1. Понятие и структура экосистемы
Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими связями. Растения могут существовать только за счёт постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы (животные) живут за счёт автотрофов (растений), но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода. В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов, так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков. Таким образом, сообщество образует с неорганической средой определённую систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.
Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экологической системой (экосистемой). Термин был предложен в 1935 г. английским ботаником Артуром Тенсли, который подчёркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты, и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определённого объёма и могут охватывать пространство любой протяжённости.
Экосистема – совокупность популяций различных видов растений, животных и микроорганизмов, взаимодействующих между собой и окружающей их средой таким образом, что эта совокупность сохраняется неопределённо долгое время. Экосистема имеет основное свойство – наличие круговорота веществ и в связи с этим может иметь различные размеры. Экосистемы существуют везде – в воде и на земле. Они по-разному выглядят, включают различные виды растений и животных. Однако в «поведении» всех экосистем имеются и общие аспекты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов, протекающих в них: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.
Параллельно с развитием концепции экосистем успешно развивается учение о биогеоценозах, автором которого был академик В.Н. Сукачев.
Для исследований природных комплексов, определения их характеристик необходимо выделять их конкретные границы. В связи с этим В.Н. Сукачев ввёл понятие биогеоценоза, как экосистемы с чётко выраженными границами. «Биогеоценоз – совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющих свою специфику взаимодействия этих слагаемых её компонентов и определённый тип обмена веществами и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии» (Сукачев, 1964). Контур биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза).
Биогеоценоз является биокосной системой, состоящей из биотопа (абиотические условия) и биоценоза (все виды организмов). Биогеоценоз В.Н. Сукачев разделил на следующие взаимосвязанные компоненты:
фитоценоз – совокупность растений (продуценты);
зооценоз – животное население (консументы);
микробоценоз – сообщество микроорганизмов (редуценты);
климатоп – атмосферные условия;
эдафотоп – почвенные условия;
гидротоп – озёрно-речная сеть и грунтовые воды.
«Экосистема» и «биогеоценоз» – близкие по сути понятия, но если первое из них приложимо для обозначения систем, обеспечивающих круговорот любого ранга, то «биогеоценоз» – понятие территориальное, относимое к таким участкам суши, которые заняты определёнными единицами растительного покрова – фитоценозами. Таким образом, понятие «экосистема» шире и полностью охватывает понятие «биогеоценоз», или «биогеоценоз» – частный случай «экосистемы».
При изучении экосистем анализируют, прежде всего, поток энергии и круговорот веществ между соответствующими биотопом и биоценозом. Единство биотопа и биоценоза – основная концепция современной экологии, концепция экосистемы.
Самой крупной природной экосистемой на Земле, предельной по размерам и масштабам, является биосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все живые организмы (с доисторических времен до наших дней), находящиеся во взаимодействии с неживой средой (химической, физической) планеты, с которой они составляют единое целое. Все остальные экосистемы находятся внутри биосферы, являются её подсистемами. Они связанны энергетическим и материальным обменом.
Экосистемы и биосфера в целом являются высшим уровнем организации живого на Земле. Они, как и любая живая система, способны к саморегуляции, т.е. к самосохранению, поддержанию своего видового состава и воспроизведению связей между отдельными видами. Такое представление об устойчивости экосистем, их гомеостазе или, иначе, об экологическом равновесии – одно из основополагающих понятий современной экологии.
Задание 1.1. Начертить схему экосистемы, нанести компоненты и отметить связи между ними (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Принципиальная схема экосистемы
Все организмы связаны друг с другом через пищевые отношения, образуя пищевые (трофические) цепи, которые в совокупности обеспечивают круговорот веществ в природе. Трофические цепи бывают двух видов: 1) пастбищные – начинаются с зелёных растений (продуценты → консументы 1-го порядка → консументы 2-го порядка и т.п.); 2) разложения – начинаются с измельчения органических веществ, затем образования гумуса и, наконец, минерализации – превращения органического вещества в минеральные элементы. Трофические цепи состоят из трофических уровней. Трофический уровень – совокупность организмов, получающих преобразованную в пищу энергию солнца. Различают трофические уровни 1 порядка – продуценты, 2 – консументы травоядные, 3,4 и т.д. – консументы-хищники. Продуценты преобразуют энергию солнца в энергию органического вещества (в основном – зелёные растения). С пищей травоядные консументы получают энергию от продуцентов. Консументы-хищники, поедая травоядных животных и друг друга, расходуют энергию их тел. Таким образом, источником жизнедеятельности всех живых организмов является солнце. В процессе обмена веществ через цепи питания происходит расходование энергии, связанной продуцентами до тех пор, пока вся запасённая порция энергии не превратится в тепловую и не рассеется. Графическое изображение расхода энергии в пищевых цепях называется экологической пирамидой.
На каждом трофическом уровне энергия, поступающая с пищей, расходуется 2 путями: большая часть энергии расходуется на жизнедеятельность организма и называется «траты на дыхание» – Д; небольшая доля используется на увеличение массы тела – «траты на рост» – П. И лишь доли процентов энергии остаются невостребованными в виде выделений и экскрементов – Н.
Рис. 1.2. Пирамиды биомассы (А) и энергии (В)
применительно к идеальной экосистеме
Задание 1.2. Начертить экологические пирамиды потери массы и энергии, используя данные идеальной пирамиды Дивенью П. и Танга Н. (рис. 1.2).
Задание 1.3. Используя данные потери энергии в экологической пирамиде начертить схему расходования энергии на одном трофическом уровне консумента.
Любое техническое сооружение, находящееся на конкретной территории, взаимодействует с природой настолько тесно, что для изучения этого взаимодействия их необходимо рассматривать совместно, как единую систему, которую определяют как природно-техническую геосистему (ГТС).
Таким образом, в любом регионе в связи с происходящей в нём хозяйственной деятельностью на смену природным экосистемам, существовавшим до внедрения людей и техники в природную среду, приходят ГТС.
ГТС – совокупность природных и искусственных объектов, формирующаяся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений, комплексов и технических средств, взаимодействующих с природными объектами (геологические тела, растительный покров, рельеф, водные источники и атмосфера, фауна и социумы). ГТС – открытые динамические системы, обладающие определенной совокупностью структурных и функциональных свойств, имеющие соподчиненную структуру, определяющуюся, главным образом, размерами и мощностью системообразующего техногенного центра; изменяющиеся во времени и пространстве. Основой динамического равновесия таких систем является оптимальное взаимодействие как элементов внутри системы, так и самой системы в целом с внешней окружающей средой. Изучение формирования ГТС позволяет вскрыть сложный механизм внутренних связей между техногенными нагрузками и экологическими последствиями, проявляющимися в природе.
На рис.1.3 приведена схема ГТС, образованной определённым набором технологий. Это может быть отдельно стоящий промышленный объект (котельная, промышленное или транспортное предприятие) или целый город, промышленный узел, в котором, наряду с промышленными, реализуются и технологии других видов: быта, транспорта, связи, сервиса, рекреации и др. Общим для всех видов технологий является изъятие из природной среды и использование природных ресурсов, а также скопление вокруг себя материальных, энергетических, информационных и техногенных полей.
Энергетический баланс любого технического объекта (аппарата, установки, технологической линии, производства) или экологической системы может быть выражен уравнениями, связывающими приход и расход энергии. Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна: ∑Епр - ∑Ерасх = 0
Задание 1.4. Начертить схему геотехнической системы, отметить связи между её компонентами (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Принципиальная схема геотехнической системы
Задание 1.5. Рассчитать энергетический баланс котла ПК-10, используя закон сохранения энергии. Котёл ПК-10 в качестве топлива использует газ, с которым подводится химическая энергия в количестве 659,86 ГДж/ч. С паром отводится 82% тепловой энергии. Остальная часть отводится с отходящими газами и тепловыми потерями в окружающую среду в отношении 21:1. Результаты расчёта энергетического баланса представить в табличной форме (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Энергетический баланс котла ПК-10
Приход |
Расход |
||||
Статья баланса |
ГДж/ч |
% |
Статья баланса |
ГДж/ч |
% |
|
|
|
|
|
|
Всего |
|
|
Всего |
|
|