Компоненты наземных экосистем

При исследовании природных экосистем необходимо знать основные компоненты ландшафтов (почвы, растительность, породы и природные воды, атмосферный воздух), в частности, их состояние, структуру, динамику, принципы организации и функционирование в различных природных зонах Земли.

Важно уметь характеризовать также  консорции , сукцессии биоты, дигрессии ландшафтов и экотоны. Для экологов особенно актуально правильно использовать картографические материалы – топографические карты, фотопланы с горизонталями, аэрофотоснимки. С их помощью проводится маршрутное крупномасштабное картографирование ландшафтов и выделение контуров фаций, урочищ, а также почв, растительности, испытавших химическое воздействие.

Необходимо знать особенности взаимодействия химических продуктов антропогенеза с компонентами ландшафтов. При оценке ксенобиотиков следует учитывать изменение биоразнообразия и продуктивности экосистем, экологическую безопасность, приоритет качества жизни популяции людей и устойчивого развития биосферы.

Антропогенное воздействие на агроэкосистемы нормируется с помощью различных показателей. Наиболее обоснованными являются биогеохимические параметры оценки химического загрязнения почв и агроландшафтов. Изучаются также и экологические риски.

   

Указанные теоретические и научно-практические задачи являются основными при изучении курса «Экология». Они помогают сформировать экологическое мировоззрение студентов. При этом особое внимание обращается на рациональное использование природных ресурсов, их картографирование, учет, эколого-экономичекскую оценку почв на примере некоторых ландшафтов Подмосковья.

 

 

 Трофические (пищевые) цепи, экологические пирамиды, экотоны, консорции, синузии, сукцессии

Экосистема- это природно-территориальный комплекс (ПТК), образованный группами живых организмов со средой их обитания (атмосферой, почвами, природными водами...), находящийся в динамичном, неравновесном состоянии. В ПТК живые и косные (по В.И. Вернадскому) компоненты экосистемы неразрывно взаимосвязаны между собой путем обмена веществами и энергией. Здесь ведущую роль играют фотосинтез высших растений, дыхание биоты, гумусообразование и жизнедеятельность микроорганизмов (И.М. Яшин, Л.Л. Шишов, В.А. Раскатов: Почвенно-экологические исследования в ландшафтах. 2000).

Понятие «экосистема» применяется к природным объектам различной сложности и размеров: это может быть необъятный  океан или небольшой пруд, ландшафт темнохвойной тайги или участок постоянно шелестящей осиновой рощи, разнотравный луг на плакоре увала. Термин «экосистема» предложил Эрнст Геккель (1866), а обосновал английский эколог А. Тенсли (1930); нередко термины «экосистема» и «биогеоценоз» специалисты употребляют как синонимы, но это не так. Нужно помнить, что природные экосистемы не картографируются (пока нет их таксономического деления), но экосистема удобна при изучении трофических уровней (пищевых цепей). В России широко используются географические термины при оценке ПТК: «фация», «урочище», «ландшафт». Они используются при экологическом и ландшафтном картировании. Используемые таксоны «экосистема», «биогеоценоз», «урочище» дополняют друг друга.

Внутри экологической системы органические вещества создаются автотрофными организмами (например, растениями). Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные (хищники). Такая последовательность называется пищевой цепью; каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем (греч. trophos «питание»).

В экосистемах между контурами фаций существуют своеобразная буферная зона или переходная полоса, которая называется экотоном . В такой зоне признаки и свойства выражены весьма динамично и контрастно. Экотоны позволяют оценить направленность эволюции тех или иных фаций.

Синузия– структурная часть фации, одноярусная группировка растений, сформированная в определенных экологических условиях; в лесах умеренного пояса имеется несколько синузий: ярусные (деревья, кустарники), кустарнички, травянистый и моховой покровы, эпифитные (лишайники, мхи на деревьях), почвенные животные. При мощных антропогенных нагрузках происходит варьирование соотношений между группами живых организмов. Причем отдельные виды могут вообще исчезнуть в этом регионе при химическом загрязнении, например, почвенного покрова. Чаще всего происходят адаптации одних видов и угнетение других. Соответственно площади (ареалы) распространения изучаемых видов изменяются в ландшафтах.

Рис. 1. Поток энергии через пищевую цепь.

Живые организмы первого трофического уровня - это первичные продуценты. На суше большую часть продуцентов составляют растения лесов и лугов; в природных водах - это, в основном, зелёные водоросли. Кроме того, производить органические вещества могут сине-зеленые водоросли и некоторые бактерии.

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего трофического уровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядные животные (многие жвачные животные, звери на суше, моллюски и ракообразные в воде) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы). Вторичные консументы – это плотоядные организмы: хищники, либо паразиты. В типичных пищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты – мельче. Существует ещё одна группа живых организмов, называемых редуцентами . Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом). Детритом могут также питаться животные – детритофаги, заметно ускоряя процесс разложения остатков растений и животных. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с растений), детритные пищевые цепи начинаются с детрита (с мертвого органического вещества – опада растений).

Пищевые цепи служат основой для построения экологических пирамид. Простейшими из них являются пирамиды численности организмов, которые отражают количество особей на каждом трофическом уровне. При поедании живых организмов хищниками органические вещества и соли переходят на следующий трофический уровень. Количество органических соединений, накопленных гетеротрофами, называется вторичной продукцией.

Рис.2 Пример трофической (пищевой) цепи

Поскольку хищники и гетеротрофы дышат и выделяют нетрансформированные остатки растений (и другие продукты), в каждом звене цепи часть энергии теряется. Это накладывает ограничение на длину пищевых цепей в природе; количество звеньев в них редко бывает больше шести. Эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища является энергетически менее калорийной в сравнении с животной, содержащей белки, жиры и другие биополимеры. Однако растительная пища содержит первичную энергию Солнца в химических связях органических веществ, поэтому она легче и полнее усваивается человеком и животными. Если живые организмы находятся на одном трофическом уровне, то между ними часто возникает межвидовая конкуренция за пищу (нередко и за территорию). В других случаях достигается равновесие: ни один из видов не развиваются столь же успешно, как при отсутствии конкурентов. Чаще всего возникают ситуации, когда одни виды полностью подавляются другими; такая ситуация называется конкурентным  исключение м.

Дикие виды трав в посевах с.-х. культур развиваются очень быстро, особенно в зонах тайги и смешанных лесов. С экологической точки зрения это понятно – дикие виды трав в отличие от озимой пшеницы, ячменя...- хорошо адаптированы к местным условиям. А указанные культуры завезены из их центров видообразования – субтропиков Земли. Эти виды являются культурами короткого дня и в северных широтах просто не вызревают. Поэтому продвигать их на Север, как и кукурузу, экономически

 

Рис.3 Один из способов уменьшения межвидовой конкуренции – разделение сообщества на ярусы.

 

нецелесообразно. В агроландшафтах тайги эффективно травосеяние.

Антагонистические отношения между организмами не сводятся только к борьбе за ресурсы питания, влагу и свет. Некоторые организмы (растения, грибы, бактерии) способны выделять в окружающую среду (например, в почву или в воздух) химические вещества (алкалоиды, терпеноиды, полифенолы, органические кислоты), подавляющие развитие конкурентов. Способы подавления могут быть разными: от простого растворения клеток до торможения биохимических процессов дыхания или синтеза аминокислот. Такой способ биохимического взаимодействия между видами называется аллелопатией . Иногда вытеснение из жизненного пространства производится вследствие более интенсивного размножения или преимущественного потребления воды и элементов питания одним видом. Между группами организмов могут устанавливаться и иные взаимоотношения. Например, при симбиозе (мутуализме) форма отношений складывается так, что она приносит обоюдную пользу. Иногда симбиотические взаимоотношения настолько важны, что гибель одного организма неизбежно ведёт к гибели другого. В других случаях организмы способны существовать и отдельно, хотя не столь успешно. Среди известных примеров симбиоза можно привести лишайники (водоросль плюс гриб); симбиоз бактерий, переваривающих клетчатку и целлюлозу у жвачных животных; взаимоотношения муравьев и тлей; рыбы - «санитары» и птицы - «санитары», уничтожающие паразитов на коже крупных млекопитающих и рыб. Другими примерами симбиоза является совместное существование грибов и древесных растений, насекомых и цветковых травянистых растений.

Необходимо отметить, что внутри биогеоценозов формируются группы популяций. Их развитие связано или растениями эдификаторами, или с другими факторами. Так создаются структурные единицы биогеоценозов – консорции . Учение о консорциях в 50-х годах 20-го столетия разработали Л.Г. Раменский и В.Н. Беклемишев.

Консорция– это совокупность популяций организмов, жизнедеятельность которых в пределах одного биогеоценоза трофически или топически связана с его центральным видом – эдификатором - продуцентом (автотрофным растением). Остальные виды консорции образуют ее ядро, за счет которого существуют виды, минерализующие органические вещества. Пример консорции – зрелое дерево сосны со всеми организмами: птицами, жуками-короедами, белками, эпифитными лишайниками, мхами, муравьями...

Количественное соотношение видов в биогеоценозе называется индексом разнообразия и определяется по формуле Шеннона:

                         Н = - ΣPi log₂ Pi, где Pi – доля каждого вида в сообществе.

 

Смена одних сообществ другими называется экологической сукцессией. Первичная сукцессия - когда формирование сообщества происходит, что называется «с нуля». Вторичная сукцессия наблюдается, если одно сообщество постепенно замещается другим. Последнее сообщество пищевой цепи, стабильное и находящееся в равновесии с окружающей средой, называется климаксным сообществом. Дальнейшее изменение климаксного сообщества возможно только при изменении биоклиматических условий. Сукцессия может начинаться не только на бедлендах - лишённых жизни территориях, но и в местах, на которых организмы раньше существовали, но были уничтожены, например, пожаром или вырубкой. Заметное влияние на сукцессию в этом случае оказывают сохранившиеся корневища, семена и споры различных растений, а также организмы, обитающие в почве. Нередко результатом сукцессии на таких территориях является восстановление исходного биогеоценоза.

Ниже приводятся задания и вопросы для повторения к главе 1.

При их выполнении целесообразно дополнительно использовать небольшую тетрадь в качестве черновика. Обосновав и проверив правильность ответов, студенты затем ручкой аккуратно переписывают их в Рабочую тетрадь. Сокращения не допускаются. В черновике делают различные расчетные задания, пометки зарисовки. Задания выполняются поэтапно и постепенно.

Их лучше делать на семинарах: есть возможность проконсультироваться.

 

 

Вопросы для повторения к главе 5

 

1.  Назовите основные компоненты таежной (лесной) экосистемы и степного ландшафта.

_____________________________________________________________Таежная лесная экосистема:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Степной ландшафт:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

2.  Какие типы почв характерны для лесного (таежного) и степного ландшафтов?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Перечислите компоненты и нарисуйте схему любой трофической цепи. Сколько энергии теряется при переходе с одного трофического уровня на другой?

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Схема трофической цепи:

 

3.  Что такое «продуценты», «консументы» и «редуценты»? Приведите примеры.

Продуценты – это _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Консументы - это ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Редуценты – это ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.  Объясните, что такое «экологическая пирамида»? Нарисуйте схему «пирамиды» и объясните ее значение при химическом загрязнении аграрной экосистемы.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Схема экологической пирамиды:

 

 

5.  Что такое «консорции» и «синузии»? Приведите примеры.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.  Охарактеризуйте термин «дигрессия ландшафта». Где активнее всего она происходит: на склонах или водораздельных участках агроландшафта? Как эрозия влияет на соседние ландшафты и родники?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

7. Нарисуйте контурные схемы почвенного и растительного экотонов в произвольном масштабе; объясните экологическое значение экотона.

 

Почвенный экотон

 

Растительный экотон

 

 

Пояснения________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

8. Что такое биосфера? Назовите ее основные составляющие. Чем отличается Биосфера от Ноосферы в концепции В.И. Вернадского?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9.  Назовите основные глобальные функции биосферы по В.И. Вернадскому.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10.  Перечислите природные зоны и почвы России.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

11.  Какие полевые методы используются при изучении компонентов ландшафтов? Назовите основные этапы экологического картирования.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

12.  Назовите основные типы картографических материалов. Дайте определение «масштаб карты».

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

13.  Объясните, какая информация добывается при почвенном, агрохимическом, ландшафтном и экологическом крупномасштабном картографировании почв агроландшафтов. Как она используется?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

14.  Нарисуйте условные знаки пашни, сенокоса, пастбища, кустарника, леса и болота, используемые на топографических картах.

 

   

 

15.  Какими условными знаками на топографической карте обозначается рельеф и родники? Для чего на топографических картах используются горизонтали?

 

16.  Для каких целей при изучении агроэкосистем выкапываются: прикопка , полуяма и разрез? Как они обозначаются на топокарте?

 

Разрез – это_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

     Полуяма – это

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

     Прикопка – это ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

17.  Напишите индексы основных генетических горизонтов следующих почв: подзола иллювиально-железистого песчаного и чернозема обыкновенного.

________________________________________________________________Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Подзол иллювиально-железистый песчаный на флювиогляциальных отложениях______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________