Rolevye_igry_po_ekologii

Экологические беседы

89

Пассажиры зеленой карусели

Мы уже знаем о большой зеленой карусели, которую рас* кручивает Солнце своими горячими лучами, щедрым потоком льющимися на Землю. Теперь поговорим о том, какие вещества «катаются» на этой карусели и, что происходит с самой энерги* ей Солнца, когда она выполняет работу. А кроме того, как в этой карусели сохраняется экологическое равновесие.

Экологическое равновесие — это не только постоянный состав населения экосистемы, которое «приторговалось» друг с другом. Это еще и устойчивость товарообмена с окру* жающей средой — атмосферой, водоемами, почвенными грунтовыми водами.

Вещества — вода, углекислый газ, кислород, водород, азот, фосфор, кальций, калий и т. д. — все время катаются на зеленой карусели (т. е. происходит круговорот веществ). Мы уже отме* чали, что они используются много раз, постоянно поступают в экосистему из окружающей среды, через цех растений, и воз* вращаются в нее через цех вторсырья.

Вода поступает в экосистему с дождями, снегом, с потоками внутрипочвенных грунтовых вод и испаряется растениями или непосредственно с поверхности почвы в атмосферу, откуда воз* вращается на землю новыми дождями и новым снегом. (Правда, прежде чем испариться, молекулы воды могут по рекам совер* шить путешествие до моря.)

Кислород выделяется растениями при фотосинтезе в атмос* феру, но усваивается из нее при дыхании всех живых организмов.

Углекислый газ всасывается растениями из атмосферы для того, чтобы «зеленые ловушки» производили первичное орга* ническое вещество — сахар, но выделяется в атмосферу при дыхании живых организмов. В том числе и при переработке мик* роорганизмами мертвого органического вещества — детрита.

Азот усваивается из атмосферы микроорганизмами и так* же возвращается в нее, но эта карусель более сложная. От мик* роорганизмов после их смерти он передается растениям, от ра* стений, если их съели фитофаги, он переходит к животным, а если растения погибают азот попадает к микроорганизмам*ре* дуцентам. Им же рано или поздно достается азот, который со* держится в тканях животных.

Редуценты превращают этот азот сложных органических соединений (в основном белков) в простые соединения, ко* торые частично усваиваются растениями, а частично улету* чиваются в атмосферу. Сколько азота улетело из экосисте*

Естественные экосистемы

90

мы в атмосферу, столько же его и вернут обратно микро* организмы*азотфиксаторы.

Примерно также обстоит дело и со всеми другими элементами питания (фосфором, калием, кальцием и др.), которые растения берут из почвы и микроорганизмы возвращают в нее. Если часть веществ исчезает из экосистемы с грунтовыми водами или той во* дой, которая после дождя течет по поверхности, то эта нехватка тут же пополняется за счет материнских пород, подстилающих почву и дающих ей дополнительные элементы питания.

Однако отток веществ из естественных экосистем невелик. Обратите внимание на то, что почвы в лесу или в степи очень хорошо впитывают влагу дождя или тающего снега и потому в них не бывает грязи и потоков воды, которые смывают верхний слой почвы. Смыв почвы, т. е. эрозия, начинается сразу же, как только почву вспашет человек.

В общем, благодаря зеленой карусели в равновесной эко* системе постоянно происходит круговорот элементов пита* ния, а все то, что исчезает из экосистемы, добавляется в нее естественным путем. Такие экосистемы не нужно удобрять и поливать.

Совсем по иному природа распорядилась судьбой солнеч* ной энергии, которая поступает в экосистему и крутит ее зеле* ную карусель, как вода турбину большой гидроэлектростанции или колесо водяной мельницы. Солнечная энергия использует* ся один раз и, как мы уже говорили, передается от организма к организму по пищевым цепям как палочка эстафеты.

Экосистема может усвоить зелеными ловушками листьев не более 1–2% поступающей от Солнца энергии, а вся остальная ее часть затрачивается на испарение воды с поверхности океа* нов и на нагревание атмосферы. Без этого подогрева воды и атмосферы экосистема работать не сможет, так как не будет дождей и замерзнет все ее население.

При движении энергии по пищевой цепи на каждом этапе эстафеты ее следующему участнику удается унести с собой не более 10% от того, что он получил. Так, например, чтобы лось накопил одну калорию энергии в своих мышцах, ему нужно по* лучить от съедаемых растений по крайней мере 10 калорий. Ос* тальные 9 калорий растратятся на дыхание и пищеварение. В итоге животным достаются буквально крохи от энергии сол* нечного света, который падает на землю.

Солнечная эстафета тут же прекратится, если на Землю перестанет поступать энергия от Солнца. Если, например, произошла бы крупная ядерная война и в атмосферу подня* лись тучи пыли, которые закрыли Солнце, то наступила бы

Экологические беседы

91

ядерная зима и остановились зеленые карусели. Сегодня че* ловечество понимает это, и старается не допустить ядерной войны.

Там кишит молчаливая жизнь

В зеленых каруселях экосистем участвует много живых орга* низмов (продуцентов, консументов и редуцентов) и среда оби* тания, которая дает им энергию, воду и ресурсы питательных веществ. Однако, есть в экосистеме одно образование, которое нельзя отнести ни к живым организмам, ни к мертвым условиям среды. Это почва.

Почву называют живой кожей планеты, ее мощность в раз* ных районах земного шара меняется от нескольких сантимет* ров до 2 м. Именно в почве работает «цех по переработке втор* сырья». В ней буквально кишит жизнь, хотя она и не столь заметна, как буйное цветение степных трав, шелест листвы ле* сов, пение птиц или лягушачьи концерты на берегу озера. Жизнь в почве молчаливая и тихая:

—корни растений, опутанные грибницей, поглощают влагу

ирастворенные в ней питательные вещества;

—бактерии*азотфиксаторы усваивают атмосферный азот;

—почвенные животные кормятся за счет живых и особенно мертвых корней или поедают друг друга;

—микроорганизмы разлагают органическую массу до про* стых минеральных соединений и возвращают их в почвенный раствор.

Поразительно, но именно в почве сосредоточена основная биомасса животных. Доля биомассы наземных животных со* ставляет всего от 1 до 5%! При этом главная животная масса в почве — это не крупные животные, которые живут в норах: кро* ты, суслики, полевые мыши и т. д., а в основном мелкота, раз* личные насекомые и низшие животные из числа редуцентов и детритофагов.

Самое важное вещество почвы — это гумус, «консервы» органического вещества, временно исключенного из «произ* водственного процесса» экосистемы. Гумус — дитя солнца, ко* торое производит его из верхнего слоя земной коры, воды и атмосферы, используя в качестве инструмента живые организ* мы (растения, животных, микроорганизмы).

Гумус в почве постоянно обновляется. Этим складом пи* тательных веществ заведуют две группы микроорганизмов. Одна из них — приемщики нового органического вещества. Это бактерии, консервирующие остатки корней в гумус. Для

Естественные экосистемы

92

консервирования им не нужен воздух, и потому, чем плотнее почва, тем лучше работают эти приемщики.

Другая группа — раздатчики минеральных элементов. Это тоже редуценты, но разрушающие не мертвые ткани только что умер* шего растения или животного, а уже их «консервы» — гумус. Эти микроорганизмы для своей работы, наоборот, нуждаются в кис* лороде, поэтому, чем рыхлее почва, тем больше их продукция.

Вестественной экосистеме между «приемщиками» и «раз* датчиками» органического вещества почвы также существует экологическое равновесие: для пополнения запаса доступных растениям элементов питания расходуется столько гумуса, сколь* ко его образуется при перегнивании остатков растений. А вот если почву вспахать, разрушение гумуса ускорится, а накопление замедлится. Про такую почву говорят, что она выпахивается.

Вразных условиях в зависимости от того, какой у солнца «инструмент» — степь, еловый лес или дубрава (а это в свою очередь зависит от климата и режима увлажнения), и каков ис* ходный материал, формируются разные почвы.

Самые богатые почвы — черноземы, они сформировались под степной растительностью, которая очень продуктивна и имеет глубокую корневую систему. Осадков там достаточно, чтобы обеспечить высокий урожай степных растений, но недо* статочно, чтобы промывать почву и перемещать органические

иминеральные соединения в глубь почвенной толщи. Поэтому, если выкопать яму и посмотреть как выглядит черноземная поч* ва, то видно, что черный от накопленного гумуса слой, лишь слег* ка светлея, идет на глубину до 1 м и более.

Там, где осадков выпадает больше и климат холоднее, фор* мируются уже не степи, а хвойные леса из ели. С помощью и этой растительности солнце создает другую почву. Органичес* кого вещества в ельнике накапливается меньше, чем в степи. Опадающие с деревьев хвоинки, перегнивая, выделяют органи* ческие кислоты, которые растворяются в обильных дождевых и снеговых водах.

Подкисленные воды просачиваются внутрь почвы, увле* кая за собой органическое вещество и некоторые минераль* ные элементы. Этот процесс называется выщелачиванием. Поэтому, если у черноземов сверху расположен толстый тем* но*окрашенный слой гумуса, то почва под еловым лесом со* всем другая. Под тонким слоем гумуса, который в основном образован еще не до конца перегнившими растительными остатками лесной подстилки, расположен белесый промытый слой. Он напоминает печную золу и называется подзолистым горизонтом, а сами почвы подзолистыми, или подзолами.

Экологические беседы

93

Под широколиственными лесами (дубовыми и липовыми), расположенными между зонами тайги и степи, образуются поч* вы, свойства которых представляют переход между подзолами и черноземами. Они называются серыми лесными почвами.

Севернее тайги расположена тундра. В тундре климат хо* лодный и потому гумус образуется слишком медленно: прием* щики органического вещества (детритофаги и редуценты) за теплое время, когда верхний слой почвы оттаивает после зим* них холодов, не успевают переработать растительные остатки. Поэтому вместо гумуса в тундровых почвах накапливается пло* хо разложившийся детрит — торф.

Южнее черноземов расположены почвы, которые называ* ются каштановыми. Солнце «делает» их, используя скудную растительность полупустынь, прибыль и капитал которых го* раздо меньше, чем у степей. Потому и гумуса там образуется меньше, и почвы имеют более светлую окраску верхнего гори* зонта.

А еще южнее, там, где дождей выпадает совсем мало и фор* мируются экосистемы пустынь, в почвах совсем мало гумуса. Их называют бурыми пустынными почвами.

Все почвы — от тундровых торфянистых до бурых пус* тынных представляют собой зональный ряд, связанный с из* менением климата (о природных зонах известно из уроков географии).

Вэтот зональный климатический ряд не входят болотные почвы, которые встречаются в разных зонах при избытке вла* ги. В болотных почвах много органического вещества, но кис* лорода мало, поэтому оно не разрушается «раздатчиками». Со* держащиеся в этом органическом веществе элементы питания недоступны растениям. Часто в болотных почвах, как и в тунд* ре, вместо гумуса накапливается торф, состоящий из неперег* нивших растительных остатков (по ним даже можно определить растения, из которых торф образовался).

Вюжных районах степной и полупустынной зон встреча* ются особые почвы, которые насыщены солями: хлоридами, сульфатами, содой. Если почвы насыщены солями по всей тол* ще, их называют солончаковыми, а когда солей очень много — солончаками. Если соленосный слой расположен на некото* ром расстоянии от поверхности (это может быть 5–10 или 30– 50 см), а верхний горизонт почвы не засолен, почвы называют солонцами.

У разных почв разные свойства. Они содержат различный запас питательных веществ, имеют разную реакцию почвенного раствора (кислые, нормальные и щелочные),

Естественные экосистемы

94

разные физические свойства (бывают более рыхлыми и более плотными), разный режим увлажнения (т. е. количество воды, которое в разные сезоны года содержится в разных слоях почвы).

Одним словом, почвы образуются в результате работы зе* леной карусели, но ни одна карусель не сможет без почвы сде* лать ни одного оборота (если, конечно, это не водная экосисте* ма, где нет почвы). «Живая кожа» — это обязательная часть любой наземной экосистемы.

Естественный процесс жизни почв нарушается, если на них влияет человек, который обрабатывает почвы плугом или куль* тиватором, удобряет, поливает, обрызгивает пестицидами. От этого почвы болеют.

Почвы болеют и «промышленными болезнями». Их загряз* няют выхлопы автотранспорта, который движется по густой сети дорог. Они разрушаются при строительстве промышлен* ных объектов и жилых зданий, при добыче и транспортировке нефти и газа (нефть при этом нередко разливается, что надолго выводит почвы из строя). Таких больных почв в России, к сожа* лению, много. И их надо лечить.

Лечение больных и охрана здоровых почв от болезней одна из самых важных задач. От здоровья почв во многом зависит будущее человечества.

Как кукла неваляшка

В разных условиях (климата, рельефа, геологического со* става пород) формируются разные экосистемы. Конечно, эко* системы формируются не сразу, требуется много времени, что* бы собрались и «приторговались» друг с другом растения, животные и микроорганизмы разных видов. Когда это произой* дет, то экосистема полностью подстроится под эти внешние ус* ловия и сможет использовать их наиболее полно. В ней устано* вится экологическое равновесие.

Такая экосистема похожа на хорошо известную яркую пластмассовую куклу*неваляшку или на старинную деревян* ную русскую игрушку «Ванька*встанька». Если ее будут от* клонять от равновесного состояния какие*то нарушения (ска* жем, влияние человека), то экосистема со временем сама себя восстановит. Вокруг таких нарушенных степей или лесов име* ются естественные экосистемы, из которых «агенты бюро добрых услуг» могут доставить для ремонта экосистемы се* мена растений, а животные прибегут и приползут сами, спо* ры грибов и микроорганизмы доставит ветер. Этот процесс

Экологические беседы

95

постепенного изменения экосистемы для восстановления ее равновесия с внешними условиями называется экологичес* кой сукцессией.

Если в озеро попадут органические вещества (скажем, стоки с животноводческой фермы или из канализационной трубы), то экосистема озера нарушится. Изменится состав видов фитопланктона: в нем станет больше цианобактерий и меньше зеленых и диатомовых водорослей. Могут исчезнуть многие виды рыб и уж почти наверняка пропадут лягушки. Но, если принять меры и защитить озеро от новых порций стоков, то наша «неваляшка» снова поднимется, произойдет восстановительная сукцессия. Загрязнители осядут вместе с умершими водорослями и зоопланктоном на дно, вода станет чистой, птицы занесут на лапках икру рыб и лягушек. Экоси* стема озера оживет.

Восстановительные сукцессии — это распространенный ва* риант изменения экосистем, которые постоянно нарушаются человеком. Отыскать их примеры несложно. Побродите по лесу, где лесозаготовители вырубили деревья. Вы найдете все стадии вставания «неваляшки» — от полностью лежачего состояния (свежая вырубка) через заросли высокого и цветущего краси* выми фиолетовыми цветками иван*чая и растений*нянь — оль* хи, ив, березы к древостою из ели или дуба. Найдете и густую поросль, и уже изредившийся естественным путем (или с помо* щью опытных лесников) высокоствольный древостой.

Если в степной зоне забрасываются пашни (такие участки называются залежью), то нетрудно отыскать участки, где она была заброшена 1–2 года назад. Здесь бурно разрастаются ру* деральные растения*шакалы — марь, полынь, синяк, черноко* рень, чертополох и т. д. На участках, заброшенных 4–5 лет на* зад, им на смену пришли корневищные злаки — вейник наземный, пырей, острец безостый. И, наконец, на еще более старых залежах растут настоящие степные растения — типчак, ковыли, таволга, горный клевер и т. п.

Чтобы встала лесная «неваляшка», нужно более 100 лет, а степная может подняться лет за 20–25. Очень трудно поднима* ются тундровые «неваляшки». Там условия жизни для расте* ний суровые и потому они тратят много энергии на ее поддер* жание и размножение. Их продуктивность (прибыль), за счет которой кормится все остальное население экосистемы, неве* лика. Кроме того, если нарушение тундры вызвано не стадом оленей, а, скажем, проходом трактора, то обнаженная черная полоса земли нагревается солнцем, под ней вытаивает много* летняя мерзлота и настоящая тундровая «неваляшка» из кус*

Естественные экосистемы

96

тарничков и лишайников вообще не сможет подняться. На мес* те такой колеи долго будут разрастаться осоки. Но может быть

ихуже: незакрепленная поверхность грунта под влиянием воды начнет разрушаться и образуется овраг.

Как ни сильна природа, если такую «неваляшку» сломать, то она встать не сможет. К сожалению, сегодня «неваляшки» сломаны на миллионах гектаров северных территорий России, где нерационально добываются нефть и газ.

Состав некоторых экосистем изменяется и без влияния на* рушений. Для каждого климата есть своя лучшая «неваляшка». В тайге это еловый лес, в зоне широколиственных лесов — дуб* няк, в степи — разнотравно*ковыльная степь, в полупустыне — сообщества разных видов полыней, в пустыне — кустарнико* вые сообщества с деревом саксаулом.

Экосистемы, которые для этих климатических условий не самые лучшие «неваляшки», постепенно изменяются так, что* бы приблизиться к лучшему состоянию. На скальных поверхно* стях вначале поселяются тонкой пленкой водоросли, потом кор* ковые лишайники и мхи, а уже затем кустистые лишайники и мхи с вертикально стоящими стебельками. Вслед за ними посе* ляются травы, кустарники и, наконец, деревья.

При такой сукцессии, под влиянием растений, животных, бак* терий и грибов, постепенно на твердой скальной породе образу* ется почва — слой мелких частиц с органическим веществом (дет* ритом). С каждым годом мощность этой почвы возрастает, условия для жизни растений улучшаются и на ней поселяются все более крупные растения, у которых больше прибыль и капитал.

Возерах водная гладь зарастает травянистыми растениями,

ииз озера может получиться болото. Вначале растения разрас* таются вдоль берега. Среди них есть амфибии, у которых ниж* няя часть тела погружена в воду, а верхняя возвышается над ней (тростник, рогозы, камыш, топяной хвощ); растения с погру* женными стеблями и плавающими на поверхности воды листь* ями (кувшинка, кубышка); живущие на дне озера водоросли*хары и, наконец, «водолазы», которые живут в толще воды (травы* рдесты).

Однако с каждым годом в этой водной экосистеме накапли* вается все больше детрита — остатков растений и животных. Такой детрит называется уже не гумусом, не торфом, а сапро* пелем. При отложении сапропеля на дне водоем мелеет, и при* брежные растения постепенно начинают разрастаться по все* му озеру.

Так из озера возникает травяное болото, на котором потом поселяются ивы и ольха черная. После того, как озеро заросло,

Экологические беседы

97

откладывается уже не сапропель, а торф, основу которого со* ставляют полуразложившиеся остатки наземных растений. С каждым годом слой торфа увеличивается, и (в зоне тайги) вна* чале формируется болото с березой пушистой, а потом болото, заросшее сосной.

Все сукцессии, которые мы отмечали, и восстановительные, после нарушений экосистем, и естественные, когда экосистемы «самосовершенствуются» (при зарастании скалы, озера, отло* жений песка или гальки вдоль берегов, каменистых осыпей пос* ле того, как прошел селевый поток и т. д.), происходят как бы сами по себе.

Экосистемы приспособленцы

Есть еще другие сукцессии, при которых формируются эко* системы, приспособившиеся к условиям постоянного вмеша* тельства человека. Он выпасает скот, при массовом отдыхе вы* таптывает лес, загрязняет территорию — разливает нефть, выбрасывает в атмосферу большое количество пыли, сбрасы* вает в водоемы ядовитые стоки, и экосистемы приспосаблива* ются к этим трудным условиям. Такие «терпеливые» экосисте* мы*приспособленцы будут существовать до тех пор, пока фактор, который сильно влияет на окружающую среду, будет действовать. А если этот фактор исчезнет, экосистема снова будет восстанавливать свое естественное состояние как «нева* ляшка».

Такие сукцессии идут уже не сами по себе, а вызываются внешними факторами. Их удобнее всего рассмотреть на приме* ре изменения состава луга или степи при усилении выпаса. На лугу, если выпас слабый или травостой скашивается, преобла* дают высокие растения: овсяница луговая, ежа сборная, клевер луговой и горошек мышиный. Если выпас усилится, то посте* пенно эти растения совсем выпадут из травостоя, а на их место придут низкие, устойчивые к выпасу и плохо поедаемые расте* ния — подорожник, одуванчик, кульбаба, клевер ползучий.

Встепи при выпасе вместо ковылей и разнотравья вначале массово разрастается типчак, а если выпас будет еще более силь* ным, то место типчака займет маленькая низкая полынь авст* рийская.

Если сильный выпас прекратить, то наша «неваляшка» ожи* вет, травостой будет восстанавливаться и вновь станет высо* корослым.

Влесопарке под влиянием отдыхающих, которые бродят под пологом деревьев, на место вытоптанных копытня, яс*

Естественные экосистемы

98

менника и сныти приходят подорожник и одуванчик. Вытап* тываются всходы дубов и лип. Деревья изреживаются. Воз* никает особый вариант «терпеливых экосистем» — рекреа* ционный лес (от слова «рекреацио» — отдых), а сукцессия называется рекреационной.

Однако, если лес будет благоустроен дорожками, игровыми площадками, беседками и т. д., и отдыхающие перестанут его вытаптывать, постепенно восстановится прежний состав лес* ной экосистемы. Разрастутся типичные для такого леса виды трав напочвенного покрова и появятся молодые деревца, кото* рые будут замещать стареющие деревья.

Формирование экосистем*приспособленцев при сукцессии под влиянием внешнего фактора напоминает движение вверх по реке баржи, которую тянет буксир. Если ее отцепить от бук* сира, то баржа начнет спускаться вниз по течению к тому мес* ту, откуда начала свой путь вверх.

Экологи изучают сукцессии экосистем, чтобы оценивать последствия влияния на них человека, предвидеть то, что может произойти с ними, если и дальше человек будет жадничать и на* рушать экологические нормы. И, наконец, чтобы решить, каким должно быть использование экосистем, чтобы «неваляшка» не ломалась.

Хранители чистой воды

Меньше, чем в пресноводных экосистемах, содержится воды

вэкосистемах болот. Впрочем, запасов пресной воды в топях вдоль Амазонки или в болотах Западной Сибири не меньше, чем

вБайкале.

Болотами называются участки суши, где почвы постоянно или большую часть года переувлажнены. В болотных экосисте* мах растительные остатки не перегнивают до конца, и потому образуется не гумус, а торф. Мы уже говорили о том, что, рас* сматривая кусочек торфа под хорошей бинокулярной лупой или микроскопом, можно даже установить виды растений, из кото* рых он образовался.

Болота бывают разные, но их принято разделяют на три ос* новных типа — низинные, переходные и верховые.

Низинные болота обычно образуются в ходе сукцессии при зарастании озерных экосистем и реже при заболачивании суши, когда из*под земли на поверхность почв выходят грунтовые воды (например, при сооружении плотины на реке поднимает* ся уровень воды в водохранилище, и одновременно по закону сообщающихся сосудов повышается уровень грунтовых вод).