Работа 5. Пищевые цепи и экологические пирамиды

Общие сведения. Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ. Энергия – это способность совершать работу. Экосистема, как живой механизм, потребляет энергию и питательные вещества для совершения работы. В экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ (биогеохимический цикл), в котором участвуют как биотический, так и абиотический компоненты. Энергия Солнца служит движущей силой этого круговорота, а также регулирует климатические факторы абиотического компонента (температура, движение атмосферы, испарение, осадки). Энергия существует в виде различных форм (химическая, физическая, тепловая, электрическая и др.), взаимопревращение которых подчиняется законам термодинамики. Первый из них (закон сохранения) гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена. По второму закону при совершении работы энергия не может быть использована на 100%, и часть её непременно теряется в виде тепла. Тепло есть результат хаотичного движения молекул, тогда как работа всегда означает упорядоченное использование энергии.

Таким образом, живые организмы – это преобразователи энергии, при любом превращении энергии происходят теплопотери, а в итоге вся энергия, поступившая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Тепло может совершать работу (например, в паровозе), однако энергозатраты на этот процесс намного превышают энергоотдачу. Поэтому в экосистеме происходит не круговорот энергии, а её линейная передача по пищевым цепям. Изучение потока энергии через экосистемы называется энергетикой экосистем, количество энергии измеряют в джоулях (1 Дж=10⁶ эрг; 1 эрг – работа, производимая силой в 1 Н на пути в 1 м) и калориях (1 калория – количество энергии, требуемое для нагрева 1 г воды на 1 градус по Цельсию). Взаимоотношения организмов в экосистеме графически представляют в виде пищевых сетей или пирамид (численности, биомассы, энергии).

Задание 1. Рассмотреть соотношение ежедневной энергетической потребности различных организмов на рис. 2 и ответить на вопросы.   1. Почему содержание энергии указано в пересчете на сухую, а не на сырую массу? 2. Чем можно объяснить большое различие суточной потребности в энергии на единицу массы тела у человека и мелких животных?
Рис.2 Соотношение ежедневной энергетической потребности различных организмов
1.
2.

Задание 2. Дать письменные пояснения к рис. 3.

Рис. 3. Пирамида энергии
1. 1. Цифры на графике обозначают:
2. 2. Связь между пирамидой энергии и вторым законом термодинамики состоит в том, что:

Задание 3. Рассмотреть рис. 4 и письменно ответить на вопросы.

Рис. 4. Поток энергии через пищевую цепь

Задание 4. Рассмотреть рис. 5 и письменно ответить на вопросы.
Рис. 5. Количество пестицида в биомассе организмов на различных трофических уровнях пищевой цепи
1.	Концентрация пестицида в воде, окружающего водные растения, составляет 0,02 части/млн, тогда при переходе пестицида в организмы а) первичных продуцентов, б) мелких рыб, в) крупных рыб г) хищных птиц она возрастет соответственно в:
2.	Трофический уровень, на котором пестицид окажет наибольшее влияние – это:
3.	Трофический уровень, на котором пестицид легче всего обнаружить – это:
4.	Трофический уровень, на котором находится обычная «мишень» для пестицида – насекомые – это:
5.	Почему с помощью пестицидов не удаётся уничтожить мелких двукрылых насекомых и почему они так быстро восстанавливают свою численность после повторного применения ядохимиката? ______________________________________________________
6.	Почему многие животные в наибольшем количестве погибают от отравления
пестицидами в периоды наиболее острой нехватки пищи и особенно суровых холодов.
7.	Сделать заключение о химической устойчивости и динамике накопления пестицидов в пищевых цепях.
8.	Какими свойствами должен обладать идеальный пестицид?

Задание 5. Если бы энергия, пришедшая к поверхности Земли за 1 день, полностью преобразовалась в ходе фотосинтеза в химическую энергию, то образовавшихся углеводов было бы достаточно, чтобы прокормить человечество в течение года. Назвать не менее трёх причин, по которым только очень небольшая часть солнечной энергии преобразуется растениями в углеводы.

Тема 4. Абиотический компонент экосистемы

Общие сведения. Абиотический, т.е. неживой, компонент экосистемы включает эдафические (почвенные), климатические, топографические и др. физические факторы (свет, волны, морские течения, огонь и т.п.).

Почва – слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры, источник питательных веществ для растений. Василий Васильевич Докучаев (1846–1903), основатель русской школы почвоведения, впервые стал рассматривать почву как не инертную, а динамичную среду, связующую биотический и абиотический компоненты.

Рис.6 Почвы России

Докучаев выявил 5 главных почвообразующих факторов: климат, геологическая (материнская) порода, топография (рельеф), живые организмы, время; в составе почв выделил 4 абиотических компонента:1)минеральный скелет (50–60% общего состава почвы); 2) органическое вещество (до 10%); 3) воздух (15–25%); 4) вода (25–35%). В минеральном скелете почв выделяют крупные гранулы, мелкий грунт (частицы менее 2 мм) и коллоидные частицы. Глина состоит из частиц менее 2 мкм в диаметре. Структура почвы определяется соотношением ила, песка (60–2000 мкм) и глины (< 2 мкм). Треугольник почвенной структуры (рис. 7) насчитывает 11 классов (суглинок, алеврит, или пыль (2-60 мкм), супесь и др.) по содержанию частиц разного диаметра.

Рис. 7. Треугольная диаграмма классов почв по структуре использования

По тяжести усилий при обработке глины считаются тяжёлыми почвами, песчаники – лёгкими. Для растений наиболее пригодны средне- и мелкоструктурные почвы (глины, суглинки, алевриты), т.к. содержат питательные вещества и удерживают воду. Песчаные почвы выгодны для ранних урожаев: быстро дренируются и выщелачиваются, но весной быстрее высыхают и лучше прогреваются. Степень каменистости влияет на дренаж (меньше удерживает воду) и повышает износ аграрного оборудования.

Основа песка и алеврита – кварц (кремнезём SiO₂), в котором силикат-анионы (SiO₄^–4) соединяются с катионами алюминия (Al³⁺) и железа (Fe²⁺, Fe³⁺) с образованием электронейтральных кристаллов.

Глинистые минералы встречаются в виде мельчайших плоских кристаллов шестиугольной формы, образующих в воде коллоидную суспензию. Каждый кристалл содержит слои силиката, объединенные со слоями гидроксида алюминия. Общая поверхность слоёв очень велика по сравнению с объёмом кристаллов (5 – 800 м² / г глины). Промежутки между слоями втягивают воду, что ведёт к набуханию глины. Важной особенностью этих минералов является постоянный отрицательный заряд, нейтрализуемый катионами, которые адсорбируются из почвенного раствора. Поэтому катионы не выщелачиваются из почвы и могут обмениваться на другие катионы. Катионообменная способность почвы служит важным индикатором её плодородия.

Идеальной почвой являются суглинки, содержащие поровну глины и песка с частицами промежуточных размеров, что создаёт крупичатую, пористую структуру. Суглинки имеют достоинства обоих типов и лишены их недостатков.

Рис.8 Почвенные горизонты

Почвенный горизонт — слой, формирующийся в результате расчленения почвы в процессе ее образования, поэтому такие слои называются генетическими и располагаются один над другим (рис.8). Каждый горизонт примерно однороден по структуре, окраске, механическому, минералогическому и химическому составу, физическим свойствам и другие. Мощность их от нескольких см до нескольких десятков сантиметров. При описании они обозначаются буквами латинского алфавита (А, В, С) с подразделением на подгоризрнты. Сверху вниз выделяют горизонты: А — перегнойно-аккумулятивный (гумусовый), В — горизонт вмывания почвенных растворов (иллювиальный) и С — переходный к материнской породе. Подгоризонты: А₀ — лесная подстилка или степной войлок, А₁ — гумусовый, А₂ — вымывания и так далее. На обрабатываемых для сельскохозяйственного производства землях возникает пахотный горизонт — А_п. Совокупность почвенных горизонтов образует почвенный профиль.

Почвенный профиль — совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов, на которые расчленяется почва в процессе почвообразования.

Волгоградская область расположена в пределах 2-х почвенных зон - черноземной и каштановой. Почвы черноземного типа занимают около 22% площади, каштанового - 44%, интразональные (с преобладанием солонцов) - 14%.

Рис.9 - Строение некоторых почв; (буквами обозначены генетические горизонты)

I - чернозем типичный, II - солонец, III - подзол, IV - дерново-подзолистая; 1 - АО - подстилка, 2 - А1 - перегнойно-аккумулятивный горизонт, 3 - В1- переходный горизонт в черноземах, 4,8, 9 - В2, В1, ВЗ - иллювиальные горизонты подзолистых почв, 5- В1 - иллювиальный солонцовый горизонт, 6 - В2 - переходный горизонт солонца, 7- ВС - переходный карбонат карбонатный горизонт чернозема, 10 - Е - элювиальный горизонт, 11 -С- материнская порода (2).

В профиле чернозема верхнюю часть занимает горизонт А — перегнойно-аккумулятивный; он имеет темно-серую окраску, содержит много гумуса, азота, фосфора. Аналогичные горизонты имеются во всех почвах, но обычно они значительно меньшей мощности, более светлые по окраске и содержат меньше гумуса. Такие качества позволили В.В. Докучаеву назвать чернозем царем русских почв. А1—гумусово-элювиальный- верхний горизонт профиля с морфологически или аналитически выраженными процессами разрушения или выщелачивания минеральных веществ. А2 –элювиальный горизонт образуются в процессе интенсивного разрушения минеральной части почвы и вымывания продуктов разрушения в нижележащие горизонты. Ниже горизонта А располагается переходный горизонт В. Он формируется под элювиальным или гумусовым и служит переходом к материнской породе, затем горизонт С - материнская порода. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах горизонт А мал и обеднен элементами питания, под ним формируется горизонт Е, из которого нисходящими токами влаги вынесены Fe, A1, К, Mg и другие элементы, а накапливаются преимущественно оксиды кремния SiO2. Многие элементы, особенно Fe, скапливаются в следующем горизонте В. Если горизонт Е называют элювиальным (от латинского eluo — вымывать), то горизонт В — иллювиальным (от латинского illuo — вмывать). Еще ниже могут быть горизонты с интенсивным развитием восстановительных процессов, их называют глеевыми и обозначают буквой G. Для солонца очень характерен плотный, столбчатый горизонт В, который обычно содержит много натрия и легко набухает при увлажнении