Экосистемы

1. Экосистемы

Понятие “экосистема” введено английским ботаником А. Тенсли (1935), который обозначил этим термином любую совокупность совместно  обитающих организмов и окружающую их среду.

По современным  представлениям, экосистема как основная структурная единица биосферы -- это взаимосвязанная единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания, или уравновешенное сообщество живых организмов и окружающей неживой среды. В этом определении подчеркнуто наличие взаимоотношений, взаимозависимости, причинно-следственных связей между биологическим сообществом и абиотической средой, объединение их в функциональное целое. Биологи считают, что экосистема -- совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории, вместе с окружающей их неживой средой.

В.Н. Сукачевым (1972) в  качестве структурной единицы биосферы предложен биогеоценоз. Биогеоценозы -- природные образования с четкими  границами, состоящие из совокупности живых существ (биоценозов), занимающих определенное место. Для водных организмов -- это вода, для организмов суши -- почва и атмосфера.

Понятия “биогеоценоз”  и “экосистема” до некоторой степени  однозначны, но они не всегда совпадают  по объему. Экосистема -- широкое понятие, экосистема не связана с ограниченным участком земной поверхности. Это понятие применимо ко всем стабильным системам живых и неживых компонентов, где происходит внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Так, к экосистемам относятся капля воды с микроорганизмами, аквариум, горшок с цветами, аэротенк, биофильтр, космический корабль. Биогеоценозами же они не могут быть. Экосистема может включать и несколько биогеоценозов (например, биогеоценозы округа, провинции, зоны, почвенно-климатической области, пояса, материка, океана и биосферы в целом). Таким образом, не каждую экосистему можно считать биогеоценозом, тогда как всякий биогеоценоз является экологической системой.

Масштабы экосистем  различны: микросистемы (например, болотная кочка, дерево, покрытый мхом камень или  пень, горшок с цветком и т.п.), мезоэкосистемы (озеро, болото, песчаная дюна, лес, луг и т.п.), макроэкосистемы (континент, океан и т.п.). Следовательно, существует своеобразная иерархия макро-, мезо- и микросистем разных порядков.

Биосфера -- экосистема высшего ранга, включающая, как уже было отмечено, тропосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы в пределах “поля” существования жизни. Она имеет громаднейшее разнообразие сообществ, в структуре которых обнаруживаются сложные сочетания растений, животных и микроорганизмов с разными способами жизни. В этой мозаике прежде всего выделяются экосистемы наземные и водные. Согласно сформулированному В.В. Докучаевым (1896) закону географической зональности на земной поверхности закономерно распространены различные природные сообщества, которые в комплексе и образуют единую экосистему нашей планеты. В пределах обширных территорий, или зон, природные условия сохраняют общие черты, изменяясь от зоны к зоне. Климат, растительность и животные распределяются на земной поверхности в строго определенном порядке. А раз агенты-почвообразователи, в своем распространении подчиненные известным законам, распределяются по поясам, то результат их деятельности -- почва -- должен распределяться по земному шару в виде определенных зон, идущих более или менее параллельно широтным кругам. Отчетливо видна смена Арктики и Субарктики тундрой, тундры --лесотундрой, таежно-лесной зоны -- лесостепью и степью, а далее и полупустынными пространствами на территории России. Заметна и смена равнинных экосистем горными (Кавказ, Урал, Алтай и др.). Во всех этих макроэкосистемах разного порядка следует рассматривать лишь сходные типы сообществ, формирующихся в сходных климатических условиях среды различных частей планеты, а не видовой состав и популяции макроэкосистем. Кроме того, выражена дифференциация экосистем в зависимости от локальных условий (геологических факторов, рельефа, почвообразующих пород, почв и т.д.), где уже можно рассматривать и оценивать популяции разных видов, видовой состав экологических систем. Все это многообразие экосистем биосферы, особенно планетарных (суша и океан), а также провинциальных и зональных, необходимо изучать, сопоставляя их продуктивность, которая будет рассмотрена в отдельном разделе.

Для наземных экосистем  установлена следующая иерархия: биосфера -- экосистема суши -- климатический пояс -- биоклиматическая область -- природная ландшафтная зона -- природный (ландшафтный) округ-- природный (ландшафтный) район -- природный (ландшафтный) подрайон -- биогеоценотический комплекс -- экосистема.

Экосистемы, измененные деятельностью человека, называют агроэкосистемами (полезащитные лесные полосы, поля, занятые сельскохозяйственными культурами, сады, огороды, виноградники и др.). Их основой являются культурные фитоценозы -- многолетние и однолетние травы, зерновые и другие сельскохозяйственные культуры. Они получают дополнительную энергию в виде обработки почвы, внесения удобрений, поливных вод, пестицидов и от других мелиорации, что существенно преобразует почвы, изменяет видовой состав, структуру флоры и фауны. В результате взамен устойчивых экосистем формируются менее устойчивые. Дотации энергии новым агроэкосистемам, возможности мелиорации природных экосистем должны основываться на нормах соотношения пашни, лугов, леса и вод в соответствии с почвенно-климатическими и хозяйственными условиями, а также на законах, правилах и принципах экологии.

Методы экологических  исследований

Методологической  основой экологии является системный  подход в исследованиях. На основе системного подхода изучают свойства высокоорганизованных объектов, т.е. многообразие связей между элементами экосистемы, их разнокачественость и соподчинение. При этом нельзя забывать о том, что экосистемы находятся в состоянии динамического равновесия и способны противостоять изменениям природной среды.

Системный подход состоит  из следующих этапов: определение  состава экосистемы и объектов окружающей среды, которые оказывают воздействие  на нее; определение совокупности внутренних связей и связей с окружающей средой. В системном анализе используют различные методы.

Наблюдения проводят за состоянием отдельных экосистем  и компонентов экосистемы в конкретных условиях (в поле), за их взаимосвязи  в различных ландшафтах. Определяют видовой состав всех организмов экосистем  и условия их существования. Устанавливают связи между видами, неживыми компонентами, между организмами различных видов и природно-климатическими условиями. Особое внимание уделяют количественным характеристикам - температуре, влажности, численности и плотности популяций и др. Выделяют различные зависимости, связи между элементами экосистемы и внешними условиями, а также постоянно исследуют динамику (сезонную, годовую, многолетнюю) всех организмов экосистем.

Наилучший метод наблюдений - метод мониторинга на определенных стационарах с использованием современных датчиков, дистанционного зонирования.

Когда экосистему изучают  без нарушения ее функционирования, это относится к наблюдениям, даже если в исследованиях применяют  какую-либо аппаратуру, например датчику. Исследование, связанные с вмешательством состав или структуру экосистемы (введение дополнительных факторов - внесение удобрений, химических средств борьбы с вредными видами, орошение, осушение и др.), относятся к экспериментам. Они могут быть однофакторными или многофакторными (изучают один или несколько изменяющихся факторов), непреднамеренными антропогенными (отстрел волков в Канаде).

Наблюдаемые факторы  проверяют на математических моделях, Часто применяют и биологические  модели - экосистемы из организмов, создаваемых  в лабораториях. Это промежуточный этап между природными экосистемами и математическими моделями.

Моделирование - основа научного анализа системной экологии. Процесс перевода физических, биохимических, биологических представлений об экосистемах в ряд зависимостей и операции над полученной математической системой называют системным анализом .

При моделировании  стремятся создать упрощенную модель, сходную с оригиналом. Свойства и  поведение модели можно эффективно исследовать, а данные изучения применить  к оригиналу. Для моделирования используют различные методы, в том числе модели идеализированных экосистем из одной популяции при полном достатке элементов питания, отсутствии вредителей и болезней.

Моделирование природных  процессов - метод анализа результатов  исследований экологических проблем путем упрощения сложных экосистем, применения математических методов, кибернетики, ЭВМ. Степень детализации моделей зависит от уровня из вхождения в общую структуру системы, конкретных пространственно-временных характеристик моделируемых на определенных уровнях природных процессов. Модели общего характера отражают информационную взаимосвязь различных уровней экосистем, включают многофункциональные проявления объектов среды для прогнозирования путей эволюции экологических систем, создания моделей более совершенных экосистем по сравнению с существующими.

В экологии часто применяют  колориметрические, хроматографические, спектрометрические, изотопные методы исследований.

Использование экологических  исследований при землеустройстве  и для земельно-кадастровой оценки земель. Информация, полученная в экологических исследованиях, должна быть использована при землеустройстве, решении важнейших вопросов кадастра и мониторинга земель, при оценке плодородия почв.

Особый интерес  в этом отношении представляют:

данные о размещении загрязнителей (промышленных объектов различных отраслей хозяйства), о  загрязнении воздушного бассейна, почв, вод и земель тяжелыми металлами, радионуклидами, минеральными удобрениями  и пестицидами;

материалы по химическому  составу почв, природных и сточных вод;

материалы по использованию  земель, плотности населения;

материалы по использованию  земель, плотности населения;

различные тематические карты, в особенности почвенная, ландшафтная, экологическая;

экологические паспорта предприятий, в том числе и сельскохозяйственных.

В результате землеустроитель  получает важные для работы сведения об экологическом состоянии территории, для которой достоверно может  определить микрозоны - запретные (заповедники, зеленые зоны, ландшафтно-экологические ниши, миграционные коридоры, рекреационные территории и пр.), защитные и охранные (санитарно-защитные между животноводческими фермами, различными производственными объектами и жилыми массивами, промышленными объектами и сельскохозяйственными территориями, населенными пунктами, водоохранные и прибрежные полосы и др.), агроэкологические (земли незагрязненные и недеградированные, заболоченные, потенциально эррозионно опасные, различной степени дефлированности с смытости, а также загрязненные тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами и другими вредными соединениями, сильнокислые или сильнощелочные земли и пр.).

Особенно важно  использовать результаты исследований загрязненных и других деградированных  земель на массивах сельскохозяйственных угодий, прежде всего на пашне, где возделывают культуры, продукция которых идет в пищу. При землеустройстве, ориентированном на экологически сбалансированное использование земель, следует учитывать также физическую деградацию почв, прежде всего переуплотнение, дегумификацию (потерю гумуса), антропогенные изменения осушаемых и орошаемых почв и их возможные негативные экологические последствия, воздействие кислотных дождей на почвы, загрязнение водных источников биогенными веществами и различными физическими соединениями. На основе этих данных принимают определенные землеустроительные решения (например, уточняют внутрихозяйственную специализацию, рассчитывают урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность угодий на перспективу, устанавливают состав, соотношение и размещение угодий, определяют различные мелиоративные и природоохранные мероприятия и пр.).

В проектах землеустройства  в водоохранных зонах исключаются  строительство жилых массивов и  других объектов, прокладка дорог, распашка земель. Прибрежные полосы рекомендуется залужать и высаживать на них деревья. В зонах загрязнения запрещено возделывать культуры, употребляемые на корм животным и в пищу людям, рекомендовано выращивать технические культуры, идущие на промышленную переработку, многолетние травы на семена. Если же загрязнение тяжелыми металлами слабое, то можно выращивать культуры на слов.

Совершенствование структуры  землепользования должно базироваться на концепции эколого-хозяйственного баланса территории. При организации  территории обязательно должен быть соблюден баланс между антропогенной нагрузкой на земли и способностью территории к естественному самоочищению. При организации рационального землепользования необходимо учитывать экологическое воздействие сельскохозяйственного производства на земельные ресурсы.

Данные для оценки экологического воздействия аграрного  производства на землю можно получить из ландшафтно-экологических карт. Характеристику компонентов ландшафтов, подверженных экологическим нарушениям, дают по качественным и количественным показателям. Так, загрязнение воздуха, воды и почв определяется по превышению предельно допустимых концентраций тяжелых металлов, радиоактивных веществ, различных химических веществ; водную эрозию оценивают по интенсивности смыва и пр.; заболевания людей определяют по статистическим данным.

Загрязнение окружающей среды

Под загрязнением окружающей среды понимают нежелательные изменения  физических, физико-химических и биологических  характеристик воздуха, почв, вод, которые  могут неблагоприятно влиять на жизнь  человека, необходимых ему растении, животных и культурное достояние, истощать или портить его сырьевые ресурсы. Эти негативные изменения являются результатом деятельности человека. Они прерывают или нарушают процессы обмена и круговорота веществ, их ассимиляцию, распределение энергии, в результате меняются свойства окружающей среды, условия существования организмов, снижается продуктивность или же разрушаются экосистемы. Прямо или косвенно такие преобразования влияют на человека через биологические ресурсы, воды и продукты.

Объекты загрязнения  первого порядка -- экосистемы (биогеоценозы), второго порядка -- входящие в их состав растения, животные, микроорганизмы и сам человек.

Основные источники  загрязнений антропогенного происхождения: тепловые электростанции (27 %), предприятия черной (24 %) и цветной (10,5 %) металлургии, нефтехимической промышленности (15,5 %), строительных материалов (8,1 %), химической промышленности (1,3 %), автотранспорта (13,3 %).