Экологические пирамиды — это графические модели (как правило,
в виде треугольников), отражающие число
особей (пирамида чисел), количество их
биомассы (пирамида биомасс) или заключенной
в них энергии (пирамида энергии) на каждом
трофическом уровне и указывающие на понижение
всех показателей с повышением трофического
уровня.
Различают три типа экологических пирамид.
Пирамида чисел
Пирамида чисел (численностей) отражает численность
отдельных организмов на каждом уровне.
В экологии пирамида численностей используется
редко, так как из-за большого количества
особей на каждом трофическом уровне очень
трудно отобразить структуру биоценоза
в одном масштабе.
Чтобы уяснить, что такое пирамида чисел,
приведем пример. Предположим, что в основании
пирамиды 1000 т травы, массу которой составляют
сотни миллионов отдельных травинок. Этой
растительностью смогут прокормиться
27 млн кузнечиков, которых, в свою очередь,
могут употребить в пищу около 90 тыс. лягушек.
Сами лягушки могут служить едой 300 форелям
в пруду. А это количество рыбы может съесть
за год один человек! Таким образом, в основании
пирамиды несколько сотен миллионов травинок,
а на ее вершине — один человек. Такова
наглядная потеря вещества и энергии при
переходе с одного трофического уровня
на другой.
Иногда случаются исключения из правила
пирамид, и тогда мы имеем дело с перевернутой пирамидой
чисел. Это можно наблюдать в лесу,
где на одном дереве живут насекомые, которыми
питаются насекомоядные птицы. Таким образом,
численность продуцентов меньше, нежели
консументов.
Пирамида биомасс
Пирамида биомасс - соотношение между продуцентами
и консументами, выраженное в их массе
(общем сухом весе, энергосодержании или
другой мере общего живого вещества). Обычно
в наземных биоценозах общий вес продуцентов
больше, чем консументов. В свою очередь,
общий вес консументов первого порядка
больше, нежели консументов второго порядка,
и т.д. Если организмы не слишком различаются
по размерам, то на графике, как правило,
получается ступенчатая пирамида с сужающейся
верхушкой.
Американский эколог Р. Риклефс объяснял
структуру пирамиды биомасс так: «В большинстве
наземных сообществ пирамида биомасс
сходна с пирамидой продуктивности. Если
собрать все организмы, обитающие на каком-нибудь
лугу, то вес растений окажется гораздо
больше веса всех прямокрылых и копытных,
питающихся этими растениями. Вес этих
растительноядных животных в свою очередь
будет больше веса птиц и кошачьих, составляющих
уровень первичных плотоядных, а эти последние
также будут превышать по весу питающихся
ими хищников, если таковые имеются. Один
лев весит довольно много, но львы встречаются
столь редко, что вес их, выраженный в граммах
на 1 м2, окажется
ничтожным».
Как и в случае с пирамидами чисел, можно
получить так называемую обращенную (перевернутую)
пирамиду биомасс, когда биомасса
продуцентов оказывается меньше, чем консументов,
а иногда и редуцентов, и в основании пирамиды
находятся не растения, а животные. Это
касается в основном водных экосистем.
Например, в океане при довольно высокой
продуктивности фитопланктона общая масса
его в данный момент может быть меньше,
чем у зоопланктона и конечного потребителя-консумента
(киты, крупные рыбы, моллюски).
Пирамида энергии
Пирамида энергии отражает величину потока энергии,
скорость прохождения массы пищи через
пищевую цепь. На структуру биоценоза
в большей степени оказывает влияние не
количество фиксированной энергии, а скорость
продуцирования пищи.
Все экологические пирамиды строятся
по одному правилу, а именно: в основании
любой пирамиды находятся зеленые растения,
а при построении пирамид учитывается
закономерное уменьшение от ее основания
к вершине численности особей (пирамида
чисел), их биомассы (пирамида биомасс)
и проходящей через пищевые цени энергии
(пирамида энергии).
В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман
сформулировал закон пирамиды энергии,
согласно которому с одного трофического
уровня на другой через пищевые цени переходит
в среднем около 10 % энергии, поступившей
на предыдущий уровень экологической
пирамиды. Остальная часть энергии тратится
на обеспечение процессов жизнедеятельности.
В результате процессов обмена организмы
теряют в каждом звене пищевой цепи около
90 % всей энергии. Следовательно, для получения,
например, 1 кг окуней должно быть израсходовано
приблизительно 10 кг рыбьей молоди, 100
кг зоопланктона и 1000 кг фитопланктона.
Общая закономерность процесса передачи
энергии такова: через верхние трофические
уровни энергии проходит значительно
меньше, чем через нижние. Вот почему большие
хищные животные всегда редки, и нет хищников,
которые питались бы, к примеру, волками.
В таком случае они просто не прокормились
бы, настолько волки немногочисленны.
В 1942 г. американский эколог
Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды
энергий (закон 10 процентов), согласно
которому с одного трофического уровня
через пищевые цепи на другой трофический
уровень переходит в среднем около 10% поступившей
на предыдущий уровень экологической
пирамиды энергии. Остальная часть энергии
теряется в виде теплового излучения,
на движение и т.д. Организмы в результате
процессов обмена теряют в каждом звене
пищевой цепи около 90% всей энергии, которая
расходуется на поддержание их жизнедеятельности.
Если заяц съел 10 кг растительной
массы, то его собственная масса может
увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая
1 кг зайчатины, увеличивают свою массу
уже только на 100 г. У древесных растений
эта доля много ниже из-за того, что древесина
плохо усваивается организмами. Для трав
и морских водорослей эта величина значительно
больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые
ткани. Однако общая закономерность процесса
передачи энергии остается: через верхние
трофические уровни ее проходит значительно
меньше, чем через нижние.
Рассмотрим превращение энергии
в экосистеме на примере простой пастбищной
трофической цепи, в которой имеется всего
три трофических уровня.
уровень - травянистые
растения,
уровень - травоядные
млекопитающие, например, зайцы
уровень - хищные млекопитающие,
например, лисы
Питательные вещества создаются
в процессе фотосинтеза растениями, которые
из неорганических веществ (вода, углекислый
газ, минеральные соли и т.д.) с использованием
энергии солнечного света образуют органические
вещества и кислород, а также АТФ. Часть
электромагнитной энергии солнечного
излучения при этом переходит в энергию
химических связей синтезируемых органических
веществ.
Все органическое вещество,
создаваемое в процессе фотосинтеза называется
валовой первичной продукцией (ВПП). Часть
энергии валовой первичной продукции
расходуется на дыхание, в результате
чего образуется чистая первичная продукция
(ЧПП), которая и является тем самым веществом,
которое поступает на второй трофический
уровень и используется зайцами.
Пусть ВПП составляет 200 условных
единиц энергии, а затраты растений на
дыхание (R) - 50%, т.е. 100 условных единиц энергии.
Тогда чистая первичная продукция будет
равна: ЧПП = ВПП - R (100 = 200 - 100), т.е. на второй
трофический уровень к зайцам поступит
100 условных единиц энергии.
Однако, в силу разных причин
зайцы способны потребить лишь некоторую
долю ЧПП (в противном случае исчезли бы
ресурсы для развития живой материи), существенная
же ее часть, в виде отмерших органических
остатков (подземные части растений, твердая
древесина стеблей, ветвей и т.д.) не способна
поедаться зайцами. Она поступает в детритные
пищевые цепи и (или) подвергается разложению
редуцентами (F). Другая часть идет на построение
новых клеток (численность популяции,
прирост зайцев - Р) и обеспечение энергетического
обмена или дыхания (R).
В этом случае, согласно балансовому
подходу, балансовое равенство расхода
энергии (С) будет выглядеть следующим
образом: С = Р + R + F, т.е. поступившая на
второй трофический уровень энергия будет
израсходована, согласно закону Линдемана,
на прирост популяции - Р - 10%, остальные
90% будут израсходованы на дыхание и удаление
неусвоенной пищи.
Таким образом, в экосистемах
с повышением трофического уровня происходит
быстрое уменьшение энергии, накапливаемой
в телах живых организмов. Отсюда ясно
почему каждый последующий уровень всегда
будет меньше предыдущего и почему цепи
питания обычно не могут иметь более 3-5
(редко 6) звеньев, а экологические пирамиды
не могут состоять из большого количества
этажей: к конечному звену пищевой цепи
так же, как и к верхнему этажу экологической
пирамиды, будет поступать так мало энергии,
что ее не хватит в случае увеличения числа
организмов.
Такая последовательность и
соподчиненность связанных в форме трофических
уровней групп организмов представляет
собой потоки вещества и энергии в биогеоценозе,
основу его функциональной организации.
Серия: Высшее образование |
Издательство: Феникс |
Год издания: 2015 |
Количество страниц: 602 |
В. И. Коробкин, Л. В. Передельский |
Экология : учебник для студентов
бакалаврской ступени многоуровневого
высшего профессионального образования
(соответствует ФГОС 3-го поколения) |
Мониторинг (от лат.
мonitor - предостерегающий) - в широком смысле
- специально организованное, систематическое
наблюдение за состоянием объектов, явлений,
процессов с целью их оценки, контроля
или прогноза.
Мониторинг окружающей
среды (экологический мониторинг) - информационная
система постоянного наблюдения и регулярного
контроля, проводимых по определенной
программе для оценки текущего состояния
окружающей природной среды, анализа всех
происходящих в ней в данный период процессов,
а также заблаговременного выявления
возможных тенденций ее изменения (рис.1).
Рисунок 1 - Блок-схема системы мониторинга
Цели экологического
мониторинга (ФЗ «Об охране окружающей
среды»):
) наблюдение за
состоянием окружающей среды, в
том числе в районах расположения
источников антропогенного воздействия;
) наблюдение за
воздействием антропогенных источников
на окружающую среду;
) обеспечение потребностей
государства, юридических и физических
лиц в достоверной информации,
необходимой для предотвращения
и (или) уменьшения неблагоприятных
последствий изменения состояния
окружающей среды.
Основные задачи экологического
мониторинга окружающей природной среды.
В экологической системе изначально предполагается
постоянный и непрерывный круговорот
веществ. Но процесс разложения различных
отходов по времени происходит не одинаково.
Если переработка некоторых отходов (бумага,
ткани, органика и т.п.) не сложная или они
самостоятельно и быстро разлагаются,
то распад отходов, например, из металла,
пластика, синтетических материалов, сильно
замедлен или практически не происходит.
Поэтому необходима их переработка, что
в свою очередь требует определённых затрат.
Основная задача экологического
мониторинга окружающей среды - это максимальное
обеспечение систем управления экологической
безопасности и природоохранной деятельности
достоверной информацией, на основании
которой могут быть произведены:
оценка показателей
состояния и функциональной целостности
окружающей природной среды.
выявление причин отклонения
показателей состояния окружающей природной
среды и оценка последствий таких изменения
показателей.
определение и принятие
решений для ликвидации причин отклонения
показателей и обеспечение заблаговременного
предупреждения негативных ситуаций.
Последовательность
стадий мониторинга: измерение - анализ
- описание - моделирование - оптимизация.
Методы
мониторинга (контроля) 1 биоиндексация
– это обнаружение и определение антропогенных
нагрузок по реакциям на них живых организмов
и их сообществ * если в лесу на стволах
деревьев исчезают лишайники, значит в
воздухе присутствует сернистый газ; *
отсутствие стрекоз на берегу водоема
говорит о его бедном фаунистическом составе
(результат загрязнения) и т.п. Биоиндексация
позволяет вовремя выявить еще не опасный
уровень загрязнения и принять меры по
восстановлению экологического равновесия
окружающей среды. 2 дистанционные методы
используются для ведения глобального
мониторинга – аэрофотосъемка позволяет
определить масштабы и степень загрязнения
при разливе нефти в море (или ареал загрязнения
снежного покрова вокруг городов и т.п.)
Самолет «Ил-103» – уникальный самолет
для выполнения практически любых задач
экологического мониторинга: самолет
оборудован контрольно-измерительной
и телеметрической аппаратурой, спутниковой
навигационной системой, системой спутниковой
связи, интерактивным бортовым и наземным
измерительно-регистрирующим комплексом.
Самолет может летать на высотах от 100
до 3000м. 3 физико-химические методы используются
для мониторинга отдельных компонентов
окружающей природной среды: почвы, воды,
воздуха. Эти методы основаны на анализе
отдельных проб. * атмосферное загрязнение
анализируется газоанализаторами (автоматизированные
приборы для дистанционного анализа сочетают
лазер и локатор); * засоление почв определяют
по значению электрической проводимости;
содержание гумуса по окисляемости органического
вещества; кислотность почв определяют
по значению водородного показателя с
помощью потенциометра; * загрязнение
воды определяется химическим (ХПК) или
биохимическим (БПК) потреблением кислорода,
количество которого неодинаково расходуется
на окисление веществ, содержащихся в
загрязненной воде. Виды мониторинга:
1 по масштабам обобщения информации: *
глобальный – слежение за мировыми процессами
и явлениями в биосфере и осуществление
прогноза возможных изменений * региональный
– охватывает отдельные регионы, в которых
наблюдаются процессы и явления, отличающиеся
от естественных по природному характеру;
* локальный – слежение за природными
процессами и явлениями в пределах какого-либо
района (например: города); 2 по методам
ведения: * биологический (с помощью биоиндикаторов);
* дистанционный (авиационный и космический);
* аналитический (химический и физико-химический
анализ); 3 по объектам наблюдения: * мониторинг
отдельных компонентов окружающей среды
(почвы, воды, воздуха); * мониторинг биологический
(флоры и фауны); 4 базовый (фоновый) мониторинг
– особый вид мониторинга – слежение
за состоянием природных систем, на которые
практически не накладываются региональные
антропогенные воздействия (биосферные
заповедники) Целью базового мониторинга
является получение данных, с которыми
сравниваются результаты, полученные
другими видами мониторинга. 5 импактный
мониторинг – особый вид мониторинга
– проводится в особо опасных зонах, непосредственно
примыкающих к источникам загрязняющих
веществ.
Постановлением Правительства
РФ в ноябре 1993 года в России была создана
Единая Государственная система экологического
мониторинга (ЕГСЭМ). При проведении мониторинга
необходимо решать задачи разного уровня.
Академиком Герасимовым выделено три
таких уровня.