Агрохимия, агропочвоведение и агроэкология: продолжение


АГРОХИМИЯ И АГРОПОЧВОВЕДЕНИЕ и АГРОЭКОЛОГИЯ

Оценка влагообеспеченности агроландшафтов и почв. Понятие о водном балансе.

Влагообеспеченность почв основных земледельческих районов страны уменьшается с севера на юг.

Годовое количество осадков в лугово-лесной подзолистой зоне составляет 650-450 мм, умень­шаясь с запада на восток. Лесостепная зона характеризуется зна­чительно меньшим количеством осадков (550-414 мм), еще мень­ше осадков выпадает в степной зоне (465-374 мм) и зоне сухих степей (360-260 мм). Основные площади посевов находятся в районах с крайне неустойчивой влагообеспеченностью. Прямой такой показатель — запас влаги в почве. Вследствие трудности его определения при отсутствии многолетних рядов наблюдений над влажностью почвы пользуются такими показателями, как: 1) годовая сумма осадков, 2) гидротермический коэффициент или другие характеристики увлажнения, 3) различные эмпирические функции, связывающие осадки, сток, испарение с почвы и транспирацию.

Водный ба­ланс — оценка прихода и расхода влаги в определенном слое по­чвы за конкретный период.

По А. А. Роде, водный баланс выражают следующим уравне­нием:

ВБ = В0+ (Ос + К + ГрП) — (Д + Исп + ПС + ВПС + ГрС),

где ВБ — запас влаги в почвенной толще в конце изучаемого периода; Во — запас влаги в почвенной толще в начале изучаемого периода; Ос — сумма осадков за весь период; К — конденсация за весь период; ГрП — количество влаги, посту­пившей в почву из грунтовых вод (грунтовый приток) за весь период; Д — десукция за весь период (поглощение раст-ми); Исп — физическое испарение за весь период; ПС — поверхно­стный сток за весь период; ВПС — внутрипочвенный боковой сток за весь период; ГрС — грунтовый сток за весь период.

В отдельных случаях некоторые слагаемые водного баланса мо­гут равняться нулю.

Все величины, входящие в уравнение, удобнее всего выражать в миллиметрах водного слоя, как это принято для осадков. Водный баланс можно составлять для любого периода, но чаще всего пользуются годовым водным балансом.

Атмосферные осадки.Количество осадков (жидких и твердых) определяется климатом местности. Однако поступление их в по­чву в значительной мере зависит от растительного покрова.

Поступление влаги из грунтовых вод.При близком стоянии грунтовых вод, когда осуществляется их капиллярная связь с по­чвенным профилем, происходят пополнение запасов влаги и ис­пользование ее растениями. Если он при всех условиях находится значительно ниже почвенного профиля, говорят о собственно грунтовых водах. Почвенно-грунтовые воды характеризуются большей подвижнос­тью уровня, поскольку он зависит от осадков, испарения, десукции, стока и других факторов.

Конденсация.Внутрипочвенная конденсация влаги происходит при охлаждении почвенного воздуха до точки росы. Как составля­ющая водного баланса она может иметь существенное значение при высокой влажности воздуха, значительных перепадах дневной и ночной температур и при высокой фильтрационной способнос­ти почвы, за счет которой конденсирующаяся в ночные часы влага способна проникнуть в глубинные слои почвы и не испариться в течение светового дня.

Испарение и десукция.Под растительным покровом, происходит извлечение влаги из почвы растениями, т. е. десукция.

Часть влаги расходуется из почвы путем физического испаре­ния, минуя растительные организмы. Кроме того, какая-то доля атмосферных осадков задерживается растительным покровом (древесным или травянистым).

На пахотных землях под сельскохозяйственными культурами расход влаги на физическое испарение из почвы может достигать 50 % суммарного испарения. Наибольшего значения физическое испарение из почвы дости­гает на участках, лишенных растительности, например на пашнях в весеннее время, когда посеянные культуры еще не затенили по­чву и не понизили ее влажность путем десукции, и в особенности на участках чистого пара.

Поверхностный сток.Отекание воды с поверхности почвы, т. е. поверхностный сток, наблюдающийся чаще всего во время таяния снега, а также при выпадении обильных летних осадков, зависит от многих причин, в том числе от угла наклона поверхности, ко­личества осадков, интенсивности поступления их на поверхность почвы (т. е. интенсивности дождя или снеготаяния), водопрони­цаемости почвы, которая, в свою очередь, зависит от физических свойств почвы, от ее влажности, а весной — и от степени промер­зания.

Почвенный, или внутрипочвенный бо­ковой, сток развивается на почвах с мощными иллювиальными горизонтами, а также на почвах, сформированных на двучленных наносах, когда верхний слой более легкого гранулометрического состава. В периоды интенсивного поступления влаги в почву над водоупором происходит насыщение ее до полной влагоемкости. Возникает водоносный горизонт, называемый почвенной верхо­водкой. При наличии уклона верховодка начинает стекать в толще верхних надводоупорных горизонтов, образуя почвенный сток.

Грунтовый сток.Часть влаги, поступающей в почву и не израс­ходованной на поверхностный и почвенный стоки, а также на десукцию и испарение, просачивается в материнскую породу. На некоторой глубине она достигает водоупорного слоя.

 

Оценка целесобразности осушительных мероприятий, методы осушения.

Осушение почв является одним из важных приемов по повышению урожаев с/х культур в зонах избыточного увлажненияОбщая площадь осушенных земель в мире составляет более 11 % мировой площади пашни и многолетних насаждений. Необходимость осушения определяется избытком воды и близким уровнем грунтовых вод. При этом нормы и способы осушения зависят от биологических особенностей выращиваемых культур, свойств почв, геоморфологических и гидрологических особенностей территории.

С/х культуры выдерживают как определенный уровень грунтовых вод, так и определенную влажность почв, длительность затопления. Различные с/х культуры выдерживают и определенный период затопления водой (который также зависит от температуры и химического состава вод, фазы развития растений). Так, картофель выдерживает затопление до 6 часов, а бекмания – до 42 дней. При проведении осушения разработаны сроки отвода избыточных вод из корнеобитаемого слоя почвы. Отдельные с/х культуры предъявляют и различные требования к влажности почв, что также является критерием для осушения почв.

Метод осушенияс/х культур – это принцип воздействия на факторы переувлажнения корнеобитаемого слоя.

Способ осушения — это система технических мероприятий, обеспечивающих устранение избыточного увлажнения из метода осушения и требований хозяйственного использования земель.

Способы и предельно допустимые нормы осушения.

Методы осушения зависят от типа питания болот. При атмосферном типе питания обеспечивают ускоренный поверхностный сток; при грунтовым – понижение уровня грунтовых вод; при напорном – снижение напора и уровня напорных вод; при склоновом – перехват потока поверхностных вод; при намывном – ускорение паводкого стока.

Применяют следующие основные методы осушения (Маслов и др.): при атмосферном типе питания – устройство открытой системы каналов, закрытых дрен, кротования, глубокую вспашку и др.; при грунтовом и грунтово-напорном типе – строительство открытых каналов, закрытых дрен и разгрузочных скважин, вертикальный дренаж; при склоновом типе – строительство открытых каналов, противоэрозионные мероприятия на склонах; при намывном типе– строительство дамб, обвалование, регулирование русел рек и речного стока.

Нормы и способ осушения зависят и от типов водного питания. Нормы осушения определяются вводно-физическими свойствами почв. Глубина закладки дрен, расстояние между дренами и расстояние между открытыми осушителями может быть определено по гранулометрическому составу почв. На суглинистых грунтах расстояние между кротовыми дренами принимают около 5 м; на торфяниках с учетом их осушающего и увлажняющего действия – от 5 м в хорошо разложившемся торфе и до 10 м – в слаборазложившемся.

Расстояния между дренами зависят также и от уклона поверхности. Глубина закладки дрен зависит от гранулометрического состава и характера их с/х использования.

 

Пластичность, физическая спелость почв, удельное сопротивление пахоте.

Пластичность– способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Пластичность обусловлена илистой фракцией и зависит от влажности почвы.

Сухая почва пластичностью не обладает; избыточно увлажненная начинает течь и также теряет пластичность. В зависимости от влажности почвы разделяют следующие константы пластичности:

— верхний предел пластичности, или предел текучести, — весовая влажность, при которой стандартный конус под действием собственной массы (76 г) погружается в почву на глубину 10 см.;

— нижний предел пластичности, или предел раскатывания, — весовая влажность, при которой образец почвы можно раскатать в шнур диаметром 3 мм без образования в нем разрывов.

— число пластичности – разность между показателями верхнего и нижнего предела пластичности.

Наивысшее число пластичности (больше 17) имеют глинистые почвы; суглинистые – 7-17; супеси – меньше 7; пески не обладают пластичностью – число пластичности близко к 0.

Качественный состав илистой фракции существенно влияет на пластичность – при низком отношении SiO2: R2O3в иле пластичность проявляется в наибольшей степени. При увеличении содержания обменного натрия пластичность возрастает, а при насыщении почвы катионами кальция и магния и увеличении содержания гумуса – снижается.

Физическая спелость– состояние влажности при котором почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Зависит от механического состава, состава обменных катионов, гумусированности почвы.

Удельное сопротивление пахоте – усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Характеризуется сопротивлением почвы в кг, приходящимся на 1 см2 поперечного сечения пласта почвы, поднимаемого плугом. В зависимости от механического состава, физико-химических свойств почвы, ее влажности и агрохозяйственного состояния удельное сопротивление колеблется в пределах 0,2-1,2 кг/см2. Это важнейшая физико-механическая характеристика почвы. Ее необходимо учитывать при конструировании плугов, составлении норм выработки тракторов, при районировании почвообрабатывающих орудий и тракторов.

Удельное сопротивление зависит от типа почвы, механического состава, характера угодий, влажности почвы.

 Подзолистые и дерново-подзолистые почвы, их агроэкологическая оценка и использование.

П. почвы формируются преимущественно под пологом таежных моховых или мертвопокровных хвойных лесов. Образование профиля связано с развитием процессов оподзоливания (Оподзоливание — кислотный гидролиз первичных и вторичных минералов и вынос продуктов гидролиза за пределы элювиального горизонта или почвенного профиля), элювиально-глеевого процесса и лессиважа (сложный процесс, включающий механическое проиливание, комплекс физико-химических явлений, вызывающих диспергирование глинистых частиц и перемещение их с нисходящим током под защитой подвижных органических веществ, комплексообразование и вынос железа). Почвы, у которых осветленный элювиальный горизонт формируется благодаря лессиважу и поверхностному оглеению называют псевдоподзолистыми. П почвы делятся на 2 подтипа: глееподзолистые и подзолистые. Последние подразделяются на 2 фациальных подтипа: подзолистые умеренно холодные промерзающие и подзолистые холодные длительно промерзающие.

Наиболее распространены роды П почв: обычные - на суглинистых породах, Остаточно-карбонатные, контактно-глееватые - форм. на двучленных породах, иллювиально-железистые- развив. на песчаных породах, иллювиально-гумусовые, слабодифференцированные - на сухих рыхлых песках. Профиль отчетливо дифференцирован по содержанию ила (подзолистый обеднен, а иллювиальный - обогащен). Резкое преобладание первичных минералов. Валовый хим. Состав минеральной части П почв показывает обедненность подзолистого горизонта по сравнению с породой Fe и Al и заметное обогащение кремнеземом.
Повышенное содержание подвижного Fe и Al, Mn,часто в количествах токсичных для с/х растений. Невысокая емкость обмена (небольшое содержание гумуса), низкая насыщенность основаниями, кислая реакция среды (повышенная обменная кислотность) и малая буферность. П - бесструктурные, плотность заметно увеличивается при переходе от верхних горизонтов к нижним. ДП образуются под действием дернового процесса (почвообразовательный процесс, протекающий под воздействием травянистой растительности, приводящий к формирования почв с хорошо развитым гумусовым горизонтом, называется дерновым. Наиболее существенная его особенность - накопление гумуса, питательных веществ и создание водопрочной структуры в верхнем горизонте почвы. В ДП большого количества гумуса не накапливается, так как дерновому процессу противостоит процесс оподзоливания. 
Подтипы ДП:
дерново-палево-подзолистые, ДП умеренно промерзающие, ДП умеренно длительно промерзающие. 
Роды такие же как у П. ДП - кислые. Степень насыщенности основаниями у них выше, чем у П. Обменные основания представлены кальцием и меньше магнием. Количественный и качественный состав гумуса, кислотность и физ-хим свойства в ДП могут сильно варьировать в зависимости от механического, химического и минералогического состава почвообразующих пород, а также от выраженности подзолистого и дернового процессов и окультуренности почв при использовании их вс\х про-ве. ДП бедны валовыми запасами и подвижными формами азота и фосфора. ДП характеризуются непрочной структурой. Процесс почвообразования на пахотных почвах П и ДП приобретает черты сложного элювиально-аккумулятивного процесса. Для окультуривания почв необходимо осуществить комплекс мероприятий: правильная обработка почвы, применение органических и минеральных удобрений, известкование, посев многолетних трав, создание мощного окультуренного пахотного слоя, борьба с избыточным увлажнением, очистка почв от камней, укрупнение пахотных площадей. При планировании мероприятий необходимо учитывать свойства почвы, особенности возделываемых культур и все природные и экономические условия хозяйства.
Наибольшую потребность П и ДП растения испытывают в азотных и калийных удобрений.

 Понятие геохимического ландшафта, классификация. Геохимические барьеры.

Геохимический ландшафтсовокупность сопряжённых элементарных ландшафтов, связанных между собой определёнными условиями миграции химических соеденений.( элементарные ландшафтно-геохимические системы объеденяются в более сложные, называемые каскадными ландшафтными-геохимическими системами.Они могут быть открытыми – с конечным сбросом веществ в моря и океаны или закрытыми – с конечными звеньями каскадной цепи в бессточных впадинах.)

Классификация ландшафтов по геохимической сопряжённости.

По характеру миграции и аккумуляции ве-в выделяют 3 основные категории элементарных геохимических ландшафтов:

1. Элювиальные (автоморфные, автономные) – геохимически независимые ландшафты, характеризующиеся выносом наиболее растворимых и подвижных соединений. Это водораздельные территории, занимающие повышенное положение и отличающиеся независимостью процесса почвообразоавния.

2. Транзитные ландшафты. Это геохимически подчинённые ландшафты, в которых частично аккумулируются некоторые соединения, а наиболее растворимые и подвижные продукты выносятся.Это склоны приводоразделов и повышений. В зависимости от условий стока выделяется трансэлювиальные и трансэлювиально-аккумулятивные ландшафты.

К первым относятся верхние части склонов, на которых сочетается элювиальный вынос в-в по профилю с поверхностным переносом.

Ко вторым относятся нижние части и шлейфы склонов, где перенос в-в по уклону сочетается с их аккумуляцией.

3. Аккумулятивные ландшафты.К ним относятся прилегающие к склонам территории, аккумулирующие поверхностный и грунтовый сток.Для них характерно накопление наиболее подвижных продуктов выветривания и почвообразования, прежде всего водорастворимых солей.

разделяются на супераквальные ( гидроморфные) и субаквальные.

Супераквальные ландшафты формируются в поймах, надпойменных террасах, котловинах с близкими грунтовыми водами .Они подвергаются влиянию стока с водоразделов, нередко затоплению.

Субаквальные ландшафты подразделяются на трансаквальные (реки, проточные озёра) и аквальные (непроточные озёра.)

Из-за разнообразия земной поверхности условия на пути миграции природных потоков очень изменчивы, в результате возникают участки, где подвижность веществ уменьшается и происходит их накопление.Такие участки, зоны гипергенеза, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, приводящее к концентрации химических элементов, называются геохимическими барьерами (ГБ)

3-и типа ГБ: 1.Биогеохимические – являются участками биогенной аккумуляции элементов, необходимых для организмов.Например – растительный покров суши, гумусовые горизонты почв, колонии м/о, осуществляющие процессы преобразования соединений ряда элементов и как следствие, их концентрацию (серобактерии, железобактерии и т.д.)

2. Физико-химические.

— окислительные ( окислительные барьеры возникают на участках смены восстановительных условий окислительными или менее окислит. более окислительным:

— восстановительные ( возникают в тех участках зоны гипергенеза, в частности почвенно-грунтовой толщи, где окислительные условия сменяются восстановительными.

— сульфатный и карбонатный ( возникают в местах встречи сульфатных и карбонатных вод с водами другого типа, содержащими знач. количества Ca, Sr, и Ba. Последние выпадают в осадок в форме сульфатов. );

— щелочной (возникает на участках резкого повышения рН, в частности в местах смены кислых вод нейтральными или щелочными ( или при смене сильнокислой среды слабокислой) с ним связано осаждение большинства тяжелых металлов.Наиболее часто щелочной барьер возникает на контакте бескорбанатных пород с известняками и др. карбонатными породами. );

— кислый ( чаще и резче выражен в местах резкого понижения рН, в частности при смене нейтральной и щелочной реакции на кислую, может возникнуть и в кислом и в щелочном интервале на участках сдвига рН в более кислую сторону.Так например Si из щелочных вод, попадая в воды с кислой средой, выпадает из раствора. );

— испарительный ( возникает на участках сильного испарения подземных и почвенно-грунтовых вод, из которых осаждаются растворённые соли.Так образуются солевые и гипсовые коры и солевые горизонты в солончаках и солончаковых почвах);

— адсорбционный ( возникает на контакте породи почв, богатых адсорбентами, с подземными водами, в растворе которых присутствуют различные ионы.В результате в глинах, торфах углях и других адсорбентах, имеющий отрицательный заряд, возможно накопление различных катионов и анионов.);

— термодинамический (возникает на участке резкого изменения температур или давления, с которыми тесно связан газовый режим вод.Например выпадение из раствора бикарбоната кальция при перемещении почвенных вод из более холодных слоёв в тёплые.)

3. Механические – образуются на участках изменения скорости движения вод ( или воздуха).

 

 

Почвенно-ландшафтная картография для проектирования систем земледелия.

Важнейшая составляющая ландшафтного анализа, а след-но, и картографирования территории – геохимическая характеристика элементарных ландшафтов с использованием системы показателей, отражающих направленность, интенсивность и масштабы геохимических процессов в различных ландшафтах и их элементах (характер и скорость миграции веществ в почве и за её пределы, особенно аккумуляция на геохимических барьерах). Такие динамические показатели могут быть получены только на основе идентификации геохимических потоков и функциональных связей в ландшафтах.

Особую роль в картографировании играют геоморфологические и литологические условия, и не только как факторы дифференциации и индикации почвенного покрова, но и как самостоятельные факторы земледелия.

Переход от картографирования почв к картографированию земель, качественное изменение содержания карт, увеличение их информационной насыщенности обусловливают и смену названия соответствующих карт с «почвенных» на «почвенно-ландшафтные». Почвенно-ландшафтная карта должна иметь отчетливую агроэкологическую направленность, отражая все агроэкологически значимые характеристики. Объектами картографирования являются элементарные ареалы агроландшафта (ЭАА) в их структурно-функциональной иерархии. Они характеризуютя: определенной структурой почвенного покрова (ЭПА или ЭПС), приуроченностью к элементу мезорельефа, типом микрорельефа, почвообразующими породами, элементарным геохимическим ландшафтом, геохимическими барьерами, свойствами почв, микроклиматом, биоценозом. Размеры ЭАА обычно соизмеряемы с размерами элементов мезорельефа или формами микрорельефа.

Почвенно-ландшафтные карты составляют в масштабе 1:10000 и крупнее с показом ЭАА и сопровождают базами данных агроэкологической оценки по каждому ЭАА. Легенду составляют согласно агроэкологической классификации земель. На основе почвенно-ландшафтной карты разрабатывают карту агроэкологических типов земель, используемую вместе с банком данных для проектирования интенсивных агротехнологий и неприемлемо для точных агротехнологий. Перспективы этих работ связаны с использованием ГИС-технологий и формированием агрогеоинформационных систем.

 
 

 

Почвенные условия и устройства гончарного и кротового дренажей. Профилактика закупорки гончарных дрен гидроксидом железа и прогноз устойчивости кротовых дрен.

При осушении земель применяют различные способы удаления избытка влаги из почвы: открытый, закрытый, двустороннего регулирования, беструбчатый и др. При закрытом дренаже используют гончарные, пластмассовые и другие трубы, но в некоторых случаях можно обходиться и без труб (дренаж, заложенный таким образом называется беструбчастым). Беструбчатый (кротовый) дренаж является весьма экономически выгодным способом осушения земель. Кротовый дренаж закладывается дренажным плугом. Нож плуга, закрепленный в вертикальном или слегка наклонном положении с расположенным спереди рыхлителем, протаскивается в почве трактором. За рыхлителем следует конусообразный уширитель. При этом формируется беструбчатая дрена. На торфяных почвах применяют также фрезы и режущие орудия. Кротовый дренаж можно выполнять в минеральных почвах только суглинистого и глинистого механического состава, так как в легких слабогумусированных почвах кротовые дрены не устойчивы и быстро обрушиваются. Закладывать кротовый дренаж следует, как правило, в почвах при влажности, лежащей в интервале пластичности (от нижней границы скатывания почвы в шнур до нижней границы текучести).

Устойчивость и срок службы кротовых дрен определяется рядом факторов, из которых наиболее существенны: генезис почв, механический состав, микроагрегатный и минералогический состав. Срок службы зависит также от влажности почв в Момент создания дренажа. Устойчивость кротовых дрен оценивается с помощью ряда методов на образцах, взятых с глубины закладки дрен. Янерт предложил оценивать устойчивость земляных дрен по степени дисперсности, которая представляет отношение суммы фракций <0,02 мм в процентах к теплое смачивания ( в кал/г).При степени дисперсности менее 8 и теплоте смачивания не ниже 4 кал/г кротовые дрены на протяжении длительного промежутка времени сохраняют устойчивость. С.В. Астапов рекомендовал использовать отношение (Р) суммы частиц 0,005-0,05мм, к сумме тех же фракций, определенных при механическом анализе. При Р<3 почвы пригодны, при Р=0,3-0,7 дрены не устойчивы, Р>0,7 почвы не пригодны для кротового дренажа.

Ф.Р. Зайдельман разработал быстрый и дешевый метод. Метод основан на определении водопрочности почвенных макроагрегатов. Образец почвы массой 300-400 г высушивают и попускают через сито с отверстиями 3 мм. Навеску агрегатов3-5 мм помещают в цилиндрическую металлическую коробку с сеткой в крышке. Далее сетчатую коробку помещают в воду для промачивания агрегатов. Остаток образца переносят на фильтр, высушивают и взвешивают. По массе судят об устойчивости кротовых дрен.

На тех почвах, где невозможно сделать беструбчатый дренаж применяют трубчатый. При трубчатом дренаже применяют разные виды труб, основным является гончарный. Но при таком виде дренажа возникает опасность закупорки дренажной сети соединениями железа. В анаэробных условиях железо активно мигрирует в ионной или в форме органоминеральных соединений. Осаждение охры может происходить в зонах выклинивания грунтовых вод с содержанием железа 6-12 мг/л. В целях своевременной профилактической борьбы необходим всесторонний анализ природных условий объекта осушения и особенно почвенного покрова. Потенциально опасны в этом отношении сильноожелезненные почвы пойменных террас, легкие почвы притеррасных депрессий и склонов с наличием ортзандовых и рудяковых горизонтов. Для предотвращения выпадения в осадок гидроокиси железа необходимо чтобы дренажные линии имели уклон, который бы обеспечивал непрерывный вынос из труб гидрата окиси железа. К профилактическим целям можно отнести добавку в дренажные воды ионов меди, подавляющих жизнедеятельность железобактерий. В зонах распространения грунтовых вод с особо высокой концентрацией закисного железа необходимо применять дренажные трубы большего диаметра, а слабоминерализованные воды отводить за пределы осушаемого массива открытыми ловчими каналами.

 

 Природно-сельскохозяйственное районирование земельного фонда России.

Почвенно-географическое районирование вместе с материалами по земельному учету и по характеристике сельского хозяйства, которые обобщаются статистическими организациями в разрезе административных районов, областей и республик, является основой для разработки природно-сельскохозяйственного районирования земельного фонда СССР (Государственный институт земельных ресурсов, Почвенный институт имени В.В. Докучаева).Природно-сельскохозяйственное районирование земельного фонда входит в состав земельного кадастра и предназначено для качественного учета земель, бонитировки почв, экономической оценки земель и решения многих других сельскохозяйственных вопросов. Основная особенность природно-сельскохозяйственного районирования выражается в том, что границы природно-сельскохозяйственных зон, провинций и округов проводятся частично по границам административных районов, несколько отступая от природных рубежей. Это дает возможность использовать цифровые данные районной статистики. Возникающие при этом небольшие изменения в составе почвенного покрова учитывают при характеристике природно-сельскохозяйственных округов. Земельный кадастр проводится в областных, районных и хозяйственных границах. Эти границы не только административные, но и сельскохозяйственные. В них осуществляется планирование, учет и руководство сельскохозяйственной деятельностью. Поэтому Государственный институт земельных ресурсов вместе с другими учреждениями разрабатывают специальное земельно-кадастровое районирование СССР. Основы земельно-кадастрового районирования – экономические районы Госплана СССР, разделение границами природно-сельскохозяйственных зон на зональные секторы, близкие по своему значению к природно-сельскохозяйственным провинциям и получающие аналогичную агроэкологическую характеристику. В пределах зональных секторов выделяют внутриобластные земельно-кадастровые округа, состоящие из однотипных по природно-сельскохозяйственным условиям административных районов и земельно-оценочные районы, состоящие из однотипных хозяйств, которые используют для проведения бонитировки и экономической оценки земель.

Пояс– Выделяют по температуре

3 пояса: I. Холодный <1600оС

II. Умеренный 1600-4000

III. Теплый субтропический >4000оС

1.Зонапо балансу тепла и влаги по почвам. Выделяют 14 равнинных и 8 горных.:полярно-тундровая

лесотундровая, сев. Таежная

среднетаежная

южно-таежная, лесная

лесостепная

степная

сухостепная

полупустынная

предгорно-пустынная степная

субтропическая пустынная

субтропическая предгорная полупустынно пустынная

субтропическая кустарниково-степная сухолесная

субтропическо влажно лесная

1. ПровинцияПо континентальности климата. (47-равнин, 21 горная)

2. Природно с/х округпо особенностям рельефа и почвообразующих пород (256-равнин, 28-горных).

 

 Причины возникновения водной и ветровой эрозии и меры по их устранению.

Принято различать социально-экономические и природ­ные условия развития эрозии. Активное развитие эрозионных процессов стало прояв­ляться с момента воздействия человека на растительный и почвенный покров в связи с возделыванием сельскохозяйст­венных культур, эксплуатацией лесов, выпасом скота и т. п. К природным условиям, влияющим на развитие эрозии при неправильном хозяйственном использовании земель, относятся климат, условия рельефа, геологическое строение местности, почвенные условия и растительный покров. Из климатических условий наиболее важ­ное значение имеют количество и режим выпадающих осад­ков. Особенно опасны ливневые и затяжные дожди, выпадающие в периоды слабого развития растительности или ее отсутствия на пахотных землях. Большое значение для оценки возможности развития смыва почв от стока та­лых вод имеют учеты запасов воды в снеге, интенсивности снеготаяния, а также состояния почвы к периоду снеготая­ния. Эрозия от талых вод интенсивнее проявляется на не­глубоко оттаявших склоновых землях, когда верхний мало­мощный оттаявший слой, пересыщенный влагой, легко смы­вается по мерзлой прослойке нижележащего горизонта. Дефляции способствует засушливый и континентальный климат. Во влажной почве улучшается противоэрозионная стой­кость почвы, ускоряется рост растений, что способствует более быстрому созданию почвозащитного покрова. Водная эрозия развивается под влиянием вод поверх­ностного стока. Поэтому особое значение в ее развитии име­ют условия рельефа: глубина местного базиса эрозии, крутизна, длина, форма и экспозиция склонов. Смыв почвы возможен уже при уклонах 1,5—2°, а при укло­нах 3° и больше эрозия развивается заметно и тем интенсив­нее, чем круче склон. Поскольку с увеличением длины склона возрастают масса стекающей воды и энергия потока, то, как правило, с увеличением длины склона возрастает опасность смыва поч­вы. При ступенчатом склоне создаются условия для ослаб­ления эрозии, так как участки террас на склоне замедляют сток. Почвы южных склонов обычно более подвержены смы­ву, чем северных. Условия рельефа в горных и предгорных районах (силь­ная расчлененность территории, господство склоновых форм, большая крутизна и протяженность склонов), возможность образования мощных потоков при ливнях и интенсивном снеготаянии, при маломощности смытых почв и близком за­легании плотных пород создают большую опасность эрозии на этих территориях. Дефляция наиболее опасна на равнинных территориях, а также в обширных межгорных и межсопочных доли­нах. Влияние геологического строения тер­ритории: лёссы и лёссовидные отложения легко размываются и спо­собствуют образованию оврагов. Моренные суглинки более устойчивы к смыву, чем покровные суглинки. Флювиогляциальные и древнеаллювиальные отложения, обладая хо­рошей водопроницаемостью, устойчивы против водной эро­зии, но легко подвергаются дефляции. Влияние почвенных условий тесно связано с механическим составом, структурностью, мощностью гумусовых горизонтов, плотностью и влажно­стью верхнего слоя. Почвы, легко впитывающие влагу (структурные, легкие по механическому составу, рыхлые), лучше противостоят водной эрозии. Все факторы, способст­вующие образованию прочной структуры, благоприятст­вуют и противоэрозионной устойчивости почв, а ухудшение структуры снижает противоэрозионную устойчивость.

Бесструктурные почвы с уплотненным верхним гори­зонтом обладают слабой противоэрозионной устойчивостью.

Наиболее устойчивы к водной эрозии черноземы, а наименее — дерново-подзолистые и сероземы. Дефляции легко подвергаются песчаные и супесчаные почвы, а также бесструктурные суглинистые и глинистые почвы при иссу­шении их верхнего горизонта.

Растительный покров выполняет исключи­тельную почвозащитную роль. Чем лучше он развит, тем слабее проявляется эрозия.

Корни растений прочно скрепляют почвенные частицы и, как своеобразная “арматура”, препятствуют смыву, раз­мыву и развеванию почвы.

Наземный полог растений принимает на себя ударную силу дождевых капель, предохраняя тем самым структур­ные отдельности почвы от разрушения их падающими дож­девыми каплями или сильно ослабляя их действие.

Густая растительность резко замедляет скорость по­верхностного стока, способствуя лучшему впитыванию воды, а также задерживает почвенные частицы, смытые с вышележащих участков.

На задернованных участках или покры­тых древесной или кустарниковой растительностью ветро­вая эрозия практически не проявляется.

ДЕФЛЯЦИЯ

Дефляция проявляется в виде пыльных (черных) бурь и местной (повседневной) ветровой эрозии. Местная дефляция может быть в виде верховой эрозии и поземки. При верховой эрозии частички почвы поднимаются вихревым движением воздуха вверх, а при поземке перекатываются ветром по поверхности почвы. Дефляция возникает при разной скорости ветра в зависимости от механического состава и структурности почвы. Чем меньше глинистых частиц и иловатых частиц, тем хуже они противостоят дефляции. Для тяжелых почв решающее значение имеет структурность верхнего слоя. Если большая часть этого слоя состоит из комочкови более 1мм, почва практически не подвергается дефляции.

Защита почв от эрозии включает систему следующих групп противоэрозионных мероприятий: организационно-хозяйственных, агротехнических, лесомелиоративных и гид­ротехнических.

Организационно-хозяйственныемероприятия предусмат­ривают

-обоснование и составление плана противоэрозион­ных мероприятий и обеспечение его выполнения

-подготовку данных, определяющих противоэрозионную устойчивость территории: почвенная карта и картограмма эродированных почв, карта рельефа, пород и т. д.

-разработку плана правильной противоэрозионной органи­зации территории.

Агротехнические ме­роприятия, направленные на увеличение и сохранение вла­ги в почве и обеспечение постоянной защиты ее поверхности растительным покровом от выдувания.

1) плоскорезная вспашка. При такой обработке на поверхности почвы остаются стерня и пожнивные остатки, которые препятствуют сдуванию снега, увеличивают запасы влаги в почве.

2) полосное земледелие, почвоза­щитные севообороты с полосным размещением культур, т. е. чередованием полос однолетних растений с полосами эрозионно устойчивых культур и многолетних трав.

3) сплошное или полосное оставление стерни на высоком срезе, специаль­ные посевы длинностебельных куль­тур (подсолнечник, кукуруза и др.), создание шероховатой поверхности пашни при ее обработке’ и посеве и т. д. Важное значение имеют сжатые сроки посева яровых культур, быстрое появ­ление всходов которых и дружное развитие обеспечивают защиту почв от дефляции.

4) На выгонах и пастбищах необхо­димо строго регулировать выпас, не допуская разрушения дернины.

5) улучшение физических свойств почвы путем применения искусственных структурообразователей.

Лесомелиоративные мероприятиявключают создание лесных защитных насаждений различного назначения:

1) ветрозащитные лесные полосы, создаваемые по грани­цам полей севооборотов, участков многолетних насаж­дений;

2) полезащитные лесные кустарниковые и лесокустарниковые полосы, закладываемые поперек склонов для задержа­ния поверхностного стока;

3) приовражные лесные полосы;

4) лесокустарниковые и кустарниковые насаждения по от­косам и днищам оврагов;

5) водозащитные насаждения вокруг водоемов, по берегам рек, озер, каналов для их защиты от заиления и разруше­ния берегов;

6) сплошное или куртинное облесение сильно эродирован­ных или эрозионно опасных земель, непригодных для сель­скохозяйственного использования (пески, очень крутые склоны и т. п.).

Гидротехнические мероприятияприменяют в тех случа­ях, когда другие приемы не в состоянии предотвратить эро­зию. К ним относятся

1) гидротехнические сооружения, обес­печивающие задержание или регулирование склонового стока: поделка террас с широкими основаниями, валов и канав, различные вершинные сооружения (лотки, водото­ки), останавливающие дальнейший рост оврагов, донные сооружения по руслам и днищам оврагов и ложбин, уст­ройство лиманов и террас, выполаживания откосов овра­гов и др.

Конкретный состав противоэрозионных мероприятий прежде всего определяется особенностями увлажнения тер­ритории, продолжительностью вегетационного периода, ус­ловиями рельефа, преобладающими видами эрозии и направлением использования почв.

В зонах повышенного увлажнения главная роль должна принадлежать фитомелиоративным приемам — по­севам многолетних трав, занятым парам, созданию буфер­ных полос, а также приемам обработки, обеспечивающим безопасный сброс избыточной влаги, и гидромелиоратив­ным приемам.

задержание и поглощение вла­ги, а также лесомелиоративные мероприятия и приемы за­держания снега и регулирование его таяния.

В зонах недостаточного увлажнения — приемы по максимальному накоплению влаги, предотвращению ее не­производительного испарения, улучшению микроклимата. Поэтому здесь усиливается роль контурной и безотвальной обработки, щелевания, минимальной обработки, снегоза­держания, устройства гребневидных террас, лиманов, лес­ных насаждений.

 

Пути и средства оптимизации органического вещества почвы.

Задача оптимизации режима органического вещества почв определяется, с одной стороны, требованиями поддержания определенного уровня плодородия почв с учетом «запросов» растений, а с другой – ограниченными возможностями накопления гумуса. Суть проблемы состоит в том, чтобы установить, до какого уровня будет снижаться содержание гумуса в почве при данной системе её использования, будет ли этот новый уровень оставаться в пределах оптимального, приемлимого для ведения интенсивного и экологически безопасного земледелия. Последнее можно установить, если сравнить равновесный уровень с критическим. При высоких требованиях интенсификации возделывания определенных культур необходимо знать уровни содержания гумуса, обеспечивающие максимальную продуктивность агроценозов. Таким образом, задача заключается в определении оптимального, критического и равновесного уровней содержания органического вещества почвы.

Оптимальные показатели содержания гумуса нужно определять не только исходя из уровня и качества урожая, но и с учетом влияния гумуса на способность почв противостоять техногенным нагрузкам. Признается также необходимым определять оптимальное содержание гумуса для каждой почвы не как единичную (и константную) величину, а как определенный интервал содержания. Показатели оптимальных параметров содержания гумуса должны соответствовать требованиям отдельных культур или групп культур.

Под критическим содержанием гумуса понимают такое содержание, ниже которого существенно ухудшаются свойства почв и их способность противостоять агрогенным нагрузкам.Это происходит при содержании гумуса ниже 1 % для дерново-подзолистых суглинистых почв и менее 2 % для почв черноземного типа.

В качестве наиболее обоснованного критерия оптимизации режима органического вещества почв можно считать содержание лабильного органического вещества (неразложившиеся и полуразложившиеся остатки растений и животных), определяемого в тяжелых жидкостях.

Наиболее перспективный критерий оптимизации режима органического вещества в почве – такое содержание ЛОВ, которое обеспечивает поддержание её оптимального структурного состояния (для суглинистых и глинистых почв).

Современные подходы к управлению режимом орг. вещ-ва должны осн. на признании его ведущей роли в формировании почвен. плодородия, снабжении энергией почвенн. микробиоты и растений, снижении токсических последствий химического загрязнения почв ТМ, радионукл., пестиц., др. токсикантами, повышении устойчивости земледелия при неблагоприятных погодных условиях. Для агрономической оценки орг. вещ-ва гумуса делят на устойчивые (консервативные; входят большая часть гумусовых веществ, частично лигнин, его производные, некот. полисахариды;существуют 1000лет, слабо минерализуются, обуславл. устойчивые свойства, типовые признаки почв) и лабильные (легкоразлагаемые; вкл. низко- и среднемолекулярные углеводы, аминокислоты и пептиды, новообразованные гуминовые и фульвокислоты; легко минерализ. почвенной биотой, служат источниками элементов питания, формир. агрономич. ценную структуру). Превращение поступающего в почву орг. вещ-ва осуществляется в направлении минерализ, гумификации, консервации и образования водорастворимых фракций. Характер его трансф. зависит от соотношения элементарных процессов почвообразования.

Под оптим. содержанием орг. вещ-ва почв в усл. интенсивного земледелия следует понимать такой интервал его содержания (с соотв. качеством), при кот. есть предпосылки для оптим. продуктивности агроценозов, высокого качества продукции, устойчивости земледелия и сопротивляемости почв деградации. Нижняя граница интервала – критич. уровень, ниже – снижение продуктивн., усиление деград. и т.д. Первоочередной задачей оптимизации режима орг. вещ-ва почв явл. регулирование кол-ва и кач-ва лабильного орг. вещ-ва. Задачи оптимизации решают всеми средствами систем земледелия: от оптимиз. использования земельн. ресурсов и противоэрозионной организации территории. Системы земледелия должны строиться так, чтобы воспроизводство гумусане требовало спец. затрат, а явл. следствием мероприятий по повышению продуктивности агроценоза. Важное звено – оптимизация севооборотов. Для обогащения почв орг. вещ- вами применяют сидераты, уплотнительные культуры, донниковый пар, рац. размещ. и использование мн. трав. важная роль в регулировании – у системы обраб. почвы. Замена отвальной вспашки безотвальной, плоскорезной, чизельной, сокращение эрозионных потерь гумуса обеспеч. уменьшение биологических потерь. Примен. минер. удобрений, благодаря увеличению продукции агроценозов, способствует повышению орг. вещ-ва в почвах. При этом наблюдается усиление минерализ. гумуса. Наращивание запасов орг. вещ-ва в почвах с помощью орг. удобрений необходимов той мере, в какой оно повышает урожайность с учетом окупаемости затрат. Использование навоза должно стать важной составляющей системы агропром. производства с рац. размещением и размерами животноводч. ферм. Преимущественно использовать навоз под кормовые, технич., овощные культуры. Пополнение орг. вещ-ва в зерновых расширять за счет использ. нетоварной части урожая.

Количественная оценка конкр.агроприемов по их влиян. на орг. вещ-во должна найти отражение в виде нормативов, разрабатываемых на осн. многолетних полевых экспериментов.

Соотнесенный с оценкой нар.-хоз. эффекта, системный подход к управлению плодородием не имеет ничего общего с экстремальной идеей создания высокогумус. агроземов как главного направл. расшир. воспроизв. плодородия.

 

Система мер по преодолению водной и ветровой эрозии.

Причины появления водной эрозии-сток дождевых и талых вод. Различают поверхностную водную эрозию, при которой происходит смыв почвы, и линейную, приводящую к размыву почвогрунта (оврагообразованию). Противоэрозионные приемы обработки почвы можно раздели на 2 группы: увеличивающие водопроницаемость и фильтрующие воду,создающие на поверхности почвы определенный микрорельеф для задержания стока воды и смыва почвы.Меры по преодолению: Предупреждению водной эрозии должны быть подчинены все мероприятия по обработке почвы весной и в летне-осенний период. Решающее значение имеет система зяблевой обработки почвы, существенно видоизмененная с учетом почвозащитных целей и зональных особенностей.
Важнейшие приемами зяблевой обработки — глубокая вспашка в направлении, перпендикулярном движению воды, вспашка с рыхлением подпахотного слоя и глубокое безотвальное рыхление. Увеличение глубины обработки и использование специальных приемов способствуют лучшему поглощению влаги, снижению поверхностного стока и смыва почвы.

Дефляцией или ветровой эрозией почв называют процесс разрушения почвы, выдувания и отложения продуктов разрушения. Определяют податливость почв дефляции: скорость ветра, степень распыленности и влажности поверхностного слоя, налич. растит. остатков. Осн. районы дефляции – пустыни и степи, реже лесостепь. Разрушению агрегатов способствует попеременное их увлажнение и высушивание, еще больше – промерзание/оттаивание. Наиболее эроз. опасны фракции размером 0,1-0,5мм. Ветроустойчивы частицы >1мм. Устойчивость почвы против дефляции оценивают по комковатости поверхности. Меры преодаления— системы лесных полос в лесостепи. Полосное размещение зерновых и многолетних трав, созд. кустарниковых кулис (Полоса из нескольких рядков специально высеваемых высокостебельных растений, служащая для накопления снега на полях и предохранения посевов от суховеев). Мульчирование поверхн. почвы раст. остатками.используют растительный покров и растительные остатки — стерню, которая связывает почву, снижает скорость ветра, задерживает снег на поверхности почвы и уменьшает глубину ее промерзания. Систе­ма обработки почвы –серия обработок плоскорежущими и другими орудиями, рыхлящими почву и уничтожающими сор­няки с оставлением большей части стерни на поверхности. Для глубокого рыхления (до 27 — 30 см) применяют плоскорезы-глубокорыхлители (КПГ-250, КПГ-2-150, КПГ-2,2), для поверхно­стной обработки — культиваторы-плоскорезы (КПШ-5, КПШ-9, К.ПШ-11), штанговые культиваторы (КШ-3,6А), игольчатые бо­роны (БИГ-ЗА).

 

Сложение почвы и водопроницаемость, их агрономическое значение.

Под сложением почвы понимают-плотность и порозность почвы. Сложение оказывает большое влияние на сопротивление почвы почвообрабатывающим орудиям, на ее водопроницаемость и в значительной степени на глубину проникновения в нее корней растений.

типы сложения почв:

1. Тонкопористое — почва пронизана порами диаметром менее 1 мм.

2. Пористое — диаметр пор колеблется от 1 до 3 мм; пример такого сложени- лесс.

3. Губчатое — в почве встречаются пустоты от 3 до 5 мм;

4. Ноздреватое (дырчатое) — в почве имеются пустоты от 5 до 10 мм.

Подобное сложение , обусловленное деятельностью землероев, характерн для сероземных почв , для известковых туфов.

5. Ячеистое — пустоты превышают 10мм , встречаются в субтропических и

тропических почвах.

6. Трубчатое — пустоты в виде каналов

При расположении пор м/у структурными отдельностями различают типы

сложения почв в сухом состоянии :

1. Тонкотрещиноватое — ширина полостей меньше 3 мм.

2. Трещиноватое — ширина полостей от 3 до 10мм.

3. Щелеватое — ширина полостей больше 10мм.

Степени плотности почв в сухом состоянии:

1)Рассыпчатое сложение – почва обладает сыпучестью

2)Рыхлое сложение – лопата легко входит в почву на полный «штык», почва хорошо оструктурена

3)Уплотненное сложение –почва рассыпается на структурные и механические составляющие

4) Плотное сложение –почва с трудом разламывается руками; в сухом состоянии монолитна, выбивается крупными глыбами, во влажном состоянии – вязкая масса.

5)Очень плотное сложение – почти не поддается копанию лопатой

Сложение почв зависит от ее механического и химического состава и от ее влажности. Это свойство имеет большое практическое значение в сельском хозяйстве и характеризует ее с точки зрения трудности обработки.

Водопроницаемость — это способность почвы впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Первую фазу водопроницаемости характеризует впитывание- свободнее поры последовательно заполняются водой. Движение влаги через почвенные поры, совершенно заполненные ею, характеризует вторую фазу водопроницаемости — фильтрацию. Водопроницаемость почвы изменяется во времени, что связано с насыщением ее водой, набуханием почвенных коллоидов, изменением структурного состояния почвы. При плохой водопроницаемости вода стекает по поверхности, вызывая эрозию. Водопроницаемость зависит от химического и механического состава почвы, ее структурного состояния, пористости, плотности, влажности, температуры воды, используемой для определения водопроницаемости. Водопроницаемость измеряетсяобъемом воды , протекающей через единицу площади поверхности почвы в единицу времени , выражается в мм водного столба в единицу времени. Повышенная минерализация грунтовых во может вызвать при их капиллярном подъеме засоление почв.Песчаные и оструктуренные почвы тяжелого гран состава обладают высокой водопроницаемостью, в то время как слабооструктуренные (солонцеватые) суглинистые и глинистые- низкой.

Почвы, обладающие высокой водопроницаемостью, не способны создать хороший запас влаги в корнеобитаемом слое, а характеризующиеся низкой водопроницаемостью переувлажняются, обусловливают стекание воды по поверхности почвы и развитие эрозии или застаивание воды на поверхности и вымокание посевов.

 

Содержание и принципы организации агроэкологического мониторинга земель.

Агроэкологический мониторинг является важной составляющей общей системы мониторинга и представляет собой общегосударственную систему наблюдений и контроля за состоянием и уровнем загрязнения агроэкосистем (и сопредельных с ними сред) в процессе интенсивной, сельскохозяйственной деятельности.

Основная конечная цель —создание высокоэффективных, экологически сбалансированных агроценозов на основе рационального использования и расширенного воспроизводства природно-ресурсного потенциала, грамотного применения средств химизации и т. д.

Основными блок-компонентами агроэкосистем являются атмосфера, вода, почва, растения. Проведение мониторинга по каждому из этих объектов имеет определенные особенности.

Содержание агроэкологического мониторинга: — сточные и грунтовые воды; — питьевые воды;-выделения;-токсиканты;-корма;-продукты питания.
В задачи агроэкологического мониторинга входят:  организация наблюдений за состоянием агроэкосистем; получение систематической объективной и оперативной информации по регламентированному набору обязательных показателей, характеризующих состояние и функционирование основных компонентов агроэкосистем;  оценка получаемой информации;  прогноз возможного изменения состояния данного агроценоза или системы их в ближайшей и отдаленной перспективе;  выработка решений и рекомендаций; консультации;  предупреждение возникновения экстремальных ситуаций и обоснование путей выхода из них; направленное управление эффективностью агроэкосистем.

Основными принципами агроэкологического мониторинга являются:Комплексность, т.е. одновременный контроль за тремя группами показателей, (показатели ранней диагностики изменений; показатели, характеризующие сезонные или кратко срочные изменения; показатели долгосрочных изменений). Непрерывность контроля за агроэкосистемой, предусматривающая строгую периодичность наблюдений по каждому показателю с учетом возможных темпов и интенсивности его изменений. Единство целей и задач исследований, проводимых разными специалистами (агрометеорологами, агрохимиками, гидрологами, микробиологами, почвоведами и т. д.) по согласованным программам под единым научно-методическим руководством. Системность исследований, т.е. одновременное исследование блока компонентов агроэкосистемы: атмосфера — вода — почва — растение — животное — человек. Достоверность исследований, предусматривающая, что точность их должна перекрывать пространственное варьирование, сопровождаться оценкой достоверности различий. Одновременность (совмещение, сопряженность) наблюдений по системе объектов, расположенных в различных природных зонах.

Структура почвенного покрова и основные критерии ее агрономической оценки.

Структура почвенного покрова— пространственное расположение элементарных почвенных ареалов, в разной степени генетически связанных между собой и создающих определенный пространственный рисунок.

СПП-закономерное пространственное размещение почв на небольших территориях, выявляемое при детальном картографировании их почвенного покрова и образованное многократным повторением одного или нескольких различных основных образующих её элементов — почвенных комбинаций (ПК)

Элементарный почвенный ареал— первичный компонент почвенного покрова, который представляет собой площадь, занимаемую почвой, относящейся к одной классификационной единице наиболее низкого ранга.

Почвенные комбинации (ПК) представляют собой более сложные чем ЭПА единицы СПП и образованы чередующимися в пространстве и в той или иной степени генетически связанными ЭПА.

По происхождению, характеру строения и генетической связи между ЭПА выделяют шесть групп ПК:

Комплексы— обусловлены микрорельефом, в связи с чем движение вещества между залегающими на разных элементах рельефа почвами двустороннее и генетическая связь их обоюдная. Почвы контрастно различаются.

Пятнистости— то же что комплексы, но почвы слабоконтрастны.

Сочетания— обусловлены мезорельефом, обмен веществом между почвами на разных его элементах односторонний: вышезалегающие почвы воздействуют на нижезалегающие, но не наоборот.

Вариации— то же что сочетания, но почвы слабоконтрастны.

Мозаики— обусловлены различиями в почвообразующих породах, их компоненты практически не имеют генетической связи друг с другом, представлены резко контрастными почвами.

Ташеты — представлены слабоконтрастными почвами, не имеющими генетической связи друг с другом, формируются под воздействием биологических факторов, например, смены растительности.

 

Структурное состояние почвы, определяющие факторы и мероприятия по его улучшению.

Под структурой почвы понимаетсяпространственное упорядочивание твердых почвенных частиц и пространств между ними — пор. Способность почвы распадаться на агрегаты называется структурностью, а совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава называется почвенной структурой. Качественная оценка структуры определяется ее размером, пористостью, механической прочностью и водопрочностью.

Агрономическое значение структуры состоит в том, что она положительно влияет на следующие свойства и режимы почв: пористость и плотность сложения (общие физические свойства); связность, удельное сопротивление при обработке и коркообразование (физико — механические свойства); противоэрозионную устойчивость почв; а также на водный, воздушный, тепловой, окислительно — восстановительный, микробиологический и питательный режимы.

Структурная почва обладает хорошей водопроницаемостью. Структура почвы зависит от механического состава, количества находящегося в ней перегноя, а также способности удерживать и впитывать влагу. Структурная почва по сравнению с бесструктурной имеет рыхлое сложение, меньшую плотность и большую пористость. В бесструктурной почве механические элементы лежат плотно, поэтому в ней образуются в основном капиллярные поры.

Структура бывает-глыбистая,комковатая.ореховатая.зернистая.Почвы по структуре бывают-плотные(глинистые),рыхлые((пылящие)-песчаные.

Восстановление и сохранение структуры почвы при ее сельскохозяйственном использовании осуществляется агротехническими методамии путем введения в почву искусственных структурообразователей.

К агротехническим методам улучшения структуры почв относятся: посев многолетних трав, обработка почвы в спелом состоянии, известкование кислых почв, гипсование солонцовых почв, внесение минеральных и особенно органических удобрений. Искусственное оструктуривание почв осуществляется путем введения в них небольшого количества (0,001 % массы почвы) структурообразующих веществ, главным образом состоящих из производных акриловой, метакриловой и малеиновой кислот.

 

 

Элювиальные процессы и их изменения при с/х использовании земель.

 

Оподзоливание– процесс разрушения минералов кислотами в условиях промывного водного режима и выноса продуктов разрушения в нижележащие горизонты и грунтовые воды. Наиболее интенсивно выносятся щелочные и щелочноземельные катионы. Значительная часть освобождающихся соединений железа и алюминия осаждается в иллювиальном горизонте.

Лессиваж– процесс перемещения глинистых частиц без разрушения под действием нисходящих токов влаги. В «чистом» виде лессиваж – сбалансированный элювиально-иллювиальный процесс: вынос ила из элювиальных горизонтов соответствует его накоплению в иллюв горизонтах. В последних фиксируется ориентированная глина – глинистые частицы, расположенные по направлению вертикальных ходов, пор, трещин. Важный признак – однородность валового состава илистой фракции по профилю почвы.

Элювиально-глеевый процесс– формирование осветленного элювиального горизонта при сочетании временного поверхностного переувлажнения и оглеения с промыванием и выносом продуктов разрушения, или сегрегацией. Для предотвращения необходимы улучшение дренированности и известкование.

Альфегумусовыйпроцесс – мобилизация железа и алюминия минеральных пленок кислыми гумусовыми веществами с выносом аморфных оксидов алюминия и железа вместе с гумусом.

Осолодение– разрушение минеральной части почвы щелочными р-рами с накоплением остаточного аморфного кремнезема. Обменный натрий вытесняется протоном , в результате чего в элювиальной части профиля (гор А1 и А2) отмечается кислая реакция, а в иллювиальной – щелочная. Процесс осолодения часто развивается при орошении почв, содержащих обменный натрий, и приводит, в частности, к резкому увеличению подвижности орг в-ва и его потерям в ходе нисходящей миграции, к ухудшению водно-физических свойств почв. Преодоление осолодения связано не только с регулированием водного режима, но и с вытеснением из ППК натрия и водорода кальцием мелиорантов.

 Основные представления об экологии. Базовые экологические понятия и термины. Законы экологии.

Экология — наука о взаимодействии организмов между собой и с окр средой (Ойкос – др гр – место пребывания человека). В сер 20 в наука о биосфере и экосистемах. Экосистема и биосфера – высшие уровни организации живого на Земле, способны к саморегуляции, т е к самосохранению, поддержанию видового состава, воспроизведению связей между отдельными видами. Осн понятия – антропогенная среда природная среда, измененная человеком, среда обитания – часть природной среды, окружающая живые организмы, с которой они взаимодействуют, экологический фактор – элемент окружающей среды, положительно или отрицательно воздействующий на живые организмы, который при своем изменении вызывает у организмов ответные приспособительные эколого-физиологические изменения, наследственно закрепляющиеся в процессе эволюции,окружающая среда – вещество, энергия и пространство, окружающие живые организмы и воздействующие на них, природная среда – совокупность природных абиотических и биотических факторов по отношению живых организмов независимо от контактов с человеком. Законы: Барри Коммонер – 1966 г: все связано со всем, все должно куда-то деваться, ничто не дается даром, природа знает лучше . Закон оптимума — любой экологический фактор имеет пределы положительного влияния на живые организмы. Закон экологической индивидуальности видов — был сформулирован в 1924 г. русским ботаником Л.Г. Раменским: экологические спектры (толерантность) разных видов не совпадает, каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям. Закон лимитирующего фактора — наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения. Закон был установлен в 1905 г. английским ученым Блеккером. Закон неоднозначного действия — действие каждого экологического фактора неоднозначно на разных стадиях развития организма – для головастика вода нужна, для лягушки нет. Закон взаимодействия экологических факторов— оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору могут смещаться в зависимости от того, в сочетании с какими другими факторами осуществляется воздействие, учитывается в сх для поддержания оптимальных условий жизнедеятельности культурных растений — при угрозе заморозков на почве в ср полосе в мае растения обильно поливают.

(1866-1903 – анализ окружающей среды химическими, физическими и биологическими методами, 1904-1958 – анализ экологии отдельных видов животных и растений, 1959 – 1974 – изучение экосистем, 1975 – настоящее время – профилизация. Парадигма – пример, образец – система понятий, выражающая черты действительности или модель постановки постановки проблем и их решения. Три экологических парадигмы – аутэкологическая – условия среды определяют встречаемость и жизнедеятельность организмов, синэкологическая – взаимодействие организмов и популяций определяет встречаемость и жизнедеятельность организмов, системная – организмы и окружающая среда образуют экосистему в которой организмы влияют на среду, а среда на организмы. На современном этапе — варианты системной парадигмы – компонентный – компоненты биоценоза или биосферы, биогеоценотический – взаимодействие между собой и друг с другом, геоструктурный – природные компоненты в системной связи друг с другом и с человеческим обществом и с космической средой, биоцентрический – биотическая авторегуляция, как механизм состояния и саморазвития биотического комплекса, антропоцентрический – человек и общество составная часть биосферы). Две основные особенности системной парадигмы экологии по Соловьеву В.А. – единый подход к изучению природных комплексов и применение математических методов к экологическим объектам. Современный этап – биоэкология – взаимоотношения живых систем, геоэкология – динамика и взаимодействие геосфер, прикладная – принципы охраны природы.

 

Ключевые задачи и объекты экологии. Современные представления о структуре экологии. Особенности биоэкологии и агроэкологии.

 

Экология является теоретической базой охраны природы и изучает различные закономерности и законы при взаимодействии организмов и окружающей среды. Структура экологии:

1) Аутэкология изучает экологию особей, то есть взаимодействие организмов с окружающей средой

2) Демэкология — экология популяций, их взаимоотношение с окружающей средой

3) Синэкология — экология сообществ, их взаимоотношение с окружающей средой

4) Экосистемная экология — изучает взаимоотношение сообществ с абиотической внешней средой.

Основные задачи экологии:

1) Разработка теорий функционирования систем

2) Оценка воздействия на структурно-функциональную организацию и динамику систем (всех иерархических уровней) внешних факторов, в том числе и антропогенных

3) Разработка теоретических основ конструирования устойчивых биогеоценозов с использованием моделирования и компьютеров

4) Разработка системы естественных тестов-индикаторов и критериев к наблюдениям за состоянием ЭС

5) Управление природными ресурсами

Объектами исследования экологии: являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы) и их динамика во времени и пространстве. Биоэкология – отношение живых организмов между собой и окружающей средой. Агроэкология – взаимодействие человека с окружающей средой в процессе сх производства, влияние сх на природные комплексы и их компоненты, взаимодействие компонентов агроэкосистем и круговорот веществ в них, перенос энергии и функционирование в условиях техногенных нагрузок.

 

Взаимодействие экологии, почвоведения и агрохимии. Экологическое почвоведение. Экологические основы агрохимии.

(Экология почв или интегральная экология почв — междисциплинарное научное направление, изучающее весь спектр участия различных факторов почвообразования в формировании, динамике и эволюции почв и всю совокупность экологических функций почв с ответным воздействием на почвообразователи и поддержанием их функционирования и развития. А также разрабатываемое на их основе учение о сохранении почв. Основные направления и задачи экологии почв- работы по биогеоценотическим и глобальным функциям почв, имеющие принципиальное значение не только для дальнейшего развития науки о почве, но и для всесторонней разработки учения о взаимосвязи и динамике приповерхностных геосфер, а также создания научно обоснованной системы рационального использования и охраны природных ресурсов. Анализ функций почв в экосистемах и биосфере позволяет поставить исследования взаимодействий почв и факторов среды в качестве особой проблемы и вести ее разработку на уровне изучения не только прямой, но и обратной связи. Исследуя общую экологическую роль почв и различные виды их влияния на атмосферные, гидрологические, биотические и другие компоненты экосистем биосферы, мы тем самым изучаем ответное воздействие самой почвы на факторы почвообразования. Однако проблема экологических функций почв шире и глубже анализа обратной связи в системе почва—факторы. Данная проблема охватывает дополнительный ряд не менее важных вопросов, касающихся, в частности, изучения внутренней жизни и функционирования почвенных систем в их взаимодействии со всеми звеньями природных комплексов. Почва оказалась планетарным узлом экологических связей с многочисленными глобальными функциями, деградация которых чревата для цивилизации самыми тяжелыми последствиями. Научные основы сохранения почв возникли как продолжение учения о экологических функциях почв, но имеют существенное отличие от охраны почв в традиционном ее понимании.

Это отличие заключается в более широком функционально-экологическом подходе к проблеме сбережения почв и почвенного покрова. Если раньше охрана почв сводилась в основном к защите их от факторов разрушения (эрозии, дефляции, химического загрязнения и др.), то теперь она рассматривается лишь как важнейшая часть полнокомплексной системы сбережения почв в полном объеме — защита почв от прямого уничтожения и полной гибели, что предполагает ограничение отведения новых земель для строительства различных объектов, а также разрушающих военных испытаний и свалок, ограничение и запрещение открытых разработок полезных ископаемых, максимальное использование для промышленных и других объектов ранее выведенных их биосферы территорий и их участков. Другие блоки почвосохранения включают в себя защиту освоенных почв от качественной деградации, предотвращение негативных структурно-функциональных изменений освоенных почв, восстановление деградированных освоенных почв, сохранение и восстановление естественных почв как компонента биосферы. Указанный почвоохранный функционально-экологический биосферный подход, вытекающий из учения о почвенных экофункциях, знаменует собой важный прорыв в интеграции не только концептуального, но и прикладного знания и заставляет по-новому оценить всю природоохранную проблематику, поскольку в ней в связи с реализацией данного подхода появилась в качестве важнейшей составляющей особая охрана и Красная книга почв. Отставание развития особой охраны почв обусловлено рядом причин и прежде всего преобладанием утилитарной трактовки почвы в основном как объекта сельскохозяйственного процесса, главное назначение которого — получение урожая за счет обеспечения растений почвенными питательными веществами. Но начиная с 70-х годов такое понимание почвы не могло считаться удовлетворительным в связи с выходом публикаций по биогеоценотическим и биосферным функциям почв. Экофункции почв — Регулирование биогеохимических циклов элементов в биосфере. Регулирование состава атмосферы и гидросферы. Регулирование биосферных процессов. Накопление специфического органического вещества и энергии. Сохранение биологического разнообразия.

 

Окружающая среда. Экологические факторы. Основные факторы агрогенной и техногенной деградации экосистем.

(окружающая среда – вещество, энергия и пространство, окружающие живые организмы и воздействующие на них как положительно, так и отрицательно. Экологический фактор – элемент окружающей среды, положительно или отрицательно воздействующий на живые организмы, который при своем изменении вызывает у организмов ответные приспособительные эколого-физиологические изменения, наследственно закрепляющиеся в процессе эволюции. Классификация экофакторов — по происхождению – абиотические, биотические, природно-антропогенные, антропогенные, по среде возникновения (атмосферные, водные, орографические, эдафические, физиологические, популяционные, экосистемные, биосферные), по степени воздействия (летальные, экстремальные, лимитирующие, беспокоящие, мутагенные, тератогенные), по времени (эволюционные, исторические, действующие), по характеру действия (геофизические, географические, биогенные, биотические, эволюционные). абиотические – климатические, эдафические или почвенно-грунтовые – гранулометрический и химический состав почвы, ее физические свойства, орографические — условия рельефа. Биотические факторы – фитогенные – симбиоз, паразитизм и зоогенные – поедание, вытаптывание, опыление). Агрогенная деградация экосистем — переуплотнение, подкисление реакции, поступление к поверхности токсичных солей. Техногенная деградация экосистем — тяжелыми металлами, углеводородами, ядохимикатами, радионуклидами и пр.) — резкое изменение состава почвенных мигрантов и почвенного поглощающего комплекса и влияют на качественный и количественный состав почвенной биоты, вплоть до ее частичного или полного уничтожения. При этом трансформация вещественного состава почв может не вызывать изменения морфологического строения почвенного профиля. Чрезвычайно жесткая и продолжительная химическая агрессия на почву приводит к проявлению не только химического загрязнения, но и процессов химической трансформации морфологического строения почв, вплоть до стирания природных и образования новых техногенных горизонтов. Химическая трансформация может приводить к формированию горизонтов и новообразований, характерных для почв, формирующихся в иных природных условиях. Результатом названных процессов являются химически загрязненные и химически преобразованные почвы.

Природная среда и закономерности действия экологических факторов. Лимитирующие экологические факторы.

Природная среда – совокупность природных абиотических и биотических факторов по отношению к живым организмам вне зависимости от контактов с человеком, включает географическую оболочку, биогенную среду и абиотическую среду. Каждый фактор имеет пределы положительного влияния на организмы. Каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других. Так, температура воздуха от +40 до +45 °C у холоднокровных животных сильно увеличивает скорость обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение. Для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания половых продуктов, неблагоприятна для икрометания, которое происходит при другом температурном интервале. Степень выносливости, критические точки, оптимальная и пессимальные зоны отдельных индивидуумов не совпадают. Эта изменчивость определяется как наследственными качествами особей, так и половыми, возрастными и физиологическими различиями. Степень выносливости к какому‑нибудь фактору не означает соответствующей экологической валентности вида по отношению к остальным факторам. Например, виды, переносящие широкие изменения температуры, совсем не обязательно должны также быть приспособленными к широким колебаниям влажности или солевого режима. Эвритермные виды могут быть стеногалинными, стенобатными или наоборот. Экологические валентности вида по отношению к разным факторам могут быть очень разнообразными. Это создает чрезвычайное многообразие адаптации в природе. Набор экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектрвида. Несовпадение экологических спектров отдельных видов. Каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям. Даже у близких по способам адаптации к среде видов существуют различия в отношении к каким‑либо отдельным факторам. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому‑либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия факторов. Например, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания значительно выше при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое экологическое воздействие. Наоборот, один и тот же экологический результат может быть получен разными путями. Например, увядание растений можно приостановить путем как увеличения количества влаги в почве, так и снижения температуры воздуха, уменьшающего испарение. Создается эффект частичного взаимозамещения факторов. Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Полное отсутствие воды или хотя бы одного из основных элементов минерального питания делает жизнь растения невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий. Крайний дефицит тепла в полярных пустынях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью.

 

Классификация и свойства экологических систем. Оценка экологической функции продуцентов, консументов и редуцентов. Трофические связи.

Экологическая система — единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты соединены между собой причинно-следственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии.

Различают:

— микроэкосистемы, обычно составляющие индивидуальные консорции;

— мезоэкосистемы;

— макроэкосистемы.

Для естественной экосистемы характерны три признака:

1) экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

2) в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3) экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.

Фотосинтезирующие растения (продуценты), используя солнечную энергию, создают из углекислого газа и воды органическое вещество, другие его потребляют (консументы), третьи – разлагают органику до простых неорганических соединений и элементов, например, на СО2, NО2 и Н2О (редуценты). Солнечная энергия через растения как бы передается от организма к организму, образуя пищевую, или трофическую цепь. Продуценты, или автотрофы – это первый трофический уровень в пищевой цепи. К ним относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии. Консументы, или гетеротрофы – потребители готовых органических веществ. К ним относятся все животные и человек, насекомые, грибы и др. организмы. Гетеротрофы, потребляющие только растительную пищу – травоядные (корова, лошадь), или консументы 1 порядка или второй трофический уровень, питающиеся только мясом других животных — плотоядные, или зоофаги (хищники) – консументы 2 порядка, или третий трофический уровень, а также потребляющие и то и другое — «всеядные», или эврифаги (человек, вороны. медведь) – консументы 3 порядка или четвертый трофический уровень. Гетеротрофы, питающиеся отмершей органикой, называтся сапротрофами (например, грибы) а способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей – паразиты (например, клещи). Редуценты, или деструкторы – восстановители. Возвращая биогенные элементы из отмерших организмов снова в почву или в водную среду, они, тем самым, завершают биохимический круговорот вещества. Это бактерии, большинство разных микроорганизмов и грибы. В зависимости от среды обитания микроорганизмы и бактерии подразделяют на аэробные, т. е. живущие при наличии кислорода, и анаэробные – живущие в безкислородной среде. К редуцентам можно отнести и насекомых-сапротрофов, играющих большую роль в процессах разложения мертвой органики и почвообразовательных процессах. Функционально редуценты это те же самые консументы, поэтому их часто называют микроконсументами. От каждого предыдущего уровня до следующего доходит лишь 10% энергии, поэтому функциональные взаимосвязи, т. е. трофическая структура и представляется в виде пирамиды. Основанием экологических пирамид служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.

Три основных типа построения экологических пирамид:

1) пирамида чисел (пирамида Элтона), отражающая численность организмов на каждом уровне;

2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества (вес, калорийность и т. д.);

3) пирамида продукции (или энергии), показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последующих трофических уровнях.

В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомассы: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников.

 

Учение о биосфере и этапы ее развития. Основные источники зарождения жизни на земле. Дивергентная и конвергентная эволюция биоты. Эволюция педосферы и биокосных тел.

Под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности первое упоминание о геохимических идеях – 19 в Ламарк, 1863 – Э.Реклю – область распространения жизни на земной поверхности, 1875 год Э.Зюсс – особая оболочка земли, со всей совокупностью организмов, 1926 — Вернадский – определил пространство Земли, охватываемое биосферой – вся гидросфера, верхняя часть литосферы до 2-3 км, и нижняя часть атмосферы, до тропосферы, ввел понятие живое вещество как совокупность микроорганизмов, водорослей, грибов, растений, животных. Живое вещество по Вернадскому – это биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется окружающая среда и сами живые организмы. Во всём процессе Э. б. и в каждом из периодов различают конвергентные и дивергентные стадии. В результате конвергентной стадии свойства живых объектов становятся одинаковыми (стадии образования единого кода и формирования вида). В дивергентной стадии вид расщепляется, т. е. из одной популяции образуются две (или более) различающиеся по свойствам популяции (стадии образования первичных гиперциклов, появления многообразия живых объектов, зарождения новых видов при освоении новой экологич. ниши, в частности новых источников питания и энергии). В процессе дивергентной стадии численность нового вида возрастает экспоненциально, затем рост прекращается, в конвергентной стадии численность постоянна. По исчерпании ресурсов экологич. ниши численность резко падает и часто вид исчезает; кривая зависимости численности от времени называется логистической. Переход от дивергентной фазы к конвергентной совершается быстро и сопровождается большими флуктуациями. Математическое моделирование переходных процессов в Эволюции биоты показывает, что часто они носят характер катастрофы. Роль почвы в развитии биосферы: Буфер, обеспечивающий устойчивость существования биогеноценоза; Фильтр, участвующий в регулировании состава природных вод и почвенного воздуха; Аккумулятор энергии (гумусообразование) и химических элементов (биогенное накопление); Биопротектор, связывающий часть загрязняющих веществ путем перевода их в недоступные для живых организмов формы; Источник информации о геохимических процессах в прошлом и настоящем. Эволюция почв и почвенного покрова: хронология появления и развития отдельных типов почв, общие закономерности эволюции педосферы. Онтогенез и филогенез почв, полигенетичность почв. Понятия: «почва — память», «почва — отражение», «почва – момент.

 

Глобальные экологические проблемы и принципиальные подходы к их разрешению. Антропогенные изменения педосферы. Антропогенное опустынивание.

Главная область беспокойства — сельское хозяйство, где возможность временно поправить ситуацию посредством внесения удобрений и пестицидов, введение искусственного полива, или же использование новых машин может временно отложить или скрыть наступающий кризис. С одной стороны, технологические вложения, лишь временно замещающие естественные факторы плодородия почв, приносят с собой ряд геоэкологических проблем. С другой стороны, сами эти технологические вложения есть продукт экологически неблагополучной промышленности или энергетики. В результате сельское хозяйство, играющее столь большую роль в трансформации экосферы, экологически весьма неустойчиво. Тревожное состояние ресурсной базы сельского хозяйства можно видеть в большинстве стран мира, от самых богатых и развитых до наиболее обнищавших. Казалось бы, можно полагать, что сельское хозяйство США — это блестящая демонстрация того, что может быть достигнуто при весьма благоприятных природных условиях, умелых, трудолюбивых и предприимчивых фермерах, значительных вложениях со стороны науки и техники в виде постоянно совершенствующихся машин, химикалиев, семян и пр. и благоприятной ситуации на мировом рынке сельскохозяйственных продуктов. И действительно, успехи весьма впечатляющие. Но нужно также помнить, что успехи американского сельского хозяйства идут во многом за счет потерь почвенных ресурсов, то есть вследствие его геоэкологической неустойчивости. Известно, что половина толщины почвенного слоя штата Айова исчезла за последние 150 лет. Говорят, что один мешок произведенного зерна кукурузы в этом штате уносит с собой вследствие эрозии два мешка почвы. Поэтому достижения в земледелии Айовы все более основываются на технологии и все менее на естественном плодородии почв. Но если столь значительная степень деградации характерна для штата и страны, располагающих высококлассной Службой охраны почв, то что говорить о большинстве стран? Выше приводился пример Индонезии, где весь прирост сельского хозяйства происходит из-за потери плодородия почв, и это не самый худший пример. Об антропогенной деградации почв России и бывшего СССР уже говорилось. Четыре самые крупные сельскохозяйственные страны мира, США, Китай, Индия и бывший СССР, используют несколько меньше половины пахотных земель мира, но потери от эрозии и засоления почв превышают 50% общемировых потерь. Геоэкологическая неустойчивость агроэкосистем отмечается на всех иерархических уровнях. Существует очень много примеров деградации почв на уровне поля вследствие эрозии, засоления, загрязнения, уплотнения почв. На уровне водосбора проявляются в основном проблемы химического характера, такие как увеличивающийся транспорт растворенных солей реками или рост концентрации нитратов в источниках водоснабжения. На глобальном уровне — нарушения, в основном, в социально-экономической сфере, но природные процессы также испытывают неблагоприятные воздействия. Например, животноводство Нидерландов в значительной степени зависит от производства корнеплодов (ямса, маниоки и пр.) в странах юго-восточной Азии, таких как Индонезия или Таиланд. В результате усиливается разрушение ресурсной базы в странах-производителях маниоки вследствие, например, эрозии почв, и возрастает загрязнение воды и почвы в Нидерландах вследствие избытка навоза, превышающего естественную способность его переработки на голландской территории. Несмотря на продолжающееся ухудшение ресурсной базы сельского хозяйства, растущее население мира должно быть обеспечено питанием. Необходим переход к экологически устойчивому сельскому хозяйству.

Стратегия перехода — эффективное управление численностью населения, оптимизация качества питания взамен максимизации объема производства, устранение или снижение государственных субсидий сельскому хозяйству, экологически благоприятные методы ведения хозяйства. Они основаны на минимизации чуждых для природы агротехнических приемов, таких как применение пестицидов или минеральных удобрений. Это так называемое органическое земледелие. Его также называют биологическим, или экологическим (organic, biological, ecological farming). В среднем такой метод ведения хозяйства приносит меньшие урожаи, но их продукты отличаются высокими питательными качествами. Вследствие более высоких цен на такие продукты органическое земледелие может приносить не меньше дохода, чем высокотехнологичное сельское хозяйство. Однако доля площади, обрабатываемой с применением органического земледелия, не превышает нескольких процентов даже в передовых странах. При этом отмечается определенная, хотя и слабая, тенденция к росту. В качестве переходной, или компромиссной стратегии можно рассчитывать на снижение количества вносимых химических веществ (удобрений и пестицидов), более эффективное их применение, более эффективное управление оросительными системами, разумное ограничение в строительстве новых оросительных систем, применение менее тяжелых машин за более короткое время и пр. В Нидерландах за 10 лет (1983-1993 гг.) уровень применения минеральных удобрений сократился на 47%, оставаясь при этом все же очень высоким (560 кг/га). При высоком уровне применения удобрений растения слабо реагируют на сверхвысокие дозы, и потому экономичнее снизить интенсивность применения удобрений, получив в то же время несколько более низкий урожай. Меньшая масса применяемых удобрений приводит также к снижению уровня загрязнения окружающей среды (воды и почвы). От этой стратегии еще очень далеко до органического земледелия, но тенденция эта правильная, и она характерна для большинства развитых стран. Человечество достигло многого в производстве продуктов питания. Но цена была столь высока, что пришлось занимать ресурсы у внуков. Больше занимать нельзя. Более того, пришло время отдавать, и единственный путь к этому — общемировая трансформация сельского хозяйства в духе концепции устойчивого развития).

 

Функционально-компонентный анализ зональных экосистем и агроэкосистем. Регионально-топологические формы экосистем и агроэкосистем.

По размерности геосистемы в первом приближении делятся на локальные (топологические), региональные и глобальные. В общем виде экосистемыподразделяются на естественные (луг, тундра, пустыня, лес, озеро, море, океан) и искусственные (город, агроэкосистема, аквариум, космический корабль). По структурным признакам: наземные, пресноводные, морские. Согласно почвенно-экологическому зонированию выделяют: — зона использования земель в режиме сохранения. Режим сохранения предполагается для регионов, почвенный покров которых несет основную функциональную нагрузку в поддержании исторически сложившихся круговоротов веществ и энергии в биосфере. Это особая форма эксплуатации, направленная на сохранение экологических функций почв. — Зона экономически целесообразного использования земель. К этой зоне относятся территории, почвенный покров которых состоит из почв второй группы. Землепользование на данной территории должно быть организовано лишь с учетом анализа пригодности почв под желаемые, экономически допустимые и экологически разумные виды использования.

-Зона экологически адаптивного использования земель. Эта зона объединяет почвы третьей группы (с измененными ландшафтосберегающими функциями). При организации землепользования в пределах данной зоны также необходим учет пригодности почв под конкретные виды использования, но при этом, должен учитываться и факт экологической важности почв для ландшафта в целом. Это выражается в наличии определенных дополнительных ограничений на использование земель. Некоторые виды использования земель являются запрещенными для данной зоны в связи с тем, что подобное землепользование может функций почв и, соответственно, к неконтролируемым изменениям иных компонентов ландшафта.

-Зона использования земель в режиме восстановления. Данная зона включает почвы четвертой группы, которые обладали общебиосферными и/или ландшафтосберегающими функциями, но в результате нерационального использования они были нарушены, либо утрачены. Землепользование на данной территории должно быть организованно таким образом, чтобы придать почвам тренд к восстановлению их экологических функций.

 

 

 Правило экологического оптимума. Точки экстремума. Зоны пессиума. Правило экологического индивидуализма, экологическая толерантность.

Правило оптимума. В соответствии с этим правилом для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения, переходящие в критические точки, за которыми существование невозможно). К зоне оптимума обычно приурочена максимальная плотность популяции. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковы. Для одних они имеют значительный диапазон. Такие организмы относятся к группе эврибионтов (греч. эури — широкий; биос — жизнь). Организмы с узким диапазоном адаптации к факторам называются стенобионтами (греч. стенос — узкий). Важно подчеркнуть, что зоны оптимума по отношению к различным факторам различаются, и поэтому организмы полностью проявляют свои потенциальные возможности в том случае, если весь спектр факторов имеет для них оптимальные значения. Диапазон значений факторов (между критическими точками) называют экологической валентностью. Синонимом термина валентность является толерантность (лат. толеранция — терпение), или пластичность (изменчивость). Эти характеристики зависят в значительной мере от среды, в которой обитают организмы. Если она относительно стабильна по своим свойствам (малы амплитуды колебаний отдельных факторов), в ней больше стенобионтов (например, в водной среде), если динамична, например, наземно-воздушная — в ней больше шансов на выживание имеют эврибионты. Зона оптимума и экологическая валентность обычно шире у теплокровных организмов, чем у холоднокровных. Надо также иметь в виду, что экологическая валентность для одного и того же вида не остается одинаковой в различных условиях (например, в северных и южных районах в отдельные периоды жизни и т.п.). Молодые и старческие организмы, как правило, требуют более кондиционированных (однородных) условий. Иногда эти требования весьма неоднозначны. Например, по отношению к температуре личинки насекомых обычно стенобионтны (стенотермны), в то время как куколки и взрослые особи могут относиться к эврибионтам (эвритермным), наименьшее допустимое значение данного фактора – пессимум, нижний предел выносливости. Наивысшее допустимое значение фактора – максимум. Заключенный между пессимумом и максимумом диапазон изменчивости – пределы выносливости – валентности.

Правило взаимодействия факторов.Сущность его заключается в том, что одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов.

Правило лимитирующих факторов.Сущность этого правила заключается в том, что фактор, находящийся в недостатке или избытке (вблизи критических точек) отрицательно влияет на организмы и, кроме того, ограничивает возможность проявления силы действия других факторов, в том числе и находящихся в оптимуме.

 

Экологическая пластичность, экологическая валентность. Механизмы гомеостаза и гомеокинеза. Отрицательные обратные связи. Дублирование связей.

Пластичность – способность к приспособлению.

Валентность – зависимость действия фактора от его интенсивности, определяет степень адаптивности вида.

Гомеостаз – поддержание оптимальной в данных условиях численности, через взаимоотношения особей. Гомеостаз популяции – поддержание пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. Гомеостаз экосистем – наиболее устойчивые формы взаимодействия между видами, приспособленность к особенностям среды и поддержание циклов круговорота биогенов. В гомеостазе выделяют выносливость – способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы, и упругость (резистентность, сопротивляемость) – способность самостоятельно быстро возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого. Гомеостаз обеспечивается механизмами регулирования, действующими по принципу обратной связи. Обратные связи – положительные (создание материально-биологических ресурсов и отрицательные – расходование ресурсов на синтез и процессы жизнедеятельности). Отрицательные обратные связи регулируют состав, численность и продуктивность живых компонентов экосиситем или биогеоценоза, поддерживая видовые популяции на определенном уровне численности, создавая предел безграничному увеличению этого уровня. Положительная обратная связь ведет к усилению процесса в одном направлении. Пример ее — заболачивание территории, например, после вырубки леса. Снятие лесного полога и уплотнение почвы обычно ведет к накоплению воды на ее поверхности. Это, в свою очередь, дает возможность поселяться здесь растениям-влагонакопителям, например сфагновым мхам, содержание воды в которых в 25-30 раз превышает вес их тела. Процесс начинает действовать в одном направлении: увеличение увлажнения — обеднение кислородом — замедление разложения растительных остатков — накопление торфа — дальнейшее усиление заболачивания. Отрицательная обратная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действия элемента А увеличивается противоположная по направлению сила действия элемента В. Такая связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия. Это наиболее распространенный и важный вид связей в природных системах. На них прежде всего базируется устойчивость и стабильность экосистем. Пример такой связи — взаимоотношение между хищником и его жертвой. Увеличение численности жертвы как кормового ресурса, например полевых мышей для лис, создает условия для размножения и увеличения численности последних. Они, в свою очередь, начинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают ее численность. В целом численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определенных границах. Дублирование связей – максимально полно провести и использовать поток энергии, стабилизировать биоценоз в меняющихся условиях существования. Гомеокинез– подвижное равновесие – биотическое равновесие сохраняется вопреки колебаниям среды, но при воздействии необычных факторов структурно изменяется с переносом точки опоры на другие растительные компоненты.

 

Экологические ниши. Адаптивные способности растений, животных и микроорганизмов к проживанию в условиях различного влагообеспечения.

Под экологической нишей понимают обычно место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности, или, как говорят, жизненный статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени и способам питания, местам размножения, укрытий и т. п. Если организмы занимают разные экологические ниши, они не вступают обычно в конкурентные отношения, сферы их деятельности и влияния разделены. В таком случае отношения рассматриваются как нейтральные. Вместе с тем в каждой экосистеме имеются виды, которые претендуют на одну и ту же нишу или ее элементы (пищу, укрытия и пр.). В таком случае неизбежна конкуренция, борьба за обладание нишей. Эволюционно взаимоотношения сложились так, что виды со сходными требованиями к среде не могут длительно существовать совместно. Эта закономерность не без исключений, но она настолько объективна, что сформулирована в виде положения, которое получило название «правило конкурентного исключения». Автор этого правила эколог Г. Ф. Гаузе. Звучит оно так: если два вида со сходными требованиями к среде (питанию, поведению, местам размножения и т. п.) вступают в конкурентные отношения, то один из них должен погибнуть либо изменить свой образ жизни и занять новую экологическую нишу. Иногда, например, чтобы снять острые конкурентные отношения, одному организму (животному) достаточно изменить время питания, не меняя самого вида пищи (если конкуренция возникает на почве пищевых отношений), или найти новое местообитание (если конкуренция имеет место на почве данного фактора) и т. п. Из других свойств экологических ниш отметим, что организм (вид) может их менять на протяжении своего жизненного цикла. Наиболее яркий пример в этом отношении — насекомые. Так, экологическая ниша личинок майского жука связана с почвой, питанием корневыми системами растений. В то же время экологическая ниша жуков связана с наземной средой, питанием зелеными частями растений. Сообщества (биоценозы, экосистемы) формируются по принципу заполнения экологических ниш. В природном сформировавшемся сообществе обычно все ниши заняты. Именно в такие сообщества, например в долгосуществующие (коренные) леса, вероятность внедрения новых видов очень мала. В то же время следует иметь в виду, что занятость экологических ниш в определенной мере понятие относительное. Все ниши обычно освоены теми организмами, которые характерны для данного региона. Но если организм приходит извне (например, заносятся семена или другие зачатки) случайно или преднамеренно, например в результате внедрения человеком новых видов (интродукция, акклиматизация), то он может найти для себя свободную нишу в связи с тем, что на нее не было претендентов из набора существующих видов. В таком случае обычно неизбежно быстрое увеличение численности (вспышка) вида-пришельца, поскольку он находит крайне благоприятные условия (свободную нишу) и, в частности, не имеет врагов (хищников, паразитов или других организмов, которые им питаются). Такие явления не единичны. Например, размножение кроликов, завезенных в Австралию; перемещение ондатры из Азии в европейскую часть; интенсивное продвижение колорадского жука в новые районы. С экологическими нишами в значительной мере связаны жизненные формы организмов. К последним относят группы видов, часто систематически далеко отстоящие, но выработавшие одинаковые морфологические адаптации в результате существования в сходных условиях. Различное влагообеспчение – адаптации: растения –пойкилогидрические, гомойогидрические. Группы гомойогидрических – гидатофиты ряска, гидрофиты – назмно-водные — кубышка, гигрофиты – кислица, мезофиты – луговые травы, склерофиты – с толстой кутикулой – ковыль, суккуленты – сочные с водозапасающей паренхимой. Кроме того растения осмофильные – накопление осмопротекторов и галофильные. Животные – физиологические – образование метаболической влаги, экономия воды, потоотделение; морфологические – роговые покровы – эпикутикулы; поведенческие – поиски водоемов, рытье нор, выбор мест обитания.

Эврибионтные и стенобионтные виды. Адаптивные реакции растений, животных и микроорганизмов к недостатку тепла и света.

Организмы, имеющие значительный диапазон оптимума относятся к группе эврибионтов (греч. эури — широкий; биос — жизнь). Организмы с узким диапазоном адаптации к факторам называются стенобионтами (греч. стенос — узкий). Для организмов наземно-воздушной среды типичны три механизма адаптации к температурному фактору: физический, химический, поведенческий. Физический осуществляется регулированием теплоотдачи. Факторами ее являются кожные покровы, жировые отложения, испарение воды (потовыделение у животных, транспирация у растений). Этот путь характерен для пойкилотермных и гомойотермных организмов. Химические адаптации базируются на поддержании определенной температуры тела. Это требует интенсивного обмена веществ. Такие адаптации свойственны гомойотермным и лишь частично пойкилотермным организмам. Поведенческий путь осуществляется посредством выбора организмами предпочтительных положений (открытые солнцу или затененные места, разного вида укрытия и т. п.). Он свойственен обеим группам организмов, но пойкилотермным в большей степени. Растения приспосабливаются к температурному фактору в основном через физические механизмы (покровы, испарение воды) и лишь частично — поведенческие (повороты пластинок листьев относительно солнечных лучей, использование тепла земли и утепляющей роли снежного покрова). Адаптации к температуре осуществляются также через размеры и форму тела организмов.

Для уменьшения теплоотдачи выгоднее крупные размеры (чем крупнее тело, тем меньше его поверхность на единицу массы, а следовательно, и теплоотдача, и наоборот). По этой причине одни и те же виды, обитающие в более холодных условиях (на севере), как правило, крупнее тех, которые обитают в более теплом климате. Эта закономерность называется правилом Бергмана. Регулирование температуры осуществляется также через выступающие части тела (ушные раковины, конечности, органы обоняния). В холодных районах они, как правило, меньше по размерам, чем в более теплых (правило Аллена). О зависимости теплоотдачи от размеров тела можно судить по количеству кислорода, расходуемого при дыхании на единицу массы различными организмами. Оно тем больше, чем меньше размеры животных. Так, на 1 кг массы потребление кислорода (см/час) составило: лошадь — 220, кролик — 480, крыса -1800, мышь — 4100. Принимая во внимание отношение растений к свету, их принято подразделять в результате адаптации растения к пониженной освещенности несколько меняется его облик. Листья становятся темно-зелеными и немного увеличиваются в размерах (линейные листья удлиняются и становятся уже), начинается вытягивание стебля, который при этом теряет свою прочность. Затем рост постепенно уменьшается, т.к резко снижается производство продуктов фотосинтеза, идущих на посторенние тела растения. При недостатке света многие растения перестают цвести. При избытке света хлорофилл частично разрушается, и цвет листьев становится желто-зеленым. На сильном свету рост растений замедляется, они получаются более приземистыми с короткими междоузлиями и широкими короткими листьями. Появление бронзово-желтой окраски листьев указывает на значительный избыток света, который вреден растениям. На три основные группы: светолюбивые, теневыносливые, тенеиндифферентные. Разные виды животных нуждаются в свете определенного спектрального состава, интенсивности и длительности освещения. Отклонения от нормы подавляют их жизнедеятельность и приводят к гибели. Различают виды светолюбивые (фотофилы) и тенелюбивые (фотофобы); эврифотные, выносящие широкий диапазон освещенности, и стенофотные,переносящие узкоограниченные условия освещенности. Способность к различению цвета в значительной мере зависит и от того, при каком спектральном составе излучения существует или активен вид. Большинство млекопитающих, ведущих происхождение от предков с сумеречной и ночной активностью, плохо различают цвета и видят все в черно‑белом изображении (собачьи, кошачьи, хомяки и др.). Такое же зрение характерно для ночных птиц (совы, козодои). Дневные птицы имеют хорошо развитое цветовое зрение. Жизнь при сумеречном освещении приводит часто к гипертрофии глаз. Огромные глаза, способные улавливать ничтожные доли света, свойственны ведущим ночной образ жизни лемурам, обезьянам лори, долгопятам, совам и др. У микроорганизмов способ адаптации к свету – изменение содержания фотосинтезирующих пигментов, количества тилакоидов, светособирающих ловушек, площади фотосинтезирующих мембран. Серобактерии за счет увеличения выростов увеличивают светособирающую поверхность .адаптации к пониженным температурам у микроорганизмов – повышение содержания ненасыщенных жирных кислот, синтез криопротекторов, глицерола.

Экологические функции почв (биосферные, атмосферные, гидросферные, литосферные,…). Антропогенные изменения экологических функций почв в условиях городских и сельскохозяйственных экосистем.

Экофункции почв — Регулирование биогеохимических циклов элементов в биосфере. Регулирование состава атмосферы и гидросферы. Регулирование биосферных процессов. Накопление специфического органического вещества и энергии. Сохранение биологического разнообразия. Почва прямо или косвенно контролирует многие процессы в литосфере – биохимическое преобразование ее верхних слоев, проникновение солнечной энергии в нижние слои, в гидросфере — формирование почвенных вод, трансформация поверхностных вод в грунтовые, формирование речного стока), атмосфере- регулирование потоков веществ, тепла, влаги, энергии, химического состава, биосферы – среда обитания животных и растений. Ландшафто-сберегающей экологической функцией обладают лишь почвы, которые своим свойствам или положению в ландшафте оказывают влияние на поверхностных и внутрипочвенных потоков веществ и энергии и информации в конкретном ландшафте. Нарушение функционирования данных почв может приводить к измененю потоков и соответствующей перестройке ландшафтной системы с возникновением нежелательных экологических последствий.

Особенности случайного, однородного и группового типов пространственного распределения популяций.

Изредка в природе встречается почти равномерное упорядоченное распределение особей на занимаемой территории, например в чистых зарослях некоторых растений. Однако в силу неоднородности занимаемого пространства, а также некоторых особенностей биологии видов чаще всего члены популяции распределяются в пространстве неравномерно. При этом существуют два крайних варианта неравномерного размещения членов популяции: 1) четко выраженная мозаичность с незанятым пространством между отдельными скоплениями особей (например, гнездовья грачей в рощах или парках); 2) распределение случайного, диффузного типа, когда члены популяции более или менее независимы друг от друга и обитают в относительно однородной для них среде (например, размещение мучных хрущаков в муке). Отметим, что между указанными вариантами неравномерного размещения существует множество переходов.

В то же время тип распределения в занимаемом пространстве в каждом конкретном случае оказывается приспособительным, поскольку позволяет оптимально использовать имеющиеся ресурсы. Растения чаще всего распределены крайне неравномерно, образуя при этом более или менее изолированные группы, скопления, которые называются субпопуляциями. Они имеют отличия в числе особей, плотности, возрастной структуре и протяженности. Напротив, у животных, благодаря их подвижности, способы упорядочивания территориальных отношений более разнообразны по сравнению с растениями. При этом внутрипопуляционное распределение у высших животных регулируется системой инстинктов. Такие инстинкты, которые способствуют поддержанию размещения по территории отдельных особей или групп в популяциях, характерны для птиц, млекопитающих, пресмыкающихся, ряда рыб. По типу использования пространства все подвижные животные подразделяются на оседлых и кочевых. Оседлые животные отличаются инстинктами привязанности к своему участку, стремлением вернуться на хорошо знакомую территорию (если произошло вынужденное переселение). Такое «чувство дома» получило название «хоминг» (от англ. home — дом). Яркий пример хоминга — занимание одной и той же парой скворцов «своего» скворечника в течение ряда лет. Оседлому образу жизни присущи существенные биологические преимущества. В частности, на знакомой территории облегчается свободная ориентация, животное тратит меньше времени на поиски корма, быстрее находит укрытие от врага, а также может при необходимости создавать запасы пищи (белка, сурок, полевая мышь). В то же время оседлый образ жизни угрожает быстрым истощением пищевых ресурсов, если, например, плотность популяции становится чрезмерно высокой. Даже в случае территориального обособления члены популяции поддерживают друг с другом определенную связь. Это обеспечивается при помощи системы различных сигналов и прямых контактов на границах владений. Различают два типа активности территориального поведения животных: первый направлен на обеспечение собственного существования (поиск пищи, устройство убежищ и т.п.), второй — на установление отношений с соседями (мечение и охрана своих участков). При этом применяются разные способы для закрепления участка: от прямой агрессии по отношению к чужаку, до ритуального поведения, демонстрирующего угрозу, а также специальных сигналов и меток, которые свидетельствуют о занятости территории. Следует подчеркнуть, что прямая агрессия с нанесением конкуренту повреждений встречается весьма редко.

На нейтральной территории агрессивный инстинкт угасает. Частичное перекрывание индивидуальных «владений» служит способом поддержания контактов между членами популяции. При этом соседи, как правило, поддерживают устойчивую обоюдовыгодную систему связей, например, совместную защиту от врагов, взаимное предупреждение об опасности (сороки в лесу). Территориальное поведение животных особенно ярко выражено в период размножения. По его окончании у многих видов распределение по индивидуальным участкам сменяется групповым образом жизни с иным типом поведения. Так, после вылета птенцов большинство воробьиных птиц объединяются в стаи, которые совершают кочевки. Для оседлых видов животных все варианты общей пространственной структуры популяций обычно сводятся к четырем основным типам: диффузному, мозаичному (рассмотрены ранее), пульсирующему и циклическому. Для популяций, характеризующихся резкими колебаниями численности, характерен пульсирующий тип пространственной структуры. Известно, что в период резкого падения численности некоторые животные собираются на наиболее благоприятных для жизни участках. Так, например, полевки-экономки в лесостепи в засушливые годы заселяют в первую очередь заболоченные берега озер. Циклический тип пространственной структуры популяций оседлых животных характеризуется закономерным попеременным использованием территории в течение года, например летом и зимой. При таком типе использования пространства сохраняется баланс между потреблением кормов и их ежегодным возобновлением. Кочевой образ жизни имеет перед оседлым определенные преимущества. Прежде всего, кочевые животные не зависят от запасов корма на конкретной территории. Однако постоянные передвижения одиночных особей способствуют учащению гибели от хищников. Именно поэтому кочевой образ жизни, как правило, свойствен стадам и стаям. При этом территории перемещения многих видов могут быть весьма большими. Так, табуны зебр в Серенгети в период сухого сезона кочуют на участке в 400—600 км2. На данной территории имеются определенные места отдыха, пастьбы и водопоев, используемые регулярно в определенные сроки. Многообразие конкретных форм проявления территориальных взаимоотношений животных ученые располагают в постепенно усложняющийся ряд. При этом система неперекрывающихся охраняемых участков оседлых особей — это самая простая пространственная структура популяций; более сложная — система перекрывающихся территорий, при которой усиливаются внутривидовые контакты. Наконец, групповое использование одних и тех же участков, возможное только на основе строго упорядоченных отношений внутри группы.

Два типа развития популяций: S и J.

-образная кривая характеризует экспоненциальный рост численности популяции, который продолжается вплоть до внезапного падения плотности популяции в результате исчерпания ресурсов среды (рис.4, а). Такой рост не зависит от плотности, так как его регуляция не связана с плотностью популяции до самого момента катастрофы. Едва ли не каждый организм способен увеличить свою численность до заселения всей Земли при условии достатка пищи, воды, пространства и защиты от врагов. При неограниченных ресурсах такие быстро размножающиеся виды как бактерии, насекомые, мыши и некоторые рыбы, могут сделать это за короткий отрезок времени. Например, при отсутствии ограничений один вид бактерий полностью заселил бы нашу планету за 30 дней. Почему же этого не происходит? Потому что природные условия не столь идеальны, а ресурсы ограничены. Такие факторы, как наличие хищников, внутри- и межвидовая конкуренции, недостаток пищи, болезни, неблагоприятные климатические условия, отсутствие подходящих местообитаний, как правило, останавливают рост популяции ниже уровня максимальной рождаемости. Максимальный размер популяции одного вида, который природная экосистема способна поддерживать в определенных экологических условиях неопределенно долго, называется поддерживающей емкостью экосистемы для данного вида или просто емкостью экосистемы.При ограниченных ресурсах размеры популяции того или иного вида также ограничены и смертность начинает расти, когда численность популяции достигает или временно превышает емкость экосистемы.

 

clip_image002Рисунок 4- Кривые роста численности популяции. Когда это случается, J-образная кривая роста популяции начинает плавно изгибаться и принимает вид S-образной кривой (рис.4, б). Такой тип роста называют зависимым от плотности, так как скорость роста зависит от плотности популяции, которая влияет на истощение пищевых ресурсов и накопление токсичных продуктов, а потому и на рост. С увеличением плотности скорость роста популяции постепенно снижается до нуля, а кривая выходит на плато. При нулевом росте популяция стабильна, то есть размеры ее не меняются, при этом отдельные организмы растут и размножаются. Нулевая скорость роста популяции означает лишь то, что скорость размножения уравновешена смертностью. После этого размеры популяции обычно колеблются в пределах емкости среды. Переход от J-образной к S-образной кривой может быть достаточно плавным или же может наблюдаться резкое падение численности популяции, называемое крахом или коллапсом популяции (

 

clip_image004Рисунок 5- Модели роста популяции Коллапс популяции возникает, когда численность размножающейся популяции превысит емкость экосистемы или когда изменения условий окружающей среды внезапно понижают емкость экосистемы. Тогда огромное число особей, неспособных мигрировать в другие места, погибает. J- и S-образные кривые — это идеальные модели роста популяции. При их рассмотрении и описании предполагается, что все организмы сходны между собой, имеют равную способность к размножению и равную вероятность погибнуть, так что скорость роста в экспоненциальной фазе зависит только от ее численности и не ограничена условиями среды, которые остаются постоянными. Однако в отношении природных популяций эти предположения часто неверны.

Популяционная экология. Экология популяций и сообществ, их видовая, пространственно-временная и экологическая структура. Филогенетические и экологические классификации популяций. Ценопопуляции. Дивергентное и конвергентное развитие популяций.

 

Популяция 1903 г Йогансон – совокупность особей одного вида неоднородной в генетическом отношении. Экологическая популяция – совокупность элементарных популяций, внутривидовые группировки, приуроченные к конкретным биоценозам. Растения одного вида в ценозе называются ценопопуляцией. Обмен генетической информацией между ними происходит достаточно часто. Структура популяций – состав особей и их распределение в пространстве. Сложность структуры популяции определяется различным соотношением возрастных групп, полов, наличием группировок, территориальными взаимоотношениями. Структура популяции – половая (соотношение особей разных полов), возрастная, пространственная (пространство, занимаемое популяцией), этологическая (поведенческая – одиночный и семейный образы жизни, внутривидовые группировки). (Возрастная структура у многих видов отличается большой сложностью. Так, в популяциях растений выделяют четыре возрастные фазы: 1) латентный период – фаза первичного покоя. В эту группу входят семена, плоды и другие зачатки растений; 2) виргинильный (девственный или юношеский) период, охватывающий группу растений в период от прорастания зачатков до образования генеративных органов; 3) генеративный период – фаза размножения семенами или другими разносимыми зачатками, т.е. время полового размножения; 4) сенильный, или старческий, период, к которому принадлежат особи, закончившие половое размножение и способные только вегетировать. На каждом возрастном этапе особи растений характеризуются определенными отношениями со средой. Они выражаются в различиях питания, строении и размерах вегетативного тела, протекании биохимических процессов и т.д. Среди животных различают следующие возрастные группы: 1) новорожденные (до момента прозревания); 2) молодые – подрастающие особи, не достигшие половой зрелости; 3) полувзрослые – особи, близкие к половой зрелости; 4) взрослые – половозрелые животные, которые уже размножаются или физиологически способны к этому; 5) старые – переставшие размножаться особи, они часто играют заметную роль в жизни популяций, охраняя, воспитывая молодняк. У оседлых видов пространственная структура популяции может быть диффузной, мозаичной, пульсирующей или циклической. В популяциях диффузного типа животные в пространстве распределены дисперсно, не образуя обособленных поселений. Этот тип структуры характерен для мелких млекопитающих открытых пространств (пустынь, степей). Мозаичный тип размещения возникает тогда, когда пригодные для заселения места распределены в пространстве резко неравномерно (колонии кротов встречаются на луговинах и опушках леса). Пульсирующий тип характерен для популяций с резким колебанием численности. В годы депрессий популяция состоит из обособленных поселений, в годы подъема – занимает всю пригодную территорию. Циклическийтип пространственной структуры характерен для оседлых животных, попеременно использующих разные участки в течение года (например, лемминги зимуют на сухих прибрежных возвышенностях, а летом переселяются на разнотравно-злаково-лишайниковые участки).

Филогенетические и экологические классификации популяций.По способу размножения и степени цельности – панмиктические, клональные, клонально-панмиктические, по способности воспроизведения и самостоятельной эволюции – перманентные и темпоральные, по структуре – однородные и расчлененные, по степени гетерогенности и условиям обитания – гомогенные и гетерогенные, по размерам – локальные, экологические, географические и суперпопуляции. классификация популяций Н.П. Наумова в зависимости от размеров занимаемой ими территории. В этой классификации различают элементарную, экологическую и географическую популяции. Элементарная (локальная) популяция – это совокупность особей вида, занимающих какой-то небольшой участок однородной площади. Экологическая популяция – это совокупность элементарных популяций, приуроченных к конкретным биогеоценозам. Географические популяции слагаются из экологических и охватывают группу особей, заселяющих территорию с географически однородными условиями существования

Ценопопуляции. Дивергентное и конвергентное развитие популяций.Растения одного вида в ценозе называются ценопопуляцией . Распределение особей ценопопуляции по возрастным состояниям называется ее возрастным, или онтогенетическим спектром. Он отражает количественные отношения разных возрастных уровней. Если в возрастном спектре ценопопуляции в момент ее наблюдения представлены только семена или молодые особи, ее называют инвазионной. Такая ценопопуляция не способна к самоподдержанию, и существование ее зависит от поступления зачатков извне. Часто это молодая ценопопуляция, только что внедрившаяся в биоценоз. Если ценопопуляция представлена всеми или почти всеми возрастными группами (некоторые возрастные состояния у конкретных видов могут быть не выражены, например, имматурное, субсенильное, ювенильное), то она называется нормальной. Такая популяция независима и способна к самоподдержанию семенным или вегетативным путем. В ней могут преобладать те или иные возрастные группы. В связи с этим различают молодые, средневозрастные и старые нормальные ценопопуляции. Дивергенция — представляет собой независимое образование различных признаков у родственных организмов. В основе дивергенции лежит экологическая дифференциация вида (или группы видов) на самостоятельные ветви. Различия между видами одной группы в процессе эволюции, в силу изменения направления отбора, все более и более углубляются. Но вместе с тем сохраняется и определенная общность признаков морфофизиологической организации. Это свидетельствует о происхождении данной группы от общего родоначального предка. При дивергенции сходство между организмами объясняется общностью их происхождения, а различия — приспособлением к разным условиям среды. конвергенция (конвергентное развитие)— процесс эволюционного развития двух или более неродственных групп в сходном направлении. Конвергенция обусловлена одинаковой средой обитания, в которую попадают неродственные организмы.

Основные типы возрастного распределения популяции. Диагностика и прогноз демографического состояния популяции.

Соотношение возрастных групп в структуре популяции характеризуют ее способность к размножению и выживанию, и согласуется с показателями рождаемости и смертности. В растущих популяциях с высокой рождаемостью преобладают молодые (рис. 2), еще не репродуктивные особи, в стабильных – обычно это разновозрастные, полночленные популяции, у которых регулярно определенное число особей переходит из младших возрастных групп в старшие, рождаемость равна убыванию населения. В сокращающихся популяциях основу составляют старые особи, возобновление в них отсутствует или совсем незначительно.

clip_image006

Формы биотических отношений в биогеоценозе (симбиоз, комменсализм, протокооперация, паразитизм, конкуренция.

Симбиоз — отношения между организмами, обычно разных видов и находящихся в более или менее длительном контакте, при которых один или оба организма извлекают из этих отношений пользу и ни один не испытывает ущерба. Первый тип симбиотических отношений, когда пользу извлекают оба организма, называется мутуализмом, второй, когда пользу извлекает лишь один из организмов, – комменсализмом («нахлебничеством»).

МутуализмСимбиоз азотфиксирующих организмов с голосеменными и цветковыми растениями – отношения между высшим растением и бактериями. На корнях многих растений встречаются клубеньки, образованные бактериями или реже грибами. Клубеньковые бактерии фиксируют атмосферный азот и переводят его в доступную для высших растений форму.

Коменсализм.Наиболее характерные растения, которые можно привести в качестве примеров комменсализма по способу размещения в ценозе и по типу питания: эпифиты, лианы, почвенные и наземные сапрофиты.

Антагонизм — отношения, при которых один или оба организма испытывают ущерб.

Душители.Душители – корнесобственные растения, но начинают развитие в качестве эпифитов. Различные животные переносят их семена с одного дерева на другое. Птицы – основные переносчики семян душителей.

Паразиты и полупаразиты. Паразитизм – отношения между организмами обычно разных видов, при которых один из них (паразит) проводит более или менее длительное время на теле или в теле другого организма (хозяина), получая питание из его тканей. Паразитические растения играют огромную роль в жизни фитоценозов, ослабляя одни растения, вызывая гибель других и тем самым, способствуют лучшему развитию третьих.

Хищничество– отношения между организмами разных видов (если организмы относятся к одному виду, то это каннибализм), при которых один из организмов (хищник) питается за счет второго организма (жертвы).

Антибиоз– отношения между организмами, обычно относящимися к разным видам, при которых один из организмов причиняет вред другому (например, выделением вредных для другого организма веществ), не извлекая для себя из этих отношений видимого преимущества.

Воздействие выделений одних растений на другие.Взаимоотношения между растениями, в которых ведущую роль играют специфически действующие продукты обмена веществ, Молиш (Molisch, 1937) назвал аллелопатией. Вещества, выделяемые надземными и подземными органами живых растений, и органические соединения, получающиеся в процессе разложения мертвых растительных остатков и оказывающие влияние на другие растения, называются колинами.

Конкуренция– вслед за Ч. Дарвином в широком смысле – это борьба за существование: борьба за пищу, за место или за какие-либо другие условия. Даже при достаточно высоком сходстве экологических требований, растения одних видов оказываются более сильными, более конкурентомощными при одних определенных значениях факторов среды, другие – при других. Это и служит причиной победы того или другого вида в межвидовой борьбе.

Положительные и нейтральный межвидовые взаимодействия. Экологическая оценка протокооперации и мутуализма.

Симбиоз (протокооперация и мутуализм) (+,+) Эти отношения взаимовыгодны для обоих партнеров. Подобные ассоциации между разными видами очень распространены в природе и играют крайне важную роль в эволюции разрозненного сообщества живых организмов в целостную надсистему вплоть до единого живого организма. Именно в этих отношениях формируется наибольшее количество синергетических эффектов, перерастающих в конечном итоге в ярко выраженные эмерджентные свойства надсистемы. В симбиозе оба партнера оказываются взаимозависимыми друг от друга. Степень этой взаимозависимости может быть самой разной: от протокооперации, когда каждый из партнеров вполне может существовать самостоятельно при разрушении симбиоза, до мутуализма, когда оба партнера настолько взаимозависимы, что удаление одного из партнеров приводит к неминуемой гибели их обоих. Примером протокооперации могут служить отношения крабов и кишечнополостных, которые прикрепляются к крабам, маскируя и защищая их своими стрекательными клетками. В то же время они используют крабов как транспортные средства и поглощают остатки их пищи. Случаи мутуализма чаще всего встречаются у организмов именно с разными потребностями. Очень часто, например, такие отношения возникают между автотрофами и гетеротрофами. При этом они как бы взаимодополняют друг друга. То есть в мутуализме наиболее полно проявляется принцип дополнительности, как наиболее фундаментальный закон природы. Ущербная в каком-то отношении биосистема стремится найти партнера, способного “закрыть” эту ущербность, но по-своему тоже ущербного, чья ущербность закрывается первым партнером. Это еще не мутуализм, а протокооперация.

Совместная эволюция таких партнеров способствует более узкой специализации каждого из них, при этом их изначальная ущербность становится еще более явной. Но это энергетически более выгодно для системы в целом, поэтому такая система приобретает большую жизнеспособность. Однако каждый из компонентов в отдельности становится крайне уязвимым. Например, микроорганизмы, населяющие пищевой тракт жвачных животных, вовсе не являются частью организма коровы. Но только они способны образовывать из клетчатки, съеденной коровой, жирные кислоты, которые корова может ассимилировать. Непосредственно клетчатку коровы переваривать не могут, и поэтому они погибнут от голода, если стерилизовать их пищевой тракт, даже если кругом изобилие трав. Бактерии в свою очередь в пищевом тракте коровы обеспечиваются стабильной средой с постоянной температурой. Очень богаты симбиотическими отношениями экосистемы. Общеизвестны, например, отношения мутуализма между корнями деревьев и грибницей (микроза), без которого не может быть северного леса (этот пример мы рассматривали раньше). Такая мутуалистическая система, как сосна-микроза, способна выжить даже на почвах, разрушенных интенсивным возделыванием сельскохозяйственных монокультур. Особо сложные симбиотические отношения сложились во влажных тропических лесах, что делает практически невозможным их восстановление после сплошных рубок, например, в бассейне Амазонки. Комменсализм и симбиоз. Внимание экологов к пищевым цепям может создать впечатление, что борьба видов за существование — это прежде всего борьба за выживание хищников и жертв. Однако это не так. Пищевые отношения не сводятся к отношениям «хищник — жертва»: два вида животных в одном сообществе могут конкурировать из-за пищи, а могут кооперировать свои усилия. Источник пищи для одного вида часто является побочным продуктом деятельности другого. Зависимость животных, питающихся падалью, от хищников — только один из примеров. Менее очевидный случай — зависимость организмов, населяющих небольшие скопления воды в дуплах, от тех животных, которые эти дупла делают. Подобное извлечение одними организмами пользы из деятельности других называют комменсализмом. Если польза обоюдная, говорят о мутуализме или симбиозе. На самом деле отдельные виды в сообществе почти всегда находятся в двусторонних отношениях. Так, плотность популяции жертв зависит от активности хищников; сокращение численности последних может привести к настолько высокой плотности популяции жертв, что они начинают страдать от голода и эпидемий.

Особенности внутривидовой и межвидовой конкуренции. Условия сосуществования биологически родственных видов.

(межвидовая конкуренция ограничивает спектр ресурсов, потребляемых данным видом. Особи одного вида, используя краевые ресурсы, по-видимому, не могут использовать их так же эффективно, как представители других видов, для которых эти ресурсы почти оптимальны. Область перекрывания между нишами при этом уменьшится, так что по мере специализации ниш они станут уже Размеры популяций одного или обоих конкурирующих видов, вероятно, также будут уменьшаться. Теория оптимального фуражирования дает менее точные предсказания. В тех случаях, когда конкурирующий вид избирательно снижает доступность определенного типа пищи или размеры кормовой территории, следует ожидать возникновения более специализированного кормового спектра. И напротив, когда конкурент одинаково сокращает доступность всех типов пищи и размеры кормовых территорий, предполагается расширение кормового спектра (числа видов-жертв). Пианка в своей гипотезе перекрывания ниш на основании формальных рассуждений постулировал обратную зависимость между интенсивностью конкуренции и степенью перекрывания ниш между парами видов. Когда потребность в ресурсах низка по сравнению с их наличием, потенциальные конкуренты могут выдержать относительно высокую степень перекрывания используемых ресурсов, не доводя конкуренцию до критических уровней. Если же отношение между потребностью в ресурсе и его наличием велико, то устойчивость к перекрыванию ниш должна быть ниже. Таким образом, предполагается большее разделение ниш при возрастании видового разнообразия, при котором предположительно происходит пропорциональное сокращение реализованных ниш взаимодействующих видов в результате межвидовой конкуренции. Внутривидовая конкуренция в тех случаях, к которым применима нормальная функция использования, имеющиеся ресурсы потребляются особями вида не в одинаковой степени. Те особи, которые используют данный ресурс в краевых, но зато менее оспариваемых точках его градиента, часто будут обладать более высокой индивидуальной приспособленностью, чем особи, использующие этот ресурс в зоне его оптимума, где конкуренция особенно велика. Поэтому принцип доминирования равных возможностей предсказывает, что поведение отдельной особи должно вести к стабилизации уровня внутривидовой конкуренции путем уравнивания соотношения между потребностью в ресурсе и его наличием вдоль его градиента.

clip_image008

Рис. 3.1. Изменения ширины ниши в условиях конкуренции. А. – Внутривидовая конкуренция — кривые потребления при низкой и высокой плотности популяции. Б. – Межвидовая конкуренция. Стрелки указывают направление изменений. В период роста популяции впервые особи будут использовать оптимальные ресурсы, но с увеличением ее плотности преимущества этих особей снижаются за счет повышения внутривидовой конкуренции. Это может благоприятствовать отклоняющимся особям, использующим не самые оптимальные, но менее оспариваемые ресурсы, что увеличивает разнообразие ресурсов и местообитаний, освоенных данной

видовой популяцией в целом. Понижение доступности самих ресурсов окажет такое же Внимание экологов к пищевым цепям может создать впечатление, что борьба видов за существование — это прежде всего борьба за выживание хищников и жертв. Однако это не так. Пищевые отношения не сводятся к отношениям «хищник — жертва»: два вида животных в одном сообществе могут конкурировать из-за пищи, а могут кооперировать свои усилия. Источник пищи для одного вида часто является побочным продуктом деятельности другого. Зависимость животных, питающихся падалью, от хищников — только один из примеров. Менее очевидный случай — зависимость организмов, населяющих небольшие скопления воды в дуплах, от тех животных, которые эти дупла делают. Подобное извлечение одними организмами пользы из деятельности других называют комменсализмом. Если польза обоюдная, говорят о мутуализме или симбиозе. На самом деле отдельные виды в сообществе почти всегда находятся в двусторонних отношениях. Так, плотность популяции жертв зависит от активности хищников; сокращение численности последних может привести к настолько высокой плотности популяции жертв, что они начинают страдать от голода и эпидемий.

Особенности внутривидовой и межвидовой конкуренции. Условия сосуществования биологически родственных видов.

(межвидовая конкуренция ограничивает спектр ресурсов, потребляемых данным видом. Особи одного вида, используя краевые ресурсы, по-видимому, не могут использовать их так же эффективно, как представители других видов, для которых эти ресурсы почти оптимальны. Область перекрывания между нишами при этом уменьшится, так что по мере специализации ниш они станут уже Размеры популяций одного или обоих конкурирующих видов, вероятно, также будут уменьшаться. Теория оптимального фуражирования дает менее точные предсказания. В тех случаях, когда конкурирующий вид избирательно снижает доступность определенного типа пищи или размеры кормовой территории, следует ожидать возникновения более специализированного кормового спектра. И напротив, когда конкурент одинаково сокращает доступность всех типов пищи и размеры кормовых территорий, предполагается расширение кормового спектра (числа видов-жертв). Пианка в своей гипотезе перекрывания ниш на основании формальных рассуждений постулировал обратную зависимость между интенсивностью конкуренции и степенью перекрывания ниш между парами видов. Когда потребность в ресурсах низка по сравнению с их наличием, потенциальные конкуренты могут выдержать относительно высокую степень перекрывания используемых ресурсов, не доводя конкуренцию до критических уровней. Если же отношение между потребностью в ресурсе и его наличием велико, то устойчивость к перекрыванию ниш должна быть ниже. Таким образом, предполагается большее разделение ниш при возрастании видового разнообразия, при котором предположительно происходит пропорциональное сокращение реализованных ниш взаимодействующих видов в результате межвидовой конкуренции. Внутривидовая конкуренция в тех случаях, к которым применима нормальная функция использования, имеющиеся ресурсы потребляются особями вида не в одинаковой степени. Те особи, которые используют данный ресурс в краевых, но зато менее оспариваемых точках его градиента, часто будут обладать более высокой индивидуальной приспособленностью, чем особи, использующие этот ресурс в зоне его оптимума, где конкуренция особенно велика. Поэтому принцип доминирования равных возможностей предсказывает, что поведение отдельной особи должно вести к стабилизации уровня внутривидовой конкуренции путем уравнивания соотношения между потребностью в ресурсе и его наличием вдоль его градиента.

clip_image009

Рис. 3.1. Изменения ширины ниши в условиях конкуренции. А. – Внутривидовая конкуренция — кривые потребления при низкой и высокой плотности популяции. Б. – Межвидовая конкуренция. Стрелки указывают направление изменений. В период роста популяции впервые особи будут использовать оптимальные ресурсы, но с увеличением ее плотности преимущества этих особей снижаются за счет повышения внутривидовой конкуренции. Это может благоприятствовать отклоняющимся особям, использующим не самые оптимальные, но менее оспариваемые ресурсы, что увеличивает разнообразие ресурсов и местообитаний, освоенных данной

видовой популяцией в целом. Понижение доступности самих ресурсов окажет такое же предсказуемое воздействие на ширину ниши. Теория оптимального фуражирования, основанная на энергетике и индивидуальной приспособленности, предусматривает расширение кормового спектра и диапазона используемых кормовых территорий при снижении запасов или качества ресурсов. Таким образом, внутривидовая конкуренция способствует расширению ниши в результате увеличения ее внутрифенотипической (поведенческая или физиологическая гибкость), или межфенотипической (различия между особями) компонент. Изменения последней компоненты предсказываются в более прямой форме гипотезой изменчивости ниши. Согласно этой гипотезе, при ослаблении межвидовой, а значит, повышении внутривидовой конкуренции, увеличение разнообразия ресурсов, в отношении которых возможна специализация, может привести к большей фенотипической изменчивости в пределах видовой популяции.

 Современная динамика экосистем. Флуктуации. Сукцессии. Эволюция. Автогенные и аллогенные сукцессии. Классификация сукцессий. Первичные и вторичные сукцессии, их роль в формировании биоразнообразия и устойчивости экосистем.

4 категории динамики экосистем – относительное равновесие — флуктуации – изменения происходят вокруг средних величин, циклические сукцессии – вызываемые климатическими циклами, сукцессии, вызываемые ненаправленными изменениями экосистем, антропогенное преобразование экосистем. Стремясь поддержать постоянство экосистемы, тем не менее, способны к изменениям, к развитию, к переходу от более простых к более сложным формам. Масштабные изменения географической обстановки или типа ландшафта под влиянием природных катастроф или деятельности человека приводят к определенным последовательным изменениям состояния биогеоценозов местности — сукцессиям. Групповой отбор — это естественный отбор в группах организмов, не обязательно связанных тесными взаимодействиями. Предполагают, что он действует на уровне более высоком, чем видовой, и ведет к повышению устойчивости экологических систем. Отношение генетиков к групповому отбору противоречиво. Вместе с тем эволюция вида имеет тенденцию к сохранению признаков, которые повышают устойчивость экосистем Внутривидовая и межвидовая конкуренция приводят к эволюции нишевых различий. В свою очередь, существование таких различий гарантирует, что ресурсы данного сообщества, включая растения и животных, будут использованы более или менее пропорционально их эффективному запасу. Сукцессия экологическая – в одной и той же территории происходит последовательная смена одного биоценоза другим в направлении повышения устойчивости экосистемы.

Сукцессии – антропогенные, катастрофические, пирогенные, зоогенные. По общему характеру – первичные – на неизмененном субстрате через серию промежуточных сообществ формируются устойчивые сообщества на скалах, песках, обрывах, остывших вулканах, послеледниковых глинах — и вторичные – на субстрате, измененном деятельностью живых организмов. Деградационные сукцессии – последовательное использование различными видами разлагающейся органики. Эволюционная сукцессия – в процессе эволюции под действием естественного отбора вымирают целые виды, а выжившие особи других размножаются, адаптируются и изменяются Типы сукцессий растительности: автогенные сукцессии — сукцессии, обусловленные внутренними причинами – сингенез — сукцессии, вызванные взаимоотношениями между растениями, эндоэкогенез — сукцессии, вызванные изменением условий местообитания аллогенные сукцессии — сукцессии, вызванные внешними по отношению к фитоценозу причинами, гейтогенез — локальные изменения конкретных фитоценозов, гологенез — изменения фитоценозов в пределах всего ландшафта.

Классификация сукцессий. Первичные и вторичные сукцессии, их роль в формировании биоразнообразия и устойчивости экосистем.

Сукцессии – антропогенные, катастрофические, пирогенные, зоогенные. По общему характеру – первичные – на неизмененном субстрате через серию промежуточных сообществ формируются устойчивые сообщества на скалах, песках, обрывах, остывших вулканах, послеледниковых глинах – их роль постепенное накопление органических остатков и создание почвы первичными колонистами. Вторичные – на субстрате, измененном деятельностью живых организмов, их роль восстановление экосистем. Деградационные сукцессии – последовательное использование различными видами разлагающейся органики. Эволюционная сукцессия – в процессе эволюции под действием естественного отбора вымирают целые виды, а выжившие особи других, адаптируются и изменяются. Борманн и Патен 1979 г через 10 лет с момента начала восстановления растительного покрова разомкнутость круговоротов уменьшается со 100 до 10% и далее снижается еще больше, достигая минимума в климаксе — правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота веществ в ходе сукцессии. Правило сукцессионного мониторинга – чес глубже нарушеность среды какого-нибудь пространства, тем на более ранних фазах оканчивается сукцессия. Сукцессия — это закономерная, последовательная смена сообществ в экосистемах, обусловленная влиянием комплекса внутренних и внешних факторов. Изменения во времени — это естественное свойство экологических сообществ. Влияние комплекса факторов вызывает в экосистемах сукцессию как адаптивную реакцию. Ф. Клементc считал, что сукцессия завершается формированием сообщества, наиболее адаптированного по отношению к комплексу климатических условий, которое он назвал «климакс — формация» или просто «климакс»; в настоящее время эта формация считается временным состоянием: в процессе вековых изменений условий (климата и других факторов среды) возникают полномасштабные изменения экосистем. Выделяются прогрессивные сукцессии, в которых постепенно наращивается видовое разнообразие, но имеется также и дигрессии — регрессивные сукцессии, направленные на объединение и упрощение сообществ. Особенно часто последнее стало проявляться при наличии крупномасштабных адаптированных воздействий на биоценозы, нарушающих оптимум условий. По современным представлениям смены сообществ могут происходить под влиянием климатических факторов, трансформации рельефа, обогащения или обеднения почв, изменения гидрологического режима и т. п.

Важнейшее значение же придается биоценотическим факторам: виды растений (а также животных), участвующие в сукцессионных сообществах, изменяют условия обитания для других видов, таким образом «подготовляя почвы» для последующего этапа сукцессии. В целом выделяют сукцессии, связанные исключительно с внешними абиотическими факторами (аллогенные), и сукцессии, вызванные изменением структуры и системы связей в существующих сообществах (автогенные). Но эти два типа сукцессии способны переходить друг в друга в силу глубокой взаимозависимости (В.Н. Сукачев, 1942). Начальный этап сукцессии выражается в процессе первоначального формирования растительного покрова. Он связан с вселением (миграцией) растений на данную территорию, их отбором в процессе приспособления к ее условиям, затем к конкуренции между ними из-за средств жизни. Это в целом приводит к формированию фитоценоза, после чего происходят структурные изменения в экосистеме, которые и приводят к устойчивому сообществу, отвечающему понятию климакс — формации, с возможными дальнейшими уже вековыми изменениями (Шилов И.А., 2000). По Ф. Клементсу, в наиболее общем виде сукцессии проходят через фазы обнажения (появление незаселенного пространства), миграции (заселение его первыми, пионерными формами жизни), эцезиса (колонизация и приспособление к конкретным условиям среды), соревнования (конкуренция с вытеснением ряда первичных поселенцев), реакции (обратное воздействие сообщества на биотоп и условия существования) и стабилизации (формирование климаксового биоценоза).

В сукцессионных процессах, по мнению В.Н. Сукачева, важнейшую роль играют конкурентные отношения на внутривидовом и главным образом на межвидовом уровне, которые в конечном итоге и приводят к равновесному состоянию, характеризующему завершающее сообщество. Сукцессия, в энергетическом смысле, связана с фундаментальным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы. Стадии роста, стабилизации и климакса сукцессии можно различать на основе критерия продуктивности: на первой стадии продукция растет до максимума, на второй остается постоянной, а на третьей по мере деградации системы уменьшается до нуля. По общему характеру сукцессии подразделяются на первичные и вторичные. Первичные сукцессии начинаются на субстрате, неизмененном (или почти неизмененном) деятельностью живых организмов. Главной функцией такого рода сукцессией является создание (или изменение) почвы первичными колонистами. Однако сукцессия не всегда доходит до восстановления исходного биоценоза, она может остановиться и на промежуточных стадиях, например пастьба скота на вырубках и пожарищах может «повернуть» сукцессию в сторону формирования суходольного луга. При значительных переувлажнениях может произойти заболачивание вырубки, что препятствует восстановлению древесной растительности. Иногда процесс может остановиться и на стадии березняка и осинника. На уровне экосистем перечень видов, состав и сложность развития трофической сети, наиболее устойчивые формы взаимодействия между видовыми популяциями отражают приспособленность к наиболее определяющим особенностям среды и направлены, прежде всего, на устойчивое поддержание биогенного круговорота в изменяющихся условиях. Нарушения, которые возникают в экосистемах на фоне установившихся средних параметров среды, вызывают функциональные адаптации компенсаторного типа. При этом сохраняется принципиальная структура биоценоза. Это многообразные обратимые изменения пищевых цепей, паразитарных связей, условий среды, обусловленные колебаниями численности (плотности) популяций, выражающихся на уровне видов. При более существенном нарушении состава биоценоза возникают неустойчивые, сменяющие друг друга сообщества — процесс, в идеальном, кстати весьма редком, случае ведущий к восстановлению исходного типа экосистемы. Экологические сукцессии такого рода — одно из наиболее ярких выражений действия функциональных адаптации на уровне биоценозов. Если изменения среды имеют необратимый характер или отмечена устойчивая тенденция к приобретению средой именно такого характера, то происходит направленная смена типов сообществ. В целом регулируется смена уровня стабилизации биоценотической системы.

 Особо охраняемые природные территории (ООПТ). Заповедники и заказники. Памятники природы. Национальные парки. История и перспективы их развития в России.

ООПТ: природные государственные биосферные заповедники. На территории РФ 16 биосферных заповедников, которые отличаются от обычных – биосферное ядро – запрещена любая деятельность, кроме фонового мониторинга, охранная зона – не менее площади самого заповедника, смягчает антропогенное воздействие на ядро, станция комплексного фонового мониторинга. Отечественные заповедники — это эталонные участки природы, сохраняющиеся в естественном, неизмененном виде, для сохранения природных экосистем, для изучения природных процессов в не нарушенных человеком условиях, кроме заповедного ядра, составляющего основу резервата, в него входит еще несколько зон, где ограничена, но не запрещена полностью хозяйственная деятельность. Обязательным условием для заповедников является ведение в них научно-исследовательской работы, важнейшим участком которой стала «Летопись природы» — постоянное круглогодичное наблюдение за основными природными объектами. Ведение «Летописи природы» в заповедниках было начато более 40 лет назад по инициативе известного эколога и натуралиста профессора А. Н. Формозова. В простой, но глубокой идее «Летописи природы» были заложены теоретические и практические основы широко внедряющегося теперь в мировую науку биосферного мониторинга — службы контроля за состоянием биосферы.

У истоков развития теории заповедания в России стояли В. В. Докучаев, И. К. Пачоский, Г. А. Кожевников, В. И. Талиев, П. П. Семенов-Тян-Шанский, В. Н. Сукачев и другие, были научно определены место заповедников в системе рационального природопользования и их основные задачи, Народнохозяйственные и научно-исследовательские задачи сохранения многообразия организмов, государственный резерват генетического материала, эталон естественного хода природных процессов и объектов научных исследований. Рекреационная функция отделялась от заповедников, в связи с чем предусматривалась организация как заповедников с их специфическими функциями, так и национальных парков, призванных решать вопросы рекреации. Заповедники были определены как научно-исследовательские учреждения. Организации заповедников устанавливалась бессрочно, ибо только при этом условии они могут дать требуемые результаты, а также изъятие заповедников из хозяйственного использования (с целью получения товарной продукции, коммерческой выгоды), в том числе и рекреационного. Более того, отечественное понимание сущности заповедника уже давно предвосхитило разумную идею биосферного заповедника, которая теперь пропагандируется за рубежом (в основном в США) и успешно воспринимается в нашей стране. Российские государственные заповедники — это региональные научно-исследовательские учреждения по охране природы.

Заповедники образуются с целью: эталонирования естественного течения процессов в природных экосистемах; сохранения генетического фонда живых организмов, свойственных тому или иному ландшафтному подразделению; ведения научных исследований. Для выполнения этих задач им предоставляются в бессрочное и обособленное пользование земли и воды. Всем известна роль заповедников в восстановлении численности таких ценнейших промысловых животных, как бобр, соболь, лось и многие другие. При необходимости из природного генетического банка могут быть взяты семена или саженцы, а также племенные животные для расселения, одомашнивания и введения в культуру или для скрещивания. В нашей стране, например, выведены две новые высокопродуктивные породы овец путем скрещивания культурных пород с дикими горными баранами. Сеть заповедников страны должна представлять все основные формы ее ландшафтов. Это требование проистекает из основных задач, возложенных на заповедники. Необходимо сохранить возможно большее разнообразие генетически отличающихся форм живых организмов, обладающих разнообразными полезными качествами. Кроме того, важно получить данные об особенностях структуры и функционирования наибольшего числа вариантов экосистем, что позволит разработать ряд пригодных вариантов управления экосистемами разного состава и в разных ситуациях. Вместе с тем, опыт наших заповедников показал, что при строгом соблюдении заповедного режима можно добиться восстановления специфических для региона экосистем и особенностей их функционирования, а также затухания очагов размножения насекомых — вредителей леса и заболевания лесообразующих пород. Например, после прекращения санитарных рубок в Воронежском заповеднике значительно сократилось распространение рака сосны, а в Хопёрском — дубовой листовертки, объедавшей до этого 100% первой листвы. Экосистема, как и всякая другая сложная система, сохраняет устойчивость благодаря взаимосвязанному и взаимообусловленному функционированию составляющих ее подсистем, микросистем. Изъятие из нее хотя бы одного вида ведет к нарушению функционирования и к снижению устойчивости экосистемы в целом. Большое влияние на живую природу оказывает загрязнение окружающей среды выбросами производства, синтетическими, не свойственными природе материалами, что ведет к заметному расстройству экосистем, к утрате ими устойчивости. Все природные экосистемы обладают значительной способностью противостоять неблагоприятным воздействиям, восстанавливать свою функциональную структуру. Однако эти их буферные свойства имеют предел. В качестве примера можно привести гибель многих видов растений и животных, свойственных лесным биоценозам, при вырубке деревьев или гибель живых организмов в водоемах при загрязнении их сточными водами или ядохимикатами и химическими удобрениями. Применение ядохимикатов для борьбы с вредителями лесов может привести к результату обратному тому, который желали получить, т. е. к новым последовательным вспышкам размножения вредителей. Объясняется это тем, что в результате обработки ядохимикатами коренным образом изменяется структура зооценозов на обработанных площадях. При обработке ядохимикат оказывает большее влияние на насекомоядных птиц и насекомых-энтомофагов, т. е. на «полезных» с точки зрения человека животных, чем на вредителей. Перед человечеством встала необходимость научиться сохранять условия собственного существования, т. е. основные параметры среды обитания, приспособительно к которым происходила биологическая эволюция. К ним относятся температурный режим нашей планеты, газовый состав атмосферы, система обращения веществ и энергии в природе, без которой вообще невозможна жизнь. Природный государственный заповедник – заповедное ядро, охранная зона может и не быть. Рекреационный парк – заповедное ядро и рекреационная зона. Заповедник региональный – территория, объявленная заповедной по решению администрации региона. Заказники – существуют временные рамки, в течение которых эта территория не должна подвергаться антропогенному воздействию.

Классификация природных ресурсов, исчерпаемые и неисчерпаемые, возобновимые и невозобновимые ресурсы. Устойчивые системы природопользования.

Исчерпаемые возобновимые – растения, животные,

исчерпаемые невозобновимые богатства недр,

неисчерпаемые – космические, климатические, водные,

заменимые — все полезные ископаемые и энергоресурсы

незаменимые – атмосферный воздух, вода, генетический фонд животных и растений.

Принципы рационального использования природных ресурсов – соответствие характера и способов использования конкретным местным условиям, предотвращение негативных последствий, повышение интенсивности освоения, сохранение научных иэстетических ценностей, соблюдение целесообразной, экономически обоснованной очередности хозяйственного освоения, комплексное использование, устранение потерь на всех этапах природопользования, всемирная экологизация природопользования. Устойчивые системы природопользования — развитие территории по принципам – функционального соответствия — использование земель в зависимости от их внутренних природных свойств и ресурсной ценности, и позиционному – принимая во внимание положение земель относительно других природных и антропогенных объектов и социально-экономическую обстановку. Основной смысл перехода к устойчивому природопользованию – это признание главенства естественных (биосферных) законов над законами социально-экономического развития общества и равновозможностного удовлетворения природными ресурсами различных поколений. В федеральном законе РФ «Об охране окружающей природной среды (от 10 января 2002 года № 7 – ФЗ) утверждается, что природа, окружающая среда, природопользование являются основой устойчивого развития. Согласно «Концепции» необходим «переход к устойчивому развитию, обеспечивающему сбалансированное решение социально-экономических задач и проблем сохранения благоприятной окружающей среды и природно-ресурсного потенциала в целях удовлетворения жизненных потребностей нынешнего и будущих поколений людей». Устойчивое природопользование:

-является одной из триад устойчивого развития (экономика, социум, природа);

-обеспечивает равновозможностное использование природных ресурсов нынешнего и будущих поколений;

-выделяет приоритетность для общества жизнеобеспечивающих функций природных систем по отношению к прямому использованию их ресурсов;

-определяет приоритет экологической безопасности при принятии политических и экономических решений;

-позволяет предотвратить негативные экологические последствия в результате антропогенных процессов;

-усиливает влияние административных методов и экономических стимулов для предотвращения загрязнения и деградации окружающей среды;

-позволяет отказаться от проектов с непредсказуемыми последствиями их воздействия на окружающую природную среду;

-увеличивает открытость информации о состоянии окружающей среды.

Главной задачей устойчивого природопользования является достижение неистощительного использования возобновляемых и воспроизводства минерально-сырьевой базы для невозобновляемых природных ресурсов при рациональном их освоении, а также сохранение и восстановление ландшафтного и биологического разнообразия, способного поддержать саморегуляцию природных систем и возможность компенсации последствий антропогенной нагрузки.

Биологические и земельные ресурсы. Мониторинг их экологического состояния и оценка возобновляемости. Жживые организмы – питание, сырье, условия для сх-плодородие почв,формирование местного климата, гидрологический режим почв,регулирование численности вредителей. Земельные – пашня и кормовые угодья. Монторинг биоты – видовой состав, заболеваемость, оценка продуктивности основных звеньев трофической цепи, химическое и радиоактивное загрязнение с/х угодий, растительного покрова, почвенных зооценозов, наземных сообществ, животных, птиц, насекомых, водных растений, планктона, рыб. Монторинг почвенного покрова – химический и радионуклидный состав плодородного слоя почвы, фитотоксичность, микробная биомасса, миграция отдельных форм загрязняющих веществ, оценка возобновляемости.

 

Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни. Экологические пирамиды. Био- и агробиоэнергетика.

Биоэнергетика — это новая отрасль народного хозяйства, которая связывает решение проблем получения топлива из биомассы и охраны окружающей среды. Это и научная дисциплина с фундаментальным и прикладным направлениями, изучающими и разрабатывающими пути биологической конверсии солнечной энергии в биомассу, а также биологическую и термохимическую трансформации биомассы в топливо и энергию.Внедрение биотопливных технологий в агропромышленных комплексах развивается. Сегодня строятся котельные на лузге подсолнечника, производятся гранулы из этого вида топлива. Разрабатываются проекты совместного осуществления в рамках Киотского протокола. Гранулы В России сегодня действует порядка 5 крупных производителей гранул из лузги подсолнечника. Объемы установленных мощностей этих компаний превышают 300 тыс т гранул в год. На экспорт отгружается около 150 тыс т гранул в год. Вместе с тем потенциал России по данному виду топлива намного больше.

Продукционный процесс и системный анализ лимитирующих факторов биопродуктивности наземных экосистем и агроэкосистем. Пределы биопродуктивности.

Урожай зависит, прежде всего, от интенсивности фотосинтеза, величины рабочей поверхности за учетный период. Повышение урожайности с/х культур путем управления главными факторами продукционного процесса – индекс поверхности листьев, фотосинтетический потенциал агрофитоценоза, интенсивность и чистая продуктивность фотосинтеза, коэффициент эффективности фотосинтеза, коэффициент хозяйственный эффективности. Теория продуктивности включает анализ архитектоники агрофитоценоза как оптической системы, поступления и распределения ФАР, обеспечения водой и элементами минерального питания. Посев культурных растений это динамическая оптико-биологическая система, продуктивность которой зависит от количества поглощаемой ею энергии солнечного света и от коэффициента использования ее на фотосинтез. Комплекс всех агротехнических приемов (сорта, густота, сроки и способы посева, снабжение водой и элементами питания) служат средством создания посевов с наилучшей структурной организацией, обеспечивающей наиболее полное использование энергии солнечной радиации и формирования урожая. При этом обеспеченность посевов водой и элементами питания должна соответствовать количеству приходящей энергии солнечной радиации. Поэтому в каждой конкретной зоне возделывания любой культуры можно найти такое сочетание условий среды (влага, элементы воздушного и минерального питания, световой фактор), которое определяет оптимальное проявление элементов фотосинтетической деятельности и формирование наибольшей продуктивности культурных растений в зависимости от их генотипических особенностей. При формировании урожая учитываются приходы ФАР в сочетании с режимами температуры, влажности, количества углекислоты, почвенного плодородия, физиологически и экологических особенностей растений, выявляются сорта растений способные создавать наиболее совершенные по структуре и результатам фотосинтетической деятельности агрофитоценозы.

Круговорот основных веществ и функции живого вещества в биосфере. Геохимические и биогеохимические циклы основных химических элементов (углерода, азота, серы).

 

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. Энергетическая — фотосинтез, деструктивная — минерализация, концентрационная – накопление веществ, средообразующая – изменение вещественного состава биосферы, газовые – миграция газов и их превращения. Биосферный биогеохимический круговорот углерода – непрекращающийся процесс миграции, распределениярассеяния и концентрации углерода в системе «верхние слои литосферы – океан – нижняя часть атмосферы», соизмеримый с геологической историей земной коры. Данный круговорот определяется как биологическими, так и геологическими процессами (тектонические поднятия, седиментогенез, вулканическая деятельность и др.), в своей совокупности осуществляющими обмен углерода между сушей, океаном и атмосферой. Круговорот углерода в биосфере состоит из двух разных циклов, наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой. Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Диоксид углерода, растворенный в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается СО2, усвоенный фитопланктоном. Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемых должно увеличить атмосферный запас СО2 на 0,7 %, т.е. к 320 млн.–1 (современное содержание СО2) ежегодно должно прибавляться почти на 2 млн.–4. На деле же за год концентрация СО2 в воздухе быстро уходит из атмосферы или в океан, или в наземную флору. Биосферный круговорот углерода состоит из двух разных циклов – наземного и морского (океанического).

Распределение СО2 между органическим веществом почвы, растительностью, атмосферой и океаном играет важную роль в формировании теплового баланса планеты, который зависит как от природных (фотосинтез растений, дыхание корней, животных и микроорганизмов, обменная диффузия на поверхности океана, метаморфизация органических материалов, поступление СО2 из глубин земной коры), так и от антропогенно-техногенных (обработка земли, выжигание растительности, сгорание топлива) процессов. Деятельность человека приводит к дополнительному накоплению углерода в атмосфере, которое катализирует парниковый эффект, что может привести к планетарному потеплению климата. Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного N2 атмосферы. И хотя азот важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот, растения не могут непосредственно брать его из атмосферы. Они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы — аммиак, ионы аммония, нитрат- и нитрит-ионы. Важнейшая часть цикла — связывание азота: азотфиксирующие бактерии, связывание в атмосферных процессах, промышленная фиксация. Последнее — возрастающая роль. Другой важный процесс цикла азота — восстановление нитрат-ионов до атмосферного азота. Осуществляется почвенными анаэробными бактериями — денитрификаторами. 5[CH2O] + 4NO3- + 4H+ —> 2N2 + 5CO2 + 7H2O Денитрификация — главная причина потерь азота в земледелии (до половины связанного в удобрениях азота уходит в атмосферу. Велика роль антрапогенного фактора в цикле азота. Прежде всего — промышленная фиксация азота (объемы сравнимы с природными). Основной метод фиксации — производство аммиака. Токсичный газ с резким запахом. Взаимодействует с кислотными осадками, образуя плотные туманы: NH3 + SO3 + H2O —> NH4(HSO4) Образование окислов азота при высокотемпературных процессах: N2 + O2 <—> 2NO; 2NO + O2 <—> 2NO2 В реакциях могут принимать участие свободные радикалы, образующиеся, например, в результате реакций в зоне автомобильного выхлопа: H3COO + NO <—> NO2+ H3CO. Оксиды азота обладают общетоксичным и раздражающим действием. Участвуют в образовании кислотных дождей и фотохимического смога (пероксиацилнитраты). Следует отметить среди веществ, обуславливающих антрапогенное воздействие, следует отметить нитриты и нитраты. В пищевой цепи из них образуются N-нитрозосоединения, в частности, нитрозамины. R2N-H + HO-N=O <—> R2N-N=O + H2O Обладают широким спектром токсического действия. Биогеохимический цикл серы имеет весьма своеобразную структуру. В эпоху образования земной коры сера существовала преимущественно в форме сульфидов металлов. Этому способствовали условия — высокая температура и недостаток кислорода в атмосфере. Воздействие появившейся позднее жидкой воды и углекислого газа привело к выделению сероводорода: CaS + CO2 +H2O = CaCO3 + H2S При взаимодействии с кислородом, под влиянием серобактерий сероводород окисляется до свободной серы: 2H2S + O2 = 2H2O + 2S При избытке кислорода образуется серная кислота: 2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4 Последняя при взаимодействии с карбонатами дает сульфаты: CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O Помимо окислительных, в биогеохимическом цикле серы реализуются и восстановительные процессы (взаимодействие при повышенных температурах с органическими веществами): CaSO4 + CH4 —> CaS + CO2 +2H2O —> CaCO3 + H2S + H2O Кроме того, при участии растений и животных, сера из сульфатов встраивается в состав белка. Последний после гибели организма разлагается и сера выделяется в виде сероводорода. В естественном круговороте серы окислительные и восстановительные процессы сбалансированы. Действие антрапогенного фактора приводит к превалированию окислительных процессов: при выплавке металлов из сульфидных руд, производстве серной кислоты сульфиды постоянно переводятся в сульфаты. Это нарушает существующее кислотно-основное равновесие в окружающей среде и является одной из причин такого бедствия как кислотные дожди.

Основные типы биогеохимического круговорота (атмосферный, осадочный). Основные пулы круговорота и их анализ.

В каждом круговороте удобно различать две части, или два «фонда»: 1) резервный фонд — большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с организмами, 2) обменный фонд — меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические круговороты можно подразделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Разделение биогеохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот и кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или же и тех и других) фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО2, накопившегося в каком-либо месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается атмосферными потоками. Кроме того, усиленное образование углекислоты компенсируется ее потреблением растениями и превращением в карбонаты — в морях. Поэтому, циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе хорошо «забуференными», т.к. их способность возвращаться к исходному состоянию велика. Самоконтроль циклов с резервным фондом в литосфере затруднен — они легко нарушаются в результате местных флуктуаций, что связано с малой подвижностью резервного фонда. Явление «забуференности» в этом случае не выражено. Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает ей устойчивость— постоянный количественный состав по различным химическим элементам в ней. В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в окружающую среду техногенных продуктов этой деятельности, возникают проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Эти нарушения связаны как с изменением баланса в циклах, так появлением новых химических соединений, ранее отсутствующих в естественных процессах. Так, циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антрапогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью, что приводит к накоплению их и, соответственно к изменению их воздействия на экосистемы. Пулы — педосфера является одним из основных резервуаров диоксида углерода в биосфере. Почвы участвуют в балансе СО2, СН4, связывая их в различных формах или, наоборот, способствуя их высвобождению в атмосферу, т.е. почвенный покров играет большую роль в газово-атмосферном режиме планеты. Пулы — Основным резервуаром углерода, азота, в биосфере является атмосфера, серы – литосфера, кислорода.

Глобальные, региональные и локальные нарушения природных биогеохимических циклов (на примере углерода, азота, серы и калия).

Глобальный характер хоз. деятельности человека приводит к качественным изменениям в естественной биогеохимич. цикличностиприродных процессов биосферы. По ряду параметров масштабы антропогенных воздействий сопоставимы с кол-вом веществ, вовлечённых в нормальные Б. ц. Техногенные продукты, поступающие в биосферу, перегружают нормальное её функционирование и выпадают частично или полностью из системы устойчивых Б. ц. Возникает новый тип техногенных геохимич. аномалий, наз. «неоаномалиями» или «антропоаномалиями». Они формируются на нормальном биогеохимич. фоне в чрезвычайно короткие сроки и охватывают не только живое вещество, но и биокосные тела биосферы (атмосферу, почвы, природные воды), проникают в глубокие горизонты земной коры. Происходит нарушение отлаженных во времени природных Б. ц. биосферы. Для ряда элементов и соединений Б. ц. становятся природно-антропогенными (циклы тяжёлых металлов, азота, серы, фосфора, калия и др.). Нек-рые создаваемые человеком материалы (пластмассы, детергенты и др. продукты хим. синтеза — г. н. ксенобиотики) не включаются в природные и природно-антропогенные циклы и не перерабатываются в биосфере. Меры борьбы с нарушением Б. ц. связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов пром. и с-х произ-ва, с поисками путей оптимизации осн. характеристик Б. ц. и возможностью разумного управления ими. Углерода — общее уменьшение площади, занятой растительностью, в результате строительства и в особенности сведения лесов уменьшает потребление углекислого газа растениями. Итогом нарушения круговорота углерода может быть парниковый эффект. В настоящее время биологическая азотфиксация уменьшилась вследствие разрушения естественных экосистем и сравнялась с промышленной фиксацией азота. Происходит повсеместное уменьшение содержания органических соединений азота в почве (разрушение гумуса), что ведёт к снижению плодородия почв. Увеличение производства азотных удобрений для компенсации уменьшения биологического азота ведёт к загрязнению среды и расходованию большого количества энергии. Экология ставит задачей восстановление естественного цикла азота за счёт уменьшения производства азотных удобрений и расширения посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями — азотфиксаторами. Действие антрапогенного фактора приводит к превалированию окислительных процессов: при выплавке металлов из сульфидных руд, производстве серной кислоты сульфиды постоянно переводятся в сульфаты. Это нарушает существующее кислотно-основное равновесие в окружающей среде и является одной из причин такого бедствия как кислотные дожди.

 

Проблема озоновых дыр: современное состояние, причины, прогноз, средства предотвращения.

 

Проблема озона в атмосфере имеет два связанных с человеческой деятельностью аспекта: разрушение в верхних слоях (“озоновый экран”) и увеличение концентрации в околоземном пространстве. Озон в верхних слоях атмосферы (“Озоновый экран”). Озоновый экран располагается у полюсов на высотах 9-30 км, у экватора – на 18-32 км. Концентрация озона в нем равна 0,01-0,06 мг/м3. Если содержащийся в границах экрана озон выделить в чистом виде, то слой его составит 3 – 5 мм. Содержание озона выражается в сантиметрах (0,3 – 0,5) или в единицах Допсона (миллиметры, увеличенные в 100 раз – 300-500 ед.). Озон в верхних слоях атмосферы образуется в результате распада молекулы кислорода (О2) под влиянием ультрафиолетовых лучей на два атома кислорода. Одновременно идет противоположный процесс распада молекул озона и образования кислорода. Условием для протекания реакций является наличие ультрафиолетовых лучей и преобразование их в инфракрасные тепловые. Таковы основные механизмы существования озонового экрана и поглощения ультрафиолетовых лучей. Озон поглощает лучи с длиной волны 200-320 нм. Часть из них, как и более длинные, доходят до Земли. При этом лучи длиной 200-400 нм выделяют в категорию биологически активных ультрафиолетовых (БАУ). “Озоновые дыры” представляют собой протяженные области пониженного (до 50 %) содержания озона в озоновом слое атмосферы, поглощающем ультрафиолетовое излучение, гибельное для живых организмов, формирующиеся в результате антропогенного химического загрязнения атмосферы хлор- и фторуглеводородами. В последние годы наблюдается тенденция уменьшения содержания озона в верхних слоях атмосферы. В средних и высоких широтах северного полушария такое уменьшение составило около 3% (по другим сведениям 2–10%). Есть данные, что уменьшение содержания озона на 1% ведет к увеличению заболеваемости раком кожи на 5-7%. Для европейской части России это составляет около 6-6,5 тыс. человек в год. Наиболее значительная потеря озона регистрируется над Антарктидой. Здесь содержание его в озоновом слое за последние 30 лет уменьшилось на 40-50%. Пространство, в пределах которого регистрируется уменьшение концентрации озона, получило название “озоновой дыры”. Размер “дыры” с пониженной концентрацией озона возрастает примерно на 4% в год. В настоящее время она вышла за пределы континента и по размерам превышает площадь США. Несколько меньших размеров “дыра” характерна для Арктики. Учащается также появление “блуждающих дыр” площадью от 10 до 100 тыс. км2 в других регионах, где потери озона достигают 20-40% от нормального уровня. Причины возникновения “озоновых дыр” до конца не ясны. Впервые они обнаружены в начале 80-х гг. настоящего столетия, и короткий период наблюдений не дает достаточных оснований для каких-либо категоричных выводов о причинах изменений концентрации озона. Основным антропогенным фактором, разрушающим озон, в настоящее время считают фреоны (хладоны). Эти хлорфторуглероды, кипящие при комнатной температуре, широко используются как газы-носители (пропилленты) в различного рода баллончиках, холодильных установках и т. п. Для широкого использования в качестве пропиллентов фреоны избраны как весьма стойкие (инертные) газы. Однако чисто технический подход к их оценке только по одному свойству привел к непредвиденному отрицательному эффекту. Оказалось, что именно благодаря высокой устойчивости (живут более 100 лет) фреоны оказались способными достигать озонового слоя, в агрессивной среде которого из них высвобождается хлор. Каждый атом хлора как катализатор способен разрушить до 100 тысяч атомов озона. Принимаются меры к уменьшению, а в дальнейшем и к прекращению производства фреонов. Так, Монреальским протоколом, подписанным в 80-х гг., к 2000 г. многие государства взяли обязательство сократить производство фреонов на 50%, заменив другими пропиллентами. Однако вследствие высокой стойкости фреоны могут очень долго сохраняться в атмосфере, даже в тех случаях, когда их производство будет прекращено. В ряде стран (США, Великобритания, Франция) фреоны (ХФУ) заменяются на гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ), срок жизни которых значительно короче (2 – 25 лет), а потенциал разложения в озоне в десятки раз ниже, чем ХФУ. Ведутся также поиски других путей повышения устойчивости озонового слоя. Так, подача этана и пропана в озоновый слой способствует переводу атомарного хлора как катализатора в пассивный хлористый водород. Образованию и накоплению озона способствуют также электромагнитное излучение, лазерные лучи, электрические разряды. Они стимулируют фотодиссоциацию кислорода и способствуют образованию и накоплению озона. Наиболее интенсивно озоновый слой разрушается весной. Это связывают с тем, что низкие температуры и повышенная облачность зимой способствуют высвобождению хлора из фреонов, а хлор действует на озон наиболее интенсивно весной, когда температура несколько повышается. Более интенсивное разрушение озона в приполярных областях связывают с тем, что ответственный за разрушение озона хлор здесь в меньшей мере блокируется метанной группой, чем в более низких широтах. В последнее время ученые все чаще стали высказываться о том, что нет веских доказательств для утверждений, что появление “озоновых дыр” – результат деятельности человека (Вестник РАН, 1996 Т. 61. № 9). Ученые считают, что аналогичные явления имели место ранее и обусловливались исключительно природными процессами, в частности 11-летними циклами солнечной активности. Что касается фреонов, то пузырьки воздуха из кернов льда подтверждают наличие его в атмосфере и в доиндустриальную эпоху. Из других причин разрушения озонового слоя называют уничтожение лесов как основных поставщиков кислорода в атмосферу. Высказывается также предположение, что над Антарктикой существуют своеобразные восходящие вихри, способствующие рассеиванию озона. Зарегистрировано также разрушение озона при выводе в космос летательных аппаратов (только один запуск “Шаттла” ответственен за потерю 10 млн.т озона), при ядерных взрывах в атмосфере, крупных пожарах и других явлениях, сопровождающихся поступлением в верхние слои атмосферы оксидов азота и некоторых углеводородов. Существует также гипотеза срыва озонового слоя кометой Галлея. Полагают, что с ее уходом концентрация озона обычно восстанавливается. Озон в нижних слоях атмосферы. Здесь озон выступает как сильный антиоксидант и бактерицид. Он способен уничтожать неприятные запахи и разрушать некоторые канцерогенные вещества. Вместе с тем при повышенных концентрациях озон проявляет себя как сильный яд. У людей он затрудняет дыхание и раздражает глаза, у растений повреждает ассимиляционный аппарат, разрушает хлорофилл. Согласно имеющимся оценкам, концентрация озона в приземном слое воздуха с начала индустриальной эпохи возросла в 2 раза и ежегодно повышается на 1,0-1,6%. Основной причиной этого являются фотохимические смоги.

Проблема глобального потепления: результаты наблюдений, факторы, современное состояние, причины, прогноз, средства предотвращения.

Причины таких изменений климата остаются неизвестными, однако среди основных внешних воздействий изменения орбиты Земли (циклы Миланковича), солнечной активности (в том числе и изменения солнечной постоянной), вулканические выбросы и парниковый эффект. По данным прямых климатических наблюдений (изменение температур в течение последних двухсот лет) средние температуры на Земле повысились, однако причины такого повышения остаются предметом дискуссий, но одной из наиболее широко обсуждаемых является антропогенный парниковый эффект. Парниковый эффект был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и впервые был количественно исследован Сванте Аррениусом в 1896. Это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты. На Земле основными парниковыми газами являются: водяной пар (ответственен за примерно 36-70 % парникового эффекта, без учёта облаков), углекислый газ (CO2) (9-26 %), метан (CH4) (4-9 %) и озон (3-7 %). Атмосферные концентрации CO2 и CH4 увеличились на 31 % и 149 % соответственно по сравнению с началом промышленной революции в середине XVIII века. Такие уровни концентрации достигнуты впервые за последние 650 тысяч лет — период, в отношении которого достоверные данные были получены из образцов полярного льда. Около половины всех парниковых газов, выброшенных человечеством, остались в атмосфере. Около трёх четвертей всех антропогенных выбросов парниковых газов за последние 20 лет вызваны использованием нефти, природного газа и угля. Бо́льшая часть остальных выбросов вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов. В пользу данной теории свидетельствуют и те факты, что наблюдаемое потепление более значимо: 1. зимой, чем летом; 2. ночью, чем днём; 3. в высоких широтах, чем в средних и низких. А также является фактом то, что быстрое нагревание слоёв тропосферы происходит на фоне не очень быстрого охлаждения слоёв стратосферы. Результаты последних исследований подкрепляют теорию о том, что причиной глобального потепления является человеческая деятельность. Исследование с участием ученых из Шотландии, Канады и Австралии показало, что вероятность естественных, а не антропогенных причин изменения климата на планете составляет не более 5 %. Согласно тому же исследованию, с 1980 года средняя температура воздуха на планете поднялась на 0.5 градуса по Цельсию, и Земля продолжает нагреваться примерно на 0.16 градуса за десятилетие. если рост выбросов углекислого газа в атмосферу продолжится, это приведет к сокращению количества осадков на юге Европы, в Северной Америке, некоторых частях Африки и Австралии. Все эти регионы и так уже страдают от засушливого климата. По словам исследователей, сейчас процесс глобального потепления отчасти замедляют океаны, поглощающие тепло. Однако это тепло все равно, в конце концов, вернется в атмосферу в результате испарения воды.

93. Проблема глобального потепления: результаты наблюдений, факторы, современное состояние, причины, прогноз, средства предотвращения.

Причины таких изменений климата остаются неизвестными, однако среди основных внешних воздействий изменения орбиты Земли (циклы Миланковича), солнечной активности (в том числе и изменения солнечной постоянной), вулканические выбросы и парниковый эффект. По данным прямых климатических наблюдений (изменение температур в течение последних двухсот лет) средние температуры на Земле повысились, однако причины такого повышения остаются предметом дискуссий, но одной из наиболее широко обсуждаемых является антропогенный парниковый эффект. Парниковый эффект был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и впервые был количественно исследован Сванте Аррениусом в 1896. Это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты. На Земле основными парниковыми газами являются: водяной пар (ответственен за примерно 36-70 % парникового эффекта, без учёта облаков), углекислый газ (CO2) (9-26 %), метан (CH4) (4-9 %) и озон (3-7 %). Атмосферные концентрации CO2 и CH4 увеличились на 31 % и 149 % соответственно по сравнению с началом промышленной революции в середине XVIII века. Такие уровни концентрации достигнуты впервые за последние 650 тысяч лет — период, в отношении которого достоверные данные были получены из образцов полярного льда. Около половины всех парниковых газов, выброшенных человечеством, остались в атмосфере. Около трёх четвертей всех антропогенных выбросов парниковых газов за последние 20 лет вызваны использованием нефти, природного газа и угля. Бо́льшая часть остальных выбросов вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов. В пользу данной теории свидетельствуют и те факты, что наблюдаемое потепление более значимо: 1. зимой, чем летом; 2. ночью, чем днём; 3. в высоких широтах, чем в средних и низких. А также является фактом то, что быстрое нагревание слоёв тропосферы происходит на фоне не очень быстрого охлаждения слоёв стратосферы. Результаты последних исследований подкрепляют теорию о том, что причиной глобального потепления является человеческая деятельность. Исследование с участием ученых из Шотландии, Канады и Австралии показало, что вероятность естественных, а не антропогенных причин изменения климата на планете составляет не более 5 %. Согласно тому же исследованию, с 1980 года средняя температура воздуха на планете поднялась на 0.5 градуса по Цельсию, и Земля продолжает нагреваться примерно на 0.16 градуса за десятилетие. если рост выбросов углекислого газа в атмосферу продолжится, это приведет к сокращению количества осадков на юге Европы, в Северной Америке, некоторых частях Африки и Австралии. Все эти регионы и так уже страдают от засушливого климата. По словам исследователей, сейчас процесс глобального потепления отчасти замедляют океаны, поглощающие тепло. Однако это тепло все равно, в конце концов, вернется в атмосферу в результате испарения воды.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *