Влияние абиотических факторов на продуктивность и жизнедеятельность организмов

Распространение организмов от одной экосистемы к другой и от одной части экосистемы к ее другой части определяется различными факторами. Для экологии представляет интерес реакция организмов на факторы среды. Влияние факторов на живое характеризуется некоторыми количественными и качественными закономерностями.

Для разных видов условия, в которых они особенно хорошо себя чувствуют, неодинаковы. Например, некоторые растения предпочитают очень влажную почву, другие - относительно сухую. Одни требуют высокой температуры, другие лучше переносят пониженную.

Обозначим множество значений любого фактора в виде вектора, или шкалы. Жизнь возможна лишь при определенных значениях факторов, совокупность которых носит название экологического спектра. Каждый вид характеризуется своим экологическим спектром.

Действие каждого фактора характеризуется наличием в пределах его общего спектра трех зон:

1) зоны нарушения жизнедеятельности вследствие недостатка фактора (зона минимума);

2) зоны нормальной жизнедеятельности (зона оптимума);

3) зоны нарушения жизнедеятельности вследствие избытка фактора (зона максимума).

При минимуме и максимуме фактора организм может жить, но не достигает расцвета (стрессовые зоны). Весь интервал значений фактора от минимального до максимального, при которых возможна жизнедеятельность организма, называют диапазоном устойчивости (толерантности).

В 1840 г. химик Юстус фон Либих, наблюдая за влиянием на растения химических удобрений, обнаружил, что ограничение дозы любого из них ведет к замедлению роста. Это позволило ученому сформировать правило, которое носит название закона минимума Либиха.

Согласно этому закону, жизненные возможности лимитируют факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.

Закон относится ко всем влияющим на организм биотическим и абиотическим факторам и применим и к растениям, и к животным, и к человеку.

В 1913 г. американский ученый Шелфорд показал, что не только вещество, присутствующее в минимуме, может определять жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным отклонениям. Например, при недостатке воды в почве ассимиляция растением минеральных веществ затруднена, но и при избытке воды возникают процессы гниения, закисание почвы.

Факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке (по отношению к оптимальным требованиям организма), называются лимитирующими. Правило Шелфорда получило название закона лимитирующего фактора или закона толерантности.

Среди химических и физических факторов среды выделим три группы факторов: климатические, факторы почвенного покрова и водной среды.

I. Г л а в н е й ш и е к л и м а т и ч е с к и е ф а к т о р ы: 1. Л у ч и с т а я э н е р г и я С о л н ц а.

Преимущественное значение для жизни имеют инфракрасные лучи (длина волны больше 0,76 мкм), на долю которых приходится 45 % всей энергии Солнца. В процессах фотосинтеза наиболее важную роль играют ультрафиолетовые лучи (длина волны до 0,4 мкм), составляющие 7 % энергии солнечной радиации. Остальная часть энергии приходится на видимую часть спектра с длиной волны 0,4 - 0,76 мкм. 2. О с в е щ е н н о с т ь з е м н о й п о в е р х н о с т и.

Она играет важную роль для всего живого, и организмы физиологически адаптированы к смене дня и ночи. Практически у всех животных существуют суточные ритмы активности, связанные со сменой дня и ночи.

В л а ж н о с т ь а т м о с ф е р н о г о в о з д у х а.

Связана с насыщением воздуха водяными парами. В нижних слоях атмосферы (высотой до 2 км) концентрируется до 50 % всей атмосферной влаги.

Количество водяного пара в воздухе зависит от температуры воздуха. Для конкретной температуры существует определенный предел насыщения воздуха парами воды, который называют максимальным. Разность между максимальным и данным насыщением воздуха парами воды называется дефицитом влажности (недостатком насыщения). Дефицит влажности является важным экологическим параметром, так как характеризует две величины: температуру и влажность.

Известно, что повышение дефицита влажности в определенные отрезки вегетационного периода способствует усиленному плодоношению растений, а у некоторых насекомых приводит к вспышкам размножения.

О с а д к и.

Из-за конденсации и кристаллизации паров воды в высоких слоях атмосферы формируются облака и атмосферные осадки. В приземном слое образуются росы и туманы.

Влага - основной фактор, определяющий разделение экосистем на лесные, степные и пустынные. Годовая сумма осадков ниже 1000 мм соответствует стрессовой зоне для многих видов деревьев, а предел устойчивости большинства из них составляет около 750 мм/год. В то же время у большинства злаков такой предел значительно ниже - примерно 250 мм/год, а кактусы и другие пустынные растения способны расти при 50 - 100 мм осадков в год. Соответственно, в местах с количеством осадков выше 750 мм/год обычно развиваются леса, от 250 до 750 мм/год - злаковые степи, а там, где их выпадает еще меньше, растительность представлена засухоустойчивыми культурами: кактусами, полынями и видами перекати-поле. При промежуточных значениях годовой суммы осадков развиваются экосистемы переходного типа (лесостепи, полупустыни и т.д.).

Режим осадков является важнейшим фактором, определяющим миграцию загрязняющих веществ в биосфере. Осадки - одно из звеньев в круговороте воды на Земле. 5. Г а з о в ы й с о с т а в а т м о с ф е р ы.

Он относительно постоянен и включает преимущественно азот и кислород с примесью углекислого газа, аргона и других газов. Кроме того, в верхних слоях атмосферы содержится озон. В атмосферном воздухе присутствуют также твердые и жидкие частицы.

Климатические факторы: температура, осадки и движение воздуха

Газовый состав атмосферы и солнечное излучение напрямую определяют условия вегетации сельскохозяйственных культур. Азот участвует в формировании белковых структур, кислород обеспечивает окислительные процессы, а углекислый газ необходим для фотосинтеза и удержания теплового излучения Земли. Озоновый слой экранирует жесткое ультрафиолетовое излучение, тогда как твердые и жидкие взвешенные частицы регулируют прозрачность атмосферы. Объем поступающего тепла прямо пропорционален синусу угла стояния Солнца над горизонтом, что обусловливает суточную и сезонную динамику температур в конкретной местности.

• Нормальное атмосферное давление — 101325 Па (760 мм рт. ст.)
• Порог осадков для лесных экосистем — от 750 мм/год
• Порог осадков для пустынных зон — менее 250 мм/год
• Содержание кремнезема (SiO2) в минеральной части почвы — свыше 50%

Температурный режим и объем осадков — ключевые показатели, определяющие тип экосистемы территории. При годовой сумме осадков от 750 мм и выше формируются лесные массивы, а температура определяет их породный состав. В холодных регионах с коротким вегетационным периодом и глубоким снеговым покровом преобладают елово-пихтовые насаждения, в умеренных широтах — листопадные деревья, а в тропиках без заморозков доминируют вечнозеленые широколиственные породы. На территориях с суммой осадков менее 250 мм в год образуются пустыни, видовой состав которых строго зависит от температурного пояса.

Движение воздушных масс обусловлено неравномерным нагревом земной поверхности и перепадами атмосферного давления. Ветер направляет воздушные потоки в сторону меньшего давления и более высокого прогрева, регулируя влажность и обеспечивая перенос примесей в приземном слое. В пределах земного шара формируются постоянные области высокого и низкого давления с регулярными сезонными и суточными минимумами и максимумами.

Почва: структура, профиль и минеральный состав

Почва представляет собой верхний рыхлый слой суши, сформированный в процессе преобразования литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов. Главным качественным показателем почвы выступает ее плодородие, напрямую зависящее от физических и химических свойств. Почвенный профиль постоянно развивает горизонтальную структуру по мере перемещения и превращения веществ. Верхний поверхностный слой состоит из подстилки или дернины, образованной темноокрашенными растительными и органическими остатками различной степени разложения.

Под подстилкой залегает гумусовый горизонт А1 — пористая смесь из разложившейся органики (гумуса), живых организмов и минеральных частиц, где сосредоточена основная масса корней растений. В лесных почвах ниже находится светлый подзолистый горизонт А2 с непрочной структурой, который отсутствует в черноземных, темно-каштановых и каштановых типах почв. Глубже расположен плотный иллювиальный горизонт В бурого цвета, накапливающий вымытые сверху минеральные и органические вещества, под которым залегает материнская горная порода С.

Минеральная часть любого почвенного горизонта более чем на 50% состоит из кремнезема (SiO2), а остальную долю занимают глинозем и оксиды железа, магния, калия, фосфора и кальция. Поступающий растительный опад обогащает почву углеводами, белками, жирами, смолами и дубильными веществами. В процессе почвообразования органические остатки либо минерализуются до простых соединений (воды, углекислого газа, аммиака), либо гумифицируются, образуя почвенный перегной.

Механический состав почвы — соотношение частиц песка, супеси, глины и суглинка — определяет ключевые физические условия развития культур. От него зависят водопроницаемость, способность удерживать влагу, плотность и тепловой режим участка. Отдельное значение имеет аэрация — насыщенность почвенного горизонта воздухом, без которого невозможно нормальное дыхание корневой системы.

Реакция почвенной среды прямо влияет на доступность элементов питания и подбор культур для севооборота. Наиболее богата видами флора нейтральных почв, однако растения обладают разной толерантностью к кислотности. Для правильного планирования посадок ориентируются на базовую классификацию почв по показателю pH.

Слегка кислые почвы оптимально подходят для выращивания пшеницы, гороха, кукурузы и томатов. На очень кислых грунтах наилучшие результаты показывают картофель и ягодные культуры. Высадка культур без учета реактивностей среды приводит к недобору урожая и снижению эффективности удобрений.

Физико-химические характеристики почвы непрерывно формируются её живым населением: бактериями, водорослями, грибами, простейшими одноклеточными, червями и членистоногими. Дождевые черви, личинки жуков и клещи рыхлят грунт, повышая аэрацию и перерабатывая труднорасщепляемую органику. Внесенные минеральные туки не могут быть усвоены растениями напрямую — почвенная микрофлора переводит их в биологически доступную форму.

Абиотические факторы водной среды

Водная среда занимает 71% площади поверхности Земли и выступает главным аккумулятором солнечной энергии за счет высокой теплоемкости. Динамика температурных колебаний в воде значительно ниже, чем в воздухе, а постоянное перемещение водных масс поддерживает относительно однородный физико-химический состав. В то же время с увеличением глубины четко проявляется температурная стратификация.

• Доля водного пространства Земли — 71%
• Превышение плотности воды над воздухом — в 800 раз
• Превышение вязкости воды над воздухом — примерно в 55 раз
• Пределы колебания температуры воды — от -2 °C до +35–37 °C
• Соленость океанической воды — 35 г/л
• Соленость Черного моря — 19 г/л

Световой режим под поверхностью определяется прозрачностью воды и показателем ее мутности. От количества проникающего света зависит фотосинтез зеленых бактерий, фитопланктона и высших растений, образующих первичную органическую массу. Мутность возрастает при поступлении взвешенных частиц со сточными водами, поэтому этот параметр подлежит строгому производственному контролю.

Минеральный состав водоемов различается по химическому профилю: в пресных водах солей мало и преобладают карбонаты, в океане (35 г/л), Черном (19 г/л) и Каспийском (около 14 г/л) морях доминируют хлориды и сульфаты. Повышенный расход растворенного кислорода на дыхание и окисление органических сбросов делает среду непригодной для аэробных организмов. При этом любые резкие сдвиги pH или солености приводят к массовой гибели гидробионтов, адаптированных к строгим границам своего ареала.