Антропогенний вплив на природні екосистеми

Сучасний вплив людини на природні екосистеми незрівнянно більший, ніж раніше. Сумарна потужність антропогенних викидів і скидів в багатьох випадках є близькою, а часто і більшою ніж потужність природних джерел. Наприклад, антропогенні джерела викидають свинцю в десять разів більше ніж природні, оксидів азоту приблизно однакову кількість, а сірчастих газів промисловість викидає 30 млн. тон проти 150 млн. т природних викидів. Гірничовидобувне виробництво вилучає за рік із земних надр близько 10 млрд. т корисних копалин і 100 млрд. т супутньої породи, а вулкани за той же час викидають на поверхню лише 3 млрд. т речовини. За даними К.М.Ситника нині майже 30 % суходолу планети перетворено на пустелі і напівпустелі, 2 млрд. га ораних земель через нераціональну діяльність людей втратили родючість, щороку із використання вилучається 200-300 тис. га зрошувальних земель внаслідок підтоплення, засолення, виснаження та спустошення.

Джерела антропогенного впливу розташовані локально і їх вплив деформує, перш за все, локальні природні екосистеми. Завдяки природним колообіговим процесам ця деформація поступово охоплює екосистеми вищого рівня до біосфери включно.

Антропогенний вплив має різноманітний характер і, як правило, є наслідком споживацького відношення людей до природи. Відповідь у вигляді бумерангової реакції стає все відчутнішою — по-перше, якість середовища існування людини погіршується. По-друге, повернення раніше переможених хвороб (віспа, туберкульоз тощо) та поява нових (СНІД та ін.) слід вважати захисною реакцією біосфери на агресивну поведінку одного з біологічних видів.

Люди починають розуміти нераціональність свого відношення до природи. В останні роки все більше поширюється природозахисний напрямок людської діяльності шляхом створення заповідних територій і акваторій. У зв'язку з тим що агроценози утворені невеликим числом видів, саморегуляція в них здійснюється слабко. Це потребує активної турботи про них з боку людини. Для боротьби з бур'янами і шкідниками використовують хімічні засоби захисту (гербіциди, інсектициди). Проте хімікати впливають не лише на бур'яни і шкідників, а й на інші, корисні рослини і тварин. Не байдужі вони і для здоров'я людини. Інтенсивний обробіток ґрунту спричинює руйнування його структури. В біогеоценозах відмерлі організми руйнуються на місці, а мінеральні та органічні речовини, що входять до їх складу, повертаються в грунт. В агроценозах урожай збирають, грунт при цьому збіднюється. Для його збагачення використовують добрива, що не завжди безпечно для навколишнього середовища. Наприклад, добрива вимиваються атмосферними опадами, потрапляють у відкриті водойми і спричинюють інтенсивний розвиток синьо-зелених водоростей. Масове відмирання і руйнування (гниття) останніх робить воду отруйною, непридатною Для існування в ній інших організмів.

Антропогенні екологічні системи — це нові штучно створені чи постійно використані порушені в минулому природні системи. Неприродні штучні складові в них превалюють над природними. Це — людські поселення різного типу, сільськогосподарські угіддя, майданчики промислових підприємств, транспортні шляхи, штучні лісонасадження, об'єкти риборозведення тощо.

Деформація природного середовища в межах локальних екосистем не обмежується розглянутим антропогенним впливом. Будь-яка екосистема відчуває через зовнішні зв'язки дію глобального антропогенного впливу, тобто інтегрованої (в масштабах планети) людської дії. Антропогенний вплив на ліс різноманітний. Особливо негативні наслідки дала заміна корінних мішаних і складних лісостанів простими смерековими монокультурами. Якщо за рік 1 га букового лісостану виробляє 11,5 тис. м3 кисню, то смеречник — лише 8,6 тис. Квадратний метр листя бука за вегетаційний період продукує 246-305 г органічної речовини, а смереки і ялиці — відповідно 58-79 і 74-107 г. Коефіцієнт використання поглиненої за вегетаційний період енергії буком в 1,1-1,3 рази більший. В корінних букових і ялицевих системах усереднена міцеліальна маса підстилки становить 11,0 мг/г, а в похідних смеречнику та біловуснику 8,0 та 6,3 мг/га. Ґрунтова мезофауна в корінних лісах характеризується насиченістю 90 — 200 особин масою 20-40 г/м2, а у смеречниках — лише 3,0-6,7 г/м2.

Сьогодні переважна більшість населення планети, незалежно від їх расової чи класової належності, політичних поглядів і ідеологічних уподобань все частіше називають Землю спільною домівкою. Нині, коли на всій планеті під впливом людини відбулися помітні зміни як живої, так і неживої природи, дедалі більшого значення набуває гармонійна взаємодія суспільства і природного довкілля, оскільки людина отримує від природи все необхідне для життя: енергію, продукти харчування, матеріали, черпає в ній емоційну й естетичну наснагу. Тому вкрай необхідна не лише чітка стратегія охорони природного середовища та посиленого контролю за природокористуванням, але й добре продумана система екологічної освіти й виховання населення. Бездумне ставлення до природи і виконання гасла на зразок "Не треба чекати милості від природи - треба брати їх самим" вже нанесли непоправної шкоди, виховали цілі покоління утриманців, які не вважають себе зобов'язаними перед природою, завдяки якої існують.

Це і є одним із найважливіших серед чинників, що спричинили і продовжують спричиняти погіршення стану природних екосистем внаслідок посиленого антропогенного впливу. Сюди слід віднести і надмірне використання ксенобіотиків, і зростаюче хімічне забруднення, і неконтрольоване застосування пестицидів та зростаюче засмічення атмосфери викидами транспортних засобів тощо. Наша планета вже не витримує екологічних потрясінь, про що красномовно свідчать засухи, повені, глобальне потепління, поява і ріст озонових дір, кислотні дощі, міління озер, річок, тощо.

Екологічна і демографічна ситуація в Україні засвідчує, що наша молода держава успадкувала тугий вузол екологічних проблем. Вимагає значної уваги громадськості ситуація, що склалася в регіоні Карпат. Надзвичайно сильного негативного антропогенного впливу зазнали екосистеми басейну р. Тиси через викиди надмірної кількості ціанідів і солей важких металів внаслідок аварій на гірничодобувних підприємствах Румунії, що мали місце минулої зими. Особливо тривожним сигналом стали зсуви ґрунту, які продовжуються і по сьогодні (їх у регіоні Карпат закартовано кілька сотень), снігові лавини та катастрофічні повені, що мали місце в листопаді 1998 та березні 2001 років. Нанесена величезна шкода економіці регіону та добробуту його людей. Проте, оскільки Закарпаття характеризується своєрідним географічним положенням, його екологічні катастрофи мають значно широкі наслідки.

Саморегуляція екосистем. Різноманітні форми взаємовідносин між популяціями різних видів об'єднують екосистему в цілісну біологічну спільність. Тривале існування екосистеми підтримується за рахунок взаємодій між продуцентами, консументами і редуцентами, що виникають на основі кругообігу речовин і постійного притоку сонячної енергії.

Стійкість екосистеми пов'язана з біологічною різноманітністю і складністю трофічних зв'язків організмів, що входять в її склад. Там, де високо видове різноманіття, консументы можуть обирати різні види харчових ресурсів, і в першу чергу - найбільш масові. Якщо споживаний харчової об'єкт стає рідкісним, то консумент перемикається на харчування іншим видом, а перший, звільнений від преса выедания, буде відновлювати свою чисельність. Завдяки такому перемикання підтримується динамічний баланс між харчовими ресурсами і їх споживачами і забезпечується можливість їх тривалого співіснування .

Прикладом регулювання чисельності видів в екосистемі можуть стати взаємини типу хижак-жертва. Досліджуючи динаміку популяцій хижака і жертви, вчені встановили, що в природі коливання їх чисельностей в деяких випадках можна представити у вигляді взаємопов'язаних циклів. Класичний приклад - коливання чисельності американського зайця-бєляка в бореальних лісах Канади. Коливання його чисельності відповідає коливання чисельності ряду хижаків, таких, наприклад, як рись. Раз на 9-10 років спостерігається підйом і спад чисельності зайця. Коли чисельність його популяції досягає максимуму, також збільшується внаслідок достатку видобутку чисельність популяції рисі. Як тільки чисельність зайців падає внаслідок перенаселення, хвороб або нестачі корму, гине від голоду і рись. Потім при надлишку їжі і малій кількості хижаків зайці знову починають розмножуватися.
Таким чином, взаємини типу хижак-жертва взаємно згладжують вибухи зростання чисельності і стабілізують екосистему.

Екосистема має здатність підтримувати динамічний баланс у постійно мінливих умовах. Така здатність екосистеми до самопідтримки і саморегулювання називається станом. В основі гомеостазу лежить принцип зворотного зв'язку.

Гомеостаз - стан внутрішнього динамічної рівноваги екосистеми, підтримуване регулярним відновленням основних її структур, ти справді-енергетичного складу і постійної саморегуляцією її компонентів.

Залежно від характеру циркуляції речовини екосистеми поділяються на закриті й відкриті.
Закритою називають таку екосистему, в якій речовина циркулює від продуцентів до редуцентів по колу й саме в межах цієї екосистеми. Наприклад, у ставку біогенні елементи багаторазово проходять по тому самому колу: водорості—зоопланктон—риба—бактерії—мінеральні біогенні речовини—знову водорості.
У відкритих екосистемах речовина по колу не обертається. Наприклад, в екосистемі окремого дерева гусінь з'їдає листя продуцента; саму ж гусінь ловлять птахи й відносять у свої гнізда на інші дерева. Отже, речовина з даної екосистеми вилучається й переноситься в іншу.
Розрізняють також екосистеми, здатні або не здатні до саморегуляції. Механізм саморегуляції в екосистемах першого типу здійснюється за принципом негативного зворотного зв'язку. Цей принцип у спрощеному варіанті можна уявити собі у вигляді ланцюга, кожна ланка якого виступає щодо двох сусідніх або хижаком, або жертвою. Якщо з якихось причин зменшується чисельність жертви, то через нестачу їжі з часом зменшується й чисельність хижака. Зниження чисельності хижака відповідно приводить до зменшення тиску на жертву, чисельність якої збільшується. Це знову створює умови для збільшення чисельності хижака. Отже, система «хижак—жертва» саморегулюється, тобто утримується в рівноважному стані. При цьому чисельність жертви й хижака постійно коливається навколо якогось середнього значення. Ці коливання дістали назву «хвиль життя».

Біомаса й продуктивність біогеоценозу.
Біомасою називають кількість живої речовини на одиниці площі в момент спостереження. Це один із найважливіших статичних показників біогеоценозу. Загальна біомаса визначається сумою біомас усіх популяцій, які населяють даний біогеоценоз. Найчастіше за одиницю біомаси беруть 1 г сухої (рідше — сирої) органічної речовини на 1 м2. Біомаса біогеоценозів різних типів коливається в широких межах (табл. 2. 1.).

Продуктивністю називають здатність живої речовини створювати, трансформувати й нагромаджувати органічну речовину (біомасу). На відміну від біомаси — це динамічний показник біогеоценозу.
Коли комбайни рухаються полем, коли траулер піднімає свої сітки з моря, коли ведеться вирубування лісу, то в будь-якому разі це означає, що людина збирає врожай органічної речовини. Сонячне світло й збирання врожаю пов'язані функцією екосистеми — здатністю нагромаджувати енергію в органічній речовині, інакше — продуктивністю, від розміру й динаміки якої цілком залежить життя всього сущого на Землі, й у тому числі — людини. (Р. Уіттекер, американський еколог).
Продуктивність — одна з найважливіших характеристик: вона відображає ефективність роботи біогеоценозів, швидкість потоку енергії й речовин в їхніх ланцюгах живлення. Виражають продуктивність через показники продукції.
Продукція й деструкція.
Розрізняють продукцію первинну — швидкість засвоєння сонячної енергії у вигляді органічних речовин, синтезованих продуцентами, та продукцію вторинну — швидкість трансформації й накопичення органічної речовини консументами й редуцентами. Оцінюють первинну й вторинну продукції за кількістю органічної речовини, синтезованої (первинна продукція) чи накопиченої (вторинна продукція) за одиницю часу на одиниці площі, або за кількістю енергії, запасеної в цій речовині. Приблизно 1 кДж/(м2/рік) еквівалентне 0,06 г/(м2/рік) сухої органічної речовини.
Вторинна продукція завжди менша від первинної, оскільки створюється вона в результаті трансформації органічної речовини продуцентів після їх споживання консументами чи редуцентами. Зміни значень продукції при переході від нижніх трофічних рівнів (продуцентів) до верхніх (первинних, вторинних чи третинних консументів) мають стрибкоподібний характер: уявіть піраміду, в якої кожний наступний рівень становить приблизно лише 10 % попереднього. Зазвичай між первинною та вторинною продукціями є пряма залежність: чим більша первинна продукція, тим більша й вторинна, і навпаки.
На конкретне значення продукції впливає багато різних факторів, але, як правило, перше місце посідають вологість і температура, друге — забезпеченість біогеоценозу елементами мінерального живлення. Найбільшу продукцію мають біогеоценози вологого тропічного лісу. Далі продукція зменшується за градієнтами температури й вологості в напрямі від екватора до полюсів (рис. 2. 5.).

Окрім продукції, важливим показником є деструкція — швидкість розкладання органічної речовини до мінеральної. Процеси деструкції здійснюють редуценти — передусім гриби й бактерії. Різниця між первинною продукцією й деструкцією є показником акумуляції (накопичення) органічної речовини в біогеоценозі.
Речовини, запобігаючи тим самим їх вимиванню дощами й талою водою у Світовий океан. Тому багаті на гумус ґрунти (наприклад, чорноземи) містять великий запас поживних речовин, необхідних продуцентам, і є найродючішими.
У добре сформованих, стабільних біогеоценозах, таких як старі дубові ліси, ковилові степи, лишайникові тундри, органічна речовина майже не акумулюється. Тут первинна продукція практично дорівнює деструкції, тобто все, що синтезується рослинами, сповна споживається тваринами, грибами, бактеріями й розкладається до мінеральних речовин, які знову використовуються продуцентами й повертаються до біологічного кругообігу.
У біогеоценозах, які перебувають на стадії розвитку (так звані сукцесійні біогеоценози, наприклад піщані річкові коси, що заростають), первинна продукція перевищує деструкцію, тобто відбувається акумуляція органічної речовини. В процесі нагромадження органічної речовини перші, примітивні біогеоценози замінюються складнішими, стійкішими й продуктивнішими (наприклад, піщані річкові коси з часом перетворюються на заплавні луки). Коли нарешті біогеоценоз досягає стабільного (клімаксного) стану, деструкція врівноважує первинну продукцію, й акумуляція органічної речовини майже припиняється.
Проте, коли людина займає землі під агроценози, вона починає з урожаєм вилучати з біотопу біогенні елементи, які були нагромаджені в гумусі попереднім «диким» біогеоценозом, а потім використані культурними рослинами. Це порушує збалансований кругообіг — поживні речовини, зв'язані у вигляді органічної речовини врожаю, в екосистему вже не повертаються, й через їх нестачу ґрунт починає втрачати родючість. Продуктивність агроценозу зменшується. Для компенсації винесення елементів мінерального живлення в ґрунти агроценозів необхідно вносити мінеральні добрива, причому в тій кількості, яка дорівнює кількості вилучених з урожаєм біогенних елементів (рис. 2. 6.).

Баланс продукції й деструкції у водних біогеоценозах. У біогідроценозах нагромаджена органічна речовина або розкладається редуцентами до мінеральних речовин, які переходять у розчинений стан, або відкладається на дні, й таким чином вилучається з біологічного кругообігу. Якщо у воді нагромаджується багато розчинених мінеральних речовин, то, як правило, спостерігається масовий розвиток мікроскопічних водоростей — «цвітіння» води. При цьому на розкладання водоростевої біомаси використовується майже весь розчинений у воді кисень, а самі клітини водоростей можуть виділяти велику кількість токсичних речовин. Наприклад, динофітові водорості, які спричинюють у морях так звані «червоні припливи», виділяють токсин, подібний до отрути кураре; синьозелені водорості, що спричинюють «цвітіння» води у водосховищах, виділяють токсини, котрі класифікуються як фактори швидкої й дуже швидкої смерті. Через отруєння води токсинами й нестачу кисню починаються замори риби, масова загибель інших гідробіонтів, вода стає небезпечною для здоров'я людини.
Переважання продукції над деструкцією, яке супроводжується значним збільшенням у біотопі вмісту поживних речовин, називають евтрофікацією (від грец. ев — добре, легко й трофе — живлення). В природних водоймах процеси евтрофікації зазвичай відбуваються повільно — віками й тисячоліттями, оскільки продукція, як і в наземних біогеоценозах, майже врівноважується деструкцією. Проте сьогодні під впливом діяльності людини евтрофікація водного середовища відбувається з величезною швидкістю: вміст біогенних елементів у воді збільшується передусім через скидання у водойми багатих на біогенні елементи стічних вод або надходження цих елементів у водне середовище із затоплених родючих ґрунтів унаслідок створення величезних рівнинних водосховищ, зокрема й на Дніпрі.
Швидку евтрофікацію водойм, яка відбувається під впливом людини, називають антропогенною евтрофікацією.
Просторова структура біогеоценозу.
Біогеоценози ніколи не бувають цілком однорідними. Навпаки, вони мають свою певну просторову структуру, яка є «обличчям» даного біогеоценозу. Просторова структура вбирає в себе ярусність і горизонтальну неоднорідність — мозаїчність.
Ефективність використання сонячного світла збільшується, коли воно вловлюється на різних висотах, починаючи з поверхні землі й до кількох десятків метрів (або від дна до поверхні води в біогідроценозах). Одновисотні зарості називають ярусами. Зазвичай у біогеоценозах суші виділяють деревний, чагарниковий, трав'янистий і мохово-лишайниковий яруси. Ступінь розвитку ярусної структури великою мірою визначає продуктивність біогеоценозів. Найбільшу первинну продукцію мають лісові біогеоценози, причому простежується загальна закономірність: чим складніша ярусна структура, тим більша продуктивність біогеоценозу. Наприклад, у вологих тропічних лісах виділяють до дев'яти ярусів, у широколистяних — у середньому чотири, у хвойних — три, савани й степи зазвичай двоярусні, а тундри й пустелі — одноярусні. Відповідно й продуктивність у цьому ряді поступово знижується: від найбільшої в тропічних лісах до найменшої — в пустелях і тундрах.
Неоднорідні біогеоценози й у горизонтальній площині. Завжди можна знайти густі або розріджені плями рослинності, нори та лігвища тварин, скупчення грибів, ділянки поверхні, які різняться освітленістю, вологістю тощо. Як правило, на таких ділянках склад і чисельність біоти дещо інші, ніж на основній території, зайнятій даним біогеоценозом.
Горизонтальна й вертикальна неоднорідність біогеоценозу зумовлює й деяку неоднорідність процесів трансформації енергії в його межах. Основною коміркою трансформації енергії в біогеоценозі є консорція — окрема особина або популяція рослин і просторово чи трофічно пов'язані з нею популяції інших рослин, тварин, грибів, бактерій. Назву консорції дають за назвою рослини, навколо якої групуються всі інші пов'язані з нею організми (так звані консорти). Наприклад, у дубовому лісі до консорції дуба входять: шапкові гриби, які утворюють мікоризу, паразитичні гриби-трутовики, лишайники, що оселяються на корі, птахи, що гніздяться на кроні, гусениці й довгоносики, що поїдають листя, павуки, що прикріплюють до гілок павутиння, бактерії, що розкладають листові опади, кабани, які вишукують і поїдають жолуді, та багато інших представників, життя котрих у даному конкретному місці було б неможливим, якби тут не ріс дуб. Саме на рівні консорцій рухаються енергія й речовина трофічними ланцюгами в біогеоценозах.
Ступінь насиченості біогеоценозу різноманітними консорціями залежить від його видового багатства, тобто кількості видів, які живуть у даному біогеоценозі. Чим більше видів у біогеоценозі, тим краще він саморегулюється, тим стійкіший до дії різних несприятливих факторів (окрім катастрофічних).
Трофічна мережа.
До кожного біогеоценозу входить багато видів, які належать до продуцентів, консументів чи редуцентів. Харчові зв'язки між цими видами утворюють трофічну мережу, або мережу живлення. Суть її полягає в тому, що в меню будь-якого виду, за винятком продуцентів, входить не один, а кілька або багато інших видів. Кожен із цих видів, своєю чергою, може бути їжею для кількох інших. У результаті безліч ланцюгів живлення в біогеоценозі складно переплітаються між собою, наче сітки. Зрозуміло, що чим більше видів населяють біогеоценоз, тим складнішою є його трофічна мережа.