169074 (Прогноз изменения экологических систем под влиянием природных и антропогенных факторов)

Тема:

Прогноз изменения экологических систем под влиянием природных и антропогенных факторов

Введение

В середине XX века проблемы охраны окружающей среды и природных ресурсов обратили внимание мирового сообщества. Появились первые научно-аналитические труды, которые пробудили в обществе осознание негативных экологических последствий экономического развития.

Зародившись на почве полемики между сторонниками двух концепций развития земной цивилизации – технологической и биосферной, идея сбалансированного развития подвела человечество к ревизии основ его функционирования, выдвинув на первый план проблему перехода к иным формам общественной организации, которые обеспечили бы, прежде всего, его самосохранение.

1. Экологическая система

Термин "экосистема" впервые был предложен английским геоботаником А. Тэнсли в 1935 году, хотя возник значительно раньше, как идея единства организмов и среды; человека и природы.

Экосистема — основная функциональная единица экологии, включающая живые организмы (биотические сообщества) и абиотическую среду, причем, каждая из этих частей влияет на другую и обе необходимы для поддержания жизни в том виде, в котором она существует на Земле.

Экосистема — понятие довольно широкое и главное в нем то, что оно подразумевает обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей между отдельными компонентами, рассматриваемыми как стабильное целое. Другими словами, внутри каждой такой системы происходит взаимообмен не только между организмами, но и между органическими и неорганическими компонентами. Размеры экосистем могут быть очень различными по размеру: (например, лужа такая же экосистема, как несколько гектаров леса). Самая хрупкая экосистема — биосфера, включающая постоянно взаимосвязанные все живые организмы Земли, земную кору, почву, океан и атмосферу. В результате эта система, получающая энергию от Солнца и переизлучающая ее в Космос, поддерживается в состоянии равновесия. Любая экосистема обособлена в пространстве, хотя и не имеет четких границ. Соседние экосистемы накладываются друг на друга, создавая зоны перехода (берег моря или озера, опушка леса и т. д.). Между двумя соседними экосистемами существуют связи и обмен, которые всегда уступают связям ям и обмену наблюдающимися между компонентами одной экосистемы.

Все компоненты экосистемы связаны обменом веществ и энергии, саморазвиваются и саморегулируются, но следует иметь ввиду, что экосистемой может быть только среда, где существует стабильность и четко функционирует внутренний кругооборот веществ. Различают микроэкосистемы (болотце, дерево, пенек с грибами), мезоэкосистемы (участок леса, озеро) и макроэкосистемы (континент, океан). Часто экосистему отожествляют с биогеоценозом.

Рис. 1. Схема строения биогеоценоза

Биогеоценоз — территориально или пространственно обособленная целостная элементарная единица биосферы, все компоненты которой тесно связаны друг с другом. Основное отличие экосистемы от биогеоценоза заключается в том, что последний имеет строго ограниченный объем, а экосистема может охватывать пространство любой протяженности. Таким образом, биогеоценоз — это совокупность, на известном протяжении, земной поверхности однородных природных явлений: атмосферы, горной породы, растительности, животного мира, микроорганизмов, почвы и т. д.

Компоненты биогеоценоза: биотоп и биоценоз (рис.1). Биотоп — однородное по адиатическим факторам среды пространство, занятое биоценозом, т. е. место жизни вида, организма.

Биоценоз — общность организмов, которые живут в пределах одного биотопа (суши, воды, грунта и т. д.).

Понятие "биоценоз" чисто условное, так как вне среды обитания организмы жить не смогут, но введено оно для удобства исследования экологических процессов.

Экосистемы характеризуются:

• видовым, популяционным составом и количественным соотношением видовых популяций;

• распределением отдельных элементов в пространстве;

— совокупностью связей, и, в первую очередь, — цепей питания.

Сукцессиями (лат. successio — последовательность) называют процессы последовательной смены биоценозов, протекающих под влиянием разных факторов.

Объясним это на примерах. Когда озеро наполняется илом, оно постепенно превращается из глубокого в мелкое, затем — в болото, после чего в зеленый луг, на котором в дальнейшем вырастают кустарники и деревья.

Если в лесу находится заброшенное ржаное поле, то на нем возникают, сменяя друг друга, следующие биоценозы: однолетние сорняки и травы, кустарники, разрозненные деревья, лес.

Если в горах произошел оползень, то на обнаженной поверхности скалы сначала появляются лишайники, их сменяет моховый покров, затем вселяются травы и образуются луга, последние постепенно зарастают кустарником, наконец — появляются деревья и возникает лес, являющийся завершающим, конечным биоценозом.

Сукцессии наблюдаются также после уничтожения ранее существовавших биоценозов пожаром, наводнением, обвалом, распашкой, вырубкой леса и т. п. Во всех случаях замена одного временного биоценоза другим происходит в результате последовательного изменения внешних условий, с которыми взаимодействуют организмы.

Как правило, сукцессии характеризуются прогрессивными процессами: развивается почва, растительный покров, возрастает производительность биоценоза — синтез органического вещества на единицу площади. Смена биоценозов сопровождается увеличением их видового разнообразия: начальные биоценозы обычно включают небольшие и недолговечные растения, а в ходе сукцессии возникают биоценозы с более крупными и долгоживущими растениями. Конечные биоценозы потенциально могут сравнительно долго существовать без значительных изменений. Биоценоз, завершающий сукцессию, называется климаксом (от греческого klimax — лестница).

Чтобы биоценоз был стабильным, необходимо равновесие между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии. Такая константность системы, основанная на соответствии прихода — расхода, при наличии постоянного самообновления, получила название — динамичного равновесия или устойчивого состояния. Простейший пример — пруд, расположенный по руслу небольшой речки: вода в нем постоянно обновляется, но он сохраняет свои форму, площадь, глубину, комплекс растительных и животных организмов. Динамичное равновесие присуще всем уровням организации животных систем — от клетки до биоценозов и экосистем. Неблагоприятные внешние влияния могут нарушить это равновесие, что повлечет за собой перестройку или гибель всей системы.

Важное значение в экологии имеет понятие — трофических или пищевых цепей, благодаря которым осуществляется связь, а также обмен энергией и веществом между организмами в экосистеме. Пищевая цепь — перенос энергии пищи от ее источника (растений) через ряд организмов к другим организмам, путем поедания одних другими. При каждом очередном переносе — 80—90% потенциальной энергии теряется с отходами и переходит в тепло, что сводит возможное число этапов или „звеньев" цепи до четырех—пяти. Пищевые цепи тесно переплетены между собой, образуя пищевые сети. В экосистеме организмы, получающие свою пищу от растений через одинаковое число этапов, считаются принадлежащими к одному трофическому уровню. Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (продуценты), травоядные — второй (первичные консументы), хищники, поедающие травоядных — третий (вторичные консументы), а вторичные хищники — четвертый (третинные консументы). [1, с.12-13]

2. Влияние природных и антропогенных факторов на экосистемы

Основными компонентами биоценоза являются три группы организмов: растения, животные и микробы. Так, в экосистему леса входят все деревья, кустарники, травы, лишайники, грибы, животные, микроорганизмы, почва с ее обитателями, газы атмосферы и соли, растворенные в почвенной воде.

Экосистему озера или моря составляют все растения, животные и микробы водоема, вся водная масса, с растворимыми в ней веществами, грунты с органическими и минеральными частицами. Вещества движутся от одного компонента к другому, отражая известную общую закономерность круговорота веществ в природе и обеспечивая существование экосистем. Например, движение атмосферного кислорода. Все организмы потребляют его при дыхании, а выделяют кислород в реальных экосистемах круговорот обычно бывает незамкнутым, т. к. часть веществ уходит за пределы экосистемы, а часть поступает извне. Но в целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему (биосферу), в которой круговорот веществ проявляется в полной мере. Жизнь на Земле возникла около 3 млрд. лет назад. Если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, запасы их бы давно исчерпались и жизнь прекратилась бы. [2, с.11-12]

Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биохимическим циклом.

В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

Продуценты (производители) — автотрофные организмы и зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород. К этой группе принадлежат некоторые бактерии хемосептики, способные создавать органическое вещество.

Консументы (потребители) — гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных и друг друга. Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся организмами, бактериями и грибками. Скорость образования биологического вещества (биомассы), т. е. образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью экосистемы. Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наиболее характерен для процессов, происходящих в биосфере, круговорот углерода. Соединения углерода образуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода — от углекислого газа в живое вещество и обратно. Часть углерода выходит из круговорота, отлагаясь в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органического происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие газы), где уже; аккумулирована его основная масса, Этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Важную роль в; биосферных процессах играет круговорот азота. Фиксация его в химических соединениях происходит при вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере в процессе её ионизации, при сгорании материалов. Определяющее значение в фиксации азота имеют микроорганизмы. Соединения азота (нитраты, нитриты) в растворах поступают в организмы растений, участвуя в образовании органического вещества (аминокислоты, сложные белки). Часть соединений азота выносится в реки, моря, проникает в подземные воды. Из соединений, растворенных в морской воде, азот поглощается водными организмами, а после их отмирания перемещается в глубь океана. Одним из важнейших элементов биосферы является фосфор, входящий в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани, фосфор также участвует в малом и большом круговоротах, усваивается растениями. Различные вещества имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным относят: хлор, серу, бор, бром, фтор. К пассивным— кремний, калий, фосфор, медь, никель, алюминий и железо. Круговорот всех биогенных элементов происходит на уровне биогеоценоза. От того, насколько регулярно и полно осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза. [3, с.104-105]

Человек оказывает огромное воздействие на развитие и деградацию экосистем. От того, насколько человечество готово изменить свое отношение к окружающей среде зависит будущее всей нашей планеты.

3. Прогноз изменения экологических систем

С самого момента появления человека как биологического вида сообщества людей постоянно сталкивались с местными экологическими ограничениями: неспособностью найти дичь в необходимых количествах, вырастить достаточный урожай или собрать достаточно дров, что приводило к резким спадам в численности населения, а в некоторых случаях и к исчезновению целых цивилизаций. Технический прогресс и появление интегрированной мировой экономики положили конец такому многовековому ходу событий.

Вызов, перед которым мы оказались вначале нового века, начинается с масштабов. По сравнению с началом прошлого столетия численность населения мира увеличилась в четыре раза, а мировая экономика выросла в 17 раз. Этот рост обеспечил столь значительное повышение жизненного уровня, о каком наши предки не могли и мечтать, но при этом он в таких масштабах подорвал природные экосистемы, которые они не могли вообразить и естественно никогда не воспринимали в качестве угрозы. Возможности морского рыболовства, например, приближаются к своим пределам или даже превышают их, уровень грунтовых вод снижается на всех континентах, пастбища гибнут из-за перевыпаса, многие из сохранившихся тропических лесов находятся на грани исчезновения, а концентрация углекислого газа (СО₂) в атмосфере достигла максимального уровня за 160 тыс. лет. Если такие тенденции продолжатся, это приведет к тому, что рубеж тысячелетий как историческое событие покажется тривиальным, потому что они могут повлечь за собой самое значительное вымирание живых существ с тех пор, как падение метеорита смело с лица Земли динозавров около 65 млн. лет назад.

Когда мы пытаемся заглянуть в XXI век, становится ясным, что удовлетворение прогнозируемых потребностей постоянно возрастающего населения мира с помощью той экономики, которую мы имеем сейчас, просто невозможно. Западная экономическая модель — расточительная экономика, основанная на потреблении ископаемого топлива и ориентированная на автомобиль, которая столь разительно повысила в XX веке жизненный уровень части человечества, — попала в трудное положение. Действительно, глобальная экономика не может расширяться бесконечно, если экосистемы, от которых она зависит, продолжают разрушаться.

Сдвиг в сторону экологически безопасной, устойчивой экономики может стать столь же глубоким преобразованием, каким была Промышленная революция, которая и привела к нынешней дилемме.

Фундаментальное значение имеет тот факт, что наша нынешняя экономическая модель разрушает природные экосистемы Земли. Для нас сегодня ключевыми ограничениями являются пресная вода, леса, пастбища, океанские рыбопромысловые зоны, биологическое разнообразие видов и состояние атмосферы Земли. Хотя наши предки боролись с нехваткой воды со времен древней Месопотамии, становящийся все более распространенным дефицит пресной воды является, возможно, самой недооцениваемой ресурсной проблемой, с которой столкнулся мир сегодня. Об этом свидетельствуют как понижение уровней грунтовых вод, так и пересыхающие реки, которые неспособны донести свои воды до моря. Поскольку потребление воды в мире с середины столетия утроилось, чрезмерное ее выкачивание привело к понижению уровней грунтовых вод на всех континентах.

В Китае и Индии, двух крупнейших по численности населения странах мира, запасы продовольствия наполовину или более зависят от орошаемого земледелия. В Китае уровни грунтовых вод снижаются повсеместно, поскольку местность там равнинная. Северная половина страны в буквальном смысле высыхает. Уровень грунтовых вод под большей частью территории севера Большой Китайской равнины, на которую приходится почти 40% производства зерна в Китае, снижается примерно на 1,5 кг в год. Прогнозы, подготовленные Национальной лабораторией Sandia, США показывают, что в начале нового тысячелетия в ряде основных речных бассейнов в Китае возникнут огромные водные дефициты.