Дайте определение природным и антропогенным экосистемам. Антропогенные и природные экосистемы
Антропогенные экосистемы, как правило, оказываются весьма далёкими от естественного равновесия. При этом возможны несколько типичных ситуаций.
Прежде всего, это эксплуатируемые человеком природные экосистемы, находящиеся под большой антропогенной нагрузкой. Если антропогенная нагрузка снимается, то, предоставленные самим себе, они возвращаются в равновесное состояние. В таком положении находятся леса, систематически подвергающиеся массовой рубке, многие пастбищные угодья. После уничтожения значительной части природной растительности человек покидает эти территории с тем, чтобы вернуться, когда в результате сукцессии растительность восстановится.
Однако при чрезмерной нагрузке экосистема теряет устойчивость, и в таких случаях бездумная эксплуатация природных ресурсов зачастую ведёт к экологическим катастрофам. Страшный пример такого рода - судьба Аральского моря. Это огромное озеро питалось всегда водами двух больших рек, - Амударьи и Сырдарьи, - и вместе с ними образовывало устойчивую систему. Во второй половине XX века воды этих рек стали разбирать на орошение хлопковых плантаций, Аральское море стало быстро высыхать, и к настоящему времени его экосистема практически погибла. Это в свою очередь привело к социальной и гуманитарной катастрофе в окрестностях Арала. Другой пример подобного рода - строительство гидроэлектростанций без учёта последствий для водных экосистем. В результате нерестилища ценных пород рыб оказываются уничтоженными, а окружающие земли - подтопленными. В этих и других подобных случаях на месте зрелых природных равновесных экосистем обычно возникают бедные малопродуктивные незрелые сообщества, далекие от естественного равновесия. Наконец, заброшенные карьеры и места открытых разработок полезных ископаемых оказываются зачастую пустынными территориями, на которых происходит первичная сукцессия.
Другой тип антропогенных биогеоценозов - искусственно созданные и удерживаемые в неравновесном положении системы. Это - пахотные земли и другие сельскохозяйственные угодья, которые иногда называют агроценозами. Как правило, они засеваются одной культурой. Для получения максимального урожая человек стремится сохранить только два трофических уровня - собственно культурное растение-продуцент и детритофагов и редуцентов в почве, необходимых для поддержания плодородия. Видовое разнообразие становится минимальным, а экологическая ниша культивируемых растений - максимальной. Понятно, что эта ситуация крайне неустойчива. Культивируемые растения не способны захватить полностью экологическую ёмкость системы, и фитофаги стараются заполнить пустующие ниши, а дикорастущие растения - конкурировать с выращиваемыми культурами. Человек называет первых «сельскохозяйственными вредителями», а вторых - «сорняками» и вступает с ними в тяжёлую борьбу, длящуюся с переменным успехом уже несколько тысячелетий.
Третий тип антропогенных экосистем - большие города, мегаполисы и целые урбанизированные территории. Экологически эти системы абсолютно неустойчивы, и равновесие здесь может существовать только за счёт огромных затрат труда, энергии и материалов. Невозможно предсказать, как пойдёт сукцессия подобных систем, если прекратится их искусственная поддержка. По счастью, полномасштабные опыты такого рода пока не проводились, а ограниченные «эксперименты», проведённые во время мировых войн, были ужасны, но не репрезентативны. На практике представители дикой природы очень редко способны существовать в урбанизированных районах, так как обычно сразу по многим факторам они оказываются вне своего диапазона толерантности. Загрязнение воздуха, отсутствие доступа к чистой воде, дефицит пищи и шум - это только наиболее очевидные из этих факторов. Так происходит и тогда, когда человек был бы только рад сосуществованию с данным видом. Достаточно посмотреть на угнетённые деревья в городских скверах и на оживлённых улицах. Вместе с тем, города заселяются нежелательными для человека соседями, очень комфортно там себя чувствующими: крысами, мышами, тараканами и даже «птицами мира» - голубями, которые становятся настоящим бедствием. Ситуацию обычно пытаются исправить с помощью зачастую весьма дорогостоящих, но экологически совершенно безграмотных мер. Желая избавиться от грызунов, рассыпают отраву, вместо того, чтобы тщательно убирать мусор, особенно пищевой. Возле вновь посаженых деревьев оставляются слишком маленькие площадки открытой, не покрытой асфальтом почвы, и деревья гибнут, не получая влаги. Тратятся большие средства на посев газонов и цветов, но экономятся деньги на их полив. Список можно расширять до бесконечности. Проблема состоит в том, что человек, будучи биологическим видом, в больших городских агломерациях тоже, по-видимому, оказывается вне своего диапазона толерантности. Свидетельствует об этом тот факт, что большие города быстро бы вымерли, если бы их население не подпитывалось за счёт неурбанизированных регионов.
В ходе исторического развития человеческого общества, в конкурентной борьбе за выживание человек начал создавать в природной среде антропогенные экосистемы. На современном этапе человечество для удовлетворения своих все возрастающих потребностей изменяет и разрушает природные экосистемы. При этом большая часть человечества проживает в искусственных антропогенных экосистемах.
Изначальной движущей силой любой экосистемы является энергия. Энергетические ресурсы экосистемы могут быть неисчерпаемыми – солнце, ветер, приливы и исчерпаемыми – топливно-энергетическими (уголь, нефть, газ и т.п.). Используя топливо, человек может добавлять энергию в экосистему или даже полностью снабжать ее энергией. На основе энергетических особенностей выделяют четыре типа экосистем:
1) природные, движимые солнечной энергией, несубсидируемые;
2) природные, движимые солнечной энергией, субсидируемые другими естественными источниками;
3) движимые солнечной энергией и субсидируемые человеком;
4) индустриально-городские, движимые энергией топлива.
Два первых типа экосистем относятся к природным, третий и четвертый являются антропогенными.
К первому типу экосистем относятся, например, открытые океаны, крупные участки горных лесов, большие глубокие озера. Эти экосистемы весьма различны, но все они получают мало энергии и имеют низкую продуктивность, нередко в них наблюдается нехватка элементов питания и воды. В таких экосистемах поддерживается низкая плотность организмов, но они чрезвычайно важны, т.к. занимают огромные площади (один лишь океан покрывает 70% площади Земного шара. Они являются основой, стабилизирующей и поддерживающей жизнеобеспечивающие условия на планете.
Ко второму типу относятся экосистемы, использующие дополнительные природные источники энергии. Прибрежная часть эстуария – хороший пример природной экосистемы с дополнительной энергией приливов, прибоя и течения. Приливы и течения способствуют более быстрому круговороту минеральных элементов и перемещению пищи и отходов, поэтому эстуарии более плодородны, чем прилегающие участки суши, получающие то же количество солнечной энергии. Вспомогательная энергия, увеличивающая продуктивность, может поступать в самых разнообразных формах, например, в тропическом дождевом лесу – в форме ветра и дождя, в небольшом озере – в форме потока воды из ручья.
Природные экосистемы существуют без всяких затрат со стороны человека, более того, в них создается заметная доля пищевых продуктов и других материалов, используемых человеком. Но главное, именно в них очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот пресная вода, формируется климат и др.
Совсем иначе работают антропогенные экосистемы. К третьему типу экосистем относятся агроэкосистемы , производящие продукты питания и другие материалы. Они существуют, используя не только энергию Солнца, но и дотации ее в форме горючего, поставляемого человеком. Эти экосистемы похожи на природные, поскольку рост и развитие культурных растений – процесс природный, осуществляемый за счет солнечной энергии. Но подготовка почвы, сев, уборка урожая и др. основаны на энергетических субсидиях человека. От природных экосистем агроэкосистемы в первую очередь отличаются упрощением , снижением видового разнообразия.
Принципиально по другому обстоит дело с экосистемами четвертого типа, индустриально-городскими системами . Здесь энергия топлива полностью заменяет солнечную энергию, и по сравнению с потоком энергии в природных экосистемах расход ее в городских экосистемах на два-три порядка выше. Город напоминает такие экологические системы, как пещерные, глубоководные и иные биогеоценозы, зависящие в основном от поступления в них энергии и веществ извне. Они полностью или частично лишены продуцентов и поэтому называются гетеротрофными .
Сходство и различие этих систем
Человек в конкурентной борьбе за выживание в природной среде начал строить свои искусственные антропогенные экосистемы. Примерно 10 000 лет назад он перестал быть «рядовым» консументом, собирающим дары природы, и начал эти «дары» получать сам, посредством своей трудовой деятельности, создав сельское хозяйство. Освоив сельскохозяйственную модель, человек исторически подошел к промышленной революции, которая началась всего 200 лет назад, и до современного комплексного взаимодействия с окружающей средой по искусственной модели (рис. 1). На современном этапе он для удовлетворения своих все возрастающих потребностей вынужден изменять природные экосистемы и даже разрушать их, возможно, и не желая этого.
Энергия - изначальная движущая сила всех экосистем. Энергетические ресурсы этих систем могут быть неисчерпаемы - солнце, ветер, приливы и исчерпаемы - топливно - энергетическими (уголь, нефть, газ и т. п. Используя топливо, человек может добавлять энергию в систему или даже полностью ее субсидировать энергией. Опираясь на эти энергетические особенности существующих систем, Ю. Одум предложил их классификацию, приняв энергию за основу, и выделил «четыре фундаментальных типа экосистем:
1. Природные: движимые Солнцем, несубсидируемые. (Рис. 1). Динамика экологической системы «человек - окружающая среда».
2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками.
3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком.
4. Индустриально - городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным)».
Эта классификация принципиально отличается от биомной, основанной на структуре экосистем, так как она основана на свойствах среды. Тем не менее, она хорошо дополняет ее.
Первые два типа - это природные экосистемы, а третий и четвертый следует отнести к антропогенным. К первому типу экосистем относятся океаны, высокогорные леса, являющиеся основой жизнеобеспечения на планете Земля. Ко второму типу экосистем относят эстуарии в приливных морях, речные экосистемы, дождевые леса, то есть те, которые субсидируются энергией приливных волн, течений и ветра. Хотя экосистемы первого типа неспособны поддерживать высокую плотность их фауны и флоры, но они занимают громадные площади - одни океаны - это 70% территории земного шара. Ими движет энергия только самого Солнца, и они являются основой, стабилизирующей и поддерживающей жизнеобеспечивающие условия на планете.
Экосистемы второго типа обладают высокой естественной плодородностью, поскольку организмы, проживающие здесь, например, в эстуариях, приспособились использовать «дополнительную» энергию приливов и течений, а в дождевых лесах - энергию ветра и дождя и т. п. Эти системы «производят» столько первичной биомассы, что ее хватает не только на собственное содержание, но часть этой продукции может выноситься в другие системы или накапливаться.
Таким образом, природные экосистемы «работают» на поддержание своей жизнеспособности и собственного развития без всяких забот и затрат со стороны человека, более того, в них создается и заметная доля пищевых продуктов и других материалов, необходимых уже для жизни самого человека. Но главное, именно здесь очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот пресная вода, формируется климат и др.
Совсем иначе работают антропогенные экосистемы. К ним уже с полным правом можно отнести третий тип - это агроэкосистемы, аквакультуры, производящие продукты питания и волокнистые материалы, но уже не только за счет энергии Солнца, а и дотации ее в форме горючего, поставляемого человеком.
Эти системы походят на природные, поскольку саморазвитие культурных растений в период вегетации - это процесс природный и вызван к жизни природной солнечной энергией. Но подготовка почвы, сев, уборка урожая и др. - это уже энергетические затраты человека. Более того, человек практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в ее упрощении, то есть снижении видового разнообразия, вплоть до сильно упрощенной монокультурной системы (табл. 1).
Современное сельское хозяйство позволяет постоянно, из года в год удерживать экосистемы на ранних стадиях сукцессии, добиваясь максимальной первичной продуктивности одного или нескольких растений (например, кукурузы, пшеницы, гороха и т. п). Крестьянам удается добиваться высоких урожаев, но дорогой ценой, а цена эта обусловлена затратами на борьбу с сорняками, на минеральные удобрения, на обработку почв и т. п.
Устойчивое появление новых видов, например, травянистых растений, есть результат естественного сукцессионного процесса. То, что мы называем сорняками, - не что иное, как пионерные виды растений, вредители - насекомые и другие животные, а возбудители болезней -- микроорганизмы. Сорные растения, вредители и болезни могут уничтожить весь урожай, если активно не бороться с ними.
Животноводство - это также путь к упрощению экосистемы; охраняя полезных ему сельскохозяйственных животных, (коров, свиней, овец и др.), человек уничтожает диких животных: травоядных, как конкурентов в пищевых ресурсах, хищников - как уничтожающих домашний скот. Вылов ценных видов рыб упрощает экосистемы водоемов. Загрязнение воздушной и водной сред также ведет к гибели деревьев и рыб и «обирает» природные экосистемы.
В целом же, нетрудно догадаться, что, по мере роста народонаселения, люди будут вынуждены преобразовывать все новые зрелые (климаксные) экосистемы в простые молодые продуктивные (например, путем уничтожения тропических лесов, осушения болот и т. п.). На поддержание этих систем в «молодом» возрасте увеличится использование топливно - энергетических ресурсов. Кроме того, произойдет утрата видового (генетического) разнообразия и природных ландшафтов. Молодая, продуктивная экосистема очень уязвима из - за монотипного видового состава, так как в результате какой - то экологической катастрофы, например засухи, ее уже не восстановить вследствие разрушения генотипа. Но для жизни человечества они необходимы, поэтому наша задача - сохранить баланс между упрощенными антропогенными и соседствующими с ними более сложными, с богатейшим генофондом, природными экосистемами, от которых они зависят.
Энергетические затраты в сельском хозяйстве велики - природные плюс субсидируемые человеком и, тем не менее, самое продуктивное сельское хозяйство находится примерно на уровне продуктивных природных экосистем. Продуктивность и тех и других основана на фотосинтезе, а верхний предел притока энергии для любой постоянной, длительно функционирующей системы, составляет около 50000 ккал/м2 г. Однако существенное различие между системами в распределении энергии: в антропогенной она поглощается лишь несколькими или вообще одним-двумя видами, а в природной - многими видами и веществами.
Совсем по - другому обстоит дело в экосистемах четвертого типа, к которым относятся индустриально - городские системы здесь энергия топлива полностью заменяет солнечную энергию. По сравнению с потоком энергии в природных экосистемах - здесь ее расход на два-три порядка выше. Годовая потребность человека в пище -- около 1 млн ккал, но если подсчитать затраты энергии на душу населения, существующие реально, то они окажутся в десятки раз больше (так, в США они в 86 раз больше). В разных странах эти затраты отличаются, но особенно большая разница между богатыми странами и развивающимися - она может быть в странах «третьего мира» в несколько десятков (до сотни) раз меньше. Эти страны как бы находятся в стадии экосистемы первого - второго типа, в то время как развитые страны уже прошли через все четыре типа экосистем.
В связи со сказанным выше, слесельхозсистем - рациональное использование тех дует отметить, что экосистемы третьего и четвертого типа не могут существовать без природных систем, в то время как природные экосистемы могут существовать без антропогенных.
Общие представления об антропогенных экосистемах
1.1 Типы экосистем
Опираясь на энергетические особенности существующих систем, можно их классифицировать, приняв энергию за основу, и выделил четыре фундаментальных типа экосистем:
1. природные: движимые Солнцем, несубсидируемые;
2. природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками;
3. движимые Солнцем и субсидируемые человеком;
4. индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим и ядерным).
Эта классификация принципиально отличается от биомной, основанной на структуре экосистем, так как она основана на свойствах среды. Тем не менее, она хорошо дополняет ее. Первые два типа - это природные экосистемы, а третий и четвертый следует отнести к антропогенным.
К первому типу экосистем относятся океаны, высокогорные леса, являющиеся основой жизнеобеспечения на планете Земля.
Ко второму типу экосистем относятся эстуарии в приливных морях, речные экосистемы, дождевые леса, т.е. те, которые субсидируются энергией приливных волн, течений и ветра.
Экосистемы первого типа занимают громадные площади - одни океаны - это 70% территории земного шара. Ими движет энергия только самого Солнца, и они являются основой, стабилизирующей и поддерживающей жизнеобеспечивающие условия на планете.
Экосистемы второго типа обладают высокой естественной плодородностью. Эти системы «производят» столько первичной биомассы, что ее хватает не только на собственное содержание, но часть этой продукции может выноситься в другие системы или накапливаться.
Таким образом, природные экосистемы «работают» на поддержание своей жизнедеятельности и собственного развития без всяких забот и затрат со стороны человека, более того, в них создается и заметная доля пищевых продуктов и других материалов, необходимых для жизни самого человека. Но главное именно здесь очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот пресная вода, формируется климат и др.
Совсем иначе работают антропогенные экосистемы. К ним можно отнести третий тип - это агроэкосистемы, аквакультуры, производящие продукты питания и волокнистые материалы, но уже не только за счет энергии Солнца, а и дотации ее в форме горючего, поставляемого человеком.
Эти системы походят на природные, поскольку саморазвитие культурных растений в период вегетации - это процесс природный и вызван к жизни природной солнечной энергией. Но подготовка почв, сев, уборка урожая и др. - это уже энергетические затраты человека. Более того, человек практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в ее упрощении, т.е. снижении видового разнообразия вплоть до сильно упрощенной монокультурной системы (таблица 1).
Таблица 1
Сравнение природной и упрощенной антропогенной экосистем (по Миллеру, 1993)
|
Природная экосистема (болото, луг, лес) |
Антропогенная экосистема (поле, завод, дом) |
|
|
Получает, преобразует, накапливает солнечную энергию. |
Потребляет энергию ископаемого и ядерного топлива. |
|
|
Продуцирует кислород и потребляет диоксид углерода. |
Потребляет кислород и продуцирует диоксид углерода при сгорании ископаемого топлива. |
|
|
Формирует плодородную почву. |
Истощает или представляет угрозу для плодородных почв. |
|
|
Накапливает, очищает и постепенно расходует воду. |
Расходует много воды, загрязняет ее. |
|
|
Создает местообитания различных видов дикой природы. |
Разрушает местообитания многих видов дикой природы. |
|
|
Бесплатно фильтрует и обеззараживает загрязнители и отходы. |
Производит загрязнители и отходы, которые должны обеззараживаться за счет населения. |
|
|
Обладает способностью самосохранения и самовосстановления. |
Требует больших затрат для постоянного поддержания и восстановления. |
Современное сельское хозяйство позволяет постоянно из года в год удерживать экосистемы на ранних стадиях сукцессий, добиваясь максимальной первичной продуктивности одной или нескольких растений. Крестьянам удается добиваться высоких урожаев, но дорогой ценой, а цена эта обуславливается затратами на борьбу с сорняками, на минеральные удобрения, на образование почв и т.д.
Устойчивое появление новых видов, например, травянистых растений, есть результат естественного сукцессионного процесса.
Животноводство - это также путь к упрощению экосистемы; охраняя полезных ему сельскохозяйственных животных, человек уничтожает диких животных: травоядных, как конкурентов в пищевых ресурсах, хищников - как уничтожающих домашний скот.
Вылов ценных видов рыб упрощает экосистемы водоемов. Загрязнение воздушной и водной сред также ведет к гибели деревьев и рыб и «обирает» природные экосистемы.
По мере роста народонаселения, люди будут вынуждены преобразовывать все новые зрелые экосистемы в простые молодые продуктивные. На поддержание этих систем в «молодом» возрасте увеличивается использование топливо-энергетичеких ресурсов. Кроме того, произойдет утрата видового (генетического) разнообразия и природных ландшафтов (таблица 1).
Молодая, продуктивная экосистема очень уязвима из-за монотипного видового состава, так как в результате какой-то экологической катастрофы (засухи), ее уже не восстановить вследствие разрушения генотипа. Но для жизни человечества они необходимы, поэтому наша задача - сохранить баланс между упрощенными антропогенными и соседствующими с ним более сложными, с богатейшим генофондом, природными экосистемами, от которых они зависят.
Энергетические затраты в сельском хозяйстве велики - природные плюс субсидируемые человеком и, тем не менее, самое продуктивное сельское хозяйство находится примерно на уровне продуктивных природных экосистем.
Продуктивность и тех и других основана на фотосинтезе действительное различие между системами лишь в распределении энергии: в антропогенной она поглощается лишь несколькими (одним-двумя) видами, а в природной - многими видами и веществами.
В экосистемах четвертого типа, к которым относятся индустриально-городские системы - энергия топлива полностью заменяет солнечную энергию. По сравнению с потоком энергии в природных экосистемах - здесь ее расход на два-три порядка выше.
1.2 Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы)
Главная цель создаваемых сельхозсистем - рациональное использование тех биологических ресурсов, которые непосредственно вовлекаются в сферу деятельности человека - источники пищевых продуктов, технологического сырья, лекарственных препаратов.
Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокого урожая - чистой продукции автотрофов.
Обобщая все уже сказанное об агроэкосистемах подчеркнем следующие их основные отличия от природных (таблица 2).
1. В агроэкосистемах резко снижено разнообразие видов:
· снижение видов культивируемых растений снижает и видимое разнообразие животного населения биоценоза;
· видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным;
· культурные пастбища (с посевом трав) по видовому разнообразию похожи на сельскохозяйственные поля.
2. Виды растений и животных, культивируемых человеком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и неконкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддержки человека.
3. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной.
4. Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания биоценоза, а частичное ее использование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные трофические цепи. Всячески пресекаются человеком.
5. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и других агроценозов - это упрощенные системы, поддерживаемые человеком на ранних стадиях сукцессии, и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как и природные пионерные сообщества, а потому не могут существовать без поддержки человека.
Таблица 2
Сравнительная характеристика природных экосистем и агроэкосистем.
|
Природные экосистемы |
Агроэкосистемы |
|
|
Первичные естественные элементарные единицы биосферы, сформировавшиеся в ходе эволюции. |
Вторичные трансформированные человеком искусственные элементарные единицы биосферы. |
|
|
Сложные системы со значительным количеством видов животных и растений, в которых господствуют популяции нескольких видов. Им свойственно устойчивое динамическое равновесие, достигаемое саморегуляцией. |
Упрощенные системы с господством популяций одного вида растения и животного. Они устойчивы и характеризуются непостоянством структуры своей биомассы. |
|
|
Продуктивность определяется приспособленными особенностями организмов, участвующих в круговороте веществ. |
Продуктивность определяется уровнем хозяйственной деятельности и зависит от экономических и технических возможностей. |
|
|
Первичная продукция используется животными и участвует в круговороте веществ. «Потребление» происходит почти одновременно с «производством». |
Урожай собирают для удовлетворения потребностей человека и на корм скоту. Живое вещество некоторое время накапливается, не расходуясь. Наиболее высокая продуктивность развивается лишь на короткое время. |
Упрощение природного окружения человека, с экологических позиций, очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умножать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные участки, которые могли бы быть источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.
Анализ проблемы использования лесных ресурсов
Лесной пожар - это стихийное, неуправляемое распространение огня по лесным площадям. Причины возникновения пожаров в лесу принято делить на естественные и антропогенные...
Воздействие человека на природу
Система (греч. systema - целое, составленное из частей) - множество элементов, находящихся в связях и отношениях друг с другом, образующих определённую целостность, единство. Главное, что определяет систему...
Зависимость жизнедеятельности живых существ от их биоритмов
Всех людей по динамике работоспособности можно условно разделить на: Совы (представители этого типа людей наиболее эффективно работают в вечернее, и даже ночное время). Рекомендуется самую напряженную работу выполнять в 5-6 часов вечера...
Исследование методов и аппаратов для очистки выбросов ТЭС в атмосферу
В зависимости от мощности ТЭС, зольности топлива, физико-химических свойств золы, санитарно-гигиенических условий в районе расположения электростанций выбирается тип золоуловителей...
Ленточные леса Алтая и их рекреационное использование
Леса Западной Сибири и их экологическая роль
Изучение типов леса в Западной Сибири началось давно. Уже вполне определенные термины использовались лесоводами при съемке и лесоустройстве Алтайских лесов в XVIII--начале XIX в. (например, на картах Бровцына, Кузнецова, Фролова, Колычева и др.)...
Отношения организмов в агросистемах
Агроэкосистемы, как и естественные экосистемы, состоят из множества взаимосвязанных биологических, физических и химических компонентов...
Пищевые цепи и трофические уровни
Существует 2 основных типа трофических цепей -- пастбищные и детритные. В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные (например, зоопланктон...
Среди большого разнообразия судовых инсинераторов можно рассмотреть следующие: Ш Инсинератор GS-500. Ш Инсинератор СП-10 и инсинератор СП-50. Ш ИН-50. Ш Инсинератор VTH-30. Инсинератор GS-500 (Норвежского производства). Установка состоит из двух камер...
Строение биосферы. Загрязнение экосистем. Проведение экологической экспертизы
Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (табл.1) в зависимости от специфики отраслей промышленности. Следует заметить...
Экология и историческое развитие человечества
История развития и распространения человечества по планете говорит о том, что люди достаточно легко приспосабливаются (адаптируются) к новым условиям среды...
Ядерное оружие: типы, физика, поражающие факторы, экологические последствия
Ядерное оружие основано на использовании внутренней энергии, выделяющейся при цепных реакциях деления тяжелых ядер или при термоядерных реакциях синтеза...
Урбосистемы
Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы, агроценозы) – искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). В них, так же как и в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т.д.) и редуценты (грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.
Отличия агроценозов от естественных биоценозов:
Незначительное видовое разнообразие;
Короткие цепи питания;
Неполный круговорот веществ (часть питательных веществ уносится с урожаем);
Источником энергии является не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);
Искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);
Отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др.
Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека.
Урбосистемы (урбанистические системы) – искусственные экосистемы, возникающие в результате развития городов, и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т.д. В их составе можно выделить следующие территории:
- промышленные зоны , где сосредоточены промышленные объекты различных отраслей хозяйства и являющиеся основными источниками загрязнения окружающей среды;
- селитебные зоны (жилые или спальные районы) с жилыми домами, административными зданиями, объектами культуры и т.п.;
- рекреационные зоны, предназначенные для отдыха людей (лесопарки, базы отдыха и т.п.);
- транспортные системы и сооружения , пронизывающие всю городскую систему (автомобильные и железные дороги, метрополитен, заправочные станции, гаражи, аэродромы и т.п.).
Существование урбоэкосистем поддерживается за счет агроэкосистем и энергии горючих ископаемых и атомной промышленности.
Динамика экосистем
Изменения в сообществах могут быть циклическими и поступательными.
Циклические изменения – периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращается к исходному состоянию.
Поступательные изменения – изменения в биоценозе, в конечном счете, приводящие к смене этого сообщества другим.
Сукцессия – последовательная смена биоценозов (экосистем), выраженная в изменении видового состава и структуры сообщества. Последовательный ряд сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией . К сукцессиям относятся опустынивание, зарастание озер, образование болот и др.
В зависимости от причин, вызвавших смену биоценоза, сукцессии делят на природные и антропогенные, аутогенные и аллогенные.
Природные сукцессии происходят под действием естественных причин, не связанных с деятельностью человека. Антропогенные сукцессии обусловлены деятельностью человека.
Аутогенные сукцессии (самопорождающиеся) возникают вследствие внутренних причин (изменением среды под действием сообщества). Аллогенные сукцессии (порожденные извне) вызваны внешними причинами (например, изменение климата).
В зависимости от первоначального состояния субстрата, на котором развивается сукцессия, различают первичные и вторичные сукцессии. Первичные сукцессии развиваются на субстрате, не занятом живыми организмами (на скалах, обрывах, сыпучих песках, в новых водоемах и т.п.). Вторичные сукцессии происходят на месте уже существующих биоценозов после их нарушения (в результате вырубки, пожара, вспашки, извержения вулкана и т.п.).
В своем развитии экосистема стремится к устойчивому состоянию. Сукцессионные изменения происходят до тех пор, пока не сформируется стабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицу энергетического потока . Сообщество, находящееся в равновесии с окружающей средой, называется климаксным .
Типы связей и взаимоотношений между организмами
В экосистемах
Живые организмы определенным образом связаны друг с другом. Различают следующие типы связей между видами: трофические, топические, форические, фабрические. Наиболее важными являются трофические и топические связи, так как именно они удерживают организмы разных видов друг возле друга, объединяя их в сообщества.
Трофические связи возникают между видами, когда один вид питается другими: живыми особями, мертвыми остатками, продуктами жизнедеятельности. Трофическая связь может быть прямой и косвенной. Прямая связь проявляется при питании львов живыми антилопами, гиен трупами зебр, жуков-навозников пометом крупных копытных и т.д. Косвенная связь возникает при конкуренции разных видов за один пищевой ресурс (см. раздел «Трофические цепи» ).
Топические связи проявляются в изменении одним видом условий обитания другого вида. Например, под хвойным лесом, как правило, отсутствует травянистый покров.
Форические связи возникают, когда один вид участвует в распространении другого вида. Перенос животными семян спор, пыльцы растений называется зоохория , а мелких особей – форезия.
Фабрические связи заключаются в том, что один вид использует для своих сооружений продукты выделения, мертвые остатки или даже живых особей другого вида. Например, птицы при постройке гнезд используют ветки деревьев, траву, пух и перья других птиц.
Природные экосистемы – это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию. Запасы веществ, усвояемые организмами, в природе не безграничны. Если бы эти вещества не использовались многократно, то жизнь на Земле была бы невозможна. Такой вечный круговорот биогенных компонентов возможен лишь при наличии функционально различных групп организмов, способных осуществлять и поддерживать поток веществ, извлекаемых из окружающей среды.
Как правило, в любой экосистеме можно выделить три функциональные группы организмов. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи преобразуют ее в неорганическую форму. Их называют соответственно: продуценты, консументы и редуценты (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии
(пунктирная линия) в природных экосистемах
Первая группа организмов - продуценты (лат. producers -создающий, производящий), или автотрофные организмы (zp.autos - сам, trophe -пища). Они подразделяются на фото- и хемоавтотрофов.
Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии (например, зеленые серобактерии, пурпурные серобактерии). В качестве жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества - углеводы, или сахара (СН 2 О) n , выделяя при этом кислород СО 2 +Н 2 О= (СН 2 0) n + 0 2 ,
Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:
2NН 3 + 30 2 = 2HN0 2 + 2Н 2 0 + Q, 2HN0 2 + О 2 = 2HN0 3 + Q 2 .
Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для восстановления СО 2 до углеводов.
Главная роль в синтезе органических веществ принадлежит зеленым растительным организмам. Роль хемосинтезирующих бактерий в этом процессе относительно невелика. Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 150 млрд т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.
Вторая группа организмов - консументы (лат. consume -потреблять), или гетеротрофные организмы (гр. heteros -другой, trophe - пища), осуществляют процесс разложения органических веществ.
Эти организмы используют органические вещества в качестве источника и питательного материала, и энергии. Их делят на фаготрофов (гр. phagos -пожирающий) и сапротрофов (гр. sapros -гнилой).
Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами.
Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.
Третья группа организмов - редуценты (лат. reducens -возвращающий). Они участвуют в последней стадии разложения - минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО 2 , Н 2 0 и др.). Редуценты возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.).
Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без редуцентов в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам.
Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Свет -единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого в соединении с углекислым газом и водой рождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д., в конечном итоге растения «кормят» весь остальной живой мир, т. е. солнечная энергия через растения как бы передается организмам.
Энергия передается от организма к организму, создающим пищевую или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так четыре-шесть раз с одного трофического уровня на другой.
Трофический уровень -это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень - это продуценты. Все остальные уровни - консументы. Второй трофический уровень -это растительноядные консументы; третий -плотоядные консументы, питающиеся растительноядными формами; четвертый -консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д.
Четко распределяются по уровням лишь консументы, специализирующиеся на определенном виде пище. Однако есть виды, которые питаются мясной и растительной пищей (человек, медведь и др.), которые могут включаться в пищевые цепи на любом уровне.
Нельзя забывать еще и мертвую органику, которой питается значительная часть гетеротрофов. Среди них есть и сапрофаги и сапрофиты (грибы), использующие энергию, заключенную в детрите. Поэтому различают два вида трофических цепей: цепи выедания , или пастбищные , которые начинаются с поедания фотосинтезирующих организмов, и детритные цепи разложения , которые начинаются с остатков отмерших растений, трупов и экскрементов животных. Поэтому, входя в экосистему, поток лучистой энергии разбивается на две части, распространяясь по двум видам трофических сетей, но источник энергии общий - солнечная (рис. 4.5).
 |
Рисунок 4.5. Поток энергии через пастбищную пищевую цепь
(все цифры даны в кДж/м 2 ·год)
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах, т.е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения.
В отличие от вещества, непрерывно циркулирующего по разным блокам экосистемы, которые всегда могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть использована один раз, т. е. имеет местолинейный поток энергии через экосистему(от автотрофов к гетеротрофам).
Односторонний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики.
Согласнопервому закону термодинамики, энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена.
Соответственно второму закону , не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, и, следовательно, теряется. Отсюда не может быть превращений, к примеру, пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью.
Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии . Пища, поглощаемая консументами, усваивается не полностью - от 12 до 20 % у некоторых растительноядных, до 75 % и более у плотоядных. Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание , оцениваемая общим количеством С0 2 , выделенного организмом. Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т. е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно, при активной мышечной работе. В конечном итоге вся энергия, использованная на метаболизм, превращается в тепловую и рассеивается в окружающей среде.
Следовательно, большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, теряется . Приблизительно потери составляют около 90 %: на каждый следующий уровень передается не более 10 % энергии от предыдущего уровня . Так, если калорийность продуцента 1000 Дж, то при попадании в тело фитофага остается 100 Дж, в теле хищника уже 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю останется лишь 1 Дж, т. е. 0,1 % от калорийности растительной пищи.
Однако такая строгая картина перехода энергии с уровня на уровень не совсем реальна, поскольку трофические цепи экосистем сложно переплетаются, образуя трофические сети . Но конечный итог: рассеивание и потеря энергии, которая, чтобы существовала жизнь, должна возобновляться.
В результате, пищевые цепи можно представить в виде экологических пирамид . Экологическая пирамида - графические изображение соотношения между продуцентами, консументами и редуцентами в экосистеме.
Правило экологической пирамиды - закономерность, согласно которой количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, примерно в 10 раз больше, чем масса растительноядных животных, и каждый последующий пищевой уровень также имеет массу, в 10 раз меньшую. Упрощенный вариант экологической пирамиды приведен на рис. 4.6.
Пример: Пусть одного человека в течение года можно прокормить 300 форелями. Для их питания требуется 90 тысяч головастиков лягушек. Чтобы прокормить этих головастиков, необходимы 27 000 000 насекомых, которые потребляют за год 1 000 тонн травы. Если человек будет питаться растительной пищей, то все промежуточные ступени пирамиды можно выкинуть и тогда 1 000 т биомассы растений сможет прокормить в 1 000 раз больше людей.
Различают три основных типа экологических пирамид.
Пирамида чисел (пирамида Элтона) отражает уменьшение численности организмов от продуцентов к консументам.
Пирамида биомасс показывает изменение биомасс на каждом следующем трофическом уровне: для наземных экосистем пирамида биомасс сужается кверху, для экосистемы океана – имеет перевернутый характер, что связано с быстрым потреблением фитопланктона консументами.
Пирамида энергии (продукции) имеет универсальный характер и отражает уменьшение количества энергии, содержащейся в продукции, создаваемой на каждом следующем трофическом уровне.
Таким образом, жизнь может рассматриваться как процесс непрерывного извлечения некоторой системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче от одного звена к другому.
