Функционирование естественных экосистем и агроэкосистем

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

1.Понятия об экосистемах……………………………………………………..4

2.Учение о биогеоценозах……………………………………………………..7

3.Агроэкосистемы………………………………………………………………11

Заключение………………………………………………………………………17

Список используемой литературы……………………………………………..18

Введение

Слово "экология" образовано из двух греческих слов: "oicos", что  означает дом, жилище, и "logos" - наука  и дословно переводится как наука  о доме, местообитании. Впервые этот термин использовал немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1886 году, определив  экологию как область знаний, изучающую экономику природы, – исследование общих взаимоотношений животных как с живой, так и с неживой природой, включающей все как дружественные, так и недружественные отношения, с которыми животные и растения прямо или косвенно входят в контакт. Такое понимание экологии стало общепризнанным и сегодня классическая экология - это наука об изучении взаимоотношений живых организмов с окружающей их средой.

Живое вещество настолько многообразно, что его изучают на разных уровнях  организации и под разным углом  зрения.

Уровни организмов, популяций и  экосистем являются областью интересов  классической экологии.

К экологии часто относят большое  количество смежных отраслей знаний, главным образом из области охраны окружающей среды.

В данной работе рассмотрены прежде всего основы общей экологии, биогеценоза и функционирование естественных экосистем  и агроэкосистем..

1. Понятие об экосистемах 

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может  осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности.

Для поддержания круговорота веществ  в системе необходимо наличие  запаса неорганических молекул в  усвояемой форме и трех функционально  различных экологических групп  организмов: продуцентов, консументов  и редуцентов.

Продуцентами  выступают автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений. Консументы – это гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы. Редуценты  живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов, в течение жизни выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.

В принципе круговорот атомов может  поддерживаться в системе и без  промежуточного звена – консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются  скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют  сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов  выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию  и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и  многообразна.

Масштабы экосистемы в природе  чрезвычайно различны. Неодинакова  также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т. е. многократность вовлечения одних и тех же атомов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.

В подушке лишайников мы найдем все  необходимые компоненты экосистемы. Продуценты – симбиотические водоросли, осуществляющие фотосинтез. В качестве консументов выступают некоторые  мелкие членистоногие, питающиеся живыми тканями лишайника, а также грибные  гифы, по существу паразитирующие на клетках  водорослей. И гифы грибов, и большинство  микроскопических животных, обитающих  в лишайниковых подушках (клещи, коллемболы, нематоды, коловратки, простейшие), выступают  и в роли редуцентов. Грибные гифы живут не только за счет живых, но и  за счет погибших клеток водорослей, а  мелкие животные-сапрофаги перерабатывают отмершие слоевища, в разрушении которых им помогают многочисленные микроорганизмы. Степень замкнутости круговорота в такой системе очень невелика: значительная часть продуктов распада выносится за пределы лишайника – вымывается дождевыми водами, осыпается вниз со ствола. Кроме того, часть животных мигрирует в другие местообитания. Тем не менее часть атомов успевает пройти несколько циклов, включаясь в тела живых организмов и освобождаясь из них, прежде чем покинет данную экосистему.

В некоторых типах экосистем  вынос вещества за их пределы настолько  велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда  как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более  полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, степи на плакорных участках, озера и т. п.). Однако ни одна, даже самая крупная, экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота. Материки интенсивно обмениваются веществом с океанами, причем большую роль в этих процессах играет атмосфера, и вся наша планета часть материи получает из космического пространства, а часть отдает в космос.

В соответствии с иерархией сообществ  жизнь на Земле проявляется и  в иерархичности соответствующих экосистем. Экосистемная организация жизни является одним из необходимых условий ее существования. Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов. Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы – древнейшее свойство жизни.

2. Учение о биогеоценозах 

Параллельно с развитием концепции  экосистем успешно развивается  учение о биогеоценозах, автором  которого был академик В. Н. Сукачев (1942).

«Биогеоценоз   – это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющих свою специфику взаимодействия этих слагаемых ее компонентов и определенный тип обмена веществами и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии» (В. Н. Сукачев, 1964).

«Экосистема» и «биогеоценоз»  – близкие по сути понятия, но если первое из них приложимо для обозначения  систем, обеспечивающих круговорот любого ранга, то «биогеоценоз» – понятие  территориальное, относимое к таким  участкам суши, которые заняты определенными  единицами растительного покрова  – фитоценозами. Наука о биогеоценозах  – биогеоценология  – выросла из геоботаники и направлена на изучение функционирования экосистем в конкретных условиях ландшафта в зависимости от свойств почвы, рельефа, характера окружения биогеоценоза и составляющих его первичных компонентов – горной породы, животных, растений, микроорганизмов.

В биогеоценозе В. Н. Сукачев выделял  два блока: экотоп – совокупность условий абиотической среды и биоценоз – 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. Во внутреннем сложении биогеоценоза выделяют такие структурно-функциональные единицы, как парцеллы (термин предложен Н. В.Дылисом). Биогеоценотические парцеллы включают в себя растения, животное население, микроорганизмы, мертвую органику, почву и атмосферу по всей вертикальной толще биогеоценоза, создавая его внутреннюю мозаику. Биогеоценотические парцеллы различаются визуально по растительности: высоте и сомкнутости ярусов, видовому составу, жизненному состоянию и возрастному спектру популяций доминирующих видов. Иногда они хорошо отграничены по составу, строению и мощности лесной подстилки. Названия им дают обычно по растениям, доминирующим в разных ярусах. Например, в волосистоосоковом дубо-ельнике можно выделить такие парцеллы, как елово-волосистоосоковая, елово-кисличная, крупнопапоротниковая в окнах древесного яруса, дубово-снытевая, дубово-осиново-медуничная, березово-елово-мертвопокровная, осиново-снытевая и др.

Внутри каждой парцеллы создается  свой фитоклимат. Весной в тенистых еловых парцеллах снег лежит дольше, чем на участках под листопадными деревьями или в окнах. Поэтому активная жизнь весной в парцеллах наступает в разные сроки, переработка детрита также идет с разной скоростью. Границы между парцеллами могут быть как относительно четкими, так и размытыми. Взаимосвязь осуществляется как в результате кондиционирования условий среды (теплообмен, изменение освещения, перераспределение осадков и т. п.), так и в результате материально-энергетического обмена. Происходит разброс растительного опада, перенос пыльцы, спор, семян и плодов воздушными потоками и животными, перемещение животных, поверхностный сток осадков и талых вод, передвигающих минеральные и органические вещества. Все это поддерживает биогеоценоз как единую, внутренне разнородную экосистему.

Роль разных парцелл в строении и функционировании биогеоценозов  неодинакова, наиболее крупные парцеллы, занимающие большие пространства и объем, называют основными. Их бывает немного. Именно они определяют внешний облик и строй биогеоценоза.

Рисунок 1 –  Окна возобновления основных пород в лесном биогеоценозе (по О. В. Смирновой, 1998)

Мозаичность лесных биогеоценозов  и появление новых парцелл  часто связаны с образованием в лесах окон, т. е. нарушением древесного яруса в связи с вывалом старых деревьев, вспышек массовых вредителей – насекомых, поражением грибами, деятельностью крупных копытных. Создание такой мозаичности совершенно необходимо для устойчивого существования леса и возобновления главенствующих пород деревьев, подрост которых часто не может развиваться под материнскими кронами, так как требует иных условий освещения и минерального питания. Окна возобновления для разных пород должны иметь достаточную пространственную протяженность (рисунок 1).

На основании детального изучения структуры и функционирования биогеоценозов  в экологии в последнее время  развивается концепция мозаично-циклической организации экосистем.  С этой точки зрения устойчивое существование многих видов в экосистеме достигается за счет постоянно происходящих в ней естественных нарушений местообитаний, позволяющих новым поколениям занимать вновь освободившееся пространство.

Биогеоценология рассматривает поверхность  Земли как сеть соседствующих  биогеоценозов, связанных между  собой через миграцию веществ, но тем не менее, хотя и в разной степени, автономных и специфичных по своим  круговоротам. Конкретные свойства участка, занятого биогеоценозом, придают ему  своеобразие, выделяя из других, исходных по типу.

Обе концепции – экосистем и  биогеоценозов – дополняют и  обогащают друг друга, позволяя рассматривать  функциональные связи сообществ  и окружающей их неорганической среды  в разных аспектах и с разных точек  зрения

Кроме того, различают естественные экосистемы и антропогенные, создаваемые человеком.

Разделение экосистем на антропогенные  и естественные весьма относительно, так как сегодня в мире нет экосистем, которые бы не испытывали влияние человека.

3. Агроэкосистемы

Агроэкосистемы  (сельскохозяйственные экосистемы), создаваемые человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая), отличаются от природных рядом особенностей:

1. В них резко снижено разнообразие организмов. На полях обычно культивируют один или немного видов растений, в связи с чем резко обедняется и животное население, и состав микроорганизмов в биоценозе. Выпас животных также сильно упрощает видовую структуру пастбищных сообществ. Культурные пастбища с подсевом трав приближаются по этому показателю к полям сельскохозяйственных растений. Видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным.

2. Виды, культивируемые человеком, поддерживаются искусственным отбором в состоянии, далеком от первоначального, и не могут выдерживать борьбу за существование с дикими видами без поддержки человека.

3. Агроэкосистемы получают дополнительный поток энергии, кроме солнечной, благодаря деятельности людей, животных и механизмов, обеспечивающих необходимые условия роста культивируемых видов. Чистая первичная продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания. Частичное использование ее вредителями представляет нежелательное явление и всячески пресекается деятельностью человека.

В настоящее время пахотными  землями и пастбищами занято свыше 30 % суши, и деятельность людей по поддержанию этих систем превращается в глобальный экологический фактор.

Несмотря на значительную упрощенность агроэкосистем, в них все же сохраняется  множество биоценотических связей, в конечном счете влияющих на судьбу урожая (рисунок 2). Сопоставление сведений о фауне и флоре пшеничных полей показывает гигантскую сложность даже предельно простого агроценоза, здесь сохраняется более тысячи видов.

Рисунок 2 – Биоценотические связи на картофельном поле (по В. Тишлеру,1971): сплошные линии – виды, обитающие на растениях; пунктирные – виды, обитающие на поверхности почвы; утолщенные линии – доминирующие виды

История формирования ценотических группировок, связанных с основными сельскохозяйственными  культурами, насчитывает немногие сотни  лет. Буквально на глазах человека формируются  сообщества, приспособленные к жесткому прессу агротехнических режимов, с  широким размахом колебательных  циклов в жизни популяций, с четко  отобранным кругом доминантов. Наглядно проявляются эволюционные сдвиги в  экологических характеристиках  и адаптивных показателях разных видов.

Условия, которым в идеале должны соответствовать поля сельскохозяйственных культур, – быть высокопродуктивными и вместе с тем стабильными – с экологической точки зрения несовместимы. В природных экосистемах первичная продукция растений потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в виде минеральных солей и углекислого газа в систему биологического круговорота. Ограждая урожай от его природных потребителей, отчуждая его и заменяя естественный опад органическими и минеральными удобрениями, мы обрываем множество цепей питания и дисбалансируем сообщество. По существу, все усилия по созданию высокой чистой продукции отдельных культур в пользу человека есть борьба «против природы», которая требует большой затраты труда и материальных средств.

Вместе с тем агроценозы выступают  гигантской лабораторией, где человек  учится, используя отдельные звенья системы, управлять продукционным  процессом и круговоротом веществ, регулировать численность популяций. Тщательное изучение таких относительно упрощенных систем, как агроценозы, вносит серьезный вклад в развитие общей биоценологии. В обедненных сообществах более резко вырисовываются те законы, которые лежат в основе объединения живых существ в  надорганизменные системы. Богатый  арсенал агротехнических средств, имеющийся на вооружении современного сельского хозяйства, позволяет  экспериментально и в широких  масштабах проверять различные  пути воздействия на сообщества, оценивать  степень их устойчивости и прочность  связей в отдельных звеньях.

Все искусственно создаваемые в  сельскохозяйственной практике экосистемы полей, садов, пастбищных лугов, огородов, теплиц и других агроценозов представляют собой системы, специально поддерживаемые человеком на начальных стадиях  сукцессионных преобразований. В  агроценозах используется именно свойство пионерных сообществ производить  высокую чистую продукцию. Но такие  сообщества и в природе неустойчивы, не способны к самовозобновлению  и саморегулированию, подвержены угрозе гибели от массового размножения  вредителей или болезней (рисунок 3). Они требуют неустанной деятельности по их поддержанию со стороны человека.

Рисунок 3 –  Динамика численности насекомых в стеблестое овса (по Н. И. Куликову, 1985): 1 – цикадки;2  – их личинки; 3  – хлебный клопик; 4  – клопы-лигулы; 5  – хлебная полосатая блошка; 6  – жуки-блестянки; 7  – божьи коровки; 8  – паразитические перепончатокрылые; 9  – шведская муха; 10 –злаковые трипсы; 11  – злаковые тли; 12  – общая численность

Сельскохозяйственное освоение территорий часто приводит к разрушению созданных  природой механизмов регуляции численности  отдельных видов и резким изменениям в уровне их обилия.

В агроценозах чаще всего происходят «экологические взрывы», как назвал Ч. Элтон чрезмерное увеличение численности  отдельных видов. Последствия этих «взрывов» могут быть весьма существенными  для сельского и лесного хозяйства. Так, распространение патогенного  грибка фитофторы из Европы в Ирландию в прошлом столетии погубило весь урожай картофеля, вызвав сильный голод. Во Франции более 1 млн га виноградников пришлось уничтожить в результате размножения корневой тли – филлоксеры.

Искусственная регуляция численности  вредителей – по большей части  необходимое условие поддержания  агроэкосистем. Это связано прежде всего с необходимостью подавления видов, вышедших из под контроля естественных регуляторных механизмов. В ряде случаев даже полное сохранение естественной регуляции численности вида не удовлетворяет экономическим требованиям. Например, стабилизация численности яблонной плодожорки на уровне, при котором погибает большая часть урожая, с позиций естественного отбора не угрожает существованию яблони как вида. С хозяйственной же точки зрения необходимо резкое понижение уровня, на котором должна находиться численность плодожорки в садах. Поэтому в сельскохозяйственной практике применяют мощные средства подавления численности нежелательных видов: ядохимикаты, гербициды и т. д. Экологические последствия этих действий приводят, однако, к ряду нежелательных эффектов, кроме тех, для которых они применяются.

Подавление численности вредителей химическими средствами, кроме загрязнения  среды и включения ядов в цепи питания, часто вызывает так называемый «бумеранг-эффект»: вслед за подавлением численности вредителя вскоре возникает новая, еще более мощная его вспышка. Обычно применение ядохимикатов тотального действия сильнее влияет на естественных врагов вредителя, чем на его собственные популяции. В результате следующие поколения полностью освобождаются из-под пресса паразитов и хищников и осуществляется их массовое размножение. Таким образом, недоучет биоценотических механизмов регуляции численности на полях сельскохозяйственных культур также не в экономических интересах человека. В трехзвенной цепи: культурное растение – вредитель – паразит повышение чистой продукции растений может быть достигнуто как подавлением второго звена, так и усилением третьего. Именно этот подход используется в разработке биологических методов борьбы с вредителями.

В отношении к сообществам, складывающимся в агроэкосистемах, в связи с  общим развитием экологических  знаний постепенно меняются акценты. На смену представлениям об обрывочности, осколочности ценотических связей и  предельной упрощенности агроценозов  возникает понимание их сложной  системной организации, где человек  существенно влияет лишь на отдельные  звенья, а вся система продолжает развиваться по естественным, природным  законам (рисунок 4 ).

Рисунок 4 –  Фазовая приуроченность насекомых-вредителей на посевах озимой пшеницы (по Н. И. Куликову, 1985):

1 – злаковые тли; 2  – цикадка шеститочечная; 3  – цикадка полосатая; 4  – клопы-лигусы; 5  – хлебный клопик, 6  – злаковые трипсы; 7  – хлебная полосатая блошка; 8  – ростковая муха; 9  – яровая муха;10 – шведская муха

Заключение

Основной вывод из рассмотренного в учебном пособии материала  совершенно ясен: системы, противоречащие естественным принципам и законам, неустойчивы. Попытки сохранить  их становятся все более дорогостоящими и сложными и в любом случае обречены на неудачу.

Чтобы принимать долгосрочные решения, необходимо обратить внимание на принципы, определяющие устойчивое развитие, а  именно:

• стабилизация численности населения;
• переход к более энерго и ресурсосберегающему образу жизни;
• развитие экологически чистых источников энергии;
• создание малоотходных промышленных технологий;
• рециклизация отходов;
• создание сбалансированного сельскохозяйственного производства, не истощающего почвенные и водные ресурсы и не загрязняющего землю и продукты питания;
• сохранение биологического разнообразия на планете

Список используемой литературы

1. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. - М.:Мир, 2008.
2. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 2008.
3. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды: Словарь-справочник. - М.:Просвещение, 2009. - 320 с.
4. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология, 2009.
5. М.: Высш. шк., 2008. - 272 с.