Что такое стабильность экосистемы
Стабильность и устойчивость экосистем. Саморегуляция
Каждая экосистема – это динамическая структура из сотен и даже тысяч видов продуцентов, консументов и редуцентов, которых связывают пищевые и непищевые взаимоотношения. Одна из причин, позволяющих экосистемам сохранять постоянный видовой состав, заключается в том, что отношения между всеми их компонентами находятся в динамическом равновесии (рис. 1.24). Равновесие экосистемы в целом – это равновесие входящих в нее популяций.
Саморегуляция – это свойство экосистемы, заключающееся в том, что все ее разнообразные обитатели существуют совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенным уровнем.
Системы с высокой стабильностью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного состояния. Устойчивость и стабильность обеспечивается наличием в экосистеме разного рода обратных связей. В основном это отрицательные обратные связи, которые направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой-то изначально заданной величине.
Рис. 1.24. Механизмы обеспечения динамического равновесия в системе
Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, способствующие росту и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями.
Помимо отрицательной обратной связи устойчивость экосистемы может быть обеспечена избыточностью компонентов, т.е. достаточным видовым разнообразием. Для тундры с ее бедным разнообразием характерны проявления низкой устойчивости, такие, как периодические резкие увеличения численности мелких грызунов – леммингов, и низкой стабильности, как в случае повреждения растительного покрова (мох ягель) колесами вездеходов, на восстановление которого потребуется значительное время. В то же время тропические леса с их богатым видовым разнообразием способны достаточно быстро восстанавливаться.
Естественные экосистемы функционируют в соответствии с законом внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, в которых эти изменения происходят.
ªВопросы для самопроверки
&?Вопросы для самостоятельного изучения
Стабильность и устойчивость экосистем
Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного состояния. Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резидентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резидентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляют за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими.
Системы с малой резидентной устойчивостью для нормального существования должны обладать высокой упругой устойчивостью. Они более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы «прогибаются», частично деформируя свою структуру, но после снятия или ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия. Диапазон воздействий, которые может выдержать система без разрушения, в технике соответствует запасу упругости. Таким образом, степень упругой устойчивости можно оценить как упругостью, определяющей степень сопротивления внешнему воздействию и скорость возврата в исходное состояние после снятия воздействия, так и запасом упругости. В отличие от упругих систем, пластичные системы после снятия внешнего воздействия не возвращаются в исходное состояние, а приходят к какому-то другому равновесному состоянию. Так согласно точке зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия (климакса). Таким образом, для пластичных экосистем характерна малая упругая и малая резидентная устойчивость.
Похоже на то, что резидентная и упругая устойчивости взаимоисключают друг друга, точнее, экосистеме трудно развивать оба вида устойчивости. Например, одни леса состоят из деревьев с толстой корой, обладающих повышенной резидентной устойчивостью к пожарам. Но если такой лес все-таки сгорит, то его восстановление, как правило, крайне проблематично. Напротив, многие леса очень часто горят (низкая резидентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Ориентация экосистем на один из видов устойчивости определяется, как правило, изменчивостью среды: при стабильных условиях экосистемы склонны к более высокой резидентной устойчивости, при изменчивых условиях предпочтение отдается упругой устойчивости.
Природа обоих видов устойчивости состоит в наличии в экосистеме разного рода обратных связей. В основном это отрицательные обратные связи, которые направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой-то изначально заданной величине. Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, в плане роста и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями, иначе ничем не контролируемая экспансия жизни может привести экосистему к гибели. В обоих случаях схема управления выглядит одинаково (рис.25).
Помимо отрицательной обратной связи устойчивость экосистемы может быть обеспечена избыточностью компонентов. Например, если в системе имеется несколько автотрофов, каждый из которых характеризуется своим температурным диапазоном функционирования, то скорость фотосинтеза сообщества в целом может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры. То же самое можно сказать и про гетеротрофов. Поэтому видовое разнообразие способствует повышению устойчивости экосистем (закон Эшби). При этом как в случае резидентной, так и в случае упругой устойчивости расширяется диапазон пороговых воздействий, которые способны выдержать экосистема без разрушения (запас жесткости и запас упругости).
Если разные стадии сукцессии экосистемы считать квазистатическими состояниями, то здесь можно отметить ряд закономерностей. На первых стадиях сукцессии экосистемы способны очень быстро возобновляться. Например, мы можем распахать по весне все поле, но уже к осени оно будет укрыто травами. Это говорит о достаточно высокой упругой устойчивости на начальных стадиях сукцессии, которая по мере движения к климаксу постоянно снижается. То есть на каждой следующей стадии для восстановления исходного состояния требуется гораздо больше времени. Климаксный лес характеризуется очень малой упругой устойчивостью.
Как уже было сказано, для реальных лесов характерен, как правило, мозаичный климакс. По-видимому, именно такой лес имеет наилучший комплекс показателей устойчивости и стабильности. Периодические сильные воздействия на него в целом лес выдерживает достаточно жестко, жертвуя лишь наиболее старыми и хрупкими участками, которые, даже если они превращаются после пожара в абсолютно пустые пространства, в условиях непосредственной близости неповрежденного леса восстанавливаются сравнительно быстро.
Примером абсолютно нежизнеспособных экосистем являются агроценозы, создаваемы человеком из однолетних и двулетних культурных растений, то есть продукты сельскохозяйственной деятельности человека. Многие экологи даже не считают их экосистемами, хотя есть все основания считать их экосистемами с искусственно поддерживаемыми начальными стадиями сукцессии. Заброшенные поля сразу же втягиваются в естественный ход сукцессии. Что касается возделываемых полей, то они существуют только за счет человека. Свидетельством их нежизнеспособности является крайне малая устойчивость как упругая, так и резидентная, что является следствием очень скудного видового разнообразия как флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны («вредных» насекомых мы травим пестицидами). Малая упругая устойчивость проявляется, например, в резких вспышках численности конкретных видов вредителей. Подобные вспышки в естественной природе наблюдаются очень редко. Малая резидентная устойчивость проявляется, например, в повышенной чувствительности посевов к природным условиям, таким как град, засуха, повышенное количество осадков и т.д.
Осваивая все большие территории планеты, человек продолжает стратегию обеднения видового разнообразия. Этим он все более подрывает способность природы сопротивляться внешним воздействиям и возвращаться в исходное состояние. Как знать, может быть, роковая черта, за которой начинаются необратимые изменения, уже пройдена. Это значит, что биосфера никогда больше не придет к исходному состоянию. Это значит, что мы вступили на путь глобальных перемен, которые постепенно изменят жизнь на Земле самым коренным образом. Будет ли в этом мире место человеку?
Экология
Информативные ответы на все вопросы курса «Экономическая и социальная география» в соответствии с Государственным образовательным стандартом.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Экология предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
6. Стабильность и устойчивость экосистем
Понятия «стабильность» и «устойчивость» в экологии часто рассматриваются как синонимы, и под ними понимают способность экосистем сохранять собственную структуру и функциональные свойства при действии внешних факторов.
Более разумно разграничивать эти термины понимая под устойчивостью — способность экосистемы возвращаться в исходное (или близкое к тому) состояние при влиянии факторов, которые выводят ее из равновесия. Кроме этого, для более полной характеристики ответной реакции экосистем на внешние факторы разумно использовать в дополнение к названным еще два термина: «упругость» и «пластичность».
Упругая система та, которая способна воспринимать существенные воздействия, значительно не изменяя своей структуры и свойств. Но если экосистемы, приведенные в качестве примера, рассмотреть с точки зрения перечисленных выше различий устойчивости и стабильности, то они попадут в различные категории. Устойчивость и стабильность — параметры экосистем зависящие чаще не так от структуры самих сообществ (их разнообразия), как от биолого-экологических характеристик видов-эдификаторов и доминантов образующих эти сообщества. Например, высокая стабильность и значительная устойчивость относится к сосновым лесам на бедных песчаных почвах, несмотря на небольшое видовое разнообразие таких экосистем. Это связано прежде всего с тем, что сосна очень пластична и поэтому на трансформацию условий, в частности уплотнение почв она реагирует понижением продуктивности и иногда — распадом экосистемы. Но и в последнем случае в силу скудности субстрата питательными веществами и влагой ее подрастающее поколение не встречает серьезной конкуренции со стороны других видов, и экосистема очень быстро снова восстанавливается в том же виде эдифического климакса. Другие параметры устойчивости и стабильности типичны, например, для сосняков на богатых почвах, где они могут смениться еловыми лесами, которые обладают более сильными эдификаторными свойствами. В них, несмотря на большое разнообразие (видовой состав, ярусность, трофическая структура и т. п.), экосистемы сосновых лесов отличаются низкой стабильностью и низкой устойчивостью. Сосна в этом случае выступает как промежуточное звено сукцессионного ряда. Ей удается занять и удержать какое-то время такие местообитания только в силу каких-нибудь необычных обстоятельств. Например, после пожаров, когда уничтожаются сильные конкуренты (ель или лиственные древесные породы).
Стабильность экосистем
Круговорот веществ в биосфере
Круговорот веществ и превращение энергии как основа существования биосферы. Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.
В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. Непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все круговороты тесно связаны между собой.
Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия, но ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.
Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного состояния. Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резидентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резидентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляют за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими.
mozok.click
Экосистемы и их стабильность
Основные понятия и ключевые термины: СТАБИЛЬНОСТЬ ЭКОСИСТЕМЫ. Экологическая сукцессия. Искусственные экосистемы. Вспомните! Что такое экосистемы?
В 1884 г. французский химик и физик Анри Луи Ле Шателье (1850-1936) сформулировал принцип: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, подействовать фактором, то равновесие смещается в направлении процесса, который ослабляет это действие.
Можно ли применить этот принцип к экосистемам?
Как обеспечивается стабильность экосистем?
Виды-продуценты обеспечивают образование большого количества первичного органического вещества, от которого зависят следующие звенья цепей питания.
Большое количество пищи способствует существованию консументов нескольких порядков, среди которых есть взаимозаменяемые виды, сходные по своим экологическим функциями. Благодаря этому возникают разветвлённые трофические сети, обеспечивающие функционирование экосистемы, если уменьшается количество отдельных видов. И наконец, значительное количество видов-редуцентов осуществляет полную минерализацию органических остатков до неорганических соединений: их могут снова использовать продуценты. Таким образом, чем больше разнообразие видов в экосистеме, тем выше будут её стабильность и продолжительность существования.
Основные условия стабильности экосистем
1. Значительное видовое разнообразие
2. Высокая первичная биопродукция
3. Сложность цепей питания
4. Разветвлённость трофических сетей
5. Полнота минерализации остатков
хозяин» устанавливается как эволюционные отношения на протяжении многих тысяч лет. За это время виды адаптируются друг к другу и к среде обитания.
Экосистема только стремится к стабильности, но никогда её не достигает: во-первых, изменяются внешние
условия, во-вторых, виды изменяют среду обитания.
Итак, стабильность экосистем зависит от механизмов саморегуляции экосистемы, связанных с видовым биоразнообразием.
Каково значение и этапы экологических сукцессий?
Стабильность экосистем обеспечивается механизмами саморегуляции при более или менее стабильных условиях окружающей среды. Но в случае изменения этих условий в них происходят изменения.
• Процесс сукцессии начинается с заселения лишайниками, низшими грибами и растениями. Впоследствии на этих участках формируются или восстанавливаются зооценозы и микробиоценозы.
• Группировки организмов, которые существуют в начале сукцессий, называются пионерными. Они обычно неустойчивы, с незначительным видовым разнообразием, несложными цепями питания, слабой минерилазацией остатков и др.
• Пионерные группировки сменяются промежуточными группировками. Это также неустойчивые группировки, но в них увеличивается видовое разнообразие, разветвляются трофические сети и др.
• Завершаются сукцессии, как правило, формированием зрелых (климаксных) экосистем с максимально возможной в данных природных условиях степенью устойчивости.
Какие особенности искусственных экосистем?
Создавая искусственные экосистемы, человек должен понимать их особенности и организовывать ландшафты таким образом, чтобы не нарушалась стабильность природных больших экосистем. Сады или поля должны чередоваться с лесами, природными водоёмами, лугами и биогеоценозами других типов (ил. 162). Всё это будет обеспечивать то многообразие, что является залогом стабильности отдельных экосистем и природы в целом.
Итак, искусственные экосистемы имеют ту же структуру (абиотическую и биотическую части), условия существования (видовое разнообразие, цепи питания и т. п.), но лишены таких свойств, как стабильность и устойчивость во времени.
Задание на сопоставление
Сравните с помощью таблицы природные и искусственные экосистемы и сформулируйте вывод об их стабильности во времени.
ОТНОШЕНИЕ Биология + Экология
Сделайте вывод о целостности и саморегуляции экосистемы.
Задания для самоконтроля
1. Что такое стабильность экосистем? 2. Назовите виды экосистем по устойчивости. 3. Что такое экологическая сукцессия? 4. Каковы причины сукцессий? 5. Что такое искусственные экосистемы? 6. Приведите примеры искусственных экосистем.
7. Как обеспечивается стабильность экосистем? 8. Каковы значение и этапы экосукцессий? 9. Какие особенности искусственных экосистем?
10. Примените знания и на конкретных примерах сравните природные и искусственные экосистемы.