Реферат на тему:
Складові і процеси природних екосистем
Загальні проблеми екології та характеристики біосфери (атмосфери,
гідросфери і літосфери) в їхньому глобальному аспекті. Зрозуміло, що
вони різняться за регіонами і щодо окремих екосистем, які й утворюють
наше безпосереднє життєве середовище.
Різні живі організми (біотичні) перебувають у постійній взаємодії з
неживим (абіотичним) середовищем. Разом вони утворюють окремі біосистеми
(біотичні суспільства), які, засвоюючи енергетичні потоки, здійснюють
кругообіг речовини між її живою і неживою частинами. Живі організми й
неживе середовище взаємно впливають на генезис і морфологію один одного
і утримують їх у тій формі, яка існує на Землі.
Американський еколог Ю. Одум виділяє чотири основні компоненти
екосистеми — потік енергії, кругообіг речовини, біотичне суспільство і
так звані керуючі зворотні зв’язки. Біотичне суспільство екосистеми — це
зелені рослини (автотрофи), що самостійно живляться, здійснюючи
конверсію сонячної енергії в хімічну енергію міжатомного зв’язку в
клітковині, і ті живі організми, які потребують готової рослинної їжі
(гетеротрофи).
Особливістю будь-якої екосистеми є те, що потік променевої сонячної
енергії, спрямований в один бік за схемою «вхід — вихід» системи для
підтримування температурних умов її функціонування, деградує
(розсіюється), залишаючи систему у формі низькоякісної теплової енергії.
Отже, енергія використовується тільки один раз (рис. 31).
Рис. 31. Схема потоку енергії в природній екосистемі
Хімічні біогенні елементи С, Н, О, N, формуючи автотрофи і гетеротрофи,
можуть бути використані багаторазово. Отже, за такою схемою в природній
екосистемі поживні елементи будови організму майже повністю рухаються в
трофічному циклі — від автотрофів до гетеротрофів і від останніх знов до
автотрофів. Проте потік енергії не є повністю однонапрямлений. Частково
він трансформується в продукти фотосинтезу автотрофів, а далі в енергію
хімічного зв’язку речовин — складових гетеротрофних організмів, залишки
яких, у свою чергу, живлять автотрофи через їхнє коріння (рис. 32).
Рис. 32. Джерела і потоки матеріального і енергетичного
живлення природних екосистем
Реальними одиницями екосистеми можуть бути природні об’єкти, такі як
озера, ліси, луки, окремі селища й міста.
За Ю. Одумом для таких екосистем суттєвими є певні закономірності:
1. Що більша за розмірами одиниця екосистеми, то менше вона залежить від
впливу зовнішніх середовищ на «вході» й «виході».
2. Що інтенсивніший обмін в екосистемі, то більший приплив і відтік
енергії та речовини.
3. Що більше порушено збалансованість автотрофних і гетеро-
трофних процесів, то більшим має бути приплив енергії із зовнішнього
середовища для відновлення таких процесів.
Розглянемо як приклади такі екосистеми, як озеро і луг.
Зрозуміло, що в озері рослини, мікроорганізми, риба і комахи не тільки
засвоюють енергію середовища, розмножуються й гинуть, а і формують
хімічний склад води, мулу й розчиненого повітря, тобто середовища в
цілому. Деякі більш-менш великі рослини й тварини можна відокремити від
середовища для спеціального вивчення і статистичних підрахунків, але
міріади дрібних організмів відокремити від їхнього неживого середовища
практично неможливо без зміни їхніх властивостей. Головні компоненти
абіотичного середовища — це вода, діоксид вуглецю, атмосферний кисень і
азот, солі. Останні містять три важливі біогенні елементи К, N, Р, які
входять до складу амінокислот, гумінових кислот тощо. Лише невелика
частина з них перебуває в розчиненому стані й безпосередньо доступна для
споживання живими організмами озера, а більшість є нерозчинною або
малорозчинною і перебуває у так званих фондах.
Те саме стосується й луків та інших наземних екосистем. Наприклад, у
лісі близько 90% азоту накопичено в органічній речовині грунту, понад 9%
у біомасі дерев і лише близько 0,5% у легкодоступній для живлення рослин
формі — у розчині солей грунтової води.
Найважливішими змінними факторами, які щоденно регулюють інтенсивність
функціонування кожної природної екосистеми, є:
1) надходження сонячної енергії і температурний добовий цикл;
2) швидкість звільнення необхідних елементів із «фондів» у розчин.
Біотичні групи й метаболізм екосистем. Біотичний «контингент» організмів
розглянутих екосистем (озеро, луки) становлять три головні групи.
Перша група — продуценти. В озері — це рослини (автотрофи), які
безпосередньо трансформують енергію сонця — біоенергію. У свою чергу,
автотрофи поділяють на два типи. Перший — це досить великі, укорінені в
грунті, або такі, що плавають на поверхні рослини (макрофіти), котрі
трапляються скрізь на мілководді, і другий тип — дрібні, ледь помітні
плаваючі рослини й водорості — фітопланктон, який населяє товщу води аж
до глибин, куди вже не потрапляє світло. Дуже часто (неспеціалісти)
навіть не помічають численного фітопланктону, хоч у великих водоймищах
(а також в океані) він є основним продуцентом корму для всієї
екосистеми.
Друга група — макроконсументи. Серед них два види: первинні —
рослиноїдні та вторинні — м’ясоїдні. У водоймищах серед рослиноїдних
макроконсументів залежно від споживних продуцентів виділяють первинні —
зоопланктон (тваринний планктон) та бентос (донні форми) — і вторинні —
хижа риба. На лукових екосистемах відповідно первинні — це рослиноїдні
комахи, гризуни й копитні (ссавці), а вторинні — хижі комахи і тварини.
Третя група — сапротрофні організми. До цієї групи належать бактерії,
які живляться гнилими рештками інших організмів, джгутикові й гриби. У
водоймищах ці організми найчисленніші на поверхні поділу мулу й води, а
в лукових екосистемах — на межі грунту й підстилки. Сапротрофні
організми часто утворюють взаємовигідну асоціацію з рослинами і
становлять невід’ємну частину їхніх коренів. Після відмирання рослини і
тварини зазнають розкладаючої дії мікроорганізмів, унаслідок чого
частина поживних елементів біомаси рослин вивільняється і знову
використовується живими організмами. Складові рослин — целюлоза й лігнін
— дуже стійкі хімічні системи, які утворюють гумус грунту. Завдяки їм
рослинний грунт і донні осади мають губчасту структуру, сприятливу для
росту коріння рослин і розмноження корисної мікрофлори.
Отже, в озері чи водоймищі вода за глибиною поділяється на дві зони:
верхню (автотрофну), де відбувається фотосинтез біомаси, і нижню
(гетеротрофну), де мікроорганізми розкладають відмерлу біомасу і
регенерують елементи споживання для створення нової біомаси у верхній
зоні. Суттєва відмінність процесів метаболізму у верхній автотрофній і
нижній гетеротрофній зонах полягає у тім, що у верхній зоні завдяки
процесу фотосинтезу вода насичується киснем, а в нижній кисень
витрачається на окиснювання біомаси відмерлих організмів.
У чистій воді літнього дня на 1 m2 поверхні генерується до 10 g кисню,
що перевищує його витрати на дихання всіма організмами екосистеми на цій
площі.
Наземні автотрофи (дерева, трава) звичайно не такі численні, як водні,
але вони значно більші й витрачають більше енергії на будову опорної
тканини — целюлози й лігніну, які майже не руйнуються консументами. Це
зумовлює різницю у швидкості метаболізму і кругообігу хімічних елементів
речовини. У водоймищі мікроскопічні рослини в період активного
метаболізму екосистеми оновлюються за добу, а дерева великого лісу —
приблизно за 100 років.
Поняття кругообігу особливо корисне для аналізу обміну біогенних
елементів між організмами й середовищем.
Для забезпечення науково обгрунтованої організації агрогосподарського
використання орних земель, аналізу і регуляції взаємообміну елементами
рослини з атмосферою і грунтом та збереження його родючості, особливо
корисне розроблене агронаукою поняття кругообігу елементів.
Рослина, формуючи свою біомасу, завдяки процесу фотосинтезу, який
відбувається в її листі, засвоює з повітря діоксид вуглецю і воду,
синтезуючи глюкозу — вихідний мономер макромолекул целюлози (надлишковий
кисень повертається в атмосферу). Своїми коріннями рослина вилучає азот,
фосфор, калій і інші елементи з розчину відповідних солей у грунті і
включає їх у структуру лігніну біомаси. Отже, відбувається процес
упорядкування елементів системи: атмосфера — рослина — грунт з
поглинанням сонячної енергії і зменшенням ентропії згідно з другим
законом термодинаміки.
Після відмирання рослини відбувається зворотний процес довільного
розпаду біомаси з вивільненням колись поглинутої сонячної енергії, який
супроводжується збільшенням ентропії навколишнього середовища:
упорядковані атомні структури лігніну і целюлози, окиснюючись,
вивільняють вуглець в молекулах СО2. Останній частково вилучається в
атмосферу, а частково разом з елементами живлення (N, P, K) залишаючись
у грунті, зв’язується у стійкі високомолекулярні сполуки гумусу.
Поступово, у процесі мінералізації гумусу, під дією мікроорганізмів
азот, фосфор, калій та інші елементи вивільняються у формі водорозчинних
хімічних сполук, доступних для живлення рослин. Таким чином, цикл
кругообігу елементів в процесах живлення рослини і мінералізації
відмерлої біомаси замикається (рис. 33). У природних екосистемах
(біоценозах), не зруйнованих аграрним землекористуванням, такі процеси
відбуваються збалансовано, що зумовлює щорічне стале відновлення їхньої
флори і фауни. Привертає увагу цікавий факт — процес мінералізації
відмерлої органічної речовини відбувається за певною «програмою»,
зумовленою зміною вмісту й активності певних мінералізуючих
мікроорганізмів у грунті. Протягом року спостерігаються два піки
збільшення мікроорганізмів (консументів) та інтенсивності процесів
мінералізації біомаси і гумусу: весняний (квітень — початок червня) і
осінній (кінець серпня — вересень). Саме в ці періоди споживні елементи
N, P, K та інші, що вивільняються з гумусу, найбільш активно засвоюються
рослинами (рис. 34). Спрощену схему кругообігу біогенних елементів і
потоку енергії в біоценозах було наведено на рис. 32.
У сучасних аграрних екосистемах (агроценозах) порушується природна
збалансованість кругообігу споживних елементів рослини.
Розбалансованість біохімічного кругообігу елементів відбувається
внаслідок їхнього відчуження в процесі агроценозу та збирання врожаю. Це
призводить до збіднення грунтів гумусом і зниження їхньої родючості.
Цьому також сприяє інтенсивне застосування мінеральних добрив.
Використання як добрив органічних тваринних відходів (екскретів) сприяє
збереженню природного балансу, мінералізації та утворенню гумусу в
грунті в межах 1,7—2%.
Рис. 33. Схема кругообігу речовин у процесах фотосинтезу
і мінералізації речовин рослиною
Рис. 34. Сезонні фази активної мінералізації залишків біомаси рослин у
грунті
1. Кількість діоксиду вуглецю, вивільненого з одного гектара — СO2,
kg/ha.
2. Кількість мікроорганізмів (n) в одному грамі грунту, n/g. 3.
Кількість азоту, засвоєного рослинами N, kg/ha.
Завдання сучасного грунтознавства полягає у виявленні достовірних
трендів зміни вмісту гумусу в грунті і розрахунках терміну стабілізації
врівноважування процесів гумусоутворення і збільшення родючості грунту.
2.2.3. Урбанізовані екосистеми
Сучасні промислові та агропромислові комплекси є урбанізованими
енергоємними екосистемами, які одержують енергію й поживні речовини з
великих площ поза своїми межами. Суттєвими ознаками урбанізованих
екосистем порівняно з природними є:
значно більша інтенсивність метаболізму на одиницю площі, для чого
потрібен великий приплив концентрованої енергії ззовні (в основному у
формі палива — нафти, вугілля, газу, електроенергії);
велика незбалансованість кругообігу речовини й утворення інтенсивного
потоку шкідливих для екосистеми відходів, які згубно діють на її
біологічні процеси;
великі потреби у зовнішньому постачанні «конструкційних» матеріалів
(промислових і сільськогосподарських) для функціонування системи.
,
.
02??’
’
“чи сільських екосистемах, і в стільки ж разів перевищує фізіологічні
потреби людини. Потужність самого людського організму дуже незначна. За
добу доросла людина в середньому може виконати роботу 2…4 МJ(~1 kW · h),
тоді як, спалюючи 1 kg бензину, газу чи вугілля, можна отримати (з
урахуванням коефіцієнта корисної дії) до 10 МJ.
У місті енергія палива (газ, вугілля, електрика) не просто доповнює, а
повністю замінює сонячну енергію — основу будь-якої природної
екосистеми. Більше того, за сучасних методів ведення міського
господарства сонячна енергія в місті не тільки не використовується, а є
шкідливою, утворюючи смог, перегріваючи споруди й автошляхи влітку (рис.
35).
Рис. 35. Схема утворення смогу в техногенно перевантажених промислових
містах
Нині немає надії, що людина добровільно зменшить споживання енергії,
навпаки, воно зростатиме, бо це збільшує прибутки виробництва, як було
показано на рис. 3. Навіть у країнах, які прийнято вважати промислово
нерозвиненими, міста зростають швидше, ніж загальна кількість населення.
Хоч площа міст відносно суходолу у різних країнах незначна (1—5%), але
їхній вплив на середовище «входу» й «виходу» природних екосистем дуже
відчутний: відбуваються зміни у складі атмосфери, води в річках, морях і
океанах, в умовах існування флори і фауни в лісах, степах, у гірських
районах, тим більше, що кількадесят років людство інтенсивно
використовувало в сільському господарстві синтетичні отруйні речовини
(ядохімікати).
Сучасне промислове місто з населенням 1 млн осіб і площею в 250 km2
потребує для свого забезпечення сільськогосподарської площі на «вході»
більше, ніж займає саме місто, у 20…30 разів. Для отримання щоденно
мільярдів літрів води такому місту потрібні великі річки чи водозабірні
водоймища. Можна дійти висновку, що місто чи урбанізований район у межах
своєї забудови не має якоїсь особливої екології, відокремленої від
екології навколишньої сільської місцевості. Правильно буде розглядати
міста як гетеротрофні організми в «аграрно-урбанізованій» глобальній
екосистемі — біосфері (рис. 36). На жаль, цього й досі не враховують як
«промислові» та «сільськогосподарські» керівники, так і місцеве та
сільське населення, що призводить до нераціонального розвитку економіки
міських і сільських регіонів.
А який технічний об’єкт у сучасному промисловому місті є найшкідливішим
для його екології? Виявляється, що це зовсім не промисловість, а
автотранспорт. Сучасний світовий автопарк налічує близько мільярда
автомашин, тракторів і інших мотозасобів. Їх кількість щороку
збільшується, у тім числі в країнах колишнього СРСР, де у великих містах
за останні п’ять років автопарк подвоївся. Підраховано, що кожний
автомобіль у середньому викидає в повітря за добу до 4 m3 токсичних
речовин, із яких понад 3 m3 СО (монооксиду вуглецю). За даними ООН із
десяти головних промислових забруднювачів атмосфери монооксидом вуглецю
автомобіль займає друге місце. Деякі країни, у тім числі, на жаль, і
наша, ще й досі не відмовились від використання тетраетилсвинцю, що
поліпшує якість пального (октанове число), але водночас і значно
збільшує шкідливість викидів. У великих містах автомобілі «постачають» у
повітряний басейн до 90% всіх отруйних речовин, у тім числі найбільш
канцерогенний 1,2-бензопірен (С20Н12).
Саме автотранспорт спричиняє таке небезпечне для здоров’я явище, як
смог. Наприклад, в Лос-Анжелесі і Токіо за нависання смогу
спостерігались ознаки масового отруєння людей.
Як було показано на рис. 34, смог виникає за забруднення атмосфери
різними оксидами азоту NxOy, які надходять з димом теплових
електростанцій і заводів, і вуглеводів CnHm з вихлопів автомашин.
Спочатку молекула діоксиду азоту під впливом ультрафіолетового сонячного
проміння розпадається на монооксид азоту і радикал кисню: NO2 ( NO+ +
O–, а останній, реагуючи з киснем повітря, утворює озон: O– + O2 = O3.
За наявності в повітрі вуглеводневих ненасичених сполук озон утворює з
ними органічні сполуки, які, у свою чергу, взаємодіють з оксидами азоту,
утворюючи альдегіди й нітроорганічні сполуки типу пероксиацетилнітратів
(РАN):
Такі фотохімічні процеси є наочним прикладом синергізму, коли сумарний
ефект токсичності первинних складових забруднень атмосфери підсилюється
продуктами їхньої взаємодії. Обидва продукти фотохімічного смогу
шкідливі як для здоров’я людей, так і для рослин: озон активізує дихання
рослини, що в суху погоду призводить до надлишкових витрат поживної
речовини і масової загибелі рослин. Водночас пероксиацетилнітрати
блокують процес фотосинтезу, що знижує утворення поживної речовини в
рослині. Як наслідок, навколо таких міст страждає сільське господарство.
У розвинутих країнах світу ведуться інтенсивні пошуки методів зниження
шкідливості викидів двигунів внутрішнього згоряння, на що витрачаються
величезні кошти. Так, у США і Японії понад 40% щорічного споживання
одного з найдорожчих металів — платини — витрачається на каталізатори в
автомобільних пристроях допалювання СО до СО2 у вихлопних газах. У цих
країнах також заборонено застосування для підвищення октанового числа
бензину добавок тетраетилсвинцю, а в Західній Європі прийнято стандарт,
який установлює граничну кількість його вмісту в бензині (до 0,013 g/l).
На жаль, у нас широке застосування бензину без тетраетилсвинцю
планується лише на наступне сторіччя. Перспективи поліпшення екології
автотранспорту полягають у заміні бензину дизельним пальним і газом.
Дизельне пальне має як екологічні, так і економічні переваги перед
бензином. По-перше, воно не потребує свинецьвмісних добавок, а вихід
токсичних вуглеводневих речовин і оксиду вуглецю є в 1,5…2 рази меншим.
По-друге, дизельний двигун економічніший, ніж карбюраторний на 20—30%, а
на виробництво тонни дизельного пального витрачається у 2 рази менше
енергії, ніж на одну тонну бензину. Отже, маємо подвійний
еколого-економічний ефект. Але і в цьому разі залишаються екологічні
проблеми: за згоряння 1 t дизельного пального в атмосферу викидається
понад 10 kg сажі. Цю проблему ще не вирішено.
Найчистішим сучасним пальним для автомобілів є природний газ, який нині
широко впроваджується в практику. Розрахунки показують, що при цьому має
місце значний економічний ефект. Газ не потребує антидетонаційних
присадок: октанове число газу вище ніж у бензину і становить 105…110
одиниць. У перспективі найліпшим екологічно чистим пальним для двигунів
внутрішнього згоряння буде водень.
А поки що урбанізація сприяє будівництву атомних електростанцій поблизу
великих промислових регіонів, отже в густозаселеній місцевості, що дуже
небезпечно для її мешканців, як це засвідчила Чорнобильська катастрофа.
Прикладом негативного впливу інтенсивної урбанізації прибережних
регіонів на екологію моря є проблема Чорного моря, до якої наша країна
має, поряд з Росією, Туреччиною, Румунією і Болгарією, безпосереднє
відношення.
За останнє десятиліття помітно зменшилась популяція дельфінів і
розмножились медузи, аурелії та планктонна водорость ночесвітка. Біля
берегів Болгарії спостерігаються так звані «червоні приливи», спричинені
масовим розмноженням інфузорії мезодиніум. Раніше такого комплексу
негативних явищ одночасно не спостерігалось.
Натомість кількість корисної водорості філофори, яка видобувалася тут
раніше в промислових цілях, різко зменшилась. Багато хто пояснює ці
зміни погіршанням екологічної системи моря саме через урбанізацію:
стоком дренажних вод, збагачених добривами та отрутохімікатами,
зменшенням надходження чистої річкової прісної води. Механізм негативної
дії цих факторів полягає в тім, що, з одного боку, зменшення надходження
прісної води з двох головних річок басейну — Дунаю і Дніпра призводить
до підняття глибинної, збагаченої сірководнем (Н2S), води і збільшення
швидкості його окиснювання, а з другого — надходження добрив і
ядохімікатів стає причиною утворення і постійного збільшення у верхньому
шарі моря маси стійких токсичних продуктів їхньої взаємодії із
сірководнем.
Рис. 37. Модель сучасного стану
матеріального взаємообміну суспільного виробництва з біосферою
(екосферою)
Із наведених вище фактів невтішного нині впливу промислової діяльності
людини на навколишнє середовище можна зробити незаперечний висновок:
кожний відповідальний працівник народного господарства, еколог і
технолог мусить бути обізнаний із сучасними екологічними і
технологічними проблемами, мусить володіти необхідними знаннями для їх
аналізу й розв’язання відповідно до своїх функціональних обов’язків.
Особливу увагу як економісти, так і екологи мають звернути на об’єм
використання сировинних та енергетичних ресурсів своїх країн.
Економіст має добре розуміти ту істину, що, намагаючись сьогодні
поліпшити традиційні економічні показники виробництва, не враховуючи в
повній мірі сучасних екологічних вимог, він підриває економіку
завтрашнього дня. З іншого боку, кожний еколог повинен розуміти, що
тільки компроміс між економістами, технологами, а також і політиками,
дасть змогу знайти в сучасному напруженому виробництві необхідні кошти
для гальмування темпів зростання згубного техногенного навантаження на
природу і для поступового відновлення втраченого.
Безперечно, природа ще й досі за дбайливого до неї ставлення здатна
примножувати постачання енергетичних і матеріальних ресурсів для
життєзабезпечення суспільства, але і суспільство має об’єднати зусилля
всіх фахівців для своєчасного вирішення спільної еколого-економічної
проблеми оптимізації «взаємовідносин» людини і довкілля.
Схематично взаємообмін між суспільством і глобальною екосистемою
екосферою показано на рис. 37. Як видно зі схеми, нині відходи
виробництва значно перевищують обсяги корисної продукції і лише незначна
частина первинних відходів повертається в систему технологій як
сировина.
Рис. 38. Реальна екологічно сприйнятна
модель економічної діяльності
суспільства
Ідеальна модель промислової діяльності суспільства, яку сповідують деякі
екологи і економісти, є такою: первинні відходи виробництва повністю
повертаються у виробничий цикл, і тільки незначна частина продуктів
споживання губиться в процесі її реалізації суспільством.
Але ми вже зазначали (1.1.4), що така модель не може бути взагалі
реалізована з огляду на технологічні можливості та економічну
доцільність. Необхідно дотримуватись основного принципу — у будь-якій
технології мають бути лише два кінцеві матеріальні потоки: споживна
вартість і будь-які нетоксичні відходи за умови, що вони за масою в часі
природно включаються в процеси екосистем навколишнього середовища, не
порушуючи суттєво їхньої збалансованості (рис. 38).
Висновки
1. Поняття «екологія» є неоднозначним: від примітивних закликів
«милосердя до природи» — до серйозних наукових напрямків відповідних
галузей наук: академічний традиційний напрямок у складі біології
(аутекологія, синекологія та ін.), соціально-економічний («соціальна
екологія» та «екологія людини»), загальнопланетарний («глобальна
екологія» та ін.).
2. Людина як представник біотичної складової біосфери у своїх стосунках
із навколишнім середовищем є винятком серед всіх інших організмів —
забезпечення своїх матеріальних і енергетичних потреб вона майже
повністю реалізує за рахунок продукції «штучного організму» —
технологічних систем, обмін яких речовиною і енергією з навколишнім
середовищем не регулюється природними факторами і становить небезпеку
для існування сучасних організмів біосфери і самої людини.
3. Вирішення екологічних проблем суспільства полягає передовсім у зміні
філософської концепції співіснування людини і природи — не підкорення
природи технологічними системами, а співробітництво з нею для
збалансування природних і технологічних систем в єдину
самовідновлювальну природно-технологічну систему урбанізованої біосфери.
Це спільне завдання екологів, технологів і економістів.
Література
Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ,
1999.
PAGE 1
Середовище на вході
Рушійна сила:
(сонце
та інші
енергоджерела)
потік концентрованої
енергії
хімічні елементи
споживання
Н
гетеротрофи
А
автотрофи
Кругообіг біогенної речовини (енергії)
S
сховища хіміч-них елементів
S
сховища енергії
Середовище на виході
Витікання деградованої енергії та речовини
СН3 С
О
О — ОNO2
і
О
О ОNO2
С6Н5 С
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
