Концепция экосистемы

1. Лекция

Тема: «Концепция
экосистемы»

2. 1. Определения. Состав и свойства экосистем.

Экосистема — это любая совокупность
организмов и неорганических компонентов, в
которой может осуществляться круговорот
веществ.
По Н. Ф. Реймерсу (1990), экосистема — это
любое сообщество живых существ и его среда
обитания, объединенные в единое
функциональное целое, возникающее на основе
взаимозависимости и причинно-следственных
связей, существующих между отдельными
экологическими компонентами.

3.

Экосистема= Биотоп+Биоценоз (Тенсли, 1935)

4.

Биогеоценоз – однородный участок
земной поверхности с определенным
составом живых и неживых (приземный
слой атмосферы, солнечная энергия, почва
и др.) компонентов, объединенных
обменом веществ и энергии в единый
природный комплекс.
Совокупность биогеоценозов образует
биогеоценотический покров Земли, т.е. ее
биосферу. Таким образом, биогеоценоз –
элементарная единица биосферы.

5.

В отличие от биогеоценоза в понятие
экосистемы входят и искусственные
экосистемы (батискафа, космического
корабля, аквариума) и отдельные
частности, например, экосистема
гниющего пня.

6.

7.

1.
2.
3.
4.
По размеру экосистемы:
Микроэкосистемы
Мезоэкосистемы
Макроэкосистемы
Глобальная экосистема – биосфера.

8. Законы формирования экосистемы (Н.Ф. Реймерс, 1994)

Принцип экологической
комплементарности
(дополнительности): никакая
функциональная часть экосистемы
(экологический компонент, элемент и
т. д.) не может существовать без
других функционально дополняющих
частей

9.

Принцип экологической конгруэнтности
(соответствия): функционально
дополняя друг друга, живые
составляющие экосистемы вырабатывают
для этого соответствующие
приспособления, скоординированные с
условиями абиотической среды, в
значительной мере преобразуемой теми
же организмами (биоклимат и т. д.), т. е.
наблюдается двойной ряд соответствия —
между организмами и средой их обитания
— внешней и создаваемой ценозом.

10.

Принцип формирования экосистемы:
длительное существование организмов
возможно лишь в рамках экологических
систем, где их компоненты и элементы
дополняют друг друга и
соответственно приспособлены друг к
другу, что обеспечивает
воспроизводство среды обитания
каждого вида и относительно
неизменное существование всех
экологических компонентов.

11. Свойства экосистем:

1.
2.
Эмерджентность: несводимость
свойств системы к свойствам
составляющих ее элементов.
Биоразнообразие. Принцип
необходимого разнообразия
элементов – нижний предел
разнообразия равен двум, верхний стремится к бесконечности.

12.

3. Устойчивость экосистем.
Упругая устойчивость – способность
быстро возвращаться в состояние
равновесия после оказанного воздействия.
Резистентная – способность
сопротивляться воздействию.
Чем выше биоразнообразие, тем больше
устойчивость.

13.

4. Гомеостаз - это состояние внутреннего
динамического равновесия природной
системы, поддерживаемое регулярным
возобновлением ее основных структур,
вещественно-энергетического состава и
постоянной функциональной
саморегуляцией ее компонентов.

14. Компоненты экосистемы

Биотические
Продуценты (автотрофы)
Консументы
Абиотические
Солнечная энергия
Воздух
(гетеротрофы)(консументы
1, 2, 3 и т.д. порядков)
Сапрофаги или детритофаги
Редуценты
Вода
Почва
Компоненты экосистемы

15.

16. С точки зрения трофических отношений биотическиекомпоненты экосистемы:

1. Автотрофный (используют
неорганические вещества и солнечную
энергию)
2. Гетеротрофный (используют
органические вещества)

17.

Продуценты (автотрофы) - организмы,
способные к фото- или хемосинтезу и
являющиеся в пищевой цепи созидателями
органического веществ

18.

Консументы (гетеротрофы) - организмы,
являющиеся в пищевой цепи
потребителями органического вещества

19. Сапрофаги или детритофаги — организмы, питающиеся мертвым или частично разложившимся органических веществом.

20.

Редуценты - организмы, минерализующие
мёртвое органическое вещество, т. е.
разлагающие его до более или менее
простых неорганических соединений,
только грибы и бактерии.

21.

Классификации живых организмов по типам использования вещества и энергии
Типы живых организмов по
Источник углерода
источнику углерода и энергии
Неорганический
Органический
Автотрофы
Гетеротрофы
Фотоавтотрофы
Фотогетеротрофы
(растения, часть
(некоторые
Источник
Энергия
энергии
света
Химическая
энергия
бактерий)
бактерии)
Хемоавтотрофы
Хемогетеротрофы
(некоторые
(животные, грибы,
бактерии)
большинство
бактерий,
растенияпаразиты)
21

22. 2. Круговороты вещества и энергии в экосистемах

Первоисточник энергии – Солнце.
Циркуляция атмосферы, воды – от
энергии Солнца.
Экосистемы существуют за счет не
загрязняющей среду и практически
вечной солнечной энергии, количество
которой относительно постоянно и
избыточно.

23.

2 круговорота веществ: большой
(географический) и малый
(биологический).
Они связаны в единый процесс.
Биогеохимический круговорот (цикл) обмен химических элементов между
живыми организмами и неорганической
средой, различные стадии которого
происходят внутри экосистемы.
Получение ресурсов и избавление от
отходов происходят в рамках круговорота
всех элементов.

24.

В Ы М Ы ВА Н И Е
Взаимосвязь малого биологического круговорота
веществ в биосфере с большим географическим круговоротом

25.

Закон биогенной миграции атомов В. И.
Вернадского: Миграция химических
элементов на земной поверхности и в
биосфере в целом осуществляется или при
непосредственном участии живого вещества
(биогенная миграция), или же она протекает
в среде, геохимические особенности которой
(О2, СО2, Н2О и т. д.) обусловлены живым
веществом, как тем, которое в настоящее
время населяет биосферу, так и тем, которое
действовало на Земле в течение всей
геологической истории.

26. Биогеохимические функции живого вещества (В.И. Вернадский)

1. Газовая. Большинство газов верхних
горизонтов планеты порождено
жизнью.
2. Концентрационная. Организмы
накапливают в своих телах многие
химические элементы.
3. Окислительно-восстановительная.
Организмы участвуют в окислении и
восстановлении химических
элементов.

27.

4. Биохимическая. Рост, размножение,
перемещение организмов.
5. Биогеохимическая деятельность
человечества. Приводит к размыканию
циклов химических элементов.

28. 3. Поток энергии в экосистемах

Поток энергии не создает круговорота
(линеен), энергия используется только 1
раз.
Законы термодинамики:
Первый закон: энергия может
превращаться из одной формы (например,
света) в другую (например, потенциальную
энергию пищи), но не может быть создана
или уничтожена.
Второй закон: не может быть ни одного
процесса, связанного с превращением
энергии, без потерь некоторой ее части.

29.

Поток энергии в экосистеме (по Ф. Рамаду, 1981)

30.

Живые организмы являются
преобразователями энергии. Каждый
раз, когда происходит превращение
энергии, часть ее теряется в виде тепла. В
конечном итоге вся энергия, поступающая
в биотический круговорот экосистемы,
рассеивается в виде тепла. Живые
организмы фактически не используют
тепло как источник энергии для
совершения работы — они используют свет
и химическую энергию.

31.

Поток энергии через пастбищную пищевую цепь. Все цифры
даны в кДж/м2·год

32.

32

33.

Трофические цепи (цепи питания) –
последовательность организмов,
связанных трофическими связями, по
которым идет передача вещества и
энергии в экосистеме.
Трофические сети.
Трофические уровни.

34. Пищевые цепи

35. Пищевые цепи

36. 4. Экологические пирамиды

выражают трофическую структуру
экосистемы в геометрической форме.
их высота пропорциональна длине
рассматриваемой пищевой цепи (числу
трофических уровней);
их форма отражает эффективность
превращений энергии при переходе с
одного уровня на другой.

37.

Пирамиды
численности
Число организмов на
каждом трофическом
уровне данной
территории.
Отражают плотность
организмов на каждом
трофическом уровне.
Нередко перевернуты
(экосистема леса,
цепочки сапрофитов и
паразитов)
Упрощенная схема пирамиды численности
(по Г. А. Новикову, 1979)

38.

Пирамиды
биомассы
учитывается
суммарная масса
организмов
(биомасса) каждого
трофического
уровня. Единицы
массы на единицу
площади (т/га, г/м3 и
т.д.)
Бывают прямые и
перевернутые.

39.

Изменение пирамиды биомассы по сезонам

40.

Пирамиды чисел и биомасс отражают
статику системы, т. е. характеризуют
количество или биомассу организмов в
определенный промежуток времени.
Позволяют решать ряд практических задач
(вылов рыбы, отстрел животных и т.п.)

41.

Пирамида энергии
представляют
эффективность
преобразования энергии и
продуктивность пищевых
цепей.
строятся подсчетом
количества энергии (ккал),
аккумулированной
единицей поверхности за
единицу времени и
используемой
организмами на каждом
трофическом уровне.

42.

Закон пирамиды энергий (Р. Линдеман,
1942) ( «закон 10%»)
С одного трофического уровня
экологической пирамиды переходит на
другой ее уровень в среднем не более 10%
энергии.
Следствия:
Передача энергии идет с очень малым
КПД,
Число звеньев трофической цепи
ограничено.

43.

Экологические пирамиды (по Е. Одуму, 1959):
а — пирамида численности; б — пирамида биомассы;
в — пирамида энергии.
Заштрихованные прямоугольники обозначают чистую продукцию

44.

Правило управляющего значения
консументов: консументы – управляющее
и стабилизирующее звено экосистемы,
создают спектр разнообразия.

45. 5. Продуктивность экосистем

Первичная продукция экосистемы -
органическое вещество, создаваемое
продуцентами в процессе фотосинтеза
или хемосинтеза. Количественно –
сырая или сухая масса растений или в
ккал.
Определяет общий поток энергии
через биотический компонент
экосистемы.

46.

Валовая первичная продукция -
количество вещества, создаваемого
растениями за единицу времени при
данной скорости фотосинтеза.
Часть этой продукции идет на
поддержание жизнедеятельности самих
растений (траты на дыхание).
~20% расходуется на дыхание и т.п.

47.

Оставшаяся
часть созданной органической
массы характеризует чистую первичную
продукцию, которая представляет собой
величину прироста растений.
Чистая
первичная
продукция
—
энергетический резерв для консументов,
сапрофагов и редуцентов, т.е следующих
трофических уровней.
Вторичная
продукция
количество
органического
вещества,
накопленного
гетеротрофными организмами. Считается
отдельно для каждого уровня.

48. По продуктивности все сообщества делятся на:

1. Сообщества высшей продуктивности,
3000—2000 г/м2/год (тропические леса, посевы
риса и сахарного тростника)
2. Сообщества высокой продуктивности,
2000—1000 г/м2/год (листопадные леса
умеренной полосы, луга при применении
удобрений, посевы кукурузы)
3. Сообщества умеренной продуктивности,
1000—250 г/м2/год (большая часть с/х культур,
кустарники, степи)
4. Сообщества низкой продуктивности, ниже
250 г/м2год (пустыни, полупустыни, тундры).

49. Биопродуктивность экосистем мира

50. 6. Динамика экосистем

2 типа динамики:
1. Циклические изменения – суточная,
сезонная, многолетняя динамика.
2. Поступательные изменения –
направленная смена одних сообществ
другими.

51. Циклическая динамика

1) Суточная динамика – суточная ритмика
жизнедеятельности растений и животных.

52.

2) Сезонная динамика – смена времен года

53.

Смена аспектов

54.

3) Флуктуационные (погодичные или
разногодичные) изменения.
Изменение численности зайца-беляка (1) и рыси (2) в Республике Коми (С.П.Наумов,
1947)

55.

Характерные признаки флуктуаций
(Работнов, 1968):
А) обратимость изменений растительности
(возврат фитоценоза к состоянию,
близкому к исходному),
Б) различная ориентированность
изменений в отдельные годы,
В) устойчивый флористический состав,
Г) отсутствие внедрения новых
доминантов – инвазий, ведущих к
направленным сменам сообществ.

56.

Если в сообществе сохраняются основные
компоненты, хотя бы в латентном
(скрытом) состоянии, то это флуктуация.
Если же одни компоненты сменяются
другими, то речь идет о смене одного
фитоценоза другим, т.е, о сукцессии.

57. Сукцессии

Сукцессия растительности – это
последовательный ряд смены серийных
(временно существующих) растительных
сообществ на конкретном местообитании
после выведения конкретной экосистемы
из состояния динамического равновесия.

58.

59.

Каждое сообщество, которое в процессе
сукцессии сменяет другое, называют стадией
этой сукцессии. Конечная стадия сукцессии –
климаксовое (коренное) сообщество.
Демутация - процесс восстановления
биоценоза до состояния, близкого к исходному
после разрушения или существенного нарушения
его состава и структуры (дигрессии).
Дигрессия - ухудшение состояния биоценозов,
упрощение структуры и обеднение видового
состава из-за внешних (экзогенных) или
внутренних (эндогенных) причин.
Необратимость процесса – обязательное
свойство любой сукцессии.

60. Первичные сукцессии

происходят на участках, полностью
свободных от растительного покрова и
не сохранивших семенных зачатков
растений.

61.

62. Вторичные сукцессии

- это смены биоценозов, начинающиеся
от сформированной растительности.
Различают автогенные
(эндоэкогенетические, по
В.Н.Сукачеву) и аллогенные
(экзоэкогенетические) сукцессии.
Первые связаны с изменениями в
самих биоценозах, вторые – с
внешними изменениями.

63.

64.

65.

Пример автогенной сукцессии –
зарастание озера, переход низинного
болота в верховое.
Схема зарастания озера. Растительность (начиная от берега): осоки, тростник, камыш и рогоз (с
примесью погруженных в воду растений); кувшинки; кубышки и другие растения с плавающими
листьями; рдесты и другие погруженные в воду растения; донные мхи и водоросли (глубоководная
часть озера без высших растений). 1 — осоковый торф; 2 — тростниковый и камышовый торф; 3 —
сапропелевый торф; 4 — сапропелит.

66.

67.

Стадии
заболачивания
водоёма: А —
открытое водное
пространство; Б —
прибрежно-водная
растительность; В, Г
— осоковое
низинное болото; Д
— сосновый лес на
сфагновом болоте.

68.

о
Схема (разрез) строения выпуклого болота, образованного зарастанием озера: 1
— минеральное дно; 2 — пресноводный мергель; 3 — сапропелит; 4 —
тростниковый торф; 5— хвощовый торф; 6 — осоковый торф; 7 —лесной
торф; 8 — гипновый торф; 9 — шейхцериево-сфагновый торф; 10 —
пушицево-сфагновый торф; 11 — сфагновый торф с пнями сосны.

69.

Автогенные сукцессии происходят из-за
того, что при длительном существовании
популяций они меняют своё окружение в
неблагоприятную сторону и оказываются
вытесненными и замененными другими с
противоположными экологическими
требованиями.

70.

Правило экологического дублирования:
исчезнувший или уничтоженный вид в
рамках одного уровня экологической
пирамиды заменяет другой, аналогичный.
Мелкий вид сменяет крупного, ниже
организованный – более высоко
организованного, более генетически
лабильный и мутабельный – менее
генетически изменчивого..

71.

Пирогенные сукцессии

72.

Скорости сукцессии (до достижения
климаксовой стадии):
Первичная на песчаных дюнах – около 1000
лет.
Первичная в тундрах – 5000 лет.
Вторичная на залежах в степях – 100 – 300
лет.

73. Изменения продуктивности и биомассы во время сукцессии

Общие правила сукцессий, за исключением
дигрессий:
1. В процессе сукцессии виды растений и
животных непрерывно сменяются.
2. Повышается видовое разнообразие
организмов.
3. Биомасса органического вещества
увеличивается.
4. Снижается чистая продукция сообщества
и повышается интенсивность дыхания.

74.

Закон последовательности прохождения
фаз развития
Закон сукцессионного замедления
Принцип «нулевого максимума» экосистема в сукцессионном развитии
стремится к образованию наибольшей
биомассы при наименьшей биологической
продуктивности.
Увеличивается доля питательных веществ
в биомассе, уменьшается доля в
абиотических компонентах, увеличивается
количество детрита и детритофагов.

75.

Правило увеличения замкнутости
биогеохимического круговорота веществ в
ходе сукцессии.
В климаксовой стадии видовое
разнообразие немного снижается, но
заполненность экологических ниш
максимальная.

76.

При изменении любого абиотического или
биотического фактора неприспособленный
вид:
1. мигрирует
2. адаптируется
3. вымирает
Закон эволюционно-экологической
необратимости: экосистема, потерявшая
часть своих элементов не сможет
восстановиться, если произошли
эволюционные изменения.

77. 7. Искусственные и квазиприродные экосистемы

Искусственные (антропогенные)
экосистемы могут существовать
только при участии человека.
Квазиприродные экосистемы искусственная имитация участков
природной среды (рекреационные
зоны, природные парки, элементы
ландшафта).

78.

Урбоэкосистемы (города) – крайне низкая
продуктивность и устойчивость.
Агроэкосистемы (агроценозы) –
продуктивность высокая,
биоразнообразие низкое, устойчивость
низкая, разомкнутые круговороты.