Химические факторы воздушной среды

Химический состав атмосферы весьма однороден: азота — 78,8% кислорода — 21, аргона — 0,9; углекислого газа — 0,03% по объему. По современным данным, концентрации двуокиси углерода (СО₂) и кислорода (О₂) в значительной степени лимитирующие факторы даже в наземных условиях: содержание СО₂ находится где-то в минимуме, а кислорода — в максимуме толерантности растений по этим факторам (Ю. Одум, 1986). Тем не менее пока в триземной части атмосферы нет перетока кислорода или избытка двуокиси углерода (хотя по СО₂ есть данные об увеличении ее содержания).

В почвах и подстилающих их породах, вплоть до уровня грунтовых вод (в зоне аэрации) углекислого газа уже 10%, а кислород становится лимитирующим фактором для аэробов-редуцентов, что приводит к замедлению разложения отмершей органики.

В воде кислорода в 20 раз меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором. Источники его — диффузия из атмосферного воздуха и фотосинтез водных растений (водорослей), а растворению способствуют понижение температуры, ветер и волнения воды. Лимитирующее действие СО₂ в воде выражено не явно, но известно, что высокое его содержание ведет к гибели рыб и других животных.

При растворении СО₂ в воде образуется слабая угольная кислота Н₂СО₃, легко образующая карбонаты и бикарбонаты. Карбонаты — источник питательных веществ для построения раковин и костной ткани и хороший буфер для поддержания водородного показателя (рН) водной среды на нейтральном уровне.

Важность последнего обстоятельства состоит в том, что для гидробионтов интервал толерантности по рН столь узок, что даже незначительные отклонения от оптимума приводят организм к гибели. Это связано с нарушением очень тонкой системы ферментной регуляции в организме.

Поскольку величина рН пропорциональна количеству СО₂ в воде, то ее измерение позволяет судить о скорости общего метаболизма водной экосистемы (гидроэкосистемы).

Пожары

Своеобразным комплексом физического и химического воздействия на биоту в наземно-воздушных условиях являются пожары, которые издавна стали неотъемлемой частью клима­та и их надо рассматривать как важный экологический фактор наряду с температурой, атмосферными осадками и почвой (Ю. Одум, 1975, 1986). Следует различать пожары по своему экологическому воздействию на верховые и низовые.

Верховые пожары уничтожают всю растительность и большинство животных, после них все начинается сначала, и могут пройти многие десятки лет, прежде чем снова вырастет лес.

Низовые пожары обладают избирательностью, способствуют развитию адаптирования к огню организмов, стимулируют разлагающую деятельность бактерий и превращение минеральных веществ в форму, доступную для питания растений нового поколения, ослабляют опасность верховых пожаров, способствуют созданию условий для увеличения видового разнообразия сообществ.

Человек использует искусственные палы как фактор управления средой. Они играют большую роль в обновлении и оздоровлении лесов в районах умеренной зоны.

3.5. Абиотические факторы водной среды

Гидросферой называется водная оболочка Земли - совокупность океанов, морей, озер, прудов, водохранилищ, болот, рек и ручьев, а также подземных вод, включая поверхностные и глубинные. Существуют точки зрения, согласно которым к гидросфере следует относить только океан и связанные с ним водоемы. Однако В. И. Вернадский считал, что все воды планеты исторически едины.

Объем гидросферы в настоящее время составляет примерно 1,5 млрд. км³, из которых 94 % приходится на океан, занимающий 72 % поверхности Земли. Подземные воды, преимущественно представляющие собой глубинные рассолы, составляют 60 млн. км³, и лишь около 4 % из них - пресные подземные воды активного водообмена. Около 24 млн. км³ депонировано в твердой форме (полярные ледники), но и они принимают участие в глобальном круговороте гидросферы. Поверхностные воды суши имеют небольшой объем - около 360 тыс. км³, из которых 278-280 тыс. км³ находятся в озерах, а 80-83 тыс. км³ составляют почвенную влагу. Объем всех русловых вод практически ничтожен, составляет около 1,2 тыс. км³ или менее одной десятитысячной процента всего объема гидросферы. Атмосферная влага количественно оценивается в 14 тыс. км³.

Вода находится в непрерывном круговороте, причем различают малый и большой круговороты. Испаряясь с поверхности суши и океана, вода поступает в атмосферу и переносится с воздушными массами. Водяной пар конденсируется и дает атмосферные осадки, выпадающие в виде дождя, снега, тумана. Дождевые и снеговые воды частично впитываются в почву и образуют грунтовый сток, а частично - стекают по поверхности со склонов, накапливаясь в естественных углублениях (оврагах, впадинах и т. п.) и в дальнейшем оказываются в мелких водотоках, откуда попадают в реки. Кроме того, реки подпитываются и за счет грунтового стока. При этом считается, что постоянный приток воды реки получают за счет устойчивого питания подземными водами. Воды водоемов и океана в целом пополняются из двух источников: атмосферных осадков и речного стока. Почвенная влага, кроме того, расходуется на испарение и транспирацию растений, обогащая воздух водяным паром.

Круговорот воды - отражение водного баланса. В активном балансе участвует около 525,1 тыс. км³ воды в год, причем для всего земного шара существует только один источник притока воды - атмосферные осадки - и один источник ее расходования - испарение.

Поскольку круговорот воды - фактически глобальный ее опреснитель, в биосфере существуют как стабильные соленые океанические, так и весьма подвижные пресноводные экологические системы. Поэтому вода является важнейшим элементом всего живого и одновременно средой обитания чрезвычайно широкого спектра живых организмов, чьи экологические ниши в этих экосистемах локализованы.

Водные объекты (акватории) занимают обладающую часть всей биосферы Земли. Из общей площади ее поверхности, равной 510 млн. км², на долю Мирового океана приходится 361 млн. км² (или 71 %).

Плотность воды в 800 раз, а вязкость - примерно в 55 раз больше, чем воздуха. Поэтому водная среда очень своеобразна и влияет на образ жизни и жизненные формы ее обитателей.

Океан - главный акцептор и аккумулятор солнечной энергии, т. к. вода обладает высокой теплоемкостью. Водная оболочка (гидросфера) включает: соленые воды Мирового океана и внутренних морей; пресные воды суши, сосредоточенные в горных льдах, реках, озерах, болотах. Рассмотрим экологические характеристики водной среды.

Подвижность, т. е. постоянное перемещение и перемешивание водных масс в пространстве, способствует поддержанию относительной гомогенности (однообразию) их физических и химических характеристик.

Температурная стратификация - это изменение температуры воды по глубине водного, объекта. Непрерывное, или клинальное (от греч. клико- наклонять), изменение температуры характерно для любых экологических систем. Часто для обозначения такого изменения используют слово "градиент". Однако температурная стратификация воды в водоеме - специфическое явление. Так, в летний период поверхностные воды нагреваются сильнее, чем глубинные. Поскольку более теплая вода имеет меньшую плотность и меньшую вязкость, то ее циркуляция происходит в поверхностном, нагретом слое и с более плотной и более вязкой холодной водой она не смешивается. Между теплым и холодным слоем образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры, которую называют термоклиной. Вполне понятно, что температурная стратификация воды оказывает решающее влияние на размещение в воде живых организмов и на перенос и рассеивание примесей, поступающих от предприятий промышленности, сель­ского хозяйства, быта.

Общий температурный режим, связанный с периодическими (годовыми, сезонными, суточными) изменениями температуры, также является важнейшим условием обитания живых организмов в воде.

Прозрачность воды определяет проникновение в ее толщу солнечного света и световой режим. От прозрачности (и обратной ей характеристики - мутности) зависит фотосинтез фитопланктона, высших водных растений, а следовательно, и накопление биомассы (продукция), которое возможно лишь в пределах так называемой эвфотической (от греч. эв - пере, сверх, фотос - свет) зоны, т. е. в освещенной толще воды, где процессы фотосинтеза преобладают над процессами дыхания.

Мутность связана с содержанием в воде взвешенных веществ, в том числе и поступающих в водные объекты с промышленными и иными стоками.

Соленость также является важнейшим фактором для обитающих в воде организмов. Соленость связана с содержанием в воде растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных водах их содержание невелико, причем до 80 % составляют карбонаты. Воды открытого океана содержат в среднем 35 г/л солей, Черного моря - 19, Каспийского - около 13, Мертвого - 260 г/л с преобладанием хлоридов кальция, калия, натрия, магния.

Растворенные газы также являются важной характеристикой воды. Первоочередное значение имеют кислород и углекислый газ, от которых зависят фотосинтез и дыхание водообитающих организмов. Перерасход кислорода на дыхание водных обитателей и окисление поступающих в воду загрязняющих веществ ведет к преобладанию анаэробных процессов, "загниванию" воды, избытку мертвой органики, т. е. к процессам эвтрофирования (от греч. эв -пере, сверх, трофе - питаюсь).

Распространение и жизнедеятельность организмов в воде зависят от кислотности среды. Каждый вид гидробионта адаптирован (приспособлен) к определенному значению рН: одни предпочитают кислую среду, другие - щелочную, третьи - нейтральную. Промышленные, сельскохозяйственные, бытовые стоки существенно изменяют этот показатель, что приводит к смене одних групп водных обитателей другими, а в сооружениях биологической очистки сточных вод оказывает решающее влияние на активность входящих в состав ила водорослей, бактерий, коловраток и др.

Здесь основные экологические факторы — течения и волнения в реках, морях, океанах, действующие практически постоянно. Они могут косвенно влиять на организм, изменяя ионный состав и минерализацию воды, тем самым изменяя состав и концентрацию питательных веществ, а также оказывать и прямое действие, вызывающее адаптации животных и растений к течению. Например, рыбы в спокойных реках имеют сплюснутое с боков тело (лещ, плотва), а в быстрых — округлое в сечении (форель), водоросли также морфологически приспособлены к течениям, прикрепляются к субстрату, и т. п.

Особенно ощутимо на организмы воздействует волнение воды — на скалистых берегах сила удара волны может достигать 0,3 МПа, но и на них удерживаются прикрепленные животные (усоногие рачки, брюхоногие моллюски и др.).

Вода — достаточно плотная среда, оказывающая ощутимое сопротивление движению животных. Поэтому для них характерна обтекаемая форма тела, как для рыб (акула), так и для млекопитающих (дельфин) и даже моллюсков (головоногие моллюски: осьминоги, каракатицы и др.). Самые совершенные морфологические адаптации у дельфина.

3.6. Абиотические факторы почвенного покрова (педосферы).

Педосфера - поверхностный тонкий слой литосферы.

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно с глубиной переходящая в сферы с меньшей плотностью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50-200 км, в том числе земной коры - до 50-75 км на континентах и 5-10 км на дне океана. Верхние слои литосферы (до 2-3 км, по некоторым данным - до 8,5 км) называются литобиосферой. В некоторых книгах понятия "литосфера" и "земная кора" рассматриваются как синонимы.

Химический состав земной коры на глубинах 10-20 км в основном (более 99 %) следующий (в массовых долях, %):

Кислород 49,13	Кальций 3,25	Водород 1,00
Кремний 26,00	Натрий 2,40	Титан 0,61
Алюминий 7,45	Магний 2,35	Углерод 0,35
Железо 4,20	Калий 2,35	Хлор 0,20

Природные химические соединения элементов земной коры называются минералами. Из них и состоят многочисленные типы горных пород. Основными группами горных пород являются магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы - это результат застывания вулканической магмы, разлившейся по поверхности суши или внедрившейся в глубь земной коры. На глубине 15-30 км магматические породы представлены в основном гранитом. Подсчитано, что в 100 т гранита содержится в среднем 5 т железа, 0,54 т титана, 80 кг марганца, 30 кг хрома, а также никель, ванадий, медь, вольфрам.

Осадочные породы - это преимущественно поверхностные образования, возникшие при разрушении и переотложении других - ранее сформировавшихся - горных пород (щебень, гравий, песок, галечники, песчаники, глины).

Метаморфические (от греч. метаморфоз - превращение) породы - это продукты изменения магматических и осадочных пород в результате воздействия физико-химических процессов, в основном - высоких температур и давлений.

Примерами метаморфических пород могут быть железистые кварциты, мрамор, гнейс и др.

Литосфера не является застывшим, неподвижным образованием. В ней постоянно происходят длительные (многовеко­вые перемещения материков) и кратковременные (землетрясения) физические процессы, вулканические извержения.

Согласно определению В. Р. Вильямса, почва - рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т. е. способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений. Плодородие зависит от физических и химических свойств почвы, которые в совокупности представляют собой эдафогенные (от греч. эдафос - почва), или эдафические, факторы.

Эдафические факторы делятся на химические — реакция почвы, солевой режим почвы, элементарный химический состав почвы, обменная способность и состав обменных катионов; физические — водный, воздушный и тепловой режимы, плотность и мощность почвы, ее гранулометрический состав, структура и др.; биологические — растительные и животные организмы, населяющие почву. Из них важнейшими экологическими факторами являются влажность, температура, структура и пористость, реакция почвенной среды, засоленность.