Поток энергии и круговорот питательных веществ
ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ (БИОгеоЦЕНОЗОВ)
1. Понятия биогеоценоз и экосистема.
2. Поток энергии и круговорот питательных веществ.
3. Пищевые цепи и трофические уровни.
4. Экологические пирамиды.
5. Продуктивность экосистем.
6. Рациональное использование экосистем.
1. Понятия биогеоценоз и экосистема. Термин «биогеоценоз» (от греч. bios — жизнь, geo — земля, koinos — общий) был предложен в 1942 г. русским ботаником В. Н. Сукачевым. Биогеоценоз — это комплекс живых организмов (биоценоз) и условия абиотической среды вместе с занимаемой территорией (биотоп). Одновременно английский ботаник А. Тенсли предложил термин «экосистема». Экосистема — это совокупность совместно обитающих организмов и абиотических факторов, функционирующих как единое целое. Экосистема — более широкое понятие, не имеющее определенных масштабов. Экосистемой можно назвать населенные живыми организмами аквариум, каплю воды, горный хребет, биосферу в целом.
Биогеоценоз — частный случай экосистемы. Граница биогеоценоза определяется растительным сообществом — фитоценозом (хвойные леса, березовые рощи и др.). Любой биогеоценоз имеет структуру и закономерности функционирования.
Структура биогеоценоза
1 Абиотический компонент — энергия, световая или окисления химических веществ, минеральные и органические вещества и др.
2 Биотический компонент:
|
|
|
Автотрофный компонент (организмы, образующие органические вещества, которые используются другими членами биогеоценоза (зеленые растения, фотосинтезирующие бактерии, хемосинтезирующие бактерии).
Гетеротрофный (организмы, которые живут за счет питательных веществ, образованных продуцентами, и организмы, разлагающие мертвое органическое вещество до минеральных солей и углекислого газа).
Показатели функционирования экосистемы
Биомасса — суммарная масса особей сообщества, произведенная за единицу времени и отнесенная к единице площади или объема среды обитания.
Продукция — это суммарная биомасса, образованная за определенное время.
Биомасса живого вещества Земли — около 2000 млрд т. Биомасса наземных зеленых растений — 90 %, 10 % — гетеротрофные организмы.
Можно выделить следующие особенности функционирования биогеоценозов:
1. Целостность — все живые существа и их среда связаны потоками вещества и энергии в единое целое.
2. Самовоспроизводство — воссоздание организмов и их среды обитания. Самовоспроизводство является следствием целостности биогеоценозов.
3. Устойчивость — способность сохранять равновесие между организмами и средой. Является результатом адаптации организмов, их совместной эволюцией.
|
|
|
4. Саморегуляция — способность автоматически устанавливать и поддерживать необходимые уровни численности различных популяций и видов (хищник—жертва, паразит—хозяин и др.).
Способность к развитию в ходе сукцессии.
В ходе сукцессии происходит:
1. Смена видов организмов.
2. Повышение видового разнообразия.
3. Накопление органического вещества и гумуса.
4. Повышение энергии, затраченной сообществами.
Агроценозы
Агроценозы — это экосистемы, которые формируются в результате хозяйственной деятельности человека. Агроценоз — это сообщество организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного пользования, занятых посевами или посадками культурных растений. Агроценозами являются поля, огороды, сады, парки, цветники, искусственно создаваемые человеком водоемы.
Как любая экосистема, агроценоз имеет определенный состав организмов и определенные взаимоотношения между ними. В агроценозе складываются сходные пищевые цепи, что и в природной экосистеме: продуценты—консументы—редуценты.
Обязательное звено агроценоза — это человек, создающий эту систему, использующий урожай.
Особенности агроценозов как экосистем:
|
|
|
1. В природной экосистеме действует естественный отбор, направленный на взаимоприспособленность и устойчивость. В агроценозах — искусственный отбор, направленный на повышение урожайности. Устойчивость агроценозов низкая.
2. Природные экосистемы способны к саморегуляции. Агроценозы не могут саморегулироваться и самовозобновляться. Агроценоз существует один-два года.
3. Агроценоз характеризуется низким видовым разнообразием по сравнению с природной экосистемой.
4. В агроценоз человеком постоянно вносится энергия и биогенные элементы (К, Р, N и др.) в виде удобрений, средств защиты растений (гербицидов, инсектицидов и др.).
5. Круговорот питательных элементов в агроценозе изменен, т. к. человек постоянно изымает их с урожаем.
Агроценозы занимают около 10 % поверхности суши (1,2 млрд га) и дают человечеству около 90 % пищевой энергии.
| Признаки | Агроэкосистема | Биогеоценоз |
| 1. Число видов (много, мало) 2. Цепи питания (длинные, короткие) 3.Круговорот веществ (замкнутый, незамкнутый) 4.Степень устойчивости 5.Причины сукцессии |
Поток энергии и круговорот питательных веществ
Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ (круговоротом биогенных элементов).
|
|
|
Энергия – способность совершать работу, необходимую для поддержания жизни. Т. о. экосистема – единый механизм, потребляющий энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества (биогенные элементы) первоначально поступают из абиотического компонента экосистемы и в него же возвращаются в виде отходов жизнедеятельности, либо после гибели организма. Таким образом, происходит постоянный круговорот питательных веществ (биогенных элементов), в котором участвуют живые и неживые компоненты экосистемы – биогеохимические циклы. Движущая сила круговорота – энергия Солнца.
Поток энергии и круговорот биогенных элементов в экосистемах (схема):
энергия
Солнце Биотический компонент Тепловая энергия
света биогенные
элементы
Абиотический компонент
регуляция
Живые организмы – преобразователи энергии и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла (2 закон термодинамики). В конце концов, вся энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Поток энергии через экосистемы – энергетика экосистем. Единица измерения энергии - калория – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1г воды на 1ºС (от 14,5 до 15,5ºС). Источник энергии – Солнце, излучающая электромагнитную энергию звезда. Часть этой энергии - 10,5·106 кДж/м² в год захватывается землей. 40% этой энергии отражается от облаков, пыли и поверхности Земли, 15% поглощается озоновым слоем, оставшиеся 45% поглощаются растениями или земной поверхностью (5·106 кДж/м² в год). Большая часть этой энергии повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу, небольшая часть усваивается биотическими компонентами экосистем.
Гигантское значение играет видимый свет: 400-800 нм. Зелеными растениями наиболее активно поглощаются оранжево-красные (650-680 нм) и сине-фиолетовые (400-500 нм) лучи, меньше всего – желто-зеленые (380-400 нм). Проходя через водную среду, отфильтровываются красные и синие лучи, а остающийся зеленый свет слабо поглощается хлорофиллом. Поэтому у водорослей, вырабатываются дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им жить в море на большой глубине и используя энергию зеленого света. Следует отметить, что определенное участие в процессе фотосинтеза принимают близкие к видимой части света УФ-лучи и далекие от нее – ИК-лучи.
ВЫВОД: красный → оранжевый → желтый → зеленый → голубой → синий → фиолетовый → УФ → ИК лучи. У водорослей: зеленый.
В ФС-I реакционный центр образован молекулой хлорофилла а, обозначаемой Р700, где 700 – оптимум поглощения в нм.
2. Пищевые цепи и трофические уровни.
Внутри экосистемы энергия света при помощи фотосинтеза в автотрофных организмах (зеленые растения) преобразуется в органическое вещество, которое служит пищей для гетеротрофов (животных организмов). Эти животные могут быть съедены другими животными и т. д., т.е. каждый последующий организм питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность – пищевая цепь, а каждое ее звено – трофический уровень.
1 трофический уровень – автотрофы – растения (продуценты).
2 трофический уровень – первичные консументы (животные)
3 трофический уровень – вторичные консументы и т. д.
Обычно размеры пищевых цепей ограничиваются 4-5 трофическими уровнями.
Схема: Тепловая энергия
Солнечная Продуценты Травоядные Хищники Конечные
энергия хищники
Детритофаги и редуценты
(разрушители мертвых остатков)
Тепловая энергия
1. Продуценты – автотрофные организмы (зеленые растения). Превращают энергию солнца в энергию химических связей органических соединений. В водных экосистемах первичные продуценты – водоросли, составляют фитопланктон поверхностных слоев рек, озер, морей. На суше первичные продуценты – голосеменные и покрытосеменные растения (леса и луга).
2. Первичные консументы – питаются продуцентами – травоядные животные. На суше – насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. В водных экосистемах – моллюски и мелкие ракообразные – составляющие зоопланктон, питающийся фитопланктоном. К первичным консументам относятся также паразиты растений.
3. Консументы второго и третьего порядка – питаются травоядными животными. Могут быть хищниками (схватывают и убивают жертву), могут питаться падалью или быть паразитами травоядных или плотоядных животных. В типичных пищевых цепях каждый последующий организм больше предыдущего (это не относится к пищевым цепям паразитов).
Примеры:
Морская цепь: одноклеточная водоросль веслоногие рачки сельдь
Лесная цепь: растение муха паук землеройка сова
4. Редуценты. Тела погибших растений и животных и их прижизненные выделения могут служить источником питания для микроорганизмов (грибы, водоросли и бактерии) – редуценты – выделяют пищевые ферменты на мертвые тела и отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания.
5. Детритофаги (детритные пищевые цепи). Выше приведенные цепи – пастбищные пищевые цепи, в которых 1 трофический уровень – растения, 2 уровень – пастбищные животные, 3 уровень – хищники и т.д.
Кусочки частично разложившегося органического материала – детрит. Многие животные питаются им, ускоряя процесс разложения – эти животные являются детритофагами. Детритофагами могут питаться более крупные организмы, что ведет к образованию детритной пищевой цепи:
Детрит детритофаг хищник.
Пример: Мертвое животное личинки падальных мух травяная лягушка → уж обыкновенный.
Реальные пищевые цепи в экосистеме намного сложнее, т. к. животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или из разных пищевых цепей. Некоторые питаются и растениями и животными – всеядные (человек). В действительности пищевые цепи переплетаются т.о., что образуется пищевая сеть.
Некоторые организмы используют различные источники питания, пищевые цепи переплетаются и образуют пищевую (трофическую) сеть.
Закономерность цепей питания: на каждом последующем трофическом уровне используется 5—15 % (в среднем — 10 %) энергии биомассы, которая превращается в новосинтезирующиеся органические вещества. Цепи питания не могут быть длинными и состоят не более чем из четырех — шести пищевых уровней. На основании этой закономерности существуют правила экологической пирамиды.
Экологические пирамиды.
Экологические пирамиды – это графический способ отображения пищевых взаимоотношений в экосистеме.
3 типа экологических пирамид:
1. Пирамиды численности (чисел) – используются вместо пищевых цепей. Подсчитывается число различных организмов на данной территории, сгруппированных по трофическим уровням. Количество организмов на данном трофическом уровне отражается в виде прямоугольника, длина (площадь) которого пропорциональна числу организмов в данной площади или объеме.
конечные хищники IV (третичные консументы)
плотоядные III (вторичные консументы)
травоядные II (первичные консументы)
растения I (продуценты)
 | |
Неудобства пирамиды численности:
а) продуценты сильно отличаются по размерам, а один экземпляр злака или водоросли имеет тот же статус, что и одно дерево (отсюда возникают перевернутые пирамиды). Цепи питания паразитов также дают перевернутые пирамиды.
б) диапазон численности разных видов настолько широк, что часто трудно соблюсти масштаб при изображении пирамиды.
2. Пирамиды биомассы – учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня.
0,01
1
600
 |
продукция, выражается в
г сухой массы на 1 м²
Ряд неудобств:
а) популяции крупных и долгоживущих животных и растений обладают меньшей скоростью обновления биомассы по сравнению с мелкими и короткоживущими и аккумулируют вещество и энергию в течение более длительного времени.
б) сезонные изменения биомассы (пример: биомасса фитопланктона превышает биомассу зоопланктона в период «весеннего цветения», но в другие периоды возможны другие соотношения, см. схему, все числа даны в г сух. в-ва на 1м3).
 | |
6 вторичные консументы (рыба) 3 10 первичные консументы (зоопланктон) 8
2 продуценты (фитопланктон) 120
осень весна
3. Пирамиды энергии – идеальный способ отражения связей между организмами на разных трофических уровнях.
Преимущества:
а) отражает скорость образования биомассы. Каждая ступенька пирамиды энергии отражает количество энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период.
 |
от хищников к конечным хищникам 88
от травоядных к хищникам 1603
от продуцентов к травоядным 14098
валовая продукция продуцентов 87110
количество энергии (в кДж/м²·год)
б) пирамиды энергии позволяют сравнить не только различные экосистемы, но и относительную значимость популяций внутри экосистемы.
в) к основанию пирамиды энергии можно добавить еще один прямоугольник, отображающий поступление солнечной энергии.
Продуктивность экосистем.
Продуктивность экосистемы обуславливается потоком энергии, проходящей через ту или иную экосистему. Количество органического вещества, накопленного растением – первичная продукция (1-5% энергии солнечного света поглощается хлорофиллом и используется для синтеза органических молекул). Скорость, с которой растение накапливает химическую энергию, называется валовой первичной продукцией (ВПП). 20% этой энергии идет на дыхание и фотодыхание. Оставшаяся энергия это чистая первичная продукция (ЧПП) – энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней.
В дальнейшем растения поглощаются животными, часть энергии уходит на дыхание (выделяется в виде тепла) и выделяется с экскрементами и отходами метаболизма. Оставшаяся энергия идет на процессы жизнедеятельности. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами – вторичная продукция. Т.о. в каждом звене пищевой цепи часть энергии теряется, следовательно, длина пищевой цепи ограничивается размерами этих потерь. В целом потеря энергии при первичном переносе (от растений к травоядным животным) значительно большая, чем при последующих переносах, т.к. травоядные менее эффективно усваивают пищу, чем хищники (растительная пища трудноперевариваема).
Энергия, теряемая при дыхании, уходит из экосистемы безвозвратно, а заключенная в экскрементах и продуктах метаболизма передается детритофагам и редуцентам и, таким образом, не теряется для экосистемы.
5. Рациональное использование экосистем.
- означает изъятие из экосистемы тех организмов или их частей, которые используются в пищу (или для других целей), без ущерба для ее продуктивности.
Для рационального использования растений естественных экосистем и агроценозов:
а) внесение удобрений – следует применять осторожно, т.к. может привести к ухудшению структуры почвы и снижению плодородия;
б) искусственное орошение или дренаж почв;
в) выведение генетически устойчивых сортов;
г) применение химических средств (пестициды, гербициды) – следует применять очень осторожно т. к. они очень медленно разлагаются в экосистеме и вызывают негативные последствия на других трофических уровнях;
д) использование культур более устойчивых к окружающей среде.
Для рационального использования животных:
а) концепция максимального постоянного уровня добычи – это наибольшая скорость изъятия особей из популяции без ущерба для ее дальнейшей продуктивности.
б) изымать особей, не играющих роли в воспроизводстве популяции (Пример: в Англии установлен min размер ячеек для рыболовных сетей, следовательно, молодые особи, необходимые для воспроизводства, в сети не попадают).
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 60; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!