Кіріспе
Экожүйелік экология – экожүйелердің тірі (биотик) және тірі емес (абиоттық) компоненттерін және олардың экожүйе аясындағы өзара әрекеттесуін интеграцияланған түрде зерттейтін ғылым. Бұл ғылым экожүйелердің қалай жұмыс істейтінін зерттейді және оны химиялық заттар, тау жыныстары, топырақ, өсімдіктер және жануарлар сияқты құрауымен байланыстырады. Экожүйелік экология физикалық және биологиялық құрылымдарды зерттейді және осы экожүйелік ерекшеліктердің бір-бірімен қалай өзара әрекеттесетінін анықтайды. Бұл судың сапасын сақтау және экономикалық тұрғыдан тиімді тауар өндіруді түсінуге көмектеседі. Экожүйелік экологияның басты назарында функционалдық процестер, экожүйелердің құрылымын және қызметтерін сақтайтын экологиялық механизмдер тұрады. Оларға бастапқы өнімділік (биомасса өндірісі), ыдырау және трофикалық өзара әрекеттесулер жатады. Экожүйелік функцияларды зерттеулер адамзаттың шөп, талшық, отын және сумен қамтамасыз етудің тұрақты өндірісін түсінуін едәуір жақсартты. Функционалдық процестер аймақтық және жергілікті деңгейдегі климат, бұзылулар және басқару арқылы жүзеге асырылады. Осылайша, экожүйелік экология жаһандық экологиялық проблемалармен, әсіресе жаһандық жылынумен және жер бетіндегі судың нашарлауымен өзара әрекеттесетін экологиялық механизмдерді анықтау үшін қуатты құралды ұсынады. Бұл мысал экожүйелердің бірнеше маңызды аспектілерін көрсетеді:
Экожүйе шекаралары көбінесе бұлыңғыр және уақыт өте келе өзгеріп отыруы мүмкін.
Экожүйедегі организмдер экожүйе деңгейіндегі биологиялық және физикалық процестерге тәуелді.
Жақын орналасқан экожүйелер тығыз өзара әрекеттеседі және көбінесе қоғамдық құрылымды және өнімділікті және биологиялық әртүрлілікті сақтайтын функционалдық процестерді сақтау үшін бір-біріне тәуелді болады.
Ecosystem ecology is the integrated study of living (biotic) and non living (abiotic) components of ecosystems and their interactions within an ecosystem framework. This science examines how ecosystems work and relates this to their components such as chemicals, bedrock, soil, plants, and animals. Ecosystem ecology examines physical and biological structures and examines how these ecosystem characteristics interact with each other. Ultimately, this helps us understand how to maintain high quality water and economically viable commodity production. A major focus of ecosystem ecology is on functional processes, ecological mechanisms that maintain the structure and services produced by ecosystems. These include primary productivity (production of biomass), decomposition, and trophic interactions. Studies of ecosystem function have greatly improved human understanding of sustainable production of forage, fiber, fuel, and provision of water. Functional processes are mediated by regional to local level climate, disturbance, and management. Thus ecosystem ecology provides a powerful framework for identifying ecological mechanisms that interact with global environmental problems, especially global warming and degradation of surface water. This example demonstrates several important aspects of ecosystems:
Ecosystem boundaries are often nebulous and may fluctuate in time
Organisms within ecosystems are dependent on ecosystem level biological and physical processes
Adjacent ecosystems closely interact and often are interdependent for maintenance of community structure and functional processes that maintain productivity and biodiversity
These characteristics also introduce practical problems into natural resource management. Who will manage which ecosystem? Will timber cutting in the forest degrade recreational fishing in the stream? These questions are difficult for land managers to address while the boundary between ecosystems remains unclear; even though decisions in one ecosystem will affect the other. We need better understanding of the interactions and interdependencies of these ecosystems and the processes that maintain them before we can begin to address these questions. Ecosystem ecology is an inherently interdisciplinary field of study. An individual ecosystem is composed of populations of organisms, interacting within communities, and contributing to the cycling of nutrients and the flow of energy. The ecosystem is the principal unit of study in ecosystem ecology. Population, community, and physiological ecology provide many of the underlying biological mechanisms influencing ecosystems and the processes they maintain. Flowing of energy and cycling of matter at the ecosystem level are often examined in ecosystem ecology, but, as a whole, this science is defined more by subject matter than by scale. Ecosystem ecology approaches organisms and abiotic pools of energy and nutrients as an integrated system which distinguishes it from associated sciences such as biogeochemistry. Biogeochemistry and hydrology focus on several fundamental ecosystem processes such as biologically mediated chemical cycling of nutrients and physical biological cycling of water. Ecosystem ecology forms the mechanistic basis for regional or global processes encompassed by landscape to regional hydrology, global biogeochemistry, and earth system science. Although most of Clements ecosystem definitions have been greatly revised, initially by Henry Gleason and Arthur Tansley, and later by contemporary ecologists, the idea that physiological processes are fundamental to ecosystem structure and function remains central to ecology. Later work by Eugene Odum and Howard T. Odum quantified flows of energy and matter at the ecosystem level, thus documenting the general ideas proposed by Clements and his contemporary Charles Elton. In this model, energy flows through the whole system were dependent on biotic and abiotic interactions of each individual component (species, inorganic pools of nutrients, etc.). Later work demonstrated that these interactions and flows applied to nutrient cycles, changed over the course of succession, and held powerful controls over ecosystem productivity. Transfers of energy and nutrients are innate to ecological systems regardless of whether they are aquatic or terrestrial. Thus, ecosystem ecology has emerged from important biological studies of plants, animals, terrestrial, aquatic, and marine ecosystems.
Бұл ерекшеліктер табиғи ресурстарды басқаруға практикалық қиындықтарды енгізеді. Қай экожүйені кім басқарады? Орманды кесу өзендегі балық аулауға зиян келтіре ме? Бұл сұрақтарға жауап беру жерді басқарушылар үшін қиын, өйткені экожүйелер арасындағы шекара әлі де анық емес, тіпті бір экожүйедегі шешімдер екіншісіне әсер етеді. Осы мәселелерді шешу үшін осы экожүйелердің өзара әрекеттесуі мен өзара тәуелділігін және оларды сақтайтын процестерді жақсырақ түсіну қажет. Экожүйелік экология – пәнаралық зерттеулердің саласы. Жеке экожүйе организмдер популяцияларынан, қоғамдық құрылымдар арасында өзара әрекеттесетін және қоректік заттар мен энергия айналымына үлес қосатын жүйеден тұрады. Экожүйе – экожүйелік экологиядағы негізгі зерттеу бірлігі. Халық, қоғам және физиологиялық экология экожүйелерге және олардың сақталатын процестеріне әсер ететін көптеген негізгі биологиялық механизмдерді қамтамасыз етеді. Энергия ағыны мен материяның экожүйе деңгейіндегі айналымы экожүйелік экологияда жиі қарастырылады, бірақ, жалпы алғанда, бұл ғылым масштабқа қарағанда тақырып бойынша анықталады. Экожүйелік экология организмдерге және энергия мен қоректік заттардың абиотикалық жиынтығына интеграцияланған жүйе ретінде қарастырады, бұл оны биогеохимия сияқты байланысты ғылымдардан ерекшелендіреді. Биогеохимия және гидрология биологиялық аралас химиялық қоректік заттардың және судың физикалық биологиялық айналымы сияқты бірнеше негізгі экожүйелік процестерге назар аударады. Экожүйелік экология аймақтық немесе жаһандық процестердің механизмдік негізін құрайды, оны ландшафттық аймақтық гидрология, жаһандық биогеохимия және жер жүйесі ғылымы қамтиды. Клементтің экожүйелік анықтамаларының көпшілігі, бастапқыда Генри Глисон мен Артур Тансли, ал кейіннен қазіргі заманғы экологтар тарапынан үлкен өзгерістерге ұшырағанмен, физиологиялық процестер экожүйелік құрылым мен функция үшін негізгі болып табылады деген идея экологияның маңызды бөлігі болып қала береді. Кейінгі жұмыстарда Юджин Одум мен Говард Т. Одум экожүйе деңгейінде энергия мен материяның ағынын өлшеді, осылайша Клементс пен оның замандасы Чарльз Элтон ұсынған жалпы идеяларды құжаттады. Бұл модельде бүкіл жүйедегі энергия ағыны әрбір жеке компоненттің (түрлер, органикалық емес қоректік заттар жиынтығы және т.б.) биотикалық және абиотикалық өзара әрекеттесулеріне байланысты. Кейінгі жұмыстар бұл өзара әрекеттесулер мен ағымдар қоректік циклдарға қолданылатынын, кезек күту барысында өзгеретінін және экожүйенің өнімділігін күшті бақылайтынын көрсетті. Энергия мен қоректік заттардың ауысуы экологиялық жүйелерге тән, олар сулы немесе құрлықта орналасқандығына қарамастан. Осылайша, экожүйелік экология өсімдіктер, жануарлар, құрлықтағы, сулы және теңіз экожүйелерінің маңызды биологиялық зерттеулерінен пайда болды.
Ecosystem ecology is the integrated study of living (biotic) and non living (abiotic) components of ecosystems and their interactions within an ecosystem framework. This science examines how ecosystems work and relates this to their components such as chemicals, bedrock, soil, plants, and animals. Ecosystem ecology examines physical and biological structures and examines how these ecosystem characteristics interact with each other. Ultimately, this helps us understand how to maintain high quality water and economically viable commodity production. A major focus of ecosystem ecology is on functional processes, ecological mechanisms that maintain the structure and services produced by ecosystems. These include primary productivity (production of biomass), decomposition, and trophic interactions. Studies of ecosystem function have greatly improved human understanding of sustainable production of forage, fiber, fuel, and provision of water. Functional processes are mediated by regional to local level climate, disturbance, and management. Thus ecosystem ecology provides a powerful framework for identifying ecological mechanisms that interact with global environmental problems, especially global warming and degradation of surface water. This example demonstrates several important aspects of ecosystems:
Ecosystem boundaries are often nebulous and may fluctuate in time
Organisms within ecosystems are dependent on ecosystem level biological and physical processes
Adjacent ecosystems closely interact and often are interdependent for maintenance of community structure and functional processes that maintain productivity and biodiversity
These characteristics also introduce practical problems into natural resource management. Who will manage which ecosystem? Will timber cutting in the forest degrade recreational fishing in the stream? These questions are difficult for land managers to address while the boundary between ecosystems remains unclear; even though decisions in one ecosystem will affect the other. We need better understanding of the interactions and interdependencies of these ecosystems and the processes that maintain them before we can begin to address these questions. Ecosystem ecology is an inherently interdisciplinary field of study. An individual ecosystem is composed of populations of organisms, interacting within communities, and contributing to the cycling of nutrients and the flow of energy. The ecosystem is the principal unit of study in ecosystem ecology. Population, community, and physiological ecology provide many of the underlying biological mechanisms influencing ecosystems and the processes they maintain. Flowing of energy and cycling of matter at the ecosystem level are often examined in ecosystem ecology, but, as a whole, this science is defined more by subject matter than by scale. Ecosystem ecology approaches organisms and abiotic pools of energy and nutrients as an integrated system which distinguishes it from associated sciences such as biogeochemistry. Biogeochemistry and hydrology focus on several fundamental ecosystem processes such as biologically mediated chemical cycling of nutrients and physical biological cycling of water. Ecosystem ecology forms the mechanistic basis for regional or global processes encompassed by landscape to regional hydrology, global biogeochemistry, and earth system science. Although most of Clements ecosystem definitions have been greatly revised, initially by Henry Gleason and Arthur Tansley, and later by contemporary ecologists, the idea that physiological processes are fundamental to ecosystem structure and function remains central to ecology. Later work by Eugene Odum and Howard T. Odum quantified flows of energy and matter at the ecosystem level, thus documenting the general ideas proposed by Clements and his contemporary Charles Elton. In this model, energy flows through the whole system were dependent on biotic and abiotic interactions of each individual component (species, inorganic pools of nutrients, etc.). Later work demonstrated that these interactions and flows applied to nutrient cycles, changed over the course of succession, and held powerful controls over ecosystem productivity. Transfers of energy and nutrients are innate to ecological systems regardless of whether they are aquatic or terrestrial. Thus, ecosystem ecology has emerged from important biological studies of plants, animals, terrestrial, aquatic, and marine ecosystems.
Экожүйелік қызметтер
Экожүйелік қызметтер – адам қоғамының саулығын қамтамасыз етуге қажетті экологиялық байланысты функционалдық процестер. Сумен қамтамасыз ету және тазарту, орман шаруашылығында, ауыл шаруашылығында және балық шаруашылығында биомасса өндіру, көмірқышқыл газы (CO2) сияқты жылыжай газдарын атмосферадан алып тастау – бұл халық денсаулығы мен экономикалық мүмкіндіктер үшін маңызды экожүйелік қызметтердің мысалдары. Қоректік заттардың айналымы – ауыл шаруашылығы және орман шаруашылығы өндірісі үшін негізгі процесс. Дегенмен, көптеген экожүйелік процестер сияқты, қоректік заттардың айналымы экожүйенің қасиеті емес, оны қажетті деңгейге «реттеуге» болатын нәрсе емес. Бұзылған жүйелерде өнімділікті арттыру – аштық пен экономикалық қауіпсіздіктің күрделі мәселелерін шешудің тым қарапайым жолы. Мысалы, АҚШ-тың орталық аймағында тыңайтқыштарды қарқынды пайдалану Мексика шығанағындағы балық шаруашылығының нашарлауына әкелді. Өкінішке орай, дамыған және дамушы елдерде ауыл шаруашылығы үшін қарқынды химиялық тыңайтқыштарды қолдану «жасыл революция» ретінде ұсынылып келеді. Бұл стратегиялар экожүйелік процестердің өзгеруіне әкелуі мүмкін, оларды қалпына келтіру қиын болуы мүмкін, әсіресе олардың әсерін тиісті бағалаусыз кең ауқымда қолданғанда. Экожүйелік процестердің маңызды бұзылудан қалпына келуіне көп жылдар қажет болуы мүмкін. Экожүйелік функциялардың өнімділікті сақтаудағы маңыздылығын, егіншілік пен орман шаруашылығында болсын, бағалау қажет, сондай-ақ маңызды процестерді қалпына келтіру жоспарларымен бірге қарастырылуы тиіс. Экожүйелік функциялар туралы білімді арттыру әлемнің ең кедей аймақтарында ұзақ мерзімді тұрақтылық пен дамуға қол жеткізуге көмектеседі.
Орынсыздану және қоректік заттардың айналуы
Экожүйелік биомасса өндірісінің негізі – ыдырау және қоректік заттардың айналымы. Көптеген табиғи экожүйелер азотпен (N) шектеулі, ал биомасса өндірісі N айналымымен тығыз байланысты. Әдетте, сырттан қоректік заттардың түсуі өте төмен, ал қоректік заттарды тиімді қайта өңдеу өнімділікті сақтайды. Күрделі С-тің қосылыстары баяу ыдырайды және толық ыдырауына көп жылдар қажет болуы мүмкін. Ыдырау әдетте экспоненциалдық ыдырау арқылы сипатталады және жапырақ шөгінділеріндегі минералдық концентрациялармен, әсіресе марганецпен байланысты. суреттің үлкендігі|240px|5-сурет. Ыдырап бара жатқан өсімдік қалдықтарының динамикасы (A) экспоненциалдық модельмен (B) және біріктірілген экспоненциалдық-сызықтық модельмен (C) сипатталған. Жалпы, ыдырау жылдамдығы қоқыстың сапасы мен климатпен анықталады. Лигнин концентрациясы төмен өсімдіктер басым экожүйелерде ыдырау және қоректік заттар айналымы жылдам жүреді (Chapin және басқалар, 1982). Жасыраушы микроорганизмдер қарапайым көміртекті (C) қосылыстарды басымдықпен метаболизмдейді, бұл ыдыраудың бастапқы кезеңдерінде жылдамдыққа әкеледі, 5-суретті қараңыз, тұрақты ыдырау жылдамдықтарына тәуелді модельдер; оларды «k» мәндері деп атайды, 5B-суретті қараңыз. Қоқыстың сапасы мен климаттан басқа, топырақ фаунасының белсенділігі де өте маңызды.
Дегенмен, бұл модельдер ыдырау кезінде болатын бір мезгілдегі сызықтық және сызықтық емес ыдырау процестерін көрсете алмайды. Мысалы, белоктар, қанттар және липидтер экспоненциалдық түрде ыдырайды, ал лигнин сызықтық жылдамдықпен ыдырайды.
5C-суретте ұсынылған қарапайым балама модель 4B-суреттегі стандартты модельге қарағанда ыдыраудың айтарлықтай жылдамдығын көрсетеді. Экожүйелік экологияда ыдырау модельдерін жақсы түсіну маңызды зерттеу саласы болып табылады, өйткені бұл процесс қоректік заттармен қамтамасыз етуге және экожүйелердің атмосферадан CO2-ны сіңіру қабілетіне тікелей байланысты.
Трофикалық динамика
Трофикалық динамика – организмдер арасындағы энергия және қоректік заттардың алмасу процесін білдіреді. Трофикалық динамика – экожүйелердің құрылымы мен функциясының маңызды бөлігі. 3-суретте Флорида штатының Сильвер-Спрингс қаласындағы экожүйеге энергияның ауысуы көрсетілген. Бастапқы өндірушілер (өсімдіктер, P) алған энергияны шөпқоректілер (H) тұтынады, оларды етқоректілер (C) жейді, ал оларды өздері «жоғарғы етқоректілер» (TC) тұтынады. 3-суреттегі ең айқын үлгілердің бірі – жоғары трофикалық деңгейлерге көтерілген сайын (яғни өсімдіктерден жоғарғы етқоректілерге дейін) энергияның жалпы көлемі азаяды. Өсімдіктер жүйеге кіретін энергияның жалпы көлемін анықтау арқылы экожүйенің энергия құрылымын «төменнен жоғарыға» бақылайды. Дегенмен, жыртқыштар төменгі трофикалық деңгейлердің құрылымына жоғарыдан төменге қарай да әсер ете алады. Бұл әсерлер құрлықтағы және теңіздегі жүйелерде басым түрлерді күрт өзгерте алады. Экожүйе құрылымы мен функциясына жоғарыдан төменге және төменнен жоғарыға бақылаудың өзара әрекеттесуі мен салыстырмалы күші – экологияның кең саласындағы маңызды зерттеу саласы болып табылады. Трофикалық динамика ыдырау жылдамдығына және қоректік заттардың уақыт және кеңістікте айналысына күшті әсер етеді. Мысалы, шөпқоректілердің өсімдіктермен қоректенуі, тікелей түрде қоректенуші қалдықтарының сапасын өзгерткенімен және басым өсімдіктердің құрамын өзгертуімен ыдырауды және қоректік заттар айналымын күшейте алады. Жәндіктердің өсімдіктермен қоректенуі, қоректенуші қалдықтарының сапасының өзгеруі және олардың көбеюіне байланысты ыдырау жылдамдығын және қоректік заттар айналымын арттырады. Алайда, жәндіктердің көбеюі әрқашан қоректік заттар айналымын арттырмайды. Штадлер көрскендей, құмыршалардың көбею кезінде бөлінетін құрамында қанттарға бай шырыш, топырақ микроорганизмдерімен азотты байланыстыруға алып келіп, қоректік заттар айналымын баяулатуы және биомасса өндірісін шектеуі мүмкін. Солтүстік Атлантика теңіздік экожүйелері, треска балығының шамадан тыс аулануынан қатты өзгерген. 1990 жылдары треска балығының саны күрт төмендеді, нәтижесінде олардың жемтіктері, мысалы, креветкалар мен қар балығының саны артты.
Орталық Американың екі қаласынан алған сабақтар
Адамзат қоғамының қажеттіліктері биосфераны күрт өзгертті. Экожүйе экологиясы қазіргі заманғы ең өткір экологиялық проблемаларды түсіну және оларға бейімделуде маңызды рөл атқарады. Экожүйелерді қалпына келтіру және экожүйелерді басқару экожүйе экологиясымен тығыз байланысты. Қатты бұзылған ресурстарды қалпына келтіру экожүйелердің функционалдық механизмдерін үйлестіруге байланысты. Егер осы функциялар сақталмаса, экожүйелердің экономикалық құндылығы күрт төмендейді және өңірде қауіпті жағдайлар туындауы мүмкін. Мысалы, Гватемаланың батыс таулы аймақтарындағы жерлер орман ресурстарын жоғалту салдарынан құрылыс қиратуға және зиян келтіретін маусымдық су тапшылығына осал. Керісінше, Тотоникапан сияқты, күшті әлеуметтік институттар арқылы орманды сақтап қалған қалаларда жергілікті экономиканың тұрақтылығы және жалпы адамның әл-ауқаты жоғары. Бұл жағдай ерекше, себебі бұл аймақтар бір-біріне жақын орналасқан, тұрғындарының көп бөлігі майя ұрпағы және жер бедері мен жалпы ресурстары ұқсас. Бұл – екі топтың ресурстарды түбірінен өзгеше жолдармен басқаруының мысалы. Экожүйе экологиясы экожүйе процестерін қалпына келтіру және олардың бұзылуын болдырмау үшін қажетті негізгі ғылымды қамтамасыз етеді.