Лекция 4. Факторы среды
 Скачать 328.5 Kb.
|
|
1 2
Лекция 4 ФАКТОРЫ СРЕДЫ Под средой обитания понимаются природные тела и явления, с которыми организмы находятся в прямых или косвенных взаимоотношениях. §1 Общее понятие о факторах среды В основе взаимодействия организмов и окружающей их среды находятся причинно-следственные отношения. Организм получает из окружающей среды информацию в виде определенных сигналов, имеющих материальную природу, и реагирует на эти сигналы. Основоположник кибернетики (науки управления) Нор-берт Винер определял информацию следующим образом. Информация – это обозначение содержания (сигналов), полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления наших чувств. При помощи подобных сигналов осуществляется управление жизнедеятельностью организма. Исходя из этого, окружающая среда рассматривается как источник поступающей информации – это все тела и явления (природные и антропогенные), с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях. В экологии все поступающие к организму сигналы называют факторами. Экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями. В общем случае, фактор – это движущая сила какого-либо процесса или влияющее на организм условие. Каждый живой организм в течение всей своей жизни находится под воздействием множества экологических факторов, различающихся происхождением, качеством, количеством, временем воздействия, т.е. режимом. Таким образом, окружающая среда – это фактически набор воздействующих на организм экологических факторов. Каждый отдельный фактор (будь то влажность, температура, давление, белки пищи, количество хищников, химическое соединение в воздухе и т. п.) характеризуется мерой и числом, т. е. его можно измерить во времени и пространстве (в динамике), сравнить с каким-либо эталоном, подвергнуть моделированию, предсказанию (прогнозу) и в конечном счете изменить в заданном, направлении. Управлять можно только тем, что имеет меру и число. Экологические факторы очень многообразны как по своей природе, так и по воздействию на живые организмы. Условно все факторы среды подразделяются на три основные группы – абиотические, биотические и антропогенные.  Рис. 1. Классификация экологических факторов Абиотические факторы – это факторы неживой природы, прежде всего климатические (солнечный свет, температура, важность) и местные (рельеф, свойства почвы, соленость, течения, ветер, радиация и т. д.). Эти факторы могут влиять на организмы прямо, то есть непосредственно, либо косвенно (как, например, рельеф, который обусловливает действие прямых факторов – освещенности, увлажнения, ветра и прочих). Биотические факторы – это всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга (например, опыление насекомыми растений, конкуренция, поедание одних организмов другими, паразитизм) и на среду. Биотические взаимоотношения имеют чрезвычайно сложный и своеобразный характер и также могут быть прямыми и косвенными. К биотическим факторам относятся зоогенные (влияние животных), фитогенные (влияние растений), микробогенные (влияние микроорганизмов). Антропогенные факторы – это все те формы деятельности человека, которые воздействуют на естественную природную среду, изменяя условия обитания живых организмов, или непосредственно влияют на отдельные виды растений и животных. Иногда различают антропические и антропогенные факторы. К первым относят лишь прямые воздействия человека на природу (загрязнение, промысел, борьбу с вредителями), а ко вторым – преимущественно косвенные последствия, связанные с изменением качества окружающей среды. В свою очередь организмы сами могут оказывать влияние на условия своего существования. Например, наличие растительного покрова смягчает суточные колебания температуры вблизи поверхности земли (под пологом леса или травы), а также колебания влажности и ветра, влияет на структуру и химический состав почв. Все имеющиеся в природе экологические факторы воздействуют на жизнь организмов по-разному и имеют различную степень важности для разных видов. В то же время набор факторов и их значимость для живых организмов зависят от среды обитания. На Земле существуют четыре основные среды обитания, освоенные и заселенные организмами. Это – водная среда, наземно-воздушная, почвенная и, наконец, среда, образуемая самими живыми организмами, каждая из которых сред имеет свои специфические условия жизни. Наряду с рассмотренной, существуют и другие классификации экологических факторов. 1. Выделяют факторы зависимые и независимые от численности и плотности организмов. Например, климатические факторы не зависят от численности животных, растений, а массовые заболевания, вызываемые патогенными микроорганизмами (эпидемии) у животных или растений, безусловно, связаны с их численностью: эпидемии возникают при тесном контакте между индивидуумами или при их общем ослаблении из-за нехватки корма, когда возможна быстрая передача болезнетворного начала от одной особи к другой, а также утрачена сопротивляемость к патогену. Макроклимат от численности животных не зависит, а микроклимат может существенно изменяться в результате их жизнедеятельности. Если, например, насекомые при их высокой численности в лесу уничтожат большую часть хвои или листвы деревьев, то здесь изменится ветровой режим, освещенность, температура, качество и количество корма, что скажется на состоянии последующих поколений тех же или других обитающих здесь животных. Массовые размножения насекомых привлекают насекомых-хищников и насекомоядных птиц. Урожаи плодов и семян влияют на изменение численности мышевидных грызунов, белки и ее хищников, а также многих птиц, питающихся семенами. 2. Можно делить все факторы на регулирующие (управляющие) и регулируемые (управляемые), что также легко понять в связи с приведенными выше примерами. 3. Классификация А. С. Мончадского: все приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам связаны со степенью постоянства их воздействия, или, иначе говоря, с их периодичностью. В частности, он выделял:
Разумеется, "непериодично" лишь само тело почвы, подстилающие ее грунты, а динамика температуры, влажности и многих других свойств почвы также связана с первичными периодическими факторами. Антропогенные факторы однозначно относятся к непериодическим. 4. Кроме того, факторы могут быть как прямого (непосредственного), так и опосредованного действия. Различия между ними состоят в том, что фактор прямого действия можно выразить количественно, в то время как факторы непрямого действия – нет. Например, климат или рельеф могут быть обозначены в основном словесно, но они определяют режимы факторов прямого действия – влажности, длины светового дня, температуры, физико-химических характеристик почвы и др. В последующих разделах книги именно о факторах прямого действия и будет идти речь. §2 Абиотические факторы К абиотическим факторам относятся факторы космические (солнечная радиация) климатические (свет, температура, влажность, атмосферное давление, осадки, движение воздуха), эдафические или почвенные факторы (механический состав почвы, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность почвы), орографические факторы (рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона), химические факторы (газовый состав воздуха, солевой состав и кислотность воды и почвенных растворов). Абиотические факторы воздействуют на живые организмы (прямо или косвенно) через те или иные стороны обмена веществ. Их особенностью является односторонность воздействия: организм может к ним приспособиться, но не оказывает на них существенного влияния. I. Космические факторы Биосфера, как среда обитания живых организмов, не изолирована от сложных процессов, протекающих в космическом пространстве, причем связанных непосредственно не только с Солнцем. На Землю попадает космическая пыль, метеоритное вещество. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами. Через Галактику проходят вещества и волны, возникающие в результате вспышек сверхновых звезд. Разумеется, наша планета наиболее тесно связана с процессами, происходящими на Солнце, – с так называемой солнечной активностью. Суть этого явления состоит в превращении энергии, накапливающейся в магнитных полях Солнца, в энергию движения газовых масс, быстрых частиц, коротковолнового электромагнитного излучения. Наиболее интенсивные процессы наблюдаются в центрах активности, называемых активными областями, в которых наблюдается усиление магнитного поля, возникают области повышенной яркости, а также так называемые солнечные пятна. В активных областях могут происходить взрывоподобные выделения энергии, сопровождающиеся выбросами плазмы, внезапным появлением солнечных космических лучей, усилением коротковолнового и радиоизлучения. Известно, что изменения уровня вспышечной активности имеют циклический характер с обычным циклом, равным 22 годам, хотя известны колебания периодичностью от 4,3 до 1850 лет. Солнечная активность влияет на ряд жизненных процессов на Земле – от возникновения эпидемий и всплесков рождаемости до крупных климатических преобразований. Это было показано еще в 1915 г. русским ученым А. Л. Чижевским, основателем новой науки – гелиобиологии (от греч. хелиос — Солнце), рассматривающей воздействие изменений активности Солнца на биосферу Земли. Таким образом, к числу важнейших космических факторов относится связанное с солнечной активностью электромагнитное излучение с широким диапазоном длин волн. Поглощение атмосферой Земли коротковолнового излучения 3 м), около 7 % - на ультрафиолетовую (длина волны менее 400 нм). В процессах фотосинтеза наиболее важную роль играет фотосинтетически активная радиация (380-710 нм). Количество энергии солнечного излучения, поступающего к Земле (к верхней границе атмосферы), практически постоянно и оценивается значением 1370 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. Проходя через атмосферу, солнечное излучение рассеивается на молекулах газов, на взвешенных примесях (твердых и жидких), поглощается водяными парами, озоном, диоксидом углерода, пылевидными частицами. Рассеянное солнечное излучение частично доходит до земной поверхности. Его видимая часть создает свет днем при отсутствии прямых солнечных лучей, например при сильной облачности. Энергия солнечного излучения не только поглощается поверхностью Земли, но и отражается ею в виде потока длинноволнового излучения. Более светло окрашенные поверхности отражают свет более интенсивно, чем темные. Так, чистый снег отражает 80-95 %, загрязненный - 40-50, черноземная почва - 5-14, светлый песок - 35-45, полог леса - 10-18%. Отношение отражаемого поверхностью потока солнечного излучения к поступившему называется альбедо. С лучистой энергией Солнца связана освещенность земной поверхности, определяющаяся продолжительностью и интенсивностью светового потока. У растений и животных в процессе эволюции выработались глубокие физиологические, морфологические и поведенческие адаптации к динамике освещенности. У всех животных, включая человека, существуют так называемые циркадные (суточные) ритмы активности. Требования организмов к определенной продолжительности темного, и светлого времени носят название фотопериодизма, причем особенно важное значение имеют сезонные колебания освещенности. Прогрессивная тенденция к уменьшению продолжительности светового дня от лета к осени служит информацией для подготовки к зимовке или спячке. Поскольку фотопериодические условия зависят от широты, у ряда видов (в первую очередь у насекомых) могут образовываться географические расы, различающиеся по пороговой продолжительности дня. 2. Температура Температурная стратификация – это изменение температуры воды по глубине водного, объекта. Непрерывное, изменение температуры характерно для любых экологических систем. Часто для обозначения такого изменения используют слово "градиент". Однако температурная стратификация воды в водоеме – специфическое явление. Так, в летний период поверхностные воды нагреваются сильнее, чем глубинные. Поскольку более теплая вода имеет меньшую плотность и меньшую вязкость, то ее циркуляция происходит в поверхностном, нагретом слое и с более плотной и более вязкой холодной водой она не смешивается. Между теплым и холодным слоем образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры, которую называют термоклиной. Общий температурный режим, связанный с периодическими (годовыми, сезонными, суточными) изменениями температуры, также является важнейшим условием обитания живых организмов в воде. 3. Влажность. Влажность воздуха – это содержание в воздухе водяного пара. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 1,5-2,0 км), где концентрируется примерно 50 % всей атмосферной влаги. Содержание водяного пара в воздухе зависит от температуры последнего. Обычно содержание паров воды в воздухе не достигает возможного максимума. Разница между максимально возможным и данным конкретным насыщением называется дефицитом влажности, или недостатком насыщения. Это важнейший экологический показатель, широко используемый в сельском и лесном хозяйстве. 4. Атмосферные осадки – это вода в жидком (капли) или твердом состоянии, выпадающая на земную поверхность из облаков или осаждающаяся непосредственно из воздуха вследствие сгущения водяного пара. Из облаков могут выпадать дождь, снег, морось, ледяной дождь, снежные зерна, ледяная крупа, град. Количество выпавших осадков измеряется толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах. Осадки тесно связаны с влажностью воздуха и представляют собой результат конденсации водяных паров. Вследствие конденсации в приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги. Конденсация и кристаллизация паров воды в более высоких слоях атмосферы образуют облака различной структуры и являются причиной атмосферных осадков. Выделяют влажные (гумидные) и сухие (аридные) зоны земного шара. Максимальное количество осадков выпадает в зоне тропических лесов (до 2000 мм/год), в то время как в аридных зонах (например, в пустынях) – 0,18 мм/год. Атмосферные осадки – важнейший фактор, оказывающий влияние на процессы загрязнения природной среды. Присутствие водяных паров (тумана) в воздухе при одновременном поступлении в него, например, диоксида серы приводит к тому, что последний превращается в сернистую кислоту, которая окисляется до серной. В условиях застоя воздуха (штиль) образуется устойчивый токсичный туман. Подобные вещества могут вымываться из атмосферы и выпадать на поверхность суши и океана. Типичным результатом являются так называемые кислотные дожди. Твердые примеси в атмосфере могут служить ядрами конденсации влаги, вызывая разные формы осадков. 5. Атмосферное давление. Нормальным давлением принято считать 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). В пределах поверхности земного шара существуют области высокого и низкого давления, причем наблюдаются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления в одних и тех же точках. Различаются также морской и континентальный типы динамики атмосферного давления. Периодически возникающие области низкого давления носят название циклонов и характеризуются мощными потоками воздуха, движущегося по спирали и перемещающегося в пространстве к центру. Циклоны связаны с неустойчивой погодой и большим количеством осадков. В противоположность им, антициклоны характеризуются устойчивой погодой, низкими скоростями ветра, в ряде случаев температурными инверсиями. При антициклонах могут возникать неблагоприятные с точки зрения переноса и рассеивания примесей метеорологические условия. 6. Движение воздуха. Причиной образования ветровых потоков и перемещения воздушных масс является неравномерный нагрев разных участков земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, но и вращение Земли также влияет на циркуляцию воздушных масс в глобальном масштабе. В приземном слое воздуха движение воздушных масс оказывает влияние на все метеорологические факторы окружающей среды, т.е. на климат, включая режимы температуры, влажности, испарения с поверхности суши и моря, а также транспирацию растений. Особенно важно знать, что ветровые потоки – важнейший фактор переноса, рассеивания и выпадения загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от промышленных предприятий, теплоэнергетики, транспорта. Сила и направление ветра определяют режимы загрязненности окружающей среды. Например, штиль в сочетании с инверсией температуры воздуха рассматривается как неблагоприятные метеорологические условия (НМУ), способствующие длительному сильному загрязнению воздуха в районах промышленных предприятий и проживания людей. Общие закономерности распределения уровней и региональных режимов экологических факторов Географическая оболочка Земли (как и биосфера) неоднородна в пространстве, она дифференцирована на отличающиеся друг от друга территории. Ее последовательно делят на физико-географические пояса, географические зоны, внутризональные горные и равнинные области и подобласти, подзоны и т. д. Физико-географический пояс – это крупнейшая таксономическая единица географической оболочки, слагающаяся из ряда географических зон, близких по тепловому балансу и режиму увлажнения. Выделяют, в частности, арктический и антарктический, субарктический и субантарктический, северные и южные умеренные и субтропические, субэкваториальный и экваториальный пояса. Географическая (она же – природная, ландшафтная) зона – это значительная часть физико-географического пояса с особым характером геоморфологических процессов, с особыми типами климата, растительности, почв, животного и растительного мира. Зоны имеют преимущественно (хотя далеко не всегда) вытянутые в широком плане очертания и характеризуются сходными природными условиями, определенной последовательностью в зависимости от широтного положения – это широтная географическая зональность, обусловленная главным образом характером распределения солнечной энергии по широтам, т. е. с уменьшением ее прихода от экватора к полюсам и неравномерностью увлажнения. Наряду с широтной существует также типичная для горных районов вертикальная (или высотная) зональность, т. е. смена растительности, животного мира, почв, климатических условий, по мере подъема от уровня моря, связанная в основном с изменением теплового баланса: перепад температуры воздуха составляет 0,6-1,0 °С на каждые 100 м высоты. III. Эдафические или почвенные факторы Согласно определению В. Р. Вильямса, почва – рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений. Плодородие зависит от физических и химических свойств почвы, которые в совокупности представляют собой эдафогенные (от греч. эдафос - почва), или эдафические, факторы. 1. Механический состав почвы. Почва – продукт физического, химического и биологического преобразования (выветривания) горных пород, является трехфазной средой, содержащей твердые; жидкие и газообразные компоненты. Она формируется в результате сложных взаимодействий климата, растений, животных, микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые и неживые компоненты. В мире существует множество типов почв, связанных с различными климатическими условиями и спецификой процессов их образования. Почвы характеризуются определенной поясностью, хотя пояса далеко не всегда имеют сплошной характер. Среди главнейших типов почв России можно назвать тундровые, подзолистые почвы таежно-лесной зоны (самые распространенные), черноземы, серые лесные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от черноземных), бурые почвы (характерны для сухих степей и полупустынь), красноземы, солончаки и др. В результате перемещения и превращения веществ почва обычно расчленяется на отдельные слои, или горизонты, сочетание которых на разрезе образует профиль почвы (рис. 2), который в общем виде выглядит следующим образом:
 Рис. 2 Профиль почвы 2. Влагоемкость. 3. Воздухопроницаемость. 4.Плотность почвы. IV. Орографические (геоморфологические) факторы Эти факторы имеют преимущественно косвенное значение, поскольку, например, отметка местности (высота) собственно экологическим фактором не является. Но от высоты, от степени крутизны склона горы или холма, ориентации склона относительно стран света, общей структуры рельефа зависит весь комплекс микроклиматических и почвенных факторов. 1. Рельеф. Рельеф оказывает влияние на процессы почвообразования, причем почвы на склонах особенно ранимы и уничтожение растительности (например, при рубках леса), усиленная пастьба скота вызывают разрушение почв (эрозию). Существует ряд ограничений на вырубку лесов в горах, на иные виды пользования. Рельеф местности является одним из важнейших факторов, от которых зависит перенос, рассеивание и накопление вредных примесей в атмосферном воздухе. Различают самые крупные формы рельефа, связанные" с процессами горообразования (макрорельеф), формы с колебаниями высоты от 1 до 10 м (мезорельеф) и самые мелкие формы с перепадами в пределах десятков сантиметров (микрорельеф). В условиях пересеченного рельефа с вытянутыми элементами (ущельями, каньонами) образуются своего рода "трубы", через которые вредные примеси могут переноситься на десятки километров. 2. Высота над уровнем моря. Зональная поясность. 3. Экспозиция склона. Крутизна склона и особенности его поверхности могут сказываться на развитии корневых систем растений, их внешнем строении: в горных условиях ряд древесных пород приобретает низкорослость, стелющиеся (так называемые стланиковые) формы. V. Химические факторы 1. Газовый состав воздуха. Атмосфера состоит в основном из кислорода и азота (табл. 1). На высоте 110—120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400-500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400—600 км. Таблица 1
Выше 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий. Гелиевая корона Земли простирается примерно до высоты 1600 км, а выше 2000-3000 км преобладает водород. 2. Солевой состав, кислотность воды и почвенных растворов Гидросферой называется водная оболочка Земли – совокупность океанов, морей, озер, прудов, водохранилищ, болот, рек и ручьев, а также подземных вод, включая поверхностные и глубинные. Подвижность, т. е. постоянное перемещение и перемешивание водных масс в пространстве, способствует поддержанию относительной гомогенности (однообразию) их физических и химических характеристик. Прозрачность воды определяет проникновение в ее толщу солнечного света и световой режим. От прозрачности (и обратной ей характеристики мутности) зависит фотосинтез фитопланктона, высших водных растений, а следовательно, и накопление биомассы (продукция), которое воз можно лишь в пределах так называемой эвфотической .(от греч. эв - пере, сверх, фотос - свет) зоны, т. е. в освещенной толще воды, где процессы фотосинтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность связана с содержанием в воде взвешенных веществ, в том числе и поступающих в водные объекты с промышленными и иными стоками. Соленость связана с содержанием в воде растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных водах их содержание невелико, причем до 80 % составляют карбонаты. Воды открытого океана содержат в среднем 35 г/л солей, Черного моря - 19, Каспийского - около 13, Мертвого - 260 г/л с преобладанием хлоридов кальция, калия, натрия, магния. Растворенные газы – первоочередное значение имеют кислород и углекислый газ, от которых зависят фотосинтез и дыхание водообитающих организмов. Перерасход кислорода на дыхание водных обитателей и окисление поступающих в воду загрязняющих веществ ведет к преобладанию анаэробных процессов, "загниванию" воды, избытку мертвой органики, т.е. к процессам эвтрофирования (от греч. эв -пере, сверх, трофе - питаюсь). Распространение и жизнедеятельность организмов в воде зависят от кислотности среды. 3. Состав литосферы. Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, постепенно с глубиной переходящая в сферы с меньшей плотностью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50-200 км, в том числе земной коры – до 50-75 км на континентах и 5-10 км на дне океана. Верхние слои литосферы (до 2-3 км, по некоторым данным – до 8,5 км) называются литобиосферой. В некоторых книгах понятия "литосфера" и "земная кора" рассматриваются как синонимы. Химический состав земной коры на глубинах 10-20 км в основном (более 99 %) следующий (в массовых долях, %):
Природные химические соединения элементов земной коры называются минералами. Из них и состоят многочисленные типы горных пород. Основными группами горных пород являются магматические, осадочные и метаморфические. Магматические породы – это результат застывания вулканической магмы, разлившейся по поверхности суши или внедрившейся в глубь земной коры (представлены в основном гранитом). Осадочные породы – это преимущественно поверхностные образования, возникшие при разрушении и переотложении других – ранее сформировавшихся – горных пород (щебень, гравий, песок, галечники, песчаники, глины). Метаморфические (от греч. метаморфоз –превращение) породы – это продукты изменения магматических и осадочных пород в результате воздействия физико-химических процессов, в основном – высоких температур и давлений (железистые кварциты, мрамор, гнейс и др.). Литосфера не является застывшим, неподвижным образованием. В ней постоянно происходят длительные (многовековые перемещения материков) и кратковременные (землетрясения) физические процессы, вулканические извержения.
1 2
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||