Основы Геоботаники и биогеоценологии
Геоботаника • Термин «геоботаника» был предложен в 1866 году русским ботаником и почвоведом Рупрехтом и немецким ботаником Гризебахом. • Геоботаника – это наука о растительности Земли. • Растительностью называют совокупность растительных сообществ, населяющих Землю или ее отдельные регионы. • Существует еще понятие «растительный покров» . Это совокупность всех растительных организмов на определенной территории. Поэтому геоботанику можно еще назвать наукой о растительном покрове.
• Понятие «растительность» близко к понятию «флора» , но их нужно различать. • Флора- совокупность видов растений на определенной территории, объединенных общим происхождением (исторические связи). • Растительность – общность растений, выделяемая на основе экологических связей (со средой и др. растениями).
Разделы геоботаники • • • Фитоценология – изучает структуру и динамику растительных сообществ, а также занимается их классификацией. Так как сообщества изучает экология, то фитоценологя является одновременно и разделом экологии. География растительности (фитоценохорология) –изучает закономерности распределения растительных сообществ по поверхности Земли. Историческая геоботаника – изучает растительные сообщества и их смену в разные геологические эпохи.
Основными структурно-функциональными единицами биосферы являются экосистемы или биогеоценозы. Экосистемы изучаются одним из разделов экологии – биогеоценологией. Термин введен в 1935 г. английским экологом. А. Тенсли: Экосистема – любая совокупность организмов и неорганических компонентов среды, в которой может совершаться круговорот веществ и энергии. 1990 г. Реймерс: Экосистема – любая совокупность живых существ и их среды обитания, которые объединены в единое функциональное целое.
Компоненты экосистемы: Экосистема состоит из живого и неживого компонентов • Совокупность живых организмов называют сообществом или биоценозом • Неживой компонент называется экотопом. Он включает: 1. Почву (или воду), содержащие органические и неорганические вещества 2. Климат (освещенность, t, влажность) •
• В любом местообитании запасов неорганических веществ, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. • Таким образом, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, образует круговорот. • Поэтому любую совокупность живых организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ можно назвать экосистемой!
Экосистемы Лишайник на дереве луг Временный водоем пустыня
• Чем больше масштаб экосистемы, тем более полный круговорот в ней осуществляется. • Однако, ни одна экосистема не имеет полностью замкнутого круговорота: материки обмениваются веществом с океаном, вся планета – с Космосом
Учение В. Н. Сукачева о биогеоценозе. • Параллельно с развитием концепции экосистем развивалось учение о биогеоценозах (академик В. Н. Сукачев 1940 -1942 гг. Принято в 70 -е гг. ) • Биогеоценоз – совокупность организмов и неорганических компонентов среды с определенным типом обмена веществ и энергии на определенном протяжении земной поверхности. • Экосистема и биогеоценоз близкие понятия. • Но! Понятие экосистема применимо для обозначения систем, обеспечивающих круговорот любого уровня (от пня до биосферы). • Биогеоценоз – понятие территориальное, относимое к таким участкам суши, которые заняты определенными растительными сообществами – фитоценозами (луг, степь, лес)
Биогеохимические циклы Основным свойством экосистемы, обеспечивающим ей стабильность, является круговорот веществ. • Такие круговороты называются биогеохимическими циклами • Движущей силой круговорота веществ является энергия Солнца. • Для поддержания круговорота веществ необходимо: 1. Наличие запаса неорганических веществ в усвояемой форме 2. Трех функционально различных групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов •
Продуценты • Это автотрофные организмы, в основном зеленые растения, которые превращают солнечную энергию в химическую, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани • Производят органическое вещество
Консументы • Это гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов, трансформирующие его в новые формы (различные животные) биофаги фитофаги консументы 1 порядка хищники консументы 2 порядка высшие хищники консументы 3, 4 порядка детритофаги черви, жуки, раки, муравьи, грифы, гиены и т. д.
Редуценты • Редуценты (сапрофиты) – грибы, бактерии – разлагают органические вещества, переводя их снова в неорганические
• Классификация эта относительна, т. к. продуценты и консументы выступают частично в роли редуцентов, выделяя в течение жизни минеральные продукты обмена
Структура экосистемы ы пр нт од уц е це нт ду ы ре консументы биоценоз экосистема биотоп температура влажность свет почва Горные породы воздух
Связи организмов в экосистеме • Все живые организмы в экосистеме тесно связаны между собой различными взаимоотношениями • Главным видом связей, которые объединяют организмы в единую систему и обеспечивают круговорот веществ являются пищевые или трофические (от греч. trophos «питание» ). • В экосистеме каждый вид живых организмов является пищей для других
Пищевые цепи Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные. Такая последовательность живых организмов, в которой каждый последующий питается предыдущим называется пищевой цепью, а каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем Первый трофический уровень всегда занимают продуценты, последний – редуценты, между ними – консументы (первого, второго, третьего порядка
Виды цепей питания Цепи питания пастбищные детритные начинаются с живых фотосинтезирующих организмов начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных (детрита)
Пищевые цепи разделяются на два типа: § Пастбищная пищевая цепь (цепь выедания) § Детритная пищевая цепь (цепь разложения
Линейные пищевые цепи - большая редкость в природе. Как правило, пищевые цепи в экосистеме тесно переплетаются. Совокупность пищевых связей в экосистеме образует пищевые сети, в которых многие консументы служат пищей нескольким членам экосистемы.
Расход энергии в экосистеме Первичный источник энергии в любой экосистеме – энергия солнца. 70% лучей отражается, 30% - поглощается. Из них 29% расходуется на испарение и дыхание, 1% - на фотосинтез (создание первичного органического вещества растительного происхождения).
• Большая часть энергии пищи (около 90%) расходуется для поддержания процессов жизнедеятельности и только 10% идет на построение тела • Большая часть энергии при переходе от одного трофического уровня к другому теряется, т. к. следующему потребителю может поступить лишь та энергия, которая заключена в массе поедаемого организма.
• Если калорийность растения 1000 Дж, то при поедании его травоядным животным в теле последнего останется 100 Дж, в теле хищника 10 Дж
• Таким образом запас энергии, сделанный зеленым растением, стремительно иссякает • Поэтому пищевая цепь включает обычно не более 4 -6 звеньев. • Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением новых ее порций (Солнце) • В экосистеме не может быть круговорота энергии!!!
Экологическая пирамида • Эта закономерность получила название правила экологической пирамиды
Пирамида численности
Пирамида биомассы. высшие хищники (IV) высшие хищники (III) хищники (II) фитофаги (I) продуценты Все пирамиды (энергии, численности, биомассы) имеют одинаковую направленность Наиболее универсальной является пирамида энергии, т. к. она отражает скорость накопление биомассы, но ее построение наиболее трудоемко
Продуктивность экосистемы • Скорость накопления энергии в органическом веществе называется продуктивностью экосистемы
В результате связывания солнечной энергии образуется биомасса экосистемы – общее количество живого вещества и энергии, которое приходится на единицу площади или объема окружающей среды экосистемы (фитомасса, зоомасса, биомасса грибов и бактерий). Первичная продукция – биомасса, созданная продуцентами за единицу времени. Из нее 40 -70% идет на поддержание самих продуцентов, а часть составляет чистую первичную продукцию. Чистая первичная продукция – прирост за единицу времени биомассы продуцентов (фитомассы) – 60 -30% энергии, доступной консументам. Вторичная продукция – прирост за единицу времени биомассы консументов. Продукция экосистемы – прирост биомассы в год.
• Чем оптимальнее экологические факторы, чем больше видовое разнообразие, тем выше продуктивность экосистем • Наиболее продуктивны: тропический лес, океан • Наименее продуктивны: пустыни (тропические и арктические)
Фитоценоз • Одно из первых определений фитоценоза было дано Сукачевым в 1956 году. • Фитоценоз, или растительное сообщество, это совокупность растений, произрастающих совместно на однородной территории, характеризующаяся определенным составом, строением, сложением и взаимоотношениями растений как друг с другом, так и с условиями среды. Выделяют: • видовую • пространственную • Экологическую структуру
Видовая структура • – это разнообразие видов и их соотношение по численности и биомассе. • Общий список видов фитоценоза называют флористическим составом. • Совокупность особей одного вида, обитающих в данном фитоценозе называют ценопопуляцией.
Факторы, влияющие на видовой состав фитоценоза • • 1. степень оптимальности условий чем ближе условия среды к экстремальным, тем беднее флористический состав. Например: фитоценозы арктических и субтропических пустынь, солончаков, загрязненных водоемов и т. д.
везде, где условия абиотической среды приближаются к оптимальным, возникают богатые видами сообщества. Примером могут служить влажные тропические леса, коралловые рифы, долины рек в засушливых районах.
2. Разнообразие условий • разнообразные условия создаются в приграничных районах между разными климатическими зонами (лесостепь, лесотундра и т. д. ). Наиболее богаты видами горы, опушки леса. • Разнородность среды создается как абиотическими факторами, так и самими живыми организмами.
3. Возраст фитоценоза • Молодые, формирующиеся сообщества обычно содержат меньше видов, чем давно сложившиеся. • Фитоценозы, которые включают все виды, способные произрастать в данных условиях называют флористически полночленными. • Если в сообщество входят не все виды, свойственные данному местообитанию, то фитоценоз называют флористически неполнечленным.
Агроценозы • Искусственные фитоценозы, созданные человеком (поля, сады, огороды) называют агроценозами. Они беднее видами, чем естественные фитоценозы.
Доминанты • Виды, преобладающие по численности. Например в еловых лесах среди деревьев доминирует ель, а в травяном покрове – кислица. • Доминанты делят на постоянных (доминируют в течение всего вегетационного сезона) и временных (доминируют какую-то часть вегетационного сезона.
Эдификаторы (в переводе с латинского «строители» ). • это виды, которые, своей жизнедеятельностью в наибольшей степени создают среду для всего сообщества и без которых существование других видов невозможно. • Удаление вида эдификатора вызывает изменение физической среды, микроклимата в данном местообитании. • В лесах эдификаторами являются деревья (в еловых – ель, в сосновых – сосна). В степях эдификаторами являются дерновинные злаки (ковыль, типчак).
Ассектаторы (в переводе с лат. – «постоянный спутник» . • Виды, существенно не влияющие на биоценотическую среду • Редкие и малочисленные виды также очень важны для жизни сообщества. Они создают его видовое богатство, увеличивают разнообразие биоценотических связей, служат резервом для пополнения и замещения доминантов, придают биоценозу устойчивость и обеспечивают надежность его функционирования в разных условиях. • Чем выше видовое разнообразие, тем стабильнее биоценоз!!!
• Чем больше резерв «второстепенных видов» , тем больше вероятность того, что среди них найдутся такие, которые смогут выполнить роль доминантов при изменении среды. • Между численностью видов - доминантов и общим видовым богатством существует определенная связь: чем меньше число видов в сообществе, тем выше численность видов-доминантов. • В наиболее богатых фитоценозах практически все виды малочисленны. В тропических лесах редко можно встретить рядом несколько деревьев одного вида. Такие биоценозы отличаются высокой стабильностью.
Экологическая структура фитоценоза • отражает соотношение различных экологических групп растений: • соотношение разных жизненных форм (экобиоморф) • соотношение гигрофитов, мезофитов и ксерофитов. В сухих условиях в растительном покрове преобладают ксерофиты, а в увлажненных биотопах – гигрофиты и гидрофиты.
• В задачи изучения фитоценоза с экологической точки зрения входит изучение структуры популяций, составляющих его видов. • Популяция – это совокупность особей одного вида, населяющих определенный биоценоз. • Принято также название ценопопуляция. • При изучении ценопопуляций растений особое внимание уделяется изучению возрастной структуры.
Жизненность вида • 1 балл – растение нормально растет, цветет, плодоносит, взрослые особи достигают нормальных для вида размеров. • 2 балла –растение угнетено, взрослые особи меньших размеров, но семенное размножение возможно. • 3 балла – растение сильно угнетено, слабо вегетирует, не цветет, не плодоносит.
Пространственная структура фитоценоза • характеризуется взаимным расположением растений и их частей в пространстве. • Различают вертикальное горизонтальное сложение фитоценозов. • Вертикальное сложение может быть непрерывным и прерывистым. • При непрерывной вертикальной структуре отдельных слоев в сообществе выделить невозможно. Наблюдается вертикальный континуум. К таким сообществам относятся некоторые влажные тропические леса, луговые и степные сообщества. В этих сообществах слои выделяют условно, их называют фитоценотическими горизонтами.
ЯРУСНОСТЬ • Прерывистые по вертикали фитоценозы состоят из отдельных слоев, называемых ярусами. Ярусы как правило образованы разными жизненными формами, у которых фотосинтезирующий аппарат и подземные органы располагаются на разных уровнях. • Ярусность позволяет растениям более полно использовать световой поток.
В еловых лесах выделяют 3 яруса: • древесный • травянокустарничковый • моховый.
В широколиственном лесу 5 -6 ярусов: • Деревья первой величины (дуб, липа, вяз, клен) • Деревья второй величины (рябина, яблоня, черемуха, ива козья) • подлесок – образован кустарниками (лещина, крушина, жимолость) • Высокие травы (борцы, чистец) • Средние травы (сныть, осока волосистая) • низкие травы (копытень).
Бор-беломошник • 2 яруса: древесный, образованный сосной, и напочвенный – из лишайников.
• В лесах всегда есть внеярусные растения. Это водоросли и лишайники на стволах деревьев, эпифиты, лианы.
• Подземная ярусность фитоценозов связана с разной глубиной укоренения растений и размещением активной части корневых систем. В лесах наблюдается до 6 подземных ярусов.
Горизонтальная структура • Кроме вертикальной расчлененности большинству фитоценозов свойственно и горизонтальное расчленение или сложение, которое приводит к мозаичности фитоценоза. • Мозаичность обусловлена рядом причин: неоднородностью микрорельефа, почвы, биологическими особенностями растений, деятельностью животных и человека (образование муравейников, рытье нор, вытаптывание, вырубка, пожары). В связи с мозаичностью в фитоценозах выделяют более мелкие структурные единицы: микрогруппировки, микроценозы, микрофитоценозы.
мозаичность
Саморазвитие и смена экосистем. • Любой биогеоценоз развивается и эволюционирует • В природе менее устойчивые экосистемы сменяются более устойчивыми • Чем больше видовое разнообразие, чем полнее круговорот веществ в биоценозе, тем он устойчивее!!!
• Все многообразные изменения, происходящие в любом сообществе, можно разделить на циклические и поступательные. • Циклические изменения отражают суточную, сезонную и многолетнюю периодичность внешних условий и проявление эндогенных ритмов организмов. • Сезонные ритмы наиболее отчетливо выражены в климатических зонах с контрастными условиями зимы и лета. • Сезонной изменчивости подвержена зачастую и ярусная структура биоценоза. Например, травянистый ярус полностью исчезает в зимний период.
Буковый лес
Поступательные изменения • Поступательные изменения в сообществе приводят к смене одного сообщества другим, с иным набором господствующих видов. Причиной могут быть длительно действующие в одном направлении внешние факторы (усиленный выпас скота, иссушение болотных почв в результате мелиорации. Возникающие при этом смены одного фитоценоза другим называют экзогенетическими. Если при этом структура сообщества упрощается, уменьшается количество видов, снижается продуктивность, то такие смены называют дигрессионными или дигрессиями.
Сукцессия (от лат. «сукцессио» - преемственность, наследование) • Если причиной смены сообщества являются внутренние процессы, происходящие в сообществе, то такие смены называют эндогенетическими. • Закономерный направленный процесс изменения сообществ в результате взаимодействия живых организмов между собой и окружающей средой называют сукцессией • Представляет собой процесс саморазвития сообществ.
• В ходе сукцессии на основе конкурентных взаимодействий видов происходит постепенное формирование более устойчивых комбинаций, соответствующих абиотическим условиям среды. • Такие сообщества, находящиеся в равновесии со средой называют климаксными.
Виды сукцессий. • Первичная – появление нового сообщества на «голом месте» , лишенном жизни (на скалах, обрывах, сыпучих песках, после ледников и т. д. ). Может потребоваться от 200 до 1000 лет. • Вторичная – восстановление сообщества после его нарушения на месте, где растительность и почва не уничтожены полностью (после вулканических извержений, пожаров, вырубки леса и т. д. ).
Развитие экосистемы песчаных дюн • На голых дюнах поселяются злаки (аристида). За счет них могут существовать насекомые. Поэтому сюда начинают забегать ящерицы • Затем поселяется осока • На закрепленных злаками и осокой песках поселяются кустарники • Увеличивается разнообразие насекомых, появляются птицы и млекопитающие
• Последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друга сообществ называют сукцессионной серией.
• Таким образом, главную роль в развитии биоценоза играют растения. Вызываемые ими изменения почвы и микроклимата служат основой для изменения видового состава биоценоза
Классификация растительности • В России наиболее распространен морфолого-флористический подход. В нем основой для классификации служат доминирующие виды в каждом ярусе фитоценоза. За основную единицу классификации принята ассоциация. • При составлении названия ассоциации учитываются только постоянные доминанты. Доминанты одного яруса соединяют знаком «+» , доминанты разных ярусов знаком « - » . • Дуб черешчатый – лещина обыкновенная – зеленчук желтый+осока волосистая.
Классификация растительности ассоциация Группа ассоциаций формация Группа формаций Класс формаций Тип растительности
Классификация растительности Ассоциация: Ельники черничные Группа ассоциаций: Ельники зеленомошные Формация: Еловые леса Группа формаций: Темнохвойные леса (тайга) Класс формаций: Тайга Тип растительности: Бореально-лесной
Методы изучения фитоценозов • Геоботаническое описание – это установление видового состава и структуры растительного сообщества. Используется метод пробных площадок. Их величина зависит от типа сообщества. В пределах пробной площади фитоценоз должен быть относительно однородным. Для лесных фитоценозов размер пробной площади составляет 200 -400 м 2, для луговых, болотных, степных, водных, сорных – 25100 м 2. Для конкретных замеров используются квадратные рамки, площадью 1 м 2.
План описания. 1. Географическое положение местности (область, район, ближайший населенный пункт), дата, исполнитель. 2. Особенности рельефа и почвы. 3. Общее проективное покрытие (ОПП) 4. Флористический состав. Для каждого вида указывается его обилие, жизненность, фенофаза, хозяйственное значение. 5. Определяются виды доминанты. 6. Соотношение различных экологических групп 7. Составление названия ассоциации
Скачать презентацию Основы Геоботаники и биогеоценологии Геоботаника Термин
фитоценозы 28 04 2014.ppt