Основные формы влияния человека на растения:

Изменение ареалов растений	Непосредственное воздействие человека на растительный покров	Создание новых местообитаний, несвойственных ненарушенной природе	Создание культурных фитоценозов	Охрана растительного покрова
Завоз растений; Сокращение ареалов растений; Уничтожение растений.	Распашка; Осушение; Вырубка леса; Орошение; Обводнение; Выжигание; Выпас скота; Выкашивание; Действие дымов и других примесей.	Создание отвалов и других промышленных выбросов.	Создание культурных фитоценозов.	Охрана растительного покрова.

Влияние человека на животных:

Охота, промысел, акклиматизация, разведение, заповедники, заказники, устройство кормушек.

ЛК по экологии, 26 октября 2012 г.

Тема: Биосфера планеты

Биосфера – внешняя оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть веществ, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера включает в себя атмосферу, гидросферу, литосферу.

Атмосфера - газообразная оболочка планеты, состоящая из примесей отдельных газов, водяных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен веществ Земли и космоса.

Земля получает космическую пыль и метеоритный материал и теряет самые легкие газы – водород и гелий.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

В атмосфере несколько слоев, которые разделены границами – паузами.

- Тропосфера – нижняя часть атмосферы, тот слой, где есть жизнь. Её высота – до 18 км.ней содержится большое количество водяных паров, которые при нагревании приводятся в движение. При их конденсации образуются облака.

- Стратосфера – более высокий слой атмосферы, который находится на высоте 50-55 км. У верхней границы стратосферы температура резко понижается до -90 градусов Цельсия. За счет образования кристаллов из жидкости здесь образуются серебристые облака.

- Ионосфера – до 80 км. Температура повышается до 1000 градусов Цельсия. Состоит из ионов газа, которые образуются под действием радиоактивного излучения.

- Экзосфера – до 2-3 тыс. км. Температура – 2000 градусов Цельсия. Состоит из ионов газа. Со скоростью 11 км/св её состав входят атомы водорода и гелия. Здесь образуется озон.

Гидросфера – совокупность всех вод на Земле (материковые, океанические, биосферные).

Распределение водных масс на Земле;

Части гидросферы	Площадь распределения, тыс. км2	Объем воды, тыс. м3	Доля от общего запаса, %
Мировой океан	361300	1138500	96, 53
Подземные воды	134800	23400	1, 69
Ледники	16227	24064	1, 74
Подземные льды	21000	300	0, 023
Озёра	2058	176	0, 014
Почвенная влага	82000	16, 5	0, 001
Пары атмосферы	510000	12, 9	0, 001
Болота	2682	11, 4	0, 0007
Речные воды	148800	2, 1	0, 0002

Важные функции гидросферы

1. Вода – главный природный ресурс и минеральное сырье.

2. Вода - основной механизм осуществления всех процессов в экосистемах.

3. Вода – агент-переносчик энергии.

4. Вода – основная часть всех живых организмов.

Литосфера – твердая оболочка Земли. Включает в себя земную кору и верхнюю манию Земли.

Протяженность литосферы - от 50 до 100, в т. ч. земной коры – до 75 км.

Химический состав литосферы

1. Кислород

2. Кремний

3. Алюминий

4. Железо

5. Кальций

6. Магний

7. Натрий

8. Калий

Ведущим является кислород – он занимает 92%.

Соотношение горных пород в литосфере

Название горных пород	Процент от общего объема земной коры, %
А) Гранит Б) Диарит В) Диффузивы	20, 86
Д) Кристаллические сланцы	16, 91
Е) Базальты габбро	50, 34
Осадочные породы: А) Глинистые сланцы	4, 48
Б) Пески и песчинки	3, 56
Карбонатные породы	3, 57

Земная кора является важным ресурсом для человека. Содержит горючие ископаемые, рудные, а также нерудные ископаемые (фосфориды, апатиты), естественные ископаемые (известняк, песок).

ЛК по экологии, 2 ноября 2012 г., пятница

Тема: Экосистемы. Биоценоз. Классификация и структура систем.

Биоценоз (от лит. «биос» - жизнь, «ценоз» - общий) – это совокупность всех популяций всех видов живых организмов, населяющих определенную географическую территорию. отличающуюся от других территорий по химическому составу почв и ряду других факторов (влажность, высота над уровнем моря, солнечное излучение, температура). Растительный компонент биоценоза называется фитоценозом, животный компонент – зооценозом, микробные комплексы – микробиоценозом. Все компоненты складываются в определенных условиях окружающей среды. Взаимодействуя с компонентами биоценоза (растениями, животными, микроорганизмами), почва и вода образуют эндопомер. Атмосфера образуется климатом. Все компоненты неживой природы образуют косное вещество – эндопомоп.

Биоценоз образуют фитоценоз, зооценоз, микробиоценоз. Взаимодействуя с почвой и водой, они образуют эдофатоп, взаимодействуя с воздухом – климат.

Все в совокупности составляет экосистему.

В общем случае экосистема: биоценоз + эдофатоп.

Экосистема – любая совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ.

Экосистемы делятся на:

1. Микроэкосистемы – система, в которой жизнедеятельность живых организмов ограничена некими условиями (пример: ствол гниющего дерева).

2. Мезоэкосистемы – здесь представлено больше компонентов, чем в микроэкосистеме (лес, озеро),

3. Макроэкосистема – жизнь бурлит (океан),

4. Глобальная – биосфера в целом.

В состав любой экосистемы входят:

1. Неорганическое вещество – кальций, натрий, углекислый газ, вода, кислород, азот (элементы, необходимые для существования живых организмов),

2. Органическое вещество – белки, жиры, углеводы, гумусовые вещества (основа почвы),

3. Воздушная и водная субстракция – воздух и вода,

4. Субстракция климатического режима – температура,

5. Продуценты – зеленые растения и бактерии – дают продукцию,

6. Консументы – потребляют продукцию,

7. Редуценты – разлагают продукцию.

В результате взаимодействия живой и неживой природы в экосистемах происходит круговорот веществ. Он может быть большой (в экосистемах до масштаба планеты) и малый (проходят в малых экосистемах).

Круговорот веществ – многоразовое участие веществ в естественных процессах, которые периодически и постоянно происходят в биосфере – циркуляция веществ.

Во время круговорота происходит кругообразная циркуляция вещества между воздухом, почвой, водой, растениями, животными и микроорганизмами. При этом минеральные вещества, нужные для жизни, поглощаются, трансформируются, поступают из окружающей среды в состав растительных организмов, а от них по цепям питания – к животным. Далее через звено редуцентов снова погружаются в среду, уже в виде неорганических веществ.

Благодаря наличию в атмосфере и гидросфере большого количества углерода, азота, кислорода, серы, фосфора, круговороты могут очень быстро саморегулироваться.

Несколько основных круговоротов:

1. Круговорот углерода. Углерод содержится в природе как неорганическое вещество. Включение его в состав живых организмов происходит в результате фотосинтеза, где на основе углерода и воды происходит образование сахара, а сахар является формирователем тканей растений. После смерти углеродосодержащих организмов в почве их соединения разлагаются редуцентами – бактериями и микроорганизмами. Затем углерод, уже в форме углекислого газа, поступает в атмосферу. Это процесс по-другому называется почвенным дыханием.

Основным резервуаром углерода являются горные породы; в них, по существующим оценкам, его содержится примерно 75 квадриллионов тонн. Еще 5 триллионов тонн содержится в горючих полезных ископаемых — угле, нефти, газе и торфе. Примерно 150 млрд. т приходится на верхний слой донных океанических осадков. Эти запасы в обычных условиях недоступны для живых организмов. Для них важнее «оборотный пул» углерода, представленный на рисунке.

Главный источник углерода для живых организмов — это диоксид углерода (углекислый газ), содержащийся в атмосфере и растворенный в поверхностных водах. В процессе фотосинтеза зеленые растения, водоросли и цианобактерии превращают это неорганическое вещество в углеводы, из которых затем образуется углеродный скелет всех прочих органических молекул. Фотосинтетическая ассимиляция диоксида углерода компенсируется его выделением в процессе дыхания, что способствует поддержанию природного равновесия. Однако не весь фиксированный диоксид углерода возвращается в атмосферу за счет дыхания. В анаэробной среде, например в болотах или на слабо освещенном дне стоячих водоемов, минерализация органики идет очень медленно, и она накапливается в виде ила или торфа. В определенных условиях через длительный период времени эти осадки могут образовать залежи ископаемого топлива.

В океанах основными механизмами поглощения диоксида углерода из атмосферы является фотосинтез, главным образом фитопланктонный, и растворение в поверхностных водах. Значительная часть этого связанного диоксида углерода быстро возвращается назад — непосредственно из раствора или в результате дыхания. Однако, как и в наземных экосистемах, некоторая доля углерода надолго задерживается, например при погружении холодных поверхностных вод в глубину или в составе образуемых морскими организмами карбонатных структур (раковин, кораллов и т. д.), которые со временем превращаются в горные породы типа известняка.

Скорость переноса углерода между его резервным и оборотным пулами может меняться из года в год в зависимости от климатических флуктуации. На этот баланс влияет также деятельность человека, особенно изменение землепользования (сведение леса или лесопосадки), использование ископаемого топлива и производство цемента. Судя по имеющимся данным, именно человек обусловливает значительный рост содержания диоксида углерода в атмосфере с эпохи промышленной революции.

Повышение скорости мобилизации углерода из его резервуаров типа ископаемого топлива и карбонатов (при производстве цемента) и потенциальное влияние этого ускорения на глобальный климат и экосистемы — весьма актуальные темы ведущихся сейчас экологических исследований и дебатов. Преобладает мнение, что сохранение нынешних темпов поступления в атмосферу диоксида углерода грозит весьма серьезными последствиями для всей планеты. Правительства предпринимают усилия к сокращению выбросов диоксида углерода промышленностью и масштабов использования ископаемого топлива в целом за счет более широкого применения альтернативных видов энергии, например солнечной и ветровой.

2. Круговорот азота. Молекулярный азот в атмосфере является неорганических соединением. При грозах, вместе с дождевыми водами, попадает в почву в виде селитры. В почве азотфиксирующими организмами обогащается, и превращается в органический азот, который минерализуется и поступает в растения (в форме нитратов). Мертвые организмы становятся средством питания организмов-сапротропов, которые разлагают органический азот и содержащиеся в нем вещества до неорганических (в частности, до аммиака). Аммиак и другие неорганические вещества переходят в нитриты и нитраты и снова поступают в живые организмы. Проходя в цепи питания между живыми организмами, азот снова превращается в молекулярное неорганическое соединение, и круговорот снова повторяется.

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N₂. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃^–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10¹⁵) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10¹²) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».

3. Круговорот воды. Вода испаряется с поверхности океана и поступает в атмосферу, формируя осадки. Затем вода вместе с осадками попадает снова в океан – так происходит большой круговорот. Внутри экосистемы (малый круговорот) действуют системы перехвата воды, в результате работы которых растения способствуют испарению в атмосферу осадков до того, как они достигнут почвы. Часть воды проникает в почву и усваивается растениями, которые трансформируют влагу, поступающую в атмосферу. Другая часть включает физическое испарение. Далее круговорот снова повторяется.

4. Круговорот фосфора и серы. Фосфор и серы в природе содержатся в горных породах и попадают в почву в результате их разрушения. Эти микроэлементы выщелачиваются осадками и оказываются в гидросфере. В результате осадков фосфор и сера поступают в растения и вступают в пищевые цепи. Организмы-редуценты разлагают фосфор и серу до неорганических веществ, после чего эти вещества снова участвуют в круговороте.

Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями (рис.2). Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные п роблемы с загрязнением окружающей среды. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, в земной коре его  Рис.2. Круговорот фосфора. Вариант № 1. содержание не превышает 1 %, что является основным фактором, лимитирующим продуктивность многих экосистем. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Он попадает в экосистемы суши и поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к употреблению растениями и другими автотрофами. В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских водоёмов. Во всех водных экосистемах фосфор встречается в четырёх формах, соответственно нерастворимых или растворимых. Рис. 3. Круговорот ф осфора. Вариант № 2. Замечено, что в водах умеренных широт в зимнее время возрастает содержание растворённых минеральных фосфатов. Максимального значения концентрация достигает весной, в то время года, когда биосфера особенно сильно в них нуждается (подобные изменения концентраций во времени касаются и растворенных в воде нитратов). Фосфор, накопленный в отложениях на мелководьях, например в иле, высвобождается, когда в зимнее время среда становится анаэробной (почти полная остановка процесса синтеза). Таким образом, естественные условия, способствующие выбыванию серы из круговорота при её восстановлении в присутствии железа, обеспечивают высвобождение фосфатов. Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно отметить, что он полностью не замкнут. Действительно, происходит частичное поступление фосфора из океана на сушу, которое осуществляется главным образом птицами, питающимися рыбой. В наземных экосистемах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь на выщелачивание Окаменение скелетов позвоночных на суше - явление довольно редкое, и влияние его на круговорот фосфора не заслуживает внимание., то в океане дело обстоит далеко не так. Это связано с беспрестанной седиментацией органического вещества и, в частности, обогащенных фосфором трупов рыб, фрагменты которых, не использованные в пищу детритофагами и деструкторами, постоянно накапливаются на дне морей. Органический фосфор, осевший на небольшой глубине приливно - отливных и неритических зон, может быть возвращен в круговорот после минерализации, однако это не распространяется на отложения на дне глубоководных зон, которые занимают 85 % общей площади океанов. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, выключаются из биосферы и не могут больше участвовать в круговороте. Конечно, как заметил Ковда (1968 г.), элементы биогеохимического осадочного круговорота не могут накапливаться до бесконечности на дне океана. Тектонические движения способствуют медленному подъему к поверхности осадочных пород, накопленных на дне геосинклиналей. Таким образом, замкнутый цикл осадочных элементов имеет продолжительность, измеряемую геологическими периодами, т.е. десятками и сотнями миллионов лет. Перуанские залежи гуано свидетельствуют о крупномасштабности этого явления в некоторых районах земного шара. Вылавливая морских животных, человек тоже участвует в этом процессе. Однако количество фосфора, ежегодно поступающее на сушу благодаря рыболовству, довольно незначительно, около 60 000 т (Hutchinson, 1957 г.), и явно уступает выносу фосфора в гидросферу при выщелачивании растворимых фосфатных удобрений, вносимых в агроэкосистемы, который достигает многих миллионов тонн в год. Таким образом, в естественных условиях механизм возвращения фосфора из океанов на сушу совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию. К тому же человек ускоряет эту естественную тенденцию, внося в обрабатываемые земли удобрения, богатые фосфором.

Сера в значительном количестве присутствует в океане в окисленном виде в составе сульфат-иона  Серобактерии в океане, почве и болотах восстанавливают ее из окисленного состояния и выделяют в атмосферу газообразный сероводород. Сероводород сравнительно быстро, за время порядка нескольких минут или десятков минут, окисляется в воздухе с образованием сернистого газа SO2. Дополнительными природными источниками сероводорода и сернистого газа являются вулканы, горячие источники и гейзеры. Сернистый газ хорошо растворяется в облачной воде с образованием сернистой кислоты H2SO3, которая в свою очередь быстро окисляется и превращается в серную кислоту. Поэтому, попав в облака, где всегда присутствует аммиак, щелочные или щелочноземельные металлы, сера быстро переходит снова в сульфатную форму и вместе с дождем или снегом выпадает из облаков на землю.

Рис.3 Потоки серы в биосфере

При высыхании обычных капель и брызг, образующихся при осушении морских волн, в атмосфере остаются сульфатные частицы с размерами 0,01-10 микрометров. Эти частицы практически невесомы и могут реять в воздухе очень долго, переносимые ветрами на огромные расстояния. Рано или поздно они вымываются осадками и высаждаются на землю, будучи вынесены к ее поверхности турбулентными потоками воздуха. Такая же судьба постигает и молекулы сернистого газа, не успевшие превратится в сульфаты. Попав на поверхность, сернистый газ реагирует с ее материалом и также превращается в сульфаты. Органическое топливо – уголь и нефть – содержит много, от 0,5 до 5%, серы. Поэтому при его переработке и сжигании в атмосферу выбрасываются огромные объемы сернистого газа, концентрации которого во многих регионах многократно превосходят естественный уровень, что вызывает закисление дождей, почв и водоемов с тяжелыми последствиями для многих биогеоценозов.