Биотический баланс и биогеохимические циклы

Потоки энергии в популяциях и водных сообществах. Структура и основные типы биогеохимических циклов. Круговорот углерода и проблема глобального изменения климата. Эвтрофирование и загрязнение водоемов. Самоочищение и формирование качества вод.

Биотического баланса водных экосистем и основы его составления

В основу количественного описания функционирования экосистемы как единого целого положены балансовые соотношения, вытекающие из закона сохранения. Составление биотического, или биоэнергетического баланса позволяет выразить в одних единицах энергии биомассу и продукцию растительных и животных организмов различной систематической принадлежности, количественно оценить синтез и разложение органического вещества. На организменном уровне баланс рассматривается как равенство между потоком вещества (энергии), поступающего к гидробионту, и суммой его всех возможных затрат, что оценивается классическим уравнением:

I= P + R + F

На экосистемном уровне баланс выражается зависимостью:

Р_Ф ≈ I_Г

I_Г = Р + F + R + Е

где Р_Ф- валовая продукция фотосинтеза (суммарная продукция автотрофов), I_Г - суммарное потребление гетеротрофов (бактерий и животных), которое в свою очередь состоит из (Р – продукции, R- трат на обмен (дыхание), F- неусвоенной пищи (твердые и жидкие выделения), Е- элиминации). В последнем равенстве входные и выходные потоки не сбалансированы, разность между ними определяется как внутренними (интенсивность функционирования отдельных популяций гидробионтов), так и внешними факторами (например, поступлением в акваторию ВОВ, являющегося дополнительной пищей гетеротрофных организмов).

Таким образом, в упрощенном виде, экосистема любого водоема либо акватории представляет собой совокупность растительных и животных организмов, находящихся в строго определенном количественном соотношении. В результате жизнедеятельности водорослей происходит связывание минеральных соединений азота и фосфора, выделение кислорода. В свою очередь бактерии и животные (гетеротрофы) потребляют кислород и синтезируемые растениями органические вещества, выделяя в водную среду азот и фосфор - тем самым, замыкая круговорот органических и минеральных веществ. Баланс описанных процессов определяет качество водной среды. Неслучайно известные модели управления качеством воды представляют собой систему зависимостей, описывающих баланс поступления, новообразования (продукцию) и разложения (деструкцию) органического вещества, т.е. загрязнение и самоочищение изучаемого водоема или водотока.

В основных положениях теории функционирования водных экосистем обращается внимание на необходимость определения количественной зависимости между процессами продуцирования и разложения ОВ как главными составляющими. Эти базовые характеристики экосистемы позволяют количественно оценить:

* эвтрофикацию водоема по разности между валовой первичной продукцией (P) и суммарными тратами на обмен всех гидробионтов (R);

* изолированность экосистем от внешних источников вещества и энергии (если R>P значить имеется дополнительный источник поступления органических веществ извне);

* устойчивость или выносливость экосистем к внешним воздействиям (наиболее выносливы экосистемы с минимальной устойчивостью, при P >> R).

При этом особое внимание обращается на необходимость более глубокого изучения функционирования гидробионтов не только на уровне жизненных форм (подсистем планктона, бентоса, рыб), но и отдельных популяций. Акцентируется внимание и на том, что нужно не только установить вышеприведенные зависимости, но и дать им биологическую интерпретацию.

Недостатком определения биотического баланса водных экосистем, в частности Черного моря, является использование уравнений для расчета продукции и дыхания гидробионтов обитающих в других водоемах, условия существования в которых часто существенно отличаются. Данное обстоятельство является источником многих неточностей и ошибок при оценке интенсивности экологических процессов. Неслучайно, одним из решений итогового Международного совещания по проекту NATO TU BLACK SEA "Деградация Черного моря: проблемы и решения" (6-10 октября 1997, Констанца, Румыния) явилось предложение об организации специальных исследований физиологической активности черноморских гидробионтов, стандартизации методов определения биомассы и первичной продукции.

Впервые прием составления биотического баланса был использован Г.Г. Винбергом в 1969 году при изучении экосистемы озера Дривяты.

Составление биотического баланса позволяет выразить в одних и тех же единицах энергии биомассу и продукцию растительных и животных организмов разной систематической принадлежности и охарактеризовать определенными величинами главнейшие пути продукционного процесса.

При составлении биотического баланса, руководствуясь теоретическими представлениями о потоке энергии через трофические уровни, все учтенное население водоема представляют в виде некоторого числа компонентов экосистемы:

1. популяции отдельных массовых видов (если необходимо оценить их роль, например объекты аквакультуры);

2. экологически однородные группы видов, как правило, принадлежащие к одному трофическому уровню (например: олигохеты, амфиподы, нехищные коловратки);

3. группы видов, объединенные по потрябляемой пище, либо типу питания (сестонофаги, детритофаги, растительноядные, хищники).

В большинстве водных экосистем различают четыре трофических уровня:

1. Автотрофные растительные организмы;
2. Гетеротрофные микроорганизмы и нехищные беспозвоночные животные;
3. Хищные беспозвоночные и нехищные рыбы;
4. Хищные рыбы.

В баланс могут быть включены такие не биотические компоненты, как растворенное и взвешенное (детрит) органическое вещество.

Учитывая сезонную динамику количественного развития гидробионтов, в том числе не совпадение максимумов развития водорослей и животных при составлении биотического баланса величины, характеризующие компоненты экосистемы, получают не путем осреднения сезонных значений численности и биомассы гидробионтов, а путем суммирования нескольких балансов, вычисленных для различных периодов годового цикла.

Дата добавления: 2015-05-08