Характеристика экосистем - Библиотека БрГУ имени А.С. Пушкина

Характеристика
экосистем
Лекция 14
Экология, радиоэкология и основы энергосбережения
2014
И.В. Абрамова 1
БрГУ имени А.С. Пушкина
1.
2.
3.
Энергетическая классификация
экосистем
Естественные экосистемы
Искусственные экосистемы
2
Энергетическая классификация
экосистем по Ю. Одуму, 1986
Тип экосистемы
Ежегодный приток
энергии, ккал/м2
(уровень мощности)
1.
Природные
экосистемы,
движимые
Солнцем,
−
несубсидируемые. Примеры: открытые океаны, высокогорные леса.
1 000-10 000
(2 000)
2. Природные экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые
другими естественными источниками. Примеры: эстуарии в
приливных морях, некоторые дождевые леса. Это природные
экосистемы, обладающие плодородием, высокой поддерживающей
способностью и производящие излишки органического вещества,
которые могут выноситься в другие системы или накапливаться.
10 000-40 000
(20 000)
3. Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые человеком.
Эти экосистемы производят продукты питания и другие материалы и
получают дотацию энергии в форме горючего, поставляемого
человеком.
10 000-40 000
(20 000)
4. Индустриально-городские экосистемы, движимые топливом.
Примеры: города, пригороды. Главным источником энергии служит
не Солнце, а топливо. Они зависят от экосистем первых трех типов,
паразитируют на них, получая продукты питания и топливо.
100 000-3 000 000
(2 000 000)
3
2 Естественные экосистемы
наземные
пресноводные
морские
4
Наземные экосистемы







Лимитирующим фактором является влажность.
Температура изменяется в значительных пределах
(видовое разнообразие).
Газовый состав атмосферы постоянен (кислород и
углекислый газ – не лимитирующие факторы).
Воздух не может выполнять функцию опоры.
Почва – это опора и источник биогенов.
Суша в значительной степени прерывиста.
Организмы представлены высшими
эволюционными группами
5
Сводная таблица биомов
Площадь
(% от всей)
Доля С (% от всей биосферы: почва +
растения)
Безжизненные местности
15
0
Тундра
7
15
Бореальные хвойные леса
9↓
15
Жестколистные леса
1↓
1
Умеренные широколиственные леса
7↓
12
Тропические леса
11↓
23
Саванны и редколесья
13↓
12
Прерии, степи
7↓
8
18,5 ↑
5
11
9
150000000 км2
2300 ГТонн (С)
Биом
Пустыни и полупустыни
Агроэкосистемы
Всего (100%)
Примечание:
↓ – идѐт сокращение площади биома.
↑ – идѐт расширение площади биома.
6
Продуценты



Представлены крупными сосудистыми
растениями с хорошо выраженной
древесиной.
Большинство являются многолетними
растениями с накопленной биомассой.
Выполняют две функции:
1) образование первичной продукции - роль,
общая для всех типов экосистем;
2) принимают участие в формировании
биотопа - дополнительная
средообразующая роль.
0,8
консументы
99,2
продуценты 7
Консументы



Характеризуются наибольшим экологическим
разнообразием (много экологических ниш.
Консументы I порядка представлены самыми
крупными животными на нашей планете
Все консументы выполняют дополнительные
функции:



опыляют растений
распространяют плоды и семена
некоторые выполняют средообразующую функцию
(копытные в степях)
8
Пресноводные экосистемы







Влажность не является лимитирующим фактором
Колебания температуры небольшие
Содержание кислорода и углекислого газа очень
непостоянное и является лимитирующим фактором
Вода как среда обитания более плотная, чем воздух,
поэтому может выполнять функцию опоры
Вода является источником биогенов
Вода содержит низкие концентрации солей
Для пресноводных экосистем характерна высокая
степень прерывистости
9
Жизненные
формы
бентос
эпифауна
планктон
нектон
нейстон
перифитон
инфауна
фитопланктон
зоопланктон
10
Пресноводные
экосистемы
лентические,
или стоячие
лотические,
или текучие
болота
11
Лентические экосистемы



молодость
четко выраженная
горизонтальная
зональность
вертикальная
стратификация
Горизонтальная зональность:
1. литоральная, или прибрежная, зона
2. лимническая зона, или зона открытой
воды
3. профундальная зона, или зона вечной
темноты
12
Температурная стратификация
эпилимнион
гомотермия
термоклин
металимнион
гиполимнион
гомотермия
Рисунок А. Гилярова
Световая стратификация
•эуфотический слой
•афотический слой
13
http://elementy.ru
Задача
Во второй половине лета гидробиологи,
работавшие на одном небольшом, но
глубоком озере средней полосы, получили
кривые вертикального распределения
Оз. Глубокое
температуры и содержания растворенного
(Рузский район
кислорода. Температурная кривая
Московской области)
свидетельствует о наличии четкой
стратификации водной толщи, которая
подразделяется на эпилимнион,
металимнион и гиполимнион.
Схема зависимости плотности
воды (г/см3) от температуры (°C)
Распределение содержания растворенного
кислорода в зависимости от глубины —
более сложное. Высокая концентрация его
отмечена в эпилимнионе, затем видно
резкое снижение (почти до нуля) в
металимнионе, глубже — некоторое
возрастание, вскоре сменяющееся
падением. На больших глубинах кислорода
в водной толще почти не было.
Задание. Объясните, какими факторами
в данном случае определяется
вертикальное распределение кислорода.
Почему данная кривая имеет именно
Вертикальное распределение температуры (красная линия,
14°C) и
содержания растворенного кислорода (синяя линия, мг/л) в водной
такую, а не какую-либо другую форму.
толще небольшого глубокого озера в конце лета
Лотические экосистемы


выраженное течение
более интенсивный обмен между сушей и
водой (реки - более открытые экосистемы с гетеротрофным типом
метаболизма, особенно если река небольшая)


концентрация О2 выше, распределен более
равномерно
слабо выражена (или почти совсем отсутствует)
температурная стратификация (за исключением
больших, медленно текущих рек)

световая стратификация аналогична
лентическим экосистемам
15
Горизонтальная зональность
перекаты
это участки с узкими
берегами, довольно
быстрым течением и
неглубоким каменистым
дном
нейстон и перифитон
отсутствуют, планктон
представлен слабо, бентос
- эпифауной с адаптациями
для закрепления на дне,
наиболее богат нектон
(рыбы)
плесы
это участки с широкими
берегами, медленным
течением и глубоким
илистым дном
представлены все пять жизненных
форм, их состав почти не отличается от
лентических экосистем
16
Болота
В этой схеме основное подразделение болот
на две группы произведено по признаку
богатства водного питания, а растительный
покров занимает подчиненное значение, так
как «характер растительности есть
производное, в первую очередь, условий
питания болот водою...».
Классификация болот по В.Н. Сукачеву
2. Болота атмосферного
питания
1. Болота грунтового питания
Б.
Переходные
болота
А. Низинные
болота
травяные
гипновые
лесные
травянопереходные
Верховые
болота
лесные
переходные
17
Классификация болот
по типу
преобладающей
растительности
•лесные,
•кустарничковые,
•травяные
•моховые
по типу
микрорельефа
• бугристые,
• плоские,
• выпуклые
по типу
макрорельефа
•долинные,
•пойменные,
•склоновые,
• водораздельные
18
Болота
19
Морские экосистемы


Очень большие глубины
Постоянная циркуляция воды (течения, волнения;
кислород не является лимитирующим фактором)



Приливы и отливы
Высокая соленость воды
Более высокая плотность воды (по сравнению с
пресноводными экосистемами)


Малая концентрация биогенов
Морские экосистемы непрерывны.
20
Типы морских экосистем
Открытый
океан
Шельф
Эстуарии
Районы
апвеллинга
Рифтовые
зоны
21
Шельф
около 8% площади океана (29 млн км2)
в океане это самая богатая экосистема
в фаунистическом отношении
22
http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/image/2minrelief.html
Районы, где наиболее распространѐн
прибрежный апвеллинг (англ. upwelling)
Наиболее
продуктивные районы
Мирового океана
(рыболовство).
Высокая первичная
продукция (вынос
глубинными водами к
поверхности биогенов:
азота, фосфора)
Фитопланктон
Зоопланктон
Фильтрующие
организмы
Хищные
рыбы
23
http://oceanservice.noaa.gov/education/kits/currents/media/upwelling_image1.jpg
Эстуарии
прибрежные бухты
Авачинская бухта
смесь соленой и пресной воды
Проливы
Скагеррак
устья рек
Залив Св. Лаврентия
(п-ов Камчатка)
соленые марши
Флорида
Место обитания огромного
количества живых существ,
которые смогли
приспособиться к
значительным изменениям
солености воды
24
Вертикальная
стратификация
1) эуфотическая зона,
или зона первичного
продуцирования
(от 30 до 200 м)
2) афотическая
зона
25
Три жизненные формы организмов
планктон
галопланктон
бентос
нектон
26
меропланктон
В неритической зоне (литораль)
высокое биологическое
разнообразие.
Планктон (гало- и меропланктон)
Бентос (эпи- и инфауна)
Нектон
В пелагиальной зоне (батиаль,
абиссаль) разнообразие значительно
беднее (мало биогенов).
Планктон (нанопланктон, галопланктон)
Бентос (эпи- и инфауна)
27
Нектон (люминисценция)
экотоны
Лиманы
Занимают промежуточное положение между
морскими и пресноводными экосистемами
Мексиканский залив
Колыма
в затопленных
речных долинах
типа фиордов
Залив
Сан-Франциско
ограниченные
мелями или
барьерными
островами
Дельта Нила
образованные
тектоническими
процессами
речных дельт
28
3 Искусственные экосистемы



Микросистемы.
Города - урбанизированные экосистемы.
Агроэкосистемы.
http://www.b2science.org/
29
Научный комплекс «Биосфера-2»
«Сердце Африки»
еще одна вариация на тему
искусственных экосистем
Скоро в Честере появится кусочек
тропических дождевых лесов со всей
присущей этой биосистеме флорой и
фауной – огромное крытое
сооружение под названием «Сердце
Африки» украсит собой городской
зоопарк. Конструкция высотой в 34
метра и площадью в 16 000 кв. м.
станет домом для горилл, шимпанзе,
окапи, разнообразных птиц, амфибий,
рептилий, рыб и беспозвоночных.
Гости павильона также смогут
полюбоваться на цветущие
тропические растения. «Сердце
Африки» планируется открыть для
посетителей в 2014 г.
30
http://mobbit.info/item/2010/1/27/serdce-afriki-estce-odna-variaciya-na-temy-iskysstvennyh-ekosistem-7-foto
Микросистемы

Микросистемы – это небольшие
автономные «миры», которые в
определенной степени могут имитировать
в миниатюре природу различных
экосистем.
Аквариум, косм.
корабль
31
Урбанизированные экосистемы
Город – это неполная гетеротрофная система,
получающая энергию, пищу, воду, различные
материалы с больших площадей, находящихся за его
пределами.


в 1900 г. доля городского населения составляла 14%. В 2012 г.
проживает около 50% населения планеты (3,5 млрд. человек; в
Европе - около 80%, в Беларуси в 2011г. - 75%). К 2030 году - почти
60% (прогноз).
Очень большая скученность населения (максимальная в Гонконге 1,5
млн. человек на 1 кв.км, в Париже – средняя составляет 30 тыс. чел., а в
наиболее густонаселенных районах достигает 250 тыс. человек на 1 кв.км).


Общая площадь городов мира составляет всего лишь 2% суши
Земли, по прогнозу в 2070 г. она увеличится до 19 млн. км2 (12,8%
всей территории суши, 20% жизнепригодных территорий).
На города приходится 60–80% потребления энергии и 75 выбросов
углекислого газа.
32
http://www.un.org/ru/sustainablefuture/index.shtml
Отличия:





неравновесность
интенсивный метаболизм (большой
приток концентрированной энергии
извне)
зависимость, т.е. необходимость
постоянного поступления ресурсов
и энергии
аккумулирование твердого
вещества за счет превышения его
ввоза в город над вывозом
(примерно 10:1)
более мощный и ядовитый поток
отходов (синтетические соединения,
гораздо более токсичные, чем
исходное сырье)
На каждого горожанина работает
от 1 до 3 гектаров
сельскохозяйственных угодий
(в том числе 0,5 га пашни)
Идеальным вариантом
городских экосистем
являются экосити –
небольшие (с населением
50-100 тыс. человек) 33
зеленые города
Агроэкосистемы

Агроэкосистема (агробиоценоз) – неустойчивая
экосистема, искусственно созданная с целью
производства продуктов питания и регулярно
поддерживаемая человеком.
Под агроэкосистемами
занято около 30% площади
суши (пахотные земли –
10%, пастбища – 20%).
Известно около 2500
культурных растений.
34
Отличия агроэкосистем от
естественных систем:




Дополнительная энергия в виде мышечных усилий
человека и животных, работы машин; удобрений,
пестицидов, гербицидов и др. химических
соединений;
Более высокая продуктивность (ЧПП лесов
умеренной зоны составляет 600–2500 г/м2, для
возделываемых земель – до 4000 г/м2).
Разнообразие организмов резко снижено в связи с
акцентом на получение максимального количества
определенного продукта;
Доминирующие виды растений и животных получены
в результате искусственного отбора.
35
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
36
Биологические взрывы
массовые вспышки численности
некоторых видов животных и растений.
Термин введен Ч. Элтоном (1958, 1960).
37
2 типа агроэкосистем:

доиндустриального
периода (экстенсивные)

составляют 60%,
они зачастую довольно
сложны, эффективны с
точки зрения энергозатрат,
часто гармонируют с
природными экосистемами



индустриального
периода (интенсивные
механизированные)

требуют крупных
энергетических дотаций в
форме горючего,
химикатов
38
Для уменьшения негативных последствий:





применение природоохранных методов
агротехники,
совершенствование технологии хранения и
способов внесения удобрений,
уменьшение норм применения ядохимикатов,
увеличение разнообразия с/х культур,
применение методов биологической борьбы с
вредителями.
39
Литература





Одум Ю. Основы экологии. – М.: Мир, 1975. – 740 с.
Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. – М.:
Прогресс, 1980. – 328 с.
Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи,
популяции и сообщества. В 2-х т. – М.: Мир, 1989.
Жирков И.А. Жизнь на дне. Био-экология и биогеография бентоса. М., 2010. 452 с.
Элтон Ч. Экология нашествий животных и растений. М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. - 232 с
40