Введение

Изучение живых и неживых компонентов экосистем и их взаимодействий. Экология экосистем – это комплексное изучение живых (биотических) и неживых (абиотических) компонентов экосистем и их взаимодействий в рамках экосистемного подхода. Эта наука исследует принципы функционирования экосистем и их связь с компонентами, такими как химические вещества, коренные породы, почва, растения и животные. Экология экосистем изучает физические и биологические структуры и анализирует, как эти характеристики экосистемы взаимодействуют друг с другом. В конечном итоге, это помогает нам понять, как поддерживать высокое качество воды и экономически эффективное производство ресурсов. Основное внимание в экологии экосистем уделяется функциональным процессам – экологическим механизмам, которые поддерживают структуру и функции экосистем. К ним относятся первичная продуктивность (производство биомассы), разложение и трофические взаимодействия. Исследования функционирования экосистем значительно расширили понимание человеком устойчивого производства кормов, волокна, топлива и обеспечения водой. Функциональные процессы определяются климатом, нарушениями и управлением на региональном и локальном уровнях. Таким образом, экология экосистем предоставляет мощную основу для выявления экологических механизмов, взаимодействующих с глобальными экологическими проблемами, особенно с глобальным потеплением и деградацией поверхностных вод. Этот пример демонстрирует несколько важных аспектов экосистем: границы экосистем часто размыты и могут меняться во времени; организмы в экосистемах зависят от биологических и физических процессов на уровне экосистемы; соседние экосистемы тесно взаимодействуют и часто взаимозависимы для поддержания структуры сообщества и функциональных процессов, обеспечивающих продуктивность и биоразнообразие. Эти характеристики также создают практические проблемы в управлении природными ресурсами. Кто будет управлять той или иной экосистемой? Не приведет ли вырубка леса к ухудшению условий для любительского рыболовства в ручье? На эти вопросы сложно ответить специалистам по управлению земельными ресурсами, пока границы между экосистемами остаются нечеткими, даже если решения, принимаемые в одной экосистеме, повлияют на другую. Нам необходимо лучше понимать взаимодействие и взаимозависимость этих экосистем и процессы, которые их поддерживают, прежде чем мы сможем приступить к решению этих вопросов. Экология экосистем – это по своей сути междисциплинарная область исследований. Отдельная экосистема состоит из популяций организмов, взаимодействующих в сообществах и участвующих в круговороте питательных веществ и потоке энергии. Экосистема является основной единицей исследования в экологии экосистем. Экология популяций, сообществ и физиологическая экология предоставляют многие из основных биологических механизмов, влияющих на экосистемы и процессы, которые они поддерживают. Поток энергии и круговорот веществ на уровне экосистемы часто изучаются в экологии экосистем, но в целом эта наука определяется скорее предметной областью, чем масштабом. Экология экосистем рассматривает организмы и абиотические резервуары энергии и питательных веществ как интегрированную систему, что отличает ее от смежных наук, таких как биогеохимия. Биогеохимия и гидрология сосредоточены на нескольких фундаментальных экосистемных процессах, таких как биологически опосредованный круговорот химических элементов и физико-биологический круговорот воды. Экология экосистем формирует механистическую основу для региональных или глобальных процессов, охватываемых ландшафтной и региональной гидрологией, глобальной биогеохимией и наукой о Земле. Хотя большинство определений экосистем Клеменса были значительно пересмотрены, первоначально Генри Глисоном и Артуром Тансли, а затем современными экологами, идея о том, что физиологические процессы являются фундаментальными для структуры и функционирования экосистем, остается центральной для экологии. Последующие работы Юджина Одума и Говарда Т. Одума количественно оценили потоки энергии и вещества на уровне экосистемы, тем самым задокументировав общие идеи, предложенные Клементсом и его современником Чарльзом Элтоном. В этой модели потоки энергии по всей системе зависели от биотических и абиотических взаимодействий каждого отдельного компонента (видов, неорганических резервуаров питательных веществ и т.д.). Последующие исследования показали, что эти взаимодействия и потоки применимы к циклам питательных веществ, изменяются в ходе сукцессии и оказывают мощное влияние на продуктивность экосистем. Перенос энергии и питательных веществ является неотъемлемой частью экологических систем, независимо от того, являются ли они водными или наземными. Таким образом, экология экосистем выросла из важных биологических исследований растений, животных, наземных, водных и морских экосистем.

Экосистемные услуги

Экосистемные услуги – это экологически обусловленные функциональные процессы, необходимые для поддержания здорового человеческого общества. Обеспечение и фильтрация воды, производство биомассы в лесном хозяйстве, сельском хозяйстве и рыболовстве, а также поглощение парниковых газов, таких как углекислый газ (CO2) из атмосферы, – примеры экосистемных услуг, жизненно важных для общественного здоровья и экономического благополучия. Круговорот питательных веществ – процесс, фундаментальный для сельскохозяйственного и лесного производства. Однако, как и большинство экосистемных процессов, круговорот питательных веществ нельзя рассматривать как характеристику экосистемы, которую можно "настроить" на наиболее желаемый уровень. Максимизация производства в деградированных системах – это излишне упрощенное решение сложных проблем голода и экономической безопасности. Например, интенсивное использование удобрений в Среднезападном регионе Соединенных Штатов привело к ухудшению состояния рыбных ресурсов в Мексиканском заливе. К сожалению, "зеленая революция", основанная на интенсивном применении химических удобрений, была рекомендована для сельского хозяйства как в развитых, так и в развивающихся странах. Эти стратегии несут риск изменения экосистемных процессов, восстановление которых может оказаться сложным, особенно при их масштабном применении без надлежащей оценки последствий. Экосистемным процессам может потребоваться много лет, чтобы восстановиться после серьезных нарушений. Необходимо понимать важность функционирования экосистем в поддержании продуктивности, будь то в сельском или лесном хозяйстве, и учитывать это при планировании восстановления ключевых процессов. Углубление знаний о функционировании экосистем поможет достичь долгосрочной устойчивости и стабильности в наиболее неблагополучных регионах мира.

Разложение и цикл питательных веществ

Разложение и круговорот питательных веществ имеют фундаментальное значение для производства биомассы в экосистемах. Большинство природных экосистем ограничены азотом (N), а производство биомассы тесно связано с оборотом N. Обычно внешний приток питательных веществ очень низок, а эффективная рециркуляция питательных веществ поддерживает продуктивность. Более сложные углеродные соединения (C) разлагаются медленнее и могут требовать много лет для полного распада. Разложение обычно описывается экспоненциальным убыванием и связано с концентрацией минералов, особенно марганца, в лесной подстилке. Динамика разложения растительного опада (A), описанная экспоненциальной моделью (B) и комбинированной экспоненциально-линейной моделью (C). В глобальном масштабе скорость разложения определяется качеством опада и климатом. Экосистемы, в которых преобладают растения с низкой концентрацией лигнина, часто характеризуются быстрыми темпами разложения и круговорота питательных веществ (Chapin et al. 1982). Простые углеродсодержащие соединения (C) предпочтительно метаболизируются микроорганизмами-деструкторами, что приводит к быстрым начальным темпам разложения, см. рисунок 5А, модели, основанные на постоянных скоростях распада; так называемые значения "k", см. рисунок 5B. Помимо качества опада и климата, важную роль играет активность почвенной фауны. Однако эти модели не отражают одновременные линейные и нелинейные процессы распада, которые, вероятно, происходят в процессе разложения. Например, белки, сахара и липиды разлагаются экспоненциально, а лигнин – с более линейной скоростью. Простая альтернативная модель, представленная на рисунке 5C, демонстрирует значительно более быстрое разложение, чем стандартная модель на рисунке 4B. Более глубокое понимание моделей разложения является важной областью исследований в экологии экосистем, поскольку этот процесс тесно связан с обеспечением питательными веществами и общей способностью экосистем поглощать CO2 из атмосферы.

Трофическая динамика

Трофическая динамика – это процесс передачи энергии и питательных веществ между организмами. Трофическая динамика является важной частью структуры и функционирования экосистем. На рисунке 3 показана передача энергии в экосистеме Сильвер-Спрингс (Флорида). Энергия, полученная первичными продуцентами (растениями, P), потребляется травоядными (H), которые, в свою очередь, становятся пищей для хищников (C), а те – для высших хищников (TC). Одной из наиболее очевидных закономерностей, представленных на рисунке 3, является уменьшение общего количества энергии при переходе к более высоким трофическим уровням (то есть от растений к высшим хищникам). Растения оказывают контроль "снизу вверх" на энергетическую структуру экосистем, определяя общее количество энергии, поступающей в систему. Однако хищники также могут влиять на структуру нижних трофических уровней, осуществляя контроль "сверху вниз". Эти влияния могут существенно изменить доминирующие виды в наземных и морских системах. Взаимодействие и относительная сила контроля "сверху вниз" и "снизу вверх" над структурой и функционированием экосистем – важная область исследований в экологии. Трофическая динамика может существенно влиять на скорость разложения и круговорот питательных веществ во времени и пространстве. Например, травоядность может увеличить разложение подстилки и круговорот питательных веществ за счет прямого изменения качества подстилки и изменения доминирующей растительности. Показано, что травоядные насекомые увеличивают скорость разложения и оборот питательных веществ из-за изменений в качестве подстилки и увеличения поступления экскрементов. Однако вспышки численности насекомых не всегда приводят к увеличению круговорота питательных веществ. Штадлер показал, что богатая углеродом падь, образующаяся во время вспышек тлей, может привести к увеличению иммобилизации азота почвенными микробами, тем самым замедляя круговорот питательных веществ и потенциально ограничивая производство биомассы. Морские экосистемы Северной Атлантики значительно изменились из-за перелова трески. В 1990-х годах популяции трески резко сократились, что привело к увеличению численности их жертв, таких как креветки и снежный краб.

Уроки из двух городов Центральной Америки

Биосфера претерпела значительные изменения под воздействием потребностей человеческого общества. Экосистемная экология играет важную роль в понимании и адаптации к наиболее острым современным экологическим проблемам. Экология восстановления и управление экосистемами тесно связаны с экосистемной экологией. Восстановление сильно деградировавших ресурсов зависит от интеграции функциональных механизмов экосистем. Без сохранения этих функций экономическая ценность экосистем значительно снижается, и на местности могут возникнуть потенциально опасные условия. Например, районы в горных западных нагорьях Гватемалы более подвержены катастрофическим оползням и серьезной сезонной нехватке воды из-за утраты лесных ресурсов. В отличие от этого, города, такие как Тотоникапан, которые сохранили леса благодаря сильным социальным институтам, демонстрируют большую местную экономическую стабильность и в целом более высокий уровень благосостояния населения. Эта ситуация особенно примечательна, учитывая близость этих районов друг к другу, преобладание майя среди населения, а также схожую топографию и общие ресурсы. Это пример того, как две группы людей управляют ресурсами принципиально разными способами. Экосистемная экология предоставляет фундаментальные научные знания, необходимые для предотвращения деградации и восстановления экосистемных процессов, обеспечивающих удовлетворение основных потребностей человека.