Лекция_4_Экосистемная_экология_для_ядерщиков

1.

04
Синэкология
сообщества и среда

2.

Биоценозы и
биотопы
Биоценоз – сообщество живых
организмов.
Биоценозы существуют в
конкретных пространствах
абиотической среды – биотопах
Биоценоз и биотоп функционируют
системно - как единое целое

3.

Экосистема
совокупность совместно обитающих разных
видов организмов и условий их существования,
находящихся в закономерной взаимосвязи друг с
другом ЗА СЧЕТ КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ
Биогеоценоз
протяженные территории, занятые
определенными типами растительного
покрова ( фитоценозами), в некоторой
степени связанные между собой
круговоротами веществ

4.

Биосфера (bio - жизнь)
часть Земли, в которой
развивается жизнь
организмов
• Живые организмы (растения,
животные, микроорганизмы).
• Тропосфера (нижний слой
атмосферы).
• Гидросфера (океаны, моря,
реки и т.д.).
• Литосфера (верхняя часть
земной коры).
Учение о биосфере принадлежит
авторству В. И. Вернадского

5.

БИОСФЕРА
включает
наземные и
водные
экосистемы

6.

Зональные экосистемы:
крупные наземные экосистемы (биомы)
связанные с широтной или высотной
зональностью, объединенные типом
растительности
• арктические пустыни и ледники,
• тундры и альпийские луга,
• леса умеренного пояса (тайга и
широколиственные),
• субтропические и экваториальные леса,
• степи/саванны/прерии,
• полупустыни и пустыни.

7.

Характеристики
биомов Качественные и
количественные
Характер растительности
Ключевые лимитирующие факторы
Почва
Степень антропогенного преобразования
Фитомасса, т/га
Чистая первичная продукция, т/га/год

8.

Глобальное распределение биомов

9.

Биомы Евразии

10.

Экологическое пространство из
двух факторов: температура и
осадки

11.

существенный компонент наземных
экосистем
Почва
верхний слой литосферы,
сформировавшийся под
воздействием биотических и
абиотических факторов

12.

Характеристики
почвы
• Гранулометрический состав (доли частиц по градациям >1,
0.25-1, 0.05-0.25, 0.01-0.05, 0.001-0.01, <0.001 мм) – есть
градация от песчаных до глинистых почв
• Физические свойства (плотность, пористость влияют влаго- и
воздухопроницаемость)
• Химический состав (гумус либо Сорг, pH, N общий, Si, Аl, Fe,
Ti, Mn, Са, Mg, К, Na, P, S…, подвижные катионы (Ca2+,
Mg2+ )

13.

Тундра
травяно-кустарничковые
мохово-лишайниковые
сообщества
на криоземах
со слабой степенью
антропогенного
преобразования
Биомасса 5-50 т/га
NPP 1-5 т/га/год
лимитируется
высотой снежного
покрова,
многолетней
мерзлотой

14.

Тайга
хвойные леса на
подзолистых почвах
с сильной степенью
антропогенного
преобразования
Биомасса 50-200 т/га
NPP 5-15 т/га/год
лимитируется
температурой,
многолетней
мерзлотой

15.

Умерянные
леса
лиственные
зимнепокоящиеся
леса на серых или
бурых почвах
с сильной степенью
антропогенного
преобразования
Биомасса 200-300 т/га
NPP 15-20 т/га/год
лимитируется
температурой,
осадками

16.

Степь
травянистые или
травяно-кустарниковые
сообщества на
черноземах
с очень сильной
степенью антропогенного
преобразования
Биомасса 20-60 т/га
NPP 10-20 т/га/год
лимитируется
осадками

17.

Пустыня
травянокустарниковые
сообщества на бурых
почвах
со слабой степенью
антропогенного
преобразования
Биомасса 1-10 т/га
NPP 1-2 т/га/год
лимитируется
осадками

18.

Субарктическая
тундра
Ненарушенная
средняя тайга
Ковыльная степь (зап.
Аскания нова)
Ненарушенный
неморальный лес
Ненарушенные
биомы
Полынная полупустыня в
Калмыкии

19.

продуценты
фототрофы
хемотрофы
консументы
редуценты
фаготрофы
сапротрофы
Вернадскому принадлежит идея,
преобразования человеческого общества из
гетеротрофного в автотрофное

20.

Изменение
вещества и
энергии
в зеленых
растениях
Глюкоза и ее производные
• служат
строительным
материалом тела растений
• являются источником энергии
растений,
т.е.
идут
на
поглощение элементов из почвы
и
клеточное
дыхание
(окислительные процессы)
• используются
консументами
первого порядка как источник
вещества и энергии

21.

Потоки вещества и энергии в биосфере

22.

Общая схема биогеохимического цикла

23.

Пищевая цепь
движение вещества в экосистеме
от одного организма к другому
ПИЩЕВАЯ
СЕТЬ
система трофических связей по схеме:
от зеленых растений → к первичным
консументам → от них к вторичным т.д.
консументам → далее к редуцентам
степь

24.

Трофические взаимодействия
обеспечивают поток энергии в экосистеме
и согласуются с постулатами:
I начало термодинамики (закон сохранения
энергии): энергия в экосистемах не исчезает и
не появляется, а лишь переходит из одной
формы в другую – из солнечной в энергию
химических связей и в тепловую
II начало термодинамики (закон увеличения
энтропии): процессы самопроизвольно идут в
том случае, если энергия переходит из
концентрированной формы в более
рассеянную – в экосистемах энергия быстро
теряется

25.

Единицы измерения потоков энергии и
вещества в экосистемах
Единица измерения энергии Джоуль (Дж).
При рассмотрении потоков в экосистемах
обычно используют МДж/га/год.
При оценках продукции экосистем часто
используют единицы массы органического
вещества или содержание углерода в нем
т/га/год, т C/га/год (массовая доля углерода
в сухом веществе у растений примерно
50%).
Пересчет возможен с использованием
единиц энергосодержания (калорийности)
сухого органического вещества: у растений
19 КДж/г, у животных 23 КДж/г.

26.

Трофический
уровень
совокупность организмов,
занимающих определённое
место в пищевой сети
1. продуценты,
создающие
органическую биомассу;
2. растительноядные консументы;
3. плотоядные,
живущие
за
счет
растительноядных форм;
4. плотоядные, специализированные на
других плотоядных;
5. сверххищники;
6. редуценты, разлагающие мертвую
органическую
биомассу
(могут быть со 2 уровня и выше)
ельник

27.

По закону пирамиды
энергии не более 10% ее
переходит на следующий
уровень

28.

Энергетическая классификация
экосистем
1.
2.
3.
4.
5.
Природные, движимые Солнцем.
Управляемые, движимые Солнцем,
субсидируемые человеком.
Природные, движимые Солнцем,
субсидируемые природой (дельты и эстуарии)
Природные, движимые другими экосистемами
(дно океана)
Природные, движимые энергией химических
реакций с неорганическими веществами
В равновесной экосистеме чистая продукция если
учесть все потери = 0, поэтому изымая более 1%
энергии мы должны субсидировать потери во
избежание деградации

29.

Принципы функционирования
экосистем:
• Получение ресурсов и
избавление от отходов
происходят в рамках
кругооборота всех элементов
• Экосистемы существуют за счет
практически вечной солнечной
энергии
• Чем больше биомасса
популяции, тем ниже
занимаемый ею трофический
уровень

30.

∞
Круговорот веществ в
биосфере
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ

31.

Геохимические циклы на Земле создаются
тектоникой и фотохимическими процессами,
происходящими в атмосфере
Подавляющее большинство абиотических
геохимических процессов происходит на основе
реакций кислот и оснований, т.е. переносом
протонов
Химия жизни основана на окислительновосстановительных потенциалах, на переносе
электронов и протонов
довольного ограниченного круга элементов…

32.

CHNOPS
имеют
образуют
несколько
летучие
стабильных
соединения
изотопов
круговорот может
осуществляться только за
счет живых организмов

33.

полный цикл атмосферного углерода занимает 8
лет, но углерод осадочных пород в биогенный
цикл был включен слабо, как и керогенный
Суглерода
круговорот
Источниками
углекислого
газа
являются вулканы, дыхание, лесные
пожары,
сжигание
топлива,
промышленность и др.
Углекислый газ из атмосферы или
растворенный в воде улавливается
растениями
и
в
результате
фотосинтеза трансформируется в
органические вещества, по пищевым
цепям проходит через все экосистемы.
Углекислый
газ
выделяется
в
атмосферу и растениями и животными
и микроорганизмами – он конечный
продукт окислительных процессов.
Углерод биогенных
веществ включается в
биотехнический цикл

34.

Эмиссия
по отраслям
экономики

35.

Биосферный углеродный цикл

36.

пулы и потоки углерода в
гигатоннах на 2010

37.

Благодаря парниковому
эффекту средняя для
всего земного шара
температура
у поверхности земли
+15о,
тогда как в его
отсутствие
она была бы -23о
повышение концентрации
атмосферного углерода
приводит к повышению
продуктивности
экосистем
СО2 вносит
значимый вклад в
парниковый эффект

38.

В последнее время вся кривая сместилась влево: фотосинтез
начинает всё раньше преобладать над дыханием (сдвиг даты «весеннее пересечение нулевой отметки».
Но дата «осеннего пересечения нулевой отметки», также
сместилась на более ранние сроки.
В теплые осени дыхание возрастает так интенсивно что
сводит на нет результаты активного фотосинтеза весной.
Сезонные колебания СО2 в атмосфере
наложенные на линию многолетнего тренда

39.

Кисло
Ород
2
круговорот кислорода
происходит между
атмосферой,
биосферой и земной
корой
атмосферный
кислород в нынешней
концентрации –
результат процессов
фотосинтеза
Полный цикл оборота
занимает 2500 лет

40.

ошибкой было избыточное внесение
удобрений, спровоцировавшее
повышение почвенного дыхания
и использование стекла для купола,
которое отсекало 45% солнечной
энергии
содержание углекислого газа выросло в
два раза в первый же день и
продолжало расти – несмотря все
попытки выращивать больше растений к
уровень кислорода падал еще быстрей,
это
было
непропорционально
повышению концентрации углекислого
газа – атмосфера стала разреженной
Проект
«Биосфера 2»

41.

Азот
полный цикл занимает 110
лет
NH4+ , NО3-
• клубеньковые бактерии бобовых и
сине-зеленые
водоросли,
способны
превращать газообразный азот в ионы
аммония
• от симбиотических растений ионы
азота распространяются по пищевым
цепям
• органические соединения азота после
гибели организмов при помощи бактерий
разлагаются до аммиака или нитратов и
частично в виде газа попадают в
атмосферу

42.

Сер
а
полный цикл не оценить
SО3-, SО4-
• сернистые
и
сульфатредуцирующие
бактерии
могут
разлагать
сульфаты
или
выделять
сероводород
• серосодержащие аминокислоты
— цистин, цистеин, метионин,
синтезируются
растениями,
входят в состав белков
• сера включена в биотехнический
цикл

43.

Ф
РО4-3осфор
входит в состав
ДНК и АТФ, костей
• растворим в воде, поглощается
корнями растений и включается
в пищевые цепи
• выводится с мочой

44.

Н 2О
воды
круговорот
Главный источник поступления воды
- атмосферные осадки, а главный
источник расхода - испарение.
Вода испаряется в основном с
поверхности водоемов, меньше с
суши.
При охлаждении насыщенного водным
паром воздуха вода конденсируется
на частичках пыли, в результате чего
образуются туман и облака, идѐт
дождь или снег.

45.

Равновесие
экосистем
поддерживается
процессами с обратной
связью
в экосистемах
действует множество
положительных и
отрицательных
обратных связей

46.

возникновение равновесного вертикального
градиента окислительно-восстановительных условий
(от анаэробных в нижней части колонки к аэробным —
в верхней)
создание экологических ниш для сосуществования в
системе разных групп бактерий
Колонка Виноградского

47.

Сукцессия закономерная последовательная смена
одних экосистем другими на определённом
участке среды
первичные
На
свободных
от почвы
субстратах
вторичные
После
нарушения
экосистем –
вырубки,
пожара,
залежи

48.

Сукцессии
являются
механизмом
саморегуляции
экосистем,
их
индивидуальным
развитием от
зарождения до
зрелости или
гибели, они
сохраняют
экосистемы во
времени и в
пространстве

49.

Экосистемные услуги
выгоды получаемые
человечеством от
правильно
функционирующих
экосистем

50.

Описать экосистему любого
уровня:
Охватываемые типы сред – наземная, водная, воздушная,
важнейшие абиотические характеристики – температура,
влажность.
Масштаб – макро (биофера, биомы), мезо (сообщества леса,
парка, пруда, луга…), микро (лужа, аквариум с рыбками)
Энергетическая классификация – чем движется, за счет чего
субсидируется
Какие вещества преобладают в круговороте, какие
специфичны данной экосистеме.
Продуктивность экосистемы (высокая, средняя, низкая) и по
какой причине сохраняется такой уровень…
Какие организмы выступают продуцентами, консументами
(сколько порядков), редуцентами? Сколько насчитывает
трофических уровней?
Какие оказывает экосистемные услуги?