Биология. Учебное пособие для 10 класса учреждений общего среднего образования с русским языком обучения (с электронным приложением для повышенного уровня)
 Скачать 6.77 Mb.
|
|
§ 49. Агроэкосистемы и их особенности. Разнообразие агроэкосистем Вспомните, откуда человек получает продукцию для своего существования. Как вы думаете? По каким критериям можно отличить искусственную экосистему от природной? Вы узнаете о структуре агроэкосистем, их разнообразии и отличии от природных экосистем. Проверим знания §48-1 §48-2 §48-3 §48-4 §48-5 §48-6 Правообладатель Народная асвета 220 Глава 5. Экосистема — основная единица биосферы Понятие агроэкосистемы. Человек получает достаточно много разных видов продукции от природных экосистем. Тем не менее основным ис- точником средств для удовлетворения его потребностей является сельское хозяйство. Сельскохозяйственная деятельность человека способна изме- нять природные экосистемы. Кроме того, человек имеет возможность фор- мировать искусственные экосистемы и поддерживать их существование с целью получения сельскохозяйственной продукции. Эти искусственные экосистемы называются агроэкосистемами. Агроэкосистемы (от греч. agroЂs — поле) — искусственные экосисте- мы, созданные и используемые человеком для получения сельскохозяй- ственной продукции или отдыха. Агроэкосистемы занимают примерно 30 % свободной ото льда суши нашей планеты. Из них около 10 % приходится на пахотные земли, почти 20 % занимают пастбища. В Республике Беларусь сельскохозяйственная продукция как товар играет в экономике важную роль. По информации Белстата в структуре земельных ресурсов Беларуси на 1 января 2018 г. сельскохозяйственные земли составили 42,3 % территории, леса — 41 %, поверхностные воды, включая болота, — 6,1 %, прочие земли — 10,6 %. В настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека сформировалось большое разнообразие агроэкосистем. Они существенно отличаются по масштабам, структуре и составу видов организмов в за- висимости от целей их формирования. Основными типами агроэкосистем в Республике Беларусь являются: пахотные поля, сенокосы и пастбища, фруктовые сады, огороды, теплицы, фермы, пруды, курортно-санаторные зоны (рис. 81). Индустриализация сельского хозяйства имеет не только плюсы, но и минусы. Современные агроэкосистемы представляют экологическую опас- ность для природных экосистем. Применяемые в них химические сред- ства для борьбы с вредителями — п е с т и ц и д ы — с помощью воды, воз- духа по цепям питания переносятся в природные экосистемы, загрязняя их. Следовательно, нужно расширять применение биологических методов борьбы. Избыточное внесение минеральных и органических удобрений может вызывать загрязнение грунтовых вод и поверхностных водоемов. Сорняки и насекомые-вредители из агроэкосистем способны мигрировать в природные экосистемы и отрицательно влиять на них. Для того чтобы снизить негативное воздействие агроэкосистем на при- родное окружение, в Республике Беларусь проводится большая работа по созданию продуктивных, экономичных и экологичных агрокомплексов. Правообладатель Народная асвета 221 Это интересно. Институт овощеводства НАН Беларуси разработал ком- плекс машин по возделыванию овощных культур с применением современ- ных технологий. Например, культиватор-опрыскиватель не только обрабаты- вает междурядья овощных культур, но и вносит растворимые пестициды и минеральные удобрения. Его можно использовать для обработки картофеля и других пропашных культур. Комбинированный посевной агрегат одновре- менно обрабатывает почву, готовит ее к севу и высевает пунктирным способом семена овощных культур. При этом он осуществляет дозированное внесение гранулированных минеральных удобрений. Структура агроэкосистемы. Агроэкосистемы являются биосистемами того же уровня организации, что и природные экосистемы. Они включают сообщество и биотоп, которые связаны обменом веществ и энергии. Сообщество состоит из продуцентов, консументов и редуцентов. Они взаимодействуют за счет трофических связей, благодаря чему осущест- вляется круговорот веществ. Отличие сообщества агроэкосистемы от Теплица Поле Сад Пастбище Рис. 81. Агроэкосистемы § 49. Агроэкосистемы и их особенности. Разнообразие агроэкосистем Правообладатель Народная асвета 222 Глава 5. Экосистема — основная единица биосферы природного сообщества отмечается на уровне видового состава функцио- нальных групп организмов и их взаимосвязей. Каждая функциональная группа состоит из небольшого количества специфичных видов. Среди про- дуцентов доминирует культурный вид растений, имеется несколько видов сопутствующих сорняков. Консументы представлены беспозвоночными, паразитическими грибами и бактериями, питающимися преимуществен- но культурными растениями. Иногда могут присутствовать мелкие гры- зуны, некоторые птицы. На пастбищах по численности доминируют виды домашних животных (коровы, лошади, овцы). Функцию редуцентов вы- полняют почвенные грибы, дождевые черви, бактерии. Человек постоян- но нарушает взаимодействие видов в сообществе, осуществляя различные приемы агротехники. Отличия агроэкосистем от природных экосистем. Агроэкосистемы су- щественно отличаются от природных экосистем (табл. 20). Т а б л и ц а 20. Сравнительная характеристика экосистем Критерии сравнения Природные экосистемы Агроэкосистемы Происхож- дение Первичные естественные структурные единицы биосферы, образовав- шиеся в результате дли- тельной эволюции Вторичные искусственные структурные единицы биосфе- ры, созданные человеком Видовая структура Сложные системы с боль- шим видовым разнооб- разием, в которых, как правило, доминирует не- сколько видов. Видовая структура формируется под действием факто- ров среды. Культурные (сельскохозяйственные) растения отсутствуют Упрощенные системы с неболь- шим видовым разнообразием, в которых доминирует, как пра- вило, один культивируемый человеком вид растений или животных. Видовая структура формируется как под действи- ем факторов среды, так и при определяющей роли человека Устойчивость Свойственно устойчивое динамическое равнове- сие, достигаемое саморе- гуляцией, благодаря раз- нообразию трофических связей. Пищевые цепи длинные (3—5 звеньев), а пищевая сеть сложная Неустойчивы, без поддержки человека быстро разрушают- ся. Саморегуляция отсутству- ет. Пищевые цепи короткие (2—3 звена), пищевая сеть про- стая Правообладатель Народная асвета 223 Критерии сравнения Природные экосистемы Агроэкосистемы Продуктив- ность Продуктивность опреде- ляется количеством по- ступающей солнечной энергии и степенью зам- кнутости круговорота веществ Продуктивность определяется количеством совокупной энер- гии (солнечная энергия + энер- гия, привносимая человеком), поступающей в систему, и зави- сит от технических и экономи- ческих возможностей человека Экологическая безопасность Экологически безопас- ны, не являются источ- ником загрязняющих веществ Экологически опасны, являются источником загрязняющих ве- ществ, способны влиять на устой- чивость природных экосистем Круговорот веществ Вся чистая первичная продукция используется консументами и реду- центами, вовлекающими ее в полный и замкну- тый круговорот веществ Основную часть чистой первич- ной продукции в виде урожая человек изымает для своих по- требностей и на корм скоту. Изъ- ятые на уровне продуцентов ве- щества восполняются на уровне детритных цепей в виде органи- ческих (детрит) или минераль- ных удобрений. Круговорот ве- ществ неполный и незамкнутый Повторим главное. Агроэкосистемы — искусственные системы, созданные и поддерживаемые человеком с целью получения сельско- хозяйственной продукции или отдыха. Отличительными особенно- стями агроэкосистем являются: небольшое видовое разнообразие, до- минирование видов культурных растений или домашних животных, низкая устойчивость, неспособность к саморегуляции, неполный и незамкнутый круговорот веществ, наличие дополнительного источ- ника энергии, высокая биологическая продуктивность. Ключевые вопросы. 1. Сравните агроэкосистемы и природные экосистемы по видо- вой структуре. В чем их различие? 2. Укажите, какие из перечисленных ниже объектов, являются агроэкосистемами: океан, огород, степь, озеро, парк, альпийский луг, ябло- невый сад, тропический лес, пшеничное поле. 3. Почему в агроэкосистемах круговорот веществ неполный и незамкнутый? Проверим знания Продолжение § 49. Агроэкосистемы и их особенности. Разнообразие агроэкосистем Правообладатель Народная асвета 224 Глава 5. Экосистема — основная единица биосферы Сложные вопросы. 1. Почему агроэкосистемы неустойчивы и быстро разрушаются без поддержки человека? Предложите пути повышения их устойчивости. 2. В чем экологи- ческая опасность агроэкосистем? Каким образом можно ее уменьшить? В природе из популяций формируются биологические системы более высокого уровня организации — биоценозы. Биоценоз представляет собой совокупность взаимосвязанных популяций растений (фитоценоз), живот- ных (зооценоз), грибов (микоценоз) и микроорганизмов (микробоценоз), населяющих участок территории с однородными условиями среды — био- топ. Биотоп включает воздух с климатическими факторами (климатоп), почву (эдафотоп) и воду (гидротоп). В биоценозе между популяциями разных видов возникают трофиче- ские, топические, форические и фабрические связи. На основе этих свя- зей формируются различные биотические взаимоотношения. Наибольшее значение для регуляции численности популяций имеют конкуренция, хищничество и паразитизм. Комменсализм и мутуализм обеспечивают максимальное использование пищевых ресурсов и среды обитания, что способствует выживанию видов и сохранению видового разнообразия. Устойчивость биоценозов обеспечивается благодаря уравновешиванию разнонаправленных взаимоотношений. Для биоценозов характерна определенная видовая и пространствен- ная структура. Видовая структура биоценоза — видовое разнообразие и соотношение видов по их численности. Видовое разнообразие опреде- ляется видовым богатством и видовой насыщенностью. Виды, участву- ющие в формировании условий среды в биотопе, называются видами- эдификаторами. Редкие виды заносятся в Красную книгу, когда их чис- ленность и (или) ареалы быстро сокращаются за короткие промежутки времени. Пространственная структура биоценоза — расположение видов в вертикальном (ярусность) и горизонтальном (мозаичность) направлени- ях. Вертикальная структура формируется благодаря наличию растений разной высоты, образующих ярусы. В биоценозах различают надземную и подземную ярусность. Горизонтальная структура биоценоза формируется вследствие неоднородности почвы и рельефа в биотопе. Биологическая система, состоящая из живых организмов и среды их обитания, связанных совокупностью связей, осуществляющих обмен ве- ществом и энергией между ними, называется экосистемой. Наземные экосистемы — биогеоценозы — представляют собойсовокупность биоце- ПОДВЕДЕМ ИТОГИ §49-1 Правообладатель Народная асвета 225 ноза и биотопа, где осуществляется круговорот веществ и превращение энергии. Функциональными компонентами экосистемы (биогеоценоза) являются продуценты, консументы и редуценты. В экосистеме они свя- заны трофическими связями и образуют цепи питания: пастбищные и детритные. Совокупность организмов, которые составляют определен- ное звено пищевой цепи, называется трофическим уровнем. В приро- де пастбищные и детритные цепи связаны между собой общими пище- выми звеньями и образуют единую пищевую сеть, или сеть питания экосистемы. В пастбищных цепях питания переход энергии и биомассы от одного трофического уровня к другому подчиняется правилу 10 %, или правилу Линдемана. Графическое выражение данной закономерности получило название правила экологической пирамиды. Для ряда пастбищных це- пей питания можно построить три типа экологических пирамид: чисел, биомассы и энергии. В экосистеме происходит непрерывный круговорот веществ и направ- ленный поток энергии. Благодаря этому идет воспроизведение и накоп- ление биомассы организмов. Общее количество биомассы всех организ- мов, накопившейся в экосистеме за период ее существования, называется биомассой экосистемы. Процесс воспроизведения биомассы организмов, входящих в состав экосистемы, называется биологической продуктив- ностью. Она выражается количеством продукции — биомассой, вновь воспроизведенной в экосистеме за единицу времени (обычно за год) на данном этапе ее существования. В экосистеме различают первичную, соз- данную продуцентами, и вторичную, созданную консументами и редуцен- тами продукции. Эти виды продукции используются в цепях питания в качестве корма. Энергия корма расходуется организмами на процессы жизнедеятельности, прирост биомассы и экскременты. На трофических уровнях пастбищных цепей соблюдается балансовое равенство между по- ступившей и расходующейся энергией. Искусственные системы, созданные и поддерживаемые человеком с це- лью получения сельскохозяйственной продукции или отдыха, называют агроэкосистемами. Отличительными особенностями агроэкосистем явля- ются: небольшое видовое разнообразие, доминирование видов культурных растений или домашних животных, низкая устойчивость, неспособность к саморегуляции, неполный и незамкнутый круговорот веществ, нали- чие дополнительного источника энергии, высокая биологическая продук- тивность. Подведем итоги Правообладатель Народная асвета Вы узнаете: о биосфере, ее границах и компонентах; о живом, биогенном, косном и биокосном веществах биосферы; о роли живого вещества в биосфере; о значении круговорота веществ в биосфере; об основных этапах эволюции биосферы; условия стабильности биосферы. Вы научитесь: различать границы и компоненты биосферы; проводить сравнение разных сфер биосферы; прогнозировать дальнейшее развитие биосферы; использовать приобретенные знания о биосфере для обоснования мер по ра- циональному использованию природных ресурсов, охране биологического раз- нообразия живых организмов и участия в природоохранных мероприятиях. В данной главе вы узнаете о биосфере и границах распространения жизни. Изучая компоненты биосферы (живое, косное, биокосное и био- генное вещества), вы познакомитесь с условиями их образования, изучите биогеохимические функции живого вещества. Вы познакомитесь с круго- воротами воды, углерода и кислорода, которые являются основой поддер- жания жизни на Земле. В завершении главы вы сможете проследить эта- пы эволюции биосферы, узнаете о роли живых организмов в этом процес- се и об условиях, необходимых для сохранения стабильности биосферы. § 50. Биосфера и ее границы Вспомните, какие признаки характерны для живого организма. Назовите экологические факторы, лимитирующие существование жизни на Земле. Как вы думаете? Чем обусловлены границы распространения жизни на Земле? Вы узнаете, что собой представляет биосфера, каковы ее границы и чем лимитируется распространение жизни в атмосфере, литосфере и гидросфере. Глава Биосфера — живая оболочка Земли 6 Правообладатель Народная асвета 227 § 50. Биосфера и ее границы Биосфера (от греч. biЂos — жизнь, sphaЂira — шар) — оболочка Земли, созданная и заселенная живыми организмами. Термин «биосфера» в 1875 г. ввел в науку австрийский геолог Э. З ю с с. Понятие «биосфера» он трактовал как «тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую лик Земли». Годом появления учения о биосфере считается 1926 г., когда вышла книга русского ученого-естествоиспытателя В. И. В е р н а д с к о г о «Био- сфера». Он обобщил огромное количество научных данных, указываю- щих на тесную взаимосвязь живого и неживого вещества. Показал, что планета Земля не только населена живыми организмами, но и активно ими преобразуется. Подчеркивая геологическую роль живых организмов, В. И. Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому более могущественной, чем жи- вые организмы, взятые в целом». С участием живых организмов проис- ходит образование почвы, осадочных пород, полезных ископаемых, раз- рушение горных пород, заболачивание. В. И. Вернадский распространил понятие «биосфера» не только на организмы, но и на среду их обитания. Границы биосферы определяются условиями, необходимыми для жизни: наличием воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа, благоприятного температурного режима, степенью солености воды в водоемах, уровнем радиации. Все эти условия оптимально сочетаются в местах контакта трех оболочек Земли — атмосферы, литосферы и гидро- сферы (рис. 82, с. 228). Поэтому биосфера как живая оболочка планеты располагается в пределах этих трех сфер. Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Она имеет определенный химический состав: около 78 % азота, 21 % кислорода, 1 % аргона и 0,03 % углекислого газа. Ближе к поверхности Земли в качестве примеси в атмосфере содержатся водяные пары. При взаимодействии с основными парниковыми газами, такими как метан, озон и углекислый газ, водяные пары участвуют в нагревании нижнего слоя атмосферы. Эти атмосферные примеси действуют подобно прозрачной крыше парника, раскинутого над Землей, пропуская к ней длинноволновое тепловое излучение. Отсюда и их название — п а р н и к о в ы е г а з ы. Возникающий благодаря им парни- ковый эффект играет важную роль в тепловом балансе Земли. Он сохра- няет тепло у поверхности Земли, и температура воздуха становится выше. В состав биосферы входит лишь самый нижний слой атмосферы — тропосфера. Толщина тропосферы на экваторе составляет 18—22 км, в умеренных широтах — 10—16 км, а на полюсах — 8—10 км. Она опре- деляется интенсивностью вертикальных (восходящих или нисходящих) Правообладатель Народная асвета 228 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности. Темпе- ратура воздуха в тропосфере с высотой понижается на 0,6 С на каждые 100 м и колеблется от +40 С до –50 С. Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой. Он расположен на разном расстоянии от поверхности Земли и имеет максимальную плотность озона на высоте 22—25 км. Выше озонового экрана жизнь невозможна из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Это интересно. Над Антарктикой обнаружена обширная «озоновая дыра», размеры которой имеют сезонный характер. Появляется она в конце зимы — начале весны. Ученые объясняют ее образование так: хлорфторуглеводоро- ды (фреоны), высвобождаемые аэрозолями и охладительными установками, переносятся в Антарктику воздушными потоками. Из-за действия крайне низких температур образуются стратосферные облака. В них происходят сложные химические реакции. Хлор, содержащийся во фреонах, отделяется от других веществ и сохраняется на протяжении холодного темного периода года. Когда интенсивность ультрафиолетовых лучей усиливается, атомы хло- ра высвобождаются и разрушают озоновый слой. Возникновение озоновой дыры — экологическая проблема, которая ставит под угрозу жизнь на Земле. Рис. 82. Границы биосферы Озоновый слой Высота, м 22 000 8000 4000 100 0 1 10 100 1000 более 1000 Глубина, м Донные организмы Наземные организмы Обитатели почвы Обитатели пещер Микроорганизмы подземных вод АТМОСФЕРА ЛИТОСФЕРА ГИДРОСФЕРА Правообладатель Народная асвета 229 § 50. Биосфера и ее границы Атмосфера ближе к поверхности земли насыщена многообразными живыми организмами. Насекомые, птицы, летучие мыши поднимаются над ней на сотни метров. Некоторые виды хищных птиц способны летать на высоте 3—7 км. Семена, споры растений, грибов, бактерии восходя- щими воздушными потоками пассивно поднимаются вверх на десятки километров (до высоты 20—22 км). Однако все перечисленные летающие организмы лишь временно находятся в атмосфере. Постоянно живущих в воздухе организмов нет. Литосфера — твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50—200 км. Распространение жизни в литосфере ограничено и резко уменьшается с глубиной. Распространению жизни в глубь лито- сферы препятствуют различные факторы: отсутствие света, возрастающая с глубиной плотность среды, высокая температура. В среднем темпера- турный прирост составляет около 3 С на каждые 100 м. Именно поэто- му температура является главным фактором, ограничивающим жизнь в литосфере. Подавляющее большинство видов сосредоточено в почве — верхнем рыхлом слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиме- тров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров (корни растений, роющие животные — кроты, черви, бактерии). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, состав- ляет 3—4 км. Температура здесь достигает +100 С. Именно эта глубина считается нижней границей распространения жизни в литосфере. Гидросфера — водная оболочка Земли (рис. 83). В отличие от лито- сферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 11 км, обнаружены разно- образные виды животных, бактерий. Океаны Моря Реки Озера Ледники Подземные воды Мировой океан Воды суши Вода атмосферы Вода в живых организмах Гидросфера Земли Рис. 83. Состав гидросферы Правообладатель Народная асвета 230 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли Это интересно. Английский натуралист Э. Ф о р б с в 1841 г. по результатам своих наблюдений заявил, что глубже 540 м жизнь в океанических водах невозможна. Однако 23 января 1960 г. океанологи Ж. П и к а р и Д. У о л ш опустились в батискафе в Марианскую впадину Тихого океана и на глубине более 10 525 м увидели рыб и креветок. Таким образом было доказано суще- ствование живых организмов на больших глубинах. Следует отметить, что плотность обитания организмов в океане не- равномерна. Основная масса видов находится в гидросфере в пределах 150—200 м от поверхности. Это связано с глубиной проникновения света, являющегося лимитирующим фактором для существования автотрофных организмов, а следовательно, и видов животных, питающихся растения- ми. Однако существует немалое число видов глубоководных хищных жи- вотных и микроорганизмов, которые приспособлены к жизни в полней- шем мраке. Их представители имеют сверхчувствительные органы слуха и осязания, сильно развитые глаза, что дает возможность улавливать даже самые слабые световые волны, либо не имеют глаз вовсе. Еще одно приспособление глубоководных организмов — это люминесцентные орга- ны, которые могут светиться, используя энергию химических реакций. Такой свет облегчает передвижение и приманивает добычу. На самом деле огромная площадь Мирового океана, являющегося основной частью гидросферы, все еще остается неисследованной. Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Она весьма активно влияет на атмосферные процессы, та- кие как нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой. Атмосфера, литосфера и гидросфера тесно связаны между собой. На границах этих сфер сосредоточена основная часть видов живых организ- мов, образуя относительно тонкую «пленку жизни» на поверхности на- шей планеты. Повторим главное. Биосфера — оболочка Земли, созданная и засе- ленная живыми организмами. Биосфера как область существования жизни охватывает нижнюю часть атмосферы (тропосферу) (от 8 км в высоту у полюсов и до 22 км в высоту у экватора), верхнюю часть литосферы (3—4 км в глубину) и всю гидросферу (до 11 км в глуби- ну). Лимитирующим фактором распространения жизни в атмосфере является ультрафиолетовое излучение, в литосфере — высокая тем- пература, гидросфера заселена практически полностью и ограничена дном Мирового океана. Правообладатель Народная асвета 231 § 51. Компоненты биосферы Ключевые вопросы. 1. Что такое биосфера? 2. В пределах каких сфер Земли распола- гается биосфера? 3. Назовите лимитирующие факторы, ограничивающие распростране- ние жизни в атмосфере, литосфере и гидросфере. Сложные вопросы. 1. Распространение жизни в биосфере крайне неравномерно. При- ведите конкретные примеры этого факта и объясните, чем это обусловлено. 2. Почему антропогенное влияние на биосферу вызывает серьезные опасения у ученых и обще- ственных деятелей? Приведите не менее трех аргументов. |