Основные климатообразующие факторы. Климат, как экологический фактор

Исследования  выявили также роль конкуренции в экосистемах, которая приводит к снижению стимулирующего эффекта высоких концентраций СО2. Действительно, саженцы деревьев одного вида в умеренном климате (Новая Англия, США) и тропиках росли лучше при высокой концентрации атмосферного СО2, однако при совместном выращивании саженцев разных видов продуктивность таких сообществ при тех же условиях не повышалась. Вероятно, конкуренция за питательные вещества сдерживает реакцию растений на повышение углекислого газа.  

Исследования  показывают, что в листьях растений, сформировавшихся в условиях высоких концентраций углекислого газа, меньше содержание азота, а следовательно, белка. Поэтому ценность такой растительности как пищи для животных и насекомых значительно снижена. Действительно, в экспериментах насекомые начинали съедать существенно больше листьев этих растений по сравнению с растительностью в условиях нормальной концентрации СО2. Причем у насекомых замедляется развитие, они становятся более уязвимыми для хищников и паразитов. В результате популяция травоядных насекомых сокращается, сужается и пищевая база многих хищников. Могут измениться и другие экологические взаимосвязи. Установлено, например, что при повышенном уровне диоксида углерода ускоряется рост, цветение и старение растений. Изменение периода цветения может в свою очередь “сорвать” опыление растений из-за несовпадения цветения с пиком активности и распространенности опылителей. Поэтому не приходится говорить о росте видоразноообразия в условиях повышенной концентрации СО2. В целом на основании приведенных результатов научных исследований можно видеть, что будущая атмосфера Земли с высоким содержанием двуокиси углерода окажет прямое и значительное влияние на состав и функционирование экосистем.  

Изучение  адаптивной стратегии и реакции растений на колебания основных факторов, влияющих на изменение климата и характеристики окружающей среды, позволило уточнить некоторые прогнозы. Еще в 1987 г. был подготовлен сценарий агроклиматических последствий современных изменений климата и роста СО2 в атмосфере Земли для Северной Америки. Согласно проведенным оценкам, при увеличении концентрации СО2 до 400 ppm и росте средней глобальной температуры у земной поверхности на 0.5°С урожайность пшеницы в этих условиях увеличится на 7-10%. Но рост температур воздуха в северных широтах особенно проявится в зимнее время и вызовет чрезвычайно неблагоприятные частые зимние оттепели, которые могут привести к ослаблению морозостойкости озимых культур, вымерзанию посевов и повреждению их ледяной коркой. Прогнозируемое увеличение теплого периода вызовет необходимость селекции новых сортов с более продолжительным вегетационным периодом.  

Что касается прогнозов урожайности основных сельскохозяйственных культур для  России, то происходящий рост средних  приземных температур воздуха и рост СО2 в атмосфере, казалось бы, должны иметь положительный эффект. Воздействие только роста углекислого газа в атмосфере может обеспечить рост продуктивности ведущих сельскохозяйственных культур - С3-растений (хлебных злаков, картофеля, свеклы и др.) - в среднем на 20-30%, тогда как для С4-растений (кукурузы, проса, сорго, амаранта) этот рост незначителен. Однако потепление, очевидно, повлечет за собой снижение уровня атмосферного увлажнения примерно на 10%, что осложнит земледелие особенно в южной части Европейской территории, в Поволжье, в степных районах Западной и Восточной Сибири. Здесь можно ожидать не только снижения сбора продукции с единицы площади, но и развития эрозионных процессов (особенно ветровых), ухудшения качества почв, в том числе потери ими гумуса, засоления, опустынивания значительных территорий. Было установлено, что насыщение приземного слоя атмосферы толщиной до 1 м избытком СО2 может откликнуться “эффектом пустыни”. Этот слой поглощает восходящие тепловые потоки, поэтому в результате его обогащения диоксидом углерода (в 1.5 раза в сравнении с нынешней нормой) локальная температура воздуха непосредственно у земной поверхности станет на несколько градусов выше средней температуры. Интенсивность испарения влаги из почвы увеличится, что приведет к ее иссушению. Из-за этого в целом по стране может снизиться производство зерна, кормов, сахарной свеклы, картофеля, семян подсолнечника, овощей и т.д. В результате изменятся пропорции между размещением населения и производством основных видов сельскохозяйственной продукции.  

Наземные  экосистемы, таким образом, весьма чувствительны  к увеличению СО2 в атмосфере, причем, поглощая избыточный углерод в процессе фотосинтеза, в свою очередь способствуют и росту атмосферного углекислого газа. Не менее важную роль в формировании уровня СО2 в атмосфере играют процессы почвенного дыхания. Известно, что современное потепление климата вызывает усиленное выделение неорганического углерода из почв (особенно в северных широтах). Модельные расчеты [19], проведенные с целью оценки отклика наземных экосистем на глобальные изменения климата и уровня СО2 в атмосфере, показали, что в случае только роста СО2 (без климатических изменений) стимуляция фотосинтеза уменьшается при высоких значениях СО2, но выделение углерода из почв растет по мере его аккумуляции в растительности и почвах. Если содержание СО2 в атмосфере стабилизируется, чистая продукция экосистем (результирующий поток углерода между биотой и атмосферой) быстро падает до нуля, так как фотосинтез компенсируется дыханием растений и почв. Ответом наземных экосистем на климатические изменения без воздействия роста СО2, согласно этим расчетам, может стать уменьшение глобального потока углерода из атмосферы в биоту из-за усиления дыхания почв в северных экосистемах и уменьшения чистой первичной продукции в тропиках в результате падения влагосодержания почв. Этот результат подтверждается оценками, согласно которым воздействие потепления на дыхание почв превалирует над воздействием его на рост растений и уменьшает почвенный запас углерода. Совместное воздействие глобального потепления и роста СО2 в атмосфере может увеличить глобальную чистую продукцию экосистем и сток углерода в биоту, однако значительное возрастание почвенного дыхания может компенсировать этот сток в зимний и весенний периоды. Немаловажно, что эти прогнозы реакции наземных экосистем существенно зависят от видового состава растительных сообществ, обеспеченности питательными веществами, возраста древесных пород и значительно варьируют в пределах климатических зон.  
 

Экологический фактор - это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями. В общем случае фактор - это движущая сила какого-либо процесса или влияющее на организм условие. Окружающая среда характеризуется огромным разнообразием экологических факторов, в том числе и пока не известных. Каждый живой организм в течение всей своей жизни находится под воздействием множества экологических факторов, различающихся происхождением, качеством, количеством, временем воздействия, т.е. режимом. Таким образом, окружающая среда - это фактически набор воздействующих на организм экологических факторов.

Принято выделять биотические, антропогенные  и абиотические экологические факторы. Биотические факторы — всё множество факторов среды, связанных с деятельностью живых организмов. К ним относятся фитогенные (растения), зоогенные (животные), микробиогенные (микроорганизмы) факторы.

Антропогенные факторы — всё множество факторов, связанных с деятельностью человека. К ним относятся физические (использование атомной энергии, перемещение в поездах и самолётах, влияние шума и вибрации и др.), химические (использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта; биологические (продукты питания; организмы, для которых человек может быть средой обитания или источником питания), социальные (связанные с отношениями людей и жизнью в обществе) факторы.

Абиотические  факторы — всё множество факторов, связанных с процессами в неживой природе. К ним относятся климатические (температурный режим, влажность, давление, свет, движение воздуха), эдафогенные (механический состав, воздухопроницаемость, плотность почвы), орографические (рельеф, высота над уровнем моря), химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность), физические (шум, магнитные поля, теплопроводность, радиоактивность, космическое излучение). 

Климатические условия в различных частях земного шара тесно связаны с деятельностью Солнца.

Солнечный свет является основным источником энергии, которая используется для всех жизненных процессов на Земле. Благодаря энергии солнечных лучей в зеленых растениях происходит фотосинтез, в результате которого обеспечивается питание всех гетеротрофных организмов.

Солнечное излучение неоднородно по своему составу. В нем различают инфракрасные (длина волны более 0,75 мкм), видимые (0,40 – 0,75 мкм) и ультрафиолетовые (менее 0,40 мкм) лучи. Инфракрасные лучи составляют около 45 % лучистой энергии, достигающей Земли, и являются главным источником тепла, поддерживающего температуру окружающей среды. Видимые лучи составляют около 50 % лучистой энергии, которая особенно необходима растениям для процесса фотосинтеза, а также для обеспечения видимости и ориентации в пространстве всех живых существ. Хлорофилл поглощает преимущественно оранжево-красные (0,6--0,7 мкм) и сине-фиолетовые (0,5 мкм) лучи. Растения используют на фотосинтез менее 1 % солнечной энергии; остальная ее часть рассеивается в виде тепла или отражается.

Большая часть ультрафиолетового излучения  с длиной волны менее 0,29 мкм задерживается  своеобразным «экраном» – озоновым слоем атмосферы, который образуется под воздействием этих же лучей. Это излучение является губительным для живого. Ультрафиолетовые лучи с большей длиной волны (0,3--0,4 мкм) достигают поверхности Земли и в умеренных дозах оказывают благоприятное воздействие на животных -- стимулируют синтез витамина В, пигментов кожи (загар) и др.

Большинство животных способны воспринимать световые раздражения. Уже у простейших начинают появляться светочувствительные органоиды («глазок» у эвглены зеленой), с помощью которых они способны реагировать на световое воздействие (фототаксисы). Почти все многоклеточные имеют разнообразные светочувствительные органы.

По требовательности к интенсивности освещения различают  светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые  растения.

Светолюбивые  растения могут нормально развиваться  только при интенсивном освещении. Они широко распространены в сухих  степях и полупустынях, где растительный покров редкий и растения не затеняют друг друга (тюльпан, гусиный лук). К светолюбивым растениям относятся и хлебные злаки, растения безлесных склонов (чабрец, шалфей) и др.

Теневыносливые  растения лучше растут при прямом освещении солнечными лучами, однако способны выносить и затенение. Это в основном лесообразующие породы (береза, осина, сосна, дуб, ель) и травянистые растения (зверобой, земляника) и др.

Тенелюбивые растения не выносят прямого солнечного излучения и нормально развиваются в условиях затенения. К таким растениям относятся лесные травы -- кислица, мхи и др. При вырубке леса некоторые из них могут погибать.

Ритмические изменения активности светового  потока, связанные с вращением  Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, заметно отражаются на живой природе. Продолжительность светового дня неодинакова в различных частях земного шара. На экваторе она постоянна на протяжении всего года и равна 12 ч. По мере передвижения от экватора к полюсам длительность светового дня изменяется. В начале лета световой день достигает максимальной длины, затем постепенно уменьшается, в конце декабря становится самым коротким и снова начинает увеличиваться.

Реакция организмов на продолжительность светового  дня, выражающаяся в изменении интенсивности  физиологические процессов, называется фотопериодизмом. С фотопериодизмом связаны основные приспособительные реакции и сезонные изменения у всех живых организмов. Совпадение периодов жизненного цикла с соответствующим временем года (сезонный ритм) имеет огромное значение для существования видов. Роль пускового механизма сезонных изменений (от весейнего пробуждения до зимнего покоя) играет длина светового дня, как наиболее постоянное изменение, предвещающее смену температур и других экологических условий. Так, увеличение длины светового дня стимулирует дея-тельность половых желез у многих животных и определяет начало брачного периода. Укорочение светового дня ведет к затуханию функции половых желез, накоплению жира, развитию пышного меха у животных, перелетам птиц. Аналогично у растений с удлинением светового дня связано образование гормонов, влияющих на цветение, оплодотворение, плодоношение, образование клубней и т. д. Осенью эти процессы затухают.

В зависимости  от реакции на длину светового  дня растения делят на длиннодневные, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 и более часов (рожь, овес, ячмень, картофель и др.), короткодневные, у которых цветение наступает, когда день становится коротким (менее 12 ч) (это растения преимущественно тропического происхождения -- кукуруза, соя, ифосо, георгины и др.) и нейтральные, цветение которых не зависит от длины светового дня (горох, гречиха и др.). 

На основе фотопериодизма у растений и животных в процессе эволюции выработались специфические изменения интенсивности физиологических процессов, периодов роста и размножения, повторяющиеся с годичной периодичностью, которые называются сезонными ритмами. Изучив закономерности суточных ритмов, связанных со сменой дня и ночи, и сезонных ритмов, человек использует эти знания для круглогодичного выращивания в искусственных условиях овощей, цветов, птиц, повышения яйценоскости кур и т. п.