Біологічна продуктивність екосистеми
Кожна екосистема має певну продуктивністю.
Продуктивність екологічної системи - це швидкість, з яким продуценти засвоюють променисту енергію сонця в процесі фотосинтезу, утворюючи органічну речовину.
Розрізняють різні рівні продукування. на яких створюється первинна і вторинна продукція. Органічна маса, створювана продуцентами в одиницю часу, називається первинною продукцією, а приріст за одиницю часу маси консументів - вторинною продукцією.
Всі живі компоненти екосистеми - продуценти, консументи, редуценти складають загальну біомасу (жива вага). Біомасу зазвичай висловлюють через сухий або жива вага, але можна висловлювати і в енергетичних одиницях - калоріях, джоулях.
Трофічні структури можна виразити графічно у вигляді екологічних пірамід. Підставою піраміди служить рівень продуцентів, а наступні рівні харчування утворюють поверхи і вершину піраміди.
Відомі три основних типи екологічних пірамід:
1) піраміди біомаси, що характеризують масу живої речовини на кожному рівні;
2) піраміди енергії, що показують, зміна енергії на наступних трофічних рівнях;
3) піраміди чисел, що відображають чисельність організмів на кожному рівні.
На рис 2. показана піраміда біомаси наземної екосистеми.
Мал. 2. - Піраміда біомаси наземної екосистеми
П - продуценти; РК - рослиноїдні консументи; ПК - м'ясоїдні консументи
У наземних екосистемах сумарна маса рослин перевищує масу всіх рослиноїдних, а їх маса перевищує всю біомасу хижаків. Для екосистеми океану піраміда біомаси має перевернутий вигляд, т. Е характерна тенденція накопичення біомаси на більш високих рівнях.
Піраміду чисел рекомендують приводити в табличній формі. Більш досконалою є піраміда енергії, вона відображає витрачання енергії в трофічних ланцюгах.
Знання енергетики екосистеми і кількісних її показників дозволяють точно врахувати можливість вилучення з природної екосистеми тієї чи іншої кількості рослинної і тваринної біомаси без підриву її ефективності.
Сонце для планети Земля - це життя для всього живого. На поверхню планети Земля щорічно надходить приблизно 55 ккал / см 2. При цьому рослини фіксують не більше 1-2% сонячної енергії, решта витрачається на нагрівання атмосфери, суші і випаровування.
З накопиченої рослинами сонячної енергії не більше 7-10% дістається рослиноїдних тварин, що харчуються живими рослинами.
За продуктивності екосистеми поділяються на 4 класи.
1. Екосистеми дуже високою біологічною продуктивності - понад 2 кг / м 2 на рік. До них відносяться зарості очерету в дельтах Волги, Дона і Уралу. За продуктивності вони близькі до екосистемам тропічних лісів і коралових рифів.
2. Екосистеми високої біологічної продуктивності - 1-2 кг / м 2 на рік. Це липово-дубові ліси, прибережні зарості очерету на озері, посіви кукурудзи і багаторічних трав при зрошенні.
3. Екосистеми помірної біологічної продуктивності - 0,25-1 кг / м 2 на рік. Таку продуктивність мають багато рослин: соснові і березові ліси, сіножаті і степи, "морські луки", водорості в Японському морі.
4. Екосистеми низької біологічної продуктивності - менше 0,25 кг / м 2 на рік. Це арктичні пустелі островів Північного Льодовитого океану, тундри, напівпустелі.
Середня продуктивність екосистем Землі не перевищує 0,3 кг / м2 на рік.
Біологічна продуктивність екосистем - основа життя біосфери і людини як її частини. Вона залежить від ресурсів грунту (її забезпеченості поживними елементами і вологою), атмосфери, сонячного світла і тепла. Кожен з цих ресурсів незамінний. Продуктивність екосистеми в основному залежить від того ресурсу, якого недостатньо або який знаходиться в надлишку (приклад: перезволоження грунту або висока температура повітря).
Такий ресурс називається лімітуючим (т. Е. Обмежуючим) фактором; так, наприклад, в Прикаспійської низовини урожай лімітується кількістю опадів. У зоні тундри і гірських районів урожай лімітується кількістю тепла.
Щоб підвищити продуктивність екосистем, людина прагне зменшити вплив факторів, що лімітують - вносить добрива, садить вологолюбні культури, будує теплиці, парники.
Біологічна продуктивність може знижуватися і при забрудненні екосистем газоподібними або рідкими отруйними відходами промислових і сільськогосподарських підприємств (кислотні дощі, отрутохімікати, дефоліанти і т. Д.).
Будь-яке порушення взаємозв'язків в екосистемах означає порушення енергетичних потоків. Виробництво здатне розвиватися тільки за рахунок використання ресурсів навколишнього середовища. Але порушення енергетики біосфери більш ніж на 1 \% може привести до різкого наростання ентропії і загибелі всієї системи в результаті термодинамічної кризи.
Таким чином, біологічна продуктивність - основа життя і людини. Вона залежить від ресурсів грунту, від атмосфери, сонячного світла і тепла. Кожен з цих елементів незамінний.
Процеси послідовної зміни біоценозів іншими протягом тривалого періоду часу, які відбуваються під впливом як зовнішніх чинників, так і внутрішніх, називаються сукцесії.
Сукцесія - природне явище, хоча часто обумовлено втручанням людини.
Сукцесія, що протікає на новоутвореному субстраті, називається первинною. Сукцесія на території, вже зайнятої рослинністю, називається вторинною.
Екологічні сукцесії - це послідовна зміна екосистем при поступовому направленому зміні умов середовища: наприклад, при зміні клімату. Зі зміною умов середовища змінюється склад живих організмів і продуктивність екосистеми. Поступово роль одних видів убуває, а інших збільшується, різні види вибувають зі складу екосистеми або, навпаки, поповнюють його. Сукцесії можуть викликатися внутрішніми і зовнішніми факторами і можуть протікати іноді швидко, іноді століттями. Якщо зміна середовища буде різким (пожежа, розлив великої кількості нафти, прохід колісної та гусеничної техніки в тундрі), то екологічна рівновага порушується.
Сталість циклів поживних елементів спостерігається тоді, коли весь вуглець і азот, засвоєні екосистемою з атмосфери, в результаті діяльності редуцентов повертаються в неї. Всі елементи мінерального живлення (фосфор, калій, кальцій і т. Д.) Після розкладання мертвого органічного речовини повертаються в грунтовий розчин для повторного використання корінням рослин.
Екосистема підтримує рівновагу за рахунок того, що в неї постійно надходить нова сонячна енергія. Екологічна рівновага підтримується в екосистемах складними механізмами взаємовідносин між живими організмами та умовами середовища, між особинами одного виду і особинами різних видів один з одним.
Екологічна рівновага - це стан екосистеми, при якому склад і продуктивність біотичної частини (рослин, тварин, грибів, бактерій, водоростей) в кожен конкретний момент часу найбільш повно відповідає абіотичних умов - грунту і клімату. Головна особливість екологічної рівноваги екосистеми - його рухливість.
В екосистемі постійно відбуваються оборотні зміни.
Це зміни екосистеми протягом року з весни до весни при коливаннях клімату в різні роки і зміні ролі деяких видів рослин в зв'язку з ритмами їх життєвого циклу (наприклад, цвітіння дуба один раз в 4 роки, спалахи чисельності непарного шовкопряда в лісі або мишоподібних гризунів в степи). При таких змінах видовий склад екосистеми зберігається, вона лише підлаштовується до коливань.
Однак під впливом закону оптимальності, яка говорить, що будь-яка система найкраще функціонує тільки в суворо визначених просторово-часових межах, надмірно великі особини, що вимагають занадто великої кількості їжі для підтримки своєї енергетики, зазвичай вимирають.
Екологічна сукцесія відбувається в певний відрізок часу, в який змінюється видова структура співтовариства і абиотическая середовище його існування аж до кульмінації його розвитку - виникнення стабілізованою системи. У більш вузькому сенсі, це послідовність спільнот, що змінюють один одного в даному районі.
Якщо в перший момент з'являються автотрофні організми, сукцесія носить назву автотрофної. Наприклад, розвиток лісу на залишеному поле. Видовий склад організмів змінюється від року КМОД, а в співтоваристві йде накопичення органічної речовини.
Гетеротрофну сукцесія характеризується початковим переважанням гетеротрофних організмів і зустрічається в тих випадках, коли середовище перенасичена органічною речовиною. Енергетичні запаси тут спочатку максимальні і знижуються в міру сукцесії, якщо, звичайно, не вноситься додаткове органічна речовина.
Потік енергії, що проходить через співтовариство, в ході гетеротрофною сукцессии падає. Вона завершується після того, як вичерпано надлишок органічної речовини. На противагу цьому при Автотрофне типі сукцессии потік енергії може навіть зростати.
Для виникнення сукцесії необхідно вільний простір, і залежно від початкового стану субстрату, розрізняють первинну і вторинну сукцесії.
Первинна сукцесія це якщо формування співтовариств починається на спочатку вільному субстраті, а вторинна сукцесія це послідовна зміна одного співтовариства, яке існувало на даному субстраті, іншим, більш досконалим для даних абіотичних умов.
Первинна сукцесія дозволяє простежити формування спільнот з самого початку. Вона може виникнути на схилі після зсуву або обвалу, на що утворилася мілини під час відступу моря і зміні русла річкою, на оголених еолових пісках пустелі, не кажучи вже про антропогенних порушеннях: свіжа лісосіка, намивна смуга морського узбережжя, штучні водосховища.
Типовим прикладом є заселення оголень гірських порід. Спочатку на скелях з'являються лишайники і водорості формується комплекс видів мікроскопічних водоростей, найпростіших, нематод, деяких комах і кліщів, який сприяє утворенню первинної грунту. Пізніше виникають інші форми лишайників, спеціалізовані види мохів, потім поселяються судинні рослини і збагачується фауна
Сукцесії, зумовлені дією зовнішніх факторів, називають екзогенетіческімі. Такі сукцесії можуть бути викликані, наприклад, зміною клімату в одному напрямку (похолодання чи потепління) і іншими змінами абіотичних умов. Такі зміни можуть відбуватися протягом століть і тисячоліть і їх називають віковими сукцесії. Якщо в результаті зміни умов середовища одні види вимирають, а інші змінюються під дією природного відбору, даний процес розглядається як еволюційна сукцесія.
Якщо сукцесія відбувається внаслідок внутрішніх взаємодій, вона називається ендогенетіческой. Ендогенетіческіе сукцессии спостерігаються в природі, коли в процесі свого розвитку співтовариство змінює середу так, що вона стає більш сприятливою для іншої спільноти. Формується нове співтовариство в свою чергу робить середу ще більш несприятливою для колишнього спільноти. Відбувається процес зміни екосистем, що проходить кілька стадій, до тих пір, поки не буде досягнуто остаточної популяційної рівновагу.
Сукцесія закінчується формуванням спільноти, адаптованого до кліматичних умов, здатного підтримувати себе необмежено довго, внутрішні компоненти якого врівноважені між собою і з навколишнім середовищем.
Завершальне сукцесію співтовариство - стійке, самооновлюватися і знаходиться в рівновазі з середовищем - називається клімаксним спільнотою.
Клімакс - це вища, найбільш збалансована щабель сукцессии, яка може існувати дуже тривалий час.
Послідовний ряд поступово і закономірно змінюють один одного в сукцесії спільнот називається сукцессионной серією. Вона спостерігається в природі не тільки в лісах, болотах і озерах, а й на стовбурах відмерлих дерев і в пнях, де відбувається закономірна зміна сапрофитов і сапрофагов, в калюжах і ставках і т. Д. Іншими словами, сукцессии різномасштабних і ієрархічні, так само як і самі екосистеми.
Кожна стадія сукцесії являє собою певне співтовариство з переважанням тих чи інших видів і життєвих форм. Окремі стадії розвитку сукцесії називають серіальними стадіями.
Однак прогресивними процесами характеризуються зазвичай тільки сукцессии, пов'язані з природними впливами. Якщо ж відбувається швидке і масоване порушення гомеостазу, наприклад при вторгненні людини, то еволюційні механізми порушуються і системи не можуть відновити внутрішню рівновагу на колишньому високому організаційному рівні. У кращому випадку вони замінюються іншими, як правило, менш продуктивними і стійкими, а в гіршому - відбувається опустелювання, знищення або різке зниження біомаси з неможливістю її самовідновлення.
Справа в тому, що чим організованіше, досконаліше вид, тим складніше його генетичний апарат, що забезпечує стійкість, збереження в поколіннях спадкових ознак. Звичайно, у таких видів, в тому числі у людини, як правило, досить висока пристосовність до різних значень екологічних факторів. Однак і вона має свої межі. І якщо вони порушуються занадто різко або швидко, то генетична стійкість, в нормальних умовах допомагає увазі зберегти свої достоїнства, обертається його загибеллю.
Менш організовані, але більш здатні до мутації види отримують перевагу і витісняють більш організовані види, займаючи їх екологічні ніші. При цьому часто нові види виявляються більш агресивними і трудноунічтожаемимі за рахунок високої мінливості (як це сталося з вірусом СНІДу, які прийшли на зміну вірусів кору, скарлатини та ін.).