Экология сообществ и экосистем

При передаче энергии  с одного трофического уровня на другой большая часть энергии рассеивается в виде тепла, и только около 10 % от первоначального количества передается по пищевой цепи.

В результате, пищевые  цепи можно представить в виде экологических пирамид. Различают три основных типа экологических пирамид.

Пирамида  чисел (пирамида Элтона) отражает уменьшение численности организмов от продуцентов к консументам (например, на 1 га луга на 1 уровне находится около 9 млн растений; на 2 у ровне-700 тыс растительноядных насекомых; на 3 уровне – 350 тыс хищных насекомых и пауков; на 4 уровне – 3 птицы.)

Пирамида  биомасс показывает изменение биомасс на каждом следующем трофическом уровне: для наземных экосистем пирамида биомасс сужается кверху, для экосистемы океана — имеет перевернутый характер, что связано с быстрым потреблением фитопланктона консу ментами.

Пирамида  энергии (продукции) имеет универсальный характер и отражает уменьшение количества энергии, содержащейся в продукции, создаваемой на каждом следующем трофическом уровне. Пирамиды потоков энергии никогда не бывают «перевернутыми», т.к. следующий трофический уровень может «пропустить через себя» лишь часть энергии, усвоенной предыдущим уровнем.

 

Динамика экосистем

Изменения в сообществах  могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения — периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращается к исходному состоянию.

Поступательные  изменения — изменения в биоценозе, в конечном счете, приводящие к смене этого сообщества другим. Сукцессия последовательная смена биоценозов (экосистем), выраженная в изменении видового состава и структуры сообщества. Последовательный ряд сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией. К сукцессиям относятся опустынивание степей,| зарастание озер и образование болот и др.

В зависимости от причин, вызвавших смену биоценоза, сукцессии делят на природные и антропогенные, аутогенные и аллогенные.

Природные сукцессии происходят под действием естественных причин, не связанных с деятельностью человека. Антропогенные сукцессии обусловлены деятельностью человека.

Аутогенные  сукцессии (самопорождающиеся) возникают вследствие внутренних причин (изменения среды под действием сообщества). Аллогенные сукцессии (порожденные извне) вызваны внешними причинами (например, изменение климата).

В зависимости  от первоначального состояния субстрата, на котором развивается сукцессия, различают первичные и вторичные сукцессии. Первичные сукцессии развиваются на субстрате, не занятом живыми организмами (на скалах, обрывах, сыпучих песках, в новых водоемах и т.п.). Вторичные сукцессии происходят на месте уже существующих биоценозов после их нарушения (в результате вырубки, пожара, вспашки, извержения вулкана и т.п.).

В своем развитии экосистема стремится к устойчивому состоянию. Сукцессионные изменения происходят до тех пор, пока не сформируется стабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицу энергетического потока. Сообщество, находящееся в равновесии с окружающей средой, называется климаксным.

 

Природные экосистемы (биомы)

В зависимости от природных  и климатических условий можно  выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов). В основе классификации для наземных экосистем лежит тип естественной (исходной) растительности, для водных экосистем — гидрологические и физические особенности.

Наземные экосистемы:

1. Тундра: арктическая и  альпийская;

2. Бореальные хвойные  леса;

3. Листопадный лес умеренной зоны;

4. Степь умеренной зоны;

5. Тропические злаковники  и саванна;

6. Чапарраль (районы с  дождливой зимой и засушливым  летом);

7. Пустыня: травянистая  и кустарниковая;

8. Полувечнозеленый тропический  лес (районы с выраженными влажным  и сухим сезонами);

9. Вечнозеленый тропический дождевой лес.

Пресноводные  экосистемы:

1. Лентические  (стоячие воды): озера, пруды, водохранилища  и др.;

2. Лотические (текучие  воды): реки, ручьи, родники и др.;

3. Заболоченные  угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).

Морские экосистемы:

1. Открытый океан  (пелагическая экосистема);

2. Воды континентального шельфа (прибрежные воды);

3. Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);

4 Эстуарии (прибрежные  бухты, проливы, устья рек, лиманы, соленые марши и др.);

5. Глубоководные  рифтовые зоны.

 

Наземные  экосистемы

Размещение  по земной поверхности основных наземных биомов определяют два абиотических фактора — температура и количество осадков. Климат в разных районах земного шара неодинаков Годовая сумма осадков меняется от 0 до 2500 мм и более. При этом они выпадают равномерно в течение года или их основная доля приходится на определенный период — влажный сезон. Среднегодовая температура также варьирует от отрицательных величин до 38С. Температуры могут быть практически постоянными в течение всего года (у экватора) или меняться по сезонам.

Тундры (в северном полушарии к северу от тайги). Климат холодный с полярным днем и полярной ночью, среднегодовая температура ниже —5°С. За несколько недель короткого лета земля оттаивает не более чем на один метр в глубину. Осадков менее 200-300 мм в год. Растительность: отсутствуют деревья, господствуют медленно растущие лишайники, мхи, злаки и осоки, стелющиеся или карликовые кустарники (брусника, черника, карликовая береза). Животный мир. крупные травоядные копытные (северный олень, мускусный бык), мелкие роющие млекопитающие (лемминги), хищники, приобретающие зимой маскирующую белую окраску (песец, рысь, горностай, полярная сова). В тундре коротким летом гнездится большое число перелетных птиц, среди них особенно много водоплавающих, которые питаются имеющимися здесь в изобилии насекомыми и пресноводными беспозвоночными. Почвы тундровые — бедные с малой мощностью над слоем вечной мерзлоты.

Бореальные  хвойные леса (тайга) (северные районы Европы, Азии и Северной Америки). Климат: долгая и холодная зима, много осадков выпадает в виде снега. Растительность: господствуют вечнозеленые хвойные леса (ель, пихта, сибирская кедровая сосна, лиственница, сосна) с мощной лесной подстилкой. Животный мир: крупные травоядные копытные (лось, северный олень), мелкие растительноядные млекопитающие (заяц-беляк, белка, грызуны), волк, рысь, лисица, черный медведь, гризли, росомаха, норка и другие хищники, многочисленные кровососущие насекомые во время короткого лета. Множество болот и озер. Почвы подзолистые и дерново-подзолистые — маломощные и бедные.

Листопадные леса умеренной зоны (широколиственные леса) (Западная Европа, Восточная Азия, восток США). Климат сезонный с зимними температурами ниже 0°С, осадков 750—1500 мм в год. Растительность: господствуют леса из широколиственных листопадных пород деревьев высотой до 35—45 м (дуб, бук, клен), кустарниковый подлесок, мхи, лишайники, мощная лесная подстилка. Животный мир: млекопитающие (лоси, медведи, рыси, лисицы, волки, белки, землеройки), птицы (дятлы, дрозды, совы, соколы), пресмыкающиеся (змеи), земноводные (лягушки, саламандры), рыбы (форель, окунь, сом и др.). Биота адаптирована к сезонному климату: спячка, миграции, состояние покоя в зимние месяцы. Почвы бурые лесные. В этих районах человеческая цивилизация получила наибольшее развитие, поэтому большая часть широколиственных лесов заменена культурными сообществами.

Степи умеренной зоны (в Евразии, центр Северной Америки (прерии), юго-восток Южной Америки (пампасы), отдельные районы Африки, Австралии, Новой Зеландии (туссоки)). Климат сезонный, лето от умеренного теплого до жаркого, зимние температуры ниже 0°С, осадков 250—750 мм в год. Растительность: господствуют дерновинные злаки высотой до 2 м и выше в некоторых прериях Северной Америки или до 50 см, например, в степях России, с отдельными деревьями и кустарниками на влажных участках. Животный мир: крупные растительноядные млекопитающие — бизоны, вилорогие антилопы (Северная Америка), сайгаки, а ранее дикие лошади — тарпан (Евразия), кенгуру (Австралия), жирафы, зебры, белые носороги, антилопы (Африка); мелкие роющие млекопитающие (суслики, сурки, полевки, кролики), хищники (койоты, львы, леопарды, гепарды, гиены), разнообразные птицы. Почвы: черноземы — самые плодородные почвы в мире — и каштановые. Большая часть степей в настоящее время используется под пашню, пастбища, сенокосы и т.д.

Чапарраль (Средиземноморье, южный берег Австралии, в Калифорнии, Мексике и Грузии). Климат мягкий умеренный, осадков 500-700 мм, выпадают теплой зимой, лето засушливое. Растительность: деревья (лавр, вечнозеленые дубы) и кустарники с жесткими вечнозелеными листьями. Почвы коричневые и серо-коричневые.

Тропический грасленд и саванны (Центральная и Восточная Африка, Южная Америка, Австралия, значительная часть южной Индни). Климат сухой и жаркий большую часть года, температура высокая круглый год, осадки, 750-1650 мм в год, распределяются неравномерно по сезонам (влажный и сухой сезоны). Растительность: густая травянистая растительность (злаковые) с редкими листопадными деревьями (баобабы, акации, пальмы). Животный мир: крупные растительноядные млекопитающие (антилопы, зебры, жирафы, носороги), хищники (львы, леопарды, гепарды), птицы (африканский страус, фифы). Много кровососущих насекомых, например, муха цеце. Почвы красные ферраллитные, красно-бурые и коричнево-красные.

Пустыни травянистая и кустарниковая (некоторые районы Африки, например Сахара, Ближнего Востока и Центральной Азии, Большой Бассейн и юго-запад США, север Мексики и др.). Климат сухой, с жарким днем и холодными ночами, осадков менее 200-250 мм в год. Растительность: ксерофитные травы и редкостойный кустарник, кактусы, множество эфемеров, быстро развивающихся после непродолжительных дождей. Корневые системы у растений обширные, поверхностные, перехватывающие влагу редких осадков или стержневые корни, проникающие в землю до уровня грунтовых вод ('30 м и глубже). Животный мир: разнообразные грызуны, жабы, ящерицы и другие пресмыкающиеся, совы, орлы, грифы, мелкие птицы и насекомые в большом количестве, верблюды. Почвы светло-бурые, сероземы, такыры.

Полувечнозеленые  сезонные (листопадные) тропические леса (тропическая часть Азии, Центральная Америка). Климат со сменой сухого (4—6 месяцев) и влажного сезонов, среднегодовое количество осадков 800—1300 мм в год. Растительность: господствуют леса. Доминируют деревья верхнего яруса, сбрасывающие листья в сухой сезон. Нижний ярус образуют в основном вечнозеленые деревья и кустарники. Из вечнозеленых деревьев этих экосистем наиболее известна пальма. Животный мир: практически так же богат, как в вечнозеленых тропических дождевых лесах. Почвы красные.

Вечнозеленые  тропические дождевые леса (север Южной Америки, Центральная Америка, западная и центральная части экваториальной Африки, Юго-Восточная Азия, прибрежные районы северо-запада Австралии, острова Индийского и Тихого океанов). Климат без смены сезонов в связи с близостью к экватору, среднегодовая температура выше 17°С (обычно 28°С), среднегодовое количество осадков превышает 2000—2500 мм в год. Растительность: господствуют леса. Деревья разной высоты образуют густой полог из трех ярусов (верхний ярус, полог и нижний ярус). Кустарники и травянистая растительность практически отсутствуют. На стволах и ветвях деревьев развиваются растения-эпифиты, корни которых не достигают почвы, и деревянистые лианы, укореняющиеся в почве и взбирающиеся по деревьям до их вершин. Видовое разнообразие растений огромно. Животный мир: видовой состав богаче, чем во всех других биомах вместе взятых. Встречаются многочисленные экзотические насекомые с яркой окраской, земноводные (лягушки), пресмыкающиеся (ящерицы, змеи, черепахи), птицы (попугаи, павлины, кондор), млекопитающие (обезьяны, муравьеды, ягуары). Почвы красно-желтые ферраллитные — маломощные и бедные органическим веществом и минеральными элементами питания растений. Большая часть питательных веществ закреплена в биомассе растительности.

 

Водные  экосистемы

По типу местообитания  и образу жизни водные организмы объеденяются в следующие экологические группы. Планктон — организмы, в основном пассивно перемещающиеся за счет течения. Различают фитопланктон (одноклеточные водоросли) и зоопланктон (одноклеточные животные, рачки, медузы и др.). Нектон — активно передвигающиеся в воде животные (рыбы, амфибии, головоногие моллюски, черепахи, китообразные и др.). Бентос — организмы, живущие на дне и в грунте. Его делят на фитобентос (прикрепленные водоросли и высшие растения) и зообентос (ракообразные, моллюски, морские звезды и др.). Иногда выделяют перифитон — организмы, прикрепленные к листьям и стеблям водных растений или другим выступам над дном водоема.

Распределение организмов в водных экосистемах зависит от степени освещенности. Выделяют следующие зоны: литоральная зона (тоща воды, где солнечный свет доходит до дна), лимническая зона (толща воды до глубины, куда проникает всего 1% от солнечного света и не затухает фотосинтез), эвфотическая зона (вся освещенная толща воды — включает литоральную и лимническую зоны), профундальная зона (дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет).

В проточных  водоемах выделяют перекаты (мелководные участки с быстрым течением: дно без ила, встречаются преимущественно прикрепленные формы перифитона и бентоса) и плесы (глубоководные участки: течение медленное, на дне мягкий илистый субстрат и роющие животные).

 

Пресноводные  экосистемы

Лентические экосистемы (озера, пруды, водохранилища и др.).

Литоральная зона населена двумя группами растений: укрепившиеся в дне (камыши, рогозы, кувшинки, прикрепленные водоросли и др) и плавающие (водоросли, рдесты и др.). Животные в литерали более разнообразны, чем в других зонах водоема. Встречаются моллюски, коловратки, мшанки, личинки насекомых и др. Рыбы большую часть жизни проводят в литорали и здесь же размножаются. Многие обитающие здесь животные дышат кислородом атмосферного воздуха (лягушки, саламандры, черепахи и др.). Зоопланктон представлен ракобразными, имеющими большое значение для питания рыб (дафнии др.). Лимническая зона. Продуценты представлены фитопланктоном. В водоемах умеренного пояса «цветение» весной связано с массовым развитием диатомовых, летом — зеленых, осенью — азотфиксирующих синезеленых водорослей. Зоопланктон представлен растительноядными ракообразными и коловратками. Нектон лимнической зоны — только рыбы. Профундальная зона около дна представлена бентосными формами — личинками насекомых, моллюсками, кольчатыми червями, сапротрофными бактериями и грибами.