Лекция 15 Основные экологические системы

Основные экосистемы Земли и их особенности. Вся область распространения жизни на Земле состоит из нескольких основных наземных экосистемах (кусты трава) и лесных, а также водных (озер, рек и океанов). Каждой экосистеме присущи типичные сообщества растений и животных, а также редуцентов, приспособленных к определенным условиям окружающей среды, главным образом к климатическим особенностям.

Наземные экосистемы. При классификации наземных экосистем принято использовать признаки растительных сообществ и климатические признаки, например, лес хвойный, лес тропический, холодная пустыня и т.п. Рассмотрим некоторые из них.

Пустыни - это территория, где испарение превышает количество осадков, причем их уровень составляет менее 250 мм/год. В таких условиях произрастает скудная, разреженная и низкорослая растительность. Преобладание ясной погоды и разреженная растительность способствуют быстрой потере теплоты ночью, накопленной почвой днем. Для пустыней характерно значительное различие между дневной и ночной температурами. Пустынные экосистемы занимают около 16% поверхности суши и расположены практически во всех широтах Земли. Их классифицируют по географическому местоположению.

1.Тропические пустыни - это пустыни, составляющие около 20% общей площади пустынь. Например, Южная Сахара. Температура там круглый год высокая, а количество осадков минимальное.

2.Пустыни умеренных широт отличаются высокими дневными температурами летом и низкими — зимой. Например, пустыня Мохаве в Южной Калифорнии.

3. Холодные пустыни. Для них характерна очень низкая температура зимой и средняя летом.

Растения и животные всех пустынь приспособлены улавливать и сохранять дефицитную влагу. Медленный рост растений и малое видовое разнообразие делают пустыни весьма уязвимыми. Уничтожение растительности в результате выпаса или езды вне дорог ведет к тому, что на восстановление утраченного требуются десятилетия.

Травянистые экосистемы

Тропические травянистые экосистемы или саваны характерны для районов с высокими средними температурами, двумя продолжительными сухими сезонами и обильными осадками в остальное время года. Они образуют широкие полосы по обе стороны экватора. Некоторые из этих биомов (например, равнина Серенгети в Африке) представляют собой открытое пространство, покрытое только травянистой растительностью. Травянистые экосистемы встречаются во внутренних районах материков, главным образом Северной и Южной Америки, Европы и Азии. Основные типы травянистых сообществ умеренного пояса: высокотравные и низкотравные прерии США и Канады, пампы Южной Америки, вельды Южной Африки и степи от Центральной Европы до Сибири. В этих экосистемах (биомах) почти постоянно дуют ветры, способствуя испарению влаги. Густая сеть корней травянистых растений обеспечивает стабильность почвы до тех пор, пока не начинается ее распашка. Из-за высокого плодородия почв высокотравных прерий большая их часть была распахана и занята посевами зерновых и бобовых. В 30-е годы ХХ в. нерациональное землепользование и периодические длительные засухи привели к сильной эрозии почв и сносу пахотного горизонта, известному как пыльные бури.

Полярные травянистые экосистемы - арктические тундры расположены в районах, прилегающих к арктическим ледяным пустыням. Большую часть года тундры находятся под воздействием штормовых холодных ветров и покрыты снегом и льдом. Зимы здесь очень холодные и темные. Осадков немного, и выпадают они в основном в виде снега. Люди проживают в суровых условиях тундры крайне редко. Медленное разложение органических веществ, малая мощность почвы, низкие темпы прироста растительности делают арктическую тундру одной из наиболее уязвимых экологических систем земного шара.

Лесные экосистемы

Влажные тропические леса. Эти леса располагаются в приэкваториальных районах. Они характеризуются умеренно высокими среднегодовыми температурами, которые мало изменяются в течение суток и по сезонам, а также значительной влажностью и почти ежедневно выпадающими осадками. В таких биомах доминируют вечнозеленые деревья, сохраняющие большую часть листьев или хвои круглый год, что обеспечивает непрерывное круглогодичное прохождение процессов фотосинтеза. Так как климатические условия во влажных тропических лесах практически неизменны, влага и теплота не имеют лимитирующего значения, как в других экосистемах. Основным лимитирующим фактором становится содержание биогенов в часто бедных органическим веществом почвах. Зрелый влажный лес имеет максимальное (из всех наземных экосистем) разнообразие видов растений и животных на единицу площади. Наибольшая часть питательных веществ сосредоточена в растительном покрове, а не в верхнем горизонте почвы. При уничтожении растительности маломощные почвы легко сносятся ливневыми дождями. Таким об разом, восстановление первичного тропического леса на обширных вырубках практически невозможно.

Листопадные леса умеренных широт. Они произрастают в районах с невысокими средними температурами, значительно меняющимися по сезонам. Зимы здесь не очень суровы, летний период продолжителен, осадки выпадают равномерно в течение всего года. Леса умеренного пояса быстро восстанавливаются после вырубки и, следовательно, более устойчивы к антропогенным нарушениям.

Северные хвойные леса, называемые также бореальными, или тайгой, распространены в районах субарктического климата. Зимы здесь продолжительны и засушливы, с коротким световым днем и небольшими снегопадами. Температурные условия меняются от прохладных до исключительно холодных. В тайге добывают значительную часть деловой древесины, большое значение имеет промысел пушнины.

Особенности круговорота питательных веществ в лесах разных широт. Круговорот биогенов в холодных районах и тропиках различен, т.к. большая часть органических веществ и доступных элементов питания постоянно находится в почве или в отложениях. Кроме того, значительная часть содержится в биомассе и циркулирует в биоценозе благодаря мутуалистическим отношениям между микроорганизмами и растениями. Низкие зимние температуры способствуют удержанию элементов питания в почве и уничтожению вредителей и паразитов. Влажные тропические леса после вырубки теряют способность удерживать питательные вещества и поддерживать их циркуляцию в экосистеме, изначально обеспечивавшей прямой круговорот от растения к растению, в значительной степени минуя почву.

Водные экосистемы

Тип и количество организмов в водных экосистемах определяются соленостью, глубиной проникновения солнечных лучей, концентрацией растворенного кислорода, доступностью биогенов и температурой. Интенсивность потока солнечного света, необходимого для фотосинтеза, зависит от глубины водоема, следовательно, обилие растительных организмов так же меняется с глубиной. В отличие от наземных экосистем в водных экосистемах организмы, нуждающиеся в кислороде, обитают преимущественно вблизи поверхности воды.

Наибольшей продуктивностью отличаются прибрежные водные экосистемы в связи с поступлением помимо потока биогенов из донных отложений также дополнительного потока, приходящего со стоком с суши. В глубоководных районах продуктивность растительных организмов ограничена недостатком биогенов, концентрирующихся на дне.

Биоценоз водной экосистемы. Водные экологические системы имеют ряд принципиальных отличий от наземных, наиболее значимые из них следующие:

1. Продуценты наземных экосистем — растения неразрывно связаны корневой системой с биогенным фондом, формирующимся в результате жизнедеятельности растений. Продуценты водных экосистем — водоросли разобщены с основным биогенным фондом, формирующимся около дна океана, озера, водохранилища или пруда. В освещенном слое, составляющем при самой высокой прозрачности нескольких десятков метров, недостаточно биогенных солей и, прежде всего фосфатов, что служит лимитирующим фактором развития живых организмов;

2. В наземных экосистемах растения — важнейший компонент питания многих животных, в результате чего распространение последних связано с растительными сообществами. В морской среде жи- нотные (консументы) и поля фитопланктона (продуценты) разобщены. В большинстве водных биоценозов нет прямого контакта животных с живой растительностью, сосредоточенной в тонком приповерхностном слое. Масса животных живет ниже массы растений, используя продукты деструкции растительных организмов. Таким образом, в жизни водных биоценозов важнейшую роль играет группа редуцентов, которые, минерализируют эти останки, делают их доступными для автотрофных растений. С глубиной количество пищи уменьшается.

По способу перемещения водные организмы на планктон, бентос и нектон. По характеру вертикального распределения в грунте среди животных бентоса выделяют эпифауну — организмы, прикрепленные к грунту или передвигающиеся по нему, и инфауну — организмы, живущие в толще грунта. Животные бентоса (дна) живут на глубинах до нескольких тысяч метров. Многие виды, живущие на глубинах до 250 м, представляют собой большую хозяйственную ценность для человека; это мидии, устрицы, лангусты, омары.

Экосистемы мирового океана

Океаны играют важную климатообразующую роль, перераспределяя солнечную энергию за счет испарения воды и перемещения нагретой воды с океаническими течениями. Они участвуют в других глобальных биогеохимических круговоротах в природе и являются гигантскими •резервуарами диоксида углерода. Океан — яркий пример биогеоценоза.

К основным характеристиках экосистем Мирового океана относят:

1.глобальность размеров и огромные глубины, освоенные жизнью;

2.непрерывность — все океаны связаны между собой;

3.постоянную циркуляцию среды под действием сильных ветров, дующих в течение года в одном и том же направлении, а также наличие глубинных течений;

4. господство различных волн и приливов, вызванных притяжением Луны и Солнца,

5. соленость и устойчивая во времени однородность основного солевого состава;

6.наличие растворенных биогенных элементов.

Прибрежная зона океана - это относительно теплые, богатые биогенами мелководья, протянувшиеся от линии прилива на суше до края подводного продолжения континента — континентального шельфа (рис. 6.11).

В прибрежной зоне, занимающей менее 10% общей площади океана, сосредоточено 90% биомассы океанических растений и животных; здесь находится большинство районов промышленного рыболовства. Прибрежную зону подразделяют на несколько местообитаний.

Эстуарии — это часть прибрежной зоны, где пресные воды рек, ручьев и поверхностного стока смешиваются с солеными морскими водами. В эстуариях так же, как и во влажных тропических лесах и во внутренних болотных экосистемах, ежегодная удельная продукция биомассы максимальна в сравнении с любыми другими экосистемами планеты. Коралловые рифы распространены в прибрежных зонах океана в тропических широтах, где температура воды превышает 20 °С. Они состоят из нерастворимых соединений кальция, выделяемых животными — кораллами, а также красными и зелеными водорослями при фотосинтезе. Разнообразие и сложное строение коралловых рифов привели к тому, что в них обитает более трети всех видов морских рыб и многочисленные другие морские организмы. Считают, что коралловые рифы играют особую роль в поддержании соленого состава океанических вод.

Открытый океан отделяется от прибрежной зоны областью резкого увеличения глубин у края континентального шельфа. На его долю приходится только 10% биомассы океанических растений и животных. Безбрежные глубоководные просторы можно считать полупустынными. Однако благодаря огромной протяженности открытый океан—это основной поставщик чистой первичной биологической продукции на Земле. В пределах открытого океана выделяют три зоны, основным различием которых является глубина проникновения солнечных лучей.

Экосистемы континентальных стоячих водоемов. Стоячие (непроточные) водоемы включают в себя экосистемы озер, водохранилищ, прудов, луж, а также болот. Жизнь стоячих вод или лентической среды (лат. спокойный) зависит от площади поверхности и глубины водоема, региональных климатических условий и химического состава воды.

Озера. На дне озер различают последовательную смену концентрических зон (рис. 6.12), а также две группы жизненных форм растений: бентосную и фитопланктонную.

Бентосные растения. Они развиваются, прикрепившись или укоренившись на дне. Эту группу также называют погруженной водной растительностью. Они выживают на бедной биогенами воде, так как получают необходимые элементы из донных отложений, однако нуждаются в проникновении сквозь толщу воды достаточного для фотосинтеза количества солнечного света.

Фитопланктон (планктон) состоит из множества видов водорослей и представляет собой отдельные клетки, их скопления или нити*, которые держатся вблизи поверхности воды или прямо на ней.

Очевидно, что мутная вода мало на них влияет, их большое количество является важнейшей причиной помутнения. Фитопланктон не связан с дном, поэтому должен получать биогены из воды. При недостатке в воде биогенов его развитие замедляется.

Болота. Это участки суши, покрытые в определенные периоды времени небольшим слоем воды и более или менее высыхающие в другое время. Согласно другому определению, болото — это переувлажненный участок поверхности земли, харатеризующийся накоплением в верхних горизонтах мертвых неразложившихся растительных остатков, превращающихся затем в торф. При слое влажного торфа более 0,3 м — болото, менее 0,3 м — заболоченные земли.

Болота умеренных и высоких широт — это своеобразные ловушки органического углерода, в которых происходит его накопление и захоронение в виде не полностью разложившихся остатков растительности, образующих торф. Переувлажненные земли более характерны для тропических районов, и торф в них не накапливается. Болота, расположенные вдоль русел рек в устьях, во время паводков принимают избыточную воду, обогащенную илом и биогенами. При движении воды по болотам ил и связанные с ним биогены оседают, а вода очищается по мере просачивания в грунтовые воды. Таким образом, важней шей ролью болот является фильтрация воды перед тем, как она попадает в озера, заливы, астуарии, грунтовые воды.

Болота, обогащенные биогенами, представляют собой самые продуктивные экосистемы, в которых обитают стаи водной дичи и многие другие животные. Общая площадь болот и переувлажненных земель на планете составляет примерно 3 млн км². Больше всего болот в Южной Америке и Евразии, совсем мало — в Австралии. Болота и заболоченные территории есть во всех географических зонах, но особенно много их в тайте. В нашей стране болота занимают около 9,5% территории, при чем особую ценность представляют торфяные болота, аккумулирующие в себе значительные запасы теплоты.

Болота не пригодны для сельского хозяйства, строительства, судоходства. Поэтому бросовые земли, длительное время пытались улучшать. Однако их выгоднее применять не для сельского хозяйства, а для хранения воды и местообитания диких животных.

Эвтрофикация водоемов

Качественный и количественный состав биоценоза и особенности питания (степень трофности) в озере обусловливаются химическим составом воды.

Олиготрофные озера (лат. бедные пищей) бедны минеральным азотом и особенно фосфором, встречающимся в виде следов. Благодаря низкой плотности биоценоза в воде присутствует много кислорода (рис. 6.13, а), а содержание СО ₂ невелико. Вследствие чего отмечается нерастворимость соединений железа. Вода прозрачная, синего или зеленого цвета. К такому типу относят глубокие озера с песчаными берегами.

Кислород из атмосферы растворяется в воде крайне медленно.

Следовательно, бентосные растения не только обеспечивают пищу и убежище водным животным, но и поддерживают необходимую концентрацию растворенного кислорода на глубине, выделяя его непосредственно в воду. В результате в водоеме, обедненном питательными элементами, может существовать богатый, разнообразный биоценоз из рыб, моллюсков и бентосных растений, которыми они питаются.

Эвтрофные озера (от греч. хорошо и лат. питающегося ) богаты азотом и фосфором. Обилие организмов ведет к истощению кислорода в глубинных слоях воды во время фаз застоя (рис. 6.13, б).

Вода малопрозрачная, от зеленовато-коричневой до коричневой. Для таких озер характерны небольшие глубины, благоприятствующие образованию широких поясов прибрежной растительности.

Дистрофные озера неглубокие с берегами, поросшими торфообразующими растениями. Вода малопрозрачна, окрашена в бурый цвет гуминовыми веществами, кислород в дефиците, реакция воды слабо кислая.

Обогащение биогенами. При эрозии и выщелачивании водоем постепенно заполняется наносами и обогащается биогенами, накопление которых способствует развитию фитопланктона, а значит, помутнению воды и затенению бентосной растительности. Кислород, выделяемый планктоном при фотосинтезе, перенасыщает верхний слой воды и улетучивается с ее поверхности. В ясный день легко видеть, как из скоплений нитчатых водорослей всплывают пузырьки кислорода. Жизненный цикл фитопланктона очень короток. Его быстрое размножение компенсируется отмиранием, ведущим к накоплению детрита. Отмерший фитопланктон поступает в глубинную зону, где им питаются редуценты, также потребляющие кислород и снижающие его концентрацию в воде. Когда растворенного кислорода не остается, бактерии- редуценты выживают за счет анаэробного брожения, и так может продолжаться до тех пор, пока есть детрит для питания.

Таким образом, у поверхности количество растворенного кислорода может быть очень высоким из-за фотосинтеза фитопланктона, а на глубине его запасы истощаются редуцентами (рис. 6.13, б).

Фитопланктон переносит усвоенные им биогенные элементы на дно, где по мере разложения детрита они вновь высвобождаются. Восходящие конвективные потоки возвращают биогены к поверхности, и описанный процесс повторяется многократно.

Эвтрофикация водоемов — это обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. Результатом является помутнение воды, гибель бентосных растений, снижение концентрации растворенного кислорода, недостаток его для глубоководных рыб и моллюсков. Эвтрофикация может происходить даже в медленно текущих пресных водах. Чем больше органических веществ поступает в озеро, тем больше требуется кислорода для перевода их в неорганические соединения. Поэтому комплексными характеристиками загрязнения воды органическими веществами служит биологическое (БПК) и химическое (ХПК) потребление кислорода. Эвтрофикация представляет собой смену богатой экосистемы, основанной на бентосной растительности, на простую, основанную на фитопланктоне. В геологических масштабах времени водоемы постоянно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами. За многие столетия в озере накапливаются ил и детрит, постепенно заполняющие первоначально глубокую чашу озера.

Эвтрофикация —это составная часть естественного процесса, называемого сукцессией. За несколько тысяч лет озеро может измениться естественным путем и превратиться из олиготрофного в эвтрофное, т.е. состариться. Антропогенная деятельность приводит к аналогичным последствиям всего за несколько десятилетий. Поэтому принято говорить об антропогенной эвтрофикации, противопоставляя ее естественной. Эвтрофикация — хороший пример того, что не все негативные проблемы связаны с промышленным выбросом ядовитых соединений.

Экосистемы водотоков.

Экосистемы проточных водоемов, а именно ручьев, быстро и медленно текущих рек и речек от их истоков до устья значительно отличаются от экосистем стоячих вод, что вызвано постоянным обновлением воды и значительно большими контактами с наземными экосистемами. Скорость течения водотоков — определяющий фактор в жизни биоценозов вследствие воздействия на организмы физических и химических свойств воды. Скорость течения также влияет на характер дна. Температура проточных вод обычно одинакова по всей их толщине и подвергается изменениям по мере продвижения вод от истоков к устью. Насыщенность кислородом проточных вод (за счет атмосферной аэрации) даже при отсутствии зеленых растений бывает достаточной. Постоянное движение создает лучшие условия для дыхания организмов, однако органические вещества, поступающие в водотоки с бытовыми или промышленными стоками, вызывают уменьшение концентрации кислорода вводе из-за массового размножения бактерий. В нижнем течении рек, особенно крупных равнинных, имеется довольно разнообразный, постоянный и обильный планктон. Донное население рек сильно зависит от скорости потоков. В распространении рыб от истока к устью прослеживается определенная зональность.

В противоположность озерам у рек соотношение размеров береговой полосы и водной массы благоприятствует образованию фауны береговых откосов. Пищевые цепи в проточных водах отличаются бедностью пищевой базы. Многие животные проточных вод являются всеядными и в зависимости от места или времени года поедают растения, животных или детрит. Таковы карпы, сомы, раки, личинки насекомых. Продуктивность в различных реках сильно различается. Особое место среди экосистем занимают эстуарии (места впадения пресноводных рек в соленые моря и океаны), где обитают виды, способные существовать в солоноватых водах.