Количественная оценка биохимических циклов - раздел Экология, Конспект лекций по учебной дисциплине ЭКОЛОГИЯ При Определении Функции И Структуры Экосистемы Наряду С Другими Факторами Важ...
При определении функции и структуры экосистемы наряду с другими факторами важное значение имеет оценка скорости обмена или переноса веществ. В последнее время в связи с развитием научно-технического прогресса, а также с созданием и разработкой современных методов исследований в экологии, в том числе радиоактивное индикации, масс-спектрометрии, автоматического слежения и дистанционных измерений, появилась возможность измерять скорость циркуляции в довольно обширных экосистемах и получать количественную оценку биохимических круговоротов в глобальном масштабе.
На ранее приведенных схемах дано лишь общее представление о биохимических циклах. Количественные же их характеристики изучены недостаточно, особенно в крупных экосистемах. Огромный толчок в этом направлении дало применение радиоактивных изотопов в качестве меток. Сущность метода состоит в том, что в экосистему или отдельные ее части вносят изотоп в малых по сравнению со стабильным изотопом количествах. Это не приводит к заметным нарушениям ни за счет радиоактивности, ни за счет дополнительного внесения изучаемого элемента. Далее определяют, что происходит с меткой, которая отражает все происходящее с интересующим нас элементом.
Метод радиоактивной индикации можно проиллюстрировать на примере поведения фосфора. Несмотря на то что круговорот фосфора в глобальном масштабе уравновешен, его миграция из организма в среду и обратно, как правило, происходит неравномерно. В любой промежуток времени большая часть фосфатов находится в связанном состоянии - в организме или твердом субстрате. Обмен фосфора между доступной и недоступной фракциями идет постоянно, но нерегулярно, "рывками". Периоды перехода в доступные формы сменяются периодами его активного связывания органическим и минеральным компонентами биосферы. Как правило, связывание фосфора идет быстрее, чем высвобождение. В период интенсивного роста продуцентов и консументов весь подвижный фосфор (или основное его количество) может быть связан. Поэтому по содержанию фосфора в конкретный момент нельзя судить о продуктивности экосистемы. Низкое содержание его может свидетельствовать об истощении элемента в экосистеме, либо о высокой интенсивности ее метаболизма. Дать правильную оценку продуктивности экосистемы можно только после определения скорости потока этого элемента.
Для сравнения скоростей обмена между разными компонентами экосистемы удобно пользоваться понятием "оборот". Если иметь в виду обмен после установления равновесия, то скорость оборота - это часть общего количества данного вещества в данном компоненте системы, высвобождающаяся за определенное время. Время оборота - обратная величина, обозначающая время, необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данном компоненте системы. Так, если в компоненте содержится 1000 единиц вещества и в 1 час поступает или убывает 10 единиц, то скорость оборота равна 0,01, а время оборота - 1000/10, или 100 часов.
Изучая круговорот биогенных элементов, можно сделать важный практический вывод: избыток элемента может быть так же невыгоден для человека, как и недостаток. Например, фосфор при внесении в почву в количествах, превышающих возможность его усвоения активными организмами, быстро связывается. В дальнейшем может происходить так называемое "старение" фосфатов и снижение их доступности для питания растений.
Так как организмы адаптированы к разным уровням содержания элементов, нарушение соотношения элементов питания может привести к изменениям химического и даже видового состава организмов вплоть до исчезновения некоторых видов, то есть при недостаточном или избыточном применении субсидий они превращаются в источник стресса.
Изучение круговорота биогенных элементов удобно проводить на примере водосборных бассейнов. Водосборный бассейн - это водоем и прилегающая к нему территория, с которой поступают воды с поверхностным стоком. Водосборный бассейн можно рассматривать как своеобразную единицу экосистемы. Наблюдение за водосборными бассейнами позволяет для сравнения выделить экосистемы с различной степенью нарушения хозяйственной деятельности и, исходя из этого, дать рекомендации по уменьшению оттока из круговорота основных биогенных элементов и восстановлению их циркуляции.
В книге Ю. Одума "Экология" (1986) приводится такой пример. На экспериментальном водосборном бассейне была удалена вся растительность, а ее восстановление в последующие три года подавляли Распылением гербицидов. Несмотря на то что воздействия на почву были незначительными и она практически не нарушалась, органическое вещество из экосистемы не удалялось, потери элементов питания с поверхностным стоком возросли по сравнению с контрольным водосбором в 3-15 раз. Увеличение поверхностного стока на водосборе, где была уничтожена растительность, связано с устранением транспирации. После восстановления растительности потери биогенных элементов резко снизились и за 3-5 лет достигли исходного состояния.
Как правило, потери элементов питания с ненарушенных облесенныx водосборных бассейнов вдоль ручьев невелики и компенсируются в основном поступлением элементов с осадками и продуктами выветривания. С увеличением степени освоения водосборных бассейнов в водах ручьев и рек резко возрастает содержание азота и фосфора воде, стекающей с полностью освоенной территории, содержание азота и фосфора в семь раз выше, чем в ручьях, протекающих по территории, занятой лесом. Следует, однако, учитывать, что увеличение со держания элементов в поверхностном стоке с освоенных территорий может быть связано и с большим их поступлением с удобрениями
При соответствующих мероприятиях можно более эффективно возвращать в круговорот химические элементы и уменьшить расточительный "однонаправленный" поток. Однако производители не заинтересованы в проведении таких мероприятий, так как это приводит к увеличению себестоимости производимой продукции и снижению ее конкурентоспособности. Заинтересованность же появится тогда, когда запасы химических элементов истощатся и, следовательно, последние подорожают или когда произойдет заметное снижение качества жизни.
В окружающую среду поступает значительное количество элементов, которые связаны с деятельностью человека и представляют опасность для его здоровья. Поэтому при проведении экологических исследований необходимо учитывать круговороты практически всех элементов и соединений.
Многие второстепенные элементы в обычных для экосистем концентрациях почти не оказывают влияния на состояние организмов, поэтому их круговорот до недавнего времени мало интересовал экологов. В качестве примера можно привести стронций. Раньше этому элементу не придавали особого значения, однако в связи с тем, что стронций появился в биосфере в больших количествах и представляет опасность для здоровья, интерес к нему резко возрос.
Опасность стронция состоит в том, что по химическим свойствам он похож на кальций, поэтому, попав в организм, накапливается в костях и находится в непосредственной близости к кроветворным тканям. При изучении осадочного цикла установлено, что около 7 % всего осадочного материала, стекающего вниз по рекам, составляет кальций, а на каждую тысячу атомов кальция приходится два - четыре атома стронция. Одним из продуктов расщепления ядер урана является радиоактивный Sr-90, который характеризуется относительно длительным периодом полураспада и, попав в биосферу, может длительное время участвовать в круговороте. Это изотоп, которого не существовало в природе до расщепления атома человеком. Небольшие количества Sr-90, содержащегося в осадках, выпавших после испытаний ядерного оружия и аварий на предприятиях ядерно-топливного цикла, мигрируют вместе с кальцием по пищевым цепям и накапливаются в костных тканях. По мнению некоторых медиков, уже в 1970 году Sr-90 содержался в костях людей в количестве, достаточном для канцерогенного действия (лат. cancer - рак) . Когда была достигнута договоренность о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, опасность загрязнения Sr-90 уменьшилась, но после аварии на Чернобыльской АЭС она многократно возросла.
Опасным продуктом деления ядра является Cs-137, который по своим свойствам близок к калию. Обладая большой подвижностью, он с достаточно высокой скоростью циркулирует по пищевым цепям
В качестве примера химического элемента, который и ранее существовал в природе, но не представлял такой опасности для здоровья человека, как сегодня, можно привести ртуть. Разработка месторождений и промышленное использование ртути привели к значительному рассеиванию ее в биосфере, что повысило вероятность контактирования ядовитого металла с организмами. В круговороте ртути важную роль играют микроорганизмы, которые превращают нерастворимые ее формы в растворимую, часто очень подвижную ядовитую метилртуть.
Аналогично положение и с другими тяжелыми металлами, такими как кадмий, медь, цинк, свинец и др.
Распространение и накопление второстепенных элементов можно проиллюстрировать на примере круговорота пестицидов (рис. 13). В зависимости от условий применения этих токсинов некоторое их количество испаряется и переносится в виде аэрозолей на значительные расстояния. При попадании на растения не все пестициды включаются в метаболизм. Частично они испаряются с поверхности растений и могут переноситься ветром на другие территории, но большая их часть попадает в почву. Это связано с тем, что проективное покрытие растений никогда не достигает 100 % и при внесении пестицидов они попадают не только на листовую поверхность растений, но и на почву. Некоторое их количество оседает с растений на почву под действием гравитационных сил и ветра.
Попав на поверхность, некоторое количество пестицидов в результате выщелачивания может проникнуть в грунтовые воды, а затем в гидрографическую сеть.
Все темы данного раздела:
Тема 1. Экология в системе наук о природе. Предмет, объекты и задачи экологических наук, их роль в решении глобальных экологических проблем.
Экология - наука о структуре, закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях с условиями среды. Термин "э
Экосистемы. Концепция экосистемы
В основе экологии лежит концепция экосистемы. Экосистема - основная функциональная единица в экологии. Существует много разных определений этого понятия, но в основе его лежит по сути одно и то же
Пространственная структура екосистем
Структура различных экосистем, например наземных и водных, в принципе сходна, хотя видовой состав и количественные характеристики трофических компонентов существенно отличаются.
Структуру
Концепция функционирования экосистемы
Термин "экосистема" введен английским ботаником А. Тенсли сравнительно недавно -в 1935 году, хотя мысль о взаимосвязи и единстве организмов и среды их обитания высказывалась еще древними
Гидросфера
В понятие гидросферы включают все типы водоемов. В ней выделяют Мировой океан, континентальные воды и подземные воды.
Основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (71% п
Атмосфера
Современная атмосфера по химическому составу относится к азотно-кислородному типу (азота 78,09%, кислорода 20,95%, аргона 0,93%, углекислого газа 0,03%, неона 0,0018%, гелия 0,00052%, метана 0,0001
Литосфера
Литосфера - это "каменная оболочка" Земли, верхняя часть земной коры. Поверхностную часть литосферы, измельченную в процессе физического, химического и биологического выветривания
Организм как среда жизни
Постоянство внутренних параметров организма (гомеостаз) позволяет использование его другими организмами в качестве среды постоянного или временного обитания. Таким образом, живые организмы как бы с
Понятие об экологических факторах
Под экологическими факторами понимают те воздействия, свойства компонентов экосистемы и характеристики ее внешней среды, которые оказывают непосредственное влияние на характер и интенсивност
Концепция лимитирующих факторов. Закон минимума Либиха
Не все экологические факторы: свет, температура, влажность, наличие солей, обеспеченность биогенными элементами и т. д. - одинаково важны для успешного выживания организма. Взаимоотношения организм
Закон толерантности
Наравне с влиянием недостатка, "минимума" экологических факторов, негативным может быть и влияние избытка, т. е. максимума факторов, таких как тепло, свет, влага. Это показал в своих рабо
Основные экологические факторы. Солнечная радиация
Солнечная радиация относится к числу факторов, сыгравших ключевую историческую роль в эволюции биосферы. Эта эволюция, по образному выражению Ю. Одума, была направлена на "укрощение" пост
Температура окружающей среды
Температура является важным и часто лимитирующим фактором среды. Распространение различных видов и численность популяций существенно зависят от температуры. С чем это связано и каковы причины такой
Влажность.
С точки зрения эколога вода, т. е. ее количество и качество в окружающей среде, является лимитирующим физическим фактором как в наземных, так и в водных экосистемах. Вода представляет собой ресурс,
Соленость
Водный обмен теснейшим образом связан с солевым. Он приобретает особое значение для водных организмов (гидробионтов). Для всех водных организмов характерно наличие проницаемых для воды покро
Газовый состав среды обитания
Для многих видов организмов, как бактерий, так и высших животных и растений, концентрация кислорода и двуокиси углерода, которые составляют в атмосферном воздухе 21 % и 0,03 % по объему соответстве
Биогенные элементы и факторы, лимитирующие продукцию
В наземных и водных экосистемах важнейшую роль в их продуктивности играет энергия Солнца, т. е. количество поступающей солнечной радиации - основа фотосинтеза, в результате которого автотрофами обр
Экологические ниши
Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами
Межвидовые и внутривидовые связи в экосистеме
Сосуществование различных видов и популяций в экосистеме приводит к образованию связей, в основе которых лежит питание и местообитание. Соответственно их называют трофическими и топическими. На это
Экологические ниши
Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами
Организация на популяционном уровне
Популяция - это группа особей одного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях с
Свойства популяционной группы
Плотность и численность популяции. Влияние популяции на сообщество и экосистему зависит не только от того, из каких организмов она состоит, но и от их численности (N), котор
Потенциальная скорость естественного роста популяции
Если среда не оказывает ограничивающего влияния, то специфическая скорость роста популяции для данных микроклиматических условий постоянна и максимальна. В таких благоприятных условиях скорость рос
Флуктуации численности популяции.
Флуктуация (от лат. fluctuatio) - колебание численности популяции. В случае прекращения роста популяции величина DN / Dt близка к нулю, плотность популяции обнаруживает тенденцию к флуктуаци
Механизмы изменения численности популяции
Так как природная среда непостоянна, то флуктуации численности вверх и вниз от уровня равновесия характерны для большинства популяций. Теории, объясняющие цикличность изменений плотности, можно сгр
Регуляция численности популяции
В простых по структуре экосистемах, которые подвергаются воздействию физических стрессов либо необычных или нерегулярных факторов, численность популяции зависит от погодных условий, химических загр
Типы взаимодействия между популяциями различных видов.
Теоретически взаимодействие популяций двух видов можно выразить в виде следующих комбинаций символов: 00, --,++, +0, -0, + -. Выделяют 9 типов наиболее важных взаимодействий (по Ю Одуму, 1986):
Отрицательные взаимодействия
Конкуренция (от лат. concurrentia - соперничество) - это любое антагонистическое отношение, связанное с борьбой за существование, за доминирование, за пищу, пространство и другие ресурсы меж
Положительные взаимодействия
В природе не менее важное значение, чем хищничество и другие отрицательные взаимодействия, направленные на уменьшение численности популяции, имеют ассоциации двух видов, благоприятные для обоих.
Биоценоз
Близким или даже аналогичным понятию экосистемы является понятие биоценоза. Соответственно наука, изучающая этот предмет, называется биоценологией.
Термин "биоценоз" происходит о
Биоценология
Популяции различных видов живых организмов, заселяющие общие места обитания, неизбежно вступают в определенные взаимоотношения в области питания, использования пространства, влияния на особенности
Трофическая структура биоценозов
Основная функция биоценозов - поддержание круговорота веществ в биосфере - базируется на пищевых взаимоотношениях видов. Именно на этой основе органические вещества, синтезированные автотрофными ор
Пространственная структура биоценозов
Определение биоценоза как системы взаимодействующих видов, осуществляющей цикл биогенного круговорота, предусматривает минимальный пространственный объем этого уровня биосистем. Так, неправильно го
Экологические ниши
Как уже говорилось, каждый вид представлен в биоценозе конкретной популяцией. Ее положение в составе экосистемы определяется, с одной стороны, набором требований к абиотическим условиям, а с другой
Основные формы межвидовых связей в экосистемах
Межвидовые отношения в конкретных биоценозах реализуются через сложные формы взаимодействия популяций разных видов. В основе их, как уже отмечено, лежат трофические связи, обеспечивающие осуществле
Понятие и структура биогеоценоза. Трофическая структура и продуктивность экосистем
В пределах биотической компоненты (биоценоза) рассмотрим структуру экосистемы, используя критерий питания (трофики) и пространственной организации.
Исходя из того, что одним из главных сво
Обмен вещества и энергии в экосистемах. Сети питания.
Взаимоотношения между видами разных трофических уровней образуют систему трофических цепей (цепей питания). Трофические цепи, представленные продуцентами и консументами, рассматривают как особую ст
Развитие и эволюция экосистем. Сукцессии и климакс.
Изменение видовой структуры и биоценотических процессов в экосистеме называют сукцессией экосистемы (от лат. successio - преемственность).
Понятие появилось вначале в ботанике. Наиболее су
Экологические модификации.
Сукцессия представляет собой естественный процесс развития экосистемы. В современных условиях происходит постоянный рост антропогенной нагрузки на природные экосистемы, что приводит к относительно
Эволюция биосферы
Крупномасштабные изменения, представленные вековыми сериями сменяющих друг друга на протяжении столетий экосистем, вследствие изменений климата, рельефа местности и других характеристик поверхности
Современные представления о биосфере
Структура и фунциональное строение биосферы. Биосфера - "область жизни", пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин в таком виде был
Динамика биосферы
Биогеохимические циклы. В рамках концепции биосферы деятельность живых организмов, населяющих разные среды, интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Основной ее
Глобальные круговороты углерода и воды
В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют, на наш взгляд, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере н
Круговорот азота
Азот, как и углерод, входит в состав атмосферного воздуха и присутствует в нем в виде молекул (Мд).
Он играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Как и кислород, азот необходим для
Круговорот фосфора
Фосфор также является элементом, необходимым для питания живых организмов, играет важнейшую роль в росте и развитии растений.
Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера,
Круговорот второстепенных элементов и пестицидов
Второстепенные элементы - это элементы, которые не представляют особой ценности для организма. Они нередко мигрируют между средой и организмами. Большинство из них принимает участие в общем осадочн
Тема 13. Ноосфера как стадия развития биосферы. Основы концепции ноосферы
Глобальный характер взаимоотношений человека со средой его обитания привел к появлению понятия ноосферы (от греч. nouV - разум и sjaira - шар), под которой понимается "сфера взаи
Охрана и рациональное использование природных ресурсов планеты
Экологические аспекты охраны природы. Охрана воздуха от загрязнения. Охрана почв. Охрана водных ресурсов планеты. Охрана видов и экосистем, сохранение биоразнообразия. Интродукция. Биологические ме
Охрана окружающей среды
При рассмотрении этого важнейшего направления экологической науки необходимо еще раз подчеркнуть, что охрана окружающей, в том числе и природной среды представляет собой типичную инженерную научную
Охрана почв.
В Украине за последние десятилетия значительно ухудшились показатели земельного фонда. Незначительный прирост продукции земледелия достигается за счет устойчивого истощения и деградаци почв. Возрос
Охрана водных ресурсов
С экологической точки зрения охрана водных ресурсов состоит прежде всего в непосредственном обеспечении людей водой для жизни и санитарно-гигиенических нужд. Не считая огромные изменения планетарно
Охрана атмосферы
Если воду, которой издавна не хватало, называли "ресурсом жизни", то о воздухе вспомнили лишь в нашу урбанизированную эпоху. Известно, что без пищи человек может прожить несколько десятко
Охрана видов и экосистем
Охрана видов и целых екосистем необходима по многим причинам. Во-первых, биоразнообразие живых организмов, которое является следствием их длительной эволюции, составляет одно из главных условий уст
Экологические основы интродукции
Интродукция (лат. introductio - введение) - переселение видов растений и животных в места, где они раньше не жили. Например, виды пшеницы, ячменя, гороха, завезенные в Европу и
Биологические методы борьбы с вредителями
Биологические методы борьбы с вредителями - это использование живых организмов для сокращения численности видов, наносящих ущерб человеку или сельскохозяйственным животным и культурам. Таким образо
Фитомелиорация
Фитомелиорация - это процесс использования естественной преобразующей функции растительности в оптимизации наземных экосистем. Растительный покров, или автотрофный блок экосистемы, вырабатыв
Экологическая диагностика
Отдельные виды, которые отличаются строго определенными экологическими требованиями, дают возможность обнаружить специфические особенности среды. Как правило, это стенобионтные виды, которые называ
Контроль численности экономически важных видов
При эксплуатации популяций экономически значимых видов (пушные звери, дичь и т. д.) человек заинтересован в устойчивом поддержании высокой численности и продуктивности. В норме эти два параметра пр
Рекультивация промышленных земель
Задачи направленного формирования экосистем, приспособленных к особенностям антропогенного ландшафта, особенно ярко выявляются при вторичном освоении земель, вышедших из промышленного использования
Общество как компонент глобальной экосистемы. Влияние деятельности человека на окружающую среду
Хозяйственная деятельность человека обусловила повреждения и истощение естественных ресурсов, которое приводит к деформации сформированных на протяжении многих миллионов лет естественного круговоро
Демография человеческого вида
Географическое пространство экологической ниши человека занимает более ¾ площади суши (без Антарктиды) - около 105 млн. км2 и во много раз больше любого другого видового ареала на
Мировая демографическая ситуация
В XX столетии состояние окружающей среды нашей планеты неуклонно ухудшается вследствие антропогенного влияния. Люди уже не способны адаптироваться к этим быстрым изменениям. Кроме того, явилась про
Демографические проблемы Украины
На протяжении последних лет в динамике здоровья населения Украины наметился ряд отрицательных тенденций, в определенной мере связанных с неудовлетворительной экологической ситуацией. В Украине с на
Техносфера. Природно-промышленные системы и закономерности их функционирования
Техногенезом в истории цивилизации называют создание техники и технологий, создание человеком все более совершенных орудий и устройств для воздействия на окружающий мир с целью производства и потре
Экологические проблемы городов
Процесс урбанизации не ограничивается только ростом городского населения или числа и размера городов, он проявляется в увеличении роли города в жизни общества, в изменении образа жизни многих людей
Влияние окружающей естественной среды на здоровье населения
Загрязнение окружающей среды влияет на здоровье разными путями и практически может влиять через все сферы контакта человека с окружающей средой. Из этого явствует, что для человека неблагоприятным
Полевые наблюдения
Полевые наблюдения - метод непосредственного наблюдения изучаемой экосистемы или ее определенных компонентов в естественных условиях без вмешательства экспериментатора в ее состав и функционировани
Экспериментальные методы
В экологических исследованиях, как и в других биологических науках, часто применяетсяэкспериментальный метод. В отличие от пассивного наблюдения при проведении эксперимента исследователь соз
Моделирование в экологии
Метод моделирования - это построение, проверка, исследование моделей и интерпретация полученных результатов.
Сущность моделирования состоит в том, что наряду с системой (оригиналом), котор
Проблематика и основные направления экологических исследований
Борьба с различными формами загрязнения биосферы - проблема, лишь условно относимая к экологическим. Разработка различного рода очистных сооружений - задача чисто техническая и во многом решенная,
Новости и инфо для студентов