Как обеспечивается устойчивость биогеоценоза водоема
Водные экосистемы: структура и проблемы устойчивости
Экосистема представляет собой единый комплекс живых организмов и среды их обитания, находящихся в непрерывном взаимодействии друг с другом, связанные обменом вещества и энергии.
Примерами экосистем могут служить озёра, леса, пустыни и т.д. Иногда в качестве синонима употребляется термин «биогеоценоз». Рассмотрим компоненты, из которых состоит любая экосистема, в том числе и водная.
Абиотические и биотические компоненты экосистем
Абиотические компоненты представляют собой собственно окружающую для живых организмов среду.
То есть, к абиотическим компонентам относятся химические соединения (вода, растворённые в ней вещества, донные отложения) и различные виды энергии (электромагнитное излучение, тепловые и гравитационные поля).
Абиотические компоненты определяют важнейшие процессы, от которых зависит функционирование экосистемы (например, климатические режимы, химический состав водоёма и др.).
К биотическим компонентам относятся живые организмы, обитающие в водоёме. В свою очередь, их можно разделить на три группы:
В основном это происходит в процессе фотосинтеза, поэтому к числу продуцентов водных экосистем относятся крупные растения и зелёные водоросли (фитопланктон). Очевидно, что перечисленные организмы могут обитать на относительно небольших глубинах, куда способен проникать солнечный свет.
Консументы делятся на первичные (растительноядные), среди которых выделяется зоопланктон (животные – обитатели толщи воды) и зообентос (донные животные), вторичные (плотоядные, питающиеся первичными консументами) и третичные (хищники, питающиеся вторичными консументами).
Роль редуцентов заключается в высвобождении химических элементов, прошедших цикл пищевой цепочки для нового использования, то есть, в создании нового субстрата для автотрофов.
Устойчивость водных экосистем
Устойчивостью водных экосистем называется их способность сохранять свои свойства при внешних и внутренних нагрузках.
Водные объекты, не являющиеся устойчивыми при определённых нагрузках и в определённом временном интервале, являются уязвимыми. При этом устойчивость и уязвимость циклических водных экосистем (озёр, прудов и т.д.) отличается от этих же показателей для транзитных (рек и проточных водоёмов).
В первом случае корректно говорить об адаптационной устойчивости, во втором – о регенерационной.
Таким образом, для циклических водоёмов показателем их устойчивости может служить то, насколько они способны сохранять своё первоначальное состояние или же плавно, без резких качественных скачков переходить в новое состояние, при этом сохраняя все внутренние связи.
В случае же транзитных водных экосистем решающим фактором оказывается способность системы к восстановлению после многократного внешнего воздействия.
Также различны механизмы устойчивости для биотических и абиотических компонентов.
Для абиотических определяющими являются физико-химические факторы, для биотических – способность к адаптации.
Высокая устойчивость экосистемы является одним из показателей её экологического благополучия, наряду с биологическим разнообразием, качеством воды и другими критериями.
Проблемы оценки экологического состояния водоемов
Одной из наиболее сложных проблем, возникающих при оценке экологического благополучия водных экосистем является необходимость количественного описания большого числа процессов, влияющих на свойства экосистемы, в том числе, на способность системы сохранять неизменными свои показатели (инертность), возвращаться в исходное состояние через некоторый промежуток времени (восстанавливаемость) и способность плавного перехода в новое состояние (пластичность).
Для решения этой задачи широко используется математическое моделирование с использованием компьютерных технологий.
Например, проводится нормирование исходных характеристик, в результате которого на выходе имеется значение каждого критерия в диапазоне от 0 (наихудшие условия) до 1 (наилучшие условия).
Подобное нормирование необходимо для приведения различных величин к единой безразмерной шкале, в которой полученные значения можно использовать для расчёта интегрального показателя.
При этом должна учитываться значимость его составляющих, так называемые весовые коэффициенты, сумма которых равна 1. Веса каждого компонента могут быть выбраны равными; веса наиболее значимых компонентов увеличиваются, а веса наименее значимых – уменьшаются в определённое число раз; веса могут определены экспертами или посредством проведения дополнительных расчётов. После расчёта интегральных показателей для них строится оценочная шкала.
В качестве примеров приоритетных признаков для оценки устойчивости водоёмов можно привести площадь их поверхности, среднюю температуру воды в летний период, концентрацию взвешенных веществ и аммонийного азота, биохимическое потребление кислорода и другие показатели.
Что такое Биогеоценоз? – Определение, характеристика, типы и примеры
Автором учения о биогеоценозах был советский ученый В. Н. Сукачев. Под этим термином он подразумевал совокупность живых организмов и факторов неживой природы, которые расположены на определенной территории. Любой биогеоценоз связан с конкретным участком суши, то есть зависит от растительного сообщества.
Отличие биогеоценоза от агроценоза, биоценоза и экосистемы
Под агроценозом подразумевают искусственную экосистему, которая была создана людьми. Она, в отличие от биогеоценоза, не имеет устойчивых связей. Каждое естественное природное сообщество формировалось на протяжении столетий. На его развитие оказывал влияние естественный отбор. Поля и плантации, созданные человеком, подчиняются искусственному отбору. С помощью людей агроценозы получают дополнительную энергию, в то время как биогеоценозы существуют за счет солнечной энергией.
Биоценозом называют совокупность живых организмов, которые населяют определенное пространство. Это может быть не только участок суши, но и водоем. Понятие биогеоценоза гораздо шире, оно включает в себя биоценоз и факторы окружающей среды.
Термин “экосистема” придумал английский ботаник А. Тенсли. Он гораздо шире, чем биогеоценоз и агроценоз. Оба понятия тождественны, если речь идет о лесах, лугах или полях. Природные сообщества, в которых невозможно выделить фитоценоз, попадают под определение экосистемы. Каждый биогеоценоз является экосистемой, но не каждая экосистема соответствует биогеоценозу.
Свойства биогеоценоза
Основными свойствами биогеоценоза являются:
Показатели биогеоценоза
Существует три показателя биогеоценоза. Под видовым разнообразием понимают совокупность всех групп организмов. Если какое-то звено в цепи питания будет нарушено, то пострадает вся система. Плотность популяции напрямую зависит от обеспеченности питанием. На продуктивность биогеоценоза влияет биомасса, живое вещество во всех растительных и животных группах.
Структура биогеоценоза
Видовой состав систем всегда различен. На него влияет поступление и распределение света, состав почвы и климатические условия. Ученые рассматривают несколько структур:
Поскольку биогеоценозы складываются много сотен лет подряд, ученые периодически вводят новые компоненты в их структуру.
Виды и примеры биогеоценоза
Система представляет собой совокупность растений, животных, микроорганизмов и грибов. Основными компонентами является углерод, кислород, солнечный свет и живые организмы. Солнце обеспечивает необходимый приток энергии, в результате чего происходит круговорот энергии. Она передается от простейших организмов к гетеротрофам.
Примерами биогеоценоза могут послужить лес, пруд, луг, степь или пустыня.
Смена биогеоценозов
Численность видов в условиях одной системы постоянно меняется. Из-за различных факторов на смену одних биогеоценозов приходят другие. Скорость таких изменений может быть разной. Лесные пожары, вырубки изменят экосистему в пределах одного поколения людей. На то, чтобы вместо дюн были образованы леса, уйдут тысячелетия.
Главная роль в развитии биогеоценоза отведена растениям. Процесс саморазвития сообществ называется сукцессией. Самым простым примером смены биогеоценоза может послужить зарастание водоема. Сначала он покрывается тиной, а затем заболачивается. Видовой состав организмов будет существенно отличаться от обитателей водоема.
Устойчивость биогеоценоза
Устойчивостью называют способность непрерывно поддерживать структуру. Больше всего на нее оказывает влияние богатство видового состава. Именно от него зависит круговорот веществ и энергии. Бедные сообщества неустойчивы. К неблагоприятным воздействиям готовы сложные биогеоценозы, характеризующиеся многоярусностью и разнообразными пищевыми отношениями.
Формы взаимоотношений между организмами в биогеоценозах
Все элементы системы тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь может быть положительной, отрицательной и нейтральной. Отношения, которые приносят пользу одному или обоим организмам, называют симбиозом. Они возникают среди животных, птиц, растений, грибов. Ярким примером симбиоза являются пчелы и цветы.
Если один вид поедает другой, то речь идет о хищничестве. Для большинства животных характерно охотничье поведение. Паразитизм предполагает, что одни виды будут жить за счет ресурсов других. Хозяин не только источник пищи, но и постоянное место обитания паразита. При аменсализме один вид угнетает или убивает другой, при этом не получая для себя никаких благ.
Комменсализм подразумевает, что только один из видов получит пользу. При нейтрализме два вида, проживающие в одном биогеоценозе, никак друг от друга не зависят. Как правило, животные не контактируют. Конкуренция предполагает, что два вида будут соперничать друг с другом за одни и те же ресурсы.
Водоем и дубрава как примеры биогеоценозов
Биогеоценоз пресного водоема. Любой природный водоем, например озеро или пруд, с его растительным и животным населением представляет собой отдельный биогеоценоз. Эта природная система, как и другие биогеоценозы, обладает способностью к саморегуляции и непрерывному самовозобновлению.
Растения и животные, населяющие водоем, распределяются в нем неравномерно. Каждый вид обитает в тех условиях, к которым приспособлен. Наиболее разнообразные и благоприятные для жизни условия создаются в прибрежной зоне. Здесь вода теплее, так как прогревается солнечными лучами. Она достаточно насыщена кислородом. Обилие света, проникающего до дна, обеспечивает развитие многих высших растений. Многочисленны н мелкие водоросли. В прибрежной зоне живут и большинство животных. Одни приспособлены к жизни на водных растениях, другие активно плавают в толще воды (рыбы, хищные жуки-плавунцы и водяные клопы). Многие водятся на дне (перловицы, беззубки, личинки некоторых насекомых – ручейников, стрекоз, поденок, ряд червей и т. п.). Даже поверхностная пленка воды служит местом обитания специально приспособленных к ней видов. В тихих заводях можно видеть бегающих по поверхности воды хищных клопов-водомерок и быстро плавающих кругами жуков-вертячек. Обилие пищи и другие благоприятные условия привлекают в прибрежную зону рыб [38]. 
Рис. 38. Биогеоценоз пресного водоема
В глубоких придонных участках водоема, куда слабо проникает солнечный свет, жизнь беднее и однообразнее. Фотосинтезирующие растения здесь не могут существовать. Нижние слои волы вследствие слабого перемешивания остаются холодными. Здесь вода содержит мало кислорода.
Особые условия создаются и в толще воды открытых участков водоема. Она заселена массой мельчайших растительных и животных организмов, которые сосредоточены в верхних, более прогреваемых и хорошо освещаемых слоях воды. Здесь развиваются различные микроскопические водоросли; водорослями и бактериями питаются многочисленные простейшие – инфузории, а также коловратки и ракообразные. Весь этот комплекс мелких взвешенных в воде организмов называют планктоном. В круговороте веществ и в жизни водоема планктону принадлежит очень важная роль.
Пищевые связи и устойчивость биогеоценоза пруда. Рассмотрим, за счет чего существует и как поддерживается система обитателей водоема. Цепи питания состоят из нескольких последовательных звеньев. Например, растительными остатками и развивающимися на них бактериями питаются простейшие, которых поедают мелкие рачки. Рачки, в свою очередь, служат пищей рыбам, а последних могут поедать хищные рыбы. Почти все виды питаются не одним типом пищи, а используют разные пищевые объекты. Пищевые цепи сложно переплетены. Отсюда следует важный общий вывод: если какой-нибудь член биогеоценоза выпадает, то система не нарушается, так как используются другие источники пищи. Чем больше видовое разнообразие, тем система устойчивее.
Первичным источником энергии в водном биогеоценозе, как и в большинстве экологических систем, служит солнечный свет, благодаря которому растения синтезируют органическое вещество. Очевидно, биомасса всех существующих в водоеме животных полностью зависит от биологической продуктивности растений.
Часто причиной низкой продуктивности естественных водоемов бывает недостаток минеральных веществ (в особенности азота и фосфора), необходимых для роста автотрофных растений, или неблагоприятная кислотность воды. Внесение минеральных удобрений, а в случае кислой среды известкование водоемов способствуют размножению растительного планктона, которым питаются животные, служащие кормом для рыб. Таким путем повышают продуктивность рыбохозяйственных прудов.
Биогеоценоз широколиственного леса. Среди наземных биогеоценозов одним из наиболее сложных является широколиственный лес, например дубрава. Дубрава – совершенная и устойчивая экологическая система, способная при неизменных внешних условиях существовать веками. Биогеоценоз дубравы составляют более сотни видов растений и несколько тысяч видов животных.
Растения дубравы. В наземных биогеоценозах основную биологическую продукцию создают высшие растения. В лесу это преимущественно многолетние древесные породы [39]. 
Рис. 39. Биогеоценоз широколиственного леса
Характерная черта лиственного леса заключается в видовом разнообразии растительности. Между растениями происходит усиленная конкуренция за основные жизненные условия: пространство, свет, воду с растворенными в ней минеральными веществами. В результате длительного естественного отбора у растений дубравы выработались приспособления, позволяющие разным видам существовать совместно. Это ярко проявляется в характерной для дубравы ярусности.
Верхний ярус образуют наиболее светолюбивые древесные породы: дуб, ясень, липа. Ниже располагаются сопутствующие им менее светолюбивые деревья: клен, яблоня, груша и др. Еще ниже расположен ярус подлеска, образованный различными кустарниками: лещиной, бересклетом, крушиной, калиной и т. п.
Наконец, на почве произрастает ярус травянистых растений. Чем ниже ярус, тем более теневыносливы образующие его растения.
Ярусность выражена также в расположении корневых систем. Деревья верхних ярусов обладают наиболее глубокой корневой системой и могут использовать воду и минеральные вещества из глубинных слоев почвы.
Дубрава характеризуется высокой биологической продуктивностью. Вследствие ее сложной многоярусности общая площадь листьев растений, произрастающих на каждом гектаре, достигает 4-6 га. Такой мощный фотосинтезирующий аппарат улавливает и трансформирует в потенциальную энергию органического вещества около 1% годового притока солнечной радиации. Последняя в средних широтах составляет около 3,8 · 107 кДж/га. Почти половина синтезированного вещества расходуется самими растениями в процессе дыхания. Чистая продукция в виде прироста органического вещества в надземных частях растений составляет 5-6 т/га за год. К этому следует добавить 3-4 т/га ежегодного прироста подземных частей. Таким образом, продукция дубрав достигает почти 10 т/га в год.
Цепи питания в дубравах. Богатство и разнообразие растений, производящих громадное количество органического вещества, которое может быть использовано в качестве пищи, становятся причиной развития в дубравах многочисленных потребителей из мира животных, от простейших до высших позвоночных – птиц и млекопитающих.
Среди млекопитающих пищевую цепь, например, составляют растительноядные мышевидные грызуны и зайцы, а также копытные, за счет которых существуют хищники: ласка, горностай, куница, лиса, волк. Все виды позвоночных служат средой обитания и источником питания для различных наружных паразитов, преимущественно насекомых и клещей, а также внутренних паразитов: плоских и круглых червей, простейших, бактерий.
Пищевые цепи в лесу переплетены в очень сложную пищевую сеть, поэтому выпадение какого-нибудь одного вида животных обычно не нарушает существенно всю систему. Значение разных групп животных в биогеоценозе неодинаково. Исчезновение, например, в большинстве наших дубрав всех крупных растительноядных копытных: зубров, оленей, косуль, лосей слабо отразилось бы на общей экосистеме, так как их численность, а следовательно, биомасса никогда не была большой и не играла существенной роли в общем круговороте веществ. Но если бы исчезли растительноядные насекомые, то последствия были бы очень серьезными, так как насекомые выполняют важную в биогеоценозе функцию опылителей, участвуют в разрушении опада и служат основой существования многих последующих звеньев пищевых цепей.
Саморегуляция и лесном биогеоценозе. Процесс саморегуляции в дубраве проявляется в том, что все разнообразное население леса существует совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенным уровнем. Насколько велико в жизни леса значение такой регуляции численности, можно видеть из следующего примера. Листьями дуба питается несколько сотен видов насекомых, но в нормальных условиях каждый вид представлен столь малым количеством особей, что даже их общая деятельность не наносит существенного вреда дереву и лесу. Между тем все насекомые обладают большой плодовитостью. Количество яиц, откладываемых одной самкой, редко бывает менее 100. Многие виды способны давать 2-3 поколения за лето. Следовательно, при отсутствии ограничивающих факторов численность любого вида насекомых возросла бы очень быстро и привела бы к разрушению экологической системы.
Наблюдения показывают, что некоторая часть потомства погибает под влиянием различных неблагоприятных условий погоды. Но основную массу уничтожают другие члены биогеоценоза: хищные и паразитические насекомые, птицы, болезнетворные микроорганизмы.
Ограничивающее действие экологической системы все же не исключает полностью случаев массового размножения отдельных видов, которое бывает связано с сочетанием благоприятных факторов среды. Однако после массовой вспышки особенно интенсивно проявляются регулирующие факторы (паразиты, болезнетворные бактерии и др.), которые снижают численность вредителей до средней нормы.
Минерализация органических остатков. Огромное значение в жизни леса имеют процессы разложения и минерализации массы отмирающих листьев, древесины, остатков животных и продуктов их жизнедеятельности. Из общего ежегодного прироста биомассы надземных частей растений около 3-4 т на 1 га естественно отмирает и опадает, образуя так называемую лесную подстилку. Значительную массу составляют также отмершие подземные части растений. С опадом возвращается в почву большая часть потребленных растениями минеральных веществ и азота.
Животные остатки очень быстро уничтожаются жуками-мертвоедами, кожеедами, личинками падальных мух и другими насекомыми, а также гнилостными бактериями. Труднее разлагается клетчатка и другие прочные вещества, составляющие значительную часть растительного опада. Но и они служат пищей для ряда организмов, например грибков и бактерий, имеющих специальные ферменты, которые расщепляют клетчатку и другие вещества до легкоусвояемых сахаров.
Как только растения погибают, их вещество полностью используется разрушителями. Значительную часть биомассы составляют дождевые черви, производящие огромную работу по разложению и перемещению органических веществ в почве. Общее число особей насекомых, панцирных клещей, червей и других беспозвоночных достигает многих десятков и даже сотен миллионов на гектар. В разложении опада особенно велика роль бактерий и низших, сапрофитных грибков.
В лесном биогеоценозе ясно прослеживается круговорот веществ и движение энергии.
Лесной биогеоценоз, использующий энергию излучения Солнца, в принципе неистощим как источник органического сырья. Понятно поэтому большое внимание, которое уделяют охране, восстановлению и разумному использованию лесов. Правильно поставленное лесное хозяйство, учитывающее особенности леса как сложной экосистемы, позволяет длительно эксплуатировать лесные массивы, не уничтожая их, а повышая выход хозяйственно ценной продукции.
1. Постройте схему пищевых связей в биогеоценозе пресноводного водоема, определите круговорот вещества и поток энергии в нем. 2 Как обеспечивается устойчивость биогеоценоза водоема? 3 В чем причины устойчивости лесных биогеоценозов? 4. Укажите основные цепи питания в биогеоценозах пресноводного водоема и дубравы. 5. В чем выражается саморегуляция в биогеоценозе дубравы? 5. Назовите основные этапы круговорота веществ и движения энергии в лесном биогеоценозе. 7. Сравните биогеоценозы водоема и дубравы. Какой более устойчив и почему? (Для сравнения биогеоценозов используйте [40].)
Рис. 40. Сравнение общей структуры наземного и водного биогеоценозов:
I — растения, производящие органическое вещество: а — высшие растения, б — водоросли; II — животные — потребители органического вещества: а — растительноядные, б — плотоядные, в — питающиеся смешанной пищей.
Механизмы устойчивости биогеоценозов
Экологическая система
Сущность понятий экосистема, биогеоценоз
В биологии используются три близких по значению понятия:
Каждый биогеоценоз — это экосистема, но не каждая экосистема — биогеоценоз. Для характеристики биогеоценоза используются два близких понятия: биотоп и экотоп (факторы неживой природы: климат, почва). Биотоп— это территория, которую занимает биогеоценоз. Экотоп— это биотоп, на который оказывают воздействие организмы из других биогеоценозов.Экотоп также состоит из климата (климатопа)во всех многооразных его проявлениях и геологической среды (почв и грунтов), называемой эдафотопом. Эдафотоп — это то, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты жизнедеятельности.
Свойства биогеоценоза:
Рис.8.1 Биоценоз тропического леса
Рис.8.1а Биоценоз пруда
Основные показатели биогеоценоза:
В большинстве случаев видовой состав и видовое разнообразие количественно не совпадают и видовое разнообразие напрямую зависит от исследуемого участка.
Рис.8.2 Понятие консументы и продуценты
Механизмы устойчивости биогеоценозов
Одним из свойств биогеоценозов является способность к саморегуляции, то есть к поддержанию своего состава на определенном стабильном уровне. Это достигается благодаря устойчивому круговороту веществ и энергии. Устойчивость же самого круговорота обеспечивается несколькими механизмами:
Таким образом, механизмы обеспечивают существование неменяющихся биогеоценозов, которые называются стабильными. Стабильный биогеоценоз, существующий длительное время, называется климаксическим. Стабильных биогеоценозов в природе мало, чаще встречаются устойчивые — меняющиеся биогеоценозы, но способные, благодаря саморегуляции, приходить в первоначальное, исходное положение.