Распределение биогеоценозов на Земле и их особенности
Распределение биогеоценозов на планете, как и их формирование, зависит от условий их существования. Известный эколог Ю. Одум предложил различать следующие экосистемы (биогеоценозы) Земли.
Мировой океан. Океаны, их четыре, в целом составляют Мировой океан, занимающий почти 70% поверхности Земли и содержащий около 96,5% от общих запасов воды (табл. 5).
Основные характеристики среды, которые представляют наибольший интерес для понимания особенностей экосистемы Мирового океана, следующие: глобальность размеров и огромные глубины, освоенные жизнью; непрерывность, поскольку все океаны связаны друг с другом; постоянная циркуляция воды (наличие сильных ветров, дующих на протяжении всего года в одном и том же направлении, наличие глубинных течений);
Запасы воды на Земле
В свете современных представлений Океан рассматривается как гигантская экосистема, взаимосвязанная и взаимообусловленная геофизическими и геохимическими процессами, а также явлениями глобального масштаба.
Океанические воды коренным образом отличаются от вод суши по своим свойствам и особенностям. Помимо общей массы и толщины океаносферы, это связано с более высоким содержанием растворенных солей (среднее их содержание 35 г/л) по сравнению с водами суши (обычно менее 1—2 г/л), а также относительным постоянством солевого состава.
В океане перемешивание способно распространиться на любую глубину. Если бы воды океана не обладали этим свойством, был бы затруднен водообмен в огромной их толще. И тогда при недостатке кислорода не могло бы происходил, окисление органических и неорганических веществ в глубинных и придонных водах, а также в донных осадках. Как следствие, жизнь была бы возможна только в самых верхних слоях. Но это, как известно, не так.
Перемешивание, причем активное, океаносферы способствует тому, что в глобальный обмен энергии и веществ вовлекается вся толща вод. При этом океаносфера, обладая огромной массой, большим количеством тепла растворенных газов, минеральных и органических веществ, регулирует глобальный обмен. Поглощая или выделяя тепло, влагу и газы, океаносфера поддерживает динамическое равновесие в природе. В то же время на дне Мирового океана происходит накопление и преобразование огромной массы минеральных и органических веществ. Именно поэтому геологические и геохимические процессы, протекающие в океанах и морях, оказывают очень сильное влияние на всю земную кору.
Как ни удивительно, по своей структуре и динамике процессов океаносфера наиболее близка к атмосфере. Однако ее масса в 300 раз больше массы воздуха, поэтому намного выше общее содержание энергии и веществ, более сильно и влияние океаносферы на формирование и изменение природы всей планеты. Интересно, что если океанические воды покрывают почти 3/4 поверхности планеты толщиной в среднем около 3800 м, то толщина всей атмосферы не превысит 10 м, если всю ее «сжать» до плотности воды.
Итак, Мировой океан является огромной экосистемой со специфическим геологическим и геоморфологическим строением, геохимическими и физикохимическими процессами, протекающими в толще вод и донных отложениях.
Океаны и моря являются наиболее плотно, но неравномерно заселенными биогеоценозами: наряду с зонами богатыми жизнью имеются и большие пустынные акватории. Отсюда экосистемы морей и океанов сильно различаются по качественному и количественному составу как растительного, так и животного мира, а также по биомассе и продуктивности.
Эстуарии и морские побережья (полоса между морями и континентами) характеризуются условиями с особыми экологическими признаками. Будучи своеобразной переходной зоной, она насыщена жизнью, которая включает многие тысячи видов, не встречающихся ни в открытом море, ни в пресных водах. Тем самым эстуарии и морские побережья отличаются самыми продуктивными биоценозами. Их основные особенности: а) интенсивная циркуляция питательных веществ и конечных продуктов обмена, обусловленная приливами и отливами; б) весьма тесные контакты автотрофов и гетеротрофов; в) высокая круглогодичная первичная продукция; г) огромное разнообразие растительных организмов и жизненных форм.
Особыми биогеоценозами пресных проточных вод являются ручьи и реки. Хотя их площадь невелика в сравнении с таковой океанов и суши, они наиболее полно эксплуатируются человеком. Для организмов этих биогеоценозов важное значение приобретает подвижность воды (течение), способствующая перемешиванию, а также поступлению органического вещества из примыкающих озерных и наземных экосистем.
Озера и пруды характеризуются наличием стоячей пресной (иногда соленой) воды. Видовое разнообразие в пресноводных биоценозах невелико. Практически для всех озер и прудов свойственна достаточно четкая зональность и стратификация, т.е. разделение водной толщи на слои различной плотности, что препятствует перемешиванию вод. Озера подразделяют на олиготрофные (малопродуктивные) и эвтроф- ные (высокопродуктивные).
Пресноводным болотам присущи периодические колебания уровня воды, потенциально они обладают высоким плодородием и стабильностью. По ходу естественной сукцессии болота вытесняются наземной древесной растительностью. Этот процесс ускоряется, если в болоте не происходят колебания уровня воды, а также отсутствуют процессы, которые способствуют распаду накопленных органических веществ (органические осадки, торф).
Педосфера. Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку — педосферу. По В.И. Вернадскому, почва — это биокосное тело, состоящее одновременно из живых и косных (неорганических) тел — минералов, воды, воздуха, органических остатков.
Толщина почвы в среднем составляет 1-8—20 см, хотя в различных районах суши может колебаться от нескольких см до 1,5—3 м. Плодородный слой почвы образовался на протяжении тысячелетий вследствие взаимодействия воды, воздуха, тепла, растительных и животных организмов (прежде всего микроорганизмов) с почвообразующей горной породой.
Минеральный состав почвы включает в себя кремнезем (около 50%), глинозем (до 25%), оксиды железа, магния, калия, фосфора, кальция (до 10%). Поступающие в почву с растительным опадом органические вещества содержат углеводы, белки, жиры, а также конечные продукты обмена — смолы, воск, дубильные вещества. Все эти вещества в почве под действием разных факторов минерализуются, т.е. превращаются в относительно простые неорганические вещества (диоксид углерода, аммиак и др.), а частично трансформируются в более сложные соединения — перегной или гумус.
Плодородие, важнейшее свойство почвы — способность обеспечивать растения в период их жизнедеятельности водой, питательными веществами и воздухом. Развитию этих свойств способствуют живые организмы (растения, животные и микробы), связанные с почвой и составляющие вместе с ней сложные экологические системы — биогеоценозы.
Почва состоит из множества биогеоценозов (экосистем) — ландшафтов, основными взаимосвязанными компонентами которых являются горные породы, растения, животные и микроорганизмы.
Почва представляет собой не просто твердое тело, как большинство пород литосферы, а сложную трехфазную систему, в которой твердые частицы окружены воздухом и водой. Почва пронизана полостями, заполненными смесью газов и водными растворами, и поэтому в ней складываются самые разнообразные условия, благоприятные для жизни множества микро- и макроорганизмов. В ней сглажены температурные колебания по сравнению с приземным слоем воздуха, а наличие грунтовых вод и проникновение осадков создают запасы влаги и обеспечивают режим влажности, промежуточный между водной и наземно-воздушной средой.
Одно из важнейших свойств почвы — ее структура. Она обусловлена совокупным действием органических и минеральных почвенных коллоидов, склеивающих элементарные частички почвы и способствующих образованию комочков структурных агрегатов различной формы и величины.
В почве выделяют три основных горизонта, различающихся по морфологическим и химическим свойствам: 1) верхний перегнойно- аккумулятивный горизонт (А), в котором накапливается и преобразуется органическое вещество и из которого промывными водами часть соединений выносится вниз; 2) горизонт вымывания или иллювиальный (В), где оседают и преобразуется вымытые сверху вещества и материнскую породу или горизонт (С), материал которой преобразуется в почву (см. рис. 15).
Структурные горизонты почв благодаря их рыхлому сложению хорошо осваиваются корневыми системами и обеспечивают растения водой, воздухом и элементами питания.
В почве концентрируются запасы органических и минеральных веществ, поставляемых отмирающей растительностью и остатками животных. Поэтому в ней постоянно обитает огромное количество организмов различных групп. На 1 м2 почвы встречается несколько десятков тысяч червей и мелких членистоногих. Помимо них, в почве живут разные млекопитающие — мышевидные грызуны, кроты, суслики и т.д. В таком малом количестве почвы, как 1 г ее, содержатся сотни миллионов бактерий, многие тысячи простейших.
По усредненным данным почвенная зообиомасса составляет (кг/га): в хвойных лесах — 200, в лиственных лесах — 1000, в пустыне — 10.
Почвенные обитатели в результате своей жизнедеятельности производят большую почвообразовательную работу. Так, они смешивают различные ее слои между собой, переносят в глубину почвы органические вещества, разлагают и минерализуют листовой опад, отмершие организмы и т.д.
По данным ученых, почвенная фауна перерабатывает около 25% вещества лесного опада. В саду на 1 м2 находится в среднем 400 дождевых червей общей массой около 80 г, способных отложить за сезон на поверхности почвы до 1 см органических остатков и грунта.
Особо важную роль среди бактерий выполняют нитрифицирующие, к которым относятся нитросомонас, нигробактер и др. В аэробной (кислородсодержащей) среде они окисляют аммиак до солей азотистой (нитриты) и азотной (нитраты) кислот. Напротив, в анаэробных условиях протекает обратный процесс — денитрификация, который связан с восстановлением солей азотной кислоты.
Отметим, что в верхних слоях почвы обитает основное количество организмов, каждый из которых выполняет определенную функцию: дождевые черви, личинки насекомых, клещи разрыхляют почву, способствуют ее аэрации, удобряют ее своими выделениями; бактерии минерализуют органические вещества, исполняя роль санитаров; простейшие уничтожают избыточное количество бактерий.
По целому ряду экологических особенностей почва является средой, промежуточной между водной и наземно-воздушной. С водной средой почву сближают ее температурный режим, пониженное содержание кислорода в почвенном воздухе, насыщенность последнего водяными парами и наличие воды в других формах, присутствие солей и органических веществ в почвенных растворах, а также возможность для обитателей почвы передвигаться в трех измерениях.
С воздушной средой почву объединяют прежде всего наличие почвенного воздуха, а также довольно резкие изменения температурного режима поверхностных слоев и угроза иссушения в верхних горизонтах.
Рассмотренные особенности позволяют сделать вывод о том, что, несмотря на существенную неоднородность экологических условий в почве, она является достаточно стабильной средой, по крайней мере, для относительно подвижных организмов. Последние путем незначительных перемещений способны обеспечивать себе приемлемую экологическую обстановку.
Вся совокупность физических и химических свойств почвы, способных оказывать экологическое воздействие на живые организмы, относится к эдафическим факторам. Они имеют важное значение для тех организмов, жизнь которых тесно связана с почвой. Эго касается в первую очередь животных — постоянных или временных обитателей почвенного покрова. Для растений важность почвы определяется тем, что она представляет собой опору для большинства наземных и водных видов и из нее растительные организмы получают необходимые для жизни минеральные вещества и воду.
Почвенный покров Земли не только питает растения, но и выполняет ряд функций, связанных с естественным биогеохимическим круговоротом веществ: минерализация остатков организмов, органических веществ, аккумуляция и распределение энергии, прошедшей через фотосинтез растений, формирование стока речной воды и химического состава суши. Экологическое значение почвы состоит и в том, что она является связующим звеном, своего рода посредником между живой и неживой природой, атмосферным воздухом, водой и недрами.
Следует отметить уникальную особенность почв — способность к самоочищению. Эго процесс естественного разрушения загрязнителя в почве в результате природных физических, химических и биологических процессов. При этом загрязнитель разлагается до форм, усваиваемых живыми организмами и вовлекаемых далее в биотический круговорот веществ. Оно основано на поглощении и разложении загрязнителей главным образом микроорганизмами и зависит от их количества и физиологической активности. Иногда загрязнители вначале адсорбируются неорганическими веществами — компонентами почв, а лишь затем разлагаются организмами. Длительность процесса самоочищения резко меняется в зависимости от географического места, например, на севере оно идет медленно.
Способность почвы к самоочищению имеет огромное значение для проживающих в ней организмов и связанных с ними других компонентов биосферы.
Итак, почва — гигантская экологическая система, оказывающая, наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю биосферу. Она активно участвует в круговороте веществ и переносе энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы Земли и выполняет другие функции планетарного масштаба.
Лес. Самыми распространенными и наиболее ценными среди всех типов наземных экосистем являются лесные. Согласно расчетам специалистов, запасы растительной массы в лесных экосистемах составляют 82% фигомассы планеты, т.е. более 1500 млрд. т. По оценке ФАО ООН общая лесная площадь составляет более 4 млрд, га или 30% площади суши. Доля северных хвойных лесов (в основном это Россия, Канада и США) составляет 14—15%, тропических — 55—60%. Лесные площади и ресурсы древесины на душу населения, соответственно, в Канаде — 9,4 га (815 м3), России — 5,2 га (560 м3), Финляндии — 4,9 га (351 м3), Швеции — 2,5 га (313 м3), США — 0,9 га (88 м3). Общая площадь земель лесного фонда России по состоянию на 01.01.93 г. составляла (по Ю.В. Новикову, 1998) 11,81 млн. км2 или 69% суши страны. Россия обладает почти 25 % мировых запасов древесины и 50% ценных хвойных лесов мира.
Расположение лесов следующее: сразу от тундры к югу начинаются обширные вечнозеленые хвойные леса, в более южных районах располагаются листЕенные (листопадные), далее следуют вечнозеленые, а также сбрасывающие листву (на период засух) тропические леса.
В лесах произрастает более 1 тыс. видов деревьев, кустарников и лиан, под пологом которых находятся многолетние и однолетние травянистые растения, мхи, лишайники, плауны, хвощи, папоротники, грибы. Ежегодно в процессе фотосинтеза леса производят огромное количество (около 100 млрд. т. органической массы) продуктов — кислот, смол, сахаров, витаминов, фитонцидов и т.д. Из лесного сырья производят более 200 тыс. наименований различных продуктов.
Лесным биогеоценозам свойственен своеобразный тип обмена веществ и энергии, они существенно влияют на почвообразование, климат, гидрологический режим (влагооборот) и др. Являясь одним из самых мощных аккумуляторов живого вещества в биосфере, лес активно взаимодействует с атмосферой и определяет уровень обмена кислородом и диоксидом углерода.
Неоценима роль леса в возобновлении кислорода атмосферы. Установлено, что более 60% биологически активного кислорода в кислородном балансе планеты вырабатывается лесными экосистемами, остальные 40% обеспечивает растительность морей, океанов и культурных агроэкосистем. Лес очищает воздух от пыли, осаждая ее на поверхности листьев и переводя далее с потоками дождевой воды в почву. За год 1 га леса может осадить из воздуха 50—70 т пыли.
Лесные экосистемы регулируют интенсивность снеготаяния и уровень воды в реках, стабилизируют состав атмосферы, значительно снижают скорость ветра, сохраняют под пологом леса фауну и микроорганизмы. Многие растения выделяют фитонциды, которые подавляют развитие болезнетворных организмов и тем самым оздоровляют окружающую среду. Лес поглощает шумы, а пребывание в нем успокаивает нервную систему, содействуя восстановлению работоспособности и хорошего настроения.
Леса — места активного отдыха и туризма, который повсеместно получает все большее распространение. Появились даже понятия «рекреационные леса» (леса отдыха), увеличилось количество и расширились площади национальных, народных парков и заповедников, отражающих и сохраняющих типичные экосистемы леса и представляющих интерес как для науки, так и для отдыха и здоровья человека. Ныне признается, что по многим важнейшим для человека свойствам лес вполне сопоставим с Мировым океаном.
Другой вид биогеоценозов — пустыни — возникают в тех районах, где за год выпадает менее 250 мм осадков или в областях с весьма жарким климатом и нерегулярными осадками. Существует мнение, что все пустыни мира (их площадь около 10 млн. кв. км или 6,7% поверхности суши) возникли в результате прямого или косвенного воздействия человечества на природу.
Тундры — биогеоценозы, которые занимают положение между лесами и Ледовитым океаном. Они сложились в условиях холодного влажного климата и наличия в почве многолетней мерзлоты. Это своеобразные арктические пустыни, в которых обитают специфические растения и хорошо приспособленные к местным условиям животные. Для них характерен очень высокий темп продуктивности в течение короткого лета. В то же время экосистемы тундр очень уязвимы. Их хрупкость обусловлена короткими пищевыми цепями (например, лишайники и травы -» олень -» волк).
Травянистые ландшафты — степные биогеоценозы, которые формируются в областях, где среднее годовое количество осадков лежит в пределах от 250 до 750 мм, т.е. выше, чем в пустынях, и ниже, чем в лесах. Животные и растения, слагающие степные биогеценозы, существенно различаются по разным климатическим зонам.