✖


Jump to content

Экосистема экология

(Перенаправлено из Экологические процессы )
Рисунок 1. Прибрежный лес в Уайт-Маунтинс , Нью-Гэмпшир (США).

Экосистемная экология — это комплексное изучение живых ( биотических ) и неживых ( абиотических ) компонентов экосистем и их взаимодействия в рамках экосистемы. Эта наука изучает, как работают экосистемы, и связывает это с их компонентами, такими как химические вещества , коренная порода , почва , растения и животные .

Экология экосистемы изучает физические и биологические структуры и изучает, как эти характеристики экосистемы взаимодействуют друг с другом. В конечном итоге это помогает нам понять, как поддерживать высокое качество воды и экономически целесообразное производство товаров. Основное внимание в экологии экосистем уделяется функциональным процессам, экологическим механизмам, которые поддерживают структуру и услуги, производимые экосистемами. К ним относятся первичная продуктивность (производство биомассы ), разложение и трофические взаимодействия.

Исследования функций экосистем значительно улучшили понимание человеком вопросов устойчивого производства кормов , волокон , топлива и обеспечения водой . Функциональные процессы опосредуются климатом , нарушениями и управлением на региональном и местном уровнях. Таким образом, экология экосистем обеспечивает мощную основу для выявления экологических механизмов, которые взаимодействуют с глобальными экологическими проблемами, особенно с глобальным потеплением и деградацией поверхностных вод.

Этот пример демонстрирует несколько важных аспектов экосистем:

  1. Границы экосистем часто размыты и могут меняться во времени.
  2. Организмы внутри экосистем зависят от биологических и физических процессов на уровне экосистемы.
  3. Соседние экосистемы тесно взаимодействуют и часто взаимозависимы в поддержании структуры сообщества и функциональных процессов, которые поддерживают продуктивность и биоразнообразие.

Эти характеристики также создают практические проблемы в управлении природными ресурсами. Кто какой экосистемой будет управлять? Будет ли вырубка леса ухудшать рекреационное рыболовство в ручье? Эти вопросы сложно решать землеустроителям, поскольку граница между экосистемами остается неясной; даже если решения в одной экосистеме повлияют на другую. Нам необходимо лучше понять взаимодействие и взаимозависимость этих экосистем и процессов, которые их поддерживают, прежде чем мы сможем начать решать эти вопросы.

Экосистемная экология по своей сути является междисциплинарной областью исследований. состоит из популяций организмов Индивидуальная экосистема , взаимодействующих внутри сообществ и способствующих круговороту питательных веществ и потоку энергии . Экосистема является основной единицей исследования экологии экосистем.

Популяция, сообщество и физиологическая экология обеспечивают многие из основных биологических механизмов, влияющих на экосистемы и процессы, которые они поддерживают. Поток энергии и круговорот вещества на уровне экосистемы часто исследуются в экологии экосистем, но в целом эта наука определяется скорее предметом, чем масштабом. Экосистемная экология рассматривает организмы и абиотические запасы энергии и питательных веществ как интегрированную систему, что отличает ее от смежных наук, таких как биогеохимия . [1]

Биогеохимия и гидрология сосредоточены на нескольких фундаментальных экосистемных процессах, таких как биологически опосредованный химический круговорот питательных веществ и физико-биологический круговорот воды. Экосистемная экология формирует механистическую основу для региональных или глобальных процессов, охватываемых межландшафтной и региональной гидрологией, глобальной биогеохимией и наукой о системе Земли. [1]

История

[ редактировать ]

Экосистемная экология философски и исторически коренится в экологии суши. Концепция экосистемы быстро развивалась в течение последних 100 лет благодаря важным идеям, разработанным Фредериком Клементсом , ботаником, который приводил доводы в пользу конкретных определений экосистем и утверждал, что за их развитие и сохранение ответственны физиологические процессы. [2] Хотя большинство определений экосистемы Клементса были значительно пересмотрены, сначала Генри Глисоном и Артуром Тэнсли , а затем современными экологами, идея о том, что физиологические процессы имеют фундаментальное значение для структуры и функционирования экосистемы, остается центральной в экологии.

Рисунок 3. Потоки энергии и вещества через экосистему, адаптированные на основе модели Силвер-Спрингс. [3] H — травоядные, C — плотоядные, TC — высшие хищники, D — редуценты. Квадраты представляют биотические пулы, а овалы — потоки энергии или питательных веществ из системы.

Более поздняя работа Юджина Одума и Говарда Т. Одума количественно определила потоки энергии и материи на уровне экосистемы, документируя тем самым общие идеи, предложенные Клементсом и его современником Чарльзом Элтоном .

В этой модели потоки энергии через всю систему зависели от биотических и абиотических взаимодействий каждого отдельного компонента ( видов , неорганических пулов питательных веществ и т. д.). Более поздние исследования показали, что эти взаимодействия и потоки применяются к круговоротам питательных веществ , изменяются в ходе сукцессии и обеспечивают мощный контроль над продуктивностью экосистем. [4] [5] Передача энергии и питательных веществ является неотъемлемой частью экологических систем, независимо от того, являются ли они водными или наземными. Таким образом, экология экосистем возникла в результате важных биологических исследований растений, животных, наземных , водных и морских экосистем.

Экосистемные услуги

[ редактировать ]
Основная статья: Экосистемные услуги

Экосистемные услуги — это экологически опосредованные функциональные процессы, необходимые для поддержания здорового человеческого общества. [6] Обеспечение и фильтрация воды, производство биомассы в лесном хозяйстве , сельском хозяйстве и рыболовстве , а также удаление парниковых газов, таких как углекислый газ (CO 2 ), из атмосферы, являются примерами экосистемных услуг, необходимых для общественного здравоохранения и экономических возможностей. Круговорот питательных веществ является фундаментальным процессом для сельскохозяйственного и лесного производства.

Однако, как и большинство экосистемных процессов, круговорот питательных веществ не является характеристикой экосистемы, которую можно «довести» до наиболее желательного уровня. Максимизация производства в деградировавших системах — это слишком упрощенное решение сложных проблем голода и экономической безопасности. Например, интенсивное использование удобрений на Среднем Западе США привело к ухудшению рыболовства в Мексиканском заливе . [7] К сожалению, « Зеленая революция » интенсивных химических удобрений была рекомендована для сельского хозяйства в развитых и развивающихся странах . [8] [9] Эти стратегии сопряжены с риском изменения экосистемных процессов, которые может быть трудно восстановить, особенно при их применении в широких масштабах без адекватной оценки последствий. Экосистемным процессам может потребоваться много лет, чтобы восстановиться после значительного нарушения. [5]

Например, крупномасштабная вырубка лесов на северо-востоке США в XVIII и XIX веках изменила текстуру почвы, доминирующую растительность и круговорот питательных веществ таким образом, что это влияет на продуктивность лесов в наши дни. [10] [11] Понимание важности функции экосистемы для поддержания продуктивности, будь то в сельском или лесном хозяйстве, необходимо в сочетании с планами восстановления важнейших процессов. Улучшение знаний о функциях экосистем поможет достичь долгосрочной устойчивости и стабильности в беднейших частях мира.

Операция

[ редактировать ]

Продуктивность биомассы является одной из наиболее очевидных и экономически важных функций экосистемы. Накопление биомассы начинается на клеточном уровне посредством фотосинтеза. Для фотосинтеза требуется вода, и, следовательно, глобальные закономерности годового производства биомассы коррелируют с годовыми осадками. [12] Уровень продуктивности также зависит от общей способности растений улавливать солнечный свет, которая напрямую коррелирует с площадью листьев растений и содержанием азота.

Чистая первичная продуктивность (ЧПП) является основным показателем накопления биомассы в экосистеме. Чистую первичную продуктивность можно рассчитать по простой формуле, в которой общая сумма продуктивности корректируется с учетом общих потерь продуктивности из-за поддержания биологических процессов:

АЭС = ГПП – R производитель
Рисунок 4. Сезонные и годовые изменения концентрации углекислого газа (CO 2 ) в окружающей среде в Мауна-Лоа, Гавайи (атмосфера) и над пологом лиственного леса в Массачусетсе (лес). Данные показывают четкие сезонные тенденции, связанные с периодами высокого и низкого уровня NPP, а также общего ежегодного увеличения содержания CO 2 в атмосфере . Данные приблизительно соответствуют данным Килинга и Уорфа. [13] и Барфорд. [14]

Где GPP — это валовая первичная продуктивность, а производитель R — это фотосинтез ( углерод ), теряемый в результате клеточного дыхания .

АЭС сложно измерить, но новый метод, известный как вихревая ковариация, пролил свет на то, как естественные экосистемы влияют на атмосферу. На рисунке 4 показаны сезонные и годовые изменения концентрации CO 2 , измеренной в Мауна-Лоа , Гавайи, с 1987 по 1990 год. Концентрация CO 2 неуклонно росла, но внутригодовые колебания были больше, чем годовое увеличение с момента начала измерений в 1957 году.

Считалось, что эти изменения обусловлены сезонным поглощением CO 2 в летние месяцы. Недавно разработанный метод оценки NPP экосистемы подтвердил, что сезонные колебания обусловлены сезонными изменениями в поглощении CO 2 растительностью. [15] [14] Это заставило многих ученых и политиков предположить, что экосистемами можно управлять, чтобы смягчить проблемы глобального потепления . Этот тип управления может включать восстановление лесов или изменение графиков лесозаготовок во многих частях мира.

Разложение и круговорот питательных веществ

[ редактировать ]

Разложение и круговорот питательных веществ имеют основополагающее значение для производства биомассы в экосистеме. Большинство природных экосистем ограничены по азоту (N), а производство биомассы тесно коррелирует с оборотом N. [16] [17] Обычно внешний ввод питательных веществ очень низок, и эффективная переработка питательных веществ поддерживает производительность. [5] На разложение растительного опада приходится большая часть питательных веществ, перерабатываемых через экосистемы (рис. 3). Скорость разложения растительного опада во многом зависит от качества подстилки; Высокая концентрация фенольных соединений, особенно лигнина , в растительном опаде оказывает замедляющее разложение опада. [18] [19] Более сложные соединения углерода разлагаются медленнее, и для полного разложения может потребоваться много лет. Разложение обычно описывается экспоненциальным распадом и связано с концентрацией минералов, особенно марганца, в листовом опаде . [20] [21]

Рисунок 5. Динамика разложения растительного опада (А), описанная экспоненциальной моделью (Б) и комбинированной экспоненциально-линейной моделью (С).

Во всем мире скорость разложения зависит от качества подстилки и климата. [22] Экосистемы, в которых преобладают растения с низкой концентрацией лигнина, часто характеризуются быстрыми темпами разложения и круговорота питательных веществ (Чапин и др., 1982). Простые соединения, содержащие углерод (C), преимущественно метаболизируются микроорганизмами- разлагателями , что приводит к быстрым начальным скоростям разложения, см. Рисунок 5А. [23] модели, зависящие от постоянных скоростей распада; так называемые значения «k», см. рисунок 5B. [24] Помимо качества подстилки и климата, большое значение имеет деятельность почвенной фауны. [25]

Однако эти модели не отражают одновременные линейные и нелинейные процессы распада, которые, вероятно, происходят при разложении. Например, белки , сахара и липиды разлагаются экспоненциально, а лигнин распадается с более линейной скоростью. [18] Таким образом, упрощенные модели неточно предсказывают разложение подстилки. [26]

Простая альтернативная модель, представленная на рисунке 5C, показывает значительно более быстрое разложение, чем стандартная модель на рисунке 4B. Лучшее понимание моделей разложения является важной областью исследований экологии экосистем, поскольку этот процесс тесно связан с поступлением питательных веществ и общей способностью экосистем улавливать CO 2 из атмосферы.

Трофическая динамика

[ редактировать ]

Трофическая динамика относится к процессу переноса энергии и питательных веществ между организмами. Трофическая динамика является важной частью структуры и функции экосистем. На рисунке 3 показана передача энергии в экосистему Силвер-Спрингс, Флорида. Энергия, получаемая первичными продуцентами (растениями, Р), потребляется травоядными (Н), которых потребляют плотоядные (С), которые сами потребляются «верхними плотоядными» (ТС).

Одна из наиболее очевидных закономерностей на рисунке 3 заключается в том, что по мере продвижения к более высоким трофическим уровням (т.е. от растений к высшим хищникам) общее количество энергии уменьшается. Растения осуществляют контроль над энергетической структурой экосистем «снизу вверх», определяя общее количество энергии, поступающей в систему. [27]

Однако хищники могут влиять и на структуру нижних трофических уровней сверху вниз. Эти влияния могут радикально изменить доминирующие виды в наземных и морских системах. [28] [29] Взаимодействие и относительная сила нисходящего и восходящего контроля над структурой и функциями экосистемы являются важной областью исследований в более широкой области экологии.

Трофическая динамика может сильно влиять на скорость разложения и круговорот питательных веществ во времени и в пространстве. Например, травоядные животные могут увеличить разложение подстилки и круговорот питательных веществ за счет прямых изменений качества подстилки и изменения доминирующей растительности. [30] Было показано, что травоядные насекомые увеличивают скорость разложения и оборот питательных веществ из-за изменений в качестве подстилки и увеличения количества вносимой фракции . [1] [31]

Однако нашествие насекомых не всегда увеличивает круговорот питательных веществ. Штадлер [32] показали, что богатая углеродом падень, образующаяся во время вспышки тли, может привести к усилению иммобилизации N почвенными микробами, что замедляет круговорот питательных веществ и потенциально ограничивает производство биомассы. Морские экосистемы Северной Атлантики сильно изменились из-за чрезмерного вылова трески. Запасы трески резко упали в 1990-х годах, что привело к увеличению количества их добычи, такой как креветки и снежные крабы. [29] Вмешательство человека в экосистемы привело к драматическим изменениям в структуре и функциях экосистем. Эти изменения происходят быстро и имеют неизвестные последствия для экономической безопасности и благосостояния людей. [33]

Приложения и важность

[ редактировать ]

Уроки двух городов Центральной Америки

[ редактировать ]

Биосфера была сильно изменена потребностями человеческого общества. Экосистема играет важную роль в понимании и адаптации к наиболее актуальным современным экологическим проблемам. Восстановительная экология и управление экосистемами тесно связаны с экологией экосистем. Восстановление сильно деградировавших ресурсов зависит от интеграции функциональных механизмов экосистем. [34]

Без сохранения этих функций экономическая ценность экосистем значительно снижается, и на местах могут возникнуть потенциально опасные условия. Например, районы горных западных высокогорий Гватемалы более подвержены катастрофическим оползням и серьезной сезонной нехватке воды из-за потери лесных ресурсов. Напротив, такие города, как Тотоникапан , которые сохранили леса благодаря сильным социальным институтам, имеют большую местную экономическую стабильность и в целом большее благосостояние людей. [35]

Эта ситуация поразительна, если учесть, что эти территории расположены близко друг к другу, большинство жителей имеют происхождение майя , а топография и общие ресурсы схожи. Это случай, когда две группы людей управляют ресурсами принципиально разными способами. Экосистемная экология обеспечивает фундаментальную науку, необходимую для предотвращения деградации и восстановления экосистемных процессов, обеспечивающих основные потребности человека.

См. также

[ редактировать ]


Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б с Чепмен С.К., Харт С.С., Кобб Н.С., Уизем Т.Г. и Кох Г.В. (2003). «Травоядность насекомых увеличивает качество подстилки и ее разложение: расширение гипотезы ускорения». в: Экология 84:2867-2876.
  2. ^ Хаген, JB (1992). Запутанный берег: истоки экологии экосистем . Издательство Университета Рутгерса, Нью-Брансуик, Нью-Джерси
  3. ^ Одум, HT (1971). Окружающая среда, власть и общество . Wiley-Interscience Нью-Йорк, штат Нью-Йорк
  4. ^ Одум, EP 1969. «Стратегия развития экосистемы». в: Наука 164:262-270.
  5. ^ Перейти обратно: а б с Лайкенс, Дж. Е., Ф. Х. Борман, Н. М. Джонсон, Д. В. Фишер и Р. С. Пирс. (1970). «Влияние вырубки леса и обработки гербицидами на баланс питательных веществ в экосистеме водораздела ручья Хаббард». в: Экологические монографии 40:23-47.
  6. ^ Чапин, FS III, Б.Х., Уокер, Р.Дж., Хоббс, Д.Ю., Хупер, Дж.Х., Лоутон, О.Э., Сала и Д., Тилман. (1997). «Биотический контроль над функционированием экосистем». в: Наука 277:500-504.
  7. ^ Дефрис, Р.С., Дж.А. Фоли и Г.П. Аснер. (2004). «Выбор землепользования: баланс между потребностями человека и функцией экосистемы». в: Границы экологии и науки об окружающей среде . 2:249-257.
  8. ^ Криспилс, М.Дж. и Садава, Д. (1977). Растения, еда и люди . WH Freeman and Company, Сан-Франциско.
  9. ^ Хиноны, Массачусетс, Н. Э. Борлоуг, Ч. Р. Даусвелл. (1997). «Зеленая революция на основе удобрений для Африки». В: Восполнение плодородия почв в Африке . Специальное издание Общества почвоведения Америки, номер 51. Общество почвоведения Америки, Мэдисон, Висконсин.
  10. ^ Фостер, ДР (1992). «История землепользования (1730-1990) и динамика растительности в центральной части Новой Англии, США». В: Журнал экологии 80: 753-772.
  11. ^ Моцкин, Г., Д. Р. Фостер, А. Аллен, Дж. Харрод и Р. Д. Бун. (1996). «Контрольный участок для оценки истории: образцы растительности песчаной равнины Новой Англии». В: Экологические монографии 66: 345-365.
  12. ^ Хаксман Т.Э., шт. (2004). «Конвергенция биомов к общей эффективности использования дождя». Природа . 429:651-654
  13. ^ Килинг, CD и Т.П. Уорф. (2005). «Записи атмосферного CO 2 с участков сети отбора проб воздуха SIO». В: Тенденции: Сборник данных о глобальных изменениях . Центр анализа информации о углекислом газе, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Министерство энергетики США, Ок-Ридж, Теннесси, США
  14. ^ Перейти обратно: а б Барфорд, CC, шт. (2001). «Факторы, контролирующие долгосрочное и краткосрочное связывание атмосферного CO 2 в лесу средних широт». В: Наука 294: 1688-1691.
  15. ^ Гулден, М.Л., Дж.В. Мангер, С.-М. Фан, BC Daube и SC Wofsy (1996). «Влияние межгодовой изменчивости климата на обмен углекислого газа в лиственных лесах умеренного пояса». В: Наука 271: 1576-1578.
  16. ^ Витоусек, ПМ и Ховарт, РВ (1991). «Ограничение азота на суше и в море: как это может произойти?» В: Биогеохимия 13:87-115.
  17. ^ Райх, П.Б., Григал, Д.Ф., Абер, Дж.Д., Гауэр, С.Т. (1997). «Минерализация азота и продуктивность 50 лиственных и хвойных насаждений на разнообразных почвах». В: Экология 78:335-347.
  18. ^ Перейти обратно: а б Мелилло, Дж. М., Абер, Дж. Д. и Мураторе, Дж. Ф. (1982). «Азотный и лигнинный контроль динамики разложения древесного опада». В: Экология 63:621-626.
  19. ^ Хеттеншвилер С. и П. М. Витоусек (2000). «Роль полифенолов в круговороте питательных веществ в наземной экосистеме». В: Тенденции в экологии и эволюции 15: 238-243.
  20. ^ Дэйви MP, Б. Берг, П. Роуленд, Б. А. Эммет. 2007. Разложение опада дубовых листьев связано с исходной концентрацией Mn в подстилке. Канадский журнал ботаники. 85(1). 16-24.
  21. ^ Берг Б., Дэйви М.П., ​​Эммет Б., Файтури М., Хобби С., Йоханссон М.Б., Лю С., Де Марко А., Макклагерти С., Норелл Л., Рутильяно Ф., Де Санто А.В. 2010. Факторы, влияющие на предельные значения разложения сосновой хвои - синтез для систем сосновых лесов бореальной и умеренной зоны. Биогеохимия. 100:57-73
  22. ^ Меентемейер, В. 1978 «Макроклимат и контроль лигнином скорости разложения подстилки». в: Экология 59:465-472.
  23. ^ Абер, JD, и JM, Мелилло (1982). «Иммобилизация азота в разлагающейся древесной подстилке в зависимости от исходного содержания азота и лигнина». В: Канадский журнал ботаники 60:2263-2269.
  24. ^ Олсон, Дж. С. (1963). «Хранение энергии и баланс производителей и редуцентов в экологических системах». В: Экология 44:322-331.
  25. ^ Кастро-Уэрта, Р.; Фалько, Л.; Сэндлер, Р.; Ковьелла, К. (2015). «Дифференциальный вклад групп почвенной биоты в разложение растительного опада, опосредованный использованием почвы» . ПерДж . 3 : е826. дои : 10.7717/peerj.826 . ПМК   4359044 . ПМИД   25780777 .
  26. ^ Карпентер, SA (1981). «Распад гетерогенного детрита: общая модель». В: Журнал теоретической биологии 89:539-547.
  27. ^ Чапин FS III, Мэтсон, Пенсильвания, и Муни, HA (2003). Принципы экологии наземных экосистем . Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк
  28. ^ Беловский, GE и JB Slade. (2000). «Травоядные насекомые ускоряют круговорот питательных веществ и увеличивают продуктивность растений». В: Труды Национальной академии наук (США). 97:14412-14417.
  29. ^ Перейти обратно: а б Франк и др. 2005.
  30. ^ Хантер, доктор медицины (2001). «Динамика популяций насекомых соответствует экологии экосистемы: влияние травоядных на динамику питательных веществ в почве». В: Сельскохозяйственная и лесная энтомология 3:77-84.
  31. ^ Суонк, В.Т., Вайд, Дж.Б., Кроссли, Д.А., и Тодд Р.Л. (1981). «Дефолиация насекомых увеличивает экспорт нитратов из лесных экосистем». В: Экология 51:297-299.
  32. ^ Стадлер Б., Золингер Ст. и Михальзик Б. (2001). «Насекомые-травоядные и поток питательных веществ из полога в почву в хвойных и лиственных лесах». В: Экология 126:104-113.
  33. ^ Тесная связь между экосистемными услугами и благополучием была подчеркнута в « Оценке экосистем на пороге тысячелетия».
  34. ^ Эренфельд, Дж. Г. и Тот, Лос-Анджелес (1997). «Восстановительная экология и экосистемная перспектива». в: Экология восстановления 5:307-317.
  35. ^ Конц, BW 2004. Преемственность и конкуренция: заповедные ландшафты в Тотоникапане, Гватемала. Диссертация на степень магистра наук Массачусетского университета.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ecosystem_ecology&oldid=1227552667"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 18cb77a884be5f35b08de9ae0d2a6cd8__1717666860
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/18/d8/18cb77a884be5f35b08de9ae0d2a6cd8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ecosystem ecology - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)