Биоценоз широколистных и хвойных лесов

Типы наземных экосистем

В биогеоценозах суши, в отличие от водных экосистем, жизнь сообщества видов определяется в большей части самим живым населением, то есть биотическими факторами среды.

Биогеоценозы делят на древесные и травянистые. В природе много различных лесных (древесных) экосистем (экваториальные дождевые леса, тропические листопадные леса, хвойные леса холодной зоны, широколиственные, мелколиственные, смешанные леса умеренного климата и пр.). К травянистым экосистемам относятся степи, прерии и луга. Имеются также древесно-травянистые (в саванне), лишайниково-травянистые (в тундре), кустарниково-травянистые (в пустынях и болотах). В их почвах развиваются разные микроорганизмы. Степи, леса, тайга — это биомы (от англ. biome — «совокупность»), то есть совокупности различных биогеоценозов в определенной ландшафтно-географической зоне.

Сибирская тайга и африканская саванна

Обычно биомом называют наземные экосистемы, занимающие большие пространства суши. Например, пустыни или тундры, хвойные леса, тропические леса, луга, болота выглядят одинаково в разных частях земного шара, хотя различаются и по видовому составу, и по присутствию в них различных наземных экосистем.

Естественные экосистемы

Как уже отмечалось выше, естественные, природные экосистемы образовались в результате действия сил природы. Для них характерны:

• Тесная взаимосвязь органических и неорганических веществ
• Полный, замкнутый круг круговорота веществ: начиная от появления органического вещества и заканчивая его распадом и разложением на неорганические компоненты.
• Устойчивость и способность к самовосстановлению.

Все природные экосистемы определяются следующими признаками:

• 1. Видовая структура: численность каждого вида животного или растения регулируется природными условиями.
  2. Пространственная структура: все организмы располагаются в строгой горизонтальной или вертикальной иерархии. Например, в лесной экосистеме четко выделяются ярусы, в водной — размещение организмов зависит от глубины воды.
  3. Биотические и абиотические вещества. Организмы, составляющие экосистему, делятся на неорганические (абиотические: свет, воздух, почва, ветер, влажность, давление) и органические (биотические — животные, растения).
  4. В свою очередь биотический компонент делится на производителей, потребителей и разрушителей. К производителям относят растения и бактерии, которые с помощью солнечного света и энергии создают из неорганических веществ органику. Потребители — это животные и плотоядные растения, которые питаются этой органикой. Разрушители (грибы, бактерии, некоторые микроорганизмы) являются венцом пищевой цепочки, так как производят обратный процесс: органику превращают в неорганические вещества.

Пространственные границы каждой природной экосистемы весьма условны. В науке принято определять эти границы естественными очертаниями рельефа: например, болото, озеро, горы, реки. Но в совокупности, все экосистемы, слагающие биооболочку нашей планеты, считаются открытыми, так как они взаимодействуют с окружающей средой и с космосом. В самом общем представлении картина выглядит так: живые организмы получают из окружающей среды энергию, космические и земные вещества, а на выходе — осадочные породы и газы, уходящие в итоге в космос.

Все компоненты природной экосистемы находятся в тесной взаимосвязи. Принципы этой связи складываются годами, иногда столетиями. Но именно поэтому они и становятся настолько устойчивы, так как эти связи и климатические условия и определяют виды животных и растений, которые обитают в данном ареале. Любое нарушение равновесия в природной экосистеме может привести к ее исчезновению или затуханию. Таким нарушением может стать, например, вырубка леса, истребление популяции того или иного вида животных. В этом случае сразу нарушается пищевая цепочка, и экосистема начинает «сбоить».

К слову, привнесение дополнительных элементов в экосистемы также способно нарушить ее. Например, если человек начнет разводить в выбранной экосистеме животных, которых там изначально не было. Яркое подтверждение тому — разведение кроликов в Австралии. Сначала это было выгодно, так как в такой благодатной среде и прекрасных для разведения климатических условиях, кролики стали размножаться с невероятной быстротой. Но в итоге все свелось к краху. Несметные полчища кроликов опустошали пастбища, где раньше паслись овцы. Численность овец стала снижаться. А продуктов от одной овцы человек получает гораздо больше, чем от 10 кроликов. Этот случай вошел даже в поговорку: «Кролики съели Австралию». Понадобилось неимоверное усилие ученых и большие затраты, прежде чем удалось избавиться от поголовья кроликов. Полностью их популяцию в Австралии истребить не удалось, но их численность сократилась и уже не угрожала экосистеме.

Экосистема хвойного леса

Для формирования экосистемы хвойного леса необходим холодный климат. Поэтому такие образуются в основном на севере, где средние колебания температуры воздуха колеблются в пределах от -5°C до +5°C. Осадков мало — до 200 мм в год, и чаще всего они выпадают в виде снега. Лето в таких краях холодное и короткое, а зима — продолжительная и морозная.

Эти климатические условия великолепно подходят для произрастания хвойных пород деревьев: сосен, елей, пихт, кедров, лиственниц. Именно они занимают доминирующее положение в данной экосистеме и расположены на верхнем ярусе.

Хвойные леса, объединенные в массивы, называют тайгой. Эта экосистема распространена в северном полушарии, в основном, в Сибири и в Канаде. В южном полушарии хвойные леса не создают таких массивов и встречаются в виде отдельных участков. А в Австралии и Южной Америке хвойные леса произрастают в горах.

Хвойные породы деревьев вместо листьев имеют иглы, которые. За счет своей маленькой площади прекрасно сохраняют тепло и влагу. А смола, укутывающая хвойные деревья позволяет свободно переносить продолжительные морозы. Фотосинтез в этих деревьях не замирает даже при 0°C.

В экосистеме хвойных лесов практически не присутствует средний ярус. А нижний заселяют мхи и лишайники. Вместе с деревьями эти виды растительности являются продуцентами — они активно участвуют в фотосинтезе, перерабатывая солнечную энергию. Кроме того, они являются кормом для следующего звена экосистемы — животных.

Вершиной пищевой цепочки в таких лесах являются хищники: рыси, тигры, медведи, волки, лисы. Из травоядных млекопитающих особенно распространены парнокопытные: олени, лоси, изюбры. Много животных с ценным мехом: соболей, куниц, белок, ласок. Это организмы-потребители.

К организмам-разрушителям относятся грибы, бактерии и черви.

Пищевые цепочки в экосистеме хвойных лесов зачастую короткие. Например, дерево — травоядное животное (белка) — хищник (лиса).

Если человек не вмешивается в экосистему хвойного леса, то здесь происходит процесс саморегуляции: один вид животных никогда не уничтожает полностью особей другого вида. Что делает этот вид экосистемы очень устойчивым.

Устойчивость лесных экосистем

(Схема устойчивости экосистем России)

Среди всех лесных экосистем наиболее устойчивой является экосистема смешанного леса. Далее, в порядке убывания следуют широколиственные, хвойные и тропические леса.

Это объясняется плотностью произрастания деревьев и степенью проникновения солнечных лучей в самые нижние ярусы леса. Так, например, в смешанных лесах деревья растут не плотно, оставляя свободное пространство для солнечных лучей. Лучи проникают до самой земли, оказывая значительное влияние на деятельность редуцентов, которые, в свою очередь, вырабатывают полезные вещества для роста самих деревьев.

Смешанный

Экосистема смешанного леса представляет собой смешение двух экосистем, обусловленное наличием в ней лиственных и хвойных пород. Так, экосистемы дополняют и укрепляют друг друга, а образовавшаяся в результате общая становится более устойчивой. Смешанным он считается тогда, когда к одному виду деревьев примешивается другой в объеме не менее 5%. Потому неслучайно, что такие леса располагаются между хвойными с севера и широколиственными с юга. В основном они встречаются в климатических зонах с теплым летом и холодной зимой. Со среднегодовым количеством осадков до 700 мм. Почвы их произрастания – дерново-подзолистые или бурые с большим количеством перегноя.

Природная зона этих лесов – умеренного пояса: южная часть Скандинавии, Восточно-Европейская и Западно-Сибирские равнины, Карпаты, Кавказ, Дальний Восток, Юго-Восточная Азия. На Американском континенте – Аппалачи, регион Великих озер и Калифорния в Северной Америке, большая часть Южной Америки и Новая Зеландия.

Основными породами деревьев являются: ель, сосна, дуб, клен, липа, ясень и вяз. На Кавказе и Дальнем Востоке добавляются бук и пихта. В горных регионах – лиственница, а в Америке – секвойя. Растения, представляющие нижние ярусы также имеют широкое видовое разнообразие.

Богатый растительный мир смешанных лесов – это продуценты и автотрофы, то есть организмы, которые синтезируют с помощью солнечной энергии кислород и органические вещества из неорганических. Они — основа любой экосистемы, и смешанные леса не являются исключением.

Следующий этап в пищевой цепи принадлежит потребителям или консументам, организмам гетеротрофным. Их общая масса на порядок меньше растительной – зеленой, что является основным правилом жизнеспособности экосистемы. К ним относят: животных, птиц, рыб, земноводных, пресмыкающихся, насекомые, грибы и бактерии. Он менее разнообразен. Это: грызуны — зайцы, белки, мыши; млекопитающие — олени, лоси, волки, лисы; пернатые – сова, дятел; насекомые – клещи, комары, пауки; простейшие – бактерии.

Замыкают пищевую цепь – могильщики — разрушители или редуценты: личинки насекомых, черви, микроорганизмы.

Особенностью пищевой цепи смешанного леса является устойчивость, за счет видового взаимного дополнения и, если необходимо, замены. При снижении популяции или исчезновении какого-либо вида продуцентов, он замещается количеством особей другого. Такое правило не работает в отношении насекомых. Они являются опылителями растений, а их личинки — редуцентами. Их исчезновение приведет к затуханию экосистемы.

Смешанные лесные экосистемы сменяют широколиственные.

Травянистые экосистемы

Травянистые наземные экосистемы отличаются от лесов отсутствием древесной растительности и высокой степенью обогащения почвы вследствие разложения тканей опавших листьев и травянистых стеблей. Степи и прерии занимают обширные территории в довольно засушливых областях внутренних частей материков, а саванны находятся в сходных, но еще более жарких областях земной поверхности. Степи и прерии развиваются на высокоплодородных почвах — черноземах. Здесь произрастает множество видов трав (разнотравье) и различных животных, приспособившихся переносить периоды засухи и холодных бесснежных зим. К сожалению, естественных степных экосистем на Земле практически не осталось, так как все они распаханы и превращены в поля, засеваемые зерновыми, бобовыми и другими культурами. Лишь малая доля степей и прерий сохранилась в первозданном виде на небольших клочках неудобий — между оврагами, у обочин дорог и на крутых склонах гористой местности.

Луга — это травянистые экосистемы, растительный компонент которых представлен сообществом трав, требующих достаточного увлажнения. Луга занимают низменные, хорошо увлажняемые территории, например в поймах рек (заливные луга); материковые низины (суходольные луга), например лесные поляны. Бывают также горные луга, в том числе высокогорные (альпийские луга).

Альпийские луга

В этих биогеоценозах основу растительного покрова составляют многочисленные виды злаков и цветущего разнотравья, а животных — обилие насекомых (жуки, мухи, бабочки и пр.).

Луга — это главные сенокосные угодья и места выпаса скота.

К сожалению, как степные, так и луговые экосистемы во многих регионах уничтожены — распаханы для выращивания культурных растений или заняты городами, поселками и промышленными предприятиями.

Правила экологической пирамиды

На каждом последующем уровне продукция примерно в 10 раз меньше предыдущего. Это правило экологических пирамид в 1927 году объявил зоолог Чарлз Элтон для отображения экологической структуры. Структурой для построения экологических пирамид служат пищевые цепи. Чарлз Элтон разработал графическую модель в форме пирамиды, основание которой занимают продуценты. Объем каждого верхнего этажа по сравнению с предыдущим уменьшается. Над уровнем продуцентов залегает уровень консументов I порядка. Выше находятся консументы остальных порядков. 

Позже эколог Р. Линдеман в 1942 году вывел правило 10%: на каждый следующий более высокий трофический уровень переходит около 10% энергии предыдущего уровня. 90% энергии при переносе ее от звена к звену рассеивается в виде тепла. Поэтому, в связи с колоссальной потерей энергии, количество трофических уровней ограничено и не превышает четырех-пяти звеньев. Чем дальше от начала располагаются звенья цепи, тем меньше энергии достается следующим трофическим уровням.

Энергия (C) тратится на разнообразные процессы жизнедеятельности организмов. Часть идет на построение клеток, а именно на прирост (P). Часть расходуется на прохождение энергетического обмена (R) и на процесс дыхания (i). Некоторая часть энергии выводится из организма в качестве неусвояемых продуктов жизнедеятельности (F). Следовательно, общее количество энергии будет складываться из отдельных составляющих:

C = P + R + F

Очевидно, что не все слагаемые будут переходить на следующий трофический уровень. Например, энергия, затраченная на дыхание, уходит из экосистемы. Таким образом, каждый последующий уровень всегда будет получать меньше энергии, чем первоначально содержится в предыдущем.  

Правило 10% (принцип Линдемана) – основной закон пирамиды энергии.

Типы экологических пирамид:

• пирамида чисел (численностей) – отражает численность отдельных организмов по трофическим цепям, показывая уменьшение числа особей от продуцентов к редуцентам. Например, чтобы прокормить одного волка, нужно несколько кроликов; чтобы прокормить этих кроликов, нужно большое численное многообразие растений;
• пирамида биомасс — показывает соотношение продуцентов, консументов и редуцентов в экосистеме, выраженное в их массе. Обычно каждый последующий уровень по массе в 10 раз меньше, чем предыдущий;
• пирамида энергии — отражает силу потока энергии через последовательные трофические уровни, т.е. эта пирамида отражает скорость прохождения массы пищи через трофическую цепь. Таким образом, структура биоценоза зависит главным образом не от количества фиксированной энергии, а от скорости продуцирования пищи.

Экологическая пирамида может быть перевернута основанием вверх, то есть предыдущие уровни могут иметь меньшую плотность и биомассу, чем последующие. Основным фактором для этого служит высокая скорость воспроизводства популяции жертвы. Например, множество насекомых, обитающих на одном дереве.

Видовая и пространственная структуры экосистемы

При рассмотрении любых экосистем в горизонтальном и вертикальном направлении, можно отметить неоднородность расположения в них живых организмов.

Видовая структура экосистемы – это многообразие видов, их взаимодействие и соотношение численности. Различные сообщества, состоящие из разных видов, образуют видовое разнообразие экосистемы. Например, в степи на площади 100 м2 произрастают растения, принадлежащие к 100 разным видам.

Видовая структура экосистемы определяется также и соотношением численности особей разных видов в экосистеме. Например, в одном лесу могут обитать около 10 видов птиц по 100 особей каждого вида. В другом лесу то же количество видов включает неоднородное соотношение особей каждого вида: особи одних видов по численности могут превосходить другие виды, и наоборот. Виды, в популяции которых содержится наибольшее количество особей, называются доминантами. Например, в степях доминантами являются ковыль и типчак, так как именно представители этих видов преобладают в экосистеме по численности. Доминанты определяют структуру экосистемы и, как правило, не имеют врагов, что дает им заметное преимущество к процветанию.

Эдификатор — основной образователь среды. Обычно доминирующий вид является и эдификатором. Например, сосна в сосновом бору считается как доминантом, так и эдификатором. Во-первых, по биомассе сосна значительно превосходит остальные организмы данной экосистемы, а во-вторых, она создает условия для существования “соседей”, затеняя нижние ярусы, окисляя почву.

Пространственная структура экосистемы – это расположение популяций разных видов в экосистеме. Пространственная структура экосистемы бывает вертикальной и горизонтальной. Растительность определяет главным образом вертикальную структуру экосистемы. Совокупность растений одинаковой высоты формирует ярусы. Выделяют около пяти ярусов, образованных разными жизненными формами растений: древесный (верхний и нижний), кустарниковый, кустарниково-травяной, мхово-лишайниковый. Высокие деревья (сосна, ель, дуб, береза) составляют верхний (первый) ярус. Далее располагаются деревья пониже (рябина, осина, черемуха, яблоня), образующие второй ярус. Затем идут кустарники (шиповник, жимолость, крушина, ежевика), формирующие третий ярус. Мхи, низкорослые травы и лишайники создают самый нижний ярус.

Ярусное расположение растительности определяется, прежде всего, их неодинаковой потребностью в солнечном свете: верхний ярус занимают светолюбивые растения, под пологом которых прячутся теневыносливые.

Животные также могут занимать тот или иной растительный ярус, практически не покидая его.

Ярусность бывает не только надземная, но и подземная. Почвенную ярусность определяет характер залегания корневой системы различных растений. Корни наиболее высоких деревьев проникают на большую глубину, чем корни кустарников, ближе к поверхности располагаются корни мелких травянистых растений, а непосредственно на ней — мхи. При этом, в поверхностных слоях почвы корней значительно больше, чем в глубинных.

Горизонтальная структура экосистемы (мозаичность) – это неравномерное распределение популяций отдельных видов по площади. Мозаичность возникает вследствие неоднородности рельефа почвы, а также может быть результатом деятельности человека (например, кострища, выборочная рубка). Животные тоже оказывают влияние на горизонтальную структуру экосистемы (вытаптывание копытными травостоя, образование муравейников).

Горизонтальная структура экосистемы
Вертикальная структура экосистемы 

Вертикальная и горизонтальная структуры экосистемы позволяют организмам наиболее эффективно использовать световой поток, минеральные вещества почвы и влагу.

Леса — устойчивые экосистемы

Экосистема измеряется устойчивым положением в биосфере, с выдерживанием внешних изменений и восстановлением впоследствии. К самым надёжным лесным системам относится смешанный лес, затем идёт широколиственный, хвойный и тропический. На такое распределение влияет плотность растительных крон и степень солнечного освещения нижних ярусов. Недостаток солнца замедляет поставку редуцентами полезных веществ деревьям.

Принципы развития устойчивых экосистем:

• Непрерывный круговорот веществ и энергии внутри системы
• Функционирование за счёт солнечной энергии
• Ограниченная численность жителей экосистемы.

Естественное развитие лесов так же является показателем устойчивости:

• К девственному лесу относится массив (дальневосточный), не тронутый несколькими поколениями;
• На естественный лес (например, сибирский) губительно влияют различные факторы, но он снова развивается, правда длительное время;
• У антропогенных лесов, испытывающих влияние человека одного поколения, устойчивость низкая.

• Учеными подсчитано, что на планете Земля произрастает около 3 триллионов деревьев.
• Человечество сократило лесные массивы на 45 %. Каждый год уничтожается по 95 млн. стволов.
• Самая лесная страна в Европе – Финляндия.
  Меньше всего леса в Великобритании. Лес занимает всего 6 % территории.
• Одним деревом за год производится 120-680 кг кислорода, связывание 34 кг углерода, нейтрализование 80 кг вредного вещества, сбор 20 кг пыли и фильтрация 100000 куб. м воздуха.
• 80 кг собранной макулатуры спасёт 1 дерево.
  Чтобы произвести бумагу, каждый год мир вырубает 125 млн. деревьев.

Флора и фауна

Флора российских лесов представлена хвойными и лиственными породами деревьев и кустарников. Ели, сосны, пихты, осины – самые высокие растения. Под ними прячутся березы, рябины с подлеском из малины, ежевики, можжевельника. Почву защищают злаковые и цветковые травы, кустарнички (черника, брусника, голубика, верески), мхи, лишайники.

Рис. 1. Смешанный лес.

После пожаров и вырубок мелколиственный лес является предшественником хвойного леса, под его защитой постепенно подрастают ели, сосны, лес превращается в смешанный; такой лес называется промежуточным.

Фауна лесов разнообразна: копытные олени, кабаны, лоси; хищники волки, лисы, медведи, барсуки, ежи; грызуны зайцы, мыши. Некоторые животные смешанных лесов зимой впадают в спячку, большинство активны весь год. Лесные птицы: совы, синицы, соловьи, варакушки, дятлы и другие.

Рис. 2. Фото лося зимой.