- Основной источник энергии в экосистеме
- Экологические пирамиды
- Виды экосистем
- Экосистема: что это и классификация экосистем
- Антропогенное воздействие на природные экосистемы
- Результаты антропогенного воздействия на географическую среду
- Классификация и свойства экосистем
- Наземные экосистемы
- Пресноводные экосистемы
- Морские экосистемы
- Общая характеристика экосистем
- Определение и понятие экосистемы
- Виды экосистем
Основной источник энергии в экосистеме
Основным (и практически единственным) источником энергии в экосистеме является солнечный свет, который трансформируется в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему покидает её в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток).
Следует отметить, что только около 2 % поступающей на поверхность земли энергии усваивается автотрофными организмами, большая часть (до 98%) рассеивается в виде тепловой энергии.
Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновременно цепь энергетическая, т. е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям.
Организмы-потребители (консументы), питаясь органическим веществом продуцентов, получают от них энергию, частично идущую на построение собственного органического вещества и связывающуюся в молекулах соответствующих химических соединений, а частично расходующуюся на дыхание, теплоотдачу, выполнение движений в процессе поиска пищи, ускользания от врагов и т. п.
Таким образом, в экосистеме имеет место непрерывный поток энергии, заключающийся в передаче ее от одного пищевого уровня к другому. В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием энергии на каждом последующем звене, т. е. с ее потерями и возрастанием энтропии. Понятно, что это рассеивание все время компенсируется поступлением энергии от Солнца.
Экологические пирамиды
Трофическую структуру можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид.
Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.
Известны три основных типа экологических пирамид:
- — пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пирамида Элтона);
- — пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества;
- — пирамида энергии, имеющая универсальный характер, показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях.
Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.
Виды экосистем
Существует несколько классификаций экосистем.
Экосистемы по характеру происхождения:
- — природные (болото, луг);
- — искусственные (пашня, сад, космический корабль).
Экосистемы по размерам:
- — микроэкосистемы (например, ствол упавшего дерева или поляна в лесу);
- — мезоэкосистемы (лесной массив или степной колок);
- — макроэкосистемы (тайга, море);
- — экосистемы глобального уровня (планеты Земля).
Экосистемы по типу источника энергии:
- — движимые Солнцем, малосубсидируемые – получают энергию практически только от Солнца и имеют низкую продуктивность (открытые океаны, высокогорные леса);
- — движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками – экосистемы, обладающие естественной плодородностью и производящие излишки органического вещества, которые могут накапливаться (заливы, дождевые леса);
- — движимые Солнцем и субсидируемые человеком – наземные и водные агроэкосистемы, получающие энергию не только от Солнца, но и от человека в виде орошения, удобрения (поля зерновых и т.п.);
- — движимые топливом (индустриально-городские экосистемы) – высококонцентрированная энергия топлива не дополняет, а заменяет солнечную энергию, а пища привозится извне (города, мегаполисы).
Экосистема: что это и классификация экосистем
Экологическая система (экосистема) – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.
Различают водные и наземные природные экосистемы.
Водные экосистемы – это реки, озера, пруды, болота – пресноводные экосистемы, а также моря и океаны – водоемы с соленой водой.
Наземные экосистемы – это тундровая, таежная, лесная, лесостепная, степная, полупустынная, пустынная, горная экосистемы.
В каждой наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп – участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями; и биотический компонент – сообщество, или биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп.
Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов.
Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию данного вида в экосистеме. Биоценоз очень трудно рассматривать отдельно от биотопа, поэтому вводят такое понятие, как биогеоценоз ( биотоп+биоценоз).
Биогеоценоз — элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем.
В каждую экосистему входят группы организмов разных видов, различимые по способу питания:
- — автотрофы (“самопитающиеся”);
- — гетеротрофы (“питающиеся другими”);
- — консументы – потребители органического вещества живых организмов;
- — дитритофаги, или сапрофаги, — организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных;
- — редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порции двуокиси углерода, воды и минеральных элементов.
Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии.
Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:
- 1) экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов.
- 2) в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие.
- 3) экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.
Примерами природных экосистем являются: упавшее дерево, труп животного, маленький водоем, озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера.
Как видно из примеров, более простые экосистемы входят в более сложно организованные.
При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических. Поэтому экосистемы делятся по пространственному масштабу на микроэкосистемы, мезоэкосистемы и макроэкосистемы.
Таким образом, устройство природы следует рассматривать как системное целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема — биосфера.
В ее рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты.
Антропогенное воздействие на природные экосистемы
Антропогенные факторы, т.е. результаты деятельности человека, приводящие к изменению среды обитания можно рассматривать на уровне региона, страны или глобальном уровне.
Антропогенное загрязнение атмосферы приводит к глобальному изменению.
Загрязнения атмосферы поступают в виде аэрозолей и газообразных веществ. Наибольшую опасность представляют газообразные вещества, на долю которых приходится около 80% всех выбросов. Прежде всего — это соединения серы, углерода, азота.
Углекислый газ сам по себе не ядовит, но с его накоплением связана опасность такого глобального процесса как «парниковый эффект». Последствие мы видим по потеплению климата на Земле.
С попаданием в атмосферу соединений серы и азота связано выпадение кислотных дождей. Двуокись серы и окислы азота в воздухе соединяются с парами воды, затем вместе с дождями выпадают на землю фактически в виде разбавленных серной и азотной кислот.
Такие осадки резко нарушают кислотность почвы, способствуют гибели растений и высыханию лесов, особенно хвойных. Попадая в реки и озера угнетающе действуют на флору и фауну, нередко приводя к полному уничтожению биологической жизни — от рыб до микроорганизмов.
Расстояние между местом образования кислотных осадков и местом их выпадения может составлять тысячи километров.
Эти отрицательные воздействия глобального масштаба усугубляются процессами опустынивания и вырубки лесов. Главный фактор опустынивания — это деятельность самого человека. Среди антропогенных причин — это избыточный выпас скота, вырубка лесов, чрезмерная и неправильная эксплуатация земель.
Ученые подсчитали, что общая площадь антропогенных пустынь превысила площадь естественных. Вот почему опустынивание относят к числу глобальных процессов.
Теперь рассмотрим примеры антропогенного воздействия на уровне нашей страны.
Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам пресной воды. И учитывая, что общие ресурсы пресной воды составляют от общего объема гидросферы Земли всего 2%, становится ясно, каким богатством мы обладаем.
Главною опасность для этих ресурсов представляет загрязнение гидросферы. Основные запасы пресной воды сосредоточены в озерах, площадь которых в нашей стране больше территории Великобритании. В одном только Байкале находится примерно 20% мировых запасов пресной воды.
Ученые различают три вида загрязнения гидросферы : физическое, химическое и биологическое.
Под физическим понимается прежде всего тепловое загрязнение, образующееся в результате сброса подогретых вод, используемых для охлаждения на ТЭС и АЭС.
Сброс таких вод приводит к нарушению природного водного режима. Например, реки в местах сброса таких вод не замерзают.
В замкнутых водоемах это приводит к уменьшению содержания кислорода, что приводит к гибели рыб и бурному развитию одноклеточных водорослей («цветению» воды). К физическому загрязнению относят также радиоактивные загрязнения.
Химическое загрязнение гидросферы возникает в результате попадания в нее различных химических веществ и соединений.
Примером служит сброс в водоемы тяжелых металлов (свинец, ртуть), удобрений (нитраты, фосфаты) и углеводородов (нефть, органические загрязнения). Главным источником выступает промышленность и транспорт.
Биологическое загрязнение создается микроорганизмами, часто болезнетворными. В водную среду они попадают со стоками химической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности и животноводческих комплексов.
Такие стоки могут явиться источниками различных заболеваний.
Особый вопрос в этой теме загрязнение Мирового океана.
Оно происходит тремя путями.
Первый из них — речной сток, вместе с которым в океан попадают миллионы тонн различных металлов, соединений фосфора, органические загрязнения. При этом почти все взвешенные и большинство растворенных веществ осаждаются в устьях рек и прилегающих шельфах.
Второй путь загрязнения связан с атмосферными осадками, с ними в Мировой океан поступает большая часть свинца, половина ртути и пестицидов.
Наконец, третий путь непосредственно связан с хозяйственной деятельностью человека в акваториях Мирового океана.
Наиболее распространенный вид загрязнения — нефтяное загрязнение при транспортировке и добыче нефти.
Результаты антропогенного воздействия на географическую среду
В наше время последствия антропогенного воздействия на географическую среду многообразны и не все они контролируются человеком, многие из них проявляются позже. Перечислим основные из них.
Изменение климата (геофизики) Земли на основе усиления тепличного эффекта, выбросов метана и других газов, аэрозолей, радиоактивных газов, изменения концентрации озона.
Ослабление озонового экрана, образование большой «озоновой дыры» над Антарктидой и «малых дыр» в других регионах.
Загрязнение ближайшего космического пространства и его замусоривание.
Загрязнение атмосферы ядовитыми и вредными веществами с последующим выпадением кислотных дождей и разрушением озонового слоя, в котором участвуют фреоны, окислы азота, водяные пары и другие газовые примеси.
Загрязнение океана, захоронение в нем ядовитых и радиоактивных веществ, насыщение его вод углекислым газом из атмосферы, загрязнение нефтепродуктами, тяжелыми металлами, сложноорганическими соединениями, разрыв нормальной экологической связи между океаном и водами суши из-за строительства плотин и других гидросооружений.
Истощение и загрязнение поверхностных вод суши и подземных вод, нарушение баланса между поверхностными и подземными водами.
Радиоактивное загрязнение локальных участков и некоторых регионов, в связи с чернобыльской аварией, эксплуатацией атомных устройств и атомными испытаниями.
Продолжающееся накопление на поверхности суши ядовитых и радиоактивных веществ, бытового мусора и промышленных отходов (особенно неразлагающихся пластмасс), возникновение в них вторичных химических реакций с образованием токсичных веществ.
Опустынивание планеты, расширение уже существующих пустынь и углубление самого процесса опустынивания.
Сокращение площадей тропических и северных лесов, ведущее к уменьшению количества кислорода и исчезновению видов животных и растений.
Нарушение регионального и глобального экологического равновесия в результате вышеперечисленных процессов, вследствие чего возникают незаполненные экологические ниши, которые заполняются нежелательными организмами — вредителями, паразитами, возбудителями новых болезней растений, животных и человека.
Вероятно, так возник и распространяется вирус иммунодефицита человека — ВИЧ, вызывающий неизлечимое заболевание — СПИД, и возбудителей лейкозов скота и коровьего бешенства.
Классификация и свойства экосистем
Впервые термин «Экосистема» был предложен в 1935 году английским экологом А. Тенсли. Экосистема – это основная структурная единица экологии, представляет собой единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты, объединены причинно-следственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии.
Экосистемы очень разнообразны. Существует несколько классификаций экосистем.
По происхождению различают следующие типы экосистем.
1. Природные (естественные) экосистемы — это такие экосистемы, в которых биологический круговорот протекает без прямого участия человека. По энергетическому признаку они делятся на два вида:
- — экосистемы, полностью зависящие от прямого солнечного излучения, получающие мало энергии, и поэтому малопродуктивны.
Однако они крайне важны, так как занимают огромные площади, на которых очищаются большие объемы воздуха, формируются климатические условия и т.д.
- — экосистемы, получаемые энергию и от Солнца, и от других естественных источников. Данные экосистемы намного продуктивнее первых.
2. Антропогенные (искусственные) экосистемы — экосистемы, созданные человеком, которые способны существовать только при поддержке человека.
Среди данных экосистем выделяют:
- — агроэкосистемы (греч. agros — поле) — искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека;
- — техноэкосистемы — искусственные экосистемы, возникающие в результате промышленной деятельности человека;
- — урбаноэкосистемы (лат. urbanus — городской) — экосистемы, возникающие в результате создания поселений человека.
В индустриально-городских экосистемах энергия топлива не дополняет, а заменяет солнечную энергию. Потребность в энергии плотно заселенных городов на 2-3 порядка больше того потока, который поддерживает жизнь в эстественных экосистемах, движимых Солнцем.
Существуют и переходные между природными и антропогенным типы экосистем, например, экосистемы естественных пастбищ, используемых человеком для выпаса сельскохозяйственных животных.
Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы. Существует классификация естественных экосистем в зависимости от природных и климатических условий, основанная на преобладающем типе растительности в крупных регионах-биомах.
Биом – совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтно-географической зоне. Биом характеризуется основным типом климата, растительности или особенностями ландшафта.
Наземные экосистемы
К основным типам природных экосистем и биомов (по Ю. Одуму, 1986) относятся следующие наземные экосистемы:
- — вечнозеленый тропический дождевой лес;
- — полувечнозеленый тропический лес (выраженный влажный и сухой сезоны);
- — пустыня травянистая кустарниковая;
- — чапараль – районы с дождливой зимой и засушливым летом;
- — тропические злаковники (грасленд) и саванна;
- — степь умеренной зоны;
- — листопадный лес умеренной зоны;
- — бореальные хвойные леса;
- — тундра арктическая и альпийская.
В водных местообитаниях, где растительность малозаметна, в основе выделения экосистем находятся гидрологические и физические особенности среды, например «стоячая вода», «текучая вода».
Водные экосистемы делятся на пресноводные и морские.
Пресноводные экосистемы
- — ленточные (стоячие воды) – озера, пруды и т.д.;
- — лотические (текучие воды) – реки, ручьи и т.д.;
- — заболоченные угодья – болота и болотистые леса.
Морские экосистемы
- — открытый океан (пелагическая экосистема);
- — воды континентального шельфа (прибрежные воды);
- — районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);
- — эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек и др.);
- — глубоководные рифтовые зоны.
Общая характеристика экосистем
Определение и понятие экосистемы
Понятие экосистемы является одним из основных понятий в современной экологии.
Термин «экосистема» был введен в употребление А. Тенсли в 1935 г., спустя более полувека после выделения экологии как самостоятельной отрасли научных знаний (1866).
Экосистема — это функциональное единство живых организмов и среды их обитания.
Под экосистемой понимается совокупность живых организмов (сообществ) и среды их обитания, образующих благодаря круговороту веществ, устойчивую систему жизни
Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально- энергетическими связями.
Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода.
В любом конкретном месте обитания 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 (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков.
Следовательно, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.
В отечественной литературе широко применяется термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г. B. НСукачевым.
В биогеоценозе В.Н. Сукачев выделял два блока:экотоп — совокупность условий абиотической среды ибиоценоз — совокупность всех живых организмов.
Экотоп часто рассматривают как абиотическую среду, не преобразованную растениями (первичный комплекс факторов физико-географической среды), а биотоп — как совокупность элементов абиотической среды, видоизмененных средообразующей деятельностью живых организмов.
Структура экосистемы достаточно полно проявляется на примере биогеоценоза, все компоненты которого тесно связаны между собой
— единством территории,
— общим потоком энергии (от Солнца к автотрофам и от них к гетеротрофам), обменом биогенных химических элементов,
— сезонными колебаниями климатических условий,
— численностью и взаимной приспособленностью видов всех уровней организации.
Виды экосистем
Важнейшей с точки зрения организации экосистем является их видовая структура.
Экосистема – сложный объект, при изучении которого используют методы системного анализа.
Классификация таких сложных систем должна проводиться по различным основаниям, или признакам деления на классы.
По пространственному масштабу выделяются экосистемы различного ранга:
- микроэкосистемы,
- мезоэкосистемы,
- макроэкосистемы и
- глобальная экосистема.
Наименьший ранг имеют микроэкосистемы, примерами которых могут служитьмаленький водоем, труп животного с населяющими его организмами или ствол упавшего дерева в стадии биологического разложения, домашний аквариум и даже лужица или капля воды, пока в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ.
Экосистемы промежуточного ранга называются мезоэкосистемами(лес, пруд, река).
Макроэкосистемы имеют большой пространственный масштаб и связаны с крупными географическими объектами, составляющими по размерам значительную часть земной поверхности (например, океан, континент и т.п.).
Самый большой ранг имеет глобальная экосистема, эквивалентная биосфере Земли в целом.
Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.
Для удобства рассмотрения некоторых особенностей взаимодействия общества и природыв рамках изучаемой дисциплины по степени антропогенного воздействия на природную среду будем различать три следующих вида экосистем:
- природные,
- антропогенные.
- социоприродные
Природные экосистемы, – это естественные экосистемы, при изучении которых не учитываются какие бы то ни было антропогенные воздействия.
По характеру среды обитания сообществ живых организмов природные (естественные) экосистемы разделяют на наземные и водные, среди последних иногда выделяют пресноводные и морские экосистемы.
Основные экологические свойства экосистем существенно зависят от различия условий среды обитания (географических, гидрографических, климатических, почвенных и др).
Поэтому указанные виды природных экосистем разделяются в свою очередь на различные типы экосистем. В классе наземных экосистем выделяют тундровые, таежные, степные и др., а пресноводные экосистемы делят на озерные, речные, болотные и т.п.
Антропогенные экосистемы— искусственные экосистемы, непосредственно и целенаправленно созданные человеком для удовлетворения своих потребностей.
Их удобно разделять на техногенные и агроэкосистемы.
К техногенным относятся экосистемы, целенаправленно созданные для решения определенных задач охраны окружающей среды и природопользования, например, сложные очистные сооружения и комплексы биологической очистки сточных вод во многих крупных городах мира.
Агроэкосистемы создаются практически во всех странах и предназначены для резкого повышения плодородия земель и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур на основе химизации и применения новых технологий сельскохозяйственного производства.
Социоприродные экосистемы, которые формируются не в результате целенаправленной деятельности человека, а возникают опосредованно вследствие взаимодействия человеческого общества с природной средой.
Неосознанная деятельность человека, связанная с удовлетворением его постоянно растущих потребностей, приводит к тому, что естественные экосистемы в окружающей его среде трансформируются (преобразуются) в социоприродные экосистемы, состоящие из живой и неживой природы и неприроды, т.е. культуры.
Особенностью рассмотрения социоприродных экосистем является включение в состав экосистемы человека как носителя культуры.
Необходимость такого социоприродного подхода к рассмотрению экосистем в современной экологии обусловлена и тем, что человек в современных условиях стал геологической преобразующей силой, без учета которой невозможно разрабатывать стратегии устойчивого развития цивилизции и рационального природопользования.
Экологические системы разных уровней представляют собой основные функциональные единицы биосферы.
Все экосистемы, в зависимости от вида используемой энергии, можно разделить на следующие типы.
1 тип. Экосистемы, для которых основным источником энергии является Солнце. Эти экосистемы имеют низкую продуктивность: не более 10000ккал/м2·год. Примерами таких систем являются открытый океан, горные массивы, и другие системы, вместе занимающие большую часть поверхности Земли.
Эти экосистемы играют важную роль в биосфере Земли, обеспечивая ее устойчивость и в значительной мере формируя на климат планеты.
2 тип. Экосистемы, в которых источниками энергии кроме Солнца являются некоторые другие природные объекты. Источником дополнительной энергии в этом случае может быть энергия приливов, отливов, океанских течений и т.д.
Избыток органического вещества в таких системах может откладываться, образуя запас питательных веществ. Поэтому такие системы обладают значительной продуктивностью.