Законы передачи потока энергии и веществ в экосистеме. Правило 10 процентов

 

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах, т. е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения

В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным блокам экосистемы, которые всегда могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть использована только раз, т. е. имеет место линейный поток энергии через экосистему.

Односторонний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики. Первый закон гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена. Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, а, следовательно, теряется. Отсюда не может быть превращений, к примеру, пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью.

Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии. И каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном итоге вся энергия, поступающая в биотический круговорот экосистемы, рассеивается в виде тепла.

Живые организмы фактически не используют тепло как источник энергии для совершения работы — они используют свет и химическую энергию.

Правило десяти процентов (правило пирамиды энергий Р. Линдемана) (Р. Линдеман, 1942 г.) – с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, более высокий ее уровень, по «лестнице» продуцент – консументы передается в среднем 10 % поступившей на предыдущий уровень энергии. Это, как правило, не ведет к неблагоприятным для экосистемы последствиям.

 

5 (60). Литосфера и ее характеристика. Понятие о плодородии почв. Почвенные ресурсы планеты.

Литосфера - твердая каменистая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть подстилающей ее верхней мантии Земли, расположенную выше астеносферы. Мощность литосферы составляет от 50 до 200 км. Верхняя часть литосферы состоит из осадочных горных пород. Под ними лежат гранитные и базальтовые слои. На поверхности литосферы находится почва.

Характеристика литосферы

1.1 Состав литосферы

Основными соединениями, образующими литосферу, являются диоксид кремния, силикаты и алюмосиликаты. Большую часть литосферы составляют кристаллические вещества, образовавшиеся при охлаждении магмы – расплавленного вещества в глубинах Земли. При остывании магмы образовывались и горячие растворы. Проходя по трещинам в окружающих горных породах, они охлаждались и выделяли содержащиеся в них вещества.

В литосфере выделяют массив горных пород, земную поверхность и почвы. Основная часть литосферы состоит из изверженных магматических пород (95 %), среди которых на континентах преобладают граниты и гранитоиды, а в океанах - базальты.

Верхний слой литосферы – это земная кора, минералы которой состоят преимущественно из окислов кремния и алюминия, окислов железа и щелочных металлов.

Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы, сосредоточенная в грунтах, на глубине не большее нескольких метров. Грунты – органо - минеральный продукт многолетней (сотни и тысячи лет) общей деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света есть одними из важнейших природных ресурсов. Современные грунты являются трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде, и порах), которая состоит из смеси минеральных частиц (продукты разрушения горных пород), органических веществ (продукты жизнедеятельности биоты ее микроорганизмов и грибов). Наибольшей трансформации подвергается самый верхний, поверхностный горизонт литосферы в пределах суши. Суша занимает 29, 2% поверхности земного шара и включает земли различной категории, из которых важнейшее значение имеет плодородная почва.

Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: О, Si, Аl, Fe, Са, Мg, Na, К.

1.2 Строение литосферы

Земная кора и верхняя (твердая) часть мантии образуют литосферу. Она представляет собой «шар» из твёрдого вещества радиусом около 6400км. Земная кора – внешняя оболочка литосферы. Состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Отличают океаническую и материковую земную кору. В составе первой отсутствует гранитный слой. Максимальная толщина земной коры около 70 км – под горными системами, 30- 40 км – под равнинами, наиболее тонкая земная кора – под океанами, всего 5- 10 км.

Остальную часть мы называем внутренней литосферой, которая включает также и центральную часть, называемую ядром. О внутренних слоях литосферы нам почти ничего не известно, хотя на их долю приходится почти 99, 5% всей массы Земли. Их можно изучать только с помощью сейсмических исследований.

Литосфера разбита на блоки – литосферные плиты – это крупные жесткие блоки земной коры, которые двигаются по относительно пластичной астеносфере. Литосфера под океанами и континентами значительно различается.

Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами и в основном состоит из дунитов и гарцбургитов.

Литосфера под континентами значительно холоднее, мощнее и, видимо, разнообразнее. Она не участвует в процессе мантийной конвекции, и претерпела меньше циклов частичного плавления. В целом она богаче несовместимыми редкими элементами. В её составе значительную роль играют лерцолиты, верлиты и другие богатые редкими элементами породы.

Литосфера расколота примерно на 10 больших плит, самые крупные – Евразийская, Африканская, Индо–Афстралийская, Американская, Тихоокеанская, Антарктическая. Литосферные плиты движутся с возвышающейся на них сушей. В основе теории движения литосферных плит – гипотеза А. Вегенера о дрейфе континентов.

Литосферные плиты постоянно меняют свои очертания, они могут раскалываться в результате рифтинга и спаиваться, образуя единую плиту в результате коллизии. С другой стороны, разделение земной коры на плиты не однозначно, и по мере накопления геологических знаний выделяются новые плиты, а некоторые границы плит признаются несуществующими. Движение литосферных плит обусловлено перемещением вещества в верхней мантии.

В рифтовых зонах оно разрывает земную кору и расталкивает плиты. Большинство рифтов находится на дне океанов, где земная кора тоньше. На суше крупнейшие рифты расположены в районе Великих Африканских озер и озера Байкал. Скорость движения литосферных плит - -1-6 см в год.

При столкновении литосферных плит на их границах образуются: горные системы, если в зоне столкновения обе плиты несут материковую кору (Гималаи), и глубоководные желоба, если одна из плит несет океаническую кору (Перуанский желоб). С этой теорией согласуется предположение о существовании древних материков: южного – Гондваны и северного – Лавразии.

Границы литосферных плит – это подвижные области, где происходят горообразование, сосредоточены области землетрясений и большинство действующих вулканов (сейсмические пояса). Самые обширные сейсмические пояса – Тихоокеанский и Средиземноморско – Трансазиатский.

На глубине 120-150 км под материками и 60-400 км под океанами залегает слой мантии, называется астеносферой. Все литосферные плиты как бы плавают в полужидкой астеносфере, как льдины в воде.

1.3 Свойства литосферы

Существенным, хотя и не всегда сразу заметным, стало нарушение литосферных функций почв, в которых почвенный покров выступает как некая защитная по отношению к литосфере оболочка, контролирующая состав верхних горизонтов литосферы и их функционирование. Литосфера обладает рядом фундаментальных свойств, которые следует учитывать при ее изучении и анализе геологического процесса, а также процесса эволюции литосферы. Важнейшим свойством литосферы является ее изменчивость.

Неоднородность литосферы проявляется в таких важнейших ее свойствах, как анизотропность и симметрия-диссимметрия. Анизотропность формально можно определить, как зависимость некоторой функции геологического параметра от преобразований вращения. Это свойство проявляется на всех уровнях организации литосферы: в виде структурной этажности, ярусности, фациальной изменчивости, слоистости, а также различия текстуры, показателей свойств грунтов и мер их рассеяния в главных направлениях изменчивости и по глубине.

Литосфера не просто анизотропна по структуре и свойствам. Ей присуща «высшая» форма анизотропности — симметрия-диссимметрия.

Симметрию-диссимметрию литосферы следует считать ее фундаментальным свойством. Она проявляется на всех уровнях организации литосферы, начиная с уровня минералов (симметрия кристаллической решетки) и кончая уровнем геооболочек (симметрия шара). Свойство симметрии уровня минералов широко известно из трудов Е. С. Федорова, А. В. Шубникова и других специалистов-кристаллографов.

К числу важнейших свойств литосферы принадлежит ее дискретность. Дискретность твердого минерального вещества проявляется в виде пористости, пустотности (кавернозности), трещиноватости, тектонической нарушенности. Дискретностью твердой фазы обусловлено наличие в составе литосферы жидкой, газовой и биологической компонент.

Важнейшим фундаментальным свойством литосферы, отличающим ее от простых тел, является организационностъ, которая, прежде всего проявляется: в уровнях организации вещества литосферы — минеральном, горно-породном, формационном; в наличии структур различных уровней, обусловливающих анизотропность, симметрию-диссимметрию. Организационные свойства литосферы выявляются уже на минеральном уровне в виде кристаллической структуры минералов.

Экологическая геология изучает верхние горизонты литосферы как абиотическую компоненту природных и антропогенно измененных экосистем высокого уровня организации.

Ее объектом исследований являются биотопы экосистем, а предметом исследований - экологическая роль и экологические функции литосферы, основными среди которых являются ресурсная, геодинамическая и геохимическая. Все эти функции литосферы теснейшим образом связаны между собой.

Ресурсная функция верхних горизонтов литосферы заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей биоты (экосистем) абиотическими ресурсами, в том числе и потребностей человека теми или иными полезными ископаемыми, необходимыми для существования и развития человеческой цивилизации.

Геодинамическая функция литосферы в экологическом аспекте проявляется в ходе различных геологических процессов (экзогенных - оползней, обвалов, селей, береговой абразии, подтопления и т.д. и эндогенных - землетрясений, вулканических извержений и т.д.), так или иначе влияющих на различные экосистемы, в том числе и человеческое общество.

Геохимическая функция литосферы в экологическом аспекте заключается в ее активном участии в процессах круговорота веществ в природе. Причем одинаково важен анализ обеих сторон круговорота - как вредных, так и полезных для экосистем веществ.

Понятие о плодородии почв

Под плодородием понимают способность почв удовлетворять потребность растений в воде и питательных веществах. Важными факторами, определяющими плодородие почв, являются также свет и тепло.
Условия, определяющие плодородие почвы, могут быть прямые, непосредственно влияющие на рост и развитие растений, и косвенные. К прямым условиям относятся запасы доступной воды, аэрация, реакция среды, форма и количество доступных элементов питания и их соотношение. К косвенным условиям могут быть отнесены: количество микроорганизмов, глубина залегания ограничивающих корнеобитаемый слой почвы плотных горизонтов и обработка почвы. Прямые и косвенные условия взаимосвязаны и оказывают большое влияние на урожай растений.
Каждое отдельное условие, или фактор жизни растений, может быть недостаточным (минимальным) для роста растений, оптимальным (когда наблюдается наибольший урожай растений) и избыточным, максимальным (когда наблюдается токсикоз и урожай растений уменьшается).

Для любого растения вреден как недостаток, так и избыток какого-либо фактора (например, элемента питания). Наиболее благоприятные условия для жизни растений и получения высокого урожая создает оптимальное влияние фактора. Однако факторы, определяющие развитие растений, действуют не изолированно, а в совокупности. Оптимальное плодородие соответствует оптимальным соотношениям факторов.
В различных почвенно-климатических зонах условия, определяющие почвенное плодородие, различны. Ограничивающими условиями в зоне тундры будут низкие температуры и избыточное увлажнение почв, в лесной зоне — избыточное увлажнение и кислотность почв, в лесостепной и степной зонах — недостаток воды и нередко избыточное содержание в почвах натрия хлора. На песчаных почвах сказывается недостаток влаги и элементов питания, а на тяжелосуглинистых — низкая аэрация и большая плотность почв. Таким образом, плодородие ограничивается различными условиями, связанными с факторами почвообразования.

Виды почвенного плодородия.

Различают естественное, потенциальное, искусственное и эффективное, или действительное, плодородие почв.

Естественное плодородие — свойство почвы, образовавшейся под естественной растительностью при естественном протекании почвообразовательных процессов. Оно сравнительно мало изменяется во времени и является величиной стабильной для определенного типа почв. В то же время различные по
происхождению почвы характеризуются неодинаковым плодородием (рис. 27), а одна и та же почва имеет разное плодородие для растений, отличающихся по биологическим свойствам. Например, на лугово-глеевых почвах прекрасно растут луговые травы и гибнут или очень плохо растут ельники и сосняки.
На песчаных почвах хорошо рас-гут сосняки и плохо — ельники и дубравы.
Потенциальное плодородие определяется валовым (общим) запасом элементов питания в почве, находящихся как в доступной, так и недоступной формах.
Искусственное плодородие создается при использовании обработки почв, внесении удобрений, выращивании культур различных растений, осушении, орошении. Естественное, потенциальное и искусственное плодородия неразрывно связаны между собой, поскольку снабжение растений влагой и пищей зависит от свойств природной почвы, а также от изменения свойств почвы под влиянием окультуривания.
Эффективное плодородие, измеряемое величиной урожая, является действительным выражением естественного и искусственного плодородии и в значительной степени зависит от уровня развития науки и техники.

К. Маркс писал: «Таким образом, отчасти от развития агрохимии, отчасти от развития механизации земледелия зависит, в какой степени на земельных участках одинакового естественного плодородия последнее может быть действительно использовано. Поэтому, хотя плодородие и является объективным свойством почвы, экономически оно все же постоянно подразумевает известное отношение — отношение к данному уровню развития химических и механических средств агрикультуры, а потому и изменяется вместе с этим уровнем развития». Следовательно, плодородие неуклонно будет возрастать, так как все полнее будут использоваться потенциальные запасы элементов питания и влаги в почве.

При воздействии на почвы необходимо разрабатывать такие методы земледелия и агрохимии, которые позволяли бы поддерживать на максимальном уровне запасы доступных элементов питания и воды с одновременной стабилизацией реакции среды, соответствующей концентрацией почвенного раствора при наилучшем соотношении между воздухом и водой, скоростью аэробных и анаэробных реакций, протекающих в присутствии веществ, стимулирующих рост растений.

И, наоборот, необходимо ослабить вредные процессы: образование токсических веществ, уплотнение почвы при ее обработке, засорение нежелательными растениями и микроорганизмами и т. д.

 

6 (74). Биологические ресурсы планеты их значение, причины снижения и пути сохранения.

Биологические ресурсы (БР) представляют собой источники живого происхождения, которые способствуют получению человеком материальной пользы, например, пищи, материала для промышленности, селекции растений, животных и микроорганизмов. Данные ресурсы являются важной составляющей среды окружения человека и представлены в виде растений, животных, бактерий, а также экосистем (лесов, водных экосистем и прочего).

Следует отметить, что все организмы имеют способность к размножению, следовательно, биологические ресурсы возобновляемы, необходимо только поддерживать для этого соответствующие условия. На сегодняшний день современная система использования БР может стать причиной ликвидации их значительной части.

Основная часть БР приходится на лесную флору, благодаря которой мы имеем ¼ часть ежегодного увеличения биомассы.

В настоящее время деятельность людей привела к тому, что это число живой материи сократилось, поэтому биологическая продуктивность Земли снизилась. Однако, заменив часть бывших лесов на пастбища, люди, тем самым, обеспечили питанием и техническим сырым материалом население планеты.

На сегодняшний день на планете леса образуют два пояса: южный (лиственные породы деревьев) и северный (хвойные породы деревьев). Те страны, которые не имеют лесных зон, имеют недостаточное количество лесных природных ресурсов.

В настоящее время лесные биологические ресурсы россии, Канады, США и Бразилии являются самыми крупными. При этом площадь южных лесов начинает исчезать вследствие увеличения экспорта древесины и использования её в качестве топлива, тогда как леса серного пояса остаются практически неизменными. Но, несмотря на это, эти ресурсы ежегодно увеличиваются.

Биологические ресурсы, а именно продовольственные, составляют двадцать процентов от всей аграрной продукции и один процент от всей производительности океанов и суши. Следует помнить о том, что в связи с быстрыми темпами роста численности населения, производительность изделий растениеводства необходимо увеличить вдвое, тогда как изделий животноводства – втрое. Таким образом, необходимо развивать сельское хозяйство, поливное земледелие, рационально использовать ресурсы океана.

Биологические ресурсы мирового океана насчитывают сто миллионов тонн продукции, из которых двадцать процентов оставляется на её восстановление. Вся продукция представлена в виде рыбных и не рыбных объектов; многие страны занимаются, так называемым, морским фермерством, разводя водоросли, моллюски, трепанги и рыбу.

Так, первое место по добыче занимает рыба (85%), затем - нерыбные объекты, в том числе и водоросли (9%), ластоногие и киты (6%).

Несмотря на то, что население Земли растёт быстрыми темпами, увеличение промысла всегда идёт быстрее. Необходимость увеличения количества добываемых водных объектов связана как с экономикой, так и с медициной, поскольку последняя указывает на необходимость регулярного употребления людьми морепродуктов.

Но всё-таки не стоит забывать о необходимости удвоения количества добычи морских продуктов.

Биологические ресурсы животного мира являются мировым достоянием, поскольку животные обеспечивают чистоту водных объектов, плодородность почв, опыление цветов и прочее.

На сегодняшний день многим представителям фауны грозит вымирание. Однако следует сказать, что до сих пор многие уголки планеты не исследованы, равно, как и многие группы организмов. К тому же человеком используется только небольшая часть природных объектов, да и многие экосистемы поддерживают себя сами.

Таким образом, БР представляют собой все живые объекты биосферы, которые образуют окружающую среду.

⇐ Предыдущая123

Поделиться: