Общая характеристика экосистемы

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 28Следующая ⇒

Термин «экосистема» предложил английский эколог А. Тенсли в 1935 году. Экосистема – это любая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды.

Экосистемами являются, например, муравейник, участок леса, территория фермы, кабина космического корабля, географический ландшафт или даже весь земной шар. Экологи используют также термин «биогеоценоз», предложенный русским ученым В.Н. Сукачевым. Этим термином обозначается совокупность растений, животных, микроорганизмов, почвы и атмосферы на однородном участке суши. Биогеоценоз – это один из вариантов экосистемы.

Между экосистемами, как и между биогеоценозами, обычно нет четких границ, и одна экосистема постепенно переходит в другую. Большие экосистемы состоят из экосистем меньшего размера.

На рис. 29 показана «матрешка» экосистем. Чем меньше размер экосистемы, тем теснее взаимодействуют входящие в ее состав организмы. В муравейнике живет организованный коллектив муравьев, в котором все обязанности распределены. Есть муравьи-охотники, охранники, строители. Кроме муравьев в экосистему муравейника входят различные бактерии, которые разрушают экскременты насекомых, а также грибы.

Экосистема муравейника входит в состав лесного биогеоценоза, а лесной биогеоценоз – часть географического ландшафта. Состав лесной экосистемы более сложный, в лесу совместно проживают представители многих видов растений, животных, грибов, бактерий. Связи между ними не столь тесны, как в экосистеме муравейника. Многие животные проводят в лесной экосистеме только часть времени.

Внутри ландшафта разные биогеоценозы связаны надземным и подземным движением воды, в которой растворены минеральные вещества. Наиболее интенсивно перемещается вода с минеральными веществами в пределах водосборного бассейна – водоема (озера, реки) и примыкающих к нему склонов, с которых в этот водоем стекают надземные и подземные воды. В экосистему водосборного бассейна входят несколько разных экосистем – лес, луг, участки пашни. Организмы всех этих экосистем могут не иметь прямых взаимоотношений и связаны через подземные и надземные потоки воды, которые перемещаются к водоему.

В пределах ландшафта переносятся семена растений, перемещаются животные. Нора лисы или логово волка находятся в одном биогеоценозе, а охотятся эти хищники на большой территории, состоящей из нескольких биогеоценозов.

Ландшафты объединяются в физико-географические районы (например, Русская равнина, Западно-Сибирская низменность), где разные биогеоценозы связаны общим климатом, геологическим строением территории и возможностью расселения животных и растений. Связи между организмами, включая человека, в экосистемах масштаба физико-географического района и биосферы осуществляются через изменение газового состава атмосферы и химического состава водоемов.

Наконец, все экосистемы земного шара связаны через атмосферу и Мировой океан, в который поступают продукты жизнедеятельности организмов, и составляют единое целое – биосферу.

Контрольные вопросы

1. Что такое экосистема?

2. Как вы понимаете выражение «матрешка экосистем»?

3. Как изменяется теснота связи видов, входящих в экосистему, с увеличением ее размера?

Состав экосистемы

В состав экосистемы входят живые организмы (их совокупность назвается биоценозом, или биотой, экосистемы), факторы неживой природы (абиотические) – атмосфера, вода, питательные элементы, свет и мертвое органическое вещество – детрит.

Все живые организмы по способу питания (по функциональной роли) разделяются на две группы – автотрофов (от греческих слов аутос – сам и трофо – питание) и гетеротрофов (от греческого слова гетерос — другой).

Автотрофы. Эти организмы для синтеза органического вещества используют неорганический углерод, это – продуценты экосистемы. По используемому источнику энергии они, в свою очередь, также делятся на две группы.

Фотоавтотрофыиспользуют свет. Это зеленые растения, цианобактерии, а также многие окрашенные бактерии, имеющие хлорофилл (и другие пигменты) и усваивающие солнечную энергию. Процесс, при котором происходит ее усвоение, называется фотосинтезом.

Хемоавтотрофыиспользуют химическую энергию окисления неорганических веществ (серы, сероводорода, аммиака, железа и др.). Это серобактерии, водородобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии и др. Хемоавтотрофы играют главную роль в экосистемах подземных вод, а также в особых экосистемах рифтовых зон дна океана, где из разломов плит выделяется сероводород, который окисляют серобактерии. В наземных экосистемах существенную роль играют роль нитрифицирующие бактерии.

Гетеротрофы. Эти организмы питаются готовыми органическими веществами, которые синтезированы продуцентами, и вместе с этими веществами получают энергию. Гетеротрофы в экосистеме являются консументами (от латинского слова консумо – потребляю), потребляющими органическое вещество, и редуцентами, разлагающими его до простых соединений. Существует несколько групп консументов.

Фитофаги (растительноядные). К ним относятся животные, которые питаются живыми растениями. Среди фитофагов есть и небольшие организмы, такие, как тля или кузнечик, и гиганты, такие, как слон. Фитофагами являются почти все сельскохозяйственные животные: корова, лошадь, овца, кролик. Главные фитофаги в водных экосистемах – это микроскопические организмы растительноядного планктона, питающиеся водорослями. Есть в этих экосистемах и крупные фитофаги, например, рыба белый амур, поедающий растения, которыми зарастают оросительные каналы. Важный фитофаг – бобр. Он питается ветками деревьев, а из стволов сооружает плотины, регулирующие водный режим территории.

Зоофаги (хищники, плотоядные). Зоофаги очень разнообразны. Это и мелкие животные, питающиеся амебами, червями или рачками. И крупные, такие, как волк. Хищники, питающиеся более мелкими хищниками, называются хищниками второго порядка. В водных экосистемах широко распространены зоофаги-фильтраторы, в составе этой группы – и микроскопические рачки и кит. Фильтраторы играют огромную роль в самоочищении загрязненных вод (рис. 30). Только планктонные морские веслоногие раки из рода каланус за несколько лет способны профильтровать воды всего Мирового океана!

Есть растения-хищники (росянка, пузырчатка), которые используют в пищу насекомых. Правда, их способ питания отличается от хищников-животных. Они «ловят» мелких насекомых, но не заглатывают их, а «переваривают», выделяя ферменты на свою поверхность. Есть хищники и среди почвенных грибов, которые «ловят» микроскопических круглых червей-нематод.

Паразиты. Это разные животные (черви, насекомые, клещи), грибы, бактерии, вирусы, реже растения (заразиха, повилика и др.), которые питаются органическим веществом другого живого существа – хозяина. Хозяином может быть растение или животное (включая человека). Паразит не убивает хозяина, как хищник жертву, а поселяется на нем (или внутри него) и долго использует его для питания. Паразиты могут снижать продолжительность жизни хозяина, его упитанность и плодовитость.

Паразиты очень разнообразны. Наряду с настоящими паразитами, которые питаются только за счет хозяина или нескольких хозяев (многие паразиты в течение жизни сменяют двух или трех хозяев), широко распространены паразитоиды, которые часть своей жизни проводят как фитофаги. Среди паразитоидов много насекомых, полезных для человека: на стадии личинки они паразитируют во вредителях сельскохозяйственных растений.

Существуют суперпаразиты – паразиты паразитов.

Симбиотрофы. Это бактерии и грибы, которые питаются корневыми выделениями растений. Симбиотрофы очень важны для жизни экосистемы. Нити грибов, опутывающие корни растений, помогают всасыванию воды и минеральных веществ. Бактерии-симбиотрофы усваивают газообразный азот из атмосферы и связывают его в доступные растениям соединения (аммиак, нитраты). Этот азот называется биологическим (в отличие от азота минеральных удобрений).

К симбиотрофам относятся и микроорганизмы (бактерии, одноклеточные животные), которые обитают в пищеварительном тракте животных-фитофагов и помогают им переваривать пищу. Такие животные, как корова, без помощи симбиотрофов не способны переварить поедаемую траву.

Детритофаги – организмы, питающиеся мертвым органическим веществом. Это многоножки, дождевые черви, жуки-навозники, раки, крабы, шакалы и многие другие. Значительное разнообразие видов-детритофагов связано с почвой. Многочисленны детритофаги, разрушающие древесину (рис. 31).

Организмы, которые питаются экскрементами, называются копрофагами. Некоторые организмы используют в пищу как растения, так и животных и даже детрит и относятся к эврифагам (всеядным) – медведь, лиса, свинья, крыса, курица, ворона, тараканы. Эврифагом является и человек.

Редуценты – организмы, которые по своему положению в экосистеме близки к детритофагам, так как они тоже питаются мертвым органическим веществом. Однако редуценты – бактерии и грибы – разрушают органические вещества до минеральных соединений, которые возвращаются в почвенный раствор и снова используются растениями.

Для переработки мертвого органического вещества редуцентам нужно время. Поэтому в экосистеме всегда есть запас этого вещества – детрит. Детрит – это опад листьев на поверхности лесной почвы (сохраняется 2–3 года), ствол упавшего дерева (сохраняется 5–10 лет), гумус почвы (сохраняется сотни лет), отложения органического вещества на дне озера – сапропель и торф на болоте (сохраняется тысячи лет). Наиболее долго сохраняющимся детритом являются каменный уголь и нефть.

Продуценты, фитофаги, хищники связаны в процессе «работы» экосистемы, то есть усвоении и расходовании энергии при производстве органического вещества и как бы участвуют в «эстафете» передачи энергии. Номер участника «эстафеты» – это его трофический уровень. Первый трофический уровень – продуценты, второй – фитофаги, третий – хищники первого порядка, четвертый – хищники второго порядка. В некоторых экосистемах, например в озере, количество трофических уровней может достигать 5-6.

На рис. 32 показана структура экосистемы, основу которой составляют растения – фотоавтотрофы, а в табл. 1 приведены примеры представителей разных трофических групп для некоторых экосистем.

Таблица 1

Представители разных трофических групп в некоторых экосистемах

Трофическая группа	Экосистема
Лес	Водоем	Сельскохозяйственные угодья
Продуценты	Ель, береза, сосна	Водоросли, рдест, кувшинка, ряска	Пшеница, рожь, картофель, осот
Консументы-фитофаги	Лось, заяц, белка, непарный шелкопряд, тля	Дафния, ондатра, толстолобик	Человек, корова, овца, мышь, полевка, долгоносик, тля
Консументы-зоофаги	Волк, лисица, хорь, дятел, муравьи	Рачки-циклопы, чайка, окунь, язь, щука, сом	Человек, скворец, божья коровка
Консументы-детритофаги	Жук-мертвоед, кивсяк, дождевой червь	Перловица, мотыль, дафния	Личинки жуков и мух дождевой червь

Контрольные вопросы

1. В каких экосистемах важную роль играют хемоавтотрофы?

2. Перечислите основные группы консументов и приведите их примеры.

3. Чем отличаются паразиты от хищников?

4. Чем отличаются детритофаги от редуцентов?

5. Какую роль в экосистемах играют копрофаги?

6. В чем отличие бактерий-симбиотрофов от бактерий-редуцентов?

Почва

Экосистемы состоят из живых организмов и среды обитания, которая дает им ресурсы – энергию, воду, питательные вещества. Однако есть в экосистеме один элемент, который нельзя отнести ни к собственно живым ее компонентам, ни к мертвым условиям среды. Это почва – верхний слой суши, преобразованный деятельностью живых организмов. Толщина почвы в разных районах Земли составляет от нескольких сантиметров до 2 м.

Главное вещество почвы – это гумус, который по своей природе является детритом, т.е. временно исключенным из «производственного процесса» экосистемы органическим веществом.

Гумус – «дитя» солнца, которое производит его, используя в качестве «инструмента» живые организмы (растения, животных, микроорганизмы), из данного Землей материала – верхнего слоя земной коры, воды и атмосферы. (рис. 33).

Химический состав гумуса очень сложен, он состоит из фенолов и органических кислот темной окраски и образуется в результате процесса разложения (гумификации) органических веществ корневых остатков растений и почвенных животных. На долю гумуса приходится до 98% всего органического вещества почвы (остальное – живые корни, почвенные животные и неразложившиеся мертвые остатки организмов).

Одновременно с процессом гумификации органического вещества происходит процесс дегумификации – минерализации гумуса. Под действием микроорганизмов входящие в его состав сложные органические соединения разрушаются до форм, доступных растениям. В естественных (или в сельскохозяйственных, но правильно используемых) почвах между процессами гумификации и минерализации существует равновесие, т.е. гумуса образуется столько, сколько его разрушается. При пахотном использовании почв процессы минерализации идут активнее, чем накопление гумуса, и потому, если не вносить дополнительно органические вещества (например, навоз), то количество гумуса будет уменьшаться – произойдет дегумификация почв.

У разных почв – разные свойства. Они содержат разный запас питательных веществ, имеют разную реакцию почвенного раствора (могут быть кислыми, нормальными и щелочными), разные физические свойства (могут быть более рыхлыми и более плотными), разный режим увлажнения (т.е. количество влаги, которое в разные сезоны года содержится в разных слоях почвы). На рис. 34 показаны факторы формирования почв.

В почвах буквально кишит жизнь, хотя она и не столь заметна, как буйное цветение степных трав, шелест листвы лесов, пение птиц. Жизнь в почве тихая: корни растений, опутанные грибницей, поглощают влагу и растворенные в ней питательные вещества, бактерии-азотфиксаторы усваивают атмосферный азот, огромнейшая армия почвенных животных кормится за счет живых и особенно мертвых корней и ест друг друга, микроорганизмы разлагают органическую массу до простых органических и минеральных соединений и возвращают их в почвенный раствор. (Рис. 35).

Именно в почве сосредоточена основная биомасса животных (95–99%). При этом почвенная животная биомасса формируется не за счет крупных организмов, которые живут в норах (кроты, суслики, полевки, мыши), а в основном за счет различных червей, насекомых, клещей и других низших животных из числа детритофагов. На 1 м² почвы в лесах умеренной зоны России можно обнаружить около 1000 видов животных, при этом численность нематод и простейших может превышать 10 млн., ногохвосток и почвенных клещей – 100 тыс., других беспозвоночных – 50 тыс.

Естественный процесс почвообразования нарушается, если на почвы влияет человек.

Контрольные вопросы

1. Какова роль гумуса в почве?

2. Какие последствия вызывает пахотное использование почв?

3. Как богат мир почвенных обитателей? Какова их роль в экосистеме?

ДОП. § 21. Разнообразие почв

Как уже говорилось, почвы являются важнейшей частью любых наземных экосистем – естественных и сельскохозяйственных. Почвы не менее разнообразны, чем биологические (живые) компоненты экосистем. (Рис. 36).

В разных условиях в зависимости от климата, режима увлажнения и исходного материала, то есть материнской породы, формируются разные почвы. Самые плодородные почвы – черноземы, они формировались под степной растительностью, которая очень продуктивна и имеет глубокую корневую систему. Осадков при этом достаточно, чтобы обеспечить высокий урожай степных растений, но недостаточно, чтобы вымывать накапливаемые почвой органические и минеральные соединения в глубь почвенной толщи. Поэтому, если выкопать яму и посмотреть, как выглядит черноземная почва, то можно увидеть, что черный от накопленного гумуса слой, лишь слегка светлея, идет на глубину до 1 м (бывает и более). В южной части степной зоны, где выпадает меньше 300 мм осадков, черноземы переходят в каштановые почвы, почвы полупустынь содержат еще меньше гумуса и называются бурыми. Наконец, почвы пустынь – это сероземы, в которых содержание гумуса меньше 0, 5%.

В зоне тайги, где осадков выпадает больше и формируются хвойные леса из ели, почва другая. Органического вещества в ельнике накапливается меньше, чем в степи, а опадающие с деревьев хвоинки, перегнивая, выделяют органические кислоты, которые растворяются в обильных дождевых и снеговых водах. Подкисленные воды просачиваются внутрь почвы, увлекая за собой и органическое вещество, и некоторые минеральные элементы. Этот процесс называется выщелачиванием. Поэтому, если у черноземов сверху расположен толстый темноокрашенный слой гумуса, то у почв еловых лесов под тонким слоем гумуса расположен белесый промытый слой. Он напоминает печную золу и называется подзолистым, а сами почвы – подзолистыми, или подзолами.

Под широколиственными лесами образуются почвы, которые занимают переходное положение между подзолами и черноземами и называются серыми лесными. По сходству с подзолами и черноземами их разделяют на светло-серые, серые и темно-серые лесные. В светло-серых почвах выщелачивание идет активнее, чем в темно-серых, и потому они более похожи на подзолы. Темно-серые почвы, наоборот, похожи на черноземы, среди которых также есть варианты, где слегка выражен процесс выщелачивания (оподзоленные черноземы, выщелоченные черноземы).

Почвы субтропических районов называются красноземами, тропических – латеритными. Для таких почв характерен ускоренный круговорот органического вещества, которое быстро минерализуется до соединений, доступных растениям. Запасы плодородия (гумуса) в них невелики.

Особые почвы формируются в речных поймах, которые регулярно заливаются паводковыми водами весной или в начале лета. Они различаются в зависимости от того, на какой срок заливаются почвы (это, в свою очередь, зависит от высоты участка над среднелетним уровнем воды, который называется меженью) и с какой скоростью протекают через участок паводковые воды (близ русла скорость выше, в отдалении от него она резко уменьшается).

Близ речного русла, где затопление длительное и отлагаются обильные наилки легкого механического состава (т.е. содержащие много песчаных частиц), почвы не имеют выраженного гумусового горизонта. Для них характерна особая слоистая структура, напоминающая торт «наполеон»: чередуются тонкие прослойки песка и суглинка.

В отдалении от русла у почв развивается гумусовый горизонт, и они приобретают характер зональных почв: в лесной зоне – подзолистых или серых, в степной – черноземов. В поймах всегда много почв лугового и лугово-болотного типов, которые формируются в условиях обильного увлажнения за счет близкого к поверхности расположения грунтовых вод. Эти почвы имеют мощные гумусовые горизонты с высоким содержанием в них гумуса.

Болотные почвы распространены не только в поймах. Их можно встретить в разных зонах в низких элементах рельефа. Они представляют переход к торфяникам, в которых образуется не гумус, а торф, состоящий из слабо перегнивших растительных остатков.

В горах характер почвы зависит от высотного пояса, однако подзолообразовательный процесс не выражен даже в поясе хвойных лесов, так как почвы надолго промерзают. Для горных почв характерен тонкий гумусовый горизонт и наличие в их составе щебня.

В степных районах России есть особые почвы, которые насыщены солями: хлоридами, сульфатами, содой. Насыщенные солями по всей толще почвы называют солончаковыми, а если солей очень много, то солончаками. Если засоленный слой расположен на некоторой глубине от поверхности (это может быть и 5–10 и 30–50 см), почвы называются солонцами.

Засоление почв может быть первичным, т.е. связанным с природными процессами, и вторичным, если его вызывает человек неумелым природопользованием. Вторичное засоление, вызванное подъемом к поверхности грунтовых вод из засоленных горизонтов, нанесло большой вред почвам южной части степной зоны России, где широко применяли орошение.

Плодородие почв из-за засоления резко снижается и, как правило, их приходится забрасывать. Многие тысячи гектаров вторично засоленных почв появились в степном Заволжье, в низовьях рек Дон и Кубань. Чтобы избежать засоления, необходимо снижать нормы полива и использовать экологически безопасные приемы улучшения водного снабжения растений – капельный и внутрипочвенный поливы. При таком орошении вода поступает непосредственно к корням растений, уменьшается ее испарение с поверхности почвы и, соответственно, накопление солей в ее верхнем слое.

Главным показателем плодородия почв является запас гумуса (рис. 37).

Контрольные вопросы

1. Какие основные типы почв сменяются на территории России от зоны тайги до полупустынь?

2. В чем особенности пойменных почв?

3. Что является причиной вторичного засоления почв?

Заключение

Понятие «экосистема» очень широкое, про него экологи говорят: от «кочки» до оболочки (то есть биосферы, заключающей всю жизнь на земле). Экосистема подобна большому предприятию по производству органического вещества, которое состоит из трех основных «цехов»: продуцентов – организмов, производящих органические вещества из минеральных, консументов – организмов, перерабатывающих эти вещества, и редуцентов – организмов, разрушающих мертвые тела и таким образом возвращающих элементы, которые входили в их состав, в окружающую среду для повторного использования продуцентами.

Продуценты разделяются на фотоавтотрофов (зеленые растения и цианобактерии, которые для синтеза органических веществ используют энергию солнечного света) и хемоавтотрофов (бактерий, для которых источником энергии служат химические реакции окисления неорганических веществ).

Консументы – это очень разнообразная группа организмов, в состав которой входят животные-фитофаги (растительноядные), животные-зоофаги (плотоядные, или хищники), паразиты (питающиеся за счет организмов-хозяев), детритофаги (питающиеся мертвым органическим веществом) и симбиотрофы.

Симбиотрофы – это бактерии и грибы, которые, как и паразиты, питаются за счет других организмов, но «честно» расплачиваются за полученные органическое вещества «услугами» тому организму, который дает им пищу. Это бактерии, фиксирующие азот, микоризные грибы, бактерии и простейшие, живущие в пищеварительной системе животных.

Редуценты – это сапротрофные бактерии и грибы.

Особым блоком наземных экосистем является почва – трехфазная среда жизни, которая имеет разнообразное население из животных, грибов, бактерий и водорослей. Из почвы потребляют элементы питания и воду корни растений. В почве расположены основные «производственные мощности цеха» редуцентов и запас детрита, в составе которого – гумус и перегнившие в разной степени корни растений. В экосистемах разных природных зон – разные почвы.

Индивидуальное задание

Темы:

1. Функциональная роль птиц в экосистемах.

Задача исследования – охарактеризовать типы питания разных видов птиц и обобщить данные о видовом составе птиц-фитофагов и зоофагов. Тема может быть выполнена как реферативная или с использованием наблюдений в природе о составе птиц определенного района. Обратите внимание на различия питания птиц в разные сезоны года.

В качестве литературных источников используйте книги по орнитологии, в которых описана фауна птиц вашего района.

2. Почвы (района).

Задача исследования – дать характеристику наиболее распространенных типов почв в конкретном районе, связав их с экологическими условиями почвообразования (положение в рельефе, характер экосистемы – лесная или травяная и т.д.).

Тема может быть выполнена как реферативная или с использованием наблюдений в природе. При реферативном варианте в качестве района исследования может быть принята область (или республика), при использовании наблюдений в природе территория должна быть значительно меньше, например – в границах сельскохозяйственного предприятия.

Литература о почвах района есть в местных библиотеках. В хозяйствах, кроме того, есть почвенные карты с пояснительным текстом.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒