Розвиток екосистем: сукцесії та екологічний клімакс

Екологічною сукцесією (лат. sucessіо – зміна, послідовність) – називається зміна угруповань організмів і біотопу під впливом взаємодії організмів між собою та неживою природою. Приклад: занедбана ділянка у лісі заростає бур’яном, потім багаторічними травами, чагарником, а пізніше деревами. Так само – озеро перетворюється в болото. Це все приклади сукцесій. Сукцесії бувають автотрофні та гетеротрофні. Автотрофні – сукцесії, що викликані зміною автотрофного блоку. Сукцесія фітоценозу спричинює сукцесію зоо- і мікробоценозу.

Сукцесії із зміною рослинності поділяються на первинні та вторинні. Первинні сукцесії починаються на безжиттєвій ділянці, а вторинні – внаслідок зміни екоумов, спричиненої життєдіяльністю самого фітоценозу. Вторинні сукцесії в свою чергу поділяються за причинами виникнення на природні (внутрішні, зовнішні) і антропогенні.

Розглянемо для прикладу сукцесію під дією внутрішніх факторів на покиненому полі пд.-приазовського степу:

1 стадія – польові бур’яни однорічники і дворічники;

2 стадія – через 2-4 роки заявляються кореневищні злаки (пирій повзучий, гострець гіллястий, буркун лікарський);

3 стадія – через 13-24 роки ростуть дернинні злаки (калерія струнка, типчак, ковили);

4 стадія – через 25-50 років розселяються характерні для степу рослини. Тільки через 150-200 років степ і переліг стануть однаковими.

Сукцесія під дією зовнішніх факторів зумовлена зміною клімату, ґрунту, діяльністю тварин, вітровалом, зсувом, пожежею. Наприклад, згорів ялинковий ліс. На початку, з’являються рослини, потім – кущі, далі – листяні дерева, згодом – поява ялинок, які потім поступово витісняють листяні, нарешті – ялинковий ліс, в якому зникають листяні дерева.

Сукцесія штучна (антропічна) – викликана діяльністю людини. Прикладом штучної сукцесії є меліорація, будівництво артезіанських колодязів, будівництво АЕС (ГЕС), посилене випасання худоби, надмірне удобрювання, забруднення пестицидами, гербіцидами, побутовими відходами, витоптуванням рослин людьми, вирубування лісу, пожежі. Наприклад, внаслідок надмірного випасання худоби у степу на пісках Нижнього Дніпра замість екосистеми степу виникла екосистема пісків, тому що із зміною рослинності змінилось тваринне населення і ґрунт.

Гетеротрофна сукцесія – відбувається за участю лише гетеротрофів. Це можливо лише там, де є накопичення органіки – у пні, поваленому дереві, буртах, річці, забрудненій органікою тощо.

Екоклімакс – це стан стійкої рівноваги між живими угрупованнями і середовищем системи; кінцевий результат сукцесій. Клімаксова екосистема, перебуває в стані гомеостазу (грець. homeos – однаковий + statis – стан, нерухомість) – стані відносної динамічної рівноваги, сталості складу і властивостей. Найстабільнішою екосистемою на Землі є екосистема тропічного лісу. Вона залишається майже «незмінною» протягом останніх 20 млн. років; ялинові, букові ліси, ялицеві діброви, ковилові степи існують у природі сотні тисяч років «не змінюючись».

 

 

2.2.2. Загальна характеристика біосфери

 

До поняття «біосфера» (грець. – bios – життя + sphaira – куля) близько підійшов французький біолог Ж.-Б. Ламарк (1802 р.). Але сам термін «біосфера» вперше застосував австрійський геолог Е. Зюсс (1875 р.). Саме він виділив біосферу як окрему оболонку Землі, охоплену життям. Детально розробив вчення про біосферу академік В.І. Вернадський, що був першим президентом Української Академії наук.

Біосфера має свої певні компоненти: жива речовина, гірські породи, вода, повітря, сонячна радіація.

Біосфера включає речовини в твердому, рідкому і газоподібному станах. Отже, біосфера трифазна.

Область існування живої речовини охоплює атмосферу (до тропопаузи), літосферу (кору вивітрювання), всю гідросферу (сферу води) – тобто біосфера триярусна, далі розглянемо кожен ярус окремо.

Товщина біосфери: на полюсах Землі приблизно 10 км, на екваторі – 28 км. Вона охоплює нижні шари атмосфери (7 км – на полюсах, 18 – на екваторі), всю гідросферу та літосферу – до глибини 3-11 км на суші та 0,5-1,0 км під дном океану. Тобто, у біосферу включають ту частину географічної оболонки, де діють живі істоти. Об’єм біосфери – 10*109км3(0,4% об’єму Землі), маса біосфери сягає 3*1018т – близько 0,05% маси Землі.

Атмосфера. Атмосфера (грець. athmos – пар) – газоподібна оболонка Землі. Маса її – 5,І5*1015т (1/106частина маси Землі). Майже 75% маси атмосфери зосереджено у нижньому 10-кілометровому шарі, тобто у межах біосфери,

Вплив діяльності людини на атмосферу в наш час дуже відчутний і посилиться у майбутньому. Вже тепер щороку в атмосферу потрапляє до 18 млрд. т СО2. Це стільки, скільки його виділяє усе живе при диханні + кількість, що поглинається у процесі фотосинтезу. Новим джерелом СО2в наш час стали промислові підприємства та автомашини, які до того й виділяють близько 700 млн. т чадного газу СО щорічно. Якщо таке становище не зміниться і надалі, то промисловість і автомашини за рік використовуватимуть до 95% щорічної кількості О2, виділеного рослинами. Це ставить під загрозу рівновагу кисню в атмосфері.

Структура атмосфери

Атмосфера має шарувату будову, тобто складається з тропосфери, стратосфери, мезосфери, іоносфери, екзосфери.

Тропосфера – шар, що має товщину 7-10 км над полюсами і 16-18 км над екваторам. Тропосфера містить основну масу повітря (атмосферного) – близько 80%, а також атмосферну вологість. Характеризується нестійкістю температури, тиску, відносної вологості, що зумовлює інтенсивне переміщення повітряних мас у горизонтальному та вертикальному напрямках, формуючі погодні умови. Саме проблеми охорони атмосферного повітря пов’язані переважно із зоною тропосфери. Наступний шар – стратосфера.

Стратосфера – шар, що сягає висоти 50 км від поверхні Землі, де температура зростає до 1000^оС. Повітря тут значно розріджене, кількість вологи мізерна. В стратосфері міститься шар триатомного кисню – озону, що активно поглинає більшу частину енергії ультрафіолетового випромінення Сонця. Над стратосферою розміщена мезосфера до 80 км, головною особливістю якої є зниження температури до –75…–90^оС (за деякими даними до –120^оС) у її верхній частині. Тут фіксують сріблясті хмари, що складаються з кристаликів льоду. Далі – іоносфера (термосфера), сліди якої спостерігаються на відстані до 800 км від Землі. Температура сягає понад 1000^оС. Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця гази перебувають у іонізованому стані. Іоносфера має здатність багаторазово відбивати радіохвилі, що забезпечує дальній радіозв’язок на Землі. Екзосфера (магнітосфера) знаходиться на висоті понад 800 км з товщиною в 200–300 км і температурою понад 2000^оС. Швидкість руху газів наближається до критичної величини – до 11,2 км/с. У ній переважно містяться атомарний водень і гелій, які утворюють навколо Землі шар на висоту 20 тис.км.

Вміст водяних парів у атмосферному повітрі приблизно 13,25*1012т, а насиченість водяними парами залежить від географічної широти (знижуючись до полюсів від екватора) і від пори року. Тверді частки атмосферного повітря мають як природне, так і антропогенне походження.

Пилових часток природного походження (космічні, вулканові, ґрунтові, морські) в звичайних умовах міститься в повітрі мало – в середньому за рік на 1 км² земної поверхні їх осідає 4-6 т. Кількість твердих часточок антропогенного походження (вугільний пил, коксовий пил, сажа, сульфатна кислота, сірчистий ангідрид, окисли азоту, аміак, ароматичні вуглеводні, ціанідна кислота, хлоридна кислота, часточки шкідливих металів, їх сполук, сульфідна кислота, сірковуглець, хлор тощо) у несприятливих умовах може сягати 1000–1200 т/км2за рік. У процесах розподілу і поширення атмосферних забруднень провідна роль належить метеорологічним факторам – швидкості, напрямку вітру, зміні температури повітря по вертикалі та його вологості.

Функції атмосфери:

1) регулює клімат на Землі; якщо б не було атмосфери, то добові коливання температури на планеті сягали б від – 200 0 С до + 200 0 С, а так в середньому +14,6–14,8 0 С.

2) пропускає теплове випромінення Сонця та зберігає тепло, там утворюються хмари, дощ, сніг, вітер;

3) виконує переносну роль вологості на Землі;

4) є середовищем поширеного звуку (без повітря на Землі царила б тиша);

5) є джерелом кисневого дихання;

б) приймає газоподібні продукти обміну речовин;

7) впливає на теплообмін та інші функції живих організмів;

8) захисна функція (зміна фізичних та хімічних властивостей атмосфери може негативно відобразитись на здоров’ї людей, їх працездатності, продовженні життя).

Склад атмосферного повітря

Сухе незабруднене повітря має такий склад: N2– 73,09%, O2– 20,95%, Аr – 0,93%, СО2– 0,03%. Інші гази (неон, гелій, криптон, водень, ксенон) – 0,01%. Ці гази неактивні й не мають біологічного значення.

Азот N2виділяється із земної кори в результаті діяльності мікроорганізмів. Гірські породи містять в 50 разів більше N2ніж земна атмосфера. Кисень О2є складовою частиною всіх живих організмів (входить до складу білків, жирів, вуглеводів). Кисень утворюється усіма компонентами екосистем, забезпечує дихання живих організмів в атмосфері, ґрунті, воді, приймає участь у всіх хімічних реакціях, які відбуваються в гірських породах, ґрунті, гідросфері. Лише рослинними організмами кисень виділяється в результаті процесу фотосинтезу, а всі інші організми – використовують його.

Основним джерелом виникнення СО2 є процеси згорання палива, гниття та розкладу органічних речовин, дихання людини та тварин. При вмісті СО2в повітрі вище 0,07% погіршуються умови дихання тварин і людини, а 0,5% є гранично допустимою нормою.

З висотою хімічний склад атмосфери, тиск, густина, температура та інші фізичні властивості змінюються. Вище атмосфера складається, головним чином, з азоту та кисню, на висоті 90-120 км заявляється атомарний кисень (О), а вище 110-120 км кисень майже весь стає атомарним. На висоті 10-60 км під дією ультрафіолетових променів утворюється озон 03(максимум озону на висоті 22-25 км), що поглинає шкідливе ультрафіолетове випромінювання Сонця.

Киснево-азотний склад атмосфери зберігається до 400-600 км. Вище переважає вміст Не, а далі, вище 2-3 тис. км переважає Н2. Так, поступово газова оболонка, що оточує Землю, переходить в екзосферу. Екзосфера – міжзірковий газ, що складається із 76% (по масі) – Н2, 23% – із Не. Н2та Не – найпоширеніші у Всесвіті.

Літосфера. Літосфера (грець. lithos – камінь) – це зовнішня тверда оболонка земної кулі, що складається з осадових, вивержених і метаморфічних порід. До літосфери входять земна кора та сфера верхньої частини мантії. Земна кора – тонка верхня оболонка Землі, яка має товщину на континентах 40-80 км, під океаном – 5-10 км і становить близько 1 % маси Землі. Основні елементи Земної кори – кисень, силіцій, водень, алюміній, залізо, магній, а кальцій та натрій утворюють до 95 % її маси. На континентах земна кора має три прошарки: верхній – осадові породи, середній – граніти, гнейси, лабрадорити і габро, нижній – базальти. Під океанами два прошарки – осадові породи, що залягають на базальтах.

Людина діє, в першу чергу, на ґрунт – родючий шар земної кори, що виник внаслідок впливу атмосфери на живих організмів, на літосферу. Половина світової ниви (600-700 млн. га) має зруйнований ґрунт. Відновлення родючого ґрунту відбувається повільно – шар в 2,5 см відновлюється майже через 1000 років. Людина також діє і на надра – глибокі шари літосфери. Щорічно із надр Землі видобувається 120 млрд. т руд, горючих і будівельних матеріалів. Надра не бездонні. Розраховано, що для виробництва: АL – вистачить 560 років; Fе – 240 років; Си – 20 років; Рв – 11 років.

Завдяки ґрунту відбувається кругообіг речовин у природі. Ґрунт має ряд важливих властивостей. Найбільше значення має його родючість, тобто здатність забезпечувати рослини необхідною кількістю поживних речовин, води, повітря. Розрізняють два типи родючості – природну (потенціальну) і ефективну. Кожному типу родючості властива своя природна родючість, яку визначають за валовими запасами поживних речовин, водним, повітряним і тепловим режимом. Вона залежить від тих умов, в яких відбувається процес ґрунтоутворення, або, інакше кажучи, від факторів ґрунтоутворення, дія яких у різних географічних зонах проявляється по-різному.

Ефективна родючість ґрунту значною мірою залежить від ступеня впливу людини – від соціально-економічної системи, яка визначає рівень розвитку науки і техніки та ставлення до природи. Таким чином, ефективна родючість створюється людиною. При вдалому поєднанні природної родючості і штучних заходів (внесення добрив, меліорація тощо) досягається найбільша родючість ґрунту (або ефективна), яка характеризується розмірами урожаю.

Гідросфера. Гідросфера (гр. hydor – вода + sphaira – куля) – водна оболонка Землі, яка включає Світовий океан, води суші (ріки, озера, болота, льодовики) та підземні води між атмосферою і земною корою, сукупність вод Землі: океани, моря, континентальні водойми (озера, річки) та льодові покриви. Гідросфера вкриває майже 71% земної поверхні – 631 млн. км2. Загальний обсяг гідросфери 1,6 млрд.км3– 1/800 об’єму Землі. Вплив діяльності людини на цю оболонку особливо великий. Об’єм стічних вод досягає 700 км3у рік, що складає близько 3% річкового стоку. У моря щорічно з різних причин скидається 5-10 млн. т нафти. Це дуже шкідливий вид забруднення: 1 т нафти вкриває 6 км2поверхні океану, а 1 л нафти вбиває все живе у 40 тис. л води.

Під впливом сонячної енергії вода безперервно випаровується з поверхні планети і в газоподібному стані надходить в атмосферу. Багато міститься води в рослинних та тваринних організмах – від 40% до 90%. За даними Л.О. Кульського, В.В. Даля водні ресурси планети складаються з води – морів та океанів (мінералізація 35г/л – 1350 млн. км3), льодовиків (30-50 млн. км3), рік і озер (0,4 млн. км3), підземних – прісних і мінералізованих (8 млн. км3). На думку багатьох вчених, води в атмосфері приблизно в 12 разів більше, ніж у річках Землі.

Територіальне розміщення водних ресурсів у нашій державі характеризується нерівномірністю – майже 80% загального обсягу їх припадає на північні, північно-східні і північно-західні райони, де чисельність населення і господарське освоєння районів незначні.

Гідросфера знаходиться в тісному зв’язку з літо- та атмосферою. Водневі простори – акваторії – займають значну частину поверхні земної кулі в порівнянні з сушею. Якщо б Земля являла собою океан, то цей би океан покрив поверхню Землі (у вигляді ідеального гладенького шару) на 4000 м, а середня глибина Світового океану 3790 м. На воду у всіх її станах та у всіх її сферах припадає менше 0,001 маси планети. Лише незначна частина цієї води є придатною та доступною для практичного використання. Найбільші запаси прісної води зосереджені в природних льодах. Льодовики займають особливе місце в кругообігу води на Землі, т. як вони зберігають вологу на багато років в твердому стані. В середньому, сніжинка, що впала на льодовик, зберігається більше 8000 років, чим знову обернеться водою та попаде в активний кругообіг води. Найбільш великі запаси води нашої планети (1,3 млрд. км3) в її надрах. Загальний об’єм прісних вод на Землі досягає приблизне 28 млн. км3, що складає 2% від загального об’єму гідросфери.