Экосистемы

Лекция 7. «Экосистемы»

1. Понятие об экосистемах
2. Классификация экосистем
3. Зональность макроэкосистем
4. Структура экосистем
5. Круговорот веществ в экосистемах
6. Поток энергии в экосистемах
7. Продуктивность экосистем

 

Понятие об экосистемах. Живые организмы и их неживое окружение неразделимо связаны друг с другом, находятся в постоянном взаимодействии. Эти компоненты образуют более сложное экологическое сообщество экосистему или биогеоценоз.

Как мы уже говорили с вами на прошлой лекции между этими терминами принципиальной разницы нет. И в современном представлении биогеоценоз и экосистема являются синонимами.

Экосистема является основной функциональной единицей в современной экологии, Термин экосистема впервые был предложен английским экологом Тэнсли в 1935 году.

По его определению экосистема - это любая совокупность организмов и неорганических компонентов в которой может осуществляться круговорот веществ.

Иными словами, совокупность специфического физико-химического окружения (биотопа) с обществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему.

Экосистема     =     Биотоп     (климатоп+эдафотоп) +     Биоценоз     (фитоце-

ноз+зооценоз+микробоценоз)

 

Классификация экосистем. Существующие экосистемы подразделяются на:

• микроэкосистемы (например ствол гниющего дерева)
• мезоэкосистемы (например лес, пруд, поле)
• макроэкосистемы (континент, океан)
• глобальная экосистема (биосфера)

Крупные наземные экосистемы называют биомами. Каждый биом включает в себя целый ряд меньших по размерам, связанных друг с другом экосистем. Наиболее распространенной классификацией природных экосистем и биомов является классификация по Одуму. В этой классификации наземные биомы выделены по естественным или исходным чертам растительности, а типы водных экосистем - по геологическим и

физическим особенностям. Эти 16 основных типов экосистем представляют собой основные биотические сообщества поддерживающие жизнь на Земле. Наземные биомы:

• вечнозеленый тропический лес
• полувечнозеленый тропический лес (тропический лес в сухие и влажные сезоны)
• пустыня (травянистая и кустарниковая)
• чапараль (районы с дождливой зимой и засушливым летом)
• савана

• степь умеренной зоны бореальные хвойные леса тундра арктическая и альпийская

Типы пресноводных экосистем.

• стоячие воды: озера, пруды
• текучие воды: реки и ручьи

 

• заболоченные угодья: болота болотистые леса Типы морских экосистем.

• открытый океан

• воды континентального шельфа (прибрежные воды)
• районы апвеллинга -это плодородные районы с продуктивным рыболовством

                    эстурации это прибрежные бухты, проливы, устья рек

Зональность макроэкосистем. Экосистемы на Земле не разбросаны в беспорядке, а сгруппированы в определённых зонах на определённых широте и долготе. Их расположение подчиняется периодическому закону географической зональности Григорьева-Будыко, сущность этого закона состоит в следующем: со сменой физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются.

Установленная законом периодичность проявляется в том, что величина индекса сухости в разных зонах меняется от 0 до 5, трижды между полюсами и экватором индекс сухости равен единице. Этим значениям соответствует наибольшая биологическая продуктивность ландшафтов.

Два абиотических фактора - температура и количество осадков определяют размещение по земной поверхности основных наземных биомов.

Режим температуры и осадков на определённой территории в течение достаточно долгого времени называется климатом.

Режимы температуры и осадков сочетаются между собой неодинаковым образом создавая различные климатические условия, которые в свою очередь определяют развитие того или иного типа биома.

От экватора к полюсам имеет место быть определённая симметрия в распределении биомов различных полушарий:

Так при достаточно большом количестве осадков и высокой температуре, как правило, развивается лесная растительность в районах близких к экватору располагаются Дождевые тропические леса.

Структура экосистем. Любая экосистема состоит из двух основных компонентов: живых организмов и факторов окружающей их среды.

Совокупность живых организмов в экосистеме называется биотой, а пути взаимодействия разных категорий организмов называется биотической структурой экосистемы.

С точки зрения трофической структуры все экосистемы подразделяются на два яруса:

1. Верхний - автотрофный, то есть самостоятельно питающийся ярус, включающий в себя растения, содержащие хлорофилл. В этом ярусе преобладает фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений.
2. Нижний - гетеротрофный, или питаемый другими ярус, то есть ярус почв, разлагающихся веществ, В этом ярусе преобладают такие процессы как использование, трансформация и разложение сложных соединений.

С биологической точки зрения экосистемы подразделяются на следующие компоненты:

1. Неорганические вещества - это углерод, азот, углекислый газ, вода и т. д.

2. Органические соединения (белки, углеводы, гумусовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотическую части.
3. Воздушную, водную и субстратную среду - включающую климатический режим и другие физические факторы
4. Продуценты автотрофных организмов - то есть зеленых растений, производящих пищу из простых неорганических веществ
5. Консументы - то есть гетеротрофных организмов в основном животных, питающихся другими организмами.
6. Редуценты - то есть гетеротрофных организмов (в основном это бактерии и грибы), которые получают энергию путём разложения мёртвых тканей.

В экосистемах пищевые и энергетические связи между категориями всегда идут в следующем направлении:

Автотрофы->консументы->редуценты (Растения)   (животные)   (бактерии)

 

Эти основные три компонента экосистем в современной экологии рассматриваются как три функциональных царства природы так как их разделение основано на типе питания и используемом источнике энергии.

Изменения происходящие в экосистеме относятся в двум типам:

Циклическим и

Поступательным

Циклические изменения отражают суточную, сезонную и многолетнюю периодичность. Суточная динамика экосистем связана с ритмикой природных явлений и носит периодический характер.

Сезонная динамика обусловлена сезонной цикличностью ячлений природы. Смена времен года оказывает влияние на жизнь животных и растений.

Многолетняя изменчивость является нормой в жизни любого биоценоза и возникает в связи с общей циркуляцией атмосферы или ослаблением солнечной активности.

Поступательные изменения в экосистеме приводят к смене одного биоценоза другим, с иным набором видов. Причинами этого могут быть загрязнение среды, выпас скота, осушение. Последовательная смена одного биоценоза другим под влиянием природных или антропогенных факторов называется экологической сукцессией.

Сукцессия есть саморазвитие экосистем. Примером сукцессии может быть зарастание небольшого озера с последующим появлением болота, а затем леса.

Сукцессия завершается стадией, когда все виды, размножаясь сохраняют постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему климаксной.

Экосистема в секцессионном развитии стремиться к образованию небольшой биомассы при наименьшей биологической продуктивности.

Например, продуктивность в старых лесах ниже, чем в молодых, которые могут иметь меньшую продуктивность, чем предшествующие ярусы травянистых растений.

В основе сукцессии лежит неполнота биологического круговорота веществ в биоценозе.

Солнце как источник энергии. Основным источником энергии для всех экосистем служит Солнце. Поступающая на поверхность Земли солнечная радиация составляет 1,54 млн. Эдж/год. Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности земли, превращается непосредственно в тепло, нагревая воду, почву и через них воздух. Это тепло служит движущей силой круговорота воды, воздушных потоков и океанических течений.

Основным принципом функционирования экосистем является то, что они существуют за счет не загрязняющей окружающую среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно.

То есть солнечная энергия характеризуется такими качественными показателями как: избыток, чиста, постоянство, вечность.

1. Избыток. Количество поступающей солнечной радиации вполне достаточно для 
всего живого на земле.

Например, растения используют только 0,5% солнечной радиации, достигающей земли.

2. Другой особенностью солнечной энергии является ее Чистота. Хотя ядерные реакции идущие на Солнце и служащие источником этой энергии и сопровождаются радиоактивным загрязнением, но из-за большой удалённости это загрязнение остаётся в 150 миллионов километров от Земли
3. Солнечная энергия постоянна и вечна. Хотя учёные и считают, что через несколько миллиардов лет Солнце погаснет это не имеет практического значения так как люди по современным данным существуют около 3 млн. лет.

Круговорот веществ.

 

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ:

• большой, или геологический это круговорот воды, циркуляции атмосферы
• и малый (биологический или биотический).

Оба круговорота взаимосвязаны друг с другом и представляют как бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через живые организмы ( то есть связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2 тысячи лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путём фотосинтеза и дыхания за 2 миллиона лет.

Круговорот воды - это самый значительный по переносимым массам и затратам энергии круговорот. В каждую секунду в него вовлекается 16,5 миллионов кубических метров воды, при этом тратится более 40 миллиардов мегаватт солнечной энергии.

Вода - это самая распространённая неорганическая составляющая живой материи. В жидком, твёрдом и парообразном состояниях вода присутствует во всех трёх главных составляющих частях биосферы- атмосфере, гидросфере и литосфере.

Все воды объединяются общим понятием гидросферы, составные части которой связаны между собой постоянным обменом и взаимодействием. Вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты.

Испарение воды с поверхности океана, затем конденсация водяного пара в атмосфере с последующим выпадением осадков на поверхность океана образует малый круговорот.

Когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу круговорот воды значительно расширяется. При этом часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает водоёмы, однако в итоге вновь возвращается в океан - завершая тем самым большой круговорот.

Несмотря на относительно малую толщину слоя водяного пара в атмосфере ( а его толщина составляет 0,03м) именно атмосферная влага играет огромную роль в циркуляции воды и ее биохимическом круговороте.

Данные по круговороту воды на земном шаре позволяют вычислить активность водообмена в различных частях гидросферы.

Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников. Здесь круговорот совершается за 8 тысяч лет, что связано с медленным движением и таянием ледников.

Подземные воды обновляются за 5 тысяч лет. Наибольшей активностью обмена отличаются речные воды, которые сменяются в среднем за 11 суток.

Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота является отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

Биотический (биологический) круговорот. - это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами.

В современном представлении биотический круговорот - это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

Все организмы занимают определённое место в биотическом круговороте и выполняют свои функции по трансформации потока энергии и по передаче биомассы.

Наиболее важной составляющей биотического круговорота является фотосинтез.

Фотосинтез - это мощный естественный процесс вовлекающий в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющий ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере, а также фактором определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара.