Текст книги "Экология и эколого-биотехнологические аспекты использования фитотехнологий"
Автор книги: Евгений Гладков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 2 страниц)
Нарушения в экосистеме, происходящие при остающихся средних характеристиках окружающей среды, обуславливают адаптации, сохраняющие основную структуру биоценоза (например, изменение численности ведёт к изменению в пищевых сетях). При более существенном нарушении биоценоза возникают неустойчивые сообщества, в идеальном случае ведущие к восстановлению начального биогеоценоза (однако это происходит не всегда, иногда сукцессия останавливается на каком-то этапе, а в случае вмешательства человека вероятность восстановления первоначального биогеоценоза снижается).
Гомеостаз биологических систем и биосфера установились на протяжении длительного времени. В течение последних десятилетий антропогенная деятельность оказывает такое же влияние (а иногда и превосходят) на биосферные процессы, как и естественные факторы.
Организм обитает в сложных и изменчивых условиях окружающей среды, с которой поддерживает тесную связь, основанную на обменных процессах.
Способность живых организмов сохранять стационарное состояние в условиях изменяющейся окружающей среды обуславливает их выживание.
Гомеостаз состояние динамического равновесия организма с окружающей средой. При этом организм сохраняет свои свойства и осуществляет жизненные функции на фоне изменяющихся внешних условий.
Гомеостаз экосистемы – это равновесие составляющих ее популяций. Устойчивое увеличение или уменьшение любой популяции приводит к изменению экосистемы в целом.
Экологическое равновесие состояние экосистемы, при котором постоянны (или при сукцессиях постепенно изменяются) состав биоты, биопродукция и круговороты элементов питания.
При экологическом равновесии усвоенные живыми организмами элементы возвращаются в окружающую среду и снова участвуют круговороте веществ. Вновь образовавшееся растительное органическое вещество примерно равно по количеству тому, которое было использовано гетеротрофами, а затем разрушено редуцентами.
Экологическое равновесие возникает в результате многих межвидовых биоценотических взаимоотношений (мутуализм, взаимоотношение хищник жертва, конкуренция), значительную роль играют редуценты.
Абсолютное экологическое равновесие невозможно потому, что на экосистему оказывают влияние внешние экологические факторы, вызывающие ее колебания и приводящие к повышению или понижению численности и биопродукции популяций различных видов (Шилов, 2000).
1.11. Основные законы аутэкологии
Изучение влияние классических абиотических факторов является одной из важнейших задач современной общей экологии, при изучении влияния этих факторов учитывают общие закономерности воздействия условий окружающей среды на живые организмы.
Закон оптимума: любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного воздействия на организм. Например, организмы плохо переносят сильную жару и низкую температуру; оптимальными являются средние температуры.
Для каждого организма, популяции, экосистемы существует диапазон условий среды – диапазон устойчивости, в рамках которого происходит жизнедеятельность объектов.
Закон индивидуальности экологии видов: вид по каждому экологическому фактору распределен по-своему, кривые распространенности различных видов перекрываются, но их оптимумы различаются.
Закон лимитирующих факторов: экологические факторы, приближаясь к минимуму или к максимуму, необходимому для поддержания жизнедеятельности организмов, становятся лимитирующими, ограничивая возможность выживаемости организмов.
Лимитирующий (ограничивающий) фактор – это фактор, оказывающий наибольшее влияние на популяцию.
Чем больше отклонения фактора от оптимума, тем менее благоприятно это для организма.
Иногда кривые оптимума экологических факторов для разных видов не совпадают (например, для некоторых видов, устойчивых к низким температурам, оптимальной будет температура значительно ниже, чем для других). Очень часто оптимумы экологических факторов не совпадают в течение всей жизни организмов. Икра лососей развивается только в интервале температур от 0 до +12 оС, а взрослые особи переносят колебания от – 2 до +20 оС.
Экологические факторы действуют на организмы по разному. Лишь в простейших случаях имеет место прямое влияние. Однако очень часто экологические факторы влияют косвенно: сочетание высокой температуры с низкой влажностью и отсутствие дождей приводит к выгоранию растительности, миграции или вымиранию травоядных животных и т. д.
Сила экологических факторов постоянно меняется, мы живем в мире с переменными условиями, и практически нет мест на планете, где значения экологических факторов более или менее постоянны (пожалуй, только на дне океана или в глубине пещер).
При оптимальных значениях экологического фактора организмы активно растут, питаются, размножаются.
В основном возможность существования видов определяется экстремальными условиями. В природе даже при благоприятных условиях существования всегда оказывается в минимуме или максимуме какой-либо важный фактор.
Такие отклонения бывают эпизодическими, но влекут за собой самые пагубные последствия (многоснежные суровые зимы, наличие опасных паразитов, наводнения).
С законами оптимума и лимитирующих факторов сталкивается сельское хозяйство.
Закон взаимодействия экологических факторов гласит: оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо экологическому фактору окружающей среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы.
Один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает разное экологическое воздействие. Например, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания значительно выше при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду.
Следовательно, одно и то же экологическое воздействие может быть получено разными способами. Увядание растений можно приостановить за счет увеличения количества влаги в почве, а также в результате снижения температуры воздуха, уменьшающего испарение. Таким образом, создается эффект частичного взаимозамещения экологических факторов.
Однако, взаимная компенсация действия экологических факторов окружающей среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Например, отсутствие воды при наличии всех остальных благоприятных факторов приводит к гибели растений, подобная закономерность наблюдается при отсутствии хотя бы одного из основных элементов минерального питания. Крайний дефицит тепла в полярных пустынях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью (Чернова, Былова, 1988; Маврищев, 2007; Федорук, 2010; Гладков, 2011).
В окружающей среде всегда какой-либо фактор оказывается в минимуме или максимуме, он характеризуется как лимитирующий фактор, который ограничивает размножение. В городе же организмы обычно чувствуют недостаток многих полезных веществ и переизбыток токсикантов, поступающих из-за выбросов автотранспорта, промышленных производств и т. д. Таким образом, в мегаполисах наблюдается комплексное воздействие неблагоприятных экологических факторов, например тяжелых металлов, засоления и т. д.
Закон взаимодействия экологических факторов для антропогенных факторов можно сформулировать следующим образом: при взаимодействии антропогенных химических факторов наблюдается либо усиление токсического действия в результате простого суммирования или улучшения поглощения токсикантов, либо ослабление за счет подавления поглощения одного или ряда вредных веществ другим, или перевода токсиканта в физиологически инертные формы. При очень высоких концентрациях вредных веществ, при комплексном взаимодействии часто происходит усиление токсичного воздействия на растения. К большому сожалению, понятие предельно допустимая концентрация (ПДК) часто не учитывает комплексное воздействие неблагоприятных факторов, поэтому необходимо разработать экологические нормативы, например для почвенных условий, различных групп организмов которые учитывали комплексное воздействие хотя бы нескольких факторов. В идеале, например, для почв, необходимо провести анализ токсикантов, содержащихся в почвах определенного города, поселка и, с учетом наличия основных токсикантов, ввести понятие ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) комплексного воздействия, отдельно для каждых групп живых организмов (травянистых цветковых растений, хвойных и др). ОДК комплексного воздействия в почвенных условиях в случае ослаблении токсического действия должна соответствовать ОДК или ПДК наиболее токсического вещества, в случае усиления токсического действия ОДК комплексного воздействия – это максимальная концентрация загрязняющих химических веществ в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени не вызывает негативных последствий для живых организмов и их потомков.
Результаты наших опытов для ряда травянистых растений показали усиление токсического действия кадмия при добавлении свинца и ослабление при добавлении цинка, усиление действия меди при добавлении цинка.
1.12. Экологическая роль растений
Растения в биосфере играют ведущую роль. Только содержащие хлорофилл зеленые растения способны аккумулировать энергию Солнца, создавая органические вещества из неорганических, при этом растения извлекают из атмосферы диоксид углерода и выделяют кислород, поддерживая ее постоянный состав. Следовательно, растения являются биологическим источником кислорода на Земле и оказывают значительное влияние на климат. Растения, во многих случаях – это первое звено в пищевой цепи, фитоценозы определяют фауну любого биоценоза суши. Культурные растения фактически являются основой современного сельского хозяйства, человек широко использует дикорастущие и культивируемые растения для изготовления лекарственных препаратов, в пищевых и декоративных целях. Растения растут в различных экосистемах, имеющих разную температуру, влажность, освещение и т. д., они образуют различные сообщества (фитоценозы) на суше, обусловливая разнообразие ландшафтов и экологических условий для других организмов. Растения участвуют в формировании почвы и торфа, а скопления ископаемых растений образовали месторождения бурого и каменного угля.
1.13. Биоиндикация
Растения, использующиеся в качестве показателей определенных экологических условий, называют индикаторами. В качестве индикаторов используют отдельные виды растений и растительные сообщества. Биоиндикационные исследования помогают проследить распределение многих вредных веществ, оценить общее состояние окружающей среды. На растения воздействуют присутствующие в воздухе и почве загрязняющие вещества, у чувствительных растений возникает повреждение листьев и т. д. Например, очень сильно реагируют на сернистый газ лишайники. При концентрации выше 0,3 мг/м3, первыми исчезают кустистые формы, далее листоватые, а последними накипные. В больших городах лишайники встречаются крайне редко.
Характерное действие загрязняющих веществ на городские газоны «краевой эффект», состоящий в образовании не покрытых растительностью участков вдоль дорог. Высокие концентрации тяжелых металлов отрицательно влияют на растения, замедляя их рост и развитие, вызывают образование некрозов, снижают фотосинтезирующую активность. У овсяницы, при концентрации свыше 75 мг/кг меди, замедляется рост и развитие. Засоление отрицательно действует на прорастание семян и рост растений в стартовый период (Гладков, 2003; Гладков и др. ,2014).
1.14. Экологическая сукцессия
Экологическая сукцессия процесс замещения во времени состава, структуры и формации экосистем под влиянием внешних и внутренних факторов.
Сукцессия (от лат. successio– преемственность, наследование) – это процесс саморазвития сообществ. В основе сукцессии лежит неполнота биологического круговорота в данной.
Существующие популяций в экосистемах меняют свое окружение в неблагоприятную сторону и в результате оказываются вытесненными популяциями других видов, для которых вызванные преобразования среды оказываются экологически выгодными. В экосистемах происходит смена господствующих видов. Длительное существование возможно лишь в том случае, когда изменения среды, вызванные деятельностью одних организмов, компенсируются деятельностью других, с противоположными экологическими требованиями.
В основном процессы сукцессии изменяются годами и десятилетиями, однако, иногда смены сообществ идут с громадными скоростями (в небольших водоемах). Последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией.
Пример сукцессии занятие организмами недавно образовавшегося вулканического острова.
Водоросли, лишайники попадают на остров и образуют сообщества (деревья не могут расти на голой скальной почве острова). Формирование слоя почвы дает возможность поселения мхов и папоротников. За этими растениями следуют цветковые растения (деревья, кустарники, травы).
Начальный этап сукцессий (по В.Н. Сукачеву) процесс первоначального формирования растительного покрова, связанный с миграцией растений на данную территорию, их отбором в процессе приспособления к ее условиям и конкуренция между ними за ресурсы среды.
Интересен процесс изменения растительности на песчаных дюнах. Сначала появляются многолетние растения, способные переносить засушливые условия. Они укрепляют поверхность дюны и вносят в песок органические вещества. Появившиеся однолетники способствуют обогащению субстрата органическим материалом, способствующих появлению новых вилов травянистых растений. Затем появляются проростков сосны, которые закрепляются здесь и спустя много поколений образуют сосновые леса на песчаных дюнах.
Наблюдать сукцессию можно на заброшенных агроэкосистемах, которые не используются для выращивания растений, они быстро покрываются разнообразными однолетними растениями. Сюда же попадают семена различных древесных хвойных и лиственных пород: сосны, ели, березы, осины. Попав на почву, семена начинают прорастать, причем в наиболее благоприятном положении оказываются мелколиственные породы. Хвойные (ель, сосна) не могут конкурировать из-за бурного развития трав и из-за влияния разлагающегося опада. Вначале изменения происходят быстро, затем скорость сукцессии снижается. Березы образуют густую поросль, световой режим изменяется, ель в этот период отстают от березовых.
К 10 годам березы формируют устойчивое березовое насаждение высотой до 10-12 м. Начинает подрастать ель, образуя подрост разной степени густоты.
По мере смыкания крон светолюбивые растения, характерные для начальных стадий сукцессии, постепенно начинают выпадать, уступая место теневыносливым и тенелюбивым. Меняется животный компонент экосистемы.
Смешанный елово-березовый лес постепенно сменяется лесом еловым. Ель перегоняет в росте соперницу-березу, создает значительную тень, и светолюбивая береза выпадает из древостоя. Естественный процесс смены березняка елью длится более 100 лет.
Климаксное сообщество устойчивое самовозобновляемое сообщество, находящееся в равновесии со средой.
В каждой природной зоне свой климакс: в тайге еловый лес, в широколиственных лесах липы и дубы.
Выделяют два вида сукцессионных смен: 1) с участием как автотрофного, так и гетеротрофного компонентов 2) с участием гетеротрофов. Сукцессии гетеротрофного типа возникают там, где создается предварительный запас или постоянное поступление органических соединений, за счет которых существует сообщество.
Различают сукцессии экзоэкогенетические (смена сукцессий вызвана внешними, абиотическими причинами: осушение болот человеком, загрязнение водоемов и др.) и эндоэкогенетические (изменение структуры и системы связей в сообществах). Обе категории сукцессий тесно взаимосвязаны и могут переходить одна в другую.
Сукцессии (по Ф. Клементсу) проходят через фазы обнажения (появление незаселенного пространства), миграции (заселение первичными формами жизни), эцезиса (колонизация и приспособления к условиям среды), соревнования (конкуренция с вытеснением первых поселенцев), реакции (условия существования и обратное воздействие на живые организмы) и стабилизации (формирование климатического биоценоза).
Выделяют первичные и вторичные сукцессии. Растения, входящие в состав сукцессии, могут отличаться по эколого-физиологическим параметрам; виды, обычно входящие в первичную сукцессию, отличаются большой скоростью фотосинтеза.
Первичные сукцессии начинаются в тех условиях, где отсутствовали живые организмы. Формирование экосистем на безжизненном пространстве – экогенетическая сукцессия (поселение лишайников на скалах дает начало формированию скальных биоценозов; создается первичная почва, пригодная для других видов). Через несколько промежуточных сообществ формируются устойчивые сообщества: зарастание отвалов пустой породы, зарастание скал и др. Такие сукцессии называют ксерическими сукцессии, изменяющие почву, пригодную для многих видов растений.
При заселении таких участков живые организмы необратимо изменяют местообитание, что изменяет видовое разнообразие и виды сменяют друг друга. Ведущая роль принадлежит накоплению отмерших растительных остатков или продуктов разложения… Постепенно формируется почвенный профиль, изменяются свойства экосистемы.
Вторичные сукцессии происходят на территориях, полностью или практически полностью лишенных растительности, которые ранее находились под влиянием живых организмов и обладали органическим компонентом.
Вторичные сукцессии являются восстановительными. Сукцессии, которые вызываются влиянием хозяйственной деятельности человека, называют антропогенными.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
