Главная страница 1страница 2страница 3
скачать файл



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ “ЭКОЛОГИЯ”
(для студентов 2 курса дневной и заочной форм обучения специальностей 6.092100 "Промышленное и гражданское строительство", "Городское строительство и хозяйство", "Охрана труда в строительстве", "Техническое обслуживание, ремонт и реконструкция строений")

ХАРЬКОВ – ХНАГХ – 2007

Конспект лекций по дисциплине "Экология" (для студентов 2 курса дневной и заочной формы обучения специальностей 6.092100 "Промышленное и гражданское строительство", "Городское строительство и хозяйство", "Охрана труда в строительстве", "Техническое обслуживание, ремонт и реконструкция строений")

Автор: Брыгинец Е. Д. – Харьков: ХНАГХ, 2007 – 90 с.

Автор: Е. Д. Брыгинец

Рецензент: А. И.Спирин (ХНАГХ)

Рекомендовано кафедрой инженерной экологии городов,

протокол № 6 от 2.03. 2007 г.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение .............................................................................................................. 5

Модуль 1

ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ
Тема 1. Экология – важнейшая наука современности ………………………. 7

1.1. Предмет и задачи экологии, роль экологии среди других наук ………… 7

1.2. Эволюция взаимоотношений человека и природной среды ……………. 9
Тема 2. Экологические системы ………………………………………………. 11

2.1. Представления об экологических факторах ……………………………... 11

2.2. Понятие экосистемы ………………………………………………………. 17

2.3. Трофические цепи ………………………………………………………. 19

2.4. Продуктивность экосистем ……………………………………………...... 21
Тема 3. Биосфера – глобальная экосистема Земли ........................................... 23

3.1. Биосфера как одна из оболочек Земли …………………………………… 23

3.2. Состав и границы биосферы ……………………………………………… 25

3.3. Круговороты веществ в природе ………………………………………..... 30

3.4. Целостность биосферы как глобальной экосистемы Земли …………..... 33
Модуль 2

ПРИИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ
Тема 4. Виды загрязнения окружающей среды ………………………………. 34
Тема 5. Экологические проблемы энергетики ……………………………….. 41

5.1. Источники энергии ………………………………………………………... 41

5.2. Экологические проблемы традиционной энергетики …………………... 42

5.3. Альтернативные источники энергии …………………………………….. 46

6. Антропогенное воздействие на окружающую среду ……………………… 49

6.1. Антропогенное воздействие на атмосферу …………………………......... 49

6.2. Антропогенное воздействие на почвы …………………………………… 57

6.3. Антропогенное воздействие на гидросферу ……………………………… 63


Тема 7. Основные принципы охраны окружающей среды ………………….. 70
7.1. Малоотходные технологии и их роль в охране окружающей среды …... 70

7.2. Нормирование качества окружающей среды ……………………………. 72


Тема 8. Защита окружающей среды …………………………………………... 76
8.1. Защита атмосферы ………………………………………………………… 77

8.2. Защита почв ………………………………………………………………... 80

8.3. Защита гидросферы ……………………………………………………….. 83

8.4. Защита от вредных физических воздействий …………………………… 86

8.5. Экологические требования к строительным материалам ………………. 87

Рекомендуемая литература ……………………………………………………. 89



Введение

Цель изучения курса "Экология" – вооружить будущих специалистов основами экологических знаний, привить им экологическую культуру, бережное отношение к использованию природных ресурсов, сформировать патриотическое отношение к родному краю. Раскрыть причину возникновения на нашей планете экологического кризиса, что угрожает дальнейшему существованию человечества на нашей Земле и показать возможные пути выхода из этого кризиса.

В эпоху научно-технического прогресса воздействие человека на природу становится все более мощным. Масштабы человеческой деятельности достигли и стали превышать масштабы стихийных явлений. В природу внедряется все больше и больше новых веществ, которые накапливаются в биосфере, что приводит к нежелательным экологическим последствиям.

С каждым годом под застройку, дороги, карьеры, хранилища отходов изымаются все большие площади земель, массово вырубаются леса, исчезают все новые и новые виды растений и животных, обедняется генофонд планеты. Поэтому в современных условиях охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов стали одной из актуальных проблем человечества.

Эффективность природоохранных мероприятий зависит не только от соответствующего развития экономики, науки и техники, но и от уровня знаний законов природы, уровня экологического образования широких масс и особенно будущих инженеров строителей.

В состав курса экологии входят два содержательных модуля:

1. Основы теоретической экологии.

2. Прикладные аспекты экологии.

В теоретическом разделе излагаются базовые понятия для выработки представлений о биосфере, о невозможности выживания человечества без ее сохранения.

Второй раздел носит прикладной характер. В нем освещаются источники загрязнения окружающей среды и основные принципы ее охраны. Большое внимание уделяется оценке качества природных компонентов среды и методов их защиты.

При изучении дисциплины студенты должны пользоваться лекционным материалом и рекомендуемыми литературными источниками.

В результате изучения курса экологии студенты должны знать про непосредственную связь между несовершенством технологий и методов природопользования и разрушением природной среды, уметь обосновывать и внедрять в своей профессиональной деятельности способы ограничения и предупреждения поступления загрязняющих веществ в окружающую среду и рационально использовать природные ресурсы.



Модуль 1. Основы теоретической экологии
Тема 1. Экология – важнейшая наука современности

План
1.1. Предмет и задачи экологии, роль экологии среди других наук.

1.2. Эволюция взаимоотношений человека и природной среды.
1.1. Предмет и задачи экологии, роль экологии среди других наук

Слово экология происходит от двух греческих слов “ойкос”, что означает дом, жилище и “логос”- учение, наука.

Впервые слово экология употребил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 году, где предложил назвать экологией раздел зоологии об отношениях между живыми организмами и окружающей средой.

Как самостоятельная наука экология возникла в конце 19 века.



Экология – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между живыми организмами и средой, в которой они обитают.

До середины 20 века на экологию смотрели как на одно из подразделений биологии, но постепенно она вышла за ее рамки.

Особенно большое значение в последнее время уделяется проблемам взаимоотношения человека с окружающей средой. Это связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды в связи с негативными последствиями научно-технического прогресса.

В настоящее время экология не ограничивается рамками биологической дисциплины, она превратилась в междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие взаимоотношения человека с окружающей средой.



Экология разделяется на теоретическую или общую экологию и прикладную.

Общая экология рассматривает биологические аспекты экологии. В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

  • аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей его средой;

  • популяционную экологию (демэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов;

  • синэкологию (биоценологию) – изучающую взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде.

Прикладная экология базируется на знании технологии производства, изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов.

Прикладная экология включает инженерную, промышленную, сельскохозяйственную экологию, экологию энергетики и другие науки.



Объектом исследования экологии являются природные экологические системы и созданные человеком системы (экологические системы – единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой их обитания).

Задачи экологии многообразны.

Основные задачи общей экологии: исследование связей в экосистемах, оценка их состояния, исследование процессов протекающих в биосфере, с целью поддержания устойчивости ее, моделирование состояния экосистем и глобальных биологических процессов.

Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время следующие:

  • прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей среде под влиянием деятельности человека;

  • охрана окружающей среды;

  • сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов.

Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом, психологией, медициной, геологией, техническими и другими науками.

Таким образом, экология становится одной из важнейших наук современности и от ее прогресса, возможно будет зависеть само существование человека на Земле.


1.2. Эволюция взаимоотношений человека и природной среды

Миллиарды лет геосфера нашей планеты представляла собой абиотическую (неживую) среду, в которой происходил круговорот веществ в виде химических и физических процессов.

Наша планета была безжизненной.

Первые остатки жизни на земле найдены в слоях литосферы, образовавшиеся около 3,5 – 4 млрд. лет тому назад.

Современный вид нашей планеты это результат деятельности живых организмов.

Благодаря постоянному их взаимодействию с минеральными элементами среды возникла биосфера.

Современный состав атмосферы значительно отличается от первоначального.

Первичная атмосфера почти не содержала кислорода, была богата углекислым газом, метаном, водородом, парами воды, различными соединениями азота. В связи с фотосинтезом растений и некоторых бактерий, перерабатывающих углекислый газ в органические вещества, газовый состав атмосферы постепенно менялся до современного.

Живые организмы также воздействовали на минералы, что способствовало образованию почв.

Постепенно за миллиарды лет непрерывной работы живых организмов

изменились состав и структура земной поверхности.

С появлением человека на Земле началось воздействие его деятельности на сформировавшуюся биосферу.

В истории взаимоотношений общества и природы условно можно выделить четыре стадии взаимоотношений.

Первая стадия – от момента возникновения человека до позднего палеолита (около 40 тыс. лет тому). В этот период люди жили небольшими племенами, охотились на диких животных, собирали семена. Основным источником энергии была мускульная сила человека. Первобытные люди, пользующиеся примитивными орудиями труда, вписывались в природную среду, не нарушая ее равновесия.

Вторая стадия – от позднего палеолита до 18 века. В этот период человек стал причиной исчезновения некоторых видов животных (мамонт, гигантский олень, шерстистый носорог, пещерный медведь и др.). Интенсивно начинает развиваться земледелие, скотоводство, ремесло, строительство поселений.

Наибольшее воздействие на природу оказало использование огня, выжигаются значительные территории лесов для сельского хозяйства, строительства. Выжигание растительности привело к значительным изменениям состава флоры, фауны. Следует отметить, что наша планета вначале этого периода была на 90 – 95% покрыта лесами, а в конце – менее чем на 50%.

Неумелое использование земель, орошение, безжалостная эксплуатация приводили к истощению, засолению почв, снижению плодородия.

Колыбель цивилизации: юг Палестины, Северные районы Сирии, Месопотамии – ныне пустыни. Средняя Азия – центр цивилизации, ныне обширная зона пустынь.



Третья стадия (18 век – середина 20 века) – период активного развития науки, техники, энергетики, роста численности населения, хищнического использования природных ресурсов.

Основными принципами развития общества в этот период были борьба с природой, покорение ее, господство над ней и уверенность, что природные ресурсы неисчерпаемы.



Четвертая стадия (середина 20 века – настоящее время) характеризуется развитием глобального экологического кризиса. Человек стал могущественной геологической силой на нашей планете. Резко возросла численность населения земного шара, масштабы человеческой деятельности превзошли масштабы могущественных стихийных явлений.

Под застройку изымаются все большие площади плодородных земель, истощаются природные ресурсы, массово вырубаются леса, исчезают все новые и новые виды животных и растений, обедняется генофонд планеты.

Загрязняются атмосферный воздух, вода, почвы, растительность, образуется огромное количество не перерабатываемых отходов.

Отрицательные последствия нерациональной хозяйственной деятельности выражаются в огромных экономических потерях.


Тема 2. Экологические системы

План
2.1. Представления об экологических факторах.

2.2. Понятие экосистемы.

2.3. Трофические цепи.

2.4. Продуктивность экосистем.
2.1. Представления об экологических факторах

Среда обитания организма – это совокупность условий его жизни. Свойства среды постоянно меняются, и любой организм, чтобы выжить приспосабливается к этим изменениям.

Экологические факторы – это определенные условия и элементы среды обитания, которые оказывают специфические воздействия на живые организмы, живые организмы реагируют на них приспособительными реакциями.

Экологические факторы подразделяют на факторы живой природы – биотические; неживой природы – абиотические и антропогенные – деятельность человека.

Приспособительные реакции у живых организмов определяются степенью постоянства воздействия этих факторов или их периодичностью.

Различают первичные и вторичные периодические и непериодические экологические факторы.

К первичным периодическим факторам относят в основном явления, связанные солнечной энергией и вращением Земли: смена времен года, суточная смена освещенности, эти факторы действовали до появления жизни на Земле и возникающие живые организмы к ним сразу адаптировались. Вторичные периодические факторы являются следствием первичных: освещенность, влажность, осадки, газовый состав атмосферы, температура, движение воздушных масс и т. д.

Непериодические экологические факторы не имеют правильной периодичности или цикличности. К ним относят стихийные явления, антропогенные воздействия на окружающую среду.

Например, промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу значительное количество загрязняющих веществ, живые организмы оказываются под влиянием факторов, уровни и режимы которых, находятся за пределами приспособительных возможностей.

При резком изменении экологического фактора живые организмы не успевают выработать приспособительные реакции и погибают.

Лимитирующими экологическими факторами называют такие факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за недостатка или избытка содержания их, по сравнению с оптимальным. Например, если в почве полезные компоненты в целом представляют собой уравновешенную систему и только какое-то вещество находится в меньшем количестве, чем требуется, то это может снизить урожай. Также может быть снижен урожай, если полезные вещества находятся в избытке.

Абиотические экологические факторы. К абиотическим экологическим факторам относят климатические, почвенные, топографические, водной среды и другие факторы.

Главнейшие климатические факторы:

Лучистая энергия Солнца. Солнце является первоисточником энергии экологических систем, которая приходит на Землю виде электромагнитных волн. Около 40 % этой энергии сразу же отражается облаками, атмосферными газами, пылью, поверхностью Земли без теплового эффекта. Энергия солнца, достигающая земной состоит из ультрафиолетового излучения, видимого света и инфракрасного излучения.

Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,2 – 0,4 мкм называют биологически активным ультрафиолетом (БАУ); при этом интервалы длины волны 0,2 – 0,3 мкм называют жесткое БАУ; 0,32 – 0,4 мкм – мягкое БАУ. Жесткое БАУ губительно для всего живого и оно задерживается озоновым слоем на высоте около 25 км. Мягкое БАУ доходит до земной поверхности, к нему живые организмы адаптировались, оно участвует в процессе фотосинтеза растительности, оказывает бактерицидное действие.

В целом в процессе фотосинтеза используется только около 1% солнечной энергии, остальная энергия – поглощается Землей, преобразуется в тепло, которое расходуется на поддержание температуры, испарение, осадки, ветер и постепенно рассеивается в мировое пространство.

Земля находится в состоянии энергетического равновесия. Любой экологический фактор, замедляющий выход этой энергии в космос, приводит к повышению температуры на Земле.

С другой стороны увеличение загрязнителей в атмосфере (газов, пыли) увеличивает количество отраженной энергии.

Если человек нарушит это энергетическое равновесие, ему дорого за это придется платить.

Другие климатические факторы тесно связаны с солнечной энергией. Основными из них являются температура, осадки, газовый состав атмосферы, движение воздушных масс, освещенность.

Температура является важнейшим лимитирующим фактором, влияет на распространение живых организмов. Одни организмы могут жить и существовать при очень низких температурах, находясь в состоянии покоя, другие – могут жить и размножаться при температуре близкой к точке кипения (отдельные виды водорослей, бактерий). Температура влияет на интенсивность фотосинтеза, ход корневого питания растительности.

Осадки. Важнейшим лимитирующим фактором является распределение осадков по сезонам года. Даже при достаточном количестве годовых осадков их неравномерное распределение может привести к гибели растений от засухи или пере увлажнения.

Состав воздуха обеспечивает живым организмам дыхание и фотосинтез.

Движение воздушных масс обеспечивает перемешивание воздуха, расселение спор, пыльцы, семян, микроорганизмов.

Экологические факторы почвенного покрова. Почва это продукт физического, химического, биологического преобразования горных пород в результате сложного взаимодействия климата растительности, животных и микроорганизмов. Почва состоит из твердых, жидких, газообразных и живых компонентов.

Твердая компонента представлена минеральной и органической частями. Минеральная часть – составляющая горных пород, на которых сформировалась почва. Органическая часть представлена детритом и гумусом.



Детрит – мертвые растительные и животные остатки (опавшие листья, отмершие корни, трупы и фекалии животных).

Гумус – сложное органическое вещество, образованное в результате разложения детрита микроорганизмами – это главный фактор плодородия. Основные минеральные питательные компоненты почв называют биогенными веществами, это азот в форме нитратов, фосфор в форме фосфатов и калий. Источниками их являются породы, на которых формируются почвы, они усваиваются растительностью и возвращаются в почву с детритом.

Газообразная компонента почв – почвенный воздух, значительно отличается от атмосферного, в нем меньше кислорода, больше углекислого газа. Состав почвенного газа зависит от типа почв, климатических условий, влажности, выращиваемых культур.

Жидкая компонента почв – почвенный раствор содержит в своем составе биогенные вещества, органические кислоты, соли, сахара. Важным показателем почвенного раствора является кислотность, которая выражается водородным показателем – рН. Наиболее благоприятная для растений и почвенных животных нейтральная среда при рН=7 (рН <7 кислая среда; рН >7 щелочная среда).

Почвенная биота представлена фауной и флорой. Фауна – дождевые черви, мокрицы, земляные клещи, нематоды и др., перераспределяют гумус, биогенные вещества, повышая плодородие почв. Флора – грибы, бактерии, водоросли, перерабатывают органику до исходных неорганических составляющих (деструкторы). Почва с одной стороны является средой обитания для них, с другой стороны, живые организмы выступают как ее неотъемлемый компонент. Живые организмы почв составляют около 95 % всего животного мира Земли.

Абиотические факторы водной среды.

Водная оболочка Земли называется гидросферой – включает океан, моря, реки, озера, болота, подземные воды.

Благодаря подвижности воды происходит постоянное перемешивание воды в пространстве. Гидросфера тесно связана с атмосферой при испарении воды и с литосферой с помощью осадков, поверхностного стока и подземных вод.

Вода обладает целым рядом особенностей, которые оказывают влияние на строение и жизнедеятельность населяющих ее организмов:



Температурная стратификация – изменение температуры по глубине водного объекта, характеризуется понижением температуры с глубиной в теплое время года и повышением – в холодное время года.

Периодическое изменение температуры – суточное, сезонное, годовое.

Прозрачность воды – определяет световой режим под ее поверхностью. От нее зависит фотосинтез водной растительности, а следовательно накопление органического вещества, обогащение глубинных вод кислородом.

Соленость воды – содержание в ней растворимых солей. Главными естественными источниками солей в водных объектах являются подземные и поверхностные воды, которые выносят растворенные минералы из горных пород и почв.

Соленость является одним из основных факторов в распределении живых организмов, продуктивности водоемов, многие организмы очень чувствительны к незначительным ее изменениям. Соленость вод может изменяться в больших пределах.

Единицей измерения солености является промилля – о/оо (1 грамм солей в 1 дм3 воды).

Пресные воды содержат солей до 1о/оо; средняя океаническая соленость составляет около 35о/оо; Азовского моря – 9 – 10о/оо; Балтийского моря –

6 – 8о/оо.

Содержание растворенного кислорода. Основными источниками поступления кислорода в водную среду являются атмосфера при ветровом волнообразовани и перемешивании водных масс, дождевые и снеговые осадки, продуцирование кислорода при фотосинтезе водной растительности.

Кислород расходуется на окисление органических и минеральных веществ, дыхание живых организмов.

При сбросе большого количества загрязняющих веществ в водные объекты, может произойти истощение кислорода и массовая гибель живых организмов.

Водородный показатель (рН) имеет большое значение для химических и биологических процессов, протекающих в природных водах. От рН зависит жизнедеятельность живых организмов, которые очень чувствительны к этому показателю и при изменении его, они погибают или заменяются другими видами.

Биотические экологические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания.

Основными формами взаимоотношений живых организмов являются хищничество, паразитизм, конкуренция.

Животных поедающих растения, хищников и паразитов рассматривают как естественных врагов тех организмов, за счет которых они существуют.

Паразиты и хищники являются факторами среды по отношению к своим хозяевам, они взаимно необходимы друг другу. В процессе их сложных взаимоотношений осуществляется естественный отбор и приспособительная изменчивость.

Исчезновение естественного врага из экологической системы может привести к вымиранию того вида, за счет которого развивается этот враг.

Все эти обстоятельства необходимо учитывать при проведении мероприятий по управлению экологическими системами, учитывать последствия уничтожения хищников или переселения животных или растений.



Антропогенные экологические факторы – хозяйственная деятельность человека: вырубка лесов, распашка степей, добыча полезных ископаемых, создание водохранилищ и др.
2.2. Понятие экосистемы

Термин “экосистема” впервые был предложен английским экологом

А. Тенсли в 1935 году. Но само представление об экосистеме возникло значительно раньше. Упоминание, о единстве организмов и среды, есть в самых ранних работах. Прежде, чем дать определение экосистемы, приведем понятие самого слова “система”.

Система – это реальный или мыслимый объект, целостные свойства которого, могут быть представлены как результат взаимодействия слагающих его частей. Основные свойства системы – это единство, целостность и взаимосвязи между ее компонентами.

Экосистема – совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи. Экосистема – это широкое понятие: луг, лес, река, океан, ствол гниющего дерева, биологические пруды очистки сточных вод.

Одним из видов экосистемы является биогеоценоз – это сугубо наземная экосистема, т.е. природная экосистема на поверхности Земли (река, луг, лес и т.д.). Любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема может являться биогеоценозом.

Биогеоценоз (в дальнейшем будем называть экосистема) состоит из экотопа и биоценоза. Экотоп – это совокупность абиотических факторов (почва, вода, атмосфера, климат и др.). Биоценоз – совокупность живых организмов (растительность, животные, микроорганизмы). Схема лесной экосистемы приведена на рис. 2.1.


Растительность

Климат

(атмосфера)



Почва

Животные

Микроорганизмы

Рис. 2.1 – Схема лесной экосистемы


Главное свойство экосистемы – взаимосвязь и взаимозависимость всех ее компонентов. Стрелки на схеме показывают эту взаимосвязь.

Рассмотрим на примере лесной экосистемы взаимосвязь составляющих ее компонентов.

От климата зависит водный, воздушный, температурный режимы почв, тип растительности, темпы создания органического вещества, активность микроорганизмов.

Почва оказывает влияние на климат; в атмосферу из почвы выделяется углекислый газ, азот, соединения серы, метан, сероводород и другие газы.

Растительность из почвы берет воду, биогенные вещества, гумус; из атмосферы – углекислый газ, солнечную энергию, выделяет в атмосферу кислород, а после ее отмирания в почву поступает детрит.

Растительность является питанием для животных; почва – местообитанием; продукты жизнедеятельности животных поступают в почву, почвенные микроорганизмы перерабатывают их до исходных углекислого газа, воды, гумуса и других минеральных соединений.



Экосистема – это целостная, функционирующая, саморегулирующаяся система.

Для специалиста существует не природа, а экосистема, человек вырубает не лес, а экосистему, выбрасывает отходы не в окружающую среду, а в экосистемы.

На первый взгляд может показаться, что между разными экосистемами нет связи, например между лугом, лесом и прудом. Но если внимательно посмотреть, можно отметить следующее: поверхностным стоком осадков с соседнего луга в пруд вымываются частички почв, гумус, отмершая растительность; осенью часть опавших листьев из леса ветром переносится в пруд; где она разлагается и является пищей для некоторых водных организмов. В пруду живут личинки насекомых, но взрослые особи покидают водную среду и поселяются на лугу или в лесу.

Крупные наземные экосистемы называют биомами (тундра, тайга, дождевые тропические леса, саванны и др.). Каждый биом состоит из множества экосистем, связанных между собой.

Глобальная экосистема Земли – биосфера.
2.3. Трофические (пищевые) цепи

Живые организмы в экосистемах неодинаковы с точки зрения создания собственного тела.

Животные в отличие от растительности не способны к фотосинтезу

(т. е. не могут строить собственное тело из минеральных веществ и напрямую использовать солнечную энергию), а используют органическое вещество, созданное растительностью. Травоядные питаются растительностью, хищники – травоядными, эти животные могут быть съедены другими животными и т. д.



Цепь передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим называется трофической или пищевой.

Растения строят свой организм без посредников, их называют автотрофами. Они продуцируют его из неорганических веществ и солнечной энергии и называются продуцентами – первый трофический уровень.

Второй трофический уровень образуют травоядные, третий, четвертый, пятый – плотоядные животные, их называют гетеротрофами или консументами.

Обычно в экосистеме 4 – 5 трофических уровней:

Дерево – гусеница – синица – ястреб;

Фитопланктон – зоопланктон – мелкая рыба – крупная рыба – водоплавающая птица.

Трофические цепи, начинающиеся с фотосинтезирующих организмов, называются пастбищными.

На всех трофических уровнях образуются отходы (опавшие листья, трупы, фекалии животных).

Животные, питающиеся мертвой органикой, называются детритофагами (земляные черви, многоножки, жуки, муравьи, некоторые птицы). Окончательное разложение детрита до простых минеральных соединений осуществляют микроорганизмы, их называют редуцентами.

Трофические цепи, которые начинаются с детрита, называются детритными. Детритная цепь, также как и пастбищная, имеет несколько трофических уровней.

Такая последовательность и соподчиненность трофических уровней в экосистемах представляет основу их функционирования.

Трофическая цепь является также энергетической цепью, т. к. по цепи передается солнечная энергия, запасенная в молекулах живых организмов.

Любое количество органического вещества эквивалентно некоторому количеству энергии. Например, 1г сухой травы соответствует 18,7 кДж, 1г сухого мяса – 23,5 кДж.

Консументы, питаясь продуцентами, получают энергию, которая расходуется на построение собственного тела, дыхание, теплоотдачу, выполнение движений, поиск пищи, спасение от врагов и т. д.

Таким образом, в экосистеме существует непрерывный поток энергии, которая рассеивается на каждом уровне и пополняется поступлением энергии Солнца.
2.4. Продуктивность экосистем

Каждая экосистема обладает определенной продуктивностью.



Продуктивность экологической системы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию солнца в процессе фотосинтеза, образуя органическое вещество.

Различают разные уровни продуцирования, на которых создается первичная и вторичная продукция. Органическая масса, создаваемая продуцентами в единицу времени, называется первичной продукцией, а прирост за единицу времени массы консументов – вторичной продукцией.

Все живые компоненты экосистемы – продуценты, консументы, редуценты составляют общую биомассу (живой вес). Биомассу обычно выражают через сухой или живой вес, но можно выражать и в энергетических единицах – калориях, джоулях.

Трофические структуры можно выразить графически в виде экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.

Известны три основных типа экологических пирамид:

1) пирамиды биомассы, характеризующие массу живого вещества на каждом уровне;

2) пирамиды энергии, показывающие, изменение энергии на последующих трофических уровнях;

3) пирамиды чисел, отражающие численность организмов на каждом уровне.

На рис 2.2 показана пирамида биомассы наземной экосистемы.

Рис. 2.2 – Пирамида биомассы наземной экосистемы

П – продуценты; РК – растительноядные консументы; ПК – плотоядные консументы

В наземных экосистемах суммарная масса растений превышает массу всех растительноядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Для экосистемы океана пирамида биомассы имеет перевернутый вид, т. е характерна тенденция накапливания биомассы на более высоких уровнях.

Пирамиду чисел рекомендуют приводить в табличной форме. Более совершенной является пирамида энергии, она отражает расходование энергии в трофических цепях.

Знание энергетики экосистемы и количественных ее показателей позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее эффективности.

Тема 3. Биосфера – глобальная экосистема Земли
План

3.1. Биосфера как одна из оболочек Земли.

3.2. Состав и границы биосферы.

3.3. Круговороты веществ в природе.

3.4. Целостность биосферы как глобальной экосистемы Земли.
3.1. Биосфера как одна из оболочек Земли

Основоположником учения о биосфере является великий отечественный ученый В. И. Вернадский.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрированных оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним оболочкам относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера, гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера.

Литосфера: каменная оболочка Земли – земная кора, толщиной от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы).

Земная кора – содержит важнейшие энергетические ресурсы (уголь, нефть, сланцы, газ), рудные и нерудные полезные ископаемые.

Гидросфераводная оболочка Земли, ее подразделяют на поверхностную и подземную.

В состав поверхностной гидросферы входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др.



Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части земной коры, их называют подземными водами.

Общее количество воды на Земле – 1,39 млрд. км3, основная масса этой воды – 97,5% - соленая вода. Масса пресной воды – 35 млн. км3, это всего 2,5% от общей массы. Около 75% пресной воды находится в твердом состоянии во льдах Антарктиды, Гренландии, горных ледниках, айсбергах, в зоне вечной мерзлоты. Таким образом, пресной воды, которую можно использовать для нужд человека не так уж много.



Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, связанную с ней силой тяжести и принимающей участие в суточном и годовом вращении.

Состав атмосферы поддерживается жизнедеятельностью живых организмов и различных геохимических явлений глобального масштаба.

Атмосфера предотвращает резкие колебания температуры поверхности планеты, уменьшает поступление к ней избыточных доз ультрафиолетового излучения, является носителем газов, обеспечивающих жизненные процессы растений и животных.

Атмосфера имеет слоистое строение и состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Во всех сферах атмосферы изменяется количество воздуха и температура.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, называется тропосферой. Толщина ее над полюсами 7 – 10 км, над экватором – 16 – 18 км. В тропосфере сосредоточено около 80 % массы воздуха, а также основное количество атмосферных примесей. Она практически содержит весь водяной пар, при конденсации которого образуется облачность.

Температура воздуха с высотой уменьшается и достигает -40…-50о С. Из-за неравномерного нагрева земной поверхности в тропосфере образуются мощные потоки воздуха, отмечается неустойчивость температуры, относительной влажности, давления и других факторов.

Выше тропосферы находится стратосфера, масса воздуха в ней составляет около 20 %, распространяется она до высоты ~ 55 км. В стратосфере на высоте 20 – 25 км расположен озоновый слой. Температура воздуха в ней до озонового слоя в основном постоянна (-40…-50о С), затем она повышается из-за поглощения жесткого ультрафиолетового излучения Солнца озоновым слоем и на границе с мезосферой составляет 0о…+10о С.

Выше стратосферы расположена мезосфера до высоты ~ 80 км, температура в ней значительно ниже (т. к. озона в ней почти нет) и на границе с термосферой достигает -70о…-90о С.

Дальше расположены термосфера и экзосфера, которые распространяются на сотни км, температура в них повышается до 1500о С и выше, воздух находится в ионизированном состоянии. Масса воздуха мезосферы, термосферы и экзосферы составляет около 0,5 % массы всей атмосферы.

Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входит часть атмосферы до высоты 25 – 30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км, населенные живыми организмами.

3.2. Состав и границы биосферы

Абиотическая часть биосферы представлена почвами и подстилающими ее породами, в которых еще есть живые организмы; атмосферным воздухом, до высот, где еще есть проявления жизни и водной средой гидросферы.

Биотическая часть состоит из живых организмов, осуществляющих обмен веществом между всеми частями биосферы.

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, различной природы, имеющих для живых организмов первостепенное значение.

Основной состав воздуха практически одинаков во всех местах земного шара и характеризуется следующими значениями по объему:

азот (N2) – 78,1%, кислород (O2) – 20,85%, аргон (Ar) – 0,93%, углекислый газ (CO2) – 0,03%; на долю остальных компонентов – неон, криптон, ксенон, гелий, озон, водород и др. приходится не более чем 0,087% объема воздуха.

Кроме того, воздух имеет в своем составе примеси (микрогазы) природного и антропогенного происхождения, их также называют загрязнителями.

Происхождение газов, входящих в состав атмосферного воздуха:

Азот (N2) имеет в основном вулканическое происхождение и для большинства организмов он является нейтральным. Только лишь некоторые организмы: клубеньковые бактерии, актиномицеты, сине-зеленые водоросли способны усваивать молекулярный азот и превращать его в нитратную форму, доступную для растительных организмов, и небольшая часть его в процессе разложения детрита микроорганизмами поступает в атмосферу.

Кислород2) – образуется в процессе фотосинтеза растительных организмов, расходуется в процессах дыхания живых организмов, окисления различных отходов, сжигания топлива. В течение последних 50 лет израсходовано столько же кислорода, сколько за миллион лет тому назад. Хотя эта величина составляет сотые доли от общего количества кислорода, но такая скорость расходования его вызывает опасения. Основной причиной является сжигание большого количества топлива в энергетике, промышленности, автотранспорте, вырубка лесов, снижение фотосинтеза из-за загрязнения окружающей среды и другие факторы.

Углекислый газ (СО2). Главные источники поступления углекислого газа в атмосферу: вулканизм, почвенные процессы, дыхание живых организмов, сжигание ископаемого топлива, окислительные процессы, расходуется же он в основном в процессе фотосинтеза.

Углекислый газ накапливается в недрах Земли, в Океане. В Океане его в 60 раз больше, чем в атмосфере. Он хорошо растворяется в холодной воде и улетучивается в теплой. Океан действует как насос, на полюсах он поглощает СО2, а на экваторе выдувает его.

В настоящее время количество углекислого газа в атмосфере растет, что вызывает большое беспокойство, т. к. это основной парниковый газ. С середины 19-го века количество углекислого газа в атмосфере увеличилось ~ на 25% из-за вырубки лесов, сжигания топлива, загрязнения экосистем.

Инертные газы (аргон, ксенон, криптон, неон и другие) поступают в атмосферу в основном в процессе вулканической деятельности и на биологические процессы в основном не оказывают воздействия.

В состав атмосферы входят также аэрозоли. Аэрозоли – это мельчайшие твердые и жидкие частицы, распыленные в воздухе, Они имеют естественное и антропогенное происхождение. Аэрозоли образуются в результате выветривания горных пород, почв, вулканизма, стихийных пожаров и т. д. Атмосферная пыль способствует конденсации паров, а следовательно образованию облаков, поглощает и отражает солнечную радиацию.



Почвы являются главным компонентом биосферы, именно они обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир консументов.

Почвы на земле разнообразны и их плодородие тоже.

Почва имеет сложный профиль в разрезе и состоит из нескольких слоев, которые формируются в результате передвижения и превращения в ней веществ. Верхний слой называют плодородным слоем почвы или гумусовым.



Главные факторы плодородия:

  • процентное содержание гумуса в гумусовом слое;

  • мощность (толщина) гумусового слоя;

  • химический состав почв – содержание химических элементов, биогенных веществ, микроэлементов;

  • механический состав, т.е. крупность частиц, способность к склеиванию частичек почвы (лучшей способностью к склеиванию обладают почвы, богатые гумусом);

  • микробиологическая активность: микроорганизмы преобразовывают химические элементы в доступную для растений форму.

На формирование различного типа почв влияют следующие почвообразующие факторы:

  • климат;

  • растительность, животные, микроорганизмы, характерные для данной климатической зоны;

  • рельеф;

  • почвообразующие породы (породы, на которых сформировались почвы).

Поскольку климатические условия не одинаковы, то и почвы отличаются большим разнообразием и зональностью. Наиболее оптимальные условия для формирования почв в зоне луговых степей, где при сравнительно ровном рельефе выпадает достаточное количество осадков (500 – 600 мм/год), обильно развивается травянистая растительность, имеющая небольшой жизненный цикл – 1-3 года. Поэтому постоянно с отмиранием наземной и корневой системы в почву возвращается значительная часть биомассы.

В лесной зоне древесная растительность имеет многолетний жизненный цикл и потребляет больше питательных веществ из почвы, чем возвращает их с опадом. Почвы этой зоны содержат меньше гумуса и имеют меньшей мощности гумусовый слой.

Выпадающие осадки определяют водный режим почв и влияют на почвообразовательный процесс:

промывной водный режим – большое количество осадков промывает почву до грунтовых вод, что приводит к интенсивному вымыванию продуктов почвообразования;

периодически промывной водный режим – характеризуется чередованием ограниченного промачивания почв в засушливые годы и промывания почвы во влажные годы;

непромывной водный режим – влага в почве находится в форме пара, распределяется только в верхних горизонтах и не достигает грунтовых вод (самый благоприятный режим для почвообразовательного процесса).

выпотной режим – проявляется в полупустынной, пустынной и степной зоне, где характерно преобладание восходящих потоков влаги в почвах и испарение теоретически значительно превышает количество осадков.

Всего в мире выделяют более 100 типов почв, только в Украине их более 40 типов.



К основным типам почв относятся следующие:

Подзолистые почвы сформировались при промывном водном режиме, распространены в таежной зоне, полесье, содержание гумуса в них не более 1-3%, мощность гумусового слоя – до 20 см.

Серые лесные почвы распространены в лесостепной зоне, сформировались в условиях периодически промывного режима, почвы богатые, гумуса в них до 4-8%, мощность гумусового слоя – 40-50 см.

Бурые лесные почвы сформировались в условиях промывного режима, распространены в зоне широколиственных лесов в Карпатах, Закарпатье, в западной Европе, содержат гумуса до 1-5%, мощность гумусового слоя – до 20 см.

Черноземы (самые богатые почвы мира) сформировались в условиях непромывного режима, распространены в зоне луговых степей. Около 60% мировых черноземов приходится на Украину и Россию, остальные – распространены в Канаде, имеются небольшие участки в Болгарии, Румынии и других странах. Черноземы резко выделяются среди остальных типов почв. Они имеют темный цвет, содержат гумуса до 8-10%, а в некоторых случаях его содержание достигает 20%, мощность гумусового слоя – 50-120 см, а иногда достигает 200-250 см.

Многие ученые задавались вопросом, что же повлияло на образование таких уникальных почв, и были сделаны выводы, что черноземы образовались под влиянием всех факторов почвообразования в комплексе. Наибольшее богатство Украины – это черноземы.



Каштановые почвы распространены в зоне сухих степей на юге Украины, Молдавии, формируются в условиях непромывного режима, содержание гумуса до 3-8%, мощность гумусового слоя достигает 50-80 см. Из-за выпадения небольшого количества осадков в этих зонах, бывают значительные недоборы урожая, требуется орошение.

Красноземы и желтоземы – почвы влажных субтропиков, сформировались в условиях промывного режима, распространены в Закавказье в Китае, Японии, гумуса – до 5-6%, мощность гумусового слоя – до 20 см.

Коричневые почвы сухих субтропиков сформировались при непромывном режиме, распространены на юге Европы, севере Африки, юге Крыма, гумуса содержат до 4%, мощность гумусового слоя – до 4%.

Красные, желтые, оранжевые почвы (имеют такой оттенок цвета из-за присутствия в них соединений железа) формируются при промывном режиме, в условиях обильных осадков (до 2000 мм/год) и высокой температуры, в зоне дождевых тропических лесов. Эти почвы бедные, маломощные, содержание гумуса в них до 1%, мощность гумусового слоя – до 7 см.. Это объясняется тем, что отмирающая биомасса при таких климатических условиях быстро разлагается микроорганизмами и вовлекается в биологический круговорот.

Сероземы – почвы пустынь и полупустынь формируются при выпотном режиме, содержание гумуса до 1%, мощность гумусового слоя до 5-10см, требуют постоянного орошения.

Живые организмы, населяющие биосферу, составляют живое вещество планеты. Взаимодействие воздуха, воды, горных пород и живых организмов обусловило формирование почв и осадочных пород.

3.3. Круговороты веществ в природе

Основные круговороты веществ в природе: круговорот воды, геологический (большой) и биологический (малый).



Круговорот воды. На Земле постоянно происходит перенос воды в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей.

Вода испаряется с поверхности океанов, морей, рек, озер, суши и возвращается на эти же территории или переносится воздушным потоком на большие расстояния и выпадает в виде осадков.

В целом на планете общий объем осадков равен объему испарившейся воды. На континенте выпадает больше осадков, чем испаряется, разность составляет речной сток. С поверхности океана больше испаряется воды, чем выпадает осадков, разница пополняется речным стоком. Весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается ~ за 2 млн. лет.

Вода, выпадая в виде осадков на континенте, способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, выносит растворимые вещества в гидросферу.

Осадки, выпадающие на землю, разделяются на три части:

Первая часть стекает по поверхности земли и образует поверхностный сток, который стекает в ручьи, реки, направляющиеся в океан. Поверхностный сток содержит в своем составе частицы почвы, растворенные химические элементы, детрит, гумус, иногда он очень загрязнен, но в природных экосистемах величина его невелика. В связи с хозяйственной деятельностью (вырубка лесов, распашка степей и т. д.) величина поверхностного стока значительно увеличилась, что вызвало массу экологических проблем.

Вторая часть осадков впитывается в почву, удерживается в ее капиллярах, и используется растительностью в процессе фотосинтеза или испаряется в атмосферу наземной частью растений (транспирация).

Третья часть осадков впитывается почвой, просачивается на глубину, заполняет трещины, поры грунтов и образует подземные воды, которые вымывают растворимые минералы горных пород и выносят их в водные объекты.

Круговорот воды постоянно очищает и пополняет пресноводные системы

т. к. с осадками выпадает пресная вода, очищенная при испарении.



Геологический круговорот веществ обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение веществ между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Геологический круговорот происходит не по кругу, а по спирали, т. е. новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит изменения (рис. 2.3.).



Рис. 2.3 – Большой геологический круговорот


Биологический круговорот, в отличие от геологического, совершается лишь в пределах биосферы.

Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и вода, воздух, минералы горных пород и почв. В живых организмах их обнаружено более 30. Преобладают в составе живых организмов кислород, водород, углерод, кальций, сера и другие химические элементы. Разница лишь в сложности молекул и количестве химических элементов: одних больше в живых организмах, других – во внешней среде.

Молекулы воды, составляющих воздуха, почвенных минералов, относительно просты, а живых организмов – очень сложны, некоторые состоят из миллионов атомов.



Биологический круговорот – это круговая циркуляция химических элементов между живыми организмами и внешней средой. Заключается она в поступлении химических элементов из почвы, гидросферы и атмосферы в живые организмы; превращении в них поступивших элементов в сложные органические соединения, а затем возврат этих элементов с отмершими организмами в почву, атмосферу и гидросферу через звено редуцентов.

Продуценты строят свой организм из простых неорганических соединений, преобразуют их в сложные органические соединения; консументы аналогичные преобразования начинают с более сложных соединений; редуценты высвобождают химические элементы, связанные в сложной органике, благодаря чему они снова могут включаться в круговорот.

Этот круговорот для жизни биосферы – является главным, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая круговорот веществ.

В качестве примера на рис. 2.4 приведен круговорот азота.

Каждый химический элемент, входящий в состав живых организмов, совершает биологический круговорот в биосфере.


Органический азот растений и

животных (NH2)



Аммиак (NH3)

Нитриты (NO2)

Нитрификация

Аммонификация

Аммоний (NH4)

Нитраты (NO3)

Нитрификация

Продукция растений и животных

Свободный

азот (N2)



Денитрификация

Фиксация свободного азота

Денитрификация

Рис. 2.4 – Круговорот азота в биосфере



3.4. Целостность биосферы как глобальной экосистемы Земли

Биосфера – это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Все компоненты (верхние горизонты литосферы, рельеф, климат, воды, почвы, биота) биосферы находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему. Главный источник энергии

для биосферы – солнечная радиация, она обеспечивает фотосинтез, круговороты химических элементов, является источником первичной продукции. Продуктивность биосферы складывается из продуктивности различных экосистем.



Целостность биосферы обусловлена непрерывным обменом вещества и энергии между ее составными частями.

Биосфера – это целостная глобальная, развивающаяся, саморегулирующаяся экосистема и от ее целостности зависят все живые организмы на Земле, в том числе и человек.

Основой устойчивости биосферы является биологическое разнообразие составляющих ее экосистем.

Высшая стадия развития биосферы – ноосфера.

Ноосфера – это сфера взаимодействия человека и общества в пределах которой, разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития.

Другими словами, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом.


Модуль 2. Прикладные аспекты экологии
скачать файл


следующая страница >>
Смотрите также:
1. Экология – важнейшая наука современности
1074.66kb.
!Экология делится на три раздела – общая, социальная и прикладная
42.49kb.
1 Экология как наука. История экологии
1045.23kb.
Постройка Культурного парника, в котором смогло бы вырасти поколение современности один из главных вопросов сегодняшних дней
38.35kb.
Это наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. В середине ХХ века экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере
552.17kb.
1. Объект и предмет политологии
1344.73kb.
Учебное пособие по курсу «Геохимия» для студентов специальности 011200 Геофизика Казань 2009
858.88kb.
Рабочая программа дисциплины Сравнительное правоведение Направление подготовки: 030900 Юриспруденция
421.69kb.
Флебология – важнейшая проблема ангиологии и сосудистой хирургии
181.35kb.
«Манчестер Юнайтед»
172.38kb.
" охрана природы " Кулешова Дмитрия Владимировича 10 ‘B’ " охрана природы ". Введение. Охрана природы важнейшая задача человечества
61.83kb.
Доклад об итогах реализации целей и задач, основных направлений уставной деятельности Государственного бюджетного учреждения культуры Псковская областная филармония
171.15kb.