Реферат по экологии. Краткий курс общей экологии. Часть 2_Миркин, Наумова_БГПУ, 2011. Краткий курс общей экологии
 Скачать 1.28 Mb.
|
|
2. Какие стадии можно выделить при описании сукцессии за- растания скал? 3. Какую роль играют первичные автогенные сукцессии в за- растании отвалов карьеров горнодобывающей промышленности? 14.3.2. Концепция климакса Концепция первичной автогенной сукцессии, в результате которой экосистема переходит в экологически равновесное со- стояние, наиболее соответствующее климату, связано с именем выдающегося американского эколога Ф. Клементса. Это равно- весное состояние было названо климаксом 1 . Экосистемы стадий сукцессии на пути к климаксу Клементс назвал серийными Представления Ф. Клементса. Моноклимакс. Клементс счи- тал, что в любом географическом районе с одним типом климата есть только один тип экосистемы – моноклимакс , который наи- более соответствует этому климату. К примеру, в Восточной Ев- ропе в биоме тайги – это еловый лес, в биоме широколиственных лесов – липово-дубовый лес, в биоме степей – разнотравно- ковыльная степь. Все иные типы экосистем «стремятся» перейти в этот тип, т.е. происходит процесс конвергенции (выравнивания) состава экосистем одного района: на скалах образуются почвы; озера зарастают, превращаясь в болота, которые со временем вы- сыхают; происходит измельчение минеральных частиц (пески превращаются в суглинки); более сухие местообитания становят- ся более влажными за счет накопления органического вещества, которое способно удерживать дождевые и снеговые воды. Кроме того, Клементс выделял множество разных типов со- обществ (и соответствующих им экосистем), которые в результа- те действия какого-либо внешнего фактора «застревают» на оп- ределенной стадии сукцессии и не могут перейти в климакс, т.е. 1 Неправильное транскрибирование английского слова «climax», которое читается как «клаймакс». Однако эта неверная транскрипция закрепилась в русском языке в основ- ном благодаря медикам. ivagant.ru 80 являются хронически сериальными. Например, субклимакс – это экосистема поймы реки, которая не переходит в климакс вследст- вие регулярных паводков. Дисклимакс – это экосистема, которая не переходит в климакс в результате действия нарушающего ее фактора (например, интенсивно использующееся пастбище). По Клементсу, в ходе сукцессий экосистем, формирующих климакс, возрастают продуктивность и биомасса, видовое богат- ство, сложность структуры (формируются почвы, появляются растения разных жизненных форм – деревья, кустарники, травы, что формирует дополнительные ниши для гетеротрофов). Повы- шается роль различных механизмов сосуществования – диффе- ренциации экологических ниш, мутуализма, коадаптации между хищниками и их жертвами и т.д. Условия для жизни растений и видов гетеротрофной биоты в ходе такой сукцессии улучшаются, а сама последовательность видов в ходе сукцессии жестко детер- минирована законами «онтогенеза» экосистем. Ю. Одум (1986) подчеркнул, что в ходе сукцессии по мере ее приближения к климаксу происходит выравнивание соотношения первичной биологической продукции (P) и дыхания (R), т.е. в кли- максовой экосистеме Р=R. Вся продукция, которая образована за год, растрачивается на дыхание автотрофами и гетеротрофами, и потому дальнейшего увеличения биомассы не происходит. Отноше- ние величины биомассы к продукции (В/Р) возрастает до тех пор, пока на единицу потока энергии не будет приходиться максимум биомассы для данного климата (этот максимум будет различаться в зонах тайги, широколиственных лесов, степи, пустыни и т.д.). По мере приближения к климаксу круговороты биогенных элементов становятся все более замкнутыми и медленными, при- чем возрастает доля биогенов, которые фиксированы в живых ор- ганизмах и детрите (включая гумус почвы). В лесных экосисте- мах увеличивается роль ретранслокации – оттока минеральных элементов из отмирающих органов растений в живые. В ходе сукцессии происходят «эстафеты» представителей флоры, фауны, грибов, микроорганизмов, причем в большинстве случаев виды r-стратегии сменяются видами К-стратегии (по Ма- картуру и Уилсону) или виды стратегии R – видами стратегий С, S и различных переходных вторичных типов (CS, CR, RS, CRS, по Раменскому и Грайму). Таким образом, малолетники сменя- ivagant.ru 81 ются многолетниками, а травы – деревьями, что приводит к уве- личению биологической продукции за счет более полного ис- пользования ресурсов. Развитие представлений Ф. Клементса. Работы Клементса на- всегда останутся классикой экологии и краеугольным камнем теории динамики экосистем. Тем не менее, сформулированные им представления в ходе дальнейшего развития экологии в конце ХХ столетия претерпели существенные изменения: 1. В одном районе может формироваться не один, а несколько климаксов, т.е. экосистемы, которые формируются при сукцесси- ях зарастания скал, озер, песков, лессовидных суглинков и т. д., будут различными. Концепция моноклимакса, таким образом, пе- реросла в концепцию поликлимакса 2. Климакс – это не обязательно самая продуктивная и бога- тая видами экосистема. Как правило, наибольшим видовым бо- гатством и продуктивностью отличаются как раз «предклимаксо- вые» серийные экосистемы. 3. Сукцессия не является жестко детерминированным, «за- програмированным» процессом, подобным онтогенезу организ- ма, а имеет стохастический характер. Закономерности сукцессий можно выявить только при обобщении (усреднении) результатов наблюдений за несколькими конкретными сукцессиями, проте- кающими в одних и тех же условиях. В конкретных сукцессион- ных последовательностях приход видов в сукцессию и уход из нее может происходить в разной очередности. Более того, неко- торые виды могут участвовать в одной конкретной сукцессии и не участвовать в другой. Мы уже говорили о том, что функцио- нальных «ролей» в любой экосистеме всегда много меньше, чем число их возможных «исполнителей» (см. 12.3.2). Контрольные вопросы 1. Расскажите о содержании концепции моноклимакса. 2. Какие изменения происходят в течение автогенной сукцес- сии по мере ее приближения к климаксу? 3. Какие изменения концепции моноклимакса Ф. Клементса произошли в конце ХХ столетия? ivagant.ru 82 14.3.3. Модели автогенных сукцессий Ф.Клементс считал, что все сукцессии развития экосистем в направлении климакса подчиняются одной модели: улучшаются условия для жизни биоты и потому возрастают биологическая продукция и видовое богатство экосистемы. Современные эколо- ги различают не менее трех моделей сукцессий: модель благоприятствования , соответствующая представлениям о сукцессии Клементса: продуктивность и видовое богатство в ходе сукцессии возрастают вплоть до стадии климакса. Классический пример такой сукцессии – зарастание скал, где последовательно сменяют друг друга стадии цианобактерий и водорослей, накипных лишайников, кустистых лишайников и мхов, трав, кустарников и деревьев. При этом формируется почва с богатой биотой и повыша- ется разнообразие население надземной части экосистемы; модель толерантности , при которой условия ухудшаются, при- мер – превращение низинного болота в верховое. В ходе такой сук- цессии происходит ухудшение условий минерального питания, по- этому снижаются продуктивность и видовое богатство. Ухудшают- ся условия для жизни биоты при восстановительной сукцессии на богатых субстратах (на вырубке, залежи, гари): первым растениям- поселенцам достается больше ресурсов минерального питания и света, чем вторым и третьим, которые должны обеспечивать себя ресурсами в условиях возрастающей конкуренции; модель ингибирования , при которой появляется ключевой вид, блокирующий дальнейшие изменения. В результате происходит остановка сукцессии и она не доходит до стадии климакса. Напри- мер, на лесных гарях в Шотландии кукушкин лен блокирует посе- ление деревьев, в пустынях Средней Азии поселению кустарников и саксаула препятствует корка, которую образуют цианобактерии, водоросли и некоторые мхи. Восстановление прерии в Северной Америке блокируется разрастанием заносных европейских злаков- однолетников, в первую очередь костром кровельным. В степных предгорьях Северного Кавказа блокирующим видом является бо- родач ( Bothriochloa ischaemum ). В горно-лесной зоне Южного Ура- ла на территории заброшенных населенных пунктов не восстанав- ливается лес, потому что сукцессию блокируют нитрофильные ру- деральные виды, в первую очередь крапива двудомная. В южных ivagant.ru 83 районах Восточной Европы блокирующим видом является занос- ное американское растение циклахена. В ходе сукцессии может происходить смена модели благопри- ятствования моделью толерантности: на первых стадиях условия улучшаются, а по мере приближения к климаксу – ухудшаются. Это характерно для сукцессий зарастания лавовых потоков в теп- лом климате: на первых стадиях условия улучшаются за счет бобо- вых (особенно из рода люпин), которые способствуют обогащению субстрата азотом, а в дальнейшем – ухудшаются, так как обостря- ется конкуренция. Сходным образом происходит смена моделей сукцессий при зарастании субстратов, освобождающихся ото льда в Арктике: вначале за счет деятельности цианобактерий, а затем мхов, лишайников и кустарничков условия улучшаются, а после поселения ели, которая затеняет поверхность и обостряет конку- ренцию за почвенные ресурсы, – ухудшаются. Несмотря на то, что автогенные сукцессии протекают спон- танно по присущим им внутренним законам, человек, зная эти за- коны, может влиять на скорость сукцессии. Так, для ускорения самозарастания отвалов пустой породы проводится биологиче- ская рекультивация – их поверхность покрывается тонким слоем торфа или почвы, в которой содержатся семена растений. Кроме того, процесс зарастания может быть ускорен посевом семян лу- говых трав или посадкой кустарников и деревьев. Контрольные вопросы 1. Чем отличаются сукцессии, протекающие в соответствии с моделями благоприятствования и толерантности? 2. Приведите примеры сукцессий, протекающих по модели ингибирования. 3. Приведите примеры сукцессий со сменой модели. 14.3.4. Гетеротрофные сукцессии Движущей силой автотрофных сукцессий является солнечная энергия, усваиваемая растениями-продуцентами и передаваемая по пищевым цепям консументам и редуцентам. Однако подобно тому, как существуют гетеротрофные экосистемы, работающие на «готовом» органическом веществе, возможны и гетеротроф- ные (деградационные) сукцессии. Эти сукцессии происходят при ivagant.ru 84 разложении мертвого органического вещества (детрита): трупа животного, «лепешки» экскрементов коровы, упавшего ствола дерева, лесной подстилки и т.д. В гетеротрофных сукцессиях происходит «эстафета» гетеротрофной биоты, которая представ- лена беспозвоночными, грибами и бактериями. Гетеротрофная сукцессия в опавшей хвое сосны продолжает- ся около 10 лет (Бигон и др., 1989). Поскольку опавшая хвоя по- стоянно покрывается новыми слоями опада, то изучение лесной подстилки от ее верхней границы до почвы позволяет судить об изменении биоты во времени. Сукцессия происходит постепенно, тем не менее, ее можно условно разделить на три стадии: 1. Длится около 6 месяцев, в течение которых происходит первый этап разложения хвои. Впрочем, до 50 % живых сосновых хвоинок уже поражено грибом Coniosporium , который открывает эту сукцессию. После опадения хвои этот гриб быстро исчезает, и на ней поселяются грибы Fusicoccum и Pullularia . В конце стадии массово развивается гриб Desmazierella ; 2. Длится два года. В число участников сукцессии, кроме Desmazierella , включаются Sympodiella и Helicoma , к которым добавляются почвенные клещи; 3. Наиболее продолжительная, которая длится 7 лет. Основ- ными деструкторами хвоинок становятся почвенные животные – ногохвостки, клещи и олигохеты-энхитреиды. Хвоя спрессовыва- ется, после этого интенсивность разложения резко снижается и сукцессия вступает в стадию «климакса». Другой пример – сукцессия состава насекомых-ксилофагов, участвующих в разложении древесины. Различаются пять стадий этой сукцессии: живой древесины, ослабленной древесины, мерт- вого целого дерева, частично разложившейся древесины, полно- стью разложившейся древесины. На каждой стадии – своя фауна ксилофагов. Гетеротрофную сукцессию можно продемонстрировать в эксперименте на сенном растворе, где вначале расцветает пыш- ная культура разнообразных бактерий, которые при добавлении прудовой воды сменяются простейшими из родов Hypotricha , Amoeba , Vorticella . После того, как ресурсы исчерпываются, сук- цессия останавливается, а участвовавшие в ней организмы пере- ходят в покоящееся состояние. ivagant.ru 85 Контрольные вопросы 1. Какие сукцессии называются гетеротрофными? 2. Приведите пример гетеротрофной сукцессии. 3. Каким экспериментом можно проиллюстрировать гетеро- трофную сукцессию? 14.3.5. Вторичные автогенные (восстановительные) сукцессии Восстановительные сукцессии по своему характеру мало отли- чаются от первичных, но, как отмечалось, протекают в экосистемах, которые частично или полностью нарушены внешним воздействием (как правило, деятельностью человека). Они обычно протекают бы- стрее, чем первичные, на их скорость влияет степень сохранности экосистемы и наличие источников диаспор для ее восстановления. Сукцессии на залежах в степи. Это наиболее распространенный и хорошо изученный вариант восстановительной сукцессии. На за- брошенном поле постепенно, через стадии полевых (сегетальных) сорняков, которые доминировали в первый год, и рудеральных ви- дов (вначале одно-двулетних, а потом многолетних корневищных), разраставшихся в последующие 3-5 лет, формировался степной тра- востой. Соответственно обогащалась и фауна. Восстановление растительности на залежи происходит доста- точно долго – не менее 25 лет. Человек научился ускорять этот про- цесс. Дж. Кертис (J. Curtis) в 1920-х годах значительно быстрее вос- станавливал прерии за счет «искусственного семенного дождя» – смеси семян, собранных на сохранившихся участках прерии. Вос- становление лугов высевом смеси семян, собранных в естественных луговых сообществах, практикуется сегодня в Англии. Ставропольский ботаник Д. Дзыбов разработал экономичный способ ускорения восстановительной сукцессии путем рассева сена с целинного степного участка на вспаханную почву. Семена высыпаются в почву и сукцессия восстановления степи резко ус- коряется: к пятому году в такой «агростепи» есть уже до 80 % видов растений целинной степи. Этот же метод сегодня исполь- зуется для восстановления ксеротермной травяной растительно- сти в Германии. Для ускорения восстановительных сукцессий экосистем тундры на Аляске, нарушенных при добыче нефти, применяли азотные удобрения. ivagant.ru 86 Восстановительные сукцессии активно протекают не только на залежах, но и в посевах многолетних трав, в которые после 2-5 годов жизни внедряются виды местной флоры. Это позволяет использо- вать старовозрастные посевы многолетних трав для повышения биологического разнообразия сельскохозяйственных экосистем. Сукцессии состава гетеротрофной биоты. Само собой разу- меется, что в ходе восстановительных сукцессий меняется вся ге- теротрофная биота экосистемы. В литературе приводятся данные об изменениях фауны птиц, грызунов, насекомых. Сукцессия состава населения птиц изучалась в прериях США (Одум, 1986). Количество видов гнездящихся птиц менялось от 15 до 239, причем, на разных стадиях сукцессии состав птичьего населения существенно менялся: – на первой стадии (первые 3 года), когда доминировали тра- вянистые растения, число видов птиц менялось от 15 до 40 видов, причем доминировали саванный воробей и луговой трупиал; – на второй стадии (кустарников), которая продолжалась 22 года, орнитофауна возросла до 136 видов, причем, наиболее мас- совыми были американская славка, овсянка, желтогрудая славка; – на третьей стадии (соснового леса), 35-100 лет сукцессии, ор- нитофауна была самой богатой и достигала 239 видов. Самыми массовыми были древесница, тонагра, тиранн, верион желтолобый; – на заключительной стадии (дубово-гикориевого леса), ко- торая формируется через 150-200 лет после забрасывания пашни, разнообразие птичьего населения снизилось до 228 видов. К ви- дам соснового леса добавляются американская кукушка, еще два вида древесницы и тиранн зеленый. Данные о восстановительной динамике фауны были получены при изучении восстановления европейской тайги (Шилов, 1998). Так, восстановление ельника (Костромская область) сопровожда- лось изменением фауны грызунов и насекомых. На стадии откры- той лесосеки (1-2 года после вырубки) фауна грызунов была пред- ставлена видами обыкновенных полевок из рода Microtus , на смену которым при восстановлении леса приходили виды лесных полевок из рода Clethrionomys , причем на средней стадии сукцессии эти ви- ды сочетались. Сходный характер имела и динамика насекомых (табл. 24). В целом энтомофауна обеднялась за счет резкого уменьшения числа цикад, уменьшалось количество особей других групп, исключая пауков, количество которых увеличивалось. ivagant.ru 87 Таблица 24 Динамика численности основных групп насекомых при восстановлении еловых, елово-пихтовых и сосновых лесов (на 100 взмахов сачком) Стадии сукцессии Группы насе- комых и пау- ки Открытые вы- рубки Зарастающие вырубки Спелый лес Цикады 126 23 - Клопы 34 15 8 Жуки 11 11 7 Двукрылые 132 159 107 Пауки 9 16 15 Всего 312 224 137 Постпастбищная демутация. При снижении пастбищной на- грузки процесс пастбищной дигрессии, рассматриваемый в сле- дующем разделе, сменяется процессом восстановительной сук- цессии Патиенты-пастбищники (подорожники, одуванчик, лап- чатка гусиная, клевер ползучий на лугу; полынь австрийская и типчак в степи) при отсутствии сильного выпаса теряют свои конкурентные преимущества и резко снижают обилие, и увели- чивают обилие виды высокотравья. Возрастает проективное по- крытие и видовое богатство травостоя. Деэвтрофикация водоемов. После того, как в водную экосисте- мы прекратится поступление биогенов, процесс эвтрофикации (см. следующий раздел) прекращается и начинается вторичная восста- новительная сукцессия. Такая сукцессия была изучена на озере Вашингтон крупным американским экологом Т. Эдмондсоном (1998). В ходе описанной сукцессии обильно размножившиеся цианобактерии постепенно были вытеснены зелеными и диатомо- выми водорослями, параллельно возросло биоразнообразие зоо- планктона и нектона (рыб). Избыточные биогены, поглощенные планктонными организмами, после их смерти осели на дно водоема и были захоронены в сапропеле. После снижения содержания пита- тельных элементов водная экосистема восстановилась (птицы зане- сли семена водных растений и икру рыб). |