Предисловие

Издание настоящего пособия продиктовано необходимостью помочь студентам агрономических и других специальностей сельскохозяйственного вуза в изучении вопросов общей и сельскохозяйственной экологии, вытекающих из особенностей ведения сельскохозяйственного производства, в частности, экологических вопросов, связанных с химизацией сельскохозяйственного производства: применением в земледелии и растениеводстве минеральных удобрений и средств защиты растений; экологических проблем, связанных с ведением промышленного животноводства, а также экологизацией сельскохозяйственного производства путем создания малоотходных технологий в системе агропромышленного комплекса на основе использования современных биотехнологий переработки отходов производства.

Цель настоящего учебного пособия - раскрыть особенности проблем сельскохозяйственной экологии, экологических проблем сельскохозяй-ственного производства, вопросов рационального использования природных ресурсов.

В пособии делается акцент на важнейших экологических вопросах и проблемах, которые необходимо знать будущему специалисту сельского хозяйства независимо от профиля его предстоящей работы.

В пособии приведены данные по состоянию биоразнообразия (растительного и животного мира) территорий Нижегородской области: площади лесов, видам животных и растений, включенных в Красную книгу Нижегородской области; данные по состоянию экологической обстановки в РФ и Нижегородской области, по влиянию факторов окружающей среды на здоровье населения, по загрязненности объектов окружающей природной среды и методам контроля, в том числе биологическим, получившим в последние годы значительное развитие.

Задачи данного пособия:

- сфоpмиpовать у студентов принципы экологического подхода к явлениям пpиpоды и общества,

- помочь понять смысл совpеменных пpоблем взаимодействия пpиpоды и общества;

- научить студентов pазбиpаться в пpичинной обусловленности возможных негативных воздействий тех или иных пpоизводств на окpужающую пpиpодную сpеду и в связи с этим квалифициpованно оценивать напpавленность и последствия конкpетной хозяйственной деятельности на пpиpодную среду;

- увязывать pешения пpоизводственных задач с соблюдением пpиpодоохpанных тpебований;

- выpабатывать и пpинимать научно обоснованные pешения по вопpосам охpаны природы.

1. Экология как наука, ее цели и задачи. Основные теоретические положения

Экология - это раздел биологии, изучающий взаимоотношения живых организмов между собой и средой их обитания. Экология изучает взаимоотношения всех живых организмов (растений, животных, грибов, микроорганизмов) во всей их совокупности факторов окружающей среды, в которых они живут при данных физических, химических, климатических, космических и других условиях. Экология рассматривает не только то, как складываются взаимоотношения между живыми организмами, с одной стороны, но и, с другой стороны, как факторы неживой природы оказывают влияние на живые организмы. В связи с этим при изучении экологии уделяется большое внимание влиянию на биосистемы температуры, влажности, химического состава среды, солнечной радиации и др.

Понятие «экология» в последние годы существенно расширилось. Это связано с тем, что экология - наука системная, она рассматривает явления окружающего нас мира во всей совокупности взаимосвязей и во всей совокупности разнообразных факторов природной среды и использует в методологическом подходе к явлениям окружающего мира не только чисто биологические методы исследования, но и методы других наук: физических, химических, технических, социальных, философских и др.

Предметом ее исследования являются различные биологические системы: популяция, биоценоз, экосистема, биогеоценоз, биосфера, требующие системного подхода при изучении их динамики во времени и пространстве. Основной метод исследования в экологии - многофактоpный анализ. Это означает, что любое явление в экологии рассматривается c позиций действия целого ряда факторов как биотической, так и абиотической природы.

В экологии объективно выделяют подразделения, изучающие органический мир на уровне особи (организма), вида, популяции, биоценоза, экосистемы и биосферы. В связи с этим можно выделить аутэкологию (экологию особей), демэкологию (экологию популяций), эйдэкологию (экологию видов) и синэкологию (экологию сообществ).

Говоря о живых организмах и их отношениях со средой обитания, следует иметь в виду всю совокупность живых организмов, куда входит и человек, поскольку он такая же часть живой природы, как и другие биологические виды на Земле.

Основополагающим понятием биологической системы в экологии является "биосфера". Биосфера - это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены деятельностью живых организмов. Более простое, но менее точное определение биосферы­ - это целостная оболочка Земли, населенная живыми организмами.

Биосфера – это самая большая экологическая система (экосистема). Кроме живых организмов в нее входят атмосфера, гидросфера и верхний слой каменной оболочки Земли литосферы, представляющие части жизненной среды этих организмов и являющиеся в значительной степени продуктом их жизнедеятельности, как в настоящее время, так и в прошлые геологические эпохи.

В составе биосферы различают: живое вещество, биогенное вещество, биокосное вещество, радиоактивные вещества и рассеянные атомы. Живое вещество - это живые организмы все вместе взятые (растения, животные, микроорганизмы); биогенное вещество - органические и органо-минеральные вещества, созданные живыми организмами на протяжении всего существования Земли (каменный уголь, торф, нефть и др.); биокосное вещество - продукт синтеза живого и неживого (осадочные породы органического происхождения, почва, донный ил, вода обитаемых водоемов); косное вещество - осадочные породы магматического происхождения, вода, информация.

Функциями живого вещества являются: 1) газовая - заключается в поглощении и выделении газов; 2) концентрационная – связана с накоплением в живых организмах химических элементов; 3) окислительно-восстановительная – проявляется в химическом превращении веществ, содержащих атомы с переменной степенью окисления; 4) биохимическая – лежит в основе питания, дыхания, выделения.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают возможным или невозможным существование живых организмов. В атмосфере живые организмы встречаются до высоты озонового слоя, в литосфере - на глубину 6 - 7 км, гидросфера заселена полностью, включая

0, 5 км дна океана, то есть около 12, 5 км.

На все живые организмы в биосфере действуют факторы окружающей среды. Различают три группы факторов окружающей среды: абиотические, биотические, антропогенные.

Абиотические факторы играют основную роль в жизни и эволюции живых организмов, обеспечивая их приспособление к условиям среды. У каждого организма по отношению к абиотическим факторам есть оптимальные потребности и крайние значения, за которыми невозможно их существование (рис.1).

Если количественное действие фактора выходит за крайние значения, происходит ограничение жизнедеятельности организма, а сам фактор называют лимитирующим (ограничивающим). Абиотические факторы

Рис.1. Действие абиотического фактора на живые организмы

подразделяют на физические (температура, влажность, осадки, ветер, атмосферное давление и иные факторы, определяющие климатические и погодные условия, а также различные виды излучений) и химические (газовый состав воздуха, химические состав воды, почвы, пищи и др.).

Биотические факторы подразумевают все возможные формы взаимоотношений живых организмов друг с другом. Они бывают внутривидовые (демографические и экологические) и межвидовые (симбиоз, антибиоз, конкуренция, нейтрализм, паразитизм, хищничество).

Антропогенные факторы - это формы деятельности человека и человеческого общества. Антропогенные изменения могут быть преднамеренными и попутными. Они приводят к изменению ландшафтов (распашка степей, вырубка лесов, строительство водохранилищ), к изменению состава биосферы и сложившегося круговорота веществ в ней, включению в него новых, ранее неизвестных в природе веществ, к изменению энергетического и теплового баланса, широкомасштабным изменениям в биоте (сокращение видового разнообразия, интродукция отдельных видов, выведение новых сортов растений и пород животных).

На организм одновременно действуют несколько факторов среды. Их совокупное действие называется констелляцией.

Под влиянием экологических факторов живые организмы приспосабливаются (адаптируются) к изменяющимся условиям внешней среды. Способность к адаптации – одно из основных свойств живого, так как она обеспечивает возможность выживания и размножения живых организмов.

Структура биосферы. В упрощенном виде уровни организации биосферы выглядят следующим образом: популяция биоценоз биогеоценоз экосистема биосфера.

Популяция – это совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Характеристиками популяции являются численность и плотность, смертность, возрастная и половая структура, полиморфизм, эффект группы, рост и развитие. Численность - это общее число особей на данной территории или в данном объеме. Поддержание оптимальной в данных условиях численности называют гомеостазом популяции. Плотность - это число особей, отнесенное к единице площади или объема. Рождаемость - это способность популяции к увеличению численности. Смертность характеризует гибель особей в популяции и выражается числом особей, погибших за данный период. Возрастная структура популяции говорит о соотношении различных групп особей по возрастам и фазам развития. Она влияет на рождаемость и смертность, определяет способность к размножению в данный момент и дает возможность оценить перспективы развития популяции. Половая структура популяции, особенно доля размножающихся особей женского пола, имеет большое значение для дальнейшего роста численности. «Эффектом группы» называют улучшение физиологических процессов, ведущее к повышению устойчивости и жизнеспособности особей при объединении их в различные группы. На протяжении существования популяции меняется численность, возрастная и генетическая структуры, физиологические и другие свойства особей, то есть происходит рост и развитие популяции.

Биоценоз - сообщество взаимосвязанных организмов, живущих на каком либо участке суши или водоема. Биоценоз состоит из отдельных популяций организмов. Структура биоценоза представлена продуцентами, консументами и редуцентами. Различают микробо-, мико-, фито- и зооценозы.

Биотоп - относительно однородное по абиотическим факторам пространство, занятое биоценозом (биотоп - заливной луг, широколиственный лес, песчаная пустыня).

Биоценоз является продуктом естественного отбора. Его выживание, устойчивое существование в пространстве и во времени зависит от характера взаимодействия составляющих популяций и возможно лишь при обязательном поступлении солнечной энергии. Как биоценоз, так и биотоп понятия безразмерные, поскольку по своему объему (биоценоз) и пространству (биотоп) они могут быть различные.

Различают естественные и культурные биоценозы. Естественные биоценозы возникли естественным путем и представляют устойчивую систему, находящуюся в состоянии экологического равновесия. Искусственные или культурные биоценозы получили название агроценозов, создаются и поддерживаются человеком с целью получения сельскохозяйственной продукции. Различают три вида агроценозов: полевой (поле, теплица, оранжерея), пастбищный, ферменный (коровник, свинарник, птичник, зоопарк, виварий).

Экосистема – это любое сообщество живых организмов и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее между отдельными экологическими компонентами. Автор термина «экосистема» А. Тенсли определял ее как сочетание биотопа и биоценоза. Экосистема представляет собой комплекс, в котором между биотическими и абиотическими компонентами происходит обмен веществом, энергией и информацией. В качестве экосистемы можно рассматривать и грядку в теплице, и пруд, и луг, и лес, и космический корабль, и биосферу в целом. Выделяют экосистемы различного ранга: микроэкосистемы (небольшой водоем, труп животного), мезоэкосистемы (лес, пруд, река), макроэкосистемы (океан, континент), глобальные экосистемы (биосфера).

Основными взаимоотношениями живых организмов в экологической системе являются трофические (пищевые) связи. Первый трофический уровень занимают автотрофные организмы. Это зеленые растения, фото - и хемосинтезирующие бактерии. Остальные организмы биоценоза прямо или косвенно зависят от снабжения энергией, аккумулированной продуцентами. Второй трофический уровень образуют травоядные животные, которых называют консументы 1 порядка. Плотоядных животных, питающихся травоядными, называют консументами 2 порядка (первичные хищники). Они находятся на третьем трофическом уровне. Четвертый трофический уровень занимают вторичные хищники - консументы 3 порядка. Уровней потребления может быть от двух до пяти, редко больше шести. Важным компонентом биоценоза являются редуценты (деструкторы), обеспечивающие минерализацию органических остатков. В основном, это бактерии и грибы. На основе трофических связей в экосистемах складываются потоки энергии от продуцентов через различные уровни консументов к редуцентам. Они определяют, в определенной закономерности, численность и биомассу организмов в биоценозах.

Благодаря трофическим связям происходит трансформация биогенных веществ и аккумуляция энергии с последующим распределением между видами и популяциями.

Трофические цепи основываются на втором законе термодинамики, согласно которому часть энергии всегда рассеивается в виде тепловой. Согласно правилу 10% Линдериана с одного трофического уровня на другой переходит в среднем не более 10% энергии.

Трофические цепи, начинающиеся с фотосинтезирующих организмов, называют пастбищными цепями (цепями выедания, цепями потребления). Цепи, начинающиеся с трупов и экскрементов животных, называют детритными цепями разложения. Трофические цепи переплетаются и образуют трофические сети.

Графическое изображение пищевых взаимоотношений получило название экологической пирамиды. Различают пирамиды чисел, биомасс и энергии (рис.2).

Высота пирамиды пропорциональна длине пищевой цепи, то есть числу содержащихся в ней трофических уровней.

Пирамида чисел – это первое приближение к изучению трофической структуры экосистемы. Она строится путем подсчета количества особей на каждом трофическом уровне. Пирамида биомасс более полно отображает пищевые взаимоотношения, так как показывает биомассу в пересчете на сухое вещество в данный момент на каждом уровне пищевой цепи. Пирамида энергии показывает эффективность преобразования энергии, продуктивность пищевых цепей. Она строится путем подсчета количества энергии, аккумули-

Рис.2. Виды экологических пирамид: а – пирамида чисел; б – пирамида биомасс; в – пирамида энергии. Заштрихованные прямоугольники и цифры в скобках обозначают чистую продукцию.

рованной единицей поверхности за единицу времени и используемой организмами на каждом трофическом уровне.

Близким к экосистеме понятием является биогеоценоз. По В.Н. Сукачеву, биогеоценоз – это однородная природная система функционально взаимосвязанных организмов и их среды обитания, характеризующаяся определенным энергетическим состоянием, типом и скоростью обмена вещества и информации. Биогеоценоз – понятие территориальное и относится к таким участкам суши, которые заняты фитоценозами.

В норме, наземные экосистемы (биогеоценозы) представляют собой устойчивые системы, в которых существует экологическое равновесие. Устойчивость зависит от рождаемости и смертности, обеспеченности пищевыми ресурсами, от динамики поступления энергии. Динамические изменения в экосистемах возможны в форме флуктуаций, когда колебание численности происходит около средних величин, и в форме обратимых сукцессий (закономерных сезонных, годовых, многолетних изменений), связанных с климатическими циклами, и поступательных необратимых сукцессий, чаще всего, связанных с последствиями антропогенной деятельности. Сукцессии бывают первичные, когда происходит заселение материнской породы, и вторичные, когда наблюдается восстановление сообщества после нанесенных повреждений.

Круговорот веществ в биосфере предполагает многократное их участие в процессах, протекающих в атмосфере, литосфере, и биологических организмах. Он подразделяется на геологический круговорот между океаном и сушей и биологический круговорот, составленный из отдельных биогеохимических круговоротов веществ и химических элементов (С, N, P, O, S ,H и др.) между живыми организмами и почвой в наземных экосистемах, между живыми организмами и водой в водных экосистемах. Биологический круговорот основан на двух взаимно противоположных процессах: аккумуляции химических элементов в живых организмах и высвобождении их в процессе разложения и минерализации через экскременты или после отмирания растений, животных и других организмов.