Решение экологических задач

Задача 1. Постройте пищевую цепь экосистемы леса, в которой продуцентами являются древес­ные растения, а консументом высшего порядка — ястреб.

Решение.

Поскольку растения — это продуценты, в пищевой цепи они займут первую позицию:

растение →

Их тканями могут питаться многие насекомые, например тля, которая сосет флоэмный сок. Тля будет являться консументом 1-го порядка:

растение →тля →

Как известно, тлю истребляют божьи коровки, которых применяют даже в садах и на полях вместо ядохимикатов:

растение →тля → божья коровка →

Божьими коровками могут питаться немногие птицы из-за их предупреждающей окраски, однако к таковым относятся и скворцы:

растение → тля →божья коровка→ скворец →

Скворец вполне может стать добычей ястреба, который и завершит данную пищевую цепь, будучи консументом 4-го порядка:

растение → тля → божья коровка → скворец →ястреб.

Ответ: растение → тля → божья коровка → скворец → ястреб.

Задача 2. В упрощенной экосистеме африканской саванны имеется четыре компонента: растения (акации), травоядные (антилопы), хищники (гепарды) и падалыцики (гиены). Какие организмы занимают в этой экосистеме второй трофический уровень?

Решение.

Поскольку продуцентами являются только акации, а все остальные — консументами, расте­ния оказываются в начале пищевой цепи:

акации →

Антилопы относятся к травоядным, гепарды — к хищникам, а гиены — к падалыцикам. Сле­довательно, пищевая цепь приобретает вид:

акации →антилопы → гепарды → гиены.

Из этой пищевой цепи видно, что именно антилопы занимают второй трофический уровень. Ответ: антилопы.

Задача 3. Какое количество чаек может прокормиться на участке акватории моря, на котором в год образуется 1200 кг сухой массы фитопланктона? Масса чайки составляет 1 кг (сухое веще­ство — 40%), чайка питается рыбой, а рыба — фитопланктоном. При решении задачи следует учитывать правило экологической пирамиды.

Решение.

Прежде всего, исходя из данных задачи, следует составить пищевую сеть:

фитопланктон → рыба → чайка.

Из этой цепи следует, что пирамида биомасс будет трехуровневой, и, согласно правилу 10 %, или правилу экологической пирамиды, биомассы чайки будет в 100 раз меньше биомассы фито­планктона:

чайка — 1 %;

рыба — 10%;

фитопланктон — 100%.

Помня о том, что в основу пирамиды биомасс положена масса сухого вещества, рассчитываем массу сухого вещества чайки:

m (сух. чайки) = m (сыр. чайки) • 40% / 100% = 1 • 0,4 = 0,4 кг.

Определяем, какое количество сухого вещества фитопланктона требуется для пропитания од­ной чайке:

m (сух. фитопланктона) = m (сух. чайки) • 100 = 0,4 •100 = 40 кг.

И, наконец, вычисляем, какое количество чаек может прокормиться на данной акватории:

m (чаек) = m (общ. сух. фитопланктона) / т (сух. фитопланктона)= 1200 / 40 = 30 (чаек)

Ответ: 30 чаек.

Задача 4. Средняя масса годовалой рыжей лисицы — 20,5 кг. Предположим, что с одномесячного возраста, когда масса лисенка составляла 500 г, он перешел на питание исключительно куропат­ками (средняя масса — 800 г). Какое количество куропаток понадобилось ему съесть для достиже­ния массы годовалой лисы? Какой прирост биомассы продуцентов понадобился для этого? Какая площадь (в га) достаточна для пропитания одной лисицы, если продуктивность растительной био­массы составляет 2 т/га?

Решение.

Составим цепь питания данной территории, учитывая то, что куропатки являются преимуще­ственно растительноядными:

растение → куропатка → лиса.

Подсчитаем, какую массу лисенок набрал в течение года, питаясь куропатками:

∆m (лисы) = 20,5 кг — 0,5 кг = 20 кг.

Согласно правилу экологической пирамиды, для набора такой массы ему потребовалось съесть в 10 раз больше куропаток:

m (куропаток) = ∆m (лисы) • 10 = 20 • 10 = 200 кг.

n(куропаток) = m (куропаток)/m (куропатки) = 200 кг / 0,8 кг = 250 (куропаток).

Теперь определим, согласно правилу экологической пирамиды, какая биомасса продуцентов потребовалась для прокорма 200 кг куропаток:

m (продуцентов) = m (куропаток) • 10 = 200 кг • 10 = 2000 кг.

Вычислим площадь, необходимую для пропитания куропаток и лисы, учитывая продуктив­ность данной экосистемы (2000 кг/га):

S = т (продуцентов)/продуктивность = 2000 кг / 2000 кг/га = 1 га.

Ответ: для пропитания одной лисы необходимо 250 куропаток, которые потребляют 2000 кг растительной биомассы. Для пропитания одной лисы достаточно 1 га территории.

7.3. Разнообразие экосистем (биогеоценозов). Саморазвитие и смена экосистем. Выявление причин устойчивости и смены экосистем. Стадии развития экосистемы. Сукцессия. Изменения в экосистемах под влиянием деятельности человека. Агроэкосистемы, основные отличия от природных экосистем.

Разнообразие экосистем (биогеоценозов)

Биомы

Кажущееся бесконечным многообразие биогеоценозов нашей планеты, опираясь на немногие экологические критерии, можно свести к нескольким основным типам, приуроченным к опреде­ленным ландшафтно-климатическим зонам. Эти определенные совокупности различных групп организмов и среды их обитания называются биомами. Особенности среды обитания, наклады­вающие отпечаток на характер процессов, происходящих в биогеоценозе, а также его видовую и пространственную структуру, позволяют отнести биомы к наземным (сухопутным) или водным.

Основные наземные экосистемы

В основе классификации наземных экосистем, в первую очередь, лежит тип растительного покрова данного участка суши, что позволяет выделять пустынные, травянистые и лесные био­геоценозы. Пустынные экосистемы, в свою очередь, подразделяют на тропические, умеренных широт и холодные, травянистые — на саванны, прерии, степи и тундры, а лесные — на влажные тропические леса, листопадные леса умеренных широт и др.

Пустыни. К пустыням относят территории, на которых уровень осадков не превышает 250 мм в год, а испарение влаги намного больше количества выпавших осадков. Эти экосистемы покры­вают около 30% поверхности суши практически во всех широтах Земли, начиная с тропических Атакамы и Южной Сахары, и заканчивая ледяными пустынями Антарктиды.

Чрезвычайно сложные условия обитания в пустынях обусловливают скудость и изреженность растительного покрова, что, в свою очередь, является причиной крайне низкой продуктивности данных экосистем и способствует формированию в них коротких пищевых цепей. Так, в пусты­нях Северной Америки доминируют кактусы, а консументами высшего порядка являются койоты и ястребы.

Хрупкость жизни в пустынях заставляет уделять особое внимание их охране, поскольку выпас скота и движение автотранспортных средств вне дорог приводит к серьезным нарушениям этих экосистем.

Экосистемы, где преобладающим является травяной покров, характерны для районов, в кото­рых выпадает большее количество осадков, и влага частично задерживается в почве. Они распола­гаются преимущественно в тропическом, умеренном и субарктическом поясах планеты.

Тропические травянистые экосистемы, или саванны, образуют широкие полосы по обе сторо­ны экватора. В этих регионах средние температуры достаточно высоки, а осадки выпадают в ос­новном весной или летом, тогда как в остальное время они отсутствуют (сухой сезон). Помимо зла­ков и других травянистых растений, в саваннах могут встречаться также редкостоящие деревья, например, баобабы и зонтичные акации. Животный мир тропических травянистых экосистем, представленный слонами, носорогами, жирафами, антилопами, львами, различными грызунами, зайцеобразными, множеством птиц и др., в зимнее время обогащается за счет птиц, мигрирую­щих из Евразии. Однако несмотря на то, что продуктивность саванн и их видовое разнообразиепревышает таковую пустынь, и они должны быть более устойчивыми, саванны не меньше страда­ют от действия антропогенного фактора, например от перевыпаса скота и пожаров.

Травянистые экосистемы умеренных широт занимают большей частью внутренние районы материков. В Евразии они называются степями, в Северной Америке — прериями, в Южной — пампой и льянос, в Южной Африке — вельдами. Несмотря на почти постоянно дующие ветры, способствующие испарению влаги, часть ее все же задерживается в почве благодаря плотному растительному покрову. Во флоре этих экосистем достаточно широко представлены злаки, такие как пампасная трава, ковыли и др. Ранее в них встречались и крупные млекопитающие, напри­мер бизоны, туры, сайгаки, куланы и др. Однако хищническое истребление данных животных, а позднее — распашка прерий и степей привели к деградации биогеоценозов с последующей эро­зией почв и пыльными бурями.

В этих же широтах, на территориях с лучшим влагообеспечением, чаще в поймах рек, в хол­мистой местности и на лесных полянах, встречается другой тип травянистых экосистем — луга. Их растительный покров отличается изобилием многолетних трав, главным образом злаков и осок.

Полярные травянистые экосистемы, или тундры, располо­жены в субарктическом поясе. Большую часть года они покрыты снегом и льдом, хотя осадков в этих районах немного, и выпада­ют они в основном в виде снега. Зимы в тундре продолжительные и суровые, поскольку эффект низких температур усугубляется почти постоянно дующими штормовыми ветрами. Почвенный слой тундры скован вечной мерзлотой, и даже летом почва от­таивает максимум на 1 м, но при этом остается перенасыщенной влагой. Растительный покров здесь образуют главным образом мхи и лишайники, а также верески, линнея северная (рис. 7.5) и др., хотя встречаются и стелющиеся древесные растения, например карликовые ивы и березы. Животный мир тундр также небогат, он представлен белыми медведями, песцами, росомахами, северными оленями, леммингами, прилетающими на лето полярными гусями, гагарами, помор­никами и др. Обильны здесь и кровососущие насекомые — мошки, мокрецы, комары.

Бедность видового состава, низкие темпы прироста растительности, медленное разложение ор­ганических веществ, малая мощность почвы или полное ее отсутствие на части территории ставят под угрозу дальнейшее существование экосистем вследствие интенсивной эксплуатации природ­ных ресурсов (добычи нефти и газа) в этих районах.

Лесные экосистемы, в которых доминируют древесные растения, встречаются в районах зем­ного шара с более или менее стабильными погодными условиями и почти равномерным выпаде­нием осадков в течение года.

Влажные тропические леса широко распространены в приэкваториальных районах, характе­ризующихся более или менее стабильными, умеренно высокими среднегодовыми температурами, а также значительным количеством осадков, которые и обусловливают влажность воздуха, доходя­щую до 100%. Типичным для влажных лесов является преобладание крупных вечнозеленых дере­вьев, тогда как ярус трав из-за высокой степени сомкнутости крон здесь практически не выражен.

Несмотря на очень высокую продуктивность таких экосистем, формирование плодородного слоя почвы в них сильно затруднено вследствие чрезвычайно быстрой переработки растительного опада и других органических остатков бактериями и грибами, а также сравнительно легкого вы­мывания ливнями биогенных элементов, особенно на нарушенных территориях.

Биоценоз влажного тропического леса характеризуется самым высоким среди наземных био­геоценозов разнообразием крайне специализированных видов растений и животных, каждый из которых занимает строго определенное место в трофических сетях. Вместе с тем нарушение равно­весия в экосистеме влажного тропического леса вследствие вырубки, прокладки дорог и т. д. при­водит к необратимым процессам. Данный тип биогеоценозов тем более нуждается в тщательной охране, потому что, например, амазонская сельва является одним из важнейших источников кислорода на планете.

Листопадные леса умеренных широт формируют растительный покров в районах с хорошо вы­раженной сезонностью и равномерными в течение всего года осадками. Несмотря на то, что лето здесь достаточно продолжительно, а зима не слишком сурова, климат в этих широтах скорее про­хладный или умеренно жаркий. Значительное видовое разнообразие растительного и животного мира в листопадных лесах обусловливает сложность цепей питания и устойчивость биогеоценоза в целом, что, в свою очередь, способствует их быстрому восстановлению в случае различных ан­тропогенных нарушений.

Северные хвойные, или бореальные леса (тайга), характерны для более южных районов су­барктического пояса, чем тундры. Лето здесь относительно короткое и прохладное, тогда как зимы продолжительны и достаточно суровы, а количество осадков в течение года невелико (250-500 мм в год). По сравнению с остальными лесными экосистемами, тайга относится к наименее нарушенным биогеоценозам, несмотря на интенсивную рубку, сбор грибов и ягод, а также промысел пушнины.

Наряду с широтной, на Земле выражена и высотная зональность, которая обусловлена не толь­ко и не столько интенсивностью солнечного излучения, сколько углом падения солнечных лучей, перепадами температур, влагообеспеченностью и другими факторами. Поэтому здесь встречаются и лесные, и луговые, и пустынные экосистемы. Характерными для гор являются такие виды жи­вотных и растений, как, например, эдельвейс, фиалка галмейная, муфлон, снежный барс и др.