из участия в конкурентной борьбе за удовлетворение какой-либо жизненной потребности при ограниченных для этого возможностях. В результате такие животные бывают вынуждены отселиться, мигрировать или погибнуть, тогда как оставшиеся получают полный доступ к наличным ресурсам. Благодаря этому часть популяции приобретает прочные шансы на выживание, другая же часть ее, обычно представленная заведомо слабейшими членами сообщества, приносится в жертву.

Изменение численности популяции происходит в результате изменений рождаемости (плодовитости) и смертности. Но в большинстве случаев ключевым фактором, регулирующим численность популяции, является фактор, влияющий на смертность. Факторы, влияющие на рождаемость и смертность популяции, действуют более эффективно при увеличении плотности популяции. Такие факторы называют зависимыми от плотности популяции. К их числу относятся, например, нехватка пищи, возрастание численности врагов, заболеваемость. При высокой плотности популяции ее члены бывают слабее физически и мельче. Это может понизить их сопротивляемость к болезням и сделать более доступными хищникам. Кроме того, при высокой плотности рождаемость животных часто снижается, даже если нет недостатка в пище. При этом могут происходить различные гормональные сдвиги, которые влияют на половое поведение животных, усиливается их агрессивность. Родительская забота ослабевает, детеныши рано покидают гнезда, и снижается вероятность их выживания. У растений число семян, образующихся на каждой особи, тоже может уменьшаться при возрастании плотности. Другой зависимый от плотности фактор, который может влиять на величину плотности популяции, - это миграция (или расселение). Например, у тлей при высокой плотности популяции не только замедляется размножение, но и у многих особей развиваются крылья, что позволяет им покидать растения, на которых они кормились. Существуют и факторы, не зависимые от плотности популяции. Примером может служить воздействие неблагоприятной погоды (суровая зима, засуха) и природные катаклизмы (пожар, землетрясение, наводнение, ураган и др.). Однако многие факторы, как зависимые, так и независимые от плотности, часто вступают в сложные взаимодействия.

В целом, численность популяции и скорость ее роста (скорость ее изменения, динамика численности) являются лабильными параметрами, высокочувствительными к воздействию абиотических, биотических и антропогенных факторов. Поэтому человек должен очень хорошо представлять себе все особенности той популяции, которая как-то эксплуатируется, чтобы обеспечить стабильное длительное ее существование.

Механизмы торможения роста численности популяций:

а) повышается частота контактов между особями, что вызывает у них стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность;

б) усиливается эмиграция в новые местообитания, краевые зоны, где условия менее благоприятны, и смертность увеличивается;

в) происходят изменения генетического состава популяции, например быстро размножающиеся особи заменяются медленно размножающимися.

Деятельность человека часто сопровождается сокращением численности популяций многих видов. Причины этого в чрезмерном истреблении особей, ухудшении условий жизни вследствие загрязнения окружающей среды, беспокойства животных, особенно в период размножения, в сокращении ареала и т.д. В настоящее время из-за антропогенного воздействия на биосферу остро стоит вопрос сохранения биологического разнообразия.

В целях сохранения видов человек использует различные способы регулирования численности популяции:

1) правильное ведение охотничьего хозяйства и промыслов (установление сроков и угодий охоты и отлова рыбы);

2) запрещение охоты на некоторые виды животных;

3) регулирование вырубки леса и др. В то же время деятельность человека создает условия для появления новых форм организмов или развития старых видов, причем часто вредных для человека болезнетворных организмов, вредителей сельскохозяйственных культур и т.д. Динамические характеристики популяции включают рождаемость, смертность, скорость популяционного роста.

Рождаемость (плодовитость) - число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения. Живые организмы обладают огромной способностью к размножению, которая характеризуется так называемым биотическим потенциалом, представляющим собой скорость, с которой при беспрерывном размножении

Смертность популяции - число погибших в популяции особей в определенный отрезок времени. Смертность изменяется в зависимости от условий среды обитания, возраста и состояния популяции и выражается в процентах к начальной или чаще к средней ее величине.

Скорость популяционного роста выражается в приросте популяции и темпе роста популяции, где прирост популяции - разница между рождаемостью и смертностью. Прирост может быть положительным, нулевым и отрицательным. Темп прироста популяции - средний ее прирост за единицу времени.

3. Эколого-биологическая роль редуцентов

Продуценты - это живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. (Отметим, что получение энергии извне - общее условие жизнедеятельности всех организмов; по энергии все биологические системы - открытые) их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. В природных сообществах продуценты выполняют функцию производителей органического вещества, накапливаемого в тканях этих организмов. Органическое вещество служит и источником энергии для процессов жизнедеятельности; внешняя энергия используется лишь для первичного синтеза.

Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380-710 нм. Эго главным образом зеленые растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (сине-зеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии. Основные исходные вещества, используемые для фотосинтеза, -- диоксид углерода и вода (основа для синтеза углеводов), а также азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания.

Создавая органические вещества на основе фотосинтеза, фотоавтотрофы, таким образом, связывают использованную солнечную энергию, как бы запасая ее. Последующее разрушение химических связей ведет к высвобождению такой «запасенной» энергии которая затем передается в виде пищи по трофическим цепям и служит основой потоков энергии, сопровождающих биогенный круговорот веществ.

Хемоавтотрофы в процессах синтеза органического вещества используют энергию химических связей. К этой группе относятся только прокариоты: бактерии, архебактерии и отчасти сине-зеленные. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления минеральных веществ. Экзотермические окислительные процессы используются нитрифицирующими, железобактериями, серобактериями. Как субстрат для окисления используется также метан, СО и некоторые другие вещества.

При всем многообразия конкретных форм продуцентов-автотрофов их общая биосферная функция едина и заключается в вовлечении элементов неживой природы в состав тканей организмов и таким образом в общий биологический круговорот. Суммарная масса автотрофов-продуцентов составляет более 95 % массы всех живых организмов в биосфере.

Редуценты возвращают минеральные соли в почву и воду, делая их доступными для продуцентов-автотрофов, и таким образом замыкают биотический круговорот. Поэтому экосистемы не могут обходиться без редуцентов (в отличие от консументов, которые, вероятно, отсутствовали в экосистемах в течение первых 2 млрд лет эволюции, когда экосистемы состояли из одних прокариот).

4. Методы адаптивного растениеводства

Разработка фундаментальных, фундаментально-прикладных и прикладных проблем, а также современных и перспективных технологий земледелия и растениеводства потребует учета агроэкологических основ. Адаптивное земледелие и адаптивное растениеводство теоретически определяются очень широко. их адаптивность можно относить к отдельным объектам или различных их совокупностей в звеньях или цепях: растение-почва-растительный покров-агроэкосистема-агроурочище-участок ландшафта биосфера.

В многоцелевом экологическом обосновании современного и будущего растениеводства и земледелия развивается представление об их адаптивность.

Понимание адаптациогенезу в эколого-генетическом и эволюционном аспектах в настоящее время дополнен кибернетическими концепциями адаптивности не только в отношении организмов, но и любых биосистем.

Адаптация объясняется как:

- Признак, свойство, качество, состояние, явление или процесс отражающие закономерности сохранения и развития любых 98 систем на фоне взаимодействия внутренних и внешних факторов их существования;

- Целостная система реакций организмов, популяций, видов, экологических систем, которая определяет динамическое равновесие в тех или иных условиях среды, то есть гомеостаз, или сохранение общего направления процессов и эволюции при изменении среды - гомеорез ;

- Процесс целенаправленного же изменения системы, позволяющей достичь ей лучшего или, по крайней мере, приемлемого функционирования в таких условиях среды, меняются.

Экстраполяция идей адаптациогенезу в теорию и практику культивирования растений, позволили выделить адаптивное земледелие и растениеводство как важные направления антропного воздействия почвы, агрофитоценозов, сорняки, культурные растения и другие организмы агробиоценозов.

Адаптивная стратегия растениеводства обеспечивает не только максимальную производительность культурных растений, но и устойчивый рост производства продукции при одновременном снижении энергозатрат и нарушений сельскохозяйственного ландшафта. Адаптивность растениеводства заключается в соответствии мероприятий выращивания специфическим пространственно-временным потребностям вида, сорта или гибрида. педосфера органический продуцент почвенный

Адаптивное растениеводство - это управление ростом и развитием культурных растений на основе информации о состоянии растений в каждый данный момент.

В адаптивном земледелии информация о состоянии фунту или всего агроекотипу ведет к применению определенных мер воздействия на фунт или, прямо и косвенно, на весь экотип, затем новая информация о состоянии фунту - ведет к новым мерам воздействия и т.д.

В адаптивном растениеводстве каждая информация о состоянии растений, является основой той или иной технологической операции в примерно такой же последовательности.

В адаптивном растениеводстве каждая информация о состоянии растений, является основой той или иной технологической операции в примерно такой же последовательности. Даже в глубоко идеализированных и тонко контролируемых системах и технологиях адаптивного земледелия и растениеводства основанных на современных и новейших методах непрерывного поступления информации о состоянии фунту и растений с использованием ЭВМ) и АСУ.

Задачей адаптивного растениеводства является поэтапное достижение оптимальных условий реализаций генетического потенциала культурного растения соответственно целям человека. Поэтому составление программы получения урожая базируется не на границах устойчивости культурного растения по каждому отдельному фактору среды, а на определении и обеспечении условий для потенциальной продуктивности растений сувороконтролируемых конкретных условиях.

Адаптивное земледелие является таким направлением современного земледелия, которое минимизирует механические воздействия на почву, то есть нацелено на формирование такой адаптивной структуры почвы, близкой к естественной и видоспицефичной по плодородию для культурного растения.

Недостатки и противоречия современного земледелия определяются многими объективными и субъективными причинами, ведущими к снижению его адаптивности. В первую очередь это касается субъективных и экономических факторов нарушения севооборотов, несоответствия воздействий на грунт экологическим потребностям существующих и последующих культурных растений в севообороте, применение мер, которые неблагоприятно влияют на определенные агробиоценозы.

В адаптивном растениеводстве необходим подбор видов сортов и гибридов культурных растений в соответствии с качественными особенностями и состоянием конкретных экотипов (участков, полей, севооборотов).

В основу адаптивной технологии положен полный или частичный отказ от синтетических удобрений, пестицидов, регуляторов роста и кормовых добавок. Комплекс экологических и агротехнических мероприятий базируется на строгом соблюдении научно обоснованной структуры сельскохозяйственных угодий, севооборотов, насыщенных бобовыми культурами, сохранении растительных остатков, широком применении навоза, компостов и сидератов, проведении механической обработки почвы.

Естественная базой и проблемно-ориентировочным направлением адаптации агроэкосистем в рыночных условиях является применение экономических механизмов, как предпосылки практической реализации концепции адаптивного земледелия.

Итак, адаптивное земледелие и растениеводство является таким направлениям прикладной экологии почв и культурных растений, которые нацелены на реализацию их экологических и генетических возможностей на благо человека.

Размещено на Allbest.ru