Что такое смена экосистем
Причины устойчивости и смены экосистем
Содержание:
Одни биогеоценозы более стабильные, по сравнению с другими. Устойчивость естественных экосистем достигается с помощью видового разнообразия флоры и фауны, способности к саморегуляции численности особей в популяциях. Характерна высокая первичная продуктивность, практически отсутствуют неиспользованные органические остатки. Примеры стабильных экосистем: дубрава, влажный тропический лес, ельник, озеро (таблица 1).
Видовое разнообразие дубравы
Группы организмов по типу питания
Примеры растений, животных, микроорганизмов
Продуценты — растения
Верхний ярус — высокие деревья.
Дуб, ясень, клен, липа, дикая груша.
Средний ярус — кустарники.
Лещина, калина, бересклет, бузина, крушина.
Нижний ярус — травы.
Валериана, купена, медуница, чистотел.
Консументы — животные
Грызуны, зайцы, дикие кабаны, косули, зерноядные птицы.
Хищные птицы, ласка, куница, волк, лиса.
Редуценты
Факторы устойчивости дубравы:
Причина смены биогеоценозов — достижение стабильного состояния. Развитие продолжается до тех пор, пока не сформируется уравновешенное природное сообщество, которое способно поддерживать баланс веществ и энергии в экосистеме.
Смена экосистем сопровождается:
Неустойчивые экосистемы изменяются быстрее. Происходит смена растительного покрова, популяций животных. Постепенно, одни экосистемы превращаются в другие. На месте озера появляется болото, на заброшенной плантации шалфея восстанавливается степная растительность.
Существует две основные причины неустойчивости биогеоценозов:
Даже биогеоценозы с малым видовым разнообразием (тундра, полупустыня, пустыня) более устойчивы, по сравнению с искусственными экосистемами. Неустойчивость последних — следствие наличия монокультуры, простоты пищевых цепей, невозможности саморегуляции.
Тундры и пустыни без сильной антропогенной нагрузки, в условиях отсутствия значительных климатических изменений, способны существовать длительно. В этих и других устойчивых экосистемах все, что производят растения, используется гетеротрофными организмами.
Человек, изымая значительную часть органики в искусственно созданных экосистемах, прерывает естественные потоки веществ и энергии. Энергия частично возвращается с удобрениями, но этого недостаточно. Агроэкосистемы быстро деградируют без вмешательства человека (обработки почвы, внесения удобрений, борьбы с болезнями и вредителями).
Смена экосистем
Понятие о смене экосистемы
Наблюдая за каким-либо биогеоценозом в течение ряда лет, можно заметить, что он не остается неизменным. В нем меняются условия жизни, появляются новые виды, подчас обладающими сильными средообразующими свойствами, что сказывается на взаимоотношениях видов, входящих в экосистему, и на ее структуре. Такие постоянно происходящие процессы оказывают различное влияние на устойчивость экосистем. Одни изменения непродолжительны, и сообщество легко восстанавливает свою стабильность, другие приводят к существенным изменениям общей структуры биогеоценоза, замене господствующих видов. При этом изменяется строение и особенности взаимоотношений между организмами. В результате биогеоценоз становится качественно отличным от того, что он представлял собой раньше: с новым типом круговорота веществ, иной направленностью потока энергии, новым составом видов, с особым ритмом их развития и с иной продуктивностью.
Явление, при котором один биогеоценоз со временем заменяется качественно другим, называют сменой экосисты (биогеоценоза) или сукцессией (от лат. successio — «преемственность»).
Смена экосистемы — это закономерно направленный процесс качественного изменения биогеоценоза в результате взаимодействия живых организмов между собой и окружающей их абиотической средой.
Зарождаются биогеоценозы обычно за счет того, что из соседних территорий на какую-то поверхность начинают вселяться новые виды (первыми — обычно растения), для которых имеющиеся на ней условия среды являются благоприятными. Если среди внедрившихся оказываются виды, обладающие сильными средообразующими свойствами, то спустя некоторое время они изменят первоначальные условия среды, создав новый биотоп. Так происходит с каждым новым поселенцем. Этот процесс может произойти на голом абиотическом субстрате или на территории уже сложившегося биогеоценоза. В том и другом случае зарождение нового природного сообщества и его последующая смена происходят за счет внедрения из окружающей среды новых для биогеоценоза видов.
Схема развития устойчивого многовидового природного сообщества на месте брошенной пашни путем смены неустойчивых сообществ. Значками обозначены разные виды растений
Смена экосистем на нашей планете происходит постоянно и всюду, но с разной скоростью и по разным причинам. Очень быстро, например, протекает смена на молодых залежах, брошенных пашнях, вырубках, гарях. Более медленно эти процессы происходят в хорошо сложившихся, устойчивых (коренных) экосистемах: дубравах, ельниках, ковыльных, злаково-полынных степях, тропических лесах, лишайниковых тундрах и некоторых пустынях. Само появление коренных биогеоценозов в живом покрове планеты — результат многочисленных последовательно идущих смен.
Смена экосистемы — многолетний процесс
В процессе смены экосистемы с помощью конкурентных отношений между видами постепенно формируется устойчивый комплекс популяций различных видов, способных к совместному существованию, который соответствует конкретным абиотическим условиям данной территории. Таким путем возникший биогеоценоз уже обладает достаточной степенью устойчивости, способностью к самоподдержанию в течение относительно длительного времени. Экосистема, характеризующаяся устойчивым стабильным состоянием, большим разнообразием видов, находящаяся в равновесии с окружающей средой, способная поддерживать саму себя долгое время и самовозобновляться, называется коренной, или конечной.
Обычно такой устойчивый (коренной) биогеоценоз образуется в результате целого ряда последовательно идущих смен как завершение поступательного процесса. Эту цепь сменяющихся биогеоценозов называют сукцессионным рядом или серией биогеоценозов. В них каждая конкретная выраженная экосистема является определенной стадией формирования конечного (коренного) сообщества. В этой серии биогеоценозов есть начальные, промежуточные (временные) и конечные.
Начальные, или пионерные, сообщества обычно представляют собой случайное сочетание растительных видов, возникающее на оголенных территориях. Здесь еще нет хорошо выраженного биотопа, ярусности, сложившихся биотических связей и круговорота веществ между компонентами. Однако присутствующие здесь виды уже создают условия для вселения новых видов, способных жить в таких условиях. Пионерные сообщества существуют недолго, поэтому их относят к временным.
В отличие от конечных временные экосистемы не могут долго находиться в состоянии устойчивого равновесия и поэтому быстро заменяются другими. Обычно это связано с тем, что средообразующая деятельность основных видов такой экосистемы производит настолько глубокие изменения в биотопе, что жизнь их самих и многих сопутствующих им видов становится невозможной. В то же время здесь появляются условия для внедрения новых видов, в том числе обладающих сильными средообразующими свойствами. Часто такие виды оказываются ведущими компонентами другого, нового биогеоценоза, который со временем заменяет предыдущий.
Временные биогеоценозы характеризуются неполнотой биологического круговорота и небольшой продолжительностью существования, поэтому и называются временными.
Примером формирования устойчивой коренной экосистемы путем последовательно сменяющихся стадий может служить образование торфяного болота при постепенном зарастании озера или появление елового леса на брошенных землях в северных зонах нашей страны. При этом возникающие здесь травянистые и мелколиственные лесные биогеоценозы (березняки или осинники с их особыми растениями, животными, бактериями и грибами) оказываются промежуточными, временными биогеоценозами, а еловый — конечным, коренным.
Развитие лесного биогеоценоза на брошенной пашне
Процесс формирования елового леса как коренной экосистемы занимает не менее 80-120 лет. Иногда в силу особых почвенно-климатических условий эта смена затягивается на более длительный срок, надолго задерживая появление ценного в биологическом и хозяйственном отношении елового леса.
Смена экосистем, представленная здесь, была вызвана естественными причинами, скрытыми внутри самих биогеоценозов. Внедрение новых видов явилось закономерным итогом развития самого предыдущего сообщества. Поэтому сукцессию (последовательный ряд идущих друг за другом смен) нередко называют саморазвитием биогеоценоза. Этот процесс длится многие годы и завершается появлением коренного сообщества, соответствующего конкретным почвенно-климатическим условиям. Смены, совершающиеся под влиянием естественных причин, скрытых внутри самих биогеоценозов, называют сукцессионными.
Типы смен экосистем
Очень часто смены экосистем в природе происходят внезапно и по причинам, чуждым биогеоценозу. Например, при удалении его основных компонентов (вырубка леса, пожар, распашка, выпас скота) или под влиянием затопления, заливания вулканической лавой, или в результате вселения новых видов из других географических районов. Здесь фактор, вызывающий смену, необычен, чужд биогеоценозу. При такой ситуации происходят быстрые и резкие изменения всей структуры экосистемы, вплоть до ее разрушения. Это может происходить как под влиянием естественных сил (стихийно), так и в результате природопользовательской деятельности человека. Смены, совершающиеся внезапно, по причинам, чуждым экосистеме, В.Н. Сукачев называл катастрофическими.
При катастрофической смене фактор, вызывающий смену, никак не связан с предшествующим ходом развития самого биогеоценоза и дает несвойственные ему направления в развитии, часто оканчивающиеся разрушением всех биогеоценотических связей, почв, деградацией или гибелью экосистемы. Но с прекращением действия катастрофического фактора, внезапно разрушившего биогеоценоз, на этой территории начинается иная, новая, линия развития живого покрова, идущая по типу сукцессионной смены.
Различают два типа сукцессионных смен — первичные и вторичные сукцессии.
Первичные сукцессии начинаются на пустых, лишенных жизни местах — на голых скалах, песчаных наносах рек, в искусственных водоемах — прудах, на остывшей лаве и пр. Поселяющиеся здесь виды своим существованием необратимо изменяют условия среды обитания (создают почву, особый микроклимат). Один вид вытесняет другой (как на конвейере), и спустя какое-то время образуется устойчивое многовидовое сообщество.
Вторичные сукцессии идут на территории, где были нарушены установившиеся связи между популяциями в уже сложившихся сообществах. Такие смены чаще называют восстановительными. Примером может служить восстановление коренного лесного биогеоценоза после пожара или вырубок. Вторичные смены идут значительно быстрее первичных, так как в нарушенном местообитании может сохраниться почва или часть прежнего населения (семена, корневища, обгоревшие деревья, обитатели почвы и пр.).
Изучение смен биогеоценозов показывает, что они находятся в постоянном развитии и что даже хорошо сложившееся коренное сообщество, хотя и довольно медленно, но изменяется. Такие сукцессии охватывают очень длительные периоды времени, поэтому их называют вековыми сменами экосистем. Они происходят в связи с изменением климата на планете, рельефа и других свойств поверхности Земли. Вековые смены начинаются не с заселения незанятых жизнью местообитаний, а с перестройки внутренних связей уже сложившихся и функционирующих экосистем. Этот процесс сопровождается эволюцией самих видов, появлением среди них более адаптированных к новым условиям. Вековые смены отражают историю развития биосферы.
Развитие и смена живого покрова на нашей планете, многообразие видов и экосистем тесно связаны с вековыми сменами, идущими на Земле с момента появления на ней живого вещества и биосферы.
Совокупность многообразных естественных и культурных биогеоценозов образует целостный биогеоценотический покров Земли, то есть биосферу, а отдельная экосистема представляет ее элементарную структурную единицу. Естественные биогеоценозы все чаще уступают свою территорию (путем катастрофических смен) культурным, особенно агробиоценозам (агроэкосистемам). Поэтому уже значительная доля (более 10 %) глобальных функций биогеоценозов (поддержание газового состава и гидротермического режима атмосферы, качество почв, создание первичной продукции и др.) выполняется в биосфере агроэкосистемами. Пропорционально этой доле возрастает и мера ответственности человека за судьбу биосферы.
§ 72. Смена экосистем
Конкретный биогеоценоз не существует вечно. Рано или поздно он сменяется другим. Смены происходят под влиянием изменения среды самими живыми организмами, при смене климатических условий, в процессе эволюции жизни на Земле, под влиянием человека.
Саморазвитие и смена экосистемы. Как пример изменения среды под влиянием самих живых организмов рассмотрим заселение растительностью скальных пород. На первых стадиях заселения большое значение имеет выветривание горных пород: разрушение, частичное растворение и изменение химических свойств минералов.
Органические вещества минерализуются не полностью. Постепенно накапливается смесь из различных органических и минеральных соединений и растительных остатков, обогащенных азотом. Создаются условия для поселения мхов и кустистых лишайников. Процесс накопления органического вещества и азота ускоряется, формируется тонкая почвенная прослойка.
Образуется примитивное сообщество, способное существовать в неблагоприятной обстановке.
Первые поселенцы хорошо приспособлены к суровым условиям голых скал — они выдерживают и сушь, и жару, и мороз. Медленно, но неуклонно они изменяют среду своего обитания и тем самым создают условия для внедрения других популяций. С приходом травянистых растений (осоки, злаки, клевер, колокольчик и др.) конкуренция за воду, свет, питательные элементы ужесточается. Пионеры-поселенцы в этой борьбе вытесняются новыми пришельцами. За травами поселяются кустарники, которые скрепляют корнями образующуюся почву. Травяно-кустарниковые сообщества сменяются лесными.
В ходе длительного развития и смены экосистемы число видов живых организмов, входящих в нее, постепенно растет. Сообщество становится более сложным, его пищевая сеть все более разветвленной. Разнообразие связей между организмами увеличивается, сообщество все полнее использует ресурсы среды. Наступает этап зрелого сообщества, наиболее хорошо приспособленного к окружающим условиям и обладающего саморегуляцией. Популяции видов в зрелом сообществе хорошо воспроизводятся и не замещаются другими видами.
Описанная смена экосистем длится тысячи лет. Однако есть смены, протекающие на глазах одного поколения людей, например зарастание мелких водоемов.
Смена экосистем под влиянием человека (антропогенного фактора). Мощным фактором изменения экосистем является хозяйственная деятельность человека. Воздействие человека на природные экосистемы началось давно. Оно все время усиливалось вместе с увеличением населения Земли. В последнем столетии в связи с быстрым развитием промышленности, сельского хозяйства, ростом городов влияние человека приобрело решающее значение.
Сильное вытаптывание повреждает подрост деревьев. У кустарников и взрослых деревьев начинают сохнуть верхушки, они легко поражаются грибами и вредителями. В результате лес изреживается, осветляется (рис. 106). Создаются благоприятные условия для внедрения луговых трав, которые светолюбивы и меньше боятся вытаптывания, так как образуют дернину. Лесные травы становятся неконкурентоспособными и выпадают из травостоя.
Рис. 106. Влияние антропогенного фактора на изменение березового леса (сравните с рисунком 103)
Очень сильно изменяет луговые, степные и пустынные экосистемы интенсивный выпас скота. Животные поедают определенные виды трав, что приводит к распространению непоедаемых растений. На пастбищах разрастаются чемерица, щавель, синеголовник, полынь. Снижается обилие ценных в кормовом отношении злаков. Многие растения не успевают зацвести и дать семена. Уменьшается количество видов, упрощается сообщество. Многолетние травы замещаются однолетними растениями, корневые системы которых развиты слабее. Почва, не сдерживаемая корнями, начинает размываться потоками воды или развеваться ветром. Разрушение почвы приводит к обеднению среды питательными элементами и водой, что резко ухудшает условия жизни растений и снижает их продуктивность. Богатые разнотравные высокопродуктивные луга и степи при неумеренном выпасе превращаются в бедные пустоши.
Смена биогеоценозов под воздействием антропогенного фактора самая быстрая. Она происходит за несколько лет, а часто скачком. К таким скачкообразным сменам относятся вырубка лесов, распашка земель с созданием агроценозов, строительство водохранилищ, когда сухопутные экосистемы превращаются в водные.
Смена экосистем под влиянием абиотических факторов. Климат земного шара неоднократно менялся. При потеплении в экосистемах вследствие естественного отбора начинали преобладать более теплолюбивые виды растений, животных и микроорганизмов, при похолодании — холодоустойчивые. Периоды с малым количеством осадков характеризовались увеличением численности организмов, устойчивых к недостатку влаги. Периоды с обильными атмосферными осадками приводили к расцвету организмов с повышенными требованиями к содержанию влаги.
Развитие и смена экосистем
Причины смены экосистем.Наблюдая за одним и тем же биогеоценозом, можно увидеть, как заметно изменяется его облик в течение года. Выжженная в конце лета степь не похожа на ту же степь весной, красочную от цветущих тюльпанов, ирисов, примул, крокусов. Зимний лес, одетый в снежные «шапки», совершенно не похож осенний, окрашенный в оранжевые, желтые, багряные краски. Изменяется облик луга по мере того, как весной и летом зацветают на нем разные травы. В то же время, кроме сезонных изменений, в экосистемах происходят и многолетние изменения.
Смена природных сообществ может проходить под влиянием биотических абиотических факторов и человека.
Смена сообществ под влиянием жизнедеятельности организмов длится сотни и тысячи лет. Главную роль в этих процессах играют растения.
Таким образом, смена сообществ происходит потому, что в результате изменения видового состава сообществ растений, животных, грибов, микроорганизмов постепенно изменяется среда обитания и создаются условия, благоприятные для обитания других видов.
Замечено, что процесс смены сообществ имеет тенденцию завершаться стадией зрелого сообщества: с богатым видовым составом, разветвленными пищевыми сетями, способностью к саморегуляции. В итоге формируется устойчивая экосистема — находящаяся в относительном равновесии со средой.
Быстрое (скачкообразное) развитие экосистем часто сопровождается сокращением их видового разнообразия, замедлением процессов саморегуляции и устойчивости. В результате в таких экосистемах формируются сообщества упрощенного типа, с бедной видовой структурой. Например, разнотравные степи человек превращает в пашни, пойменные луга оказываются залитыми водохранилищами. Так, распашка целинных земель во второй половине ХХ века привела к уничтожению естественных степных экосистем в Казахстане и на юге России. В результате исчезли многие виды насекомых, млекопитающих, различные виды трав.
Большую нагрузку испытывают пригородные леса из-за массового посещения их людьми. Вследствие вытаптывания травостоя наземные органы растений травмируются, почва уплотняется, повреждается подрост. В результате лес изреживается, осветляется. Тенелюбивые и теневыносливые травы сменяются на светолюбивые, характерные для луговых экосистем.
Перевыпас скота изменяет луговые и степные экосистемы: широко распространяются те травы, которые не поедаются животными (полынь, чертополох), снижается обилие кормовых злаков. Многие растения не успевают зацвести и дать семена. В результате уменьшается видовое разнообразие экосистемы, упрощаются ее структура, пищевые сети.
Известно немало случаев, когда человек нарушал видовую структуру экосистемы в результате внесения в него новых видов. Так, в начале XIX в. в Австралию из Америки был завезен кактус опунция для создания колючих изгородей на пастбищах. Он размножился настолько, что стал формировать облик многих сообществ, вытесняя привычные виды растений, привел к смене целого ряда экосистем. К середине ХХ в. Австралия могла превратиться в континент из сплошных колючих зарослей, однако этого не случилось благодаря завезенной на материк бабочке кактусовой огневке, гусеницы которой поедают опунцию. После того, как численность кактуса удалось отрегулировать с помощью гусениц, нарушенные экосистемы постепенно восстановились.
Если же видовая и трофическая структуры экосистемы упрощены настолько, что процесс ее самовосстановления уже не может происходить, то человек вновь вынужден вмешиваться в это природное сообщество, но теперь с благими целями: на пастбищах высевают травы, в лесу сажают новые деревья, водоемы очищают и запускают туда молодь рыб.
Экосистема способна к самовосстановлению лишь при частичных нарушениях. Поэтому влияние хозяйственной деятельности человека не должно превышать того порога, после которого экосистема не может осуществлять процессы саморегуляции. Для этого воздействие человека на экосистемы нормируют: определяют, сколько скота можно содержать на 1 га пастбища, сколько отдыхающих могут посещать пригородный лесопарк, соизмерять общее количество сточных вод с тем, какое может обезвредить сама водная экосистема.
Рассмотрим примеры смены экосистем под влиянием климатических изменений. В истории развития жизни на Земле климат менялся неоднократно. В теплые периоды, когда выпадало большое количество осадков, в экосистемах преобладали виды с повышенными требованиями к теплу и влаге. На планете распространялись влажные тропические леса. Значительное поднятие суши в результате тектонических процессов приводило к развитию засушливого климата. В результате на большой части Земли происходила смена экосистем: леса сменялись саваннами, степями, возникали пустыни. Новые экосистемы характеризовались иным комплексом видов, обладали иной видовой, пространственной, трофической структурой.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Саморазвитие и смена экосистем. Устойчивость и динамика экосистем
Содержание:
Изменения происходят в природных и искусственных экосистемах, нарушенных и полностью сформированных. Чистое пойменное озеро зарастает камышом и рогозом, берега заболачиваются, площадь водной глади уменьшается. Постепенно, на том же месте появляется болото.
Причины изменений кроются в свойствах самих экосистем. Им присуще саморазвитие, которое проявляется в последовательной смене природных сообществ организмов. Эти процессы происходят на одной территории в течение длительного периода времени.
Сукцессия
Это последовательная смена сообществ в отдельно взятой экосистеме.
Первичные наблюдаются на прежде необжитых территориях. Например, на безжизненных скалах сначала растут лишайники, создающие условия для высших растений.
Схема первичной сукцессии:
Вторичная сукцессия — смена предыдущего сообщества новым. Пример — восстановление леса после вырубки или пожара.
Одна из основных причин сукцессии — неполнота круговорота веществ. В экосистеме накапливаются «излишки» биогенных элементов, так как не все остатки организмов и продукты их жизнедеятельности перерабатываются консументами и редуцентами. Появляются условия для заселения новых видов.
Другая причина — необходимость достижения биогеоценозом устойчивого состояния. Один из способов — увеличение видового разнообразия. Чем больше видов, тем длиннее пищевые цепочки. Появляется больше возможностей для замены одних видов другими.
Схема вторичной сукцессии:
На начальных этапах сукцессии возникают сообщества организмов, имеющие небольшое видовое разнообразие, слаборазветвленную пищевую цепь. Происходят резкие колебания численности популяций. Постепенно, им на смену приходят более стойкие сообщества. Изменения продолжаются до тех пор, пока не возникнет устойчивая экосистема.
Меняются, развиваются даже давно существующие биогеоценозы. Например, влажные вечнозеленые леса находятся в состоянии подвижного равновесия. Разнообразие видов, сложные пищевые цепи — свидетельства устойчивости данной экосистемы. Доказательством развития являются миграции животных в поисках лучших мест для кормления, рост деревьев, лиан.
Отсутствие резких климатических колебаний в виде ледникового периода или глобального потепления — существенный фактор устойчивости биогеоценоза. Тем не менее, даже при сохранении условий, сообщества изменяются от пионерного состояния (появления живых организмов на голом грунте) до зрелого (климаксного).