Циркуляция веществ. Энергетические ресурсы и энергия в экосистемах. Экологические пирамиды

Круговоротом веществ на Земле называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют определенное поступательное движение, так как при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов. При круговороте веществ на Земле всегда происходят те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ.

Малый круг биотического обмена -- развивается на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.
Большой круг биотического обмена - это безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы. Большой круг биотического обмена наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы.
Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биотический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

Законы преобразования энергии. Энергия - источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами.

Энергия – одно из основных свойств материи – способность производить работу. Законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия – движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. Для управления энергетическими процессами прежде всего необходимо понять роль энергии в экологических системах. Знание закономерностей энергетических потоков в природных экосистемах поможет предсказать будущее антропогенных систем. Состояние экономики определяется соотношением между энергией, которую человек эффективно использует на данной территории, и количеством энергии, импортируемой извне. Если эксплуатация источников энергии происходит с той же интенсивностью, с какой обнаруживают новые источники, то формируется благополучное общество. Если энергетические траты превышают имеющиеся ресурсы, то это приводит к их истощению и кризису в экономике. Проекты, связанные с изменением окружающей среды, также необходимо оценивать с позиций энерго - эффективности. Например, не всякая переработка отходов нужна, поскольку некоторое количество отбросов является энергетическими ресурсами биосферы. Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни наиболее соответствует природным возможностям. Будущее человечества зависит от объединения энергетики, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия - это тот фундамент, который позволяет перевести природные ценности в разряд экономических а экономические оценивать с позиций экологии.

Природные экологические системы могут служить моделью общих принципов управления основанного на энергетических процессах. Эти системы существуют на Земле много миллионов лет. Изучив природные системы, можно познать многие законы, справедливые для антропогенных экосистем. Несмотря на огромное разнообразие природных систем, приспособленных к конкретным климатическим и биологическим условиям существования, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов. Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, находится в соответствии с двумя законами термодинамики.

Экологическая пирамида - это графическое изображение соотношения различных трофических уровней пищевой цепи. Основание экологической пирамиды составляет уровень продуцентов.

Экологические пирамиды могут быть 3 видов:

1. Пирамида чисел - отражает количественное распределение отдельных организмов на трофических уровнях. Особенностью такой пирамиды является уменьшение численности организмов при движении от продуентов к консументам. Эта закономерность объясняется тем, что в любой экосистеме мелкие животные численно превосходят крупных и размножаются быстрее. Для любого хищника существует нижний и верхний предел размеров их жертв, каждому хищнику служат пищей жертвы определенного размера.
Вторая пирамида - обращенная, так как в лесных пастбищных пищевых цепях продуценты - это деревья, а первичные консументы - это насекомые. Уровень первичных консументов по численности превышает уровень продуцентов.

2. Пирамида биомассы - показывает соотношение общего количества живого вещества на трофических уровнях пищевой цепи. Может иметь две графические разновидности - правильная и обращенная. Наблюдаются следующие закономерности: пирамиды с широким основанием и узкой вершиной характерны для наземных и мелководных экосистем, в которых продуценты имеют крупные размеры и живут сравнительно долго. В молодых экосистемах вершина пирамиды более узкая, чем в зрелых; пирамида может быть обращенной в открытых и глубоких водах, где продуценты невелики по размеру и малодолговечны. Пирамида биомассы отличается промежуточным характером в озерах и прудах, так как здесь равноценны роли продуцентов, то есть крупных прикрепленных растений и микроскопических водорослей.

3. Пирамида энергии - величина потока энергии, проходящего через различные трофические уровни. В отличие от пирамиды чисел или биомассы, характеризующих статику экосистемы, пирамида энергии характеризует динамику прохождения массы пищи через пищевую цепь. На ее форму не влияют ни размеры особей, ни интенсивность их метаболизма. Кроме того, пирамида чисел преувеличивает роль мелких организмов, пирамида биомассы преувеличиват роль крупных. Поэтому пирамида энергии является наиболее универсальной характеристикой для сравнения потока энергии, проходящего через разные уровни, а также для сравнения одной экосистемы с другой.

Изучение экологических пирамид позволяет оценивать состав и особенности функционирования целых экосистем или их отдельных частей, а также определять степень антропогенного воздействия на отдельные организмы или экосистему в целом.

Движение потока энергии в экосистеме можно представить в виде схемы:

Солнечная энергия, получаемая растениями, только частично используется для фотосинтеза. Энергия, запасенная в углеводах, расходуется на рост и дыхание растений.

Валовой первичной продукцией называется биомасса продуцентов, накопленная ими в процессе фотосинтеза, включая ту его часть, которая была израсходована на дыхание.

Чистая первичная продукция - биомасса органического вещества, накопленная в растениях за данных период времени без дыхания.
П_ч =П_в - Д₁
П_в - валовая первичная продукция;
Д₁ - затраты на дыхание.

Часть органического вещества, созданного продуцентами - пища для первичных консументов. Эта энергия используется ими для образования биомассы, для покрытия затрат на дыхание, а неусвоенная часть выделяется в виде экскрементов.

Поток энергии, проходящей через 2 уровень:
А₂ =П₂ +Д₂
П₂ - прирост биомассы второго уровня (чистая вторичная продукция).

Поток энергии, проходящей через 3 уровень:
А₃ = П₃ +Д₃

Для трофических цепей характерны следующие закономерности:

· поток энергии, выражающийся количеством вещества, синтезированного на каждом уровне, по мере продвижения по цепи уменьшается.

· так как определенное количество вещества может быть использовано каждым биогеоценозом неоднократно, а порция энергии - лишь один раз, то в экосистеме происходит каскадный перенос энергии и круговорот веществ.

Биологическая продуктивность - воспроизведение биомассы растений, животных и микроорганизмов, входящих в состав биогеоценоза. Измеряют количеством биомассы, приходящейся на 1 м² площади или 1 м³ объема в единицу времени.

Чтобы оценить значение вида или группы видов в круговороте веществ и его биологическую продуктивность, кроме биомассы вида нужно знать ее относительную скорость прироста и время ее полного возобновления.

Чистая продукция популяции P - сумма прироста биомассы всех ее особей, включая отделившиеся от организма образования и устраненные по разным причинам особи за определенный промежуток времени.

P=(B₂ -B₁)+E
B₂, B₁ - конечная и начальная биомасса популяции.

Промежуточная продукция - продукция, которая после потребления другими членами биогеоценоза возвращается в круговорот данного биогеоценоза. Конечная продукция исключается из данного биогеоценоза, то есть выводится за его пределы.

Чистая продукция сообщества - количество накопленного в сообществе органического вещества, непотребленного гетеротрофами, то есть чистая первичная продукция за вычетом той ее части, которая в течение данного времени была потреблена гетеротрофами.

Пс = Пч - (П₂ + П₃ +...)