Реферат: Образование среды жизни. Закон РФ об охране окружающей среды
Таблица 2. Биомассы и годичная продукция лесов разных природных зон (в расчете на абсолютно сухое вещество)
| Зона, подзона (группа формации) | Биомасса, т/га | Годичная продукция, т/га в год |
| Лесотундра | до 100 | до 5 |
| Лесная зона | ||
| Северная тайга | 100-150 | 5-7 |
| Средняя тайга | 150-250 | 7-10 |
| Южная тайга и смешанные леса | 200-350 | 12-18 |
| Лесостепь | 250-400 | 10-15 |
| Леса субтропического пояса | 250-400 | 6-15 |
| Леса тропического пояса | ||
| сезонно-влажные | 300-400 | 20-35 |
| дождевые | 600-900 | 20-35 |
Продуктивность сельскохозяйственных угодий обычно несколько ниже, чем природных экосистем в той же зоне. Однако при интенсивном земледелии продуктивность полей может приближаться к максимальной, хотя человеку приходится вкладывать в это много дополнительных средств.
Знание законов биологической продуктивности и потерь энергии в цепях питания имеет большое практическое значение. На их основе можно сознательно и грамотно строить хозяйственную деятельность таким образом, чтобы не подрывать воспроизводительные способности природных и антропогенных систем и получать возможно большую первичную и вторичную продукцию. Для человека энергетически выгоднее растительное питание, а наиболее дорого — использование в пищу хищных видов. Так по энергии, затраченной на рост 1 кг окуня или щуки, обходится природе в 7 раз дороже, чем 1 кг говяжьего мяса. Поэтому плотоядные животные разводятся людьми в редких случаях, например в пушном звероводстве. Широкое одомашнивание нашими предками таких видов, как свиньи и куры, не случайно. Они характеризуются высоким коэффициентом использования энергии на рост, т. е. перевода пищи в собственную биомассу. Одна растительная пища, как правило, для людей недостаточно полноценна, так как подавляющее большинство растений не обеспечивает людей некоторыми незаменимыми аминокислотами, входящими в состав животных белков. Производство вторичной продукции через выращивание животных, а также добыча диких видов (в основном путем рыболовства) — очень важное условие благополучия общества. Одна из самых злободневных для современного человечества проблем - это так называемое белковое голодание, недостаток животной пищи в рационах людей во многих районах мира.
Вещество и энергия передаются в экосистеме по цепям питания. На каждом звене пищевой цепи задерживается только около 10% поступившей энергии. Траты энергии в пищевых цепях отражаются в пирамиде биологической продукции.
Агроэкосистемы
Агроценозы. Биоценозы, которые возникают на землях сельскохозяйственного пользования, называют агроценозами. Они отличаются от природных сообществ, во-первых, пониженным разнообразием входящих в них видов и, во-вторых, пониженной способностью главного члена этих сообществ — культурных растений — противостоять конкурентам и вредителям. Культурные виды так сильно изменены селекцией в пользу человека, что без его поддержки не могут выдержать борьбу за существование. Агроценозы поддерживаются человеком посредством больших затрат энергии (мускульной энергии людей и животных, работы сельскохозяйственных машин, связанной энергии удобрений, затрат на дополнительный полив и т. п.). Природные биоценозы таких дополнительных вложений энергии не получают. Поддерживать устойчивый биологический круговорот веществ на землях сельскохозяйственного пользования можно при экологически грамотном создании агроэкосистем.
Агроэкосистемы. Агроэкосистемы — это такие сознательно спланированные человеком территории, на которых сбалансировано получение сельскохозяйственной продукции и возврат ее составляющих на поля. В правильно спланированные агроэкосистемы, кроме пашен, входят пастбища или луга и животноводческие комплексы.
Элементы питания растений, изъятые с полей вместе с урожаем, возвращаются в систему биологического круговорота вместе с органическими и минеральными удобрениями. Высокое биологическое разнообразие поддерживается за счет специального планирования ландшафта: чередования полей, лугов, лесов, перелесков, создания живых изгородей лесополос, водоемов и т. п. Большую роль в поддержании разнообразия видов на полях играет правильная организация севооборотов, чередование культур не только во времени, но и в пространстве.
Человек управляет работой агроэкосистем, внося в них значительное количество дополнительной энергии (обработка почвы, полив, удобрения, пестициды и т. п.).
Многие современные способы промышленного сельскохозяйственного производства по сути дела антиэкологичны: монокультуры, перевыпас скота, широкомасштабное применение ядохимикатов и чрезмерно высокие дозы минеральных удобрений, сплошная распашка почв, устройство стационарных животноводческих комплексов в низинах и в поймах рек и т. д. Они приводят к нарушениям нормальной деятельности экосистем, упрощению их структуры, неустойчивости и катастрофическим изменениям в природе. Поэтому наиболее передовым направлением современного сельского хозяйства является переход от принципов противоборства с природой к принципам сотрудничества с нею. Это означает максимальное следование экологическим законам в сельскохозяйственной практике.
В агроценозах ослаблены естественные регуляторные связи и понижена конкурентоспособность культурных растений. Агроценозы неустойчивы и поддерживаются человеком за счет затрат дополнительной энергии. Поддержание видового разнообразия и биологического круговорота веществ в агроэкосистемах — главные пути повышения их устойчивости и продуктивности.
Саморазвитие экосистем — сукцессии
В приводе существуют как стабильные, так и нестабильные экосистемы. Дубрава, ковыльная степь, ельники темнохвойной тайги — это примеры длительно существующих, устойчивых экосистем. Пустоши, сырые луга, мелкие водоемы, если их предоставить самим себе, быстро изменяются. Они постепенно зарастают другой растительностью, заселяются другими животными и превращаются в экосистемы иного типа. На месте болота вырастает лес, на заброшенных пашнях восстанавливается степь и т. д. Основная причина неустойчивости экосистем — несбалансированность круговорота веществ. Коли в биоценозах деятельность одних видов не компенсирует деятельность других, то условия среды неминуемо изменяются. Популяции меняют среду в неблагоприятную для себя сторону и вытесняются другими видами, для которых новые условия экологически более выгодны. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не сформируется уравновешенное сообщество, которое способно поддержать баланс веществ в экосистеме.
Таким образом, в природе происходит развитие экосистем от неустойчивого состояния к устойчивому. Этот процесс называют сукцессией. Например, зарастание небольших озер можно проследить на протяжении одного или нескольких поколений людей (рис. 2).
Рис. 2. Смена сообществ при зарастании водоема
Процесс постепенной смены видового состава может длиться достаточно долго. На заключительном этапе устанавливается, наконец, постоянный состав сообщества, когда виды распределены по экологическим нишам, не мешая друг другу, связаны пищевыми цепями и взаимовыгодными отношениями и согласованно осуществляют круговорот веществ. В таком биоценозе сильны регуляторные связи, и он может неопределенно долго поддерживать экосистему, пока внешние силы не выведут его из этого состояния.
Таким образом, саморазвитие экосистем осуществляется через отношения между видами и их воздействие на среду обитания, то есть через закономерные изменения биоценозов. К примеру, экспериментально прослежено, что комплекс приспевающих, спелых и перестойных сосново-березовых лесов Ильменского заповедника (без рубок леса) длительное время устойчиво поддерживает связи лес - копытные и общую их биомассу около 3 кг/га, хотя в отдельные периоды по биомассе преобладала косуля, а в другие периоды – лось (табл. 2).
Таблица 2. Влияние сукцессий на видовой состав и плотность копытных в лесных биогеоценозах
Примечание: I стадия – подрост от 0, 5 до 1, 5 м; II стадия – подрост от 1, 5 до 3, 1 м
Поэтому смена биоценозов в сукцессиях всегда идет от наименее устойчивого состояния к наиболее устойчивому. Скорость этих изменений постепенно замедляется. Замедление темпов одна из главных особенностей сукцессии. Неустойчивые стадии при смене биоценозов называют незрелыми сообществами, устойчивые - зрелыми. Направленные изменения биоценозов начинаются и в том случае, если происходят какие-либо частичные нарушения в уже сформировавшейся экосистеме. Они приводят к ее восстановлению, поэтому называются восстановительными сменами или вторичными сукцессиями. Для развития биоценозов в ходе сукцессии характерен целый ряд общих закономерностей: постепенное увеличение видового разнообразия, смена доминирующих видов, усложнение цепей питания, увеличение в сообществах доли видов с длительными циклами развития, усиление взаимовыгодных связей в биоценозах и т. д. В зрелых, устойчивых сообществах все, что наращивают растения, используется гетеротрофами - это главная причина стабилизации экосистем. Если человек изымает продукцию из таких экосистем (например, древесину из зрелых лесов), он неминуемо нарушает их.
Деятельность людей постоянно приводит к сменам различных биоценозов в результате рубок леса, осушения и обводнения земель, выработки торфяников, прокладки дорог и т. д. Частичные или глубокие нарушения экосистем вызывают природные процессы их самовосстановления. Однако природные возможности не безграничны. Самовосстановление биоценозов часто тормозится различными внешними причинами. Например, ежегодные разливы рек все время нарушают формирование устойчивых биоценозов на их берегах, и здесь сообщества существуют в постоянно незрелом состоянии. Точно так же постоянная вспашка полей предотвращает восстановление естественной растительности на этой территории. Другая причина в нарушении восстановительных возможностей биоценозов - снижение видового разнообразия в окружающей среде. Если неоткуда взяться семенам растений или видам животных, играющим важную роль на соответствующих этапах развития сообществ, экосистема остается на менее устойчивой стадии. Например, при сплошных рубках еловых лесов на больших территориях они зарастают со временем малоценными мелколиственными породами и надолго задерживаются в этом состоянии, так как неоткуда взяться семенам ели. Умение управлять процессами саморазвития и самовосстановления экосистем - очень важная задача современной хозяйственной деятельности, когда человек приводит в постоянное движение весь живой покров планеты. Снимая ограничивающие факторы, поставляя соответствующие семена растений и вселяя необходимые виды животных, можно ускорить формирование стабильных сообществ или, наоборот, задержать процессы на нужной нам стадии развития.
В природе существуют как устойчивые, зрелые, так и неустойчивые, развивающиеся экосистемы. Развитие экосистем происходит на основе смены видов, пока не сформируется такой биоценоз, который будет способен поддерживать в них устойчивый биологический круговорот веществ. Экосистемы способны к самовосстановлению при частичных нарушениях. Эти возможности не безграничны и зависят как от внешних условий, так и от видового разнообразия в окружающей среде.
Биологическое разнообразие как основное условие устойчивости популяций, биоценозов и экосистем
В природе практически нет абсолютно сходных особей, популяций, видов и экосистем. Когда отдельные виды начали исчезать с лица Земли по вине людей, этому сначала не придавали значения, так как видов много, а процессы их вымирания, как установила палеонтология, всегда происходили в природе. Однако в настоящее время обеднение разнообразия жизни под влиянием деятельности человека идет очень быстрыми темпами. Поэтому и с теоретической, и с практической точек зрения очень важно понимать, в чем состоит роль биологического разнообразия. Ответ на этот вопрос можно найти при изучении структуры и функционирования биоценозов. Высокое видовое разнообразие обеспечивает следующие свойства этих сложных систем.
Взаимная дополнительность частей. Как мы видели, в сообществах уживаются те виды, которые делят между собой экологические ниши и дополняют друг друга в использовании ресурсов среды. Например, растения первого яруса в лесу перехватывают 70-80 % светового потока (рис. 34). Во втором ярусе растут деревья и кустарники, которым достаточно 10-20% от полного освещения, а наземные травянистые растения и мхи в таких лесах способны осуществлять фотосинтез всего при 1-2 сотых долях светового потока. Дополняя друг друга, растения полно используют солнечную энергию.
У животных «разделение труда» в биоценозе ярко выражено в использовании разных видов пищи, времени суточной и сезонной активности, размещении в пространстве. Очень существенно дополняют друг друга разные виды грибов в лесных сообществах. Одни из них специализируются на разрушении мертвой древесины, другие - свежеопавших листьев, третьи - корней или шишек, четвертые продолжают разрушение уже полуразложившейся массы. Взаимная дополнительность видов, созидающих и разрушающих органическое вещество, лежит в основе биологических круговоротов.
Взаимозаменяемость видов. Любой вид биоценоза может быть заменен другим, со сходными экологическими требованиями и функциями. Хотя полностью похожих друг на друга видов в природе нет, но многие перекрываются по основным экологическим требованиям, отличаясь лишь деталями. Такие виды обычно заменяют друг друга в похожих сообществах, например, разные виды елей и пихты в темнохвойных таежных лесах или разные виды насекомых-опылителей на лугах. Взаимозаменяемость видов постоянно происходит при колебаниях погодных условий. Так на лугах во влажные годы доминируют короткокорневищные травы, а в сухие - длиннокорневищные, активны разные листогрызущие и хищные насекомые и т. п.
Регуляторные свойства. Способность к саморегуляции - одно из основных условий существования сложных систем. Саморегуляция возникает на основе обратных связей. Принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что отклонение системы от нормы приводит в действие силы, направленные на возвращение ее в нормальное состояние. Этот принцип обратной связи очень ярко проявляется во внутрипопуляционных и межвидовых взаимоотношениях в биоценозах. Увеличение численности жертв со временем вызывает увеличение численности хищников и паразитов. Повышение плотности популяции сверх определенных уровней так изменяет связи внутри вида, что падает воспроизводительная способность или усиливается рассредоточение особей в пространстве. Чем разнообразнее биоценозы и чем сложнее структура популяций, тем успешнее осуществляется их саморегуляция.
Надежность обеспечения функций. Главные функции биоценоза в экосистеме - создание органического вещества, его разрушение и регуляция численности видов - обеспечиваются множеством видов, как бы страхующих деятельность друг друга. Разнообразие видов в экосистемах обеспечивает надежность их функционирования. Таким образом, биологическое разнообразие - это главное условие устойчивости всей жизни на Земле. За счет этого разнообразия жизнь не прерывается уже несколько миллиардов лет.
Видовое разнообразие - основа устойчивости живой природы. Оно создает взаимодополняемость и взаимозаменяемость видов в биоценозах, обеспечивает регуляцию численности и самовосстановительные способности сообществ и экосистем. Однако видовое разнообразие одна из составных частей биоразнообразия. Если представить, что человек как биологический вид вдруг остался в одиночестве на Земле, то нетрудно предсказать дальнейший ход событий: нет продуктов питания, растет жесткое ультра - фиолетовое излучение, т. к. оно больше не задерживается озоновым экраном, из-за отсутствия кислорода становится невозможным дыхание, чистой воды нет, и климат не совместим с жизнью. Миллионы лет отмеченное выше поддерживалось биоразнообразием. Из чего же складывается это понятие? Необходимо напомнить и подчеркнуть, что никакие биологические прогрессы не возможны вне биосферы и экосистем. Здесь берут начало три ветви биоразнообразия: генетическое, организменно–видовое и экологическое (рис. 3).
Рис. 3. Структура и уровни биоразнообразия
Каждая ветвь, подразделяемая на уровни, обладающие своими особенностями: ниже организменного, организменного и выше организменного и составляющие предмет изучения таких биологических наук, как генетика, систематика и экология. Биологическое разнообразие представляет собой уникальную особенность живой природы. Именно благодаря ему создается структурно-функциональная организация экологических систем, обеспечивающая их стабильность во времени и устойчивость к изменениям среды, в том числе и в результате антропогенных воздействий поддержание экосистем в устойчивом состоянии одна из первостепенных задач человечества. Поэтому основным понятиям, связанным с сохранением и использованием биоразнообразия, дано правовое толкование в законах Российской Федерации «Об охране окружающей среды», «Об особо охраняемых территориях» и других правовых документах.
Биосфера и ноосфера
Все экосистемы Земли являются только структурными подразделениями, составными частями единой гигантской экосистемы, охватывающей всю поверхность планеты. Эту глобальную экосистему называют биосферой. Термин «биосфера» ввёл в 1875 г. Э. Зюсс, понимавший её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности в значительной мере определяющей лик Земли. Учение о биосфере создано в 1926 г. русским геохимиком В. И. Вернадским (1863-1945). Он впервые оценил масштабы влияния жизни на физическую природу. Биосфера, по В. И. Вернадскому, - это общепланетарная оболочка, та область Земли, где существует или существовала жизнь и которая подвергается или подвергалась ее воздействию. Биосфера охватывает всю поверхность суши, моря и океаны, а также ту часть недр Земли, где находятся породы, созданные деятельностью живых организмов. В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном - тонким слоем газа озона на высоте 16—20 км. Он задерживает губительные ультрафиолетовые лучи солнца. Океан насыщен жизнью целиком, до дна самых глубоких впадин в 10-11 км. В глубину твердой части Земли активная жизнь проникает местами до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях). Результаты жизнедеятельности организмов в виде осадочных пород прослеживаются еще глубже. Размножение, рост, обмен веществ и активность живых организмов за миллиарды лет полностью преобразовали эту часть нашей планеты. Всю массу организмов всех видов В. И. Вернадский назвал живым веществом Земли. В химический состав живого вещества входят те же самые атомы, которые составляют неживую природу, но в ином соотношении. В ходе обмена веществ живые существа постоянно перераспределяют химические элементы в природе. За счет фотосинтеза накоплен кислород атмосферы. За счет кислорода возник озоновый экран. Молекулы этого газа состоят из трех атомов кислорода и образуются при действии на молекулярный кислород ультрафиолетовых лучей. Таким образом, жизнь сама создала защитный слой в атмосфере, задерживающий большинство этих лучей.
Благодаря живым существам возникли многие горные породы на Земле. Организмы обладают способностью избирательно поглощать и накапливать в себе отдельные элементы в гораздо большем количестве, чем они есть в окружающей среде. Например, многие морские виды концентрируют в своих скелетах кальций, кремний или фосфор и, отмирая, создают на дне водоемов большие толщи осадочных пород: залежи известняков, мела, кремнистых сланцев, фосфоритов. Такие породы называются органогенными, так как они обязаны своим происхождением живым организмам. Жизнью создан на поверхности суши почвенный слой. В почве так тесно связаны между собой минеральные компоненты, разлагающиеся органические вещества и многочисленные микро - и макроорганизмы, что В. И. Вернадский отнес ее к особым, биокосным телам природы. Такой же биокосный состав имеют и воды Мирового океана, насыщенные продуктами обмена веществ и населенные бесчисленными обитателями. Живые организмы играют большую роль в разрушении и выветривании горных пород на суше. Они - главные разрушители мертвого органического вещества.
Таким образом, за период своего существования жизнь преобразовала атмосферу Земли, состав вод океана, создала озоновый экран, почвы, многие горные породы. Изменились условия выветривания пород, большую роль стал играть микроклимат, создаваемый растительностью, изменился и климат Земли.
Совершая гигантский биологический круговорот веществ в биосфере, жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека. Живые организмы создают в биосфере круговороты важнейших биогенных элементов, которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю. Так образуются глобальные циклы геологического круговорота. Эти циклы делят на две основные группы: круговороты газов и осадочные круговороты. В первом случае главный поставщик элементов - атмосфера (углерод, кислород, азот), во втором - горные осадочные породы (фосфор, сера и др.). Напомним, что все круговороты совершаются в первичных ячейках биосферы - геохимических ландшафтах или биогеоценозах в соответствии с их иерархией, в частности: БГЦ – биогеоценотический комплекс – ландшафт – биом - биогеографическая подобласть - биогеографическая область - экосистемы суши, океана - биосфера. Масштабы, значения и изменения геохимических циклов рассмотрены международным комитетом по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) в 1976 г. в работе «Биогеохимические циклы в Биосфере».
С 60-ых годов 20 века появилось множество научных работ, посвящённых математическому моделированию и анализу биосферных процессов с помощью ЭВМ. Первоначально учёные совершенствовали популяционные модели известные с 20-ых годов 20 века – паразит-хозяин, хищник-жертва. Это описано в трудах А. Лотки, В. Вольтерра, Г. Ф. Гаузе, А. Никольсона, А. И. Колмогорова и др. В дальнейшем стали появляться тактические и стратегические модели управления экосистемами. Тактические модели служат для экологического прогноза. Стратегические модели строятся с исследовательскими целями: для вскрытия общих закономерностей функционирования экосистем и биосферы. В последние годы развивается построение моделей эколого-экономического направления для долгосрочного прогнозирования экономического роста и оценки влияния человеческой деятельности на биосферные процессы. К примеру, стало ясно, что современное потребление продукции биосферы достигло 7 % чистой первичной продукции суши, и это уже привело к нарушению биогеохимического круговорота. Необходимо помнить, что КПД природных экосистем низок и не превышает 10 %. В своё время В. И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило вечный бег геохимических циклов. Термин «ноосфера» - окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом, ввёл также В. И. Вернадский. Практически с этого времени прошло 80 лет, что же нового приобрело или создало человечество? Прогресс человеческого разума и научной мысли на лицо: человек вышел за пределы биосферы Земли в космос и глубины гидросферы и литосферы. Появились электронные средства связи, хранения и обработки информации и т. д., однако и загрязнение нашего дома стало более масштабным. Развитие человеческого общества можно представить как переход от генетической эволюции (в роли хищника человек неоправданно задержался) к культурной – ноогенезу. В развитии сказанного многое ещё зависит от экологического мировоззрения, просвещения и воспитания. Однако и здесь есть первые шаги. В частности, в России появился журнал «Экология урбанизированных территорий», где публикуются модели и обсуждаются результаты построения принципиально новых – ноосферных – поселений людей в урбанизированных ландшафтах. Несомненно, это стимулирует развитие и формирует новые взгляды в экологии на биоразнообразие, биологический контроль, биоиндикацию и биотестирование среды, в которой живёт человек. Стало ясно, что многие ограничения предельно допустимыми нормами техногенного загрязнения – условны, так как практически нет пороговости при загрязнении, даже малые дозы в последствии становятся ощутимы и губительны для биоты. В целом ощутимых построек ноосферы человечеством пока мало, также не многочисленны и прогнозы ученых (С. С. Шварц «Экологическое прогнозирование» (1979); А. Н. Тюрюканов, В. М. Фёдоров «Н. В. Тимофеев-Ресовский: Биосферные раздумья» (1996) и т. д.).
А
Сопряженные биогеоценозы на профиле долины реки Вятки (на 17, 2 км ширины, окрестности ГПЗ «Нургуш»)
1 - коренной берег, сосново-еловые леса; 2 - болото; 3 - сосново-еловые леса с вырубками и посадками; 4 - болото–сосняки; 5 - речки, протоки; 6 - елово-широколиственные леса; 7 - старицы, озёра; 8 - луга; 9 - русло; 10 - широколиственные леса; 11 - старицы; 12 - протоки; 13 - ивняки, луга; 14 - луга; 15 - наносы на бывшем русле, лиственные и широколиственные леса; 16 - русло; 17 - коренной берег
Б
Рис. Иерархия экосистем: А – долинных; Б – водораздельных
Литература
Дворников М.Г. «Основы общей Экологии»
