Типы экосистем и их характеристика.

Существует очень краткое определение ЭС - пространственное ограниченное взаимодействие организмов и окружающей их абиотической среды.

Граница может быть физико-химической или связанной с кругооборотом веществ, интенсивность которого внутри ЭС выше, чем между ней и внешним миром. Нужно заметить, что любая экосистема состоит из двух взаимосвязанных подсистем совокупности организмов (биоценоза) и абиогенной среды (биотопа).

К основным характеристикам экосистемы можно отнести:

- видовой состав;

- численность биоты;

- биомасса (обычно в виде сухой массы всех организмов на определенный период времени наблюдения в г/м², г/м³ и т.п.);

- соответствие отдельных трофических (пищевых) связей;

- интенсивность генерации и деструкции органического вещества (интенсивность биотического кругооборота веществ).

С целью удобства ЭС рассматривается как изолированная единица, однако разные компоненты фактически перемещаются из одной ЭС в другую (например, листву и грунты смываются в озера, птицы мигрируют из городов и т.п.).

В число основных компонентов ЭС входят: Н, О, СО₂, 0, разные органические вещества и разные виды живых организмов. Кроме того, ЭС должна иметь энергетическое обеспечение. Относительно существующего кругооборота веществ ЭС может быть в той или иной мере автономной. Поток энергии в ЭС должен быть сквозным, что является показателем целостности ЭС. Самая важная способность ЭС - нагромождать ресурсы и избавляться от отходов, что является показателем нормального функционирования.

ЄС является основным объектом изучения экологии. Чаще всего определения «єкосистема» и «биогеоценоз» употребляют как синонимы. Приблизительно этим понятием отвечают «биокосное тело», «биокосная система», «голоцен», «холон».

Границы биогеоценоза проводятся по границам конкретного растительного с сообщества, в то время как ЭС есть более широким и менее определенным понятиям, потому что поднимается как к капле воды с пруда, так и к БС вообще. Биоценоз и биотоп взаимно влияют друг на друга, что прежде всего отражается на беспрерывном обмене энергией как между двумя этими составляющими, так и внутри каждой из них.

Любая ЄС содержит совокупность живых организмов, которые принято разделять на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (то есть те, какоторые самые себя кормят) – это зеленые растения, способные осуществлять фотосинтез, используя минеральные компоненты для синтеза биохимических субстанций, необходимых для роста и воспроизведения. Группировка автотрофов - это продуценты ЭС. Но главная роль растений состоит в преобразовании световой энергии в биохимическую.

Гетеротрофы - организмы, которым для питания необходимы органические вещества. Обмен веществ в них более сложный, чем у автотрофов. Среди них различают консументы (травоядные и плотоядные животные) и деструкторы или редуценты (бактерии и грибы). Для деструкторов характерен более ускоренный обмен веществ, чем в консументах, поэтому они несут ответственность за минерализацию органических отходов, конечные продукты которой снова принимают участие в кругообороте и используются автотрофами.

С экологической точки зрения автотрофы и гетеротрофы составляют функциональные механизмы природы, которые характеризуются разными типами питания и собственными источниками энергии.

Обычно в ЭС присутствуют не больше, чем 3-4 трофических уровня (продуценты - первичные консументы - вторичные консументы - редуценты), поскольку биомасса на последующем трофическом уровне на 90 - 99% меньше, чем на предыдущем. Например, если на 1 га биомасса продуцентов равняется 10000 кг, то биомасса травоядных консументов будет 100 кг, биомасса плотоядных - не больше за 10 кг. Таким образом, одна из общих черт экосистем (наземных, пресноводных, морских, аграрных и др.) - это взаимодействие автотрофных и гетеротрофных компонентов. Исходя из этого, Ю. Одум [4] в структуре экосистемы выделяет:

1. верхний автотрофный ярус или «зеленый пояс», который включает растения или их части, содержащие хлорофилл, где преобладает фиксация солнечной энергии, использование простых неорганических соединений и накопления сложных органических соединений;

2. нижний гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» грунтов и осадков, веществ, которые разлагаются, корни растений и т.д., в котором преобладает использование, трансформация и разложение сложных соединений.

К первому приспособлены автотрофные, а ко второму - гетеротрофные процессы, которые распределены в пространстве и во времени, потому что может быть значительный разрыв между продуцированием органических веществ автотрофами и их потреблением гетеротрофами. Например, в лесной ЭС при фотосинтезе лишь часть продуктов, которые образовались, непосредственно и немедленно используется самыми растениями, растениеядными животными и паразитами, которые питаются листвой; большая часть синтезирующего материала переходит в подстилку и грунт (в гетеротрофный ярус) и могут пройти года, прежде чем они будут использованы.

Все ЭС существуют долговременно, иногда сотни лет, причем численность одних популяций увеличивается, численность других уменьшается, однако система находится в равновесии. Это состояние подвижно-стабильного равновесия ЭС называется гомеостазом. Область постоянства ЭС называется гомеостатическим плато, которое содержится между верхней границей положительной обратной связи и нижней границей негативной обратной связи.

ЭС может функционировать только в пределах той области нарушения обратных связей, когда элементы ЭС еще могут компенсировать отклонение, определенные положительной связью (например, при введении загрязнения в водную ЭС она самоочищается). В пределах действия обратных связей ЭС за счет компенсаторных регуляторов сохраняет постоянство, причем в условиях антропогенных нагрузок для постоянного функционирования экосистемы человек должен сам играть роль компенсирующего регулятора (например, озеленяя поверхность Земли вместо вырубленных лесов, очищая воду, воздух и т.п.).

Разные организмы обладают разной мерой стойкости, величиной выносливости к изменению тех или иных факторов. Кроме того, для нормального развития организмов необходимо наличие разных факторов строго определенного качества, каждый из которых должен быть еще и в определенном количестве. Согласно закону толерантности излишек любого вещества может быть вреден, равно как и его нехватка (например, урожай зерновых может погибнуть как при дефиците, так и излишке влаги). При этом, согласно закону минимума, нехватка какого-нибудь одного вещества не компенсируется излишком всех других (например, если в грунту много азота, калия и других биогенов, но дефицит или излишек фосфора, то растения не будут нормально развиваться).

Факторы, сдерживающие развитие организмов через недостаток или излишек веществ в сравнении с нуждами, называются лимитирующими.

Лимитирующие факторы, прежде всего абиотичны, определяют, какие именно виды лучше приспособлены к существующим условиям. Согласно принципу эколого-географического максимума видов для нормального функционирования любой ЭС в ней должно существовать столько и таких видов, сколько и которых необходимо для максимального использования энергии, которая поступает и обеспечивает кругооборот веществ.

Сукцессия - последовательное безвозвратное изменение биоценозов, возникающих последовательно на одной и той же территории вследствие влияния пригородных или антропогенных факторов.

Различают первичную и вторичную сукцессию.

* Первичная сукцессия начинается на субстратах, не затронутых процессами генерации грунтов (песчаные дюны, вулканическая лава). Например, после отступления ледника происходит следующее последовательное изменение растений:

мхи - осоки - кустарниковые - ольхи и течения.

* Вторичная сукцессия происходит на месте биоценозов, которые сформировались, после их нарушения (лесные пожары, вырубки леса, засуха, эрозии и др.). Например, на месте покинутых сельскохозяйственных угодий (хлопчатник, кукуруза) отмечаются такие стадии:

сорняк - злаки - сосны с примесью лиственных пород.

Между соседними ЭС, устанавливаются определенные связи и обмен, но менее важные, чем между биоценозом одной системы. Об этом можно говорить на примере двух сопредельных ЭС – лесов и озер. В лесной ЭС существует целая цепочка связей между составляющими биоценоза (продуценты – травоядные - плотоядные и т.д.) То же самое можно наблюдать в такой ЭС, как озеро: фитопланктон поедается зоопланктоном, последним питаются рыбы, хищные рыбы поедают более мелких и т.д. Итак, в обеих ЭС отмечаются свои трофические цепочки. На первый взгляд между ними нет связи. Однако осенью часть листвы, которая опала, ветром переносит в озеро, где оно разлагается и становится пищей для некоторых гидробионтов. Личинки насекомых живут в воде, но взрослые особи покидают водную среду и поселяются в лесу. Уже эти примеры позволяют говорить о связях и обмене между соседними ЭС, которые, естественно, более разнообразны и сложны.

Сложные связи характерны как для природных, так и искусственных ЭС (особенно для последних). Об этом можно судить на примере промышленных городов, агроэкосистем.

Промышленный город - гетеротрофная ЭС, паразит своего сельскохозяйственного окружения, которая получает энергию, продукты питания, воду и другие необходимые материалы со значительных территорий, находящихся за ее пределами. В отличие от природной ЭС, например, кораллового рифа, город отличается более интенсивным метаболизмом на единицу площади, большими нуждами в поступлении веществ извне (топлива, металлов и др.), более мощным и более отравляющим потоком отходов (многие из которых более токсичны, чем природное сырье, из которого они получены - синтетические материалы и др.). Без значительных поступлений пищи, воды, горючего и других материалов города не способны были бы функционировать. «Зеленый пояс» здесь существенной роли не играет, если не учитывать его эстетическое и санитарное значение (поглощение шумов, пыли и т.д.). Городская ЭС (урбоэкосистема) представляет собой мозаику природных и искусственных биогеоценозов, которые находятся в разных стадиях зарождения, развития и отмирания. Несмотря на незначительную площадь (1-5% в разных регионах) суши, которая занята городами, последние оказывают значительное влияние на окружающую среду. На единицу площади города приходится в 1000 раз больше энергии, чем на такую же площадь в сельской местности. Это делает их «горячими точками» или «тепловыми островами». Как правило, в городах теплее, в них повышена облачность, меньше солнечного света, больше тумана, чем в прилегающей сельской местности. Города являются источниками кислотных дождей, тяжелых металлов и других токсичных компонентов. Современные города почти не вырабатывают пищи или других органических веществ, не очищают воздуха, не возвращают в кругооборот воду и многие неорганические вещества. Города отличаются высокой густотой заселения (в Лондоне, Нью-Йорке и Токио оно достигает 10-12 тысяч человек на 1 км²). Темпы урбанизации (развития населенных пунктов по типу города) очень высокие. Например, в Украине до 1918 г. часть городского населения составляла 18%, а в 1991 г. - 67,8% от общей численности населения. В городах преобладают сооружения трех типов: производственные, административные и бытовые. В них сосредоточена основная масса транспортных средств; автотранспорт дает 70% всех токсичных выбросов в атмосферу и 90% шумового загрязнения. Природный тип ландшафта уничтожен полностью или резко изменен. Для города, как ЭС, характерен разрыв трофических цепей, который создает возможность массового размножения отдельных видов организмов и приводит к низкому биологическому многообразию.

В отличие от городов неотъемлемую часть агроэкосистем составляет «зеленый пояс», хотя агроэкосистемы также зависят от энергетических нужд отдаленных от них районов. Они отличаются и от природных ЭС, работающих на солнечной энергии, потому что получают вспомогательную энергию, удобрения и пестициды под контролем человека. При этом снижается разнообразие видов и доминирующие виды растений и животных подвергаются ни гибкому, а неестественному отбору. Компоненты начальных биоценозов обычно исчезают, то ли хранятся лишь в виде реликтов. Агроекосистеми занимают около 10% всей поверхности суши (1,2 млрд. га) и дают человечеству близко 90% всей пищевой энергии. Биологическая производительность их высшая, но стойкость ниже, чем в природных ЭС. Выделяют два типа агроэкосистем: 1) доиндустриальные с дополнительной энергией в виде мышечных усилий человека (на них приходится около 60% пахотных земель планеты в странах Азии, Африки и Южной Америки); 2) интенсивные механизированные с большими энергетическими дотациями в виде работы машин, агрохимикатов и т.п.

Единой классификации ЭС нет. ЭС различают:

• по генетическими признаками (*естественные, *искусственные и *полуискусственные);

• по размерам (*микро-, *мезо-, *макро-, *глобальные);

• по типам энергетического обеспечения и т.п.