11 Класс 25.02.15
Тема: Разнообразие экосистем. Развитие и изменения экосистем. Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах. Продуктивность экосистем
Цель: сформировать понятие сукцессия, продуктивность. Рассмотреть классификацию экосистем по продуктивности, привести примеры. Ознакомить с процессами развития и изменения экосистем. Объяснить, как происходит круговорот веществ и поток энергии в экосистемах
Ход урока
Проверка д/з
Изучение нового материала
Видовое разнообразие естественной экосистемы
Биологическое разнообразие (биоразнообразие) — это разнообразие всего живого на Земле — от генов до экосистем. В его основе лежит видовое разнообразие. Оно включает миллионы видов животных, растений, микроорганизмов, живущих на нашей планете. Однако биоразнообразие охватывает и всю совокупность природных экосистем, которые слагаются этими видами. Таким образом, под биоразнообразием следует понимать разнообразие организмов и их природных сочетаний. На основе биоразнообразия создается структурная и функциональная организация биосферы и составляющих ее экосистем, которая определяет их стабильность и устойчивость к внешним воздействиям.
Существует три основных типа биоразнообразия: • генетическое, отражающее внутривидовое разнообразие и обусловленное изменчивостью особей; • видовое, отражающее разнообразие живых организмов (растений, животных, грибов и микроорганизмов); • разнообразие экосистем, охватывающее различия между типами экосистем, средами обитания и экологическими процессами. Разнообразие экосистем отмечается не только по структурным и функциональным составляющим, но и по масштабу — от биоценоза до биосферы.
Все типы биологического разнообразия взаимосвязаны: генетическое разнообразие обеспечивает разнообразие видов; разнообразие экосистем и ландшафтов создает условия для образования новых видов; повышение видового разнообразия увеличивает общий генетический потенциал живых организмов биосферы. Каждый вид вносит свой вклад в разнообразие, и с этой точки зрения не существует бесполезных или вредных видов.
Виды распределены по поверхности планеты неравномерно. Разнообразие видов в естественных средах обитания максимально в тропической зоне и уменьшается с увеличением широты. Самые богатые по видовому разнообразию экосистемы — дождевые тропические леса, которые занимают около 7 % поверхности планеты и содержат более 90 % всех видов. Коралловые рифы и средиземноморские экосистемы также отличаются видовым разнообразием.
Биологическое разнообразие сформировалось в результате взаимодействия между биосферой и географическими оболочками Земли – гидросферой, атмосферой и земной корой (литосферой), состав которых, в свою очередь, в значительной мере определяется биотой. Именно биота вызвала в свое время переход восстановительной атмосферы в окислительную, что дало импульс эволюционному процессу и появлению новых форм жизни. По мере того как жизнь завоевывала планету, живые существа приобретали все большее значение как фактор трансформации вещества и энергии. Эффективность этих процессов, без которых жизнь на Земле уже немыслима, определяется биологическим разнообразием – функциональной специализацией различных видов и распределением их ролей в сообществах.
Факторами устойчивости самих биологических сообществ (как и любых других сложных систем) являются дублирование (в данном случае дублирование экологических ниш, занимаемых разными организмами) и избыточность структурных элементов. Эти факторы в природных условиях обеспечиваются биологическим разнообразием – как правило, изъятие какого-либо одного вида не приводит к разрушению экосистемы, потому что функциональные связи удерживаются за счет других видов.
Видовое разнообразие и сохранение экосистем являются тесно связанными понятиями. Поэтому для количественной оценки их изменений часто пользуются едиными критериями.
Число видов организмов, населяющих Землю, очень велико, но оценки этой величины сильно различаются (от 5 до 80 млн). Однако более или менее четкая таксономическая принадлежность установлена всего для 1,4 млн видов. Из этого числа видов примерно 750 000 - насекомые, 250 000 - растения, 41 000 - позвоночные животные. Остальные виды представлены сложным набором беспозвоночных животных, грибов, водорослей и микроорганизмов. Видовой "ассортимент" географических зон сильно различается, хотя четко прослеживается тенденция увеличения от полюсов к экватору. Разнообразие экосистем - разнообразие различных сред обитания, биотических сообществ и экологических процессов в биосфере, а также сред обитания и процессов в рамках экосистемы.
Следует обратить внимание на то, что в биоценоз входят не только виды, постоянно обитающие в экосистеме, но и виды, проводящие в ней только часть своего жизненного цикла. Так, многие насекомые, такие, как комары, стрекозы, размножаются и проходят личиночные стадии развития в водоеме, а во взрослом состоянии ведут наземный образ жизни, т.е. входят в состав наземных экосистем. Этот пример позволяет понять, что видовой состав и в целом разнообразие биоценоза могут быть описаны только в определенный момент времени, так как набор видов изменяется в результате процессов их иммиграции и элиминации, непрерывно происходящих в биоценозе. Временной фактор в той или иной мере учитывается в службах мониторинга окружающей среды. Так, в частности, программы гидробиологического мониторинга требуют обязательного проведения анализа в разные сезоны года и оценки состояния водных объектов на основе данных, полученных в весенний, летний и осенний периоды. Количественная оценка биоразнообразия встречает определенные трудности, так как требует знания сложных функций (скорость иммиграции, элиминации, скорость видообразования, вымирания и т.д.). В естественных экосистемах центральным звеном является растительность, и все процессы изменения в данных сообществах относятся к автотрофным сукцессиям.
В естественных экосистемах гомеостаз поддерживается тем, что они открыты, т.е. постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. В антропогенных, созданных под влиянием человека системах для поддержания гомеостаза необходимо вмешательство (управление) людей. В естественных экосистемах, не испытавших в значительной степени антропогенного воздействия, необходимое качество окружающей природной среды обеспечивается самой природой. При ведении хозяйственной деятельности в таких условиях задача состоит в том, чтобы не нарушать сложившегося баланса. В нарушенных экосистемах улучшение качества окружающей природной среды достигается регулированием степени удовлетворения экономических интересов предприятий - производителей и требований экологической защиты природы.
В естественных экосистемах, не испытавших в значительной степени антропогенного воздействия, качество окружающей природной среды обеспечивается самой природой. При ведении хозяйственной деятельности в таких условиях задача состоит в том, чтобы не нарушать сложившегося баланса. В нарушенных экосистемах улучшение качества окружающей природной среды достигается регулированием степени удовлетворения экономических интересов предприятий-производителей и требований экологической защиты природы.
Процесс, при котором сообщества видов растений и животных замещаются с течением времени другими, обычно более сложными сообществами, называется экологической сукцессией, или просто сукцессией. Экологическая сукцессия обычно продолжается до тех пор, пока сообщество не станет стабильным и самообеспечивающимся. Конечное сообщество, занявшее нарушенный участок, называется зрелым сообществом, а экосистема в целом - климаксовой. На планете выделяют несколько крупных наземных климаксовых экосистем, которые называют биомами: тундра, хвойные леса (тайга), леса умеренного пояса, степи, пустыни, саванны, дождевые тропические леса.
Экологи выделяют два вида экологических сукцессии: первичные и вторичные. Первичная сукцессия - это последовательное развитие сообществ на участках, лишенных почв.
Более распространенным типом сукцессии является вторичная сукцессия, т.е. последовательное развитие сообществ в ареале, в котором естественная растительность была устранена или сильно нарушена, но почва не была уничтожена.
Существует два крайних типа видовых стратегий – r-стратегия и К-стратегия. Это два различных решения одной задачи - задачи длительного выживания вида.
Виды с r-стратегией быстрее заселяют нарушенные местообитания, характерные для ранних стадий сукцессии, такие как обнаженная горная порода, лесные вырубки, выгоревшие участки, чем виды с К-стратегией, так как они легче распространяются и быстрее размножаются.
Виды с К-стратегией более конкурентоспособны, и в конце концов они вытесняют r-виды, которые тем временем перемещаются в другие нарушенные местообитания.
Сукцессия любого масштаба заканчивается формированием зрелого сообщества, и в экосистеме все популяции приходят в состояние динамического равновесия.
В ходе сукцессии постепенно нарастает видовое разнообразие.
С энергетических позиций сукцессия - это такое неустойчивое состояние сообщества, которое характеризуется несоответствием двух показателей: валовой продуктивности и энергетических затрат всей системы на поддержание жизнедеятельности - дыхания.
Изымая избыток чистой продукции из сообществ, находящихся в начале развития сукцессии, мы задерживаем ее, но не подрываем основу существования сообщества.
Вмешательство же в стабильные, климаксовые системы неминуемо вызывает нарушение сложившегося равновесия. Пока нарушение не превышает самовосстановительной способности системы, вторичные сукцессии могут вернуть ее к исходному состоянию - этим пользуются, например, при планировании рубок леса.
Продуктивность
Автотрофные экосистемы можно сравнить с промышленным предприятием, которое производит различные органические вещества. Используя солнечную энергию, диоксид углерода и элементы минерального питания, экосистемы производят биологическую продукцию – древесину, листовую массу растений, плоды, животную биомассу. Производительность экосистемы, измеряемая количеством органического вещества, которое создано за единицу времени на единицу площади, называется биологической продуктивностью. Единицы измерения продуктивности: г/кв.м. в день, кг/кв.м. в год, т/кв.км в год.
Различают первичную биологическую продукцию, которую создают растения в процессе фотосинтеза из диоксида углерода, воды и минеральных элементов, и вторичную биологическую продукцию, которую создают гетеротрофы (консументы и редуценты) в результате переработки растительной и животной биомассы. Первичную продукцию подразделяют на валовую – общее количество созданного органического вещества и чистую – то, что осталось после расходов на дыхание и корневые выделения. У большинства растений чистая продукция составляет примерно половину от валовой.
Поскольку консументы лишь используют ранее созданные органические вещества, вторичную продукцию на валовую и чистую не разделяют. Но ее количество также зависит от расходов на дыхание, которое тем больше, чем больше энергии затрачивает организм. При интенсивной физической нагрузке (например, у птиц во время миграции) продукция уменьшается. Привесы у сельскохозяйственных животных убывают, если им приходится затрачивать много энергии на переходы с отдаленных пастбищ или согревание тела в холодном помещении.
При переходе энергии с одного трофического уровня на другой (от растений к фитофагам, от фитофагов к хищникам первого порядка, от хищников первого порядка к хищникам второго порядка) с экскрементами и затратами на дыхание теряется примерно 90% энергии. Кроме того, фитофаги съедают только около 10% биомассы растений, остальная часть пополняет запас детрита и затем ее разрушают редуценты. Поэтому вторичная биологическая продукция в 20-50 раз меньше, чем первичная.
По продуктивности экосистемы разделяются на четыре класса.
1. Экосистемы очень высокой биологической продуктивности – свыше 2 кг/кв.м в год. К ним относятся заросли тростника в дельтах Волги, Дона и Урала. По продуктивности они близки к экосистемам тропических лесов и коралловых рифов.
2. Экосистемы высокой биологической продуктивности – 1-2 кг/кв.м в год .Это липово-дубовые леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озере, посевы кукурузы и многолетних трав при орошении и удобрении высокими дозами минеральных удобрений.
3. Экосистемы умеренной биологической продуктивности – 0,25-1 кг/кв.м в год. Такую продуктивность имеют многие посевы, сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера, “морские луга” из водорослей в Японском море.
4. Экосистемы низкой биологической продуктивности – менее 0,25 кг/кв.м в год. Это арктические пустыни островов Северного Ледовитого океана, тундры, полупустыни Прикаспия, вытоптанные скотом степные пастбища с низким и редким травостоем, горные степи, которые развиваются на почвах толщиной не более 5 см и состоят из растений-камнелюбов, покрывающих поверхность почвы на 20-40%. Такая же низкая продуктивность и у большей части морских экосистем.
Средняя продуктивность экосистем Земли не превышает 0,3 кг/кв.м в год, так как на планете преобладают низкопродуктивные экосистемы пустынь и океанов.
Биологическая продуктивность экосистемы отличается от запаса биомассы. Некоторые организмы в экосистеме живут много лет (деревья, крупные животные), и их биомасса переходит из года в год как некоторый капитал.
Биомасса леса велика за счет многолетних частей деревьев – стволов, веток, корней. Поэтому ежегодный прирост биологической продукции – новые листья, молодые веточки и корни, очередное годичное кольцо древесины и травяной покров – в 30-50 раз меньше, чем запас биомассы. На лугу запас биомассы значительно меньше, и он образован в основном корнями, живущими в почве по несколько лет, и корневищами растений. Он больше биологической продуктивности только в 3-5 раз. В полях биологическая продуктивность и запас биомассы практически равны, так как урожай наземных частей растений (и подземных, если это корнеплоды) убирают, а пожнивные остатки ржи или пшеницы запахивают в почву, где они к весне перегнивают. Как в луговой экосистеме, так и в экосистеме поля длительность жизни многочисленных почвенных беспозвоночных измеряется неделями и месяцами. Их биологическая продуктивность либо равна запасу биомассы, либо больше. Водоросли и мелкие беспозвоночные животные в водоемах живут по несколько дней или недель и потому за лето дают несколько поколений. В каждый конкретный момент биомасса организмов в озере или пруду меньше, чем их биологическая продукция за вегетационный сезон.
В некоторых водных экосистемах за счет того, что рыбы живут по несколько лет, а жизнь организмов фитопланктона непродолжительна, запас биомассы животных может быть выше запаса биомассы растений. Превышение биомассы животных над биомассой растений в морских экосистемах является правилом.
На суше 99,2% - биомасса растений, 0,8% - биомасса животных.
На море 6,3% - биомасса растений, 93,7% - биомасса животных.
Закрепление изученного материала
- биологическое разнообразие – это…
- сукцессия – это..
- продуктивность экосистем заключается в…
д/з изучить параграф 30
