Войти
Рисунок 1. A прибрежный лес в Белых горах, Нью-Гэмпшир (США). Экология экосистемы - это комплексное исследование живых (биотических ) и не -живые (абиотические ) компоненты экосистем и их взаимодействия в рамках экосистемы. Эта наука изучает, как работают экосистемы, и связывает это с их компонентами, такими как химические вещества, коренные породы, 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 выгодное товарное производство. Основное внимание в экологии экосистемы 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 экосистемы значительно улучшили понимание людьми устойчивого производства кормов, волокон, топлива и обеспечения воды.. Функциональные процессы опосредуются региональным уровнем климат, возмущением и управлением. Таким образом, экология экосистемы обеспечивает мощную основу для выявления экологических механизмов, которые взаимодействуют с глобальными экологическими проблемами, особенно глобальным потеплением и деградацией поверхностных вод.
Этот пример демонстрирует несколько важных аспектов экосистем:
Эти характеристики также создают практические проблемы в управлении природными ресурсами. Кто и какой экосистемой будет управлять? Вырубка леса в лесу приведет к ухудшению любительского рыболовства в ручье? Управляющим земельными ресурсами сложно ответить на эти вопросы, пока границы между экосистемами остаются неясными; даже если решения в одной экосистеме повлияют на другую. Нам нужно лучше понять взаимодействия и взаимозависимости этих экосистем и процессов, которые их поддерживают, прежде чем мы сможем приступить к решению этих вопросов.
Экология экосистемы по своей сути является междисциплинарной областью изучения. Отдельная экосистема состоит из популяций организмов, взаимодействующих внутри сообществ и способствующих круговороту питательных веществ и потоку энергии. Экосистема является основной единицей изучения экосистемной экологии.
Население, сообщество и физиологическая экология обеспечивают многие из основных биологических механизмов, влияющих на экосистемы и процессы, которые они поддерживают. Поток энергии и круговорот веществ на уровне экосистемы часто изучаются в экосистемной экологии, но в целом эта наука определяется больше предметом, чем масштабом. Экология экосистемы рассматривает организмы и абиотические запасы энергии и питательных веществ как интегрированную систему, что отличает ее от связанных наук, таких как биогеохимия.
Биогеохимия и гидрология, фокусируются на нескольких фундаментальных экосистемных процессах, таких как биологически опосредованные химические вещества. круговорот питательных веществ и физико-биологический круговорот воды. Экология экосистемы формирует механистическую основу для региональных или глобальных процессов, охватываемых гидрологией от ландшафта к региону, глобальной биогеохимией и наукой о земных системах.
Экология экосистемы философски и исторически уходит корнями в экологию суши. Концепция экосистемы быстро развивалась в течение последних 100 лет с важными идеями, разработанными Фредериком Клементсом, ботаником, который приводил доводы в пользу конкретных определений экосистем и того, что физиологические процессы ответственны за их развитие и устойчивость. Хотя большинство определений экосистемы Клементса были значительно переработаны, сначала Генри Глисоном и Артуром Тэнсли, а затем современными экологами, идея о том, что физиологические процессы являются фундаментальными для структуры и функционирования экосистемы, остается центральное место в экологии.
Рис. 3. Энергия и материя протекают через экосистему, адаптированная из модели Силвер-Спрингс. H - травоядные, C - плотоядные, TC - лучшие плотоядные, а D - разлагатели. Квадраты представляют биотические бассейны, а овалы - потоки энергии или питательных веществ из системы. Более поздняя работа Юджина Одума и Говарда Т. Одума количественно оценила потоки энергии и вещества в экосистеме. уровень, тем самым документируя 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 (виды, неорганические бассейны питательных веществ и т. д.). Более поздняя работа продемонстрировала, что эти взаимодействия и потоки применяются к круговоротам питательных веществ, изменяются в течение сукцессии и обеспечивают мощный контроль над продуктивностью экосистемы. Передача энергии и питательных веществ присуща экологическим системам, независимо от того, водные они или наземные. Таким образом, экология экосистемы возникла в результате важных биологических исследований растений, животных, наземных, водных и морских экосистем.
Экосистемные услуги - это экологически опосредованные функциональные процессы, необходимые для поддержания здорового человеческого общества. Водоснабжение и фильтрация, производство биомассы в лесном хозяйстве, сельском хозяйстве и рыболовстве и удаление парниковых газов такие как двуокись углерода (CO 2) из атмосферы, являются примерами экосистемных услуг, необходимых для общественного здравоохранения и экономических возможностей. Круговорот питательных веществ является фундаментальным процессом в сельском хозяйстве и лесном хозяйстве.
Однако, как и большинство экосистемных процессов, круговорот питательных веществ не является характеристикой экосистемы, которую можно «набрать» до наиболее желательного уровня. Максимальное увеличение производства в деградированных системах - это слишком упрощенное решение сложных проблем голода и экономической безопасности. Например, интенсивное использование удобрений на Среднем Западе Соединенных Штатов привело к ухудшению рыболовства в Мексиканском заливе. К сожалению, «Зеленая революция » с интенсивным химическим удобрением была рекомендована для сельского хозяйства развитых и развивающихся стран. Эти стратегии рискуют изменить экосистемные процессы, которые может быть трудно восстановить, особенно при широкомасштабном применении без адекватной оценки воздействия. Экосистемным процессам может потребоваться много лет, чтобы восстановиться после значительного нарушения.
Например, крупномасштабная вырубка лесов на северо-востоке США в XVIII и XIX веках изменила структуру почвы, доминирующую растительность и круговорот питательных веществ. которые влияют на продуктивность лесов в настоящее время. Понимание важности функции экосистемы для поддержания продуктивности, будь то в сельском или лесном хозяйстве, необходимо в сочетании с планами восстановления основных процессов. Более глубокие знания о функциях экосистемы помогут достичь долгосрочной устойчивости и стабильности в беднейших частях мира.
Продуктивность биомассы - одна 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. Величина продуктивности также зависит от общей способности растений улавливать солнечный свет, которая напрямую коррелирует с площадью листьев растений и содержанием азота.
Чистая первичная продуктивность (NPP) является основным показателем накопления биомассы в экосистеме. Чистую первичную продуктивность можно рассчитать по простой формуле, где общий объем продуктивности скорректирован с учетом общих потерь продуктивности за счет поддержания биологических процессов:
Рисунок 4. Сезонные и годовые изменения в концентрации углекислого газа (CO 2) в Мауна-Лоа, Гавайи (атмосфера) и над пологом лиственного леса в Массачусетсе (Лес). Данные показывают четкие сезонные тенденции, связанные с периодами высокой и низкой АЭС и общим годовым увеличением атмосферного CO 2. Данные приблизительны к данным Килинга, Уорфа и Барфорда. Где GPP - это валовая первичная продуктивность, а R продуцент - фотосинтат (Углерод ), потерянный в результате клеточного дыхания.
NPP 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, измеренные на Мауна-Лоа, Гавайи с 1987 по 1990 год. Концентрация CO 2 стабильна увеличилось, но внутригодовые колебания были больше, чем годовые приросты с момента начала измерений в 1957 году.
Считалось, что эти колебания связаны с сезонным поглощением CO 2 в летние месяцы. Недавно разработанный метод оценки экосистемы NPP подтвердил, что сезонные колебания вызваны сезонными изменениями в поглощении CO 2 растительностью. Это заставило многих ученых и политиков предположить, что экосистемами можно управлять для решения проблем, связанных с глобальным потеплением. Этот тип управления может включать восстановление лесов или изменение графиков лесозаготовок во многих частях мира.
Разложение и круговорот питательных веществ имеют фундаментальное значение для производства биомассы в экосистеме. Большинство природных экосистем ограничено (N) азотом, и производство биомассы тесно связано с круговоротом азота. Обычно поступление питательных веществ извне очень низкое, и эффективная переработка питательных веществ поддерживает продуктивность. На разложение растительного опада приходится большая часть питательных веществ, возвращаемых через экосистемы (рис. 3). Скорость разложения растительного опада во многом зависит от его качества; высокая концентрация фенольных соединений, особенно лигнина, в растительной подстилке оказывает замедляющее действие на разложение подстилки. Более сложные соединения C разлагаются медленнее, и для полного разложения может потребоваться много лет. Разложение обычно описывается с помощью экспоненциального распада и связано с концентрациями минералов, особенно марганца, в опадке листьев.
Рис. 5. Динамика разложения опада растений (A), описанная с помощью экспоненциальной модели ( B) и комбинированной экспоненциально-линейной модели (C). В глобальном масштабе скорость разложения определяется качеством подстилки и климатом. Экосистемы, в которых преобладают растения с низкой концентрацией лигнина, часто имеют быструю скорость разложения и круговорота питательных веществ (Chapin et al. 1982). Простые соединения, содержащие углерод (C), предпочтительно метаболизируются микроорганизмами, разлагающими , что приводит к быстрым начальным скоростям разложения, см. Фиг. 5A, модели, которые зависят от постоянных скоростей разложения; так называемые значения «k», см. рисунок 5B. Помимо качества подстилки и климата, очень важна деятельность почвенной фауны
Однако эти модели не отражают одновременные линейные и нелинейные процессы разложения, которые, вероятно, происходят во время разложения. Например, белки, сахара и липиды разлагаются экспоненциально, но лигнин распадается с более линейной скоростью. Таким образом, распад подстилки неточно предсказывается упрощенными моделями.
Простая альтернативная модель, представленная на рисунке 5C, демонстрирует 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 относится к процессу передачи энергии и питательных веществ между организмами. Трофическая динамика - важная часть структуры и функции экосистем. На рисунке 3 показана энергия, передаваемая экосистемой в Силвер-Спрингс, Флорида. Энергия, полученная первичными производителями (растениями, P), потребляется травоядными животными (H), которые потребляются плотоядными животными (C), которые сами потребляются «топ-плотоядными животными» (TC).
Один из наиболее очевидных паттернов на Рисунке 3 состоит в том, что по мере того, как человек поднимается на более высокие трофические уровни (то есть от растений к высшим хищникам) общее количество энергии уменьшается. Растения осуществляют «восходящий» контроль над энергетической структурой экосистем, определяя общее количество энергии, поступающей в систему.
Однако хищники также могут влиять на структуру нижних трофических уровней сверху вниз.. Эти влияния могут резко изменить доминирующие виды в наземных и морских системах. Взаимодействие и относительная сила нисходящего и восходящего контроля над структурой и функцией экосистемы является 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 увеличивать разложение подстилки и круговорот питательных веществ за счет прямых изменений качества подстилки и изменения доминирующей растительности. Было показано, что травоядные насекомые увеличивают скорость разложения и круговорота питательных веществ из-за изменений в качестве подстилки и увеличения поступления лубы.
Однако вспышка насекомых не всегда увеличивает круговорот питательных веществ. Stadler показал, что медвяная роса, богатая углеродом, образовавшаяся во время вспышки тли, может привести к усилению иммобилизации азота почвенными микробами, замедляя круговорот питательных веществ и потенциально ограничивая производство биомассы. Морские экосистемы Северной Атлантики сильно изменились из-за перелова трески. Запасы трески сократились в 1990-х годах, что привело к увеличению их добычи, такой как креветки и снежные крабы. Вмешательство человека в экосистемы привело к резким изменениям в структуре и функциях экосистем. Эти изменения происходят быстро и имеют неизвестные последствия для экономической безопасности и благосостояния людей.
Биосфера претерпела значительные изменения. изменено требованиями человеческого общества. Экология экосистемы играет важную роль в понимании и адаптации к наиболее актуальным экологическим проблемам. Экология восстановления и управление экосистемой тесно связаны с экологией экосистемы. Восстановление сильно деградированных ресурсов зависит от интеграции функциональных механизмов экосистем.
Без сохранения этих функций экономическая ценность экосистем значительно снижается, и в поле могут возникнуть потенциально опасные условия. Например, районы горного западного нагорья Гватемалы более восприимчивы к катастрофическим оползням и сезонной нехватке воды из-за потери лесных ресурсов. Напротив, такие города, как Totonicapán, которые сохранили леса благодаря сильным социальным институтам, имеют большую экономическую стабильность на местном уровне и в целом большее благосостояние людей.
Эта ситуация поразительна, учитывая, что эти районы расположены близко по отношению друг к другу, большинство жителей относятся к происхождению майя, а топография и общие ресурсы аналогичны. Это случай двух групп людей, управляющих ресурсами принципиально разными способами. Экология экосистемы обеспечивает фундаментальную науку, необходимую для предотвращения деградации и восстановления экосистемных процессов, обеспечивающих основные потребности человека.
Экологический портал 
Экологический портал 
Портал наук о Земле 