Сущность понятий экосистема, биогеоценоз
В биологии используются три близких по значению понятия:
Биогеоценоз (греч. «биос» - жизнь, «гео» - земля, «ценос» - общий) - структурная и функциональная элементарная единица биосферы. Представляет собой устойчивую саморегулирующуюся экологическую систему, в которой органические компоненты (животные, растения) неразрывно связаны с неорганическими (вода, почва). Например, озеро, сосновый лес, горная долина (Рис.8.1). Учение о биогеоценозе разработано академикомВладимиром Сукачёвым(Рис.8.10) в1940году.
Биогеоценоз - биоценоз , который рассматривается во взаимодействии с абиотическими факторами, влияющими на него и в свою очередь изменяющимися под его воздействием.Биоценоз имеет синонимсообщество , ему также близко понятиеэкосистема .
Экосистема - группа организмов разных видов, взаимосвязанных между собой круговоротом веществ.
Каждый биогеоценоз - это экосистема, но не каждая экосистема - биогеоценоз. Для характеристики биогеоценоза используются два близких понятия: биотоп иэкотоп (факторы неживой природы: климат, почва).Биотоп - это территория, которую занимает биогеоценоз.Экотоп - это биотоп, на который оказывают воздействие организмы из других биогеоценозов.Экотоп также состоит изклимата (климатопа) во всех многооразных его проявлениях и геологической среды (почв и грунтов), называемойэдафотопом . Эдафотоп - это то, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты жизнедеятельности.
Свойства биогеоценоза:
естественная, исторически сложившаяся система;
система, способная к саморегуляции и поддержанию своего состава на определенном постоянном уровне;
характерен круговорот веществ;
открытая система для поступления и выхода энергии, основной источник которой - Солнце.
Рис.8.1 Биоценоз тропического леса
Рис.8.1а Биоценоз пруда
Основные показатели биогеоценоза:
Видовой состав - количество видов, обитающих в биогеоценозе.
Видовое разнообразие - количество видов, обитающих в биогеоценозе на единицу площади или объема.
В большинстве случаев видовой состав и видовое разнообразие количественно не совпадают и видовое разнообразие напрямую зависит от исследуемого участка.
Биомасса - количество организмов биогеоценоза, выраженное в единицах массы. Чаще всего биомассу подразделяют на (Рис.8.2):
биомассу продуцентов;
биомассу консументов;
биомассу редуцентов
Рис.8.2 Понятие консументы и продуценты
Механизмы устойчивости биогеоценозов
Одним из свойств биогеоценозов является способность к саморегуляции, то есть к поддержанию своего состава на определенном стабильном уровне. Это достигается благодаря устойчивому круговороту веществ и энергии. Устойчивость же самого круговорота обеспечивается несколькими механизмами:
достаточность жизненного пространства, то есть такой объем или площадь, которые обеспечивают один организм всеми необходимыми ему ресурсами.
богатство видового состава. Чем он богаче, тем устойчивее цепи питания и, следовательно, круговорот веществ.
многообразие взаимодействия видов, которые также поддерживают прочность трофических отношений.
средообразующие свойства видов, то есть участие видов в синтезе или окислении веществ.
направление антропогенного воздействия.
Таким образом, механизмы обеспечивают существование неменяющихся биогеоценозов, которые называются стабильными. Стабильный биогеоценоз, существующий длительное время, называется климаксическим. Стабильных биогеоценозов в природе мало, чаще встречаются устойчивые - меняющиеся биогеоценозы, но способные, благодаря саморегуляции, приходить в первоначальное, исходное положение.
Биоценоз (или сообщество ) — исторически сложившаяся устойчивая совокупность популяций организмов разных видов, населяющих сравнительно однородный участок территории или акватории и связанных определенными взаимоотношениями. (К. Мебиус, 1877 г.).
Примеры биоценозов: сообщества на стволе дерева, в норе, на участке леса, луга, озера, болота, пруда и т.д.
Различные популяции биоценоза должны быть приспособлены к совместной жизни. Это означает, что:
■ у всех видов биоценоза должны быть сходные требования к абиотическим условиям среды (свету, температуре, влажности и т.д.);
■ должны существовать закономерные трофические (пищевые), топические, форические и фабрические взаимосвязи между организмами разных популяций, необходимые для осуществления их питания, размножения, расселения и защиты.
❖ Составные части биоценоза:
■ фитоценоз
(устойчивое сообщество растений); имеет легко распознаваемые характерные черты и границы, является главным структурным компонентом любого биоценоза, определяет видовой состав зоо-, мико- и микробоценозов;
■ зооценоз
(совокупность взаимосвязанных видов животных);
■ микоценоз
(сообщество грибов);
■ микробоценоз
(сообщество микроорганизмов).
Экотоп — это первичный комплекс абиотических факторов среды и некоторых компонентов живого происхождения (почва, грунт), имевшихся на участке земной поверхности (суши или водоема), занимаемом тем или иным биоценозом, без учета изменений, привнесенных живыми существами данного биоценоза.
■ Все факторы экотопа можно разделить на климатоп
, эдафотоп
и гидротоп
.
Климатоп
- совокупность климатических факторов экотопа.
Эдафотоп
— совокупность почвенно-грунтовых факторов.
Гидротоп
— совокупность гидрофакторов (наличие и характеристики водоема, содержащейся в нем воды и т.п.).
Биотоп — это участок среды (суши или водоема), имеющий относительно однородные условия обитания и занимаемый одним биоценозом. При этом условия среды рассматриваются с учетом всех видоизменений, которые были привнесены в них организмами данного биоценоза.
Биогеоценоз и экосистема
Биогеоценоз (кратко — БГЦ ) — это лежащий в границах определенного фитоценоза и связанный взаимным обменом веществ и энергии единый природный комплекс, образованный участком земной поверхности (суши) с определенными условиями среды обитания (биотопом) и популяциями всех видов организмов, населяющих этот биотоп (биоценозом), см. рис.
Примеры биогеоценозов: ельник, дубрава, сфагновое болото, суходольный луг и др.
Биогеоценоз функционирует как целостная самовоспроизво-дящаяся, саморегулирующаяся открытая система. Популяции организмов получают из неорганической среды ресурсы, необходимые для поддержания жизни, и одновременно выделяют продукты жизнедеятельности, восстанавливающие среду.
Экологическая система (или экосистема ) — любая совокупность совместно обитающих организмов и неорганических компонентов, при взаимодействии которых происходит круговорот веществ и поток энергии .
Примеры экосистем; гниющий пень, муравейник, лужа с дождевой водой, парк, аквариум, биосфера и др.
Отличие экосистемы от биогеоценоза . Понятие экосистемы не требует каких-то ограничений на занимаемую ею территорию или акваторию и может применяться к любым комплексам организмов и их среды обитания (включая водную), не только к естественным (природным), но и к созданным человеком. Биогеоценоз — это природная, выделяемая на суше экосистема, границы которой определены фитоценозом, т.е. растительным сообществом. Поэтому экосистема — понятие более широкое, чем биогеоценоз: любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема является биогеоценозом .
❖ Компоненты биогеоценоза:
■ неорганические вещества, включающиеся в круговорот (соединения углерода и азота, кислород, вода, минеральные соли);
■ климатические факторы (температура, освещенность, влажность);
■ органические вещества (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.);
■ организмы различных функциональных групп — продуценты, консументы, редуценты.
Продуценты — автотрофные организмы (в основном зеленые растения и водоросли), синтезирующие органические вещества из неорганических. Продуценты используют энергию Солнца, преобразуя ее в химическую энергию органических веществ, доступную всем остальным организмам.
Редуценты — гетеротрофные организмы (бактерии, грибы), которые в процессе своего питания разрушают органическое вещество отмерших растений и животных и экскременты животных, превращая их в простые неорганические соединения, пригодные для усвоения растениями.
Характеристики биогеоценоза (экосистемы): биомасса, продуктивность, видовое разнообразие, плотность популяций каждого вида, соотношение видов по численности и плотности популяций, пространственная и трофическая (пищевая) структуры и т.д.
Биомасса — суммарная масса всех организмов экосистемы или отдельных ее трофических уровней.
■ Биомасса выражается обычно в единицах массы вещества на единицу площади или объема экосистемы (кг/га, кг/м 3 и др.).
■ Биомасса всех организмов Земли составляет 2,4 10 12 т сухого вещества, 90% от этого количества составляет биомасса наземных растений.
Продуктивность — прирост биомассы, созданный организмами экосистемы за единицу времени на единице площади или объема.
■ Продуктивность выражается в единицах массы вещества на единицу площади или объема за определенный отрезок времени (кг/м 2 в год и др.).
Первичная продуктивность экосистемы — количество биомассы, продуцированной за единицу времени всеми растениями этой экосистемы в результате фотосинтеза.
Вторичная продуктивность экосистемы — количество биомассы, продуцированной всеми консументами этой экосистемы за единицу времени.
■ Общая годовая продукция сухого органического вещества на Земле 150-200 млрд, т (из них 2/3 дают наземные экосистемы, 1/3 — водные экосистемы).
■ Наиболее продуктивные экосистемы: тропический дождевой лес (около 2 кг/м 2 в год) и приполярные области Мирового океана (около 0,25 кг/м 2 в год).
Видовая структура биогеоценоза (экосистемы)
Видовая структура БГЦ или экосистемы — разнообразие видов всех входящих в БГЦ (или экосистему) популяций и соотношение этих видов по численности (или биомассе) и плотности популяций.
■ В каждой экосистеме происходит естественный отбор организмов, наиболее приспособленных к данным экологическим условиям.
■ Различают экосистемы, богатые видами (коралловые рифы, дождевые тропические леса и др.), и бедные ими (арктическая тундра, пустыни, болота и др.).
Виды-доминанты — виды, преобладающие по численности особей или занимающие большую площадь в данной экосистеме.
Виды-эдификаторы — виды-доминанты (чаще растения, иногда животные), играющие главную роль в определении состава, структуры и свойств экосистемы путем создания среды для всего сообщества (в ельнике — ель, в березняке — береза и т. д.).
■ Например , в еловом лесу освещенность значительно меньше, а температура воздуха ниже, чем в лиственном; дождевые воды, стекающие с крон елей, имеют кислую реакцию, а под деревьями формируется мощная подстилка из очень медленно разлагающейся хвои с низким содержанием гумуса. В результате ель в процессе своей жизнедеятельности настолько изменяет условия среды, что данный биотоп становится непригодным для существования многих видов организмов и заселяется только видами, хорошо приспособленными к жизни в таких условиях.
Роль редких и малочисленных видов: они увеличивают разнообразие связей в сообществе и служат резервом для замещения видов-доминантов.
■Чем специфичней условия среды, тем беднее видовой состав и выше численность отдельных видов. И наоборот, в богатых сообществах все виды малочисленны.
■ Чем выше видовое разнообразие, тем устойчивее сообщество.
Пространственная и экологическая структуры биогеоценоза
Пространственная структура — распределение организмов (в основном растений) по достаточно четко ограниченным в пространстве (по вертикали и/или по горизонтали) элементам структуры — ярусам и микрогруппировкам .
Ярусы характеризуют вертикальное расчленение фитоценозов. Их образуют надземные вегетативные органы растений и их корневые системы.
■ Основной фактор, определяющий вертикальное распределение растений, — количество света, обусловливающее температурный и влажностный режимы на разных уровнях над поверхностью почвы в биогеоценозе. Верхние ярусы образуются светолюбивыми и лучше приспособленными к колебаниям температуры и влажности воздуха растениями; в нижних ярусах обитают растения, менее требовательные к свету.
■ Ярусы хорошо выражены в лесу (древесный, кустарниковый, травянистый, моховой и т.д.). Животные также распределены по ярусам (обитатели кустарников, мохового покрова, почвы и т. д.).
■ Подземная ярусность фитоценозов выражена слабо или отсутствует. Как правило, общая масса подземных органов закономерно снижается сверху вниз.
Мозаичность — расчлененность (неоднородность) биогеоценоза по горизонтали, выражающаяся в наличии в нем различных микрогруппировок, которые различаются видовым составом, количественным соотношением разных видов, продуктивностью и другими признаками и свойствами.
Мозаичность обусловлена:
■ неоднородностью микрорельефа;
■ особенностями биологии размножения и формы растений;
■ деятельностью растений, животных и человека (образованием муравейников, вытаптыванием травостоя, выборочной вырубкой деревьев и др.).
Экологическая структура БГЦ — это соотношение различных экологических групп организмов, составляющих данный биогеоценоз.
■ Разнообразие и обилие представителей той или иной экологической группы зависят от условий среды (в пустынях преобладают приспособленные к жизни в условиях недостатка воды растения ксерофиты и животные ксерофилы; в водных сообществах — растения гидрофиты и животные гидрофилы и т.д.) и складываются в течение длительного времени в определенных климатических, почвенно-грунтовых и ландшафтных условиях строго закономерно.
■ Это разнообразие обеспечивает высокую плотность организмов в расчете на единицу территории, их максимальную биологическую продуктивность и оптимальные конкурентные отношения.
Сообщества со сходной экологической структурой могут иметь разный видовой состав, так как одни и те же экологические ниши могут занимать разные виды (пример: одну и ту же экологическую нишу в европейской тайге занимает куница, в сибирской — соболь).
Трофическая структура экосистемы. Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах
Все организмы в любой экосистеме объединяет общность питательных веществ и энергии, необходимых для поддержания жизни. Необходимое условие существования экосистемы — постоянный приток энергии извне. Основным способом движения веществ и энергии в экосистеме является питание.
Трофический уровень — совокупность организмов, объединенных типом питания.
Различают следующие трофические уровни:
■ первый уровень образуют автотрофные организмы (продуценты ), создающие органические вещества из неорганических за счет солнечной энергии;
■ второй трофический уровень образуют травоядные животные (консументы 1-го порядка: гусеницы бабочек, мыши, полевки, зайцы, козы и т. п.), потребляющие органические вещества, созданные растениями-продуцентами;
■третий трофический уровень составляют плотоядные животные (консументы 2-го порядка: хищные насекомые, насекомоядные птицы и т.п.), поедающие мелких травоядных животных;
■ четвертый трофический уровень образуют плотоядные животные (консументы 3-го порядка : хищные птицы и звери), потребляющие консументов 2-го порядка, и т.д.
Плотоядные животные могут переходить с третьего на четвертый уровень и обратно, а также на более высокие трофические уровни.
Трофическая (пищевая) цепь (или цепь питания ) — ряд организмов, связанных друг с другом пищевыми взаимоотношениями (путем поедания одних видов другими) и составляющих определенную последовательность, по которой осуществляется круговорот веществ и поток энергии в экосистеме путем их передачи с одного трофического уровня на другой.
■ Отдельными звеньями трофической цепи являются организмы, принадлежащие к разным трофическим уровням.
Трофическая сеть экосистемы — сложное соединение всех характерных для данной экосистемы цепей питания, в которых звенья одной цепи являются составными частями других цепей.
■ Трофическая сеть отражает трофическую структуру экосистемы.
❖ Типы трофических цепей:
■ пастбищные цепи (цепи выедания или потребления ) начинаются с фотосинтезирующих организмов-продуцентов: на суше : растения → насекомые → насекомоядные птицы → хищные птицы; или растения → растительноядные млекопитающие → хищные млекопитающие; в море : водоросли и фитопланктон → низшие ракообразные (зоопланктон) → рыбы → млекопитающие (и частично птицы). Пастбищные цепи преобладают в морях на относительно небольших глубинах.
■ детритные цепи (цепи разложения ) начинаются с отмерших мелких остатков растений, трупов и экскрементов животных (детрита ): детрит → питающиеся им микроорганизмы-редуценты (бактерии, грибы) → мелкие животные (детритофаги: дождевые черви, мокрицы, клещи, ногохвостки, нематоды) → хищники (птицы, млекопитающие). Такие цепи наиболее распространены в лесах, где более 90% ежегодного прироста биомассы растений отмирает, подвергаясь разложению сапро-трофными организмами и минерализации.
❖ Основные характеристики пищевой цепи внутри биогеоценоза: длина цепи, количество, размер и биомасса организмов на каждом трофическом уровне.
■ Цепь питания обычно состоит из 3-5 звеньев (трофических уровней) вследствие больших потерь энергии на построение новых тканей и дыхание организмов.
Продуктивность организмов каждого последующего трофического уровня пищевой цепи всегда меньше (в среднем в Ю раз) продукции предыдущего, поскольку:
■ консументами ассимилируется лишь часть пищи (остальное выделяется в виде экскрементов);
■ большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и другие процессы жизнедеятельности.
Экологическая пирамида — графическое изображение соотношения между численностями особей, биомассами или энергиями организмов, составляющих трофические уровни в экосистеме, выраженное в числе особей.
■ При этом отдельные звенья пищевой цепи изображают в виде прямоугольников, площадь которых соответствует численным значениям звеньев.
Типы экологических пирамид:
■ пирамида чисел графически отображает соотношение численностей особей разных трофических уровней экосистемы;
■ пирамида биомасс графически показывает количество биомассы (массы живого вещества) на каждом трофическом уровне;
■ пирамида энергии графически отображает величины потоков энергии, передаваемой с одного трофического уровня на другой.
❖ Свойства экологических пирамид:
■ высота пирамид определяется длиной пищевой цепи;
■ биомасса и численность особей каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается — правило экологической пирамиды; оно действует в большинстве (но не во всех) наземных экосистем; в таких экосистемах основания пирамид чисел и биомасс больше последующих уровней;
■ в водных экосистемах основания пирамид чисел и биомасс могут быть меньше, чем размеры последующих уровней (пирамиды перевернуты), что объясняется небольшими размерами организмов-продуцентов (одноклеточных водорослей -фитопланктона);
■ пирамида энергии в наземных и водных экосистемах всегда суживается кверху, так как энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы.
Самовоспроизводство. саморегуляция и устойчивость экосистем
Любая экосистема является сложной динамической системой, состоящей из многих сотен, иногда тысяч видов организмов, объединенных трофическими, топическими и другими связями.
Самовоспроизводство — способность экосистем воссоздавать поток энергии и обеспечивать круговорот основных веществ и элементов между живыми и неживыми компонентами.
■ Живые организмы извлекают из среды ресурсы и поставляют в нее продукты жизнедеятельности (растения используют световую энергию, СО 2 , Н 2 О, пополняют атмосферу О 2 ; животные поглощают из атмосферы О 2 , выделяют в нее СО 2 и т.д.).
Саморегуляция — способность населения экосистемы восстанавливать свой видовой и количественный состав после какого-либо отклонения, а также способность его различных видов существовать совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенным уровнем.
■ Регулирующие факторы формируются в самой экосистеме: хищники регулируют численность своих жертв, деятельность травоядных животных влияет на растения и т.д.
Экосистемный гомеостаз — свойство относительного постоянства видового состава и численности особей различных видов в экосистеме, а также относительной стабильности и целостности генетической структуры экосистемы.
■ Указанное постоянство соблюдается лишь в среднем и отражает динамическое равновесие противоположно действующих факторов.
Устойчивость — способность экосистемы выдерживать изменения, вызванные внешними (природными или антропогенными) воздействиями, и восстанавливать связи и динамическое равновесие между основными ее компонентами, нарушенные внешним воздействием.
■ Устойчивость каждой экосистемы имеет свои пределы: если интенсивность или время действия внешнего воздействия превысит некоторый порог, экосистема может погибнуть.
♦ Факторы, обеспечивающие устойчивость и длительность существования экосистемы:
■ постоянный приток солнечной энергии;
■ общий круговорот веществ, осуществляемый продуцентами, консументами и редуцентами;
■ саморегуляция экосистемы;
■ биологическое разнообразие и сложность трофических связей организмов, входящих в ее состав;
■ возможность переключения организмов на питание другим видом взамен вида, ставшего редким (так как почти все виды животных могут использовать несколько источников пищи); при этом малочисленный вид, освобожденный от пресса выедания, постепенно будет восстанавливать свою численность;
■ высокий потенциал размножения основных групп организмов экосистемы (экосистема устойчива, если уменьшение осадков на 50% приводит к уменьшению массы продуцентов на 25%, травоядных консументов на 12,5%, хищных консументов на 6,2% и т.д.);
■ генетическое разнообразие особей популяций; чем оно выше, тем больший шанс у популяции иметь организмы с аллелями, ответственными за появление признаков и свойств, позволяющих выжить и размножаться в изменившихся условиях существования и восстановить прежнюю численность;
■ невысокая степень колебаний условий внешней среды. Например, высоко устойчивы тропические экосистемы, поскольку для тропиков характерны относительное постоянство температуры, влажности, освещенности. Наоборот, для тундры характерны резкие перепады температуры, влажности, освещенности, поэтому тундровые экосистемы менее устойчивы, и им свойственны резкие колебания численности популяций разных видов.
Основанные на знании законов динамики экосистем расчеты их продуктивности и потоков энергии позволяют регулировать численность популяций и круговорот веществ в экосистемах так, чтобы добиться наибольшего выхода необходимой для человека продукции.
Непродуманное вмешательство человека в экосистемы может нарушить природные цепи питания и привести к неконтролируемому росту или снижению численности особей определенных популяций и к нарушению природных экосистем.
Саморазвитие и сукцессия экосистем
Абсолютно устойчивое состояние экосистемы никогда не достигается по причине:
■ непостоянства условий внешней среды;
■ изменений, происходящих в самой экосистеме вследствие жизнедеятельности ее организмов.
Саморазвитие экосистемы
— ее способность к циклическим и поступательным изменениям, вызванным различными причинами.
■ Циклические изменения обычно связаны с суточными и сезонными изменениями внешних условий и биологическими ритмами организмов.
■ Поступательные изменения вызываются постоянно действующими внешними или внутренними факторами и приводят к смене одного биогеоценоза другим (сукцессии).
Сукцессия — закономерная, последовательная, необратимая и направленная смена (на определенной территории) одного биогеоценоза другим.
Смена одного фитоценоза в экосистеме другим составляет сукцессионный ряд . При отсутствии нарушений сукцессия завершается образованием более устойчивого сообщества, находящегося в относительном равновесии с абиотической средой (ельник, дубрава, ковыльные степи, торфяное болото и др.).
❖ Причины сукцессий:
■ внешние : постоянно действующие внешние факторы: изменение на данной территории климата и почвенно-грунтовых условий (заболачивание, засоление), в том числе в результате хозяйственной деятельности человека (вырубки лесов, орошения земель в засушливых районах, осушения болот, внесения удобрений на луга, распашки, усиленного выпаса скота и т.д.);
■ внутренние: изменения, возникающие в биотопе вследствие жизнедеятельности организмов при длительном существовании популяций на одном месте, из-за чего биотоп становится малопригодным для одних видов, но пригодным для других. В результате на этом месте развивается другой, более приспособленный к новым условиям биоценоз.
Изменение условий среды обитания (биотопа) неизбежно приводит к изменению (смене) биоценоза. В результате на месте прежнего биогеоценоза (экосистемы) возникает новый. Ведущая роль в процессе смены биогеоценозов принадлежит растениям, хотя биогеоценозы изменяются как единое целое. Одновременно с изменением растительности изменяется и животный мир.
❖ Классификация сукцессий в зависимости от состояния и свойств среды:
■ первичные , начинающиеся на участках, лишенных почвы и растительности (на голых скалах, песчаных дюнах, образовавшихся водоемах, наносах рек, застывших лавовых потоках и т.п.; они длятся сотни и тысячи лет. Важнейшей стадией таких сукцессий является образование почвы путем накопления отмерших растительных остатков или продуктов их разложения;
■ вторичные , происходящие на месте сформировавшихся сообществ после их нарушения в результате эрозии, пожара, вырубки, засухи, вулканического извержения и т.п. Поскольку в таких местах обычно сохраняются богатые жизненные ресурсы, эти сукцессии протекают быстро (в течение десятков лет).
Агроиеноз
Агроценоз (или агробиоценоз ) — искусственно созданная человеком экосистема, структуру и функции которой он поддерживает и контролирует в своих интересах. Это сообщество организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного пользования, занятых посевами или посадками культурных растений.
Примеры; поля, огороды, сады, парки, лесопосадки, пастбища, оранжереи, аквариумы, водоемы для разведения рыбы и т.п.
Роль человека в агроценозе: он создает агроценоз, обеспечивает его высокую продуктивность с помощью комплекса специальных агротехнических приемов, собирает и использует урожай.
❖ Роль агроценозов:
■ в настоящее время они занимают 10% всей поверхности суши (около 1,2 млрд, га) и ежегодно дают 2,5 млрд, т сельскохозяйственной продукции (около 90% всей пищевой энергии, необходимой человечеству);
■ они обладают огромными потенциалом для увеличения продуктивности, реализация которого возможна при постоянном, научно обоснованном уходе за почвой, обеспечении растений влагой и элементами минерального питания, охране растений от неблагоприятных абиотических и биотических факторов.
В состав агроценоза входят культурные растения, сорняки, насекомые, дождевые черви, мышевидные грызуны, птицы, бактерии, грибы и другие организмы, связанные между собой трофическими взаимоотношениями.
Пищевые цепи в агроценозе те же, что и в природной экосистеме: продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, полевки, лисы) и редуценты (бактерии, грибы); обязательное звено пищевой цепи — человек.
❖ Отличия агроценозов от естественных биогеоценозов:
■ в агроценозах действует преимущественно не естественный, а искусственный отбор , который направлен человеком главным образом на максимальное повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Это резко снижает экологическую устойчивость агроценозов, которые не способны к саморегуляции и самообновлению, не могут существовать самостоятельно (без поддержки человека) в течение более-менее длительного времени (превращаются в биогеоценоз) и могут погибнуть при массовом размножении вредителей или возбудителей болезней;
■ в агроценозах отсутствует полный круговорот веществ и резко нарушен баланс питательных элементов (их основная часть изымается человеком при сборе урожая); для возмещения потерь необходимо постоянное внесение в почву различных питательных веществ в виде удобрений;
■ агроценозы, помимо солнечной энергии, имеют дополнительный источник энергии в виде энергии вносимых человеком минеральных и органических удобрений, химических средств защиты от сорняков, вредителей и болезней, энергии, затраченной на обработку почвы, орошение или осушение земель и т.д.;
■ смена агроценозов происходит по воле человека (в полевых агроценозах — севооборот );
■ продуктивность агроценозов выше , чем биогеоценозов.
♦ Методы повышения продуктивности агроценозов:
■ осушение и орошение почв;
■ борьба с эрозией (укрепление склонов, безотвальная вспашка, залуживание бывших торфяников);
■ нормированное внесение удобрений;
■ дозированное применение средств борьбы с сорняками, вредителями и болезнями растений;
■ применение биологических способов борьбы с вредителями;
■ использование высокопроизводительной техники;
■ выведение и использование новых высокоурожайных сортов культурных растений, устойчивых к болезням и вредителям;
■ соблюдение научно обоснованных севооборотов;
■ использование теплиц и парников;
■ применение методов выращивания овощей без грунта — гидропоники (в качестве субстрата используется гравий, орошаемый растворами солей) и аэропоники (субстрат отсутствует, а корни периодически опрыскиваются растворами минеральных солей).
Идея о взаимосвязи и единстве всех явлений природы привела к формированию экосистемного подхода и разработке понятия «экосистема» за рубежом и к возникновению новой научной дисциплины в бывшем СССР.
Такой дисциплиной, зародившейся в недрах лесной геоботаники и оформившейся впоследствии в фундаментальную науку со своими задачами и методами, является биогеоценология (от греч. bios — жизнь, geo — земля, koinos — общий). Основоположником биогеоценологии стал выдающийся отечественный геоботаник, лесовод и эколог, академик В.Н. Сукачев, предложивший собственную трактовку структурной организации биосферы. В.Н. Сукачев посвятил свою жизнь разработке общих вопросов фитоценологии — науки о растительных сообществах (фитоценозах). Он придавал большое значение изучению межвидовых и внутривидовых взаимоотношений растений в растительных сообществах.
Важнейшей теоретической разработкой В.Н. Сукачева является идея единства и взаимосвязи живых организмов (биоценоза) и среды его обитания (биотопа). Биогеопенология предполагает разносторонний комплексный подход к исследованию живого покрова Земли, основанный на изучении взаимодействия слагающих его компонентов. Задача биогеоценологии — расшифровка связей и взаимодействий между живыми и косными компонентами природы — биогеоценозами, которые ученый назвал элементарными ячейками поверхности Земли.
По определению В.Н. Сукачева, биогеоценоз — это однородный участок земной поверхности, где природные явления (атмосфера, горная порода, растительность, животный мир, микроорганизмы, почва, гидрологические условия) имеют однотипный характер взаимодействия между собой и объединены обменом веществ и энергии в единый природный комплекс.
Сущность биогеоценоза В.Н. Сукачев видел в процессе взаимного обмена веществом и энергией между составляющими его компонентами, а также между ними и окружающей средой. Важная особенность биогеоценоза — то, что он связан с определенным участком земной поверхности.
Исходным понятием при определении биогеоценоза был геоботанический термин «фитоценоз» - растительное сообщество, группировка растений с однородным характером взаимоотношений между ними самими и между ними и средой. Еще одним природным компонентом, с которым непосредственно контактируют растения, является атмосфера. Для характеристики биогеоценоза важны также условия увлажнения. Кроме того, любой фитоценоз всегда населен разнообразными животными.
Объедив все указанные составляющие в одно целое, мы получим структуру биогеоценоза (рис. 10). Она включает фитоценоз — растительное сообщество (автотрофные организмы, продуценты); зооценоз — животное население (гетеротрофы, консументы) и микробоценоз — различные микроорганизмы (бактерии, грибы, простейшие (редуценты). Живую часть биогеоценоза Сукачев относил к биоценозу. Неживую, абиотическую часть биогеоценоза слагают совокупность климатических факторов данной территории — климатом, биокосное образование — эдафотоп (почва) и условия увлажнения (гидрологические факторы) — гидротоп. Совокупность абиотических компонентов биогеоценоза носит название биотоп. Каждый компонент в природе неотделим от другого. Главным созидателем живого вещества в пределах биогеоценоза является фитоценоз — зеленые растения. Используя солнечную энергию, зеленые растения создают огромную массу органического вещества. Состав и масса такого вещества зависят главным образом от особенностей атмосферы и почвенных условий, которые определяются, с одной стороны, географическим положением (зональность, обусловленная существованием определенных типов биомов), а с другой — рельефом местности и расположением фитоценоза. От состава и характеристики растительности зависит существование комплекса гетеротрофов. В свою очередь, биоценоз в целом определяет состав и количество органического вещества, попадающего в почву (степные богатые черноземы, слабогумусированная почва бореальных лесов и крайне бедные почвы влажного тропического леса). Животные в процессе жизнедеятельности также оказывают разнообразное влияние на растительность. Исключительно важны взаимодействия между микроорганизмами и растительностью, микроорганизмами и позвоночными и беспозвоночными животными.
Рис. 10. Структура биогеоценоза и схема взаимодействия его компонентов
Биогеоценоз и экосистемы
Биогеоценоз как структурная единица биосферы сходен с предложенной А. Тенсли трактовкой экосистемы. Биогеоценоз и экосистема — понятия сходные, но не одинаковые. Биогеоценоз следует рассматривать как элементарную комплексную, т.е. состоящую из биотопа и биоценоза, экосистему. Каждый биогеоценоз является экосистемой, но не каждая экосистема соответствует биогеоценозу.
Прежде всего, любой биогеоценоз выделяется только на суше. Биогеоценоз имеет конкретные границы, которые определяются границами растительного сообщества — фитоценоза. Образно говоря, биогеоценоз существует только в рамках фитоценоза. Там, где нет фитоценоза, нет и биогеоценоза. Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» тождественны только для таких природных образований, как, к примеру, лес, луг, болото, поле. Для природных образований, меньших или больших по объему, нежели фитоценоз, либо в тех случаях, где фитоценоз выделить нельзя, применяется понятие «экосистема». Например, кочка на болоте, ручей — экосистемы, но не биогеоценозы. Только экосистемами являются морс, тундра, влажный тропический лес и т.п. В тундре, лесу можно выделить не один фитоценоз, а совокупность фитоценозов, представляющих собой более крупное образование, нежели биогеоценоз.
Экосистема может быть и меньше, и крупнее биогеоценоза. Экосистема — образование более общее, безранговое. Это может быть участок суши или водоема, прибрежная дюна или небольшой пруд. Это также вся биосфера в целом. Биогеоценоз заключен в границы фитоценоза и обозначает конкретный природный объект, занимающий определенное пространство на суше и отделенный пространственными границами от таких же объектов. Это реальная природная зона, в которой осуществляется биогенный круговорот.
Термин «биогеоценоз» часто применяется и в экологии, и в биологии. Это совокупность объектов биологического и небиологического происхождения, ограниченная определенной территорией и характеризующаяся взаимным обменом веществ и энергии.
Быстрая навигация по статье
Определение
Когда вспоминают, какой ученый ввел в науку понятие о биогеоценозах, речь заходит о советском академике В. Н. Сукачеве. Термин биогеоценоз был предложен им в 1940 году. Автор учения о биогеоценозе не только предложил термин, но и создал стройную и развернутую теорию об этих сообществах.
В западной науке определение «биогеоценоз» не слишком распространено. Там популярнее учение об экосистемах. Иногда биоценозом называют экосистемы, но это неправильно.
Между понятиями «биогеоценоз» и «экосистема» есть отличия. Экосистема – это более широкое понятие. Она может быть ограничена каплей воды, а может распространяться на тысячи гектаров. Границы биогеоценоза являются обычно ареалом единого растительного комплекса. Примером биогеоценоза может быть лиственный лес или пруд.
Свойства
Основные компоненты биогеоценоза неорганического происхождения – это воздух, вода, минералы и прочие элементы. Среди живых организмов встречаются растения, животные и микроорганизмы. Некоторые обитают в наземном мире, другие под землей или под водой. Правда, с точки зрения функций, выполняемых ими, характеристика биогеоценоза выглядит иначе. В состав биогеоценоза входят:
- продуценты;
- консументы;
- редуценты.
Эти основные компоненты биогеоценоза участвуют в обменных процессах. Присутствует тесная связь между ними.
Роль производителей органических веществ в биогеоценозах играют продуценты. Они преобразуют солнечную энергию и минералы в органику, которая выполняет функцию строительного материала для них. Основным процессом, организующим биогеоценоз, является фотосинтез. Речь идет о растениях, которые превращают солнечную энергию и питательные вещества почвы в органику.
После смерти даже грозный хищник становится добычей грибков и бактерий, разлагающих тело, превращая органические вещества в неорганику. Этих участников процесса называют редуцентами. Таким образом, замыкается круг, состоящий из взаимосвязанных видов растений и животных.
Кратко схема биогеоценоза выглядит так. Растения потребляют энергию Солнца. Это основные производители глюкозы в биогеоценозе. Животные и другие консументы передают и преобразовывают энергию и органические вещества. В биогеоценоз входят также бактерии, минерализующие органику и помогающие растениям усваивать азот. Каждый химический элемент, присутствующий на планете, вся таблица Менделеева участвует в этом круговороте. Биогеоценоз характеризуется сложной, саморегулирующейся структурой. И каждый, кто участвует в его процессах, важен и необходим.
Механизм саморегуляции, что называют еще динамическим равновесием, объясним на примере. Допустим, благоприятные погодные условия привели к увеличению количества растительной пищи. Это в значительной степени вызвало рост популяции травоядных животных. Хищники начали активно охотиться на них, сокращая количество травоядных, но увеличивая свою популяцию. На всех пищи не хватает, поэтому часть хищников вымерла. В результате система снова вернулась в состояние равновесия.
Вот какие признаки говорят об устойчивости биогеоценозов:
- большое количество видов живых организмов;
- участие их в синтезе неорганических веществ;
- широкое жизненное пространство;
- отсутствие негативного антропогенного воздействия;
- большой диапазон типов межвидового взаимодействия.
Виды
Естественный биогеоценоз имеет природное происхождение. Примерами искусственных биогеоценозов являются городские парки или агробиоценозы. Во втором случае основным процессом, организующим биогеоценоз, является сельскохозяйственная деятельность человека. Состояние системы обусловлено рядом антропогенных характеристик.
Основные свойства биогеоценозов, созданных человеком в аграрном секторе, зависят от того, чем засеяно поле, насколько успешна борьба с сорняками и вредителями, какие удобрения и в каком количестве внесены, как часто производится полив.
Если вдруг обработанные посевы будут заброшены, без человеческого участия они погибнут, а сорняки и вредители начнут активно размножаться. Тогда свойства биогеоценоза станут другими.
Искусственный биогеоценоз, созданный человеком, не способен к саморегуляции. Устойчивость биогеоценоза зависит от человека. Его существование возможно только при активном человеческом вмешательстве. Абиотический компонент биогеоценоза нередко тоже входит в его состав. Примером может служить аквариум. В этом небольшом искусственном водоеме живут и развиваются различные организмы, каждый из которых входит в биогеоценоз.
Большинство естественных природных сообществ формируется длительное время, иногда сотни и тысячи лет. Участники долго «притираются» друг к другу. Такие биогеоценозы характеризуются высокой устойчивостью. Равновесие держится на взаимосвязи популяций. Устойчивость биогеоценоза определяется отношениями между участниками процесса и носит стабильный характер. Если не происходит значительных природных и техногенных катастроф, сопряженных с разрушениями, грубого вмешательства человека, биогеоценоз, как правило, постоянно находится в состоянии динамического равновесия.
Каждый вид взаимоотношений – важный лимитирующий фактор в поддержании равновесия в системе.
Примеры
Рассмотрим, что такое биогеоценоз, в качестве примера взяв луг. Так как первичным звеном в пищевых сетях биогеоценозов являются продуценты, эту роль здесь играют луговые травы. Исходным источником энергии в биогеоценозе луга является энергия Солнца. Травы и кустарники, эти основные производители глюкозы в биогеоценозе, растут, служат пищей для зверей, птиц и насекомых, которые, в свою очередь, становятся добычей хищников. Мертвые останки попадают в почву и перерабатываются микроорганизмами.
Особенностью фитоценоза (растительного мира) лиственных лесов, в отличие от луга или степи, является наличие нескольких ярусов. У обитателей верхних ярусов, куда входят более высокие деревья, есть возможность потреблять больше солнечной энергии, чем у нижних, которые способны существовать в тени. Затем идет ярус кустарников, потом – травы, затем, под слоем сухих листьев и у древесных стволов растут грибы.
В биогеоценозе большое разнообразие видов растений и других живых организмов. Зоны обитания животных тоже разделены на несколько ярусов. Одни обитают на верхушках деревьев, а другие находятся под землей.
Такой биогеоценоз как пруд характеризуется тем, что средой обитания является вода, дно водоема и надводная поверхность. Тут растительный мир представлен водорослями. Часть из них плавает на поверхности, а часть постоянно скрыта под водой. Ими питаются рыбы, насекомые, ракообразные. Хищная рыба и насекомые легко находят себе добычу, а бактерии и другие микроорганизмы обитают на дне водоема и в толще воды.
Несмотря на относительную устойчивость естественных биогеоценозов, со временем свойства биогеоценоза меняются, превращаясь из одних в другие. Иногда биологическая система реорганизуется быстро, как в случае зарастания мелких водоемов. Они способны за короткое время превратиться в болота или луга.
Формирование биогеоценоза может длиться столетиями. Например, каменистые, почти голые скалы постепенно покрываются мхами, затем появляется другая растительность, разрушая скальную породу и меняя ландшафт и фауну. Свойства биогеоценоза меняются медленно, но неуклонно. Только люди способны резко ускорить эти изменения и не всегда в лучшую сторону.
Человек должен бережно относиться к природе, сохранять ее богатства, не допускать загрязнения окружающей среды и варварского отношения к ее обитателям. Он не должен забывать, что это его дом, где придется жить потомкам. И только от него зависит, в каком состоянии он им достанется. Поймите это сами и объясните другим.
Природные комплексы, в которых полностью сформировалась растительность, и которые могут существовать сами по себе, без вмешательства человека, а если человек или что-то другое, нарушит их, то они будут восстанавливаться, причем по определенным законам. Такие природные комплексы и есть биогеоценозы. Самые сложные и важные природные биогеоценозы – лесные. Ни в одном природном комплексе, ни в одном типе растительности эти взаимосвязи не выражены так резко и так многогранно, как в лесу.
Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществ и энергией: между собой и с другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое единство, находящееся в постоянном движении и развитии …".
В этом определении отражаются все сути биогеоценоза, черты и особенности, присущие только ему:
Биогеоценоз должен быть однородным по всем параметрам: живого и неживого вещества: растительности, животному миру, почвенному населению, рельефу, почвообразующей породе, свойствам почвы, глубине и режимам грунтовых вод;
Каждому биогеоценозу присуще наличие особого, только ему присущего типа обмена веществ и энергии,
Всем компонентам биогеоценоза свойственно единство жизни и ее среды, т.е. особенности и закономерности жизнедеятельности биогеоценоза определяются средой его обитания, таким образом, биогеоценоз представляет собой географическое понятие.
Кроме того, каждый конкретный биогеоценоз должен:
Быть однородным по своей истории;
Быть достаточно долговременным сложившимся образованием;
Ясно отличаться по растительности от соседних биогеоценозов и эти отличия должны быть закономерными и экологически объяснимыми.
Примеры биогеоценозов:
Дубняк разнотравный на подножье делювиального склона южной экспозиции на горной буро-лесной среднесуглинистой почве;
Луг злаковый в лощине на суглинистых оторфованных почвах,
Луг разнотравный на высокой пойме реки на пойменной дерново-глееватой среднесуглинистой почве,
Лиственничник лишайниковый на Al-Fe-гумусово-подзолистых почвах,
Лес смешанный широколиственный с лиановой растительностью на северном склоне на бурых лесных почвах и др.
Биогеоценоз – это вся совокупность видов и вся совокупность компонентов неживой природы, определяющих существование данной экосистемы с учетом неизбежного антропогенного воздействия".
Область знаний о биогеоценозах называется биогеоценологией. Чтобы управлять природными процессами, надо знать закономерности, которым они подчинены. Эти закономерности изучает ряд наук: метеорология, климатология, геология, почвоведение, гидрология, различные отделы ботаники и зоологии, микробиология и др. Биогеоценология же обобщает, синтезирует результаты перечисленных наук под определенным углом зрения, обращая основное внимание на взаимодействия компонентов биогеоценозов между собой и вскрывая общие закономерности, управляющие этими взаимодействиями.
2.Определение биогеоценоза
"Биогеоценоз – это участок земной поверхности, на котором в тесном взаимодействии развиваются: однородная по составу и производительности растительность, однородный комплекс животных и микроорганизмов, однородная по физико-химическому составу почва; поддерживается однородная газовая и климатическая ситуация, устанавливается одинаковый материально-энергетический обмен между всеми составляющими биогеоценоза" (В.Н. Сукачев).
3. Компонентный состав биогеоценоза
Составные части биогеоценоза – материальные тела (компоненты биогеоценоза). Их делят на 2 группы:
1.Живые (биотические, биоценоз)
2.Косные (абиотическое вещество, сырье) – экотоп, биотоп.
К ним относят углекислый газ, воду, кислород и др.
Биотические компоненты биогеоценоза:
1.Продуценты
2.Консументы
3.Редуценты (детритоядные, деструкторы органических веществ).
Продуценты – организмы, продуцирующие (синтезирующие) органические вещества из неорганических (зеленые растения).
Консументы – организмы, потребляющие готовые органические вещества. Первичные консументы – травоядные. Вторичные консументы – плотоядные.
Редуценты – организмы, разлагающие органические вещества до конечных продуктов распада (бактерии гниения и брожения).
В биогеоценозе устанавливается экологический гомеостаз – динамическое равновесие между всеми компонентами биогеоценоза.
Периодически происходит экологическая сукцессия - закономерная смена сообществ в биогеоценозе.
Существует несколько классификаций биогеоценозов.
I.1. Сухопутные,Пресноводные,2. Водные,Морские
II.По географической зоне:
1.Лесные,2.Болотные,3.Степные, 4.Луговые,5.Тундровые и т.д.
III.Лобачев в 1978 г. выделил биогеоценозы:
1)Природные 2)Сельские (агроценозы)
3)Урбаноценозы (городские, промышленные)
4.Границы между биогеоценозами.
Конфигурация и границы биогеоценоза определяются, по Сукачеву, границами, .свойственного ему фитоценоза, как автотрофной базы его, физиономически более отчетливо, чем другие компоненты, выражающие его в пространстве.
Горизонтальные границы между биогеоценозами, как и между растительными сообществами, по утверждению Ж. Леме (1976), бывают резкими, особенно в условиях вмешательства человека, но они могут быть и расплывчатыми, как бы размазанными в случае взаимопроникновения компонентов соседствующих биогеоценозов.
Б. А Быков (1970г) различает следующие типы границ между растительными сообществами и, следовательно, между биогеоценозами
а) резкие границы наблюдаются при резком различии в смежных ценозах экологических условий или при наличии доминантов, обладающих мощными средообразующими свойствами;
б) мозаичные границы в отличие от резких характеризуются включением в переходную полосу смежных ценозов их отдельных фрагментов, образующих своего рода комплексность;
в) каемчатые границы - когда в полосе контакта смежных ценозов развивается узкая кайма ценоза, отличающегося от обоих из них;
г) диффузные границы между смежными ценозами характеризуются постепенной пространственной сменой видового состава в зоне контакта при переходе одного в другой
Вертикальные границы биогеоценоза, как и горизонтальные, определяются по размещению живой растительной биомассы фитоценоза в пространстве – верхняя граница определяется максимальной высотой надземных органов растений - фототрофов - над поверхностью почвы, нижняя-максимальной глубиной проникновения корневой системы в почву.
При этом в древесно-кустарниковых биогеоценозах вертикальные границы, как пишет Т. А. Работнов (1974а), не изменяются в течение вегетационного периода, в травяных же биогеоценозах (луговых, степных и т. п.) они варьируют по сезонам, так как происходит то нарастание травостоя, то снижение его, то полное отчуждение на сенокосах и пастбищах,. лишь нижние границы их не подвергаются сезонным изменениям.
