Введение
Сообщество живых организмов вместе с неживыми компонентами их среды.
Экосистема (или экологическая система) – это система, формируемая средой обитания и организмами посредством их взаимодействия. «Экосистемные процессы» – это перенос энергии и веществ из одного резервуара в другой. Тансли разработал эту концепцию, чтобы подчеркнуть важность обмена веществами между организмами и окружающей средой. Г. Эвелин Хатчинсон, лимнолог, современник Тансли, объединил идеи Чарльза Элтона о трофической экологии с идеями русского геохимика Владимира Вернадского. В результате он предположил, что доступность минеральных питательных веществ в озере ограничивает продукцию водорослей, что, в свою очередь, ограничивает численность животных, питающихся водорослями. Раймонд Линдеман развил эти идеи, предположив, что поток энергии через озеро является основным фактором, определяющим функционирование экосистемы. Студенты Хатчинсона, братья Говард Т. Одум и Юджин П. Одум, дополнительно разработали «системный подход» к изучению экосистем, что позволило им исследовать поток энергии и веществ в экологических системах. Климат определяет биом, в котором расположена экосистема. Режимы осадков и сезонные температуры влияют на фотосинтез и, следовательно, на количество энергии, доступной для экосистемы. Другие внешние факторы, играющие важную роль в функционировании экосистемы, включают время и потенциальную биоту – организмы, присутствующие в регионе и потенциально способные заселить определенную территорию. Экосистемы в схожих условиях, расположенные в разных частях мира, могут функционировать по-разному просто из-за различного видового состава. Интродукция неместных видов может привести к значительным изменениям в функционировании экосистем. В отличие от внешних факторов, внутренние факторы в экосистемах не только контролируют экосистемные процессы, но и сами находятся под их контролем. Другие факторы, такие как нарушения, сукцессия или типы присутствующих видов, также являются внутренними факторами.
Первичное производство
Первичное производство – это производство органического вещества из неорганических источников углерода. Это происходит главным образом посредством фотосинтеза. Энергия, аккумулированная в результате этого процесса, поддерживает жизнь на Земле, в то время как углерод составляет большую часть органического вещества в живой и мертвой биомассе, углероде почвы и ископаемом топливе. Оно также движет углеродным циклом, который влияет на глобальный климат посредством парникового эффекта. В процессе фотосинтеза растения улавливают энергию света и используют её для соединения углекислого газа и воды с образованием углеводов и кислорода. Фотосинтез, осуществляемый всеми растениями в экосистеме, называется валовой первичной продукцией (ВПП). Около половины ВПП расходуется растениями на дыхание, чтобы обеспечить энергию, необходимую для их роста и поддержания жизнедеятельности. Остаток, та часть ВПП, которая не используется при дыхании, известна как чистая первичная продукция (ЧПП). Экосистемное дыхание – это сумма дыхания всех живых организмов (растений, животных и разлагателей) в экосистеме. Чистая экосистемная продукция – это разница между валовой первичной продукцией (ВПП) и экосистемным дыханием. В отсутствие нарушений чистая экосистемная продукция эквивалентна чистому накоплению углерода в экосистеме. Энергия также может высвобождаться из экосистемы в результате нарушений, таких как лесные пожары, или переноситься в другие экосистемы (например, из леса в ручей, а затем в озеро) посредством эрозии. В водных системах доля растительной биомассы, потребляемой травоядными, значительно выше, чем в наземных системах. В недавно опавших листьях и недавно погибших животных содержится высокая концентрация водорастворимых компонентов, включая сахара, аминокислоты и минеральные питательные вещества. Выщелачивание более важно во влажных средах и менее важно в сухих. Животные фрагментируют детрит в процессе поиска пищи, как и при прохождении через пищеварительный тракт. Циклы замораживания-оттаивания и циклы увлажнения-высыхания также фрагментируют мертвый материал. Скорость разложения определяется тремя группами факторов: физической средой (температура, влажность и свойства почвы), количеством и качеством мертвого материала, доступного для разлагателей, и природой самого микробного сообщества. Подход, основанный на устойчивости, также рассматривает человечество как неотъемлемую часть биосферы, где мы зависим от экосистемных услуг для выживания и должны укреплять и поддерживать их естественную способность противостоять потрясениям и нарушениям. Время играет центральную роль в широком диапазоне масштабов, например, в медленном образовании почвы из голых пород и более быстром восстановлении сообщества после нарушений. Это могут быть вспышки численности травоядных, падение деревьев, пожары, ураганы, наводнения, продвижение ледников, извержения вулканов. Такие нарушения могут вызывать значительные изменения в популяциях растений, животных и микробов, а также в содержании органического вещества в почве. За нарушением следует сукцессия – «направленное изменение структуры и функционирования экосистемы, обусловленное биотически вызванными изменениями в обеспечении ресурсами». Частота и интенсивность нарушений определяют то, как они влияют на функционирование экосистемы. Крупные нарушения, такие как извержение вулкана или продвижение и отступление ледников, оставляют после себя почвы, лишенные растений, животных или органического вещества. Экосистемы, подвергающиеся таким нарушениям, переживают первичную сукцессию. Менее серьезные нарушения, такие как лесные пожары, ураганы или обработка почвы, приводят к вторичной сукцессии и более быстрому восстановлению.
Цикл питательных веществ
Экосистемы постоянно обмениваются энергией и углеродом с окружающей средой. Минеральные питательные вещества, с другой стороны, в основном циркулируют между растениями, животными, микроорганизмами и почвой. Большая часть азота поступает в экосистемы посредством биологической фиксации азота, откладывается с осадками, пылью, газами или вносится в качестве удобрения. Макроэлементы, необходимые всем растениям в больших количествах, включают основные питательные вещества (которые являются наиболее лимитирующими, поскольку используются в наибольших количествах): азот, фосфор, калий. Вторичные макроэлементы (реже лимитирующие) включают: кальций, магний, серу. Микроэлементы, необходимые всем растениям в небольших количествах, включают бор, хлорид, медь, железо, марганец, молибден, цинк. Наконец, существуют также полезные элементы питания, которые могут потребоваться определенным растениям или растениям в специфических условиях окружающей среды: алюминий, кобальт, йод, никель, селен, кремний, натрий, ванадий. Фосфор поступает в экосистемы в результате выветривания. С возрастом экосистем этот запас истощается, что делает дефицит фосфора более распространенным в зрелых ландшафтах (особенно в тропиках). Биоразнообразие играет важную роль в функционировании экосистем. Экосистемные процессы определяются видами, входящими в экосистему, характеристиками отдельных видов и относительной численностью организмов среди этих видов. Экосистемные процессы – это совокупный эффект действий отдельных организмов во взаимодействии с окружающей средой. Экологическая теория предполагает, что для совместного существования видам необходимо обладать определенной степенью ограничивающего сходства – они должны отличаться друг от друга каким-либо фундаментальным образом, иначе один вид вытеснит другой в конкурентной борьбе. Несмотря на это, кумулятивный эффект увеличения числа видов в экосистеме не является линейным: добавление видов может, например, повысить удержание азота. Однако, после достижения определенного уровня видового разнообразия,
Экосистема
Экосистемная экология – это "изучение взаимодействий между организмами и их средой обитания как единой системы". Долгосрочные исследования на данной территории привели к открытию кислотных дождей в Северной Америке в 1972 году. Исследователи зафиксировали истощение катионов почвы (особенно кальция) в течение последующих нескольких десятилетий. Экосистемы можно изучать различными методами – посредством теоретических исследований, мониторинга конкретных экосистем в течение длительного времени, анализа различий между экосистемами для понимания принципов их функционирования и проведения прямых манипулятивных экспериментов. Исследования могут проводиться в разных масштабах, от изучения целых экосистем до исследования микрокосмов или мезокосмов (упрощенных моделей экосистем). Американский эколог Стивен Р. Карпентер утверждал, что эксперименты с микрокосмами могут быть "нерелевантными и бесполезными", если они не проводятся параллельно с полевыми исследованиями в масштабе экосистемы. В таких случаях эксперименты с микрокосмами могут оказаться неспособными точно предсказать динамику на уровне экосистемы.
Классификации
Биомы – это общие классы или категории экосистем. Биомы всегда определяются на очень общем уровне. Экосистемы могут быть описаны на уровнях, варьирующихся от очень общих (в этом случае их названия иногда совпадают с названиями биомов) до очень специфических, например, "влажные прибрежные хвойные леса". Биомы различаются из-за глобальных вариаций климата. Биомы часто характеризуются своей структурой: на общем уровне, например, тропические леса, умеренные луга и арктическая тундра. Ни одна из этих классификаций не является "наилучшей". Классификация экосистем – это специфический вид экологической классификации, учитывающий все четыре элемента в определении экосистемы: биотический компонент, абиотический комплекс, взаимодействия между ними и внутри них, а также физическое пространство, которое они занимают.
Взаимодействие человека с экосистемами
Человеческая деятельность играет важную роль почти во всех экосистемах. Несмотря на то, что люди существуют и функционируют внутри экосистем, их совокупное воздействие достаточно велико, чтобы влиять на внешние факторы, такие как климат. Экосистемные блага включают в себя "осязаемые материальные продукты" экосистемных процессов, такие как вода, продовольствие, топливо, строительные материалы и лекарственные растения. Они также включают менее осязаемые элементы, такие как туризм и отдых, а также гены диких растений и животных, которые могут использоваться для улучшения домашних видов. В отчете делается вывод, что деятельность человека оказывает значительное и растущее воздействие на биоразнообразие мировых экосистем, снижая их устойчивость и биоемкость. В отчете природные системы рассматриваются как "система жизнеобеспечения" человечества, предоставляющая важнейшие экосистемные услуги. Оценка охватывает 24 экосистемные услуги и приходит к выводу, что только четыре из них показали улучшение за последние 50 лет, 15 находятся в серьезном упадке, а пять – в критическом состоянии. Отчет призван играть аналогичную роль Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Экосистемные услуги ограничены и находятся под угрозой со стороны человеческой деятельности. Для помощи лицам, принимающим решения, многим экосистемным услугам присваиваются экономические оценки, часто основанные на стоимости замены антропогенными альтернативами. Постоянная задача – определение экономической ценности природы, например, посредством банковского учета биоразнообразия – стимулирует междисциплинарные изменения в подходах к признанию и управлению окружающей средой, социальной ответственности, бизнес-возможностям и нашему будущему как вида. Многие экосистемы деградируют под воздействием человека, например, из-за потери почв, загрязнения воздуха и воды, фрагментации среды обитания, перенаправления водных потоков, подавления пожаров, а также интродукции и распространения инвазивных видов. Разрушение экосистемы может быть обратимым, что отличает его от вымирания видов. Количественные оценки риска разрушения используются для оценки состояния и тенденций сохранения.
Управление
Когда управление природными ресурсами применяется к целым экосистемам, а не к отдельным видам, это называется управлением экосистемами. Несмотря на множество определений управления экосистемами, существует общий набор принципов, лежащих в их основе: основополагающим принципом является долгосрочная устойчивость производства товаров и услуг экосистемой; "обеспечение устойчивости для будущих поколений – это необходимое условие управления, а не его побочный результат". Управление экосистемами может использоваться как часть плана охраны дикой природы, но также применимо и к интенсивно управляемым экосистемам (например, агроэкосистемам и лесоводству, близкому к естественному).
Восстановление и устойчивое развитие
Интегрированные проекты по сохранению природы и развитию (ICDP) призваны комплексно решать вопросы охраны природы и обеспечения средств к существованию (устойчивого развития) в развивающихся странах, а не рассматривать их по отдельности, как это часто практиковалось ранее.