Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
OTVET_GOS_new.doc
Скачиваний:
14
Добавлен:
06.05.2019
Размер:
2.05 Mб
Скачать

Вопрос №6. Понятие «Экологический фактор» и критерии его выделения. Классификация экологических факторов

Экологический фактор:

  1. это не расчленяемый далее элемент среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития (глубина не подходит);

  2. это любое условие среды, на которое живой организм реагирует приспособительными реакциями (климат, рельеф).

Результаты действия факторов можно сравнивать независимо от их природы. Факторы действуют в неразрывной связи друг с другом. Наибольшую роль играют факторы, которые приближаются к экологическому минимуму или максимуму.

Классификация экологических факторов:

  1. Все факторы делятся на:

а) биотические – воздействие живых организмов друг на друга. Они делятся на межвидовые воздействия и внутривидовые: конкуренция, хищничество, паразитизм, симбиотические взаимодействия;

б) абиотические – факторы неживой природы: температура, влажность, осадки, солнечная радиация, воздух;

в) антропогенные – воздействие человека на живые организмы.

2. Выделяют:

а) витальные или энергетические факторы – оказывают прямое воздействие на жизнедеятельность организмов, меняя при этом их энергетическое состояние (температура, хищничество, конкуренция);

б) сигнальные – несут информация об изменении энергетических характеристик (продолжительность светового дня).

Эта классификация не является совершенной, так как многие факторы могут обладать как энергетическим так и сигнальным действием (свет служит энергией для фотосинтеза с одной стороны, с другой – является сигнальным фактором).

Чаще всего выделяют витальное и сигнальное действие одного экологического фактора.

  1. Основана на степени адаптивности реакции организмов на воздействие факторов среды (создана Мончадским).

Адаптация – процесс приспособления строения и функций организмов, особей и популяций к условиям среды:

1. индивидуальная – адаптация особи на протяжении ее индивидуального развития (онтогенеза);

2. популяционная – возникает в результате формирования популяций в конкретных условиях существования;

3. видовая – наследственно закреплена.

3 Группы адаптации по времени воздействия фактора:

1. акклимация – срочная адаптация, острый обратимый процесс, активно себя проявляющий (повышение температуры);

2. акклиматизация – долговременная адаптация на уровне отдельной особи, связанная со структурно-функционирующими перестройками организма или органа, и рассчитана на обеспечение постоянства внутренней среды;

3. эволюционная адаптация – происходит на генетическом уровне и связана с сохранением полезных принципов, которые передаются по наследству.

Классификация Мончадского учитывает особенности реакции живых организмов, подвергшихся воздействию этих факторов, в том числе степень совершенства адаптаций. Чем древнее адаптация, тем она совершеннее. Выделяют:

а) первичные периодические – самые древние факторы. Они существовали до появления жизни на Земле. К ним относятся дневная, лунная и сезонная периодичность, а также факторы, которые тесно с ними связаны (температура, освещенность, приливы и отливы). Эти факторы играют ведущую роль в эволюции, сказываются везде за исключением подземных участков и глубоководных участков. Они оказывают влияние на площадь ареалов видов, действие внутри ареала не является определяющим.

б) вторичные периодические – являются следствием первичных ф-р. Чем теснее вторичные факторы связаны с первичными, тем совершеннее адаптация к ним. Вторичные ф-ры существуют менее длительное время, чем первичные. К ним относятся влажность, выпадение осадков в муссонном климате, пищевой ф-р, физиология и биология хищников и жертв, все биотические внутривидовые влияния, так как эти взаимодействия все связаны с годичными циклами.

в) непериодические – к ним адаптации не существует, они возникают внезапно. К ним относятся различные стихийные бедствия, паразитизм и все антропогенные факторы.

Вопрос № 7. Законы толерантности Шелфорда, минимума Либиха и принцип совместного действия факторов Митчерлиха

Закон толерантности Шелфорда.

В 1913 году Шелфорд сформулировал закон, согласно которому лимитирующим может оказаться не только недостаток, но и избыток фактора. Таким образом, процветание организма ограничено зонами минимума и максимума экологического фактора. Между ними располагается зона экологического оптимума. Диапазон между минимумом и максимумом экологического фактора, в котором развитие организма не лимитируется называется диапазоном толерантности. Смысл закона Шелфорда простой: каждый вид характеризуется своей толерантностью, т.е. способностью переносить неблагоприятные факторы среды.

1. Закон толерантности говорит о том, что при определенных значениях факторов создается условия наиболее благоприятные для жизни организмов - зона оптимума.

2. Существует диапазон значения факторов обеспечивающих нормальное развитие организмов (зона нормальной жизнедеятельности).

3. Диапазон значения фактора, за границами которого нормальная жизнедеятельность организмов не возможна, называется законами угнетения.

4. Значения при котором организм гибнет называется летальными.

5. Диапазон между min и max фактора, при котором возможная жизнь организма наз. диапазон толерантности.

Различные организмы имеют диапазоны толерантности одного и того же фактора.

Если диапазон толерантности для данного фактора узкий то прибавится приставка (-стено), а если широкий то прибавится приставка (-еври). Соответственно – стенотермные евритермные организмы.

Если оптимумы по данному фактору у 2-х видов не совпадают, то один наз. холоднолюбивым, то другой – теплолюбивым.

В экологической литературе часто используют термины, отражающие не только степень выносливости вида к изменяющимся значениям фактора но и природа данного фактора. Так, по отношению к солености различают стено- и эвригалинные виды, к температуре - стено- и эвритермные виды, к влажности – стено- и евригигрические, по отношению к местообитаниюстено – евриойкные и т.д.

Закон минимума Либиха.

Немецкий агроном Либих занимался изучением влияния различных факторов на рост растений. В 1840 году он установил, что урожай лимитируется не теми питательными веществами, которые требуется растениям в больших количествах, а теми, которые требуется в малых количествах. В обычных условиях углекислы газ и вода присутствуют в больших количествах в почве, они являются реагентами. А лимитируют урожай – вещества, которых в почве мало. Это открытие получило название «закон минимума Либиха»: веществами, находящимися в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость урожая во времени. Современная формулировка закона: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Его жизненные возможности лимитируются экологическим фактором, количество и качество которого близки к необходимому организму или экосистеме минимуму, дальнейшее снижение концентрации экологического фактора ведет к гибели организма или к деструкции экосистемы.

μ = min(x1, x2xn)

где μ – скорость роста,

x – экологический фактор

К этой формуле следует добавить правило частичной взаимозаменяемости факторов: организмы в определенной мере способны заменять дефицитное вещество или другие действующие факторы иными функционально близкими веществами или факторами. Закон минимума применим только в случаях стационарного состояния экосистемы, т.е. приток вещества и энергии сбалансирован с их оттоком. Если система нестационарна, то действует принцип Митчерлиха.

Принцип Митчерлиха

Если система нестабильна, то в качестве лимитирующего фактора нельзя рассматривать одно вещество, так как в этом случае лимитирующие вещества могут быстро сменять друг друга. В этом случае вместо Принципа Минимума используется Принцип Максимума, где скорость роста = произведению лимитирующих факторов.

Величина урожая зависит не от одного, а от совместимости лимитирующих факторов.

Митчерлих установил, если факторы не зависимы друг от друга, то скорость роста (размножения) определяется следующим образом

М= М1 1) + М2 2) +... Мn n);

Х1 – различные факторы

Если факторы не зависимы, то их действия складываются;

Наоборот зависимые, то действует другой закон:

Принцип Метчерлиха –Телеромана: закон совместного действия природных факторов

n

µ= П µi (xi)

i=1

i=1,2,3,... n

П- произведение факторов;

или: µ= µ1(x1) · µ2(x2) … · µn(xn)

Вопрос №8. Понятие популяции, характеристики ее динамики и

возрастная структура

Популяция (по Сергееву) - это совокупность особей одного вида в течение одного времени, населяющих отдельную территорию или акваторию, отделенную от соседних совокупностей каким либо барьером природным или антропогенным.

Внутри популяции особи могут обмениваться генетической информацией, каждая популяция влечет свою эволюционную судьбу. Внутри популяции существуют сложные взаимоотношения особей.

Популяция – это группа организмов одного вида, внутри которых особи могут обмениваться генетической информацией; занимающая конкретное пространство и функционирующая как часть биотического сообщества.

Участок ареала, занятый популяцией вида и характеризующийся определенными экологическими условиями, называется стацией. Выбор стации определяется, как правило, каким-нибудь одним фактором. Это может быть кислотность, соленость, влажность и т.д. В пределах ареала вида встречаются организмы с разными экологическими требованиями и с разными морфологическими признаками.

Основные характеристики популяций, на которые оказывают влияние абиотические факторы – это численность и плотность популяций. Эти характеристики свойственны именно популяции, но не организму.

Численность – количество особей в популяции.

Плотность – количество особей на единицу площади или единицу объема.

Численность и плотность определяется рождаемостью и смертностью, Разница между рождаемостью и смертностью – прирост популяции. Также определяется миграциями. Миграции происходят при увеличении численности, если возможно расселение популяции. Миграции происходят при подрастании молодых особей. Численность не остается постоянной.

Популяции часто рассматривают как самостоятельные объекты.

Характеристики популяции:

  1. Численность

  2. Биомасса

  3. Плотность

  4. Рождаемость

  5. Смертность

  6. Возрастная структура

  7. Биотический потенциал

  8. Определенный тип распределения организмов в пространстве

  9. Кривая роста численности

Размеры популяции могут уменьшаться в результате эмиграции и смертности. Смертность – среднее число смертей в популяции в год (в процентах либо на тысячу особей). При исследовании динамики популяции, важно так же знать не только общую смертность в популяции, но и количество особей, погибающих до достижения половой зрелости.

Размеры популяции могут возрастать в результате размножения особей и их иммиграции из других популяций. Главным показателем скорости размножения является плодовитость, которая равна среднему количеству потомков от одной женской особи за определенный промежуток времени. Динамику смертности популяции в зависимости от возраста отражает от кривых выживания. Существует 3 основных типа этих кривых (СМ. рис): имеет высокую продолжительность жизни, умирают приблизительно в одном возрасте (А); коэффициент смертности постоянен на всем жизненном интервале (Б); Высокая смертность в раннем возрасте.

Выживание

Популяция характеризуется рядом признаков, единственным их носителем являете группа, но не особи в этой группе. Важнейшее свойство популяции – плотность, т.е. число особей, отнесенное к некоторой единице пространства.

Численность популяции определяется в основном 2-мя противоположными явлениями – рождаемостью и смертностью.

Удельная мгновенная скорость изменения численности популяции

r = dN

Ndt ,

где r - «мгновенная» (за короткий промежуток времени) удельная скорость роста популяции;

N – численность популяции;

t – временной промежуток, в течение которого учитывалось изменение численности.

Таким же способом определяют рождаемость и смертность:

Коэффициент рождаемости:

b=dN/Ndt

где dN - число рожденных особей в популяции,

Ndt – изменение численности в момент времени;

коэффициент смертности:

d= dN/dt,

где dN – число погибших особей.

Коэффициент прироста изолированной популяции:

r=b-d

Возрастная структура популяции ( 3 периода)

  1. Предрепродукционный (детский)

  2. Репродукционный

  3. Пострепродукционный (Старческий)

Продолжительность периодов у организмов различны (часы ,года)

Вопрос № 9. Модели экспонициального и логистического роста численности организмов в популяции, принцип Оли

Способность популяции к воспроизведению означает потенциальную возможность постоянного увеличения ее численности. Рост численности популяции можно представить как постоянно идущий процесс, масштабы которого зависят от свойственной данному виду скорости размножения. Последняя определяется как удельный прирост численности за еденицу времени:

r = dN

Ndt ,

где r - «мгновенная» (за короткий промежуток времени) удельная скорость роста популяции;

N – численность популяции;

t – временной промежуток, в течение которого учитывалось изменение численности.

При таких условиях неограниченного роста изменение численности популяции во времени выражается экспоненциальной кривой{1}, описываемой уравнением

Nt =N0 * ert,

где N0 – численность популяции в исходный момент,

Nt - численность в момент времени,

t,e - основание натуральных логарифмов.

Если ert>0 численность N увеличивается;

ert=0 численность стабильна;

ert<0 численность уменьшается.

Если численность отложить в логарифмическом масштабе, ее изменения выразятся прямой линией, наклон которой в системе координат определяется величиной r. Описанная экспоненциальная модель роста популяции отражает ее потенциальные возможности размножения. Показатель r нередко определяют как репродуктивный потенциал популяции или ее биотический потенциал. Экспоненциальный рост численности популяции возможен лишь при условии неизменного, независимого от численности значения коэф. r.

Естественный рост популяции никогда не реализуется в форме экспоненциальной модели, т.к. в природных условиях рост численности ограничен комплексом факторов внешней среды и реально складывается как результат соотношения меняющихся значений рождаемости и смертности. В таких условиях коэф. r не остается постоянным, а изменяется в зависимости от численности популяции. Наиболее близко естественный рост численности отражает логистическая модель роста популяции{2}, в которой изменение численности во времени выражаются S – образной кривой, форма которой определяется зависимой от численности величиной соотношения рождаемости и смертности в условиях ограничения верхнего порога численности внешними условиями. Уравнение логистической кривой:

Предел численности видов

dN/ dt = r N (K-N),

К

где K– максимальное число особей, способных существовать в рассматриваемой среде, т.е. асимптота кривой.

r – коэффициент прироста популяции.

К отражает экологическую «емкость угодий». В соответствии с логистической моделью рост популяции некоторое время идет замедленно, затем кривая численности круто возрастает и выходит на плато, определяемое емкостью угодий. Этот конечный уровень отражает уравновешенность процессов рождаемости и смертности в соответствии наличными пищевыми и иными ресурсами среды.

Т.о. логистическая кривая отражает наиболее медленный, а экспонициальная кривая – наиболее быстрый темпы роста. Следует ожидать, что рост большинства популяций занимает промежуточное положение.

Принцип Оли: немонотонные зависимости коэффицентов прироста встречаются в популяциях с выраженным групповым поведением: стая птиц, стадо животных, где существует групповая защита от хищников. Вследствие недостатка ресурсов, численность популяции падает. Т.о. зависимость Оли ведет к возникновению нескольких стационарных состояний к1, к2, …

Кривая Оли

Вопрос №10. Понятие экосистемы, биоценоза, биотопа и их макрокомпонентная структура

Экосистема – любое единство, включающее все организмы (то есть сообщества) на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы.

Экосистема – понятие весьма широкое, его главное значение для экологической теории состоит в том, что оно подчеркивает обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей, иначе говоря, объединение компонентов в функциональное целое

Биоценоз - единство живых организмов, заселяющих определённых биотоп.

Биотоп - относительно однородное, по физическим и химическим характеристикам среда, пространство, занятое определённым биоценозом.

Компонент - часть целого, ещё сохраняющая главные его качества

Макрокомпоненты - требует обобщения некоторых компонентов в группы.

В первом приближении биотическая часть экосистемы обязательно включает два основных компонента:

1. автотрофный компонент, для которого характерны фиксация световой энергии, использование простых неорганических веществ, построение сложных органических веществ;

2. гетеротрофные компонент, которому присущи утилизация сложных органических веществ, их разложение и перестройка.

Во втором приближении во всякой экосистеме можно выделить следующие компоненты:

1. Неорганические вещества (углерод, азот, диоксид углерода, вода и др.), вступающие в круговороты;

2. Органические соединения (белки, углероды, липиды, гуминовые вещества), связывающие биотическую и абиотическую части;

3. Климатический режим (температура и др. физические факты);

4. Продуценты – автотрофные организмы главным образом зеленые организмы, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ;

5. Консументы гетеротрофные организмы главным образом животные которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;

6.Редуценты (деструкторы, декомпозиторы) – гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы которые, расщепляют сложные соединения до простых, пригодных для использования продуцентами.

Макрокомпоненты биоценоза:

1) растения (первичные продуценты) - фитоценоз

2) животные (консументы) - зооценоз

3) бактерии (деструкторы) - бактериоценоз

Макрокомпоненты биотопа:

1) среда обитания организма (наземная, подземная, воздушная, водная)

2) различные виды энергии (солнечная, геотермальная, приливная, потенциальная и т.д.)

3) органические вещества (взвешенные или растворённые)

4) биогенные элементы (минеральные вещества, необходимые для жизни растений - N, S, Fe, и.т.д)

5) климатические факторы (температура, влажность, освещённость, давление и т.д)

Экотоп (биотоп) - часть экосистемы, выделяемая в зависимости от условий среды (рельеф, освещённость) по причине внутренней неоднородности экосистемы.

Экотон - переходная зона между экосистемами, пример: лесотундра.

Вопрос №11. Концепции биопродуктивности и экологического метаболизма. Метаболизм и размеры особей

Клетки живых организмов постоянно обмениваются энергией и веществом с окружающей их средой, такой обмен, происходящий на клеточном уровне, называется биологическим метаболизмом. Метаболизм состоит из двух противоположных по результатам процессов: ассимиляции и диссимиляции.

Ассимиляцией (анаболизм) называется процесс, в ходе которого из более простых веществ (аминокислоты, глюкоза, органические кислоты) синтезируются более сложные вещества (белки, углеводы, липиды), аналогичные компонентам данного организма и необходимые для его жизнедеятельности. Реакции синтеза особенно интенсивно идут в молодых растениях, клетках. Синтез веществ постоянно происходит и в клетках закончивших свой рост, т.к. их химический состав в течение жизни постоянно обновляется.

Диссимиляцией (катаболизм) называется окислительно-восстановительный процесс распада сложных органических веществ в организме. Образованные и накопленные при ассимиляции сложные органические вещества при диссимиляции ферментативно разлагаются на более простые соединения с выделением тепловой энергии.

Экологическим метаболизмом называется обменные процессы, происходящие на уровне организма, популяции, вида. К процессам экологического метаболизма относятся первичное продуцирование органического вещества фотоавтотрофами и хемоавтотрофами, ассимиляция пищи консументами разных трофических уровней, бактериальное продуцирование вещества и внеклеточный бактериальный гидролиз, естественная смертность организмов. Диссимиляция – траты энергии.

Метаболизм биологический – на уровне клетки и экологический – на уровне организм, популяция.

Метаболизм и размеры особей. Биомасса организма, которая может поддерживаться потоком энергии через пищевую цепь, в значительной мере зависит от размера особи. Чем меньше организм, тем выше его удельный метаболизм, т.е. метаболизм на 1гр. массы, поэтому, чем меньше организм, тем меньше биомасса, которая может поддерживаться на данном трофическом уровне и тем больше продукция… Чем крупнее организм, тем выше биомасса и меньше продукция, т.о. у мелких растений и животных удельный метаболизм значительно выше чем у крупных организмов, поэтому во многих случаях самыми важными с экологической точки зрения оказываются не малочисленные крупные выделяющиеся своими размерами, а многочисленные мелкие организмы часто невидимые глазом.

Первичная продукция(масса) и продуктивность (скорость).

Способность накапливать энергию солнечного света в органическом веществе наз. продуктивность живых организмов. Выделяют 3-и основные группы организмов:

1) продуценты – зел. растения (способные к фотосинтезу) и бактерии (хемосинтез);

2) консументы /фито-, зоо-, эврифаги (всеядные)/ - организмы, потребляющие первичную или втор. продукцию (т.е. готовое органич. в-во, живот., паразитир. растения);

3) редуценты /деструкторы/ - организмы, живущие за счет мертвых органич. в-в разлагающие их до минерал. в-в (многие бактерии, грибы, некот. животные).

Таким образом, продуценты начинают собой трофические (пищевые) цепи, кот. образуют последовательность иерархических уровней, начиная от создания продукции и заканчивая несколькими уровнями потребления.

Первичной продукцией называется общее количество органической материи созданной в процессе фотосинтеза.

Первичной продуктивностью называют скорость, с которой лучистая энергия солнца усваивается первичными продуцентами в процессе фотосинтетической деятельности. Определяется как продукция – количество органического в-ва, создаваемого за единицу времени с единицы площади (поверхности или в единице объема, для водных экосистем).

Различают 2-а вида первичной продукции и продуктивности.

-валовая первичная продукция (продуктивность);

-чистая первичная продукция (продуктивность).

Валовая первичная продукция – суммарная продукция фотосинтеза (суммарная ассимиляция) + в-во, сжигаемое при дыхании за единицу времени; чистая продукция - вещество, которое можно взвесить, например: при уборке урожая; вторичная продукция - биомасса, создаваемая консументами.

Валовая первичная продуктивность - это скорость создания органического вещества в процессе фотосинтеза, включающая и ту органику, которая израсходована растениями на дыхание за время измерения.

Чистая первичная продуктивность – это затраты организмов на дыхание.

Скорость накопления энергии (органики) на уровне консументов называется вторичной продуктивностью или ассимиляцией пищи.

Продуктивность и продукцию выражают 3-мя способами:

- массой синтезированного сухого вещества в единицу времени;

- количеством углерода содержащегося в продукции;

- количеством энергии эквивалентной данной биомассе в калориях в единицу времени.

Пример:

Чистая продукция биосферы = 170 · 109 т сух. вещества / в год;

на сушу приходиться = 115 · 109;

на долю океана = 55 · 109 (океан дает 1/3 продукции биосферы).

На долю океанических водорослей приходится доли % от общей биомассы продуцентов биосферы, а с др. стороны – леса, занимающие около 10% суши материков, дают 1/2 первичной продукции суши.

Вопрос №12. Биогеохимические круговороты углерода, азота, фосфора и кислорода.

Действительно, все вещества на нашей планете находятся в процессе биогеохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (био­тический). Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные по­роды подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты вы­ветривания, в том числе растворенные в воде питательные ве­щества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвраща­ются на сушу с осадками,- с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, пе­ремещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на су­шу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот является частью большого и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение те­ла и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и мезофауны (бактерий, грибов, червей, моллюсков, простейших и др.) и вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовле­каемых ими в поток вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорга­ническую среду с использованием солнечной энергии или энер­гии химических реакций носит название биогеохимиче­ского цикла.

Круговорот углерода, как и любого другого элемента, совершается по большому и малому циклам. Большой (геологический) круговорот углерода можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Большой круговорот углерода.

Биотический круговорот углерода является составной частью большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организ­мов. Углерод, содержащийся в виде СО2 в атмосфере, служит сырьем для фотосинтеза растений и далее по­ступает вместе с веществом, в котором он аккумулирован, в пи­щевые цепи: в распоряжение консументов разных уровней, а далее—редуцентов. При дыхании организмов СО2 возвра­щается в атмосферу. Определенная часть углерода накаплива­ется в виде мертвой органики, частично переходит в ископае­мое состояние. Так, залежи каменного угля или торфа — это и есть органическое вещество — продукт процессов фотосинте­за растений прошлых геологических эпох. В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает при сжигании этого топлива, возникает так называемый биологотехнический круговорот углерода, поскольку при сжигании топ­лива диоксид углерода дополнительно поступает в атмосферу (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Трансформация и использование СО2 в природе.

Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана, кристаллических породах, в каменном угле и нефти. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются участвующими в малом (биогенном) круго­вороте относительно небольшими количествами углерода, со­держащегося в растительных и животных тканях. Однако в настоящее время человек интенсивно замы­кает на себя круговорот веществ, в том числе углерода. Так, на­пример, подсчитано, что суммарная биомасса всех домашних животных уже превышает биомассу всех диких наземных жи­вотных. Площади культивируемых растений приближаются к площадям естественных биогеоценозов, и многие культурные экосистемы по своей продуктивности, непрерывно повышаемой человеком, значительно превосходят природные.

С другой стороны, поступление диоксида углерода в атмо­сферу в результате сжигания энергоносителей ведет к глобаль­ным изменениям в биосфере — прежде всего в отношении теп­лового баланса. Стойкое увеличение содержания СО2 в атмо­сфере в связи с сжиганием топлива подтверждается прямыми наблюдениями и расчетами. За последнее столетие содержание СО2 увеличилось на 10 % от его современной концентрации, причем основная доля приходится на последние десятилетия. В атмосфере задерживается около половины «антропогенного» диоксида углерода, а остальное поглощается водами Мирового океана и, отчасти, живыми (в первую очередь, автотрофными) организмами. Считается, что наземные экосистемы ежегодно ассимилируют около 12 % диоксида углерода, т. е. общее время его переноса в круговороте составляет 8 лет.

Круговорот азота. Несмотря на то что в составе воздуха 78 % азота, непосредственно ассимилировать его высшие организмы-продуценты не могут. Цикл азота состоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жиз­ненно важных структур организма — аминокислот, белка, а так­же нуклеиновых кислот. В целом в живых организмах содер­жится примерно 3 % всего активного фонда азота. Растения ежегодно потребляют около 1 % имеющегося в активном фонде азота, т. е. время его круговорота составляет 100 лет. От ра­стений-продуцентов азотсодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминов от органи­ческих соединений азот выделяется в виде аммиака или мочевины (рис. 3.3), причем мочевина также превращается в амми­ак в результате гидролиза.

В дальнейшем в процессах окисле­ния азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, спо­собные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти хи­мические превращения возможны в результате жизнедеятель­ности почвенных микроорганизмов, в частности свободноживущих аэробных и анаэробных бактерий, сине-зеленых и пурпур­ных водорослей. Так, хемосинтетики нитрозомонас превращают аммиак в нитриты, а нитробактер — в нитриты и нитраты.

Особенно значима в круговороте азота роль симбиотических (от греч. симбиоз — сожительство) клубеньковых бактерий, ло­кализующихся на корнях растений преимущественно семейства бобовых. Бактерии родов азотобактер или ризобиум способны путем ферментативного расщепления молекул N2 фиксировать атмосферный азот и делать его доступным корневым системам растений.

Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. С одной стороны, массовое производство азотных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов. Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации. С другой стороны, при сни­жении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные удобрения накапливаются в почве. Возможно подавление дея­тельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности. Однако все эти процессы носят достаточно локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на теплоэлектростанциях и на транспорте. Азот, «фик­сированный» в промышленных выбросах, токсичен, в отличие от азота биологической фиксации. При естественных процессах оксиды азота появляются в атмосфере в малых количествах в качестве промежуточных продуктов, но в городах и промыш­ленных районах их концентрации становятся опасными. Они раздражают органы дыхания, а под воздействием ультрафиоле­тового излучения возникают реакции между оксидами азота и углеводородами с образованием высокотоксичных и канцеро­генных соединений.

Круговорот фосфора. У живых организмов фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем пере­носа энергии (аденозинди- и аденозинтрифосфат), костных тка­ней. Фосфор усваивается растениями из почвы в форме раство­ренных фосфат-ионов. Далее он переходит по пищевой цепи к, животным и возвращается в почву в виде фосфатов, либо не­посредственно — выводимый животными, либо опосредованно — в результате бактериального преобразования органических со­единений, содержащихся в остатках отмирающих растений (детрите). Фосфаты при посредстве фосфатредуцирующих бакте­рий образуют растворимые фосфат-ионы, опять доступные рас­тениям (рис. 3.4).

Таков в общих чертах биогенный круговорот фосфора. Об­щий (большой) круговорот более сложен (рис. 3.5). Основной фонд фосфора, в отличие от азота и углерода, сосредоточен в горных породах, включая вулканический апатит, подвергаю­щихся эрозии. В процессе эрозии образуются растворимые фосфаты, которые частью локализуются в почве, а частью вы­щелачиваются и сносятся в воду, где отлагаются в мелковод­ных и глубоководных осадках. Возврат фосфора в почву или в поверхностные воды происходит различными путями, напри­мер за счет подъема океанических глубинных вод (апвеллинга). В пищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фитопланктона к рыбам, а далее — к морским птицам, возвра­щающим его на сушу. Последний перенос привел, в частности, к огромным скоплениям экскрементов птиц (гуано). В атмо­сфере фосфор практически отсутствует, если не считать крат­ковременно присутствующих пылевидных форм, и поэтому пере­нос происходит только в системе почва — вода.

Сбалансированный круговорот фосфора означает, что его вынос с суши компенсируется возвратом на сушу, причем выне­сенный фосфор не выключается из доступных фондов за счет образования, например, нерастворимых соединений.

Антропогенная деятельность активно изменяет круговорот фосфора. При этом баланс в глобальном аспекте может суще­ственно не нарушаться, а локальные изменения могут быть весьма значительными.

Важнейшей формой влияния человека на круговорот фос­фора является вовлечение в использование депонированных на суше отложений (минералов, фосфатов, апатитов) для произ­водства миллионов тонн фосфорных удобрений, а также детер­гентов (моющих средств). Большая часть фосфора, внесенного с удобрениями в почву, смывается и исключается из кругово­рота. Правда, значительная доля фосфора возвращается на сушу в результате вылова рыбы, часть которой также идет на производство удобрений. Дефицит фосфора, разумеется, пока не угрожает, ибо запасы фосфорсодержащих пород велики, но избыточное поступление фосфора в воду в результате смыва удобрений и сброса промышленных и бытовых сточных вод приводит к резкому повышению продуктивности водных экоси­стем. Скачкообразный рост массы фитопланктона (аэробного комплекса) приводит к связыванию кислорода и обеднению им воды, что негативно сказывается, прежде всего, на рыбе, особен­но на молоди, приводит к преобладанию анаэробных процессов, т. е. к явлению эвтрофикации.

Круговорот кислорода. Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и иных твердых соединениях и непосредственно для ис­пользования в экосистеме недоступна. Доступный для фотосин­теза кислород содержится в атмосфере и проходит через растительные компоненты биосферы в течение 2,5 тыс. лет. В процессе фотосинтеза СО2 превраща­ется в органическое вещество с выделением свободного О2. Од­нако специфика процесса состоит в том, что образующаяся при фотосинтезе молекула О2 один из атомов получает от СО2; а другой — от воды. При дыхании потребляемая молекула О2 один из атомов отдает воде, а другой — диоксиду углерода (рис. 3.7).

Билет №13. Гомеостаз экосистемы и его механизмы, устойчивое, кризисное и коллапсное состояние экосистем.

Гомеостаз экосистемы – способность экосистемы противостоять внешним воздействиям и сохранять состояние подвижного равновесия. Важнейшее свойство экосистемы – устойчивость к внешним воздействиям и способность к саморегуляции. Благодаря этому экосистема способна сохранять свою структуру и функциональные особенности.

В некоторых экосистемах количество осадков снизилось на 50% по сравнению со среднегодовым значением. На продуктивность растений это снижение сказалось уже в меньшей степени, только на 25%, а численность популяций снизилось только на 10%. Относительное затухание колебаний, имевших место во внешней среде по мере их прохождения по пищевым сетям экосистем, является мерой внутренней устойчивости системы или ее гомеостазом.

В рассмотренном примере устойчивость к засухе может быть обусловлена запасом влаги или частичное замещение чувствительности к засухе видов растений – засухоустойчивых видов. В экосистеме существуют различные виды связей между ее компонентами.

Положения о системообразующих отношениях:

1. Причинно-следственные связи (необратимые связи). Если происходит изменение в одном элементе, то они вызывают изменения в другом и т.д.

Пример: Малое количество осадков ведет к снижению продуктивности геосистемы (образование биомассы в единицу времени) и наоборот.

2. Параллельные отношения. Изменение в двух элементах и их комбинация ведет к изменению в другом элементе. Изменения в двух элементах могут не оказывать влияния друг на друга.

Пример: - содержание органического вещества в почве

- режим увлажнения => плодородие почв

Пример: - альбедо поверхности

- облачность => радиационный баланс

3. Отношения обратной связи. Два элемента взаимно влияют друг на друга.

«+» обратная связь – когда увеличение значения первого элемента приводит к увеличению значения второго, который в свою очередь увеличивает значение первого.

«-» типичные отношения хищник – жертва.

«+» отношения придает геосистеме направленное развитие.

Пример: увеличение концентрации СО2 ведет к увеличению температуры атмосферного воздуха, что в свою очередь увеличивает температуру в мировом океане, еще больше СО2 в атмосфере и т.д.

Пример: хищник поедает жертв, если численность жертв постоянно растет (высокий коэффициент прироста), то хищники также увеличивают свою численность. В этом проявляется “+” обратная связь, но поскольку хищники питаются жертвами, они снижают численность жертв, в этом проявляется “-” связь. Если численность хищников выше предела, то они естественным образом снизят численность жертв, и тем самым будут ограничивать собственную численность. Гомеостаз – следствие естественного отбора.

4. Множественность следствий. Изменение в одном элементе влекут изменения в других. - изменение в температуре

- изменение в радиационном балансе => - продуктивность

- испаряемость

Классификация состояния природной среды:

  1. Устойчивость - свойство природных систем сохранять или восстанавливать свою структуру и функции при воздействии внешних факторов.

- характеризует способность нормального функционирования систем.

Устойчивость зависит от:

- инвариантных свойств геосистем

- ранга геосистем

- интенсивность воздействия

2 Естественное – когда система испытывает слабые или косвенные воздействия от антропогенных источников.

- особо охраняемые природные территории

- удаленные территории.

3. Равновесное – скорость восстановительных процессов больше или равна скорость антропогенных изменений.

- лесохозяйство где осуществляется рациональное лесопользование.

4. Кризисное – скорость антропогенного воздействия больше скорости восстановления, но происходящее изменение обратимо.

- не рациональное лесопользование.

5. Критическое – под воздействием антропогенной деятельности происходит обратимая замена экосистем на менее продуктивные.

- лесной пожар.

6. Катастрофическое – трудно обратимая замена экосистем на менее продуктивную.

- сильная степень эвтрофикации водоема.

7. Состояние коллапса – необратимая потеря продуктивности экосистемой.

-опустынивание.

Билет №14. Экологические сукцессии, их типы и стадии.

Происходящие во времени смены одного биоценоза другим наз. сукцессией. Одно из важнейших свойств биоценоза – способность реагировать на направленное изменение условий существования последовательными сменами.

Направленная и непрерывная последовательность появления и исчезновения популяций разных видов, изменение одного видового состава биоценоза во времени, приводящая к последовательной смене одного биоценоза другим, и есть сукцессия, а отдельные биоценозы, соответствующие разным этапам развития биоценозов, - стадии сукцессии.

Сукцессия происходит под влиянием процессов внутреннего развития сообществ, их взаимодействия с окружающей средой. В зависимости от причин сукцессий различают экзодинамические сукцессии, вызванные внешними по отношению к данной экосистеме факторами, и эндодинамические сукцессии, вызванные внутренними механизмами экосистем.

Экзодинамические сукцессии могут быть вызваны изменениями климата, понижением уровня грунтовых вод, подъемом уровня мирового океана. Эти процессы занимают длительное время и связаны с действием механизмов адаптации экосистемы к факторам внешней среды, которые в свою очередь базируются на механизмах адаптации живых организмов экосистемы.

Эндодинамические сукцессии приводятся в действие особыми законами, механизмы которых до сих пор во многом не выяснены. Первопоселенцами на безжизненном субстрате являются лишайники и корковые водоросли. Далее типы сообществ в данном пространстве последовательно сменяют друг друга, постепенно усложняясь и увеличивая видовое разнообразие, формируя так называемый сукцессионный ряд, состоящий из последовательных стадий, отмечающих смену одного сообщества другим. Завершается все установкой в экосистеме динамического равновесия, когда она меняется очень незначительно. Экосистемы на этой стадии называются климаксными. Весь сукцессионный ряд может занять до сотен и даже до тысяч лет, что связано с необходимостью накопления питательного вещества в субстрате. Так, наступление климаксного состояния для Южной тайги с момента формирования занимает 90 лет.

Свойства сукцессии:

1) Сукцессия всегда происходит под действием живых организмов. Сообщество организмов само вносит изменения в физико-химическую среду, которые определяют дальнейший характер сукцессии.

2) Сукцессия – это упорядоченное развитие экосистемы, а, следовательно, всегда направлена определённым образом и предсказуема.

3) Заканчивается стабильным состоянием экосистемы, когда на единицу энергии приходится максимально возможная биомасса организмов и межвидовых взаимодействий. Время, необходимое для достижения стабильного (климаксного) состояния, у различных экосистем различно.

На ранних стадиях сукцессии видовое разнообразие биоценоза невелико, на поздних – наоборот.

В процессе сукцессии закон роста численности популяций изменяется от экспоненциального (по Мальтусу) до логистического (Ферхюльст). Это происходит, так как при переходе от низшей стадии сукцессии к высшей возрастает сопротивляемость среды. Основным результатом деятельности сообщества организмов в процессе сукцессии является то, что экосистемы постепенно переходят в устойчивое состояние.

В зависимости от исходных условий принято различать первичные сукцессии, которые начинаются на абсолютно безжизненных субстратах и процессы становления биоценоза имеют длительный период (100-и лет), например: процессы почвообразования и формирование растительности, животного населения: так на обнажившихся горных породах развитие биоценоза начинается с поселения пионерных форм жизни (например: накипные лишайники, виды мхов, появление сосудистых растений).

Вторичные сукцессии – это смены биоценозов, начинающиеся с более благоприятных стартовых условий и протекающих быстрее первичных, например: на сформированной растительности (где почва с запасом семян), после пожара (восстановление уничтоженного биоценоза), вырубки леса (восст. нарушен. биоценоза).

Любая сукцессия состоит из отдельных этапов, где каждый последующий длиннее предыдущего. Конечным этапом сукцессии является климаксное сообщество организмов, при котором биоценоз находится в наиболее полном единстве с биотопом, т.е. происходит замедление смен и биоценозы приобретают устойчивое состояние.

Изменение энергетики.

На ранних стадиях автотрофной сукцессии скорость образования валовой первичной продукции (П) превышает скорость дыхания сообщества (Д), т.е. П\Д>1. В результате биомасса будет постоянно накапливаться. Поэтому по мере сукцессии и первичная продуктивность и расходы на дыхание сообщества растут, но при этом отношение их стремиться к балансу П\Д=1, характерному для стадии климакса. На этой стадии вся первичная продукция расходуется на дыхание и потребление гетеротрофами. Это значит, что на стадии климакса чистая продукция экосистемы теоретически равна нулю, а количество биомассы максимально.

Гетеротрофная сукцессия, наоборот, начинается с отношения П\Д<1, но также по мере развития сукцессии стремиться к П\Д=1, т.е. в обоих случаях наблюдается тенденция к равновесию между связанной энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание биомассы. Поэтому отношение П\Д=1 может служить показателем зрелости системы.

Изменение разнообразия.

На ранних стадиях сукцессии видовое разнообразие незначительно, по мере развития сукцессии, оно нарастает, меняется видовой состав сообщества, усложняются и удлиняются жизненные циклы, увеличивается величина организмов, развиваются взаимовыгодные симбиозы, усложняется трофическая структура экосистемы. Однако пик разнообразия приходится вовсе не на стадию климакса, а либо на середину сукцессионного ряда, либо ближе к климаксу.

На ранних стадиях сукцессии преобладают виды с высокой скоростью размножения и роста, но низкой способностью к индивидуальному выживанию. Таким образом, в процессе сукцессии происходит переход от количества продукции к качеству, сопровождаемый генетическими изменениями, охватывающими всю биоту.

Совершенствование круговоротов биогенных элементов.

По мере усложнения трофической структуры экосистемы увеличивается время оборота биогенных веществ. Кроме того, циклы многих биогенных элементов, таких, как азот, фосфор и кальций, замыкаются в пределах данной экосистемы. Все это способствует накоплению запаса биогенных элементов, т.е. в процессе сукцессии количество этих элементов на входе оказывается большим, чем их количество на выходе .В зрелой климаксной системе вход и выход биогенных элементов почти уравновешивается, однако некоторое накопление все же происходит. Т.о. равновесная система более независима от внешних поступлений вещества.

Относительность неизменности климаксных стадий.

После достижения климакса динамические процессы вовсе не прекращаются, но динамика экосистемы изменяет свой характер. Она становится более замедленной. Одни организмы сменяют другие, происходит внедрение в экосистему новых видов, формируются новые экологические ниши, совершенствуются адаптации, происходит образование новых видов, формируются новые симбиозы и т.д.

Однако очень большое влияние на динамику климаксных систем оказывают внешние воздействия, которые способны отбросить всю экосистему или отдельные ее районы на более ранние стадии сукцессии. Это м.б. пожары, сильные бури, наводнения, горные лавины и другие природные катаклизмы.

Билет №15. Понятие «биосфера», ее вертикальная и горизонтальная структуры, свойство эмерджентности экосистем.

Биосфера – сфера жизни, оболочка Земли, населенная живыми организмами. Впервые понятие б. (от греч. bios – жизнь, sphaira – шар) было введено в биологию фран. натуралистом Ж.-Б. Ламарком, геолог Зюсс в начале XIX в. Но основы науки о б. были заложены только в пер. половине XX в. трудами акад. В. И. Вернадского. Вернадский называл биосферу - оболочка Земли, в пределах которой сосредоточено все живое вещество планеты. В этом смысле он различал газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара как составляющие био-, области распространения жизни.

Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы (активная жизнь может существовать до высоты 10-15 км), всю гидросферу и верхнюю часть земной коры (кора выветривания – геологич. отложения с материнской горной породой – 30-60 м и более 100-200 м).

Область распространения живых организмов и определяет границы био-. За верхнюю границу б. принимают слой озона, находящийся на высоте 20-25 км, нижняя граница проходит в литосфере, где главными агентами явл. организмы, вода, ветер). Это граница от нескольких сотен метров до нескольких км, где встречаются еще анаэробные бактерии. Развитие определялось деятельностью живых организмов.

Биосфера по субстанциям делится:

- аэробиосферу – приземный слой атмосферы до 17 км над уровнем океана, где живут организмы и размножаются по вертикали на 2 зоны:

* тропобиосфера – постоянно заселена организмами до 6 км;

* стратобиосфера – 6-7 км, постоянно существуют организмы в виде спор;

- литобиосфера – часть литосферы до глубины 7 км, живые организмы и слой биогенных осадочных пород на 3 зоны:

* гипобиосфера – слой литосферы 5-6 км, живые организмы находятся при случайных причинах, временно, нормально не развиваются;

* телурбиосфера – 1-5 км могут существовать анаэробные организмы;

* хипотерробиосфера – верхняя часть литосферы до глубины 1 км. Здесь могут существовать, здесь могут существовать анаэробные организмы. Здесь выделяют кору выветривания до 200 м, подпочву, зону корней деревьев;

- педосферу – почвенный слой, в среднем до 30 см;

- гидробиосферу – часть б., в пределах гидросферы, в пределах океана:

* фотосфера – верхний слой, простилающийся 150-200 м, обитают и размножаются водные и автотрофные организмы;

* дистрофитосфера – слой воды, расположенный на глубине 200 м – 2 км, незначительная часть солнечной радиации;

* афотосфера – область развития жизни без солнечной радиации (абиссаль).

Иногда верхнюю границу б. расширяют за счет вовлечения парабиосферные зоны. Границы – озоновый экран Земли, то есть 25-27 км. Иногда расширяют нижнюю часть б. – метабиосферную область – определяется максимальной глубиной залегания осадочных пород (11 км).

В пределах био- есть области, где активная жизнь невозможна. Например, / био- по горизонтали/ в верхних слоях тропосферы, в наиболее холодных (центральные районы Антарктиды), жарких и сухих районах земного шара организмы могут находиться лишь в покоящимся состоянии. Совокупность этих областей био- наз. парабиосферой.

Парабиосферные области – области, расположенные выше снеговой линии, за которой располагаются вечные льды и снега.

Аксиома В.Б. Сочавы об иерархической структуре биосферы: биосфера представляет собой систему, организованную в виде множества подсистем различной размерности.

Для реализации хорологического подхода в геоэкологии весьма существенно изучение пространственных структур – биохор, порождаемых композициями биогеоценозов.

Пять иерархических уровней биохор и отвечающих им подразделений географической оболочки (горизонтальное разделение) – геохор:

- микрохоры и мезохоры – биогеоценозы, входящие в состав морфологических единиц ландшафта, размером 10-1 – 10-2 км2;

- макрохоры – биогеографические (геоботанические) районы, охватывающие территорию конкретных ландшафтов, размером 101 – 102 км2;

- мегахоры – единицы биогеографического (фитогеографического) и природно-хозяйственного районирования размером 103 – 105 км2;

- гигахоры – главнейшие элементы биосферы и географической оболочки, т.е. океаны и материки, биоклиматические пояса размером более 106 км2.

Переход от одного структурного уровня к другому сопровождается качественным изменением свойств системы.

Биосфера как планетарная система обладает свойствами:

дискретности – выделение пространственных границ;

континуальности – обеспечивает непрерывность экосистем, когда между ними существуют области – экотоны.

Свойством эмерджентности обладает любая экосистема. Система имеет новое качество по сравнению со слагающими ее экосистемами более низкого иерархического уровня, то есть целое больше простой суммы его частей.

Уровни организации живого:

1) Уровень молекулярных структур жизни (вирусы) - граница между живым и неживым.

2) Клеточный.

3) Органно-тканевый (характерно для многоклеточных).

4) Уровень целостного организма.

5) Видовой (действуют все законы внутривидовых отношений).

6) Биоценозный (действуют межвидовые законы).

7) Биосферный.

Основные особенности: присутствие живого вещества; наличие воды в жидком состоянии; поступление энергии солнечной радиации в биосферу; происходит поверхностный раздел между веществами находящимися в различных физических состояниях.

Общая биомасса Земли - 1,8 *10 в 12 степени.

На суше биомасса растений значительно больше биомассы животных, а в океане наоборот.

Наибольшее количество живого вещества на единицу площади приходится во влажных экваториальных лесах - более 125 кг/кв.м, минимальное значение - в пустыне - менее 0,6кг/м2.

Биомасса океана мала в тропиках, так как теплая вода содержит недостаточно растворённого кислорода, но видовой её состав богаче, чем в других зонах.

Всего на Земле насчитывается около 350 тыс. видов растений и 1.5 млн. видов животных.

Биомасса суши в 200 раз больше биомассы в океане.

Масса растений на суше, в 100 раз больше массы животных, а в океане масса животных в 26 раз больше фитомассы.

Биомасса на суше напрямую зависит от количества тепла и воды.

Билет №16. Общепланетарные функции живого вещества. Основные этапы эволюции биосферы

Пять основных функций живого вещества в масштабах планеты.

1. Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением космоса, и прежде всего солнечная радиация. Основой функции является – фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов (за время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию солнечную энергию, при этом существенная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде: залежи угля, нефти и др. органических веществ).

2. Газовая функция – происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник – выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.

3. Концентрационная – проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среды.

4. Окислительно-восстановительная – заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

5. Деструкционная – протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.

Т.о. живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени осадочных пород земли. В.И. Вернадский писал: «Превращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности – лика Земли, биосферы».

- Биота обеспечивает стабильность биосферы.

- Биота обеспечивает устойчивость глобальных биогеохимических циклов. Часть биоты синтезирует кислород: кислород нужен прежде всего для энергетических процессов (кроме анаэробных); образование озона, для поддержания озонового слоя.

- Биота обеспечивает разрушение горных пород и образование почв (микроорганизмы, различные лишайники, растения).

- Биота повышает плодородие почвенного покрова.

- Биота принимает участие в глобальном гидрологическом круговороте.

Основные этапы эволюции биосферы

Современная биосфера – продукт длительной эволюции нашей планеты и жизни на ее поверхности. В кратком изложении развитие биосферы З. можно рассматривать как последовательную смену 3- этапов:

1. Первый этапВосстановительный – завершился на З. появлением гетеротрофной био- более 4 млрд. л.н. Для первого этапа характерно появление анаэробов и следы присутствия свободного кислорода (О2). Ранний фотосинтез, по преимуществу, был анаэробным (бескислородным), происходила фиксация азота (N), кот. приводила к тому, что часть ультрафиолетовой радиации, проникая через атмосферу, разлагала аммиак на З.

Самые древ. г/породы с возрастом в 3,8-3,5 млрд лет со следами жизни– метаморфические, залегают в докембрийских щитах почти на всех материках З. Биохимические следы существования древ. организмов представлены в виде устойчивых химических соединений в осадочных г/п.

2. Второй этапСлабоокислительный – отмечен появлением аэробного (кислородного) фотосинтеза не менее 3,8 млрд л.н., кот. начался у древ. фотосинтезирующих прокариот (предки цианобактерий) -> затем О2 производили морские водоросли и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) -> строящиеся строматолиты (известняковые образования)->. Но в атмосфере накапливалось малое количество О2, т.к. он реагировал с железом (Fe), растворенным в воде. При этом оксиды Fe осаждались, образуя полосчатые железистые формации докембрия. Только когда океан освободился от Fe и др. поливалентных металлов, концентрация О2 стала возрастать.

3. Третий этап характеризуется формированием окислительной фотоавтотрофной среды. Он начался с завершения отложений полосчатых железистых кварцитов примерно 1800 млн л.н. Для этого этапа характерно наличие такого количества свободного О2, кот. достаточно для появления и развития животных, потребляющих его. Возникает О2 –ое дыхание -> озоновый слой -> расширение осваиваемых жизнью условий -> …

Последние два этапа в развитии био- фиксированы в каменной летописи геологической истории, пример: в породах возраста 3 млрд л обнаружен пигмент фикобилин, кот. используется при фотосинтезе современными цианобактериями (сине-зел. водорослями); некот. организмы раннего докембрия, относящиеся к сине-зел. водорослям мало изменились в ходе геологической истории или близки к их формам, обитающие в наст. время. Можно предположить: древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу от материала биогенного происхождения (от Солнца, кот. образовалось раньше), соответственно зарождение жизни на З. могло произойти раньше более чем на 4 млрд л.н.

В современное время биосфера как планетное явление получает новое понимание – становление этапа ноосферы – «сфера разума». В.И. Вернадский связывал появление нового этапа с действием многих факторов: единство био- и человечества, планетарный характер человеческой деятельности, кот. соизмерим с геологическими процессами, а также развитие демократических форм человеч. общения, «взрыв» достижений и науки.

* Ноосферный этап. Первое завоевание природы – приобретение и поддержание огня, очаги скотоводства и земледелия, охота – единственный способ белковой пищи. В палеолите человекобезьяна участвует в круговороте веществ, в неолите развитие ремесел, рост численности населения.

Эволюция биосферы – происходит в рамках уже сложившихся уровней организации живого.

Основные этапы эволюции:

  1. быстрое (в геологическом масштабе времени) завоевание жизнью земного пространства;

  2. постепенное преобразование геологических и геохимических круговоротов в биогеологические и биогеохимические;

  3. преобразование первичной атмосферы и стабилизация её газового состава

  4. замена восстановительного (бескислородного) фона геохимической среды окислительным;

  5. возникновение почвообразовательного процесса и создание вследствие этого почвенной структуры;

  6. детерминация химической активности природных вод (создание зональной структуры гидросферы и вод зоны гипергенеза).

Показателем эволюции биосферы служит изменение способности живого вещества концентрировать химические элементы, соединения и энергию (концентрационная функция живого вещества).

Тенденциями эволюции являются:

- увеличение разнообразия элементов;

- изменение соотношения между ними, например, образование рудных месторождений в определённые эпохи – железорудных (железистые кварциты) в протерозое, марганцевых в неогене, соленосных в девоне и Перми.

Одной из тенденций развития биосферы на экосистемном уровне является стремление подольше сохранить вещества, созданные продуцентами в биохимическом круговороте (например, за счёт увеличения трофических уровней в пищевой цепи) и повысить его интенсивность. При этом важнейшими событиями были возникновение и эволюция основных способов питания (хемотрофного, автотрофного и гетеротрофного), типов экологических взаимодействий (хищничество, паразитизм, конкуренция, кооперация) и становление биотического круговорота, осуществляемого продуцентами, консументами, редуцентами (при выраженной тенденции «притирания» и «встраивания» всё новых элементов в систему).

Вопрос №17. Основные понятия: метеорология, климатология, атмосфера, погода, климат

Атмосфера – воздушная оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней вокруг оси. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли, верхняя граница условно проводится на высоте 1000 км, хотя атмо- простирается гораздо выше – до 20000 км, но на такой высоте, она крайне разрежена. Воздух а. – смесь газов, в которой находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частицы. Содержится 78% азота, 21% кислорода, 0.93% аргона, 0.03 углекислого газа, водяной пар, физические примеси во взвешенном состоянии.

Тропосфера – самый нижний и плотный слой атмосферы. Верхняя граница – 18 км над экватором и 8-9 км над полюсами. Температура воздуха убывает с высотой в среднем на 0.60 на каждые 100м. Происходит вертикальное движение воздуха – конвекция и горизонтальное перемещение – ветры. Здесь сосредоточен почти весь воздух, водяной пар, образуются туманы, облака и осадки. Пода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера простирается до высоты 50 км. Температура воздуха в ней возрастает за счет поглощения солнечной энергии озоном и у верхней границы приближается к 00. Почти нет водяного пара, дуют ураганные ветры.

Верхние слои ионизированы, в них наблюдаются полярные сияния и магнитные бури. А. защищает все живое Земли от пагубного воздействия ультрафиолетовой радиации и от корпускулярных потоков – электрически заряженных частиц, летящих от Солнца, и космических лучей, предохраняет от чрезмерного перегревания днем и охлаждения ночью.

Погодаэто совокупность процессов, происходящих в атмосфере в данное время над определенной территории. Изменения погоды могут быть периодическими и непериодическими.

Периодические изменения обусловлены суточными и годовыми различиями в поступлении солнечной радиации. С этим связаны регулярные суточные и сезонные колебания всех метеоэлементов: температуры, влажности воздуха, облачности, осадков, давления, ветров. Непериодические изменения обусловлены фронтальными процессами и наиболее типичны для умеренного и холодно поясов.

В каждой стране существует служба погоды. Результаты наблюдений с метеорологических станций передаются в мировые и региональные метеорологические центры, там несколько раз в сутки составляются синоптические карты (карты погоды). Предсказание погоды имеет огромное значение для всех отраслей хозяйства.

Климатмноголетний режим погоды, типичный в данном месте. В отличие от погоды он обладает устойчивостью, постоянством, хотя ежегодно бывают отклонения в температуре, количестве и режиме осадков, характерных погодах.

Солнечная радиация, циркуляция атмосферы и подстилающая поверхность – климатообразующие факторы, под совместным влиянием которых формируются различные климаты Земли. Климат зонален. В каждом полушарии выделяется 7 климатических поясов. Главный признак пояса – господство воздушных масс. В основных поясах формирование климата весь год происходит под преобладающим воздействием воздушных масс одного типа: экваториальный пояс, два тропических, два умеренных, два полярных (арктический и антарктический). Располагающиеся между ними переходные пояса характеризуются сезонной сменой преобладающих воздушных масс. Это два субэкваториальных пояса – ЭВ и ТВ, два субтропических – ТВ и ПВ, субарктический и субантарктический – ПВ и АВ. Климатические пояса – самые крупные зональные подразделения земной поверхности по климатическим условиям. Внутри них выделены климатические области с разными типами климатов: материковый и океанический типы климата (есть во всех поясах, обусловлены свойствами земной поверхности – суши или океана); типы климата западных и восточных побережий материков ( в троп., субтроп., умер. поясах), связанные с неодинаковыми условиями циркуляции атмосферы и с морскими течениями.

Метеорология – наука об атмосфере Земли, ее состоянии, строении, физических процессах и явлениях, происходящих в ней, в их взаимодействии с земной поверхностью и космической средой. Разделами метеорологии являются динамическая метеорология (изучение физических механизмов атмосферных процессов), физическая метеорология (разработка радиолокационных и космических методов исследования атмосферных явлений) и синоптическая метеорология (наука о закономерностях изменения погоды). Эти разделы взаимно перекрываются и дополняют друг друга.

Климатология – раздел метеорологии, изучающий динамику изменения средних характеристик атмосферы за какой-либо период – сезон, несколько лет, несколько десятков лет или за более длительный срок.

Вопрос № 18. Основные климатообразующие процессы. Состав атмосферного воздуха. Жидкие и твердые примеси в атмосферном воздухе

Климат – многолетний режим погоды, типичный в данном месте. В отличие от погоды он обладает устойчивостью, постоянством, хотя ежегодно бывают отклонения в температуре, количестве и режиме осадков, характерных погодах.

Главные климатообразующие факторы – положение Земли относительно Солнца, распределение суши и моря, общая циркуляция атмосферы, морские течения, а также рельеф земной поверхности.

- Энергетической основой климатообразующих процессов является приток на Землю солнечной радиации, количество которой определяется углом падения солнечных лучей, зависящим от широты места. При обращении Земли вокруг Солнца угол между полярной осью и перпендикуляром к плоскости орбиты остается постоянным и составляет 2330. Этим движением объясняется изменение угла падения солнечных лучей на земную поверхность в полдень на определенной широте в течение года. Чем больше угол падения солнечных лучей на Землю, тем эффективнее Солнце нагревает поверхность. Между Северным и Южным тропиками (от 2330 с.ш. до 2330 ю.ш.) солнечные лучи в определенное время года падают на Землю вертикально, и здесь Солнце в полдень всегда высоко поднимается над горизонтом. Поэтому в тропиках обычно тепло в любое время года. В более высоких широтах, где Солнце стоит ниже над горизонтом, прогревание земной поверхности меньше. Там наблюдаются значительные сезонные изменения температуры, а зимой угол падения солнечных лучей сравнительно невелик и дни существенно короче.

- Характер подстилающей поверхности, прежде всего суша это, или вода. Выделяют материковые и океанические климаты. Суша и вода по-разному нагреваются и остывают, суша быстрее нагревается, но и быстрее остывает, а вода медленнее. Это отражается на температурном режиме, суточной и годовой амплитуде температур, влажности воздуха, осадках. Степень континентальности климата материков зависит от их размеров и изрезанности береговой линии. Чем больше материк, тем значительнее континентальность климата го внутренних районов. Большая изрезанность береговой линии уменьшает степень континентальности климата.

На климат материков оказывает влияние абсолютная высота местности. В горах t с высотой уменьшается примерно на 60 на каждый км. Важно расположение гор по отношению к господствующим ветрам. Горы, являются климатическими барьерами. Наветренные склоны получают много осадков, подветренные склоны сухие. У широтно-вытянутых гор важно учитывать экспозицию склонов гор по отношению к Солнцу.

Влияние на климат оказывают морские течения. Побережья, омываемые теплыми течениями, теплее и влажнее, холодными течениями – холоднее и суше.

- циркуляция атмосферы – закономерное перемещение воздушных масс, в процессе которого осуществляется перенос тепла и влаги, как между широтами, так и между материками и океанами.

Атмосферный воздух – это сложная смесь газов. На 99,9% он состоит из азота N2 (78.08%), кислорода O2 (20.95) и благородных газов (аргона Ar (0.93%)). Содержание этих газов в воздухе практически постоянно. Кроме того, в состав воздуха входят диоксид углерода (от 0,02 до 0,04%) и водяной пар (его содержание местами достигает 3%). В воздухе могут находиться в следовых количествах также метан CH4, водород H2, аммиак NH3, сероводород H2S, оксиды азота NO и NO2, озон O3 и другие газы. Они образуются, например, при извержении вулканов, в результате биологических процессов, на промышленных предприятиях. Кроме того, в нижних слоях атмосферы есть большое количество взвешенных твердых и жидких частиц, образующих аэрозоли – пыль, дым, туман, сажа, пепел, кристаллики льда и морской соли, микроорганизмов.

Вопрос №19. Изменения климата и их причины

Вклад природных факторов (естественные причины изменения состава атмосферы) – поступление космической пыли, природная пыль, органическое и неорганическое вещество, газы, образуются в результате выветривания горных пород, почвы, пожаров, вулканической деятельности, испарение морской воды, процессы гниения, брожения органического вещества.

Антропогенная составляющая: ее влияние на атмосферу неоднородно. Наибольший вклад вносят оксиды углерода (60-90%), оксиды серы (25-55%), оксиды азота (3-6%), сажа (15-50%).

Глобальное потепление. Содержание углекислого газа в атмосфере Земли с 1850 выросло примерно на 15% и, согласно прогнозу, должно увеличиться почти на столько же к 2015, по всей вероятности, из-за сжигания ископаемого топлива: угля, нефти и газа. Предполагается, что в результате этого процесса средняя годовая температура на земном шаре повысится приблизительно на 0,5° С, а позже, в 21 в., станет еще выше. Последствия глобального потепления предсказать трудно, но вряд ли они будут благоприятными.

Парниковый эффект – свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию к земной поверхности, но задерживать ее тепловое излучение. Эффект природный, он всегда существовал, благодаря ему t ср. на планете поддерживается стабильной. Устанавливается баланс = поступление солнечной энергии к земной поверхности и уход в космическое пространство. Существует эффект благодаря наличию парниковых газов (фильтры, способные задерживать ИК часть спектра) – углекислый газ, метан, водяной пар, озон, оксиды азота. Парниковый эффект зависит от 3-х факторов:

  1. ожидаемый парниковый эффект по сравнению с парниковым эффектом от углекислого газа;

  2. время пребывания прир. газов в атмосфере;

  3. объем эмиссии парниковых газов.

На изменение климата также оказывают аэрозоли. Могут повлиять на парниковый эффект:

- непосредственно через поглощенную и рассеянную солнечные радиации;

- косвенно. Аэрозоли – ядра конденсации при формировании облаков.

Особенности аэрозолей:

  1. отличие в сроках жизни, короткий срок жизни (в сутках);

  2. локальный эффект.

Последствия антропогенного парникового эффекта:

  1. Загрязнение атмосферного воздуха приведет к существенным изменения климата (существенное изменение температуры на 2-3.5 градуса благодаря увеличению углекислого газа).

  2. Будет не потепление а похолодание связанное с загрязнением аэрозолями и как следствие снижение парникового эффекта.

  3. Эти процессы нейтрализуют друг друга и глобального изменения климата не будет.

Природные и социально-экономические последствия загрязнения атмосферы:

  1. Изменение ландшафтов суши. Если в ближайшие 100 лет температура возрастет на 1-30, то произойдет смещение изотерм в сторону полюсов. В случае потепления климата оно будет неравномерным. “+” – в северных территориях появится шанс заняться с/ х, “-” – зона вечной мерзлоты, ее оттаивание, произойдет выделение метанов, выброс углекислого газа. Все существующие прогнозы являются весьма приблизительными.

  2. Деградация озонового слоя, при увеличение концентрации NOx. Мощным источником является автомобильный транспорт. Последствия – истощение озонового слоя. Избыточный УФ – рак кожи. Если озоновый слой уменьшится на 6-7%, то это приведет к увеличению поступления УФ радиации на 6-12%. Озон, молекула которого состоит из трех атомов кислорода, встречается главным образом в атмосфере (из-за широкого применения фторхлорсодержащих хладонов (фреонов) в холодильных установках и для других целей).

Природные процессы маскируют антропогенное загрязнение:

Закисление среды – поступление в атмосферу оксидов серы.

Асидификация – кислотные осадки (pH<5) нарушают функционирование фотосинтезирующих организмов, дыхание растений, приводят к некрозу, нарушают почвенную биоту.

Кислотные осадки (дождь, снег или дождь со снегом)возникают главным образом из-за выбросов оксидов серы и азота в атмосферу при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа). Растворяясь в атмосферной влаге, эти оксиды образуют слабые растворы серной и азотной кислот и выпадают в виде кислотных дождей.

Вопрос №20. Общая характеристика озер и водохранилищ. Схемы зарастания озер

Озера - естественные водоемы, заполненные водой и образовавшиеся в природном углублении, называемые котловинами на поверхности суши. Озерные котловины могут иметь различное происхождение, а их особенности в значительной мере отражаются на самом озере: его размерах, форме, водном режиме. Поэтому озера классифицируются, прежде всего, по происхождению озерных котловин. Среди них выделяют:

1. Тектонические озера – образовавшиеся в местах опусканий и прогибов земной коры провалов земной коры, пример: Байкал-1620 м; Таганьика – 1470 м;

(Байкал, Каспийское море). Котловины всех крупных (по площади) и глубоких озер имеют тектоническое происхождение.

2. Вулканические – образовавшиеся в кратере или кальдерах потухших вулканов, а также на поверхности лавовых стоков, пример: озера Новой Зеландии; Кроноцкое оз. на Камчатке; озера Курильских о-ов;

3. Завальные (плотинные) образуются в горах в результате появления плотин, перегораживающих речные долины. Завалы могут возникать при землетрясениях, в результате селей.

4. Ледниковые – образовавшиеся на территориях, подвергшихся материковому оледенению, пример: озера Финляндии, России (в Карелии, на Таймыре, оз. Селигер, Чудское, Ильмень, Белое), в северо-восточной Канаде;;

5. Карстовые – располагаются в карстовых воронках или провалах и возникают в областях, сложенных растворимыми породами (известняк, гипс, мел) обычно небольшие по размерам. В областях многолетней мерзлоты образуются термокарстовые озера, образовавшиеся за счет таяния льда и мерзлых пород, а также просадкам грунта, пример: многие тундровые озера-термокарстовые;

6. Озера-старицы (пойменные) образуются при меандрировании рек, характерны для пойм рек.

7. Прибрежные озера – образовались вследствие обособления части моря наносами песка или ила, пример: много на побережье Азовского и Черного моря.

Озера питаются за счет выпадающих атмосферных осадков, подземных вод и стекающих в них поверхностных вод, прежде всего речных. Расходуется вода из озер путем испарения и речного стока. Однако не из всех озер вытекают реки. По этому признаку озера подразделяются по приходу и расходу водной массы:

- хорошо проточные озерав них реки впадают и вытекают, пример: Байкал, Женевское;

- мало проточные озерав них впадают реки, но вытекает их значительно меньше, пример: Балатон, Танганьика;

- бессточные озера - образуются в зонах пустынь и полупустынь, где реки впадают, но не вытекает ни одной, пример: Каспийское море, Аральское море, Балхаш, Мертвое море);

- глухие озерапитаются дождевыми или талыми водами, т.к.не впадают и не вытекают реки вообще, пример: небольшие озера тундровой, таежной и степной зон или кратерные;

- карстовыепитание прежде всего за счет подземных вод.

По солености озера бывают:

- пресные – не больше 1 %º (промиль)

- солоноватые – до 37,4 %º;

- соленые – от 1 до 47 %º;

- минеральные – больше 47 %º , пример: оз. Эльтон, Баскунчак, Мертвое море.

Классификация озер:

  1. олиготрофные с малым количеством питательных веществ и малой продукцией органического вещества;

  2. эвтрофные – высокое поступление питательных веществ, большое количество органического вещества;

  3. мезотрофные – средний уровень трофности.

  4. гипертрофные – настолько большое количество органического вещества, что продукты его неполного окисления становятся вредными для живых организмов.

Растительность располагается от берегов по направлению к центру озера с характерными представителями ее в каждой зоне. Это рез-т различной степени освещенности прибрежной зоны, неоднородности грунта, изменение хим. и термич. условий.

1. Вблизи уреза воды – влаголюбивые растения (осоки). не постоянно в воде.

2. береговая отмель – земноводные растения (озерный хвощ, рогозы).

3. к центру озера на глубине 2 м – зона камышей (тростники, камыши,).

4. на глубине 3м- полупогруженных растений(белые кувшинкы) поверхность воды этой зоны покрыта плавающими листьями, цветами и затенена.

5. Глубже – зона погруженных растений;

6. к центру озер – растения не требовательные к свету.

7. на глубине 5 -12 м – зона подводных лугов и водяных мхов.

Водохранилища – это искусственные водоемы, сочетающие в себе особенности рек и озер, создаются для накопления и дальнейшего использования воды. Обычно они сооружаются в долинах рек с помощью плотин, в настоящее время создано свыше 15 тыс. водохранилищ.

Пример: крупнейшие в России: Братское, Красноярское, Цимлянское, Рыбинское.

Водохранилища играют как положительную, так и отрицательную роль. С одной стороны, строительство вдхр. позволяет решать ряд важных задач: создают значительные запасы воды, регулируют уровень воды в реках, предотвращают наводнения; они создаются для судоходства, получения гидроэнергии, влияют на увлажнение климата, уменьшают суточные и годовые амплитуды температур в прибрежной зоне шириной до 10 км, а также условия для отдыха людей.

С другой стороны, водохранилища вносят изменения, порой необратимые, в природу окружающей территории: строительство вдхр. на равнинных реках приводит к подтоплению земель, реки ниже плотин вдхр. лишаются необходимого пойменного режима, повышается уровень грунтовых вод, земли заболачиваются, повышается влажность воздуха, волны на водохранилище изменяют форму его берегов, затапливаются наиболее плодородные земли, расположенные в пойме реки, леса, пастбища, нарушаются условия обитания ценных промысловых рыб. В настоящее время стараются создавать вдхр. на горных реках, где они причиняют меньший ущерб.

Пример: Куйбышевское вдхр. – 5900кв км, Братское – 5500.

Но на сегодняшний день в каскад водохранилищ превращены такие крупные реки, как Волга, Днепр, Енисей, Дон.

По форме в плане и строению котловины водохранилищ делят:

  1. речные – образуются в результате затопления речных русел и долин рек (Горьковсое, Волгоградское) Совмещают в себе признаки озера и реки. С озером их сближает медленный водообмен и как следствие расслоение водной массы

  2. озерные – возникают в случае подпора озер,, а также при затоплении не только русел, но и приводораздельных пространств и междуречий (Рыбинское), бессточных котловин.

  3. некоторые авторы выделяют озерно-речные вдхрн. Они возникают при затоплении речных долин и их озеровидных расширений (Куйбышевское, Цимлянское)

Схемы зарастания озер

Зарастание водоемов – естественный процесс, происходящий при воздействии многих факторов. В озере происходят непрерывные колебания, меняются взаимосвязи между населяющими организмами. Типичный ход сукцессии в озере – это переход его от олиготрофного состояния в мезотрофное состояние, а затем в эвтрофиованное и гипертрофированное. Такой переход осуществляется под влиянием притока биогенных элементов в водоемы. Среди множества биогенных элементов, влияющих на процесс эвтрофирования (азот, кислород, углерод, сера, кальций, калий, хлор, же­лезо, марганец, кремний и др.) для водоемов умеренной зоны решающую роль играет фосфор.

В воде любого озера, в особенности если оно богато азотом и зольными элементами, обитает огромное количество микроскопических организмов (водоросли, простейшие и др.). Отмирая, они падают на дно вместе с мелкоземом, приносимым в озеро со склонов. Этот процесс, повторяясь из года в год, приводит к образованию на дне озера сапропеля, к уменьшению глубины озера, к проникновению солнечного света до дна озера. В результате создаются условия для поселения мхов и многоклеточных водорослей, что обусловливает ускорение накопления на дне озера органических остатков (сапропелевый торф) и приводит к еще большему обмелению водоема. А это сопровождается поселением сосудистых растений с погруженными в воду побегами или с плавающими на поверхности воды листьями (рдесты, кувшинки, кубышки и др.). Следующей стадией зарастания озера является поселение озерного камыша и обыкновенного тростника, развивающих огромную массу надземных побегов, из которых после их отмирания образуется камышовый или тростниковый торф. При дальнейшем заполнении озера отмершими остатками растений и его обмелении поселяются осоки. Озеро постепенно превращается в болото. Скорость процесса зарастания зависит от начальной глубины озера. Наблюдая отдельные пояса водной растительности на зарастающем озере, можно восстановить основные стадии его зарастания - превращение в болото.

Различают:

- естественное эвтрофирование водоемов – представляет собой естественный процесс эволю­ции водоема. С момента «рождения» водоем в естественных условиях проходит несколько стадий в своем развитии: на ранних стадиях — от ультраолиготрофного до олиготрофного, далее становится мезотрофным и в конце концов водоем превращается в эвтрофный и гиперэвтрофный — происходит «старение» и гибель водоема с образованием болота. Естественный процесс происходит достаточно медленно и занимает сотни лет

- антропогенное - под воздействием хозяйственной деятельности этот естест­венный процесс приобретает специфические черты, становится антро­погенным за счет избыточного сброса органических веществ и биогенных элементов, он протекает быстро (несколько десятков лет).

Резко возрастают скорость и интенсивность повышения продуктивности экосистем. Так, если в естественных условиях эвтрофиро­вание какого-либо озера протекает за время 1000 лет и более, то в ре­зультате антропогенного воздействия это может произойти в сто и даже тысячу раз быстрее. Такие крупные водоемы как Балтийское море, Ладожское перешли из одного трофического состояния в другое всего за 20-25 лет. Данный процесс охватил многие крупнейшие пресноводные озера Европы, США (Великие Американские озера), Ка­нады и Японии.

Разви­тие процесса антропогенного эвтрофирования приводит ко многим не­благоприятным последствиям с точки зрения водопользования и водопотребления (развитие «цветения» и ухудшение качества воды, появление анаэробных зон, нарушение структуры биоценозов и исчезновение мно­гих видов гидробионтов, в том числе ценных промысловых рыб).

Основными критериями для характеристики процесса эвтрофирования водоемов являются:

  • уменьшение концентрации растворенного кислорода в водной толще;

  • увеличение концентрации биогенных веществ;

  • последовательная смена популяций водорослей с преобладанием сине-зеленых и зеленых водорослей;

  • увеличение концентрации фосфора в донных отложениях и т. д.

Схема зарастания озера. Растительность (начиная от берега): осоки, тростник, камыш и рогоз (с примесью погруженных в воду растений); кувшинки; кубышки и другие растения с плавающими листьями; рдесты и другие погруженные в воду растения; донные мхи и водоросли (глубоководная часть озера без высших растений). 1 — осоковый торф; 2 — тростниковый и камышовый торф; 3 — сапропелевый торф; 4 — сапропелит.

Вопрос №21. Основные проблемы качества воды: состояние, тенденции, факторы, управление

Фактически деятельность человека постепенно превращает реки из дренажных систем в сточные канавы, иногда с очень высоки уровнем загрязнения (свыше 100 ПДК).

Главными источниками загрязнения природных вод являются предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтяной, газовой, угольной, целлюлозно-бумажной промышленности, с\х (как земледелие, так и интенсивное животноводство), коммунальное хоз-во.

Загрязнение воды взаимосвязано с возникновением и распространением болезней. И около 80% всех заболеваний в мире вызвано питьевой водой неудовлетворительного качества. Например: в развивающихся странах 25 млн. чел. Ежегодно умирает вследствие воздействия патогенов и загрязненной питьевой воды.

Основные показатели загрязнения природных вод:

- растворенный кислород (чем выше его содержание, тем лучше качество воды);

- показатель биохимического потребление кислорода (БПК). (Чем выше показатель, тем больше в воде загрязняющих веществ, тем хуже качество воды);

- содержание в воде микроорганизмов. Их показателем служит содержание кишечной палочки (колититр);

- содержание в воде аммония (NH4), нитратов (NO3), нитритов(NO2), нефти и нефтепродуктов, фенолов, СПАВ, тяжелых металлов.

Основное нормативное требование к качеству воды в водных объектах заключается в соблюдение установленных предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК). Для предприятий устанавливается величина предельно допустимого сброса поллютантов (ПДС).

Основные типы проблем, связанные с загрязнением различных водных объектов:

  1. Заражение патогенами – очень важный фактор высокой заболеваемости и смертности от желудочно-кишечных болезней.

  2. Органические вещества (заражение патогенами и загрязнение органическими веществами взаимосвязаны) – самая большая группа загрязнителей исторически появляющаяся обычно первой, в самом начале процесса загрязнения реки. Они попадают в воду в растворенном или взвешенном виде, главным образом со стоками канализации или с нерегулируемыми бытовыми стоками (заметный вклад вносят также целлюлозно-бумажная и пищевая промышленность).

Способы решения:

- стратегия разбавления лишь временная и неглубокое решение проблемы;

- для решения проблемы загрязнение воды орг. веществами и патогенами необходимо осуществлять комплекс мероприятий. Главную роль здесь играет снижение объема поступающих с бассейна загрязнений и с другой стороны строительство очистных сооружений (и модернизация существующих очистных сооружений).

3. Взвешенные вещества – это преимущественно тонкие частицы почвы. Значительную роль играет с/х.

Способы решения:

- Мероприятия по снижению эрозии почв.

4. Асидификация – (закисление)

Способы решения:

-снижение выпадения кислотных осадков на озеро и весь его бассейн.

- непосредственное воздействие на воду, главным образом путем ее известкования.

5. Эвтрофикация – избыточное поступление биогенных веществ, т.е. соединение фосфора и азота в озера, водохранилища и устья рек.

Приводит к ухудшению качества воды, снижению рекреационных ценностей озера, снижению рыбной популяции, блокированию водосбросов. Главным источником поступления азота и фосфора являются с/х и бытовые стоки.

Способы решения:

- управление эвтрофикации обычно направлено на снижение фосфорной нагрузки.

- ограничение применения удобрений и построение систем канализаций.

6. Нитраты. Важнейшим источником явл. с/х удобрения.

Способы решения: Регулирование поступления нитратов с поверхности представляют собой типичную стратегическую задачу управления рассеянным загрязнением.

  1. Минерализация воды – содержание в ней растворенных веществ. Усиление деятельности человека приводит к росту содержания в воде основных ионов (хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, кальция, натрия, калия – в зависимости от климатических условий). В особенности повышается минерализация вод вследствие развития орошения в бассейнах рек аридных районов. Способ решения: опреснительные установки.

  2. Тяжелые металлы и мышьяк. Сточные воды промышленности, коммунальные стоки, горнодобывающая промышленность и цветная металлургия.

Способы решения: Основная стратегия управления для тяжелых металлов заключается в управлении технологическими процессами. Более строгие стандарты на сбросы.

  1. Органические микрозагрязнители. Связано со стоками таких секторов промышленности как производство синтетических веществ и пестицидов, черная металлургия, нефтеперегонная, целлюлозно-бумажная и текстильная промышленности, добыча угля и др. Пример: ПХБ, ДДТ, (диоксины).

Стандарты качества воды – важный инструмент управления состоянием окружающей среды.

Стандарты качества воды различается в зависимости от целей использования воды:

питьевой воды, воды для домашнего хоз-ва, рыбного хоз-ва, рекреации, орошения, промышленность и пр.

Стандарты качества воды – важный инструмент управления состоянием окружающей среды. Предприятия могут платить штрафы, если сбросы воды не соответствуют стандартам, или налоги, пропорциональные степени вклада загрязнения воды. Эти меры помогают в решении проблем качества воды в развитых странах. Однако по ряду причин они не действенны в большинстве развивающихся стран и стран с переходной экономикой. Пример: западные страны добились успехов в управлении точечными источниками загрязнения.

На ряду с обычным загрязнением воды увеличивается число случаев катастрофических ситуаций.

Штрафы, налоги и др.меры экономического характера мало успешны при управлении рассеянным загрязнением. В таких случаях необходимо обратить внимание на технологию с\х работ, таких как вспашка, внесение минеральных и органических удобрений, методы орошения и т.д. Управление неканализованными стоками сельских поселений и малых городов также относится к этой категории.

Управление качеством воды на уровне речного (озерного) бассейна или гидрогеологической формации (подземные воды) – чрезвычайно сложная задача системного характера, кот. Должна осуществляться как часть стратегии социального, экономического и экологического развития бассейна. Тогда в ней должно найтись место для управления как точечным, так и рассеянным загрязнением, равно как и для решения конкретных проблем качества воды, приведенных в таблице.

Основные проблемы качества воды

Водный объект

Проблемы качества воды

Специфические для водного объекта

Всеобщие

Реки

Патогенны

Органические вещества

Взвешенные вещества

Асидификация (закисление)

Тяжелые металлы

Органические микрозагрязнители

Озера и водохранилища

Эвтрофикация

Ассидификация

Подземные воды

Повышение минерализации

Повышение концентрации нитратов

ПРИМЕРЫ:

Объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты в 2004 г., уменьшился и составил 51,3 км3 (2003 г. – 52,3 км3), из них загрязненных – 18,5 км3. Объем нормативно очищенных сточных вод в 2004 г. уменьшился и составил 2,2 км3 (2003 г. – 2,3 км3), или 10,6% объема сточных вод, требующих очистки (20,7 км3), что является результатом перегруженности или отсутствия очистных сооружений. За отчетный год мощность очистных сооружений уменьшилась на 1,0 км3 (до 30,5 км3).

Анализ данных гидрохимической сети наблюдений Росгидромета за 2004 г. показал, что качество поверхностных вод существенно не изменилось, Воды рек Северная Двина, Печора, Волга, Ока, Кама, Дон, Иртыш, Обь, Колыма, Амур в основном характеризуются как “загрязненные”, особенно в их верховьях, однако по мере приема вод притоков, которые характеризуются в основном как “грязные”, воды основных рек также переходят в эту категорию, особенно в их устьевых участках. Среднегодовая концентрация нефтепродуктов в воде р.Охинка (о. Сахалин) ежегодно находится на уровне экстремально высокого загрязнения. Загрязнение воды остальных рек Сахалина в течение ряда лет практически не меняется. Данные гидрохимического и геохимического контроля в 2004 г. в целом свидетельствуют об относительной стабильности антропогенной нагрузки в районе выпуска сточных вод Байкальского целлюлозно-бумажного комбината в 2004 г. Зона наибольшего загрязнения сложными органическими и биогенными соединениями приурочена к северо-западному участку полигона, выше которого проходит трасса БАМ.

В целом в пограничных районах России нарушение норм качества чаще всего было в пределах от 1 до 10 ПДК, отмечены единичные случаи больше этих значений ПДК. Наиболее загрязненные участки рек, вода которых характеризовалась как “грязная”, отмечены на границах с Норвегией, Финляндией, Эстонией, Польшей, Китаем и “очень грязная” – на границе с Казахстаном.

Максимальную нагрузку от загрязнения испытывают реки Обь, Волга, Амур, Енисей и Северная Двина. Значительный вклад в загрязнение поверхностных вод вносят азот нитратный и аммонийный, ионы железа, марганца, меди, цинка алюминия, никеля, ртути и свинца, а также нефтепродукты, сероводород, изомеры ГХЦГ, фосфаты.

Таким образом, в 2004 г. из-за продолжающейся нестабильной работы предприятий, включая очистные сооружения, состояние водных объектов на территории Российской Федерации по-прежнему оставалось неблагоприятным и обостряло проблему водообеспечения многих регионов России питьевой водой, создавая серьезную опасность для здоровья населения.

Чрезвычайно опасной степени загрязнения подземных вод (1-й класс опасности) подвержены 3% общего количества загрязненных участков, высокоопасному (2-й класс) – 22%, опасному (3-й класс) – 47% и умеренно опасному (4-й класс) – 20%. На малых водозаборах в ряде случаев зоны санитарной охраны либо вообще не созданы, либо хозяйственная деятельность в пределах таких зон не соответствует нормативным требованиям.

По данным наблюдений, выполненных организациями системы Росгидромета в 2004 г., в целом средний уровень загрязнения вод Азовского моря немного снизился по сравнению с предыдущим годом. Воды района Адлер – Сочи и акватории порта Сочи в Черном море и в Кандалакшском заливе Белого моря отнесены к “умеренно загрязненным».

На крупных водозаборах подземных вод, находящихся в ведении ЖКХ городов, как правило, организованы зоны санитарной охраны, в пределах которых, в основном, соблюдаются требования СанПиН 2.1.4.027–95 “Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого водоснабжения”. На малых водозаборах в ряде случаев зоны санитарной охраны либо вообще не созданы, либо хозяйственная деятельность в пределах таких зон не соответствует требованиям указанного выше нормативного документа. Особенно часто отсутствие зон санитарной охраны наблюдается на водозаборах, сооруженных на участках с неоцененными запасами подземных вод. Кроме того, отмечаются случаи неудовлетворительного технического состояния водозаборных скважин. В результате отсутствия зон санитарной охраны на таких водозаборах нередко происходит загрязнение подземных вод.

Контроль за охраной водных биоресурсов и регулирование рыболовства во внутренних водоемах Российской Федерации в 2004 г. по-прежнему осуществляли 25 федеральных государственных учреждений – бассейновых управлений по охране, воспроизводству водных биологических ресурсов и регулированию рыболовства, поскольку соответствующие территориальные органы Россельхознадзора не были образованы.

Контроль во внутренних морских водах, территориальном море, континентальном шельфе и исключительной экономической зоне Российской Федерации возложен на Росприроднадзор. Контроль обеспечивают специализированные морские инспекции МПР России, которые дислоцируются на побережье морей, омывающих территорию России.

Регулирование:

- СанПиН (санитарные правила и нормы):

- ПДК единые в масштабе страны и индивидуальные для каждого региона

- мероприятия по созданию зон санитарной охраны

- установка очистных сооружений

Охрана вод включает систему мер, направленных на предотвращение и устранение загрязнения, засорения и истощения вод. Использование водных объектов может осуществляться с изъятием либо без изъятия, следовательно: 1) установление норм охраны вод; 2) установление водоохранных зон; 3) установление прибрежно-защитных полос: 4) ПДК вредных в-в в питьевой воде и воде водоемов; 5) экономия потребления водных ресурсов; 6) установление очистных сооружений; 7) мониторинг водных объектов.

______________________________________

Источник – Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в 2004 году».

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]