🗊Презентация Восстановительная динамика (продолжение), средообразующая роль. Деградация сообществ

Динамика характеристик бореальных лесов в целом в процессе восстановления (формирования)

Восстановление характеристик сообществ после пожаров Годовая надземная чистая первичная продукция (Р), биомасса (В) и отношение Р/В в ходе восстановления дубравы после пожара на о. Лонг Айленд, штат Нью-Йорк (по данным Whittaker, Woodwell, 1968, 1969)

Динамика участия видов в формировании сообществ в процессе первичных сукцессий Распределение надземной биомассы видов древесных растений в ходе сукцессии после отступления ледника (Глейчер Бей, Аляска) (по: Bormann, Sidle, 1990).

Расположение залива Глейчер Бэй

Глейчер Бэй, Аляска Visualization of Glacier Bay, based on Landsat imagery and USGS elevation data (http://en.wikipedia.org/wiki/Glacier_Bay)

Глейчер Бэй, Аляска Visualization of Glacier Bay, based on Landsat imagery and USGS elevation data (http://en.wikipedia.org/wiki/Glacier_Bay)

Динамика участия видов в формировании сообществ в процессе восстановительных сукцессий Изменение запаса древесины в древесном ярусе лесных сообществ сформировавшихся после пожаров. Северная Финляндия. Незалитые кружки – сообщества, нарушенные массовыми ветровалами (по: Siren, 1955).

Основные этапы восстановительной динамики бореальных лесных сообществ являются общими 30 лет - восстановление основного набора видов бореальных лесных сообществ 60 лет - восстановление продуктивности сообществ 150—200 лет - восстановление биомассы, характеристик верхних горизонтов почвы, восстановление большинства компонентов сообществ 300—500 лет - полное восстановление сообществ (возрастная структура древесного яруса)

Время восстановления подчиненных компонентов Травяно-кустарничковый ярус Подстилка Мохово-лишайниковый ярус существенно различается в разных типах лесных сообществ

Средообразующая функция лесов Световой и температурный режимы Водный режим Физико - химические характеристики почвы

Лесная подстилка один из важнейших биогенных горизонтов [Al-Fe подзолистых грубогумусовых] почв таежных лесов

Формирование среды в биогеоценозах

Трансформация характеристик исходных местообитаний в процессе формирования (восстановления) лесных экосистем Изменение запасов лесной подстилки в ходе первичных сукцессий в зависимости от давности отступания ледника (по R.L.Crocker, J.Major, 1955).

Трансформация характеристик исходных местообитаний в процессе формирования (восстановления) лесных экосистем (2) Изменение рН верхних минеральных горизонтах почвы и лесной подстилки в зависимости от давности освобождения территории от ледника (Глейчер Бэй, Аляска) (по: Crocker, Major, 1955): 1) - минеральные горизонты; 2) - подстилка.

Трансформация характеристик исходных местообитаний в процессе формирования (восстановления) лесных экосистем (2) Изменение рН верхних минеральных горизонтах почвы и лесной подстилки в зависимости от давности освобождения территории от ледника (Глейчер Бэй, Аляска) (по: Crocker, Major, 1955): 1) - минеральные горизонты; 2) - подстилка.

Трансформация характеристик исходных местообитаний в процессе формирования лесных экосистем (3) Объемная плотность верхних минеральных горизонтов почвы [в пересчете на содержание частиц размером меньше 2 мм] в зависимости от давности отступления ледника (по R.L.Crocker, J.Major, 1955).

Сообщества за счет формирования лесной подстилки существенно [в 2—5 раз] увеличивают количество влаги, аккумулируемой в верхних горизонтах почвы. ( Молчанов, 1952; 1960) Сообщества за счет формирования лесной подстилки существенно [в 2—5 раз] увеличивают количество влаги, аккумулируемой в верхних горизонтах почвы. ( Молчанов, 1952; 1960) Следствие: уменьшение поверхностного стока. Лесные сообщества снижают коэффициент поверхностного стока в 3-11 раз по сравнению со сплошными гарями, дорогами, пашнями и существенно уменьшают вероятность наводнений. (Китредж, 1951; Молчанов, 1952; 1960; Miller, 1976; Горбатенко и др., 1977; Bormann, Likens, 1979 1995; Паулюкявичус, 1989; Jarvis et all, 1989)

Формирование верхних (органогенных) – главных для функционирования биогеоценоза – горизонтов почв В результате, в процессе первичных (или вторичных) сукцессий формируются верхние органические или органо-минеральные горизонты почв, в которых концентрации доступных питательных веществ ~ в 100 раз превышают их концентрации в нижележащих горизонтах.

Следствие этого процесса: Вертикальное распределение всасывающих корней (<2 мм) изменяется в процессе сукцессий: − на ранних стадиях (до 100 лет) корни распределены по всей доступной толще почвы (50 и более см) − в стационарных (климаксовых) лесах, основная масса всасывающих корней распределена в верхних 10 − 20 см

Это явление имеет уровень эмпирического закона и выполняется во всех лесных сообществах: как бореальных, так и тропических. Это явление имеет уровень эмпирического закона и выполняется во всех лесных сообществах: как бореальных, так и тропических. Реализуется это правило 2-мя способами: − сменой видов древесных растений с глубоко распределенной корневой системой (осина, береза, сосна) на виды с поверхностной корневой системой  ель − перераспределением основной массы всасывающих корней (сосна)

Формирование микроклимата

Средообразующая функция лесов – климат(1) Тропические дождевые леса Суточные изменения скорости ветра, температуры воздуха, относительной влажности воздуха на различной высоте в пологе древесного яруса. Равнинные дождевые леса. Пасо, Малайя. 21- 22 ноября 1973 г. (Aoki, Yabuki and Koyama, 1978.).

Бореальные леса

Средообразующая функция лесов – климат(2) Северные бореальные леса Суточное изменение температуры почвы на различной глубине в еловом (давность нарушения свыше 150 лет) и березовом (давность нарушения ~60 лет) лесу. Ясный день, 21 июня 1951 г. Северная Финляндия (по: Siren, 1955).

В тропических лесах в приземном слое воздуха суточные градиенты основных микроклиматических факторов (скорость ветра, относительная влажность воздуха, температура уменьшаются ~ в 10 раз по сравнению с градиентами над пологом леса. В тропических лесах в приземном слое воздуха суточные градиенты основных микроклиматических факторов (скорость ветра, относительная влажность воздуха, температура уменьшаются ~ в 10 раз по сравнению с градиентами над пологом леса. В бореальных лесах постоянные микроклиматические условия формируются на границе органического и минерального горизонтов (подстилка и мохово-лишайниковый ярус)

Идентичность программ функционирования лесов одного типа в разных географических регионах

Параметры восстановительной динамики Лишайникового покрова -компонента северных разреженных бореальных лесов с доминированием: Pinus sylvestris, Larix sibirica, Picea mariana, Pinus banksiana совпадают

Время и последовательность стадий восстановления лишайникового покрова в лишайниковых сосновых лесах Европейского севера и лишайниковых редколесьях из Picea mariana на территории Северной Америки одинаковы. Время и последовательность стадий восстановления лишайникового покрова в лишайниковых сосновых лесах Европейского севера и лишайниковых редколесьях из Picea mariana на территории Северной Америки одинаковы.

Толщина лесной подстилки основного органического горизонта северных алюминиево-железистых подзолистых грубогумусовых почв

Ареал сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и положение (квадраты) сравниваемых регионов

Скорость восстановления и время стабилизации лесной подстилки сосновых лесах одного типа на северном и южном пределе распространения совпадают. Скорость восстановления и время стабилизации лесной подстилки сосновых лесах одного типа на северном и южном пределе распространения совпадают. Стабилизация толщины лесной подстилки свидетельствует о наступлении баланса между работой автотрофного и гетеротрофного компонентов биогеоценоза и равенстве потоков синтеза и разложения.

Представленные примеры – эмпирическое доказательство фундаментальности понятия тип леса, тип лесного биогеоценоза Представленные примеры – эмпирическое доказательство фундаментальности понятия тип леса, тип лесного биогеоценоза

Совпадение параметров восстановления (времени стабилизации и значение величины в стационарном состоянии) в одинаковых типах леса в разных частях ареала сосновых лесов – эмпирическое доказательство фундаментальности понятия тип леса, Совпадение параметров восстановления (времени стабилизации и значение величины в стационарном состоянии) в одинаковых типах леса в разных частях ареала сосновых лесов – эмпирическое доказательство фундаментальности понятия тип леса, тип биогеоценоза. Независимо от того, где расположен данный тип биогеоценоза, он характеризуется одинаковой программой функционирования, равенство потоков синтеза и разложения (стабилизация толщины лесной подстилки) наблюдается в одно и то же время.

Важнейшие следствия – свойства биогеоценозов: Биогеоценоз не просто набор видов; по сути - это образование, в определенной мере, аналогичное живому организму. В генетическом коде организма записана программа, определяющая его развитие от одной клетки до взрослого состояния, и программа его функционирования во взрослом состоянии.

Важнейшие следствия – свойства биогеоценозов: Тип биогеоценоза – это совокупная (сложенная из геномов составляющих биоценоз видов) программа формирования (или восстановления после разрушений) и программа функционирования в стационарном режиме.

. Любая программа обладает свойством накапливать ошибки. Одним из важнейших свойств жизни является поддержание «безошибочных» генетических программ. Осуществляется это на популяционном уровне путем конкурентного взаимодействия особей и элиминации не конкурентоспособных особей, накопивших ошибки в генетической программе .

Потоки (круговороты) веществ в экосистемах (биогеоценозах) Потоки (круговороты) веществ в экосистемах (биогеоценозах)

Круговороты (потоки) веществ Схема

Круговороты (потоки) накапливаемых сообществом веществ N, P, K, Ca; Ненарушенные и мало нарушенные лесные сообщества

Круговороты (потоки) не накапливаемых сообществом веществ СО2, Ненарушенные и мало нарушенные лесные сообщества (по V.G. Gorshkov et all, 2000)

Круговороты (потоки) веществ не накапливаемых сообществом элементов Кислород, Ненарушенные и мало нарушенные лесные сообщества

Круговороты (потоки) веществ

Круговороты (потоки) веществ

Круговороты (потоки) веществ При разрушении автотрофного компонента Поток разложения перестает потребляться автотрофами и превращается в поток потерь

Нарушение средостабилизирующей функции лесов при их разрушении (1) Изменение массы органического вещества в лесной подстилке в зависимости от возраста северных мелколиственных древостоев после сплошных рубок. (по: Covington, 1976).

Нарушение средостабилизирующей функции лесов при их разрушении Нарушение средостабилизирующей функции лесов при их разрушении

Hubbard Brook Ecosystem Study Расположение:

Hubbard Brook Ecosystem Study территория, схема:

Hubbard Brook Ecosystem Study территория, аэрофотосъемка:

Hubbard Brook Ecosystem Study общий вид исходных лесных территорий:

Frederick Herbert Bormann, 1922 Principal Investigator Hubbard Brook experimental station Gene E. Likens (1935) Director of the Institute of Ecosystem Studies

Нарушение средостабилизирующей функции лесов при их разрушении (2) Вынос растворенных веществ (кальция, калия и азота) и взвешенных частиц потоками воды с экспериментального вырубленного водораздела (белые кружки) и эталонного облесенного водораздела (темные кружки) (Likens et al., 1978, с изменениями по Bormann, Likens, 1979)

Нарушение средостабилизирующей функции лесов при их разрушении (2) Вынос растворенных веществ (кальция, калия и азота) и взвешенных частиц потоками воды с экспериментального вырубленного водораздела (белые кружки) и эталонного облесенного водораздела (темные кружки) (Likens et al., 1978, с изменениями по Bormann, Likens, 1979)

Разрушенные сообщества теряют свою средостабилизирующую функцию и являются источником загрязнения. Разрушенные сообщества теряют свою средостабилизирующую функцию и являются источником загрязнения. В тех случаях, когда частота нарушений превышает восстановительную способность сообществ происходит деградация сообществ.

Разное состояние сообществ в пределах одного типа экотопа (верхнее течение р. Печоры, кордон Шижим, Печоро-Илычского заповедника) Разное состояние сообществ в пределах одного типа экотопа (верхнее течение р. Печоры, кордон Шижим, Печоро-Илычского заповедника)

Осинник разнотравно-черничный (давность пожара 70 лет)

Душистоколосковый луг, стадия деградации в результате сельскохозяйственного использования. Душистоколосковый луг, стадия деградации в результате сельскохозяйственного использования.

Разрушенные сообщества теряют свою средостабилизирующую функцию и являются источником загрязнения. Разрушенные сообщества теряют свою средостабилизирующую функцию и являются источником загрязнения. В тех случаях, когда частота нарушений превышает восстановительную способность сообществ происходит деградация сообществ.

Динамика состояния лесных сообществ (накопление надземной биомассы) при различных режимах антропогенного воздействия [природопользования] на примере бореальных лесных сообществ. Динамика состояния лесных сообществ (накопление надземной биомассы) при различных режимах антропогенного воздействия [природопользования] на примере бореальных лесных сообществ. Естественное состояние сообществ Север Европейской части России, Сибирь и Дальний Восток; основной тип нарушения -- пожары, значительная часть которых низовые. Европейская часть России; основной тип нарушения - рубки, в меньшей мере пожары. Интенсивное лесное хозяйство Агросистемы

Схема биогеоценоза В.Н. Сукачева

В соответствии с материалами, обсуждавшимися в лекциях, основные связи между компонентами биогеоценоза можно представить следующим образом : слайд 51. В соответствии с материалами, обсуждавшимися в лекциях, основные связи между компонентами биогеоценоза можно представить следующим образом : слайд 51.

связь эдафотопа и климатопа связь эдафотопа и климатопа

Рис.1. Cвязь климатопэдафотоп

Связь климатопэдафотоп

Одним из показателей принципиального изменения характера процессов в почве при изменении характеристик климатопа может служить гидротермический коэффициент Селянинова: Одним из показателей принципиального изменения характера процессов в почве при изменении характеристик климатопа может служить гидротермический коэффициент Селянинова: 1 и более – нормальное или избыточное увлажнение. Промывной режим почвы. <1 -- увлажнение чаще всего недостаточное для основных возделываемых культур. Засоление.

Гидротермический коэффициент Селянинова

Белый песок пляжей Хаймз бич, Австралия

Пляжи из черного песка Пинаулу блэк санд бич Бигайленд, Гавайи

Связь эдафотопклиматоп

связь эдафотопклиматоп

Альбедо различных поверхностей влажная почва 5—10%, чернозем 15%, сухая глинистая почва 30%, светлый песок 35—40%, полевые культуры 10—25% травяной покров 20—25%, лес — 5—20%, свежевыпавший снег 70— 90%; водная поверхность для прямой радиации от 70—80% при солнце у горизонта до 5% при высоком солнце, для рассеянной радиации около 10%; верхняя поверхность облаков 50—65%. http://meteorologist.ru/albedo-estestvennoy-poverhnosti.html

В соответствии с материалами, обсуждавшимися в лекциях, основные связи между компонентами биогеоценоза можно представить с учетом обсуждения и корректировки следующим образом: слайд 15. Рис. 3 В соответствии с материалами, обсуждавшимися в лекциях, основные связи между компонентами биогеоценоза можно представить с учетом обсуждения и корректировки следующим образом: слайд 15. Рис. 3

Главное взаимодействие происходит между экотопом и биоценозом: Главное взаимодействие происходит между экотопом и биоценозом: Для каждого наперед заданного типа экотопа существует один тип биоценоза, который в процессе своего развития (формирования) меняет параметры экотопа (как климатопа, так и эдафотопа)

Основные потоки вещества и энергии и основное взаимодействие идет между грибами и растениями (фитоценоз и микоценоз). ?Потоки, прокачивающиеся через почву, существенно меньше?. Основные потоки вещества и энергии и основное взаимодействие идет между грибами и растениями (фитоценоз и микоценоз). ?Потоки, прокачивающиеся через почву, существенно меньше?. Все животные (зооценоз) потребляют 10 % продукции автотрофов и, соответственно, значимость связей между зооценозом и другими компонентами биоценоза – существенно меньше.

Биогеоценоз и экосистема: Сходство и различие

Биогеоценоз и экосистема Сходство Оба понятия характеризуют главное (центральное) явление экологии. Основной объект изучения экологии – система (биогеоценоз, экосистема) образованная организмами разных трофических уровней и комплекс условий среды в которых она (система) существует.

Биогеоценоз и экосистема Различие В математическом смысле явление (понятие) биогеоценоз является подмножеством понятия экосистема. Биогеоценоз – особый тип наземных экосистем характеризующийся построением внешней (по отношению к организмам формирующим биоценоз) среды – почвы и микроклимата.

Различие Различие Термин экосистема не определен по площади. Его используют при описании как микроэкосистем (например лишайник, лужа аквариум), мезоэкосистем размером ~ 1 га (пруд, лес, луг) Макроэкосистем от 1 до 106 км2 (Экосистема Ладожского озера, экосистема северный морей) Термин биогеоценоз более строг и имеет масштаб мезоэкосистем ~ 1 га

Различие Различие Термин экосистема часто некорректно или даже неверно употребляется. Например, Р. Дажо (1975) называет микроэкосистемой древесный лист и совокупность насекомых, грибов и бактерий на нем. Ю. Одум (1975) использует термин гетеротрофная экосистема. В обоих случаях имеются в виду надорганизменные образования, экосистеме, в строгом смысле, не соответствующие. Поскольку за термином биогеоценоз стоят конкретные типы биогеценозов – сосновый лес, кустарничковая тундра, ковыльная степь – то термин биогеценоз неправильно используется значительно реже.

Приложения Приложения

Приложение 1. Динамика продуктивности семян и плотности возобновления в сосновых лесах Кольского полуострова после пожаров

Плотность опавших шишек Показатель продуктивности семян

Плотность опавших шишек позволяет оценить годичную продукцию семян Dseed = Dcones  Nseed / Т cone destruction Dseed  плотность поступления семян ед. м–2 год–1 Dcones  плотность шишек, ед. м–2 Nseed  число полнозернотных семян в шишке (20 для сосны в условиях Кольского полуострова) Т cone destruction  время разложения шишки, лет (20 для сосны в условиях Кольского полуострова)

Плотность подроста

Плотность подроста

Приложение 2. Неправильные сукцессионные схемы из интернета

Частые неточности понимания и использования понятия сукцессии Например, для горных участков Аляски выделяют следующие типичные стадии первичной сукцессии : http://ru.wikipedia.org/wiki/Сукцессия Лишайники разрушают породу и обогащают её азотом. Мхи и ряд трав. Кустарниковые сообщества с преобладанием ивы. Кустарниковые сообщества с преобладанием ольхи. Ельник, затем доминирование тсуги.

Заселение моренных отложений http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology/ Роль лишайников в природе. На Полярном Урале через 10 лет после отступления ледника пионеры – накипные (Lecaпоrа polytropa, Rhizocarpon tinei, R. concretum) и листоватые (Umbilicaria cylindrica, U. proboscidea и др.) лишайники. На моренах, возрастом 50—70 лет, на каменистых поверхностях доминируют уже листоватые лишайники (Umbilicaria hyperborea, U. proboscidea и др.). На переходных участках древних морен в окружающей тундре можно видеть конечную стадию сукцессии — дегенерацию лишайникового покрова и появление высших растений.

Приложение 3. Приложение 3. Эпилитный лишайник Rhizocarpon geographicum (L.) DC. – самый распространенный вид встречающийся на камнях во всех зонах от высокой Арктики и Антарктиды до тропических широт. Поселившись на автономных гранитных скалах, он растет в течение тысячелетий не сменяясь другими видами. На основе измерения скорости его роста в конкретных условиях по размерам слоевищ лишайника датируются различные природные и антропогенные объекты (моренные отложения, возраст храмов). Максимальные датировки составляют ~5000 лет.

Rhizocarpon geographicum (L.) DC.