2. Энергия в экосистемах. Биологическая продуктивность экосистем и ее составляющие. Классификация экосистем по продуктивности. Методы изучения.

Энергия может быть использована только раз, т.е. имеет место линейный поток энергии через экосистему.

Законы термодинамики: Первый закон: энергия может превращаться из одной формы (свет) в другую (потенциальная энергия пищи), но не может быть создана или уничтожена. Второй закон: не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, а, следовательно, теряется. Отсюда не может быть процессов, идущих со 100% эффективностью.

Живые организмы для совершения работы используют свет и химическую энергию.

В процессе изучения развития экосистем следует учитывать и конкурентные отношения. В этом аспекте большой интерес представляет закон максимизации энергии: в соперничестве с другими экосистемами выживает та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом.

Фотосинтез nСО₂ + nН₂О + энергия = С_nН_2nО_n +nO_2.

Хемосинтез (нитрификаторы, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии).

Дыхание - процесс, обратный фотосинтезу, при котором органические вещества окисляются с помощью атмосферного кислорода. Редуценты, разлагая отмершие остатки организмов, освобождают биогенные элементы (С, О2, N2, Р, S и др.), которые поступают в круговорот, необходимый для существования экосистем.

Броже́ние - анаэробный метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы, без окисления в чистом виде. Брожение не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию; оно просто позволяет продолжаться гликолизу (процесс, выходом которого на одну молекулу глюкозы являются две молекулы АТФ), восполняя восстановленные коферменты. Результатом брожения являются этанол, углекислый газ, другие продукты, а далее - молочная кислота, уксусная кислота, этилен и другие восстановленные метаболиты

Первичная продуктивность, валовая и чистая, методы измерения.

Первичная продукция ­– это скорость образования биомассы продуцентами в пересчете на единицу площади. Измеряется в Дж/м2/сутки. 90% ПП наземных экосистем формируется за счет фотосинтетиков и около 10% за счет хемосинтетиков. Основные фотосинтетики – высшие сосудистые растения. Цианобактерии в наземных экосистемах не многочисленны, редко всречаются и малоустойчивы.

Валовая ПП – это вся энергия, которая была фиксирована в ходе фотосинтеза.

Чистая ПП – фактическая скорость увеличения биомассы, доступной для потребления гетеротрофным организмом.

Т.е. ЧПП=ВПП-Д; где Д-диссимиляция.

ВПП можно считать теоретическим выходом фотосинтеза, то ЧПП – практический выход фотосинтеза.

Определение первичной продуктивности.

Используют методы: метод учета урожая, метод выделенного кислорода, метод поглощенного углекислого газа. Метод использования радиоактивных элементов.

Необходимо знать видовой состав травоядных животных, их численность и точный пищевой рацион, чтобы корректировать получаемые результаты.

Вторичная прод-ть - скорость образования новой биомассы гетеротрофами. Они не создают сложные в-ва из простых, а применяют энергию автотрофов прямо или опосредовано.

Чистая продуктивность сообщества (ЧПС) – скорость накопления орг. в-ва, не потребленного гетеротрофами. Остается от дыхания и ж\д гетер. ЧПС=ЧПП- ПГ (потребление гетеротр.)

Классификация экосистем:

• высокопродуктивные,

• среднепродуктивные,

• низкопродуктивные.

1 Пашни и с\х угодья. 2. откр. простр-ва, 3 Леса, 4.пустыни.

Продуктивность морей>> суши, за счет недолго живущих водорослей.

Одум выделил четыре группы районов земного шара:

1. Открытые моря и пустыни, отличающиеся очень низкой продуктивностью; порядка 0,1г/м2/ год

2. Травянистые полуаридные формации, временно используемые с/х угодья, глубокие озера, высокогорные леса и морские литорали с продуктивностью порядка 1г/м²/ сутки.(от 0,5 до 3 г)

3. Влажные леса, неглубокие озера и постоянно используемые с/х угодья со средней продуктивностью от 3 до 10г/м²/сутки.

4. Лишь в немногих экосистемах особого характера продуктивность превышает 10г и может достигать 20г. Таковы эстуарии и коралловые рифы, растительные формации аллювиальных равнин и земли, занятые интенсивными культурами (тростник).

3 .Геоэкологическое обоснование хозяйственной деятельности в прединвестиционной и проектной документации. Проектирование природоохранных и защитных объектов.

Экологическое обоснование - предваряет проектирование, являясь его начальной стадией;

В связи с этим создание проектов природно-технических геосистем должно опираться на геоэкологические принципы проек­тирования — указания и рекомендации, ориентированные на дей­ствия, призванные обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов, оптимальное средообразование и сохранение благоприятной среды обитания человека.

Главный принцип геоэкологического проектирования — проект должен удовлетворять нормативным требованиям об охране окружающей природной среды (стандартам качества среды), ра­циональном использовании и воспроизводстве ресурсов, учитывать экологические последствия сооружения инженерного объек­та. Современные нормы состояния природной среды выступают самыми важными критериями оценки проекта.

Первый принцип предваряет второй — приоритет экологической безопасности населения. Он означает, что качество окружа­ющей природной среды, сохранение (преумножение) ее ресурс­ного потенциала определяют долголетие, физическое и психическое здоровье населения и возможности передачи этих качеств потомству, а следовательно, создают предпосылки к устойчивому Развитию.

Важное значение приобретает принцип комплексности, т е учет и анализ наиболее устойчивых связей между технической, природной и социальной составляющими объекта проектирования. Необходимость его соблюдения обусловлена тем, что геосистемы — это пространственно-временные открытые комплексы, облада­ющие внутренней взаимосвязью и взаимодействием компонентов и структурных частей (подсистем). Одновременно они связаны с соседними геосистемами и нередко их влияние в пространстве распространяется на десятки километров.

Другие геоэкологические принципы проектирования можно сформулировать так:

• при создании проекта следует учитывать конкретные физико-географические и социально-экономические условия региона, в частности, естественные пространственные различия геосистем, которые отчетливо проявляются при ланд­шафтном картографировании территории;

• в проекте необходимо предусмотреть природоохранные мероприятия, способству­ющие сохранению механизмов воспроизводства природных ре­сурсов и соответственно устойчивому развитию создаваемых природно-технических геосистем;

• в проекте должно быть пре­дусмотрено создание блока управления, включающего комплексный контроль за состоянием изменения геосистем (т.е службу экологического мониторинга) и подсистему регулирования.

Таким образом, для проектирования природно-технических г систем требуется сочетание знаний о взаимодействии природы техники со знанием реальной природной и социально-экономической обстановки. В создании и проведении экспертизы проектов предполагается активное участие географов и экологов, которые могут участвовать в выборе территории для размещения инженерных сооружений, определении и нормировании нагрузок на геосистемы в соответствии с уровнем их устойчивости, в прогнозировании и оценке взаимоотношений природы и техники, в выбо­ре режима эксплуатации инженерных сооружений, в разработке мероприятий по охране окружающей среды.

Проектирование природно-технических геосистем опирается на обширную информационную базу — совокупность правовых. нормативных и методических документов, на существующие исследования воздействия различных инженерных сооружении на окружающую среду, на материалы гидрометеорологических, эк логических и других наблюдений, на картографические источники, данные специальных изысканий и исследований в районе.

При проектировании природно-технических геосистем широко используют нормативные и методические документы пятиботанные в соответствующих министерствах и ведомствах. Это, прежде всего строительные нормы и правила (СНиПы), санитарные правила и нормы проектирования (СанПиНы), своды правил по экологическому проектированию, санитарные нормы, ведом­ственные и федеральные инструкции. Так, оценка воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду (ОВОС) регламентируется Положением об оценке воздействия (2000); экологическое обоснование хозяйственной деятельности на стадиях прединвестиций, обоснования инвестиций и т.д. — инструкцией Министерства охраны окружающей среды (ныне — МПР России) «Экологическое обоснование хозяйственной и иной деятельности» (1995).

Важный источник информации для проектирования природно-технических систем — результаты уже проведенных исследовании воздействия разных типов инженерных сооружений на окружающую природную среду. При прогнозировании изменений геосистем и их экологических последствий могут быть использованы данные по изученным техногенным аналогам в идентичных зональных условиях. Имеются в виду результаты исследований воздействия на ландшафты таких хозяйственных объектов, горно-рудные предприятия, предприятия энергетики, черной, цветной металлургии, нефтегазовые комплексы, водохран ща, мелиоративные системы, рекреационные зоны, национальные парки (работы Т. В. Звонковой, Л.К.Казакова, В Н Калупкоия д.В.Дончевой, Н.П.Солнцевой, К. Н.Дьяконова, А. Г. Емельянова и др.).

Другой источник информации для проектирования - карты и атласы экологической ориентации, аэрокосмические снимки, статистические и гидрометеорологические данные, результаты эко­логических наблюдений (в том числе данные геоэкологического мониторинга).

В настоящее время все чаще собирают, хранят, обрабатыва­ют, отображают и распространяют эти материалы с помощью компьютерной техники — через экологические геоинформационные системы (ГИС). Основу ГИС составляют базы цифровых экологических данных и автоматические картографические системы с подсистемами ввода, логико-математической обработки и вывода информации. Последняя содержит данные о компо­нентах и комплексах природной среды — рельефе местности, гидрографии, почвах, растительности, ландшафтах, административных единицах, источниках антропогенного воздействия на среду, показателях загрязнения и т.д. На основе материалов ГИС выполняются программы анализа, сопоставления данных, их преобразование в целях получения новой информации, необходимей для решения тех или иных задач проектирования природно-технических геосистем.

Как правило, описанные выше источники недостаточны тля разработки проекта конкретной природно-технической геосистемы, поэтому для получения базовой информации проводят спе­циальные инженерно-экологические изыскания (исследования) в районе проектируемого объекта. При экологическом обоснова­нии предпроектов и проектов результаты этих изысканий используют в разработке Декларации (ходатайства) о намерениях.

Основной объем изысканий приходится на разработку разделов «Оценка воздействия на окружающую среду» (ОВОС) в обоснованиях инвестиций и «Охрана окружающей среды» в проекте строительства. Изыскания включают полевые исследования, в ходе которых изучаются природные и техногенные условия вариантов размещения объектов с учетом существующих и проектируемых источников воздействия, дается оценка состояния гео- и экосистем, условий проживания населения и возможных последствий их изменения в процессе строительства и эксплуатации инже­нерного сооружения. В процессе маршрутных, полустационарных (в ряде случаев стационарных) наблюдений, полевого дешифри­рования, аэрокосмических снимков, проходки горных выработок проводят покомпонентное описание природной среды и ландшаф­тов в целом, отбирают образцы почвогрунтов и вод наанализ, выявляют техногенные факторы изменения природы источники и признаки загрязнения, условия его распространения. При этом используют разные методы исследования - наземные (геохими­ческие, геофизические, индикационные и др.) и дистанционные (аэрокосмические), позволяющие определить техногенные эле­менты ландшафта, степень и масштабы его нарушенности, эко­логические последствия антропогенного воздействия. Затем в процессе лабораторных работ и камеральной обработки собранных материалов дается прогноз техногенных изменений геосистем, выявляются границы этих изменений, обосновываются природо­охранные мероприятия в зоне влияния проектируемого объекта.

При проектировании природно-технических геосистем возможны две ситуации — нормативная и исследовательская. В первом случае инженерные сооружения создаются по типовым проектам, приемлемым для данных физико-географических и социально-экономических условий. Исследовательская ситуация возникает при проектировании новых, нередко уникальных объектов, не име­ющих аналогов. В связи с этим появляется необходимость выявить характер взаимосвязей между данными объектами и природой, разработать модели будущих природно-технических геосистем, соответствующие им программы исследований и допустимые нормы природопользования.

Процесс проектирования крупных природно-технических геосистем (промышленные объекты, водохранилища, каналы мелиоративные системы и др.) обычно осуществляется в три стадии Начальный этап — прединвестиционный. На этом этапе обосно­вывают экономическую и экологическую целесообразность созда­ния инженерного сооружения, объемы и сроки осуществления проекта. Составляют Декларацию (ходатайство) о намерениях, в которой формулируют цели, источники и возможности инвести­рования, обсуждают варианты размещения объекта, обосновывают выбор технологии производства, представляют технико-эко­номические показатели, доказывают экологическую безопасность проекта. Экологическое сопровождение декларации о намерениях содержит природно-экологическую оценку региона размещения проектируемого объекта, характеристику условий природопользования, предварительный прогноз воздействия на окружающую среду и население, составленный в основном по данным литературных и фондовых источников.

Следующая стадия проектирования — обоснование инвестиции. На этой стадии дается более глубокая разработка технико-экономических и экологических вопросов сооружения намечаемого объекта, достаточная для принятия решения о целесообразности его инвестирования и составления проекта. На основе утвержденного обоснования инвестиций разрабатывают проектную документацию — «Технико-экономическое обоснование строительства» (ТЭО). Именно ТЭО, как правило, рассматривается в качестве основного проектного документа, где дается экологическое обоснование намечаемой деятельности, т.е. доказательиш того, что неблагоприятные экологические последствия при реализации проекта не превысят существующих норм или что проект соответ­ствует экологическим требованиям, узаконенным в нормативных государственных актах (К. Н.Дьяконов, А. В. Дончева, 2002). В состав ТЭО входит раздел «Охрана окружающей среды». На практике основное содержание этого раздела составляет «Оценка воздей­ствия на окружающую среду» (ОВОС), которая включает:

• прогноз влияния проектируемого сооружения на природную среду (современные ландшафты территории и их компоненты);

• эколого-экономическую оценку возможных изменений среды и их последствий для населения. ОВОС — главный объект экологической экспертизы, на основе которой принимают решение о разработке технического проекта.

Наконец, на стадии технического проекта разрабатывают окон­чательный вариант инженерного сооружения, корректируют вы­воды по оценке его воздействия на окружающую среду, составля­ют необходимую рабочую документацию (соответствующий текст, чертежи, схемы, планы и т.д.). В случае утверждения проекта этот вариант реализуют в виде природно-технической геосистемы.

Таким образом, экологическое обоснование намечаемой хозяйственной деятельности должно разрабатываться, дополняться и уточняться на всех этапах проектирования.

БИЛЕТ № 11

1. Почва как экологический фактор и среда жизни. Механические и химические свойства почв, их значение в жизни организмов. Приспособление растений к эдафическим условиям. Принципы почвосберегающего земледелия.

Почва - особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов (образуют почвенный профиль), возникающих в результате преобразований поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды, воздуха и организмов; характеризуется плодородием. В состав почвы входят четыре важных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50 — 60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15 — 25%) и вода (25 — 35%).

Количество организмов в почве огромно. Растения, животные и микроорганизмы, обитающие в почве, находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и со средой обитания. Данные взаимоотношения сложны и многообразны. Благодаря этим взаимоотношениям и в результате коренных изменений физических, химических и биохимических свойств горной породы в природе постоянно происходят почвообразовательные процессы. В среднем почва содержит 2 — 3 кг/м² живых растений и животных, или 20 — 30 т/га. Неоднородность почвы приводит к тому, что для организмов разных размеров она выступает как разная среда. Для микроорганизмов особое значение имеет огромная суммарная поверхность почвенных частиц, потому что на них адсорбируется подавляющая часть микроорганизмов. Сложность почвенной среды создает большое разнообразие условий для самых разных функциональных групп: аэробов, анаэробов, потребителей органических и минеральных соединений.

По степени связи с почвой как средой обитания животных объединяют в три экологические группы: геобионты геофилы и геоксены.

Геобионты — животные, постоянно обитающие в почве. Весь цикл их развития протекает в почвенной среде. Геобионтами являются дождевые черви (Lymbricidae), многие первично-бескрылые насекомые (Apterydota).

Геофилы — животные, часть цикла развития которых (чаще одна из фаз) обязательно проходит в почве. К этой группе принадлежит большинство насекомых: саранчовые (Acridoidea), ряд жуков (Staphylinidae, Carabidae, Elateridae), комары-долгоножки (Tipulidae). Их личинки развиваются в почве. Во взрослом же состоянии это типичные наземные обитатели. К геофилам принадлежат и насекомые, которые в почве находятся в фазе куколки.

Геоксены — животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища. К геоксенам из насекомых относятся таракановые (Blattodea), многие полужесткокрылые (Hemiptera), некоторые развивающиеся вне почвы жуки. Сюда же относятся грызуны и другие млекопитающие, живущие в норах.

Вместе с тем приведенная классификация не отражает роли животных в почвообразовательных процессах, так как в каждой группе есть организмы, активно передвигающиеся и питающиеся в почве и пассивные, которые пребывают в почве в период отдельных фаз развития (личинки, куколки или яйца насекомых). Почвенных обитателей в зависимости от их размеров и степени подвижности можно разделить на несколько групп.

Микробиотип, микробиота — это почвенные микроорганизмы, составляющие основное звено детритной пищевой цепи, представляют собой как бы промежуточное звено между растительными остатками и почвенными животными. Сюда относятся, прежде всего, зеленые (Chlorophyta) и сине-зеленые (Cyanophyta) водоросли, бактерии (Bacteria), грибы (Fungi) и простейшие (Protozoa). По существу можно сказать, что это водные организмы, а почва для них — это система микроводоемов. Они живут в почвенных порах, заполненных гравитационной или капиллярной водой, как и микроорганизмы, часть жизни могут находиться в адсорбированном состоянии на поверхности частиц в тонких прослойках пленочной влаги. Многие из этих видов обитают и в обычных водоемах. Вместе с тем почвенные формы обычно мельче пресноводных и, кроме того, отличаются способностью значительное время находиться в инцистированном состоянии, пережидая неблагоприятные периоды. Так, пресноводные амебы имеют размеры 50—100 мкм, почвенные — 10—15 мкм. Жгутиковые не превышают 2—5 мкм. Почвенные инфузории также имеют мелкие размеры и могут в значительной степени менять форму тела.

Ммзобиота — это совокупность сравнительно мелких, легко извлекающихся из почвы, подвижных животных. Сюда относятся почвенные нематоды (Nematoda), мелкие личинки насекомых, клещи (Oribatee), ногохвостки (Collembola) и др.

Макробиота — это крупные почвенные животные, с размерами тела от 2 до 20 мм. К данной группе относятся личинки насекомых, многоножки, энхитреиды, дождевые черви и др.

Мегабиота — это крупные землерои, главным образом из числа млекопитающих.

Механические и химические свойства почвы в основном определяются теми веществами, которые относятся к мелкому грунту.

Наибольшее эк. значение имеют мех. и хим. св-ва почвы. Механический состав и структура п. – ф-ры формирования свойств: аэрация, влажность, влагоемкость, теплоемкость, t режим. Хим. св-ва определяются в большей степени сод-м орг. в-ва, нежели неорг-го. Более богат орг. в-вом перегнойно-аккумулятивный горизонт. Именно в подстилке и верхнем горизонте наблюдается обилие жизни. Здесь формируется гумус – медленно разлагающаяся органика.

Специфические растительные ассоциации, формируются в связи с разнообразием условий мест обитании, включая и почвенные, а также и в связи с избирательностью по отношению к ним растений в определенной ландшафтно-географической зоне. Следует учитывать, что даже в одной зоне в зависимости от ее рельефа, уровня грунтовых вод, экспозиции склона и ряда других факторов создаются неодинаковые почвенные условия, которые отражаются на типе растительности. Так, в ковыльно-типчаковой степи всегда можно обнаружить участки, где доминирует ковыль или, наоборот, типчак. Именно поэтому типы почв являются мощным фактором распределения растений.

Принципы почвосберегающего земледелия. (?) Основано на получении большей продуктивности растений с меньшей территории.

1. Использование химических (органических и минеральных) и биологических удобрений.

2. Контроль за климатом

3. Использование ГМО

4. Использование биотехнологий.

Почва - особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов (образуют почвенный профиль), возникающих в результате преобразований поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды, воздуха и организмов; характеризуется плодородием.

4 структ. компонента почвы: мин.основа(50-60%),орг.в-во(10%),воздух(15-25%) и вода(25-35%).

Три основных горизонта почвы:

1. Верхний перегнойно-аккумулятивный горизонт (А),  накопление и преобраз-е орг. в-ва.

2. Горизонт вымывания, или иллювиальный (В), где оседают и преобразуются вымытые сверху вещества.

3. Материнскую породу, или горизонт (С), материал которой преобразуется в почву.