Биогеоценоз и его устойчивость

В своей деятельности человек имеет дело с конкретными участками окружающих его природных комплексов: полей, лесов, лугов, болот, пустынь и т.д. Каждый такой природный комплекс необходимо рассматривать как определённое природное сообщество, в котором тесно связаны и активно взаимодействуют растительность, фауна, микроорганизмы, почвы, атмосфера. Такие природные комплексы называют биогеоценозами. Например, лес смешанный широколиственный с лиановой растительностью на северном склоне на бурых лесных почвах.

В современном понимании биогеоценоз – это эволюционно сложившаяся, относительно ограниченная в пространственном отношении, внутренне однородная природная система функционально взаимосвязанных живых организмов и окружающей среды.

Фактически биогеоценоз – это элементарная единица биосферы – глобальной экологической системы. Совокупностями однотипных биогеоценозов формируются ландшафты – тундровые, таёжные, пустынные, субтропические и т.д.

Составной частью биогеоценозов являются биоценозы, которые являются исторически сложившимися группировками связанных между собой и со средой обитания растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство – участок суши или водоёма.

Биотоп – это участок земной поверхности, занимаемый тем или иным биоценозом (рис. 35). Чаще всего границы биоценоза устанавливают по легко распознаваемому фитоценозу, например, сосновый лес, низинное болото, луговое сообщество и т.п.

Современное определение понятия «фитоценоза» предложил в 1970гг известный геоботаник – луговед Т.А. Работнов.

Фитоценоз – это открытая ботаническая система, состоящая из растений, являющаяся составной частью более сложной системы – биогеоценоза и осуществляющая фиксацию и трансформацию энергии и биологический круговорот веществ (рис. 36).

Основной внутренней функцией жизнедеятельности фитоценоза является накопление, передача и использование энергии.

В любом фитоценозе, и в естественном, и в искусственном, между растениями возникают либо благоприятные, либо конкурентные взаимоотношения. Благоприятные отношения оказывают положительное воздействие на совместно произрастающие растения. Например, бобовые культуры, за счет клубеньков на своих корнях обеспечивают азотом рядом растущие культуры. Или растения с раскидистой плотной кроной создают тень для некоторых тенелюбивых видов.

Конкурентные взаимоотношения при совместном произрастании растений вызывают угнетение, либо полное вытеснение, одних видов другими. Конкуренция среди растений может возникать из-за освещённости, влаги, обеспеченность питательными веществами, площади распространения и т.д.

В связи с этим при проектировании посадок следует учитывать возможность различных видов растений произрастать совместно друг с другом. Это так называемый фитоценотический принцип подбора растений, который заключается в том, что искусственно создаваемые растительные композиции должны быть похожи по своим внутренним связям и внешнему облику на природные фитоценозы, которые являются наиболее устойчивыми образцами. При этом достаточно подчеркнуть фитоценотическое единство этих растений, и необязательно копировать какое либо растительное сообщество. В естественной природе встречается много красивых и выразительных сочетаний растений, изучение которых поможет при проектировании насаждений, приближенных к естественным растительным фитоценозам.

На стадии предпроектного обследования территории проводят описание структуры фитоценоза (рис. 37), которое осуществляют по следующим показателям:

Ø флористический состав (представленные виды растений);

Ø количественные взаимоотношения между растениями (процентное соотношение видов; число особей на единице площади; масса и площадь листьев; размер и число цветков и т.д.);

Ø состояние особей растений в сообществе (возраст, степень процветания или угнетения данного растения в сообществе);

Ø распределение растений в сообществе (ярусность – в вертикальном плане, мозаичность – в горизонтальном плане, по занимаемой площади – единично, сплошь, куртинами, местами или по несколько экземпляров).

Кроме этого, характеризуя виды данного сообщества, указывают их роль: преобладающий вид называется доминантом, вид, занимающий вторую позицию – содоминантом, остальные виды – компонентами.

Фитоценозы являются экологическим каркасом биоценоза, обуславливающий его структуру и видовой состав. Обычно между соседними биоценозами не бывает резкой границы, они постепенно переходят один в другой. Например, озеро окружено болотом, переходящим в сухой лес.

В состав биоценоза включено большое разнообразие видов, что определяется различными особенностями среды обитания и степенью критичности существования. Наибольшим видовым разнообразием отличаются биоценозы влажных тропических лесов, а наименьшим – полярных ледяных пустынь.

Биоценоз характеризуется суточной, сезонной и многолетней динамикой, свойственной как растениям, так и животным.

Суточная динамика биоценоза обусловлена сменой дня и ночи. У растений она проявляется в различной степени интенсивности фотосинтеза, дыхания и т.д. У животных – в разной степени суточной активности (дневные, сумеречные и ночные).

Сезонная динамика биоценоза зависит от его видового состава, фенологического состояния фитоценоза и численности обитающих в нём животных.

Внешний вид фитоценоза, изменяющийся на протяжении года в процессе чередования фенологических фаз развития, называется аспектом. Как правило, аспект повторяется ежегодно, отражая цветовую палитру данного растительного сообщества (едва заметная вуаль набухших почек, нежная весенняя зелень разворачивающихся листьев (рис. 38), летнее многоцветье трав (рис. 39), осенний огненный багрянец (рис. 40), ожидание зимы (рис. 41), ледяное безмолвие (рис. 42). Обычно аспект именуют по растениям, придающим фитоценозу характерный цветовой тон. Например, голубой аспект незабудки болотной или бурый аспект листьев осоки.

Многолетняя динамика сообщества проявляется в повторяющихся изменениях на протяжении ряда лет при отсутствии резкой смены видового состава. Обычно это касается зооценоза.

Главными свойствами биоценозом является способность продуцировать живое вещество, саморегуляция и самовоспроизводимость.

Наиболее важным из этих свойств является саморегуляция, которая заключается в способности системы выдерживать высокие отрицательные нагрузки и возвращаться в близкое к исходному состояние после существенных нарушений компонентов, структуры и взаимосвязей.

Фактически саморегуляция является выражением устойчивости – одного из наиболее важных свойств природных, природно – хозяйственных и хозяйственных систем, определяющих факт существования этих систем, их развитие и возможность их эффективного хозяйственного использования.

В общем понимании устойчивость геосистем – это их способность оставаться относительно постоянными или меняться в пределах своего структурно – функционального инварианта, или возвращаться к нему за период их жизненного цикла или цикла внешнего воздействия.

Естественная устойчивость положительных свойств ландшафта является предпосылкой его эффективного использования. Однако устойчивость негативных свойств ландшафта таких, как заболачивание, эрозионные процессы, засоление, затрудняют возможность его использования, увеличивают затраты на его восстановление и снижают эффективность производства.

При оценке устойчивости природного комплекса следует определить:

Ø относительно каких видов и типов устойчивости (механических, химических и т.д.) оценивается устойчивость;

Ø что берётся за точки отсчёта при её измерении и оценке (например, это может быть инвариант конкретного природно-территориального комплекса);

Ø какой показатель исследуется.

Например, в зимний период фотосинтетическая активность растений и эрозионная активность склоновых природно-территориальных комплексов России существенно ниже, чем в весенне-летний период (Казаков Л.К.).

Анализ уровня потенциальной устойчивости коренных экосистем на территории России (рис. 43) показал, что максимум устойчивости экосистем наблюдался на территории лесостепи Европейской России, Предуралья и средней тайги Сибири. К северу и югу устойчивость систем снижается. Это говорит о том, что в пределах России оптимальной зоной для жизни является европейская лесостепь, где преобладает сочетание дубрав и луговых степей.

Высокий потенциал устойчивости экосистем определяет их способность возвращаться к исходному состоянию как при естественных (например, климатических), так и при антропогенных воздействиях. Устойчивость системы напрямую связана с оригинальной способностью почв выступать в качестве резервуара «памяти» экосистемы, способного сохранять многие начальные качества этой экосистемы, даже после серьёзной антропогенной трансформации территории.

Потенциальная устойчивость природных экосистем России (рис. 44) фактически везде снижена вследствие замены коренных типов экосистем менее устойчивыми антропогенными производными (агроценозами, вторичными лесами), а также в результате их полного уничтожения при урбанизации и застройке.

Следует иметь в виду, что между естественной устойчивостью данной геосистемы и её устойчивостью к антропогенному воздействию существуют серьёзные различия. Например, тундровые и северо-таёжные геосистемы, устойчивые в естественных условиях, абсолютно неустойчивы к кислотному загрязнению, в тоже время, лесостепные и сухостепные ландшафты реагируют на этот тип загрязнения слабо. Кроме того, на одно и тоже воздействие разные геосистемы реагируют по-разному. Известно, что устойчивость склоновых и равнинных геосистем к автотранспортным, рекреационным и пастбищным механическим нагрузкам будет значительно различаться. Например, для сухих боров – беломошников на бедных сильно подзолистых песчаных почвах, допустимая рекреационная нагрузка, не ведущая к развитию ландшафтно-экологических кризисов, составляет 1 -2 человека на 1 га, а для природно-территориального комплекса со свежими травяными березняками на слабоподзолистых легкосуглинистых почвах она возрастает до 15 -20 человек на 1 га.

В результате многочисленных исследований устойчивости геосистем к антропогенным нагрузкам были выявлены следующие связи свойств природных компонентов с этим показателем:

Ø гравитационный (денудационный) потенциал территории (относительные превышения, расчленённость) – чем этот показатель выше, тем устойчивость геосистемы к денудации, эрозии, токсикантам, механическим нагрузкам ниже;

Ø уклоны поверхности – чем они больше, тем устойчивость ниже. При уклонах менее 1⁰ устойчивость может значительно падать, вследствие значительного переувлажнения и низкого самоочищения ландшафтов;

Ø длина склона – чем она больше, тем устойчивость ниже;

Ø механический состав почвогрунтов – к нагрузкам обычно более устойчивы природно – территориальные комплексы, сложенные лёгкими суглинками и супесями;

Ø характер гидротопа (увлажнённости) – максимальная устойчивость к нагрузкам наблюдается у геосистем свежих местообитаний. К сухим и влажным территориям – она падает;

Ø по климатическим характеристикам – наибольшей устойчивостью обладает природно-территориальный комплекс с оптимальным соотношением тепла и влаги, когда гидротермический коэффициент и коэффициент увлажнения близки к единице. Минимальная устойчивость отмечается у природно – территориальных комплексов с резко выраженными лимитирующими факторами по температуре и увлажнению, а также при больших амплитудах их колебаний. Умеренные ветры 2,5 – 4,0 м/с способствуют повышению устойчивости геосистем;

Ø почвы – чем больше мощность гумусового горизонта, содержание гумуса, ёмкость и насыщенность основаниями почвенного поглощающего комплекса (ППК), тем большей устойчивостью обладают природно-территориальные комплексы;

Ø биота – чем более ёмкий и интенсивный биологический круговорот (БИК), тем плотнее проективное покрытие поверхности и тем выше устойчивость природно – территориального комплекса. Хвойные породы и леса менее устойчивы к антропогенным воздействиям, чем лиственные. Лугово – степные виды трав более устойчивы, чем лесные, а наибольшей устойчивостью обладают придорожные травы. Виды с глубокой и плотной корневой системой более устойчивы, чем с поверхностной и рыхлой;

Ø природно – территориальные комплексы в целом. Потенциально более устойчивы следующие геоэкосистемы:

· с повышенным разнообразием и повторяемостью структур;

· в ядрах их зональной или региональной типичности;

· трансаккумулятивные системы устойчивее трансэлювиальных;

· более масштабные по площади и веществу; более высоких иерархических рангов (устойчивость снижается в направлении – зона – ландшафт – урочище – фация).

Следует подчеркнуть, что именно иерархическая организация является важным свойством, определяющим инерционную и другие виды устойчивости геосистем в естественных и антропогенных условиях. Повышенная устойчивость более высоких иерархических уровней основана на их большей площади и массе, а значит и инертности.

Кроме инерционной устойчивости в процессе эволюции у природных геосистем выработались и другие виды устойчивости, например, динамические механизмы преодоления кризисов, направленные на стабилизацию природно-территориального комплекса к окружающей среде и дальнейшее их развитие. Подобные механизма работают на основе адаптивной изменчивости структур и функций геосистем, находящихся в кризисных ситуациях.

Кроме инертности по массе и размерам, высокая устойчивость геосистем высших иерархических уровней основана на больших адаптивных возможностях этих систем. Геосистемы более высоких иерархических уровней отличаются более разнообразными составляющими их структурными элементами, за счёт чего создаётся широкий спектр возможных и допустимых адаптивных состояний этих сложных систем без потери ими устойчивости.

Например, разные ландшафтные комплексы в сложных геосистемах по – разному реагируют на сезонные и ежегодные изменения погодных условий. При одних и тех же изменениях гидротермических факторов среды, одни из них повышают свою биопродуктивность, а другие – снижают. Биопродуктивность геосистемы в целом будет изменяться меньше, чем биопродуктивность каждой из её растительных ассоциаций.

Описанные свойства и механизмы поддержания устойчивости геосистем за счёт способности разнообразных геосистем лучше амортизировать внешние воздействия, а также легче к ним подстраиваться, называют адаптивной пластичностью или эластичностью.

Самовосстановление – это ещё один механизм, который поддерживает устойчивость геосистемы. Способность к самовосстановлению после нарушений называется упругой устойчивостью геосистемы. Например, это может быть быстрое восстановление растительности. В этом отношении тундровые геосистемы менее устойчивы, чем пойменные, которые в течении 2-6 лет способны восстановить нарушенную лугово – кустарниковую растительность и даже литогенную основу.

Механизм самовосстановления гораздо лучше действует в геосистемах с мощными вещественно-энергетическими потоками, например в речных, где системообразующим фактором является водный поток. Однако при этом следует отметить, что во влажных экваториальных лесах по сравнению с лесами средней полосы, механизм самовосстановления работает лучше, т.к. там отмечается значительно более мощные солнечная инсоляция и количество атмосферных осадков.

Многолетние наблюдения показали, что наименее устойчивыми к антропогенным воздействиям являются следующие системы:

Ø реликтовые и молодые геосистемы, которые по своей структуре и функционированию не полностью соответствуют условиям окружающей среды;

Ø геосистемы, для которых характерны повышенные или пониженные запасы потенциальной энергии рассеивания (диссинации) и повышенный потенциал концентрации вещества (горы, низины, возвышенности);

Ø геосистемы с ярко выраженными лимитирующими гидротермическими факторами (пустыня, тундра, болота);

Ø с понижением ранга геосистемы, её необычности и оригинальности, устойчивость данной системы падает.

Устойчивость ландшафтов тесно связана с развитием и преодолением кризисных состояний как в природе, так и в обществе. При этом важно отметить, что суть современного устойчивого эволюционного развития заключается в мягком преодолении экокризисов разного масштаба (Казаков Л.К.).

Со времён развёртывания промышленной революции сложилась модель экстенсивного наращивания масштабов привлечения природных ресурсов сначала в расширение промышленной деятельности, затем транспортные коммуникации и жилищно-бытовую сферу. Быстрые темпы экономического роста ХХ в привели к тому, что человечество столкнулось с противоречиями между активно растущими потребностями мирового сообщества и таким состоянием биосферы, которое не может обеспечить эти потребности.

Всемирный саммит в Йоханнесбурге 2002г. подтвердил, что мировое сообщество продолжает двигаться по сценарию неустойчивого развития. В связи с этим в Экологической доктрине Российской Федерации, принятой в 2002г., подчёркивается, что «устойчивое развитие Российской Федерации, высокое качество жизни и здоровья её населения, а также национальная безопасность могут быть обеспечены только при сохранении природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды».

Региональная модель устойчивого развития должна основываться на научной парадигме социальной эволюции в экосовместимой форме и включать совокупность принципов и требований к системе, структуре экономики, режиму функционирования и взаимодействия его подсистем, обеспечивающих гармонизацию отношений в триаде «человек – окружающая природная среда – экономика». Так, например, в республике Бурятия в районе Байкальской природной территории, которая является участком мирового природного наследия ЮНЕСКО, установлено три экологические зоны:

Ø центральная экологическая зона, включающая озеро Байкал, прилегающую к нему водоохранную зону, а также прилегающие особо охраняемые территории;

Ø буферная экологическая зона – это территория за пределами центральной экологической зоны, включающая водосборную площадь озера Байкал в пределах РФ;

Ø экологическая зона атмосферного влияния – это территория вне водосборной площади озера Байкал в пределах территории РФ, шириной до 200км на запад и северо-запад от него, на которой расположены хозяйственные объекты, деятельность которых оказывает негативной воздействие на уникальную систему озера Байкал.

В каждой из этих зон предполагается введение различных систем водопользования, лесопользования и аграрного земледелия, которые будут основаны на данных по степени устойчивости природных комплексов к антропогенным нагрузкам, способности природной среды к самоочищению, уровню соответствующего загрязнения и нарушения природной среды, особенностям сложившегося хозяйства.

Переход к устойчивому развитию Планеты не осуществим до тех пор, пока сохраняются старые стереотипы мышления, происходит пренебрежение возможностями биосферы, что ведёт к безответственности граждан и юридических лиц в плане экологической безопасности.

Новая эпоха ставит перед ландшафтной архитектурой и более широкие задачи.

В частности сформировались совершенно новые задачи по полному восстановлению нарушенных территорий, в пределах которых ландшафтные связи необратимо разрушены. Потенциальными объектами ландшафтной архитектуры становятся акультурные ландшафты, к которым относят многочисленные карьеры и отвалы, оползни, заболоченные местности, возникающие как побочной результат разных видов необдуманной хозяйственной деятельности человека.

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятий «биогеоценоз» и «биоценоз».

2. Что такое биотоп?

3. Дайте определение понятия «фитоценоз».

4. Как применяется фитоценотический принцип?

5. По каким показателям описывают структуру фитоценоза?

6. Что означает суточная, сезонная и многолетняя динамика биогеоценоза?

7. Что показывает и чем определяется понятие «аспект»?

8. Главные свойства биоценоза.

9. Что такое саморегуляция биоценозов?

10. От каких показателей зависит устойчивость геосистем?

11. Какие виды устойчивости характерны для геосистем?