Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Абиотические факторы

Наиболее существенные абиотические факторы среды - клима­тические, почвенно-грунтовые. Особое место среди них занимают орографические факторы (рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона).

2.1.1 Климатические факторы. Важнейшие из климатических факто­ров - лучистая энергия Солнца, освещенность земной поверхнос­ти, температура и влажность воздуха, осадки, газовый состав атмос­феры, ветер, атмосферное давление и электричество.

Основные свойства лучистой энергии Солнца опре­деляются длиной волны. В пределах светового спектра различают:

1) видимый свет (390...790 нм);

2) ультрафиолетовую радиацию (менее 390 нм), поглощаемую озоновым слоем;

3) инфракрасную часть (более 790 нм).

На поверхность Земли площадью 1 см² поступает примерно 8,3 Дж в минуту (это солнечная постоянная). Растения по­глощают около 25 % падающей энергии солнечного света, коэффи­циент использования света для фотосинтеза сельскохозяйственны­ми растениями составляет в среднем всего 2,0...2,5 % энергии сол­нечных лучей.

Интенсивность света существенно влияет на фотосинтез, замед­ляя его при пороговых значениях, которые у разных растений нео­динаковы.

Длина волны важна для жизни животных. Так, некоторые жи­вотные обладают цветным зрением, а это им необходимо для опоз­навания противоположного пола, поиска пищи и т.д. Такое зрение развито, например, у приматов. Солнечный свет, частично поляризованный атмосферой, дает возможность некоторым птицам и пче­лам ориентироваться на местности в облачную погоду.

По потребности в свете выделяют три группы растений:

1) свето­любивые (луговые травы, кукуруза, пшеница, рожь, сахарная свекла, томаты, картофель, сосна), требующие для своего развития полного дневного освещения;

2) теневыносливые (бук, граб, ель, пихта, кедр);

3) тенелюбивые (водоросли, кислица, ко­пытень), которые могут жить при освещенности, равной 0,005 пол­ной дневной.

Весьма существенное экологическое значение имеет и фотопер­иод - продолжительность дня, или смена светового и темного времени суток (в часах). У всех живых организмов (растений и жи­вотных, человека) многие внешние и внутренние проявления жиз­ни зависят от суточных циклов - света и темноты (фотопериоди­ческая реакция).

По отношению к длине дня растения делятся на три основные группы:

1) длиннодневные (озимые и яровые злаки - пшеница, рожь, ячмень, овес; капуста, редька, горчица, все мако­вые, горох, многие сорта подсолнечника, картофель, са­харная свекла и др.) - растения, которые цветут и плодоносят при продолжительности дня не менее 12 ч;

2) короткодневные (кукуруза, просо, все тыквенные, большинство бобо­вых, хлопчатник, многие сорта табака, хмель, перец красный, ба­тат) - растения, цветение которых ускоряется при сокращении дневного освещения (менее 12 ч);

3) фотопериодически нейтральные (сорго, многие сорта фасоли и др.) - растения, у которых цветение наступает при любой длине дня.

Подбирая световые режимы, в ис­кусственных условиях в течение года можно получить 3-6 поколе­ний редиса и других однолетних видов, 2-3 поколения некоторых многолетних культур.

Животные делятся на две группы: дневные и ночные. В их жизни фотопериодизм также играет важную роль, с ним связаны некото­рые биологические явления. Дневные птицы пробуждаются при определенной освещенности. Фотопериодизм лежит в основе се­зонных перелетов многих птиц, смены их оперения, отрастания зимнего мехового покрова у пушных зверей. С фотопериодизмом связаны размножение многих животных, цикличность половой деятельности, активность и др.

Температура воздуха – важнейший экологический фактор среды, от которого зависят скорость и интенсивность дыхания, обмена веществ, фотосинтеза, транспирации и других биохимических и физиологических процессов в клетках и тканях. Боль­шинство организмов из-за свойств протоплазмы существуют в ос­новном при температуре в пределах от 0 до 50 °С. Жизненные же функции наиболее активно осуществляются в диапазоне 20-30 °С (это зона оп­тимума, или комфорта, для многих видов).

Организмы имеют различные пределы выносливости. Одни из них, называемые эвритермными, выносят колебания температуры в широких пределах (тигр, например, способен переносить тропическую жару и холода Сибири). Другие виды, называемые стенотермными, развиваются в узких диапазонах температур (орхидеи).

По классификации Раункиера выделены различные морфологические типы растений в зависимости от приспособления их к неблагоприятному сезону:

эпифиты, не имеющие корней в почве растущие на других растениях;

фанерофиты, оказывающиеся зимой под снегом, их почки нуждаются в защите покровными чешуйками;

хамефиты, существующие в виде ползучих или приподнятых сте6лей, зимой их почки прикрыты снегом полностью или частично;

гемикриптофи­ты, у которых среди прошлогодней растительности сохранены отдельные почки у поверхности почвы, а зимой их прикрывает снег;

криптофиты (геофиты), прячущие свои почки в корневищах, луко­вицах, клубнях, скрытых в почве;

терофиты - однолетники, отми­рающие с наступлением неблагоприятного сезона (выживают семе­на и споры, прорастающие при благоприятных условиях);

гидрофи­ты - водные растения.

Морфологические адаптации (процессы приспособления организма к определенным условиям внешней среды) характерны и для животных. В жизни животных наибольшую роль играют и физиологические адаптации (наиболее простая форма - акклиматизация).

Животные по отношению к теплу разделяются на три группы.

Пойкилотермные (все беспозвоночные и низшие позвоночные) - животные, не регулирующие температуру тела; их темпера­турный режим неустойчив, зависит от температуры окружающей среды. Когда они пребывают в спокойном состоянии, их температу­ра почти не отличается от температуры воздуха, воды или почвы (например, у жуков, чернотелок, полипов, раков, лягушек, рыб).

Гомойотермные (почти все птицы, млекопитающие) - живот­ные с постоянной температурой тела, теплокровные. Их темпера­тура в меньшей степени зависит от температуры среды, так как они обладают хорошо развитым аппаратом терморегуляции для проду­цирования тепла и расхода тепловой энергии. Терморегуляция у та­ких животных может быть химической, физической и экологичес­кой. Химическая терморегуляция - продуцирование тепла путем интенсивного обмена веществ, для чего необходимо усиленное пи­тание. В суровую зиму недостаток пищи компенсируется за счет жировых отложений, а после их расхода животные погибают. Таким образом, эта терморегуляция определяет интенсивность обмена ве­ществ, поддерживая на надлежащем уровне тепловой баланс. Физи­ческая терморегуляция основана на усилении или уменьшении теплоотдачи с помощью изменения площади поверхности тела (если жарко, то надо вытянуться, холодно - свернуться клубком, под­жать лапы и пр.). Экологическая терморегуляция является разно­видностью физической. Она заключается в изменении степени ак­тивности (покоя), в использовании убежищ в жару и холод. Сюда же можно причислить перелеты птиц как радикальное средство защи­ты от неблагоприятных температур.

Гетеротермные (промежуточные) - животные, которые харак­теризуются различной степенью устойчивости температуры тела и ее регуляции вообще или в отдельные периоды жизни (например, животные, погружающиеся зимой в спячку или впадающие в глубо­кий зимний сон). В спячку погружаются следующие животные: ежи, летучие мыши, сурки, суслики, бурундуки, барсуки и еноты-полоскуны. Обмен ве­ществ у них падает до минимума, они почти не дышат, температура их тела резко понижается (иногда до 0,1 °С), благодаря этому зимой экономно используются запасы жира. Медведи и енотовидная собака впадают в глубокий зимний сон, а не в спячку. Температура тела у них не опускается ниже (29 °С). У насекомых зи­мой наступает период диапаузы (остановки в развитии) у разных видов на разных стадиях - яйца, личинки, куколки, взрослой фазы. В тропиках среди насекомых и рыб распространена летняя спячка в самый жаркий период года.

От температуры зависят ареалы животных и растений.

По отно­шению к теплу растения подразделяют на три основные группы:

термофилы, или теплолюбивые (выдерживают температуру до 50 °С), весьма чувствительны к холоду;

мезофиллы (умеренные);

криофилы, или холодостойкие, устойчивы к низким температурам.

Следует также учитывать жаростойкость (способность растений выживать при высоких температурах), холодостойкость, морозо­стойкость (выживание растений при отрицательных температурах, сопровождающихся образованием льда в тканях).

Температура изменяется в течение суток, по сезонам и годам. Для нормального развития растений в умеренных широтах необходимо чередование холодных и теплых периодов. Порог вегетации (самая низкая температура, при кото­рой начинается вегетация) для большинства культур составляет +10°С, для холодостойких +5, теплолюбивых +15°С.

Влажность воздуха - один из основных экологических факторов. Она формируется под влиянием атмосферных осадков, физичес­кого испарения, транспирации растений, парообразного переноса влаги, температуры, движения воздушных масс. Атмосферные осадки - основная составляющая режима увлажненности.

В зависимости от потребности во влаге растения занимают опре­деленные местообитания. По этому критерию выделяют следую­щие экологические группы растений:

гидрофиты - цветковые растения, погруженные вводу полностью или частично, их почки находятся в воде (ряска, кувшинки, водяной лютик др.). Они обладают увеличенной по­верхностью листьев, воздухоносными полостями и большими меж­клетниками, слаборазвитыми проводящими пучками, периферичес­ки расположенным хлорофиллоносным аппаратом и пр;

гигрофиты (калужница, стрелолист, рис) - растения переувлажненных местообитаний с высокой влаж­ностью воздуха и почвы (низины, болота, прибрежные мелководья). Избыток влаги при очень влажном воздухе удаляется путем гуттации (плача растений), т.е. выделения капелек воды через специальные клетки (в основном перед дождем);

мезофиты (умеренно влаголюбивые) - растения средних усло­вий увлажнения (большинство луговых, лесных и культурных рас­тений);

ксерофиты - растения сухих местообитаний, способных сохра­нять активность даже при продолжительной сухости почвы и воз­духа, атмосферных засухах. Среди ксерофитов выделяют склерофиты и суккуленты. Склерофиты имеют суховатые тощие стебли и листья, долго не вянут, отличаются сильно раз­витой корневой системой, высоким осмотическим давлением кле­точного сока (ковыли, верблюжья колючка, полыни и др.). Суккуленты - многолетние растения с сочными листьями и стеблями, с развитой водоносной тканью (алоэ, кактусы, агавы, моло­дило, очиток).

Растения извлекают из почвы воду с помощью корней. Низшие растения поглощают воду всей активной поверхностью. Отдельные лишайники адсорбируют водяной пар. У растений сухих степей, полупустынь и пустынь имеются морфологические приспособле­ния для уменьшения потерь воды, поверхности испарения (редук­ция листьев в виде игл, сочность стеблей и листьев и др.).

Все сухопутные животные теряют много воды с продуктами вы­деления, за счет испарения, поэтому необходимо периодическое поступление воды в организм. Одни из них пьют воду, другие вса­сывают влагу через покровы тела в парообразном и жидком состоянии (некоторые насекомые, клещи, многие амфибии), третьи по­лучают воду при окислении жиров (гусеницы платяной моли, ам­барный долгоносик, верблюд), четвертые - с пищей.

Ветер возникает в связи с перепадами давления. Движение воздушных масс направлено от большего к меньшему давлению. Ветер в приземном слое сильно влияет на температуру, влажность, испарение, транспирацию растений. Сильные ветры снижают фотосинтез, прирост растений, вызывают полегание хлебов, усилива­ют транспирацию, при недостатке влаги в почвах растения теряют тургор, вянут. Ураганные ветры выворачивают деревья с корнями (ветровал) и ломают их (ветролом). Суховеи (сильные сухие ветры) наносят вред зерновым хлебам, особенно в период цветения и со­зревания зерна, резко снижая их урожай. С ветром разносятся плоды и семена многих растений, имеющих специальные приспособления - хохолки, крылатки. Ветер способствует опылению некоторых растений (рожь, кукуруза и др.), особенно в высокогорьях, где мало насекомых. Ветер влияет на воз­душный режим, на тепловой и водный обмен организмов.

Состав воздуха относительно постоянен. Доли (%) участия разных газов, в составе воздуха следующие: азот - 78,8, кислород - 20,95, аргон - 0,93, диоксид углерода - 0,03, неболь­шое количество (около 0,01) других газов (гелий, неон, ксенон, криптон, водород, озон и др.). Кроме того, в воздухе присутствуют: водяные пары, пыль, пестициды, удобрения, оксиды серы, оксиды азота, углеводороды и другие соединения. Источниками данных соединений являются теплоэлектроцентрали, транспорт, промышленные и сельскохозяйственные предприятия. Для жизнедеятельности организмов особенно важно соотношение углекислого газа и кислорода.

Будучи порождением жизни, кислород является основным условием существования главных ее форм. Связывание 1 г углерода при фотосинтезе сопровождается выделением 2,7г кислорода за счет расщепления молекул воды. Часть синтезированного органическо­го вещества (около 15 %) «сгорает», окисляется и разрушается в ре­зультате дыхания растений. Кисло­род обеспечивает дыхание растений и животных в атмосфере, почве, воде, окислительные процессы. Зеленые растения при фотосинтезе выделяют кислород, а все животные потребляют его.

Диоксид углерода поступает в атмосферу в результате ды­хания живых организмов, гниения и разложения органических ве­ществ, сжигания топлива. Углекислый газ – сырье для фотосинтеза растений, поэтому при недостатке или избытке его в воздухе снижается интенсивность фотосинтеза. Диоксид углеро­да - естественный демпфер солнечного и ответного земного излу­чения.

Атмосферный азот большинством организмов не усваивается, огромная масса его недоступна для зеленых растений суши. Его ис­пользуют лишь азотфиксаторы. Азот участвует в образовании бел­ковых структур организмов, поэтому его количество лимитирует развитие живого вещества.

Примеси в воздухе оксидов серы при продолжительном воздей­ствии на растения вызывают опадение листьев, раннее их пожелте­ние, ингибируют фотосинтез, нарушают ферментативные процес­сы, уменьшают устойчивость против заморозков и засухи. Все это приводит к угнетению роста, цветения, плодоношения, а, следова­тельно, снижает продуктивность растений. Повышенные дозы озо­на разрушают клеточные мембраны. Загрязнение воздуха оксидами серы, азота, углеводородами, тяжелыми металлами даже в неболь­ших количествах отрицательно влияет на развитие картофеля, са­харной свеклы, кукурузы, томатов, фасоли, сои, люцерны, табака и других культур. Под воздействием дыма, газов естественные расти­тельные сообщества сменяются сорными, или рудеральными сообществами.

2.1.2 Почвенно-грунтовые (эдафические) факторы. Эти факторы не только воздействуют на живые организмы, но и служат средой оби­тания для многих микроорганизмов, растений и животных. По­чвенные организмы и сами создают свою среду обитания. Эдафи­ческие факторы связаны с функционированием почвенного покрова. Мощность почв колеблется от 3-10 см (арктические дерновые почвы) до 1,5-2,0 м (черноземы степей). Почвы как геомембрана регулируют взаимодействие атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. Они пропускают или задерживают различные потоки вещества и энергии, которые поступают из недр Земли, че­рез гидросферу, из космоса через атмосферу. В почвах аккумулиру­ются химические элементы, необходимые для растений.

В экологическом отношении особый интерес представляют свойства почв, оказывающие влияние на жизнь организмов (­мощность и гранулометрический состав, влажность и температура почв, валовый химический состав, содержание гумуса, реакция, воздушный и солевой режимы, обеспеченность элементами пита­ния и др.).

Мощность почв и их отдельных горизонтов характеризует агрономическую ценность почв. Например, мощный гумусовый гори­зонт свидетельствует о больших запасах питательных элементов, о зна­чительном развитии аккумуляции веществ, слабом их вымывании. О бедности подзолистых почв можно судить по наличию элювиального горизонта, из которого вымыты питательные элементы. Мощность тундровых почв лимитируется наличием вечной мерзлоты.

Гранулометрический состав почв влияет в основ­ном косвенно на организмы, определяя условия увлажнения, воз­душный и тепловой режимы, способность к поглощению минераль­ных веществ. Песчаные и супесчаные почвы имеют низкую влагоем­кость, содержат мало питательных элементов, в них быстро минера­лизуются органические вещества. Глинистые и тяжелосуглинистые почвы характеризуются плохими водно-физическими свойствами. Во влажном состоянии они вязкие и липкие. В сухом - твердые, трещиноватые. Глинистые и тяжелосуглинистые почвы обладают высокой поглотительной способностью и богаты элементами питания. В гумидных условиях они стимулируют процессы заболачивания. В аридных - засоления. Наиболее благоприятными свойствами для возделывания сельскохозяйственных культур обладают легкосуглинистые и среднесуглинистые почвы.

К гранулометрическому составу почв растения относятся неодинаково. Например, картофель, кукуруза, гречиха, просо, сорго, лю­пин дают устойчивые урожаи на супесчаных почвах. Пшеница, ячмень, сахарная свекла, капуста - на среднесуглинис­тых почвах, а овес - и на глинистых.

От гранулометрического состава зависят определенные адаптации. Так, у крота лапы лопатообразные. Он роет лишь мягкую, по­датливую почву, с большим количеством дождевых червей. У живот­ных, обитающих на песчаных почвах, пальцы удлиненные, отороченные щитками. У живот­ных, живущих на сильнокаменистых почвах, пальцы укороченные, одетые когтями или копытами.

Температура почв сильно влияет на продуктивность растений. Семена различных сельскохозяйственных культур прорастают только в определенных температурных интервалах. Например, температурный оптимум прорастания семян пшеницы, ячменя, овса, ржи составляет 25-31 °С, подсолнечника - 31-37, хлопчат­ника, риса, тыквы -37-44 °С. От температуры почв зависит жизне­деятельность почвенных микроорганизмов, и для большинства из них оптимальная температура колеблется от 25 до 30 °С.

Холодные почвы характеризуются низкой температурой, коротким вегетационным периодом. Низкие температуры обусловлива­ют избыточное увлажнение, кислую реакцию, низкую интенсивность нитрификации. К таким почвам приурочены в основном стелющиеся деревья и кустарники, густо розеточные и дерновинные травы.

В связи со слабой теплопроводностью почв их тепловой режим довольно стабилен. Зимой температура почвы выше температуры воздуха, а летом – ниже. Суточные колебания наблюдаются в ос­новном до глубины 1 м, но они малы. Стабильность температуры весьма важна для почвенных животных. Некоторые личинки (на­пример, мраморного хруща) перемещаются по почвенным гори­зонтам вертикально за тепловой волной (зимой - на глубину 50 см, в конце апреля - до 10 см). Этим пользуются лисицы, барсуки, ежи, которые их выкапывают и поедают.

Влажность почв важна не только для растений, но и для животных. Нормальное развитие растений, почвенных микроорганизмов и животных возможно лишь при нормальной влагообеспеченности почв. На почвах с промывным водным режи­мом распространены тропические леса, водораздельные и поймен­ные луга, леса умеренной зоны. На почвах с непромывным водным режимом в засушливых районах, где преобладает испаряемость, распространены ­степи, полупустыни, пустыни (для развития культурных растений в таких условиях необходимо орошение).

Животные также чутко реагируют на влажность почв. Фауна бес­позвоночных богаче в оптимальных по влажности условиях. Грызу­ны в пустынях летом выкапывают глубокие норы до тех горизонтов или слоев почвогрунтов, которые содержат больше влаги. Кроты отсутствуют на почвах с близкими грунтовыми водами, на рисовых и орошаемых полях.

Организмы относятся неодинаково и к реакции почв: аци­дофилы - растения кислых почв (рН 4,6-5,5), базофилы - щелоч­ных (рН 7,1-8,5), нейтрофилы - растения почв с нейтральной ре­акцией (рН 6,6-7,0) или с близкой к нейтральной (рН 5,6-6,5), индифферентные - произрастают на почвах с разными значениями рН. Сильнокислая (рН<4,5) и сильнощелочная (рН>8,5) реакция угнетающе действует на растения. Пшеница хорошо развивается при рН 6,5-7,5, кукуруза, сахарная свекла - при нейтральной ре­акции, картофель - примерно при рН 5, рожь, овес - при рН5-6, люцерна - при щелочной среде (рН 8,0-8,5). Для большинства ра­стений наиболее благоприятна нейтральная и близкая к нейтраль­ной реакция. Микро- и макрофауна также весьма чувствительна к реакции почв. Так, проволочные черви в больших количествах обитают на почвах с рН 4,0-5,2, а наземные моллюски – с рН 7,2.

Химический состав почв определяет их потенциальное плодородие. По отношению к плодородию почв выделяют сле­дующие группы растений: эвтрофы (предпочитают плодородные почвы), олиготрофы (способны расти на бедных почвах), мезотрофы (произрастают на почвах среднего плодородия), нитрофилы (требуют почв, богатых азотом), галофиты (хорошо растут на засо­ленных почвах); петрофиты, или литофиты (растут на каменистых почвах), псаммофиты (способны расти на сыпучих песках).

Азот - важнейший элемент питания растений, при его недо­статке листья желтеют, задерживается рост всех органов, резко сни­жается урожайность.

Недостаток калия приводит к омертвению крайних частей листьев, которые сначала буреют, затем скручива­ются, понижается устойчивость растений к возбудителям грибных заболеваний, падает урожайность.

При нехватке в почвах фосфора листья растений приобретают красновато-фиолетовый оттенок, снижаются холодостойкость и засухоустойчивость; содержание в зерне белка и, безусловно, продуктивность.

Недостаток кальция ос­лабляет развитие корневой системы.

Снижает урожай растений не­достаточное количество магния, серы, железа, а также микроэле­ментов.

Засоление почв отрицательно влияет на растительность. Наиболее токсичны растворимые соли, легко проникающие в цитоплазму, менее токсичны труднорастворимые соли. Более вредное за­соление - содовое и хлоридное, менее вредное - сульфатное. Сильное засоление нарушает нормальное водоснабжение расте­ний, азотный обмен, замедляет синтез белков, подавляет процессы роста. Однако растения-галофиты, для которых свойственна высо­кая сосущая сила из-за повышенных концентраций клеточного сока и осмотического давления, способны развиваться даже на со­лончаках.

Наибольшей солеустойчивостью характеризуются яч­мень, сахарная свекла, клевер, хлопчатник.

Средней солеустойчивостью характеризуются пшеница, овес, кукуруза, томаты, капуста, морковь, лук, шпинат.

Слабой солеустойчивостью характеризуются фасоль, сельдерей, яблоня, вишня.

Многие солончаковые растения имеют мясистые стебли и листья вследствие разрастания губчатой и столбчатой паренхимы (солеросы, солянки), что особенно харак­терно для хлоридного засоления. При сульфатном засолении расте­ния приобретают признаки ксероморфизма (склерофильность, мелкоскелетность). Мужские особи некоторых древесных пород (ивы, осины) в субаридных регионах произрастают преимуще­ственно на более засоленных почвах, а женские - при меньшем за­солении. Сильное засоление подавляет и жизнедеятельность микроорганизмов.

Воздушный режим почв - весьма существенный фак­тор для живых организмов. Воздух необходим для дыхания, с учас­тием воздуха протекают физиологические процессы в корнях расте­ний. Растения развиваются нормально, когда влага содержится в мелких и средних порах, а воздух - в крупных. В почвенном возду­хе количество диоксида углерода колеблется от 0,03-0,05 до 10-20 % (чаще 5-10 %), а кислорода - от 0 до 21 %.

Кислород поглощают для дыхания корни растений, почвенные микроорганиз­мы и животные, этот элемент расходуется при абиотических про­цессах. Интенсивность его поглощения зависит от живых организ­мов, обитающих в почве, температуры, влажности, реакции почв и других факторов. При свободном доступе кислорода развиваются аэробные бактерии, а при отсутствии – анаэробные.

2.1.3 Орографические факторы. Они играют важнейшую роль в пере­распределении осадков на различных элементах рельефа. На ров­ных территориях водоразделов формируются зональные типичные почвы, а в понижениях в связи с дополнительным притоком воды гидроморфные. На повышениях и склонах осадки стекают, вызы­вая эрозию. От экспозиции склонов зависит тепловой режим почв, северные склоны получают значительно меньше тепла, чем южные. В соответствии с распределением влаги и тепла развиваются опре­деленные экосистемы со своеобразными сообществами микроорга­низмов, растений и животных.