10.Экологические системы. Типы и виды экосистем. Сравнительный анализ естественных и искусственных экосистем.

Экосистема- единый естественный комплекс, образованный за длинный период живыми организмами и средой, в которой они существуют, и где все компоненты тесно связаны обменом веществ и энергии. Выделяют микроэкосистемы (пенек с грибами, небольшое болото), мезоэкосистемы (участок леса, озеро, водохранилище), макроэкосистемы (континент, океан). Глобальной экосистемой является биосфера нашей планеты.

Впервые термин ЭКОСИСТЕМА ввел Тэнсли в 1935 году. Экосистема — это совокупность живых организмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой посредством обмена веществом, энергией, информацией и сохранения устойчивости в течении длительного времени. Экосистема имеет 2 компонента: (1) биотический (живой) (2) среда обитания (не живой). Между ними осуществляется взаимосвязь посредством обмена веществом, энергией, информацией. Экосистема — (среда обитания — экологические факторы, биотические факторы [биотическая структура {продуценты, консументы, редуценты}]).

Пути повышения продуктивности естественных экосистем. Для улучшения растительного покрова и повышения продуктивности различных экосистем особенно эффективны следующие мероприятия:внесение удобрений на луга и пастбища;орошение;осушение травяных болот, используемых как сенокос,проведение поверхностного рыхления почвы, удаление мохового по крова, срезание кочек на лугах и пастбищах;подсев кормовых трав (злаков, бобовых) и борьба с сорняками на лугах и пастбищах.

Подобное вмешательство человека в жизнь естественных экосистем способствует улучшению аэрации почвы, обогащению ее питательными веществами и в конечном итоге приводит к заметному повышению продуктивности экосистем.

Пути повышения продуктивности искусственных экосистем. Стратегическим направлением развития сельскохозяйственного производства является повышение урожайности культурных растений, что позволит обеспечить растущее население продовольствием при сохранении прежних посевных площадей. Этого можно достичь следующими путями:выведением и внедрением в производство новых высокоурожайных сортов растений;соблюдением высокой культуры земледелия, которая включает на учно обоснованные приемы обработки почвы, полива и внесения оптималь ных доз удобрений, соблюдение сроков посева и глубины заделки семян;созданием интегрированной системы защиты растений, которая на ряду с химическими методами борьбы с вредителями, сорняками и болез нями включает правильные севообороты и применение биологических ме тодов борьбы;орошением и др.

Радикальным способом повышения продуктивности искусственных экосистем является культивирование растений в теплицах с использованием гидропоники.

Индустриальная технология выращивания растений. В силу ряда причин (строительство городов, промышленных предприятий, электростанций, дорог и т.д.) количество посевных площадей во всем мире неуклонно снижается. Поэтому для того чтобы обеспечить продуктами питания возрастающее население нашей планеты, необходимо развивать агроиндустрию, которая базируется на культивировании растений в искусственно созданных условиях. Агроиндустрия имеет немало преимуществ в сравнении с традиционным естественным земледелием: она дает возможность избавиться от капризов погоды, сорняков и вредителей, использовать в полной мере вносимые удобрения, создать оптимальные условия для выращивания растений в течение всего года, в том числе в осенне-зимний период, освободить значительные территории и решить многие другие сельскохозяйственные, экологические и демографические проблемы.

Выращивание растений, частично или полностью изолированных от внешней среды, производится в парниках, теплицах, климатических камерах (фи-токамерах, фитотронах). Наиболее широко и повсеместно используются для такой цели теплицы — строения, покрытые стеклом или прозрачной пленкой (рис. 8.9). Современные теплицы оборудованы автоматической системой поддержания микроклимата, дождевания и подкормки. Для обеспечения оптимального водно-воздушного режима под тепличным грунтом прокладывается дренажная система надпочвенного и подпочвенного обогрева.

Овощные культуры в теплицах обычно выращивают в специально подготовленных почвенных грунтах, на которых в производственных условиях и индивидуальных хозяйствах Беларуси получают в пересчете на гектар 1300 ц и более огурцов только за весенне-летний период. Но при таких высоких урожаях почвенные грунты быстро обедняются элементами минерального питания, в них появляются и накапливаются вредители и возбудители болезней. Поэтому грунты периодически полностью или частично меняют, обеззараживают, удобряют.

По сути, почва является только поставщиком минеральных элементов и механической опорой растений. Эти функции с еще большим успехом могут взять на себя созданные специалистами искусственные почвозаме-нители. Более того, в последнее время получил широкое развитие беспочвенный способ выращивания растений.

Гидропонный способ выращивания растений. Гидропоника — выращивание растений на искусственной среде с использованием питательного раствора (рис. 8.10).

Известно несколько способов выращивания растений без почвы. Наиболее распространены гравийные среды, где в качестве субстрата используют гравий, щебень, шлак, песок, керамзит, вермикулит. В ряде стран для искусственных питательных сред используют древесные опилки, стружки, органический мусор и т.д.

При использовании любого субстрата-носителя растениям периодически (2—3 раза в сутки) подается питательный раствор. Эффективность выращивания растений гидропонным способом не вызывает сомнений: продуктивность всех без исключения испытанных культур (овощных, лекарственных, эфиромасличных растений, виноградной лозы, пшеницы, хлопчатника и др.) была, намного выше, чем при выращивании в почве в одинаковых климатических условиях. При этом зачастую улучшалось и качество продукции.

Однако использование этого метода выращивания растений связано с рядом трудностей: необходимо периодически готовить большое количество питательных растворов, постоянно контролировать их состав, обеспечивать аэрацию. Это побудило к поиску методов создания и эксплуатации новых почвозаменителей. В результате многолетних исследований в Институте физико-органической химии НАН Беларуси под руководством академика B . C . Солдатова были впервые разработаны твердые стандартные питательные субстраты — ионитные почвы, состоящие из смеси ионообменных смол, насыщенных биогенными элементами.

Преимущества таких питательных субстратов — большой запас биогенных элементов (до 10% общей массы), которых хватает (без пополнения) на формирование 4—5 высоких урожаев, доступность их для растений, точный химический состав, хорошие агрофизические свойства, отсутствие возбудителей болезней и вредителей растений и т.д. Ионитная почва проста в эксплуатации и отличается в этом от естественной почвы. Длительность ее использования практически не ограничена, поскольку истощенный субстрат легко и просто восстановить (регенерировать).

Длительная практическая работа с ионитной почвой, проводимая сотрудниками Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси показала, что ее применение в регулируемых искусственных условиях позволяет получать высокие урожаи хозяйственно полезной продукции. Так, на установках для выращивания овощей за 20—30-суточную вегетацию в производственных условиях средний урожай салатной продукции (горох салатный, капуста Хибинская, огуречная трава, свекла листовая), пригодной для употребления в пищу без кулинарной обработки, составил 12—18кг/м 2, корнеплодов редиса — до 9 кг/м 2. Снимали до 12 урожаев

в год с общим выходом биомассы 150—200 кг/м 2, что составляет 15—20 тыс. ц/га. Это во много раз превышает аналогичные показатели для теплиц с гидропоникой, а тем более для полевых условий.

Подобные результаты получены при выращивании укропа, картофеля, капусты кочанной, моркови, томатов и др. Вся продукция отличается большой сочностью, приятным вкусом, высоким содержанием витаминов, са-харов и белков.

Прекрасные результаты получают в лаборатории светофизиологии и светокультуры Агрофизического института (Санкт-Петербург) под руководством профессора Б.С. Мошкова. В светоустановках (вегетационно-кли-матических камерах, где полностью контроолируются условия выращивания растений) сотрудники лаборатории получают шесть урожаев томатов в год — всего более 200 кг/м 2 (в пересчете на 1 га это более 2000 т!). Для сравнения следует напомнить, что на грядках в огороде обычная урожайность томатов составляет 3—4 кг/м 2 в год, а в лучших теплицах — 20—25 кг при двух урожаях.

От посева до уборки гибрида капусты и редиса в светоустановках проходит лишь 17—18 суток, что позволяет собирать за год 21 урожай. При этом у гибрида почти нет отходов, так как съедобны и вершки и корешки. С 1 м 2 получают более 150 кг этой продукции, а гибридный редис, скрещенный еще и с китайской редькой, дает урожай более 200 км/м 2 за год.

Столь значительные успехи в деле индустриального выращивания растений в нашей стране и за рубежом дают основание уже сегодня утверждать, что голод нам не грозит. Главная задача земледелия — обеспечить рост и устойчивость производства сельскохозяйственной продукции для полного удовлетворения потребностей населения в продуктах питания и промышленности в сырье — разрешима. Современный уровень развития электронной и электротехнической промышленности обусловливает создание и широкое внедрение в практику высокоавтоматизированных комплексов, позволяющих в полной мере реализовать все потенциальные биологические возможности растений, выращивать их в конвейерном ритме с равномерным выходом готовой продукции на протяжении всего года.

Эффективными путями повышения продуктивности естественных и искусственных экосистем являются внесение оптимальных доз удобрений на поля, луга и пастбища, орошение, осушение, подсев на лугах кормовых трав, соблюдение высокой культуры земледелия, создание интегрированной защиты растений от вредителей, сорняков и болезней. Радикальным способом повышения продуктивности искусственных экосистем является индустриальная технология выращивания растений, т.е. культивирование растений в теплицах с использованием гидропоники и ионитных почв.

• Назовите пути повышения продуктивности естественных и искусственных экосистем .

• Какова необходимость дальнейшего развития индустриальной технологии выращивания растений ? 3. Каковы преимущества и недостатки агроиндустрии в сравнении с традиционным естественным земледелием ? 4. Охарактеризуйте особенности различных субстратов для выращивания растений — почвенного грунта , гравия ( щебня , шлака , керамзита и др .) и ионитных почв . 5. Какие достижения белорусских и зарубежных специалистов дают основание считать , что мы застрахованы от голода ?

11 . Пищевые цепи и трофические уровни

Пищевая цепь - это путь движения вещества (источник энергии и строительный материал) в экосистеме от одного организма к другому.

Трофический уровень -- это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Между автотрофами и гетеротрофами в экосистемах существуют сложные пищевые взаимодействия. Одни организмы поедают другие, и таким образом осуществляют перенос веществ и энергии - основу функционирования экосистемы.

Внутри экосистемы органические вещества создаются автотрофными организмами, например, растениями. Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные. Такая последовательность называется пищевой цепью (рис.1), а каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем.

П ищевая цепь - система передачи вещества и энергии от организма к организму, в которой каждый предыдущий организм истребляется последующим.

Различают

• пастбищные пищевые цепи

• детритные пищевые цепи

• паразитические пищевые цепи

Пастбищные пищевые цепи (цепи выедания) - пищевые цепи, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих или хемосинтезирующих организмов (рис. 2.). Пастбищные пищевые цепи распространены преимущественно в сухопутных и морских экосистемах.

Примером может служить пастбищная пищевая цепь луга. Начинается такая цепь с улавливания солнечной энергии растением. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой второе звено в этой цепи. Стрекоза - хищное летающее насекомое - нападает на бабочку. Спрятавшаяся среди зеленой травы лягушка ловит стрекозу, но сама служит добычей для такого хищника, как уж. Целый день уж мог бы переваривать лягушку, но еще не успело зайти солнце, как сам стал добычей другого хищника.

Пищевая цепь, идущая от растения через бабочку, стрекозу, лягушку, ужа к ястребу, указывает путь направления движения органических веществ, а также содержащейся в них энергии.

В океанах и морях автотрофные организмы (одноклеточные водоросли) существуют только до глубины проникновения света (максимум до 150-200 м). Гетеротрофные организмы, обитающие в более глубоких слоях воды, ночью поднимаются к поверхности, чтобы питаться водорослями, а утром вновь уходят на глубину, совершая суточные вертикальные миграции протяженностью до 500-1000 м. В свою очередь, с наступлением утра гетеротрофные организмы из еще более глубоких слоев поднимаются наверх, чтобы питаться за счет опускающихся из поверхностных слоев других организмов.

Таким образом, в глубоких морях и океанах существует своеобразная "пищевая лестница", благодаря которой органическое вещество, созданное автотрофными организмами в поверхностных слоях воды, переносится по цепочке живых организмов до самого дна. В этой связи некоторые морские экологи считают всю водную толщу единым биогеоценозом. Другие полагают, что условия среды в поверхностных и придонных слоях воды настолько различны, что их нельзя рассматривать как единый биогеоценоз.

Детритные пищевые цепи (цепи разложения) - пищевые цепи, которые начинаются с детрита - отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных (рис.2).

Детритные цепи наиболее характерны для сообществ континентальных водоемов, дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются детритом, образованным отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема или попавшим в водоем из наземных экосистем, например, в виде листового опада.

Экосистемы дна морей и океанов, куда не проникает солнечный свет, существуют только за счет постоянного оседания туда отмерших организмов, обитающих в поверхностных слоях воды. Общая масса этого вещества в Мировом океане за год достигает не менее нескольких сотен миллионов тонн.

Распространены детритные цепи также и в лесах, где большая часть ежегодного прироста живой массы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, образуя опад, и разлагается затем сапротрофными организмами с последующей минерализацией редуцентами. Большое значение в разложении отмерших остатков растительного происхождения, особенно древесины, имеют грибы.

Гетеротрофные организмы, питающиеся непосредственно детритом, называются детритофагами. В наземных экосистемах ими являются многие виды насекомых, червей и др. Крупные детритофаги, к которым относятся некоторые виды птиц (грифы, вороны и т.д.) и млекопитающих (гиены и пр.) называют падальщиками.

В водных экосистемах наиболее распространенными детритофагами являются членистоногие - водные насекомые и их личинки, и ракообразные. Детритофагами могут питаться другие, более крупные гетеротрофные организмы, которые могут сами служить пищей для хищников.

Паразитические пищевые цепи - пищевые цепи, которые начинаются свободноживущим организмом, на котором паразитируют паразиты первого порядка, на них, в свою очередь, паразиты второго порядка и т.д.

Аскариды, паразитирующие на пойкилотермных организмах, являются паразитами первого порядка, паразитирующие в клетках аскарид одноклеточные эукариоты - паразитами второго порядка, обитающие в них бактерии - паразитами третьего порядка, паразитирующие в бактериях вирусы (бактериофаги) - паразиты четвертого порядка и т.д.