Наземно-водная среда

Студента 51 группы

Исторического факультета

Козлова Алексея

Витебск, 2008

Особенностью наземно-воздушной среды жизни является то, что организмы, обитающие здесь, окружены воздухом — газообразной средой, характеризующейся низкими влажностью, плотностью и давлением, а также высоким содержанием кислорода. Абсолютное большинство животных в этой среде передвигается по твердому субстрату — почве, а растения укореняются в ней.

Действующие в наземно-воздушной среде экологические факторы отличаются рядом специфических особенностей: свет здесь сравнительно с другими средами интенсивнее, температура претерпевает более сильные колебания, влажность значительно изменяется в зависимости от географического положения, сезона и времени суток. Воздействие почти всех этих факторов тесно связано с движением воздушных масс — ветра.

У обитателей наземно-воздушной среды в процессе эволюции выработались специфические анатомо-морфологические, физиологические, поведенческие и другие адаптации. У них появились органы, обеспечивающие непосредственное усвоение атмосферного кислорода в процессе дыхания (устьица растений, легкие и трахеи животных); сильное развитие получили скелетные образования, поддерживающие тело в условиях незначительной плотности среды (механические и опорные ткани растений, скелет животных); выработались сложные приспособления для защиты от неблагоприятных факторов (периодичность и ритмика жизненных циклов, сложное строение покровов, механизмы терморегуляции и др.); установилась тесная связь с почвой (корни растений, конечности животных); выработалась большая подвижность животных в поисках пищи; появились летающие животные и переносимые воздушными течениями плоды, семена, пыльца растений.

Рассмотрим основные экологические факторы в наземно-воздушной среде жизни и особенности их воздействия на наземные растения и животных.

Воздух. Воздух как экологический фактор характеризуется постоянством состава — кислорода в нем обычно около 21%, углекислого газа 0,03%. Без воздуха не могут существовать ни зеленые растения, ни аэробные микроорганизмы, ни животные. Кислород необходим для дыхания абсолютного большинства организмов, а углекислый газ используется при фотосинтезе. Незначительная плотность воздушной среды не оказывает существенного сопротивления организмам при их передвижении по поверхности земли и в то же время затрудняет перемещение по вертикали. В процессе эволюции лишь немногие организмы поднялись в воздух и приспособились к полету (насекомые, птицы, из млекопитающих — рукокрылые).

Воздух, как и другие факторы среды, оказывает на организмы прямое и косвенное действие. При прямом воздействии он имеет небольшое экологическое значение, косвенное влияние воздуха осуществляется через ветры которые, кроме того, что меняют характер таких важных факторов, как температура, и влажность, оказывают механическое действие на организмы. Нередко сильные ветры, дующие в одном направлении, изгибают ветви и стволы деревьев в подветренную сторону, что служит причиной появления флагообразных форм кроны.

Ветер вызывает изменение интенсивности транспирации у растений. Это особенно сильно проявляется при суховеях, иссушающих воздух и часто вызывающих гибель растений.

Определенную роль играет ветер в опылении растений-анемофилов (ветроопыляемые растения), которые выработали для этого ряд приспособлений: цветочные покровы у них обычно редуцированы и пыльники ничем не защищены от ветра.

Восходящие и особенно нисходящие потоки в атмосфере нередко создают условия для застаивания и накопления у поверхности почвы холодного воздуха. Это вызывает задержку в развитии и растений и животных.

В регионах, где постоянно дует сильный ветер, обычно беден видовой состав мелких летающих животных, поскольку они не могут противостоять ему при полете. У животных, обитающих в таких местах, развиваются плотные покровы, предохраняющие тело от охлаждения и потерь влаги. Птицы, живущие на открытых пространствах и в затишных местах, несколько различаются по строению. Это касается и насекомых. Так, на океанических островах с постоянными сильными ветрами многие птицы и особенно насекомые утрачивают крылья и способность к полету.

Воздушные потоки выполняют определенную роль и в расселении растений и животных. Плоды растений анемохоров имеют множество приспособлений, увеличивающих их парусность, и разносятся ветром на громадные расстояния. Это различные хохолки, крылатки, парашюты, мешковидные полые вздутия. На большие расстояния переносятся ветром споры микроорганизмов, цисты простейших. Даже более крупные животные используют потоки воздуха для расселения. Пауки разносятся ветром на паутине, активно летающие насекомые — постоянными токами воздуха на больших высотах. Известны случаи заноса птиц сильными ветрами на значительное расстояние от их обычных мест обитания. Помимо случайного переноса животных ветром, многие виды активно используют воздушные течения для расселения. Ветры определяют направление миграций таких насекомых, как луговой мотылек (Loxostege stictialis), пустынная саранча (Schistocerca gregaria), малярийные комары (Anopheles).

Количество осадков, их распределение в течение года, форма, в которой они выпадают, в той или иной степени влияют на водный режим среды. Осадки в виде дождя, града или снега изменяют влажность воздуха и почвы, обеспечивают доступной влагой растения, дают питьевую воду животным. Сильные дожди могут временно затопить ту или иную территорию, вызвать паводки. Ливни и особенно град нередко приводят к механическому повреждению вегетативных органов растений.

Большое значение для водного режима имеют сроки выпадения дождей, их частота и продолжительность. Обилие дождей в период похолоданий практически не дает растениям необходимой влаги. Летом же при сравнительно высокой температуре даже незначительные осадки обеспечивают их нужным количеством воды.

Важен также характер дождей. При ливневых дождях почва не успевает впитывать воду. Эта вода сильными потоками быстро стекает и нередко сносит в реки и озера часть плодородного слоя почвы, а вместе с ней и слабо укоренившиеся растения, мелких животных. Моросящие дожди, наоборот, хорошо увлажняют почву и создают наиболее благоприятные условия для растений и животных. Но если они затягиваются, наступает переувлажнение. Это отрицательно сказывается на животных (на их размножении), приводит к сокращению их численности.

В поймах рек дожди могут вызвать паводки и оказать тем самым крайне неблагоприятное воздействие на обитающих здесь животных и на растения. В периодически затопляемых местах формируется своеобразная пойменная флора и фауна.

Осадки в виде снега оказывают благоприятное влияние на организмы в зимний период времени. Снежный покров создает определенный температурный режим почвы, позволяет многим видам растений и животных укрыться от сильных морозов.

Значение снежного покрова было детально изучено А. Н. Формозовым (1946). Он показал, что снег выступает как хороший изолятор, защищающий почву и растительность от промерзания (слой снега в 20 см защищает растения при температуре воздуха —25 °С), а для мелких животных служит укрытием, где они проводят значительную часть жизни, находя там благоприятные пищевые и температурные условия. При морозах свыше — 14 "С под слоем снега в 20 см температура почвы не опускается ниже 0,2 °С, и в многоснежные зимы при наличии витаминизированного корма там могут размножаться грызуны. Под снегом при сильных морозах прячутся тетерева (Lyrurus tetrix), куропатки (Perdix perdix), рябчики (Tetrastes bonasia). Однако при многоснежных зимах наблюдается массовая гибель косуль (Capreolus capreolus), диких кабанов (Sus scrofa). Многим животным при мощном снежном покрове трудно передвигаться и добывать корм. И если лоси (Alces alces), например, свободно преодолевают слой снега глубиной до 50 см, то более мелким животным это недоступно.

Вместе с тем животные приспосабливаются к зимним условиям. К зиме у некоторых из них увеличивается опорная поверхность ног в результате обрастания их жесткими волосами, перьями, роговыми щитками; другие либо мигрируют, либо впадают в неактивное состояние (сон, спячка, диапауза); ряд животных переходит на питание определенными кормами. Однако, когда снега выпадает мало, гибнут кроты, мышевидные грызуны и другие мелкие животные.

В малоснежные зимы при сильных ветрах, когда снег сдувается с открытых пространств, от низких температур страдают не только животные, но и растения. Но выпадение большого количества снега оказывает и отрицательное влияние на растения. Кроме механических повреждений (снеголомы, снеговалы), мощный слой снега может привести к выпреванию растений. Во время таяния снега, особенно в затяжную весну, растения вымокают.

При оттепелях или при резком похолодании после дождя на земле и на растениях нередко образуется ледяная корка — гололедица, пагубно действующая на растения и животных. В степях и пустынях во время гололедицы в массе погибают копытные и многие птицы из-за трудностей, возникающих при передвижении и добывании пищи. Под ледяной коркой часто гибнут от удушения и вымерзания посевы культурных растений и дикорастущие травы.

При оттепелях на поверхности снега образуется наст — уплотняется снеговой покров. Это уменьшает его защитное свойство, затрудняет жизнь многих животных, передвигающихся под снегом и добывающих там корм. Ледяная корка на снегу может, как и гололедица, вызвать удушение растений, поскольку газообмен с наружным воздухом затрудняется, а расход кислорода растениями, микроорганизмами и животными, живущими под снегом, не прекращается.

В умеренных широтах, где зимой выпадают осадки в виде снега, животные и растения исторически приспособились к жизни в снегу или на его поверхности, выработав различные анатомо-морфологические, физиологические, поведенческие и другие особенности.

Различные осадки, помимо непосредственного воздействия на организмы, обусловливают ту или иную влажность воздуха, которая, как отмечалось, играет важную роль в жизни животных и растений, поскольку влияет на интенсивность их водного обмена. Чем меньше воздух насыщен парами воды, тем интенсивнее идут испарения с поверхности тела животных и транспирация у растений. Многие растения имеют специальные устьица, которые выделяют воду, когда воздух насыщен или близок к насыщению парами и обычная транспирация затруднена. Так животные и растения приспосабливаются к сезонному распределению осадков, к их количеству и характеру. Это определяет состав растительного и животного населения, сроки протекания тех или иных фаз в цикле их развития.

На влажность оказывает влияние и конденсация водяных паров, которая часто происходит в приземном слое воздуха при смене температуры. Проявляется это в выпадении росы при снижении температуры в вечерние часы. Роса нередко осаждается в таком количестве, что обильно смачивает растения, стекает в почву, увеличивает влажность воздуха и создает благоприятные условия для живых организмов, особенно когда других осадков выпадает мало. Осаждению росы способствуют растения: охлаждаясь ночью, они конденсируют на себе водяные пары. На режим влажности значительно влияют также туманы, густая облачность и другие природные явления.

Влажность почв. Одним из основных источников влаги для растений является почвенная вода. Однако не вся вода, содержащаяся в почве, может быть использована растениями. По физическому состоянию, подвижности, доступности и значению для растений почвенная вода подразделяется на свободную, капиллярную, химически и физически связанную.

Основной разновидностью свободной воды является гравитационная вода. Она заполняет широкие промежутки между частицами почвы и под действием силы тяжести постоянно уходит в более глубокие слои. Растения легко усваивают ее, пока она находится в зоне корневой системы. Запасы гравитационной воды пополняются осадками. Поэтому для растений весьма важен полив почвы, смачивание ее водой.

При сильных или продолжительных осадках образуется поверхностная свободная вода, поскольку ее приток значительно превышает скорость впитывания в почву. Такая вода стекает по уклону местности. Хотя свободная вода легко усваивается растениями, она вызывает временное или постоянное избыточное увлажнение, а это обусловливает заболачивание почвы и анаэробные процессы, снижающие продуктивность растений.

Капиллярная вода заполняет тончайшие промежутки между частицами почвы — капилляры. Она называется также подвешенной, поскольку не перемещается вниз под действием силы тяжести, а удерживается в капиллярах силой сцепления. Под влиянием испарения с поверхности почвы капиллярная вода образует восходящий ток в отличие от гравитационной, которой свойствен нисходящий ток. Вообще же капиллярная влага направляется в места с меньшей влажностью и поэтому может распространяться и горизонтально (подобно рассасыванию капли воды на фильтровальной бумаге). Капиллярная влага хорошо усваивается растениями.

И капиллярная и гравитационная воды почвы представляют собой так называемую доступную для растений воду.

Но в почве еще есть химически и физически связанная вода. Многие минералы почв (гипс, мирабилит, хлорид магния и др.) содержат до 50—60% (по массе) воды. Вода входит в состав кристаллической решетки вторичных глинных минералов (кристаллизационная вода). Химически связанная, кристаллизационная вода неподвижна и совершенно недоступна растениям. Физически связанная вода по степени подвижности образует две формы: пленочную, или рыхлосвязанную, и гигроскопическую, или прочносвязанную.

Пленочная вода представлена сотнями рядов диполей, последовательно облекающих друг друга. Сила, с—которой она удерживается на поверхности почвенных частиц, не превышает 1—10 атм. Пленочная вода способна передвигаться в почве в места с меньшей влажностью и ограниченно доступна растениям. Осмотическое давление клеточного сока корней позволяет им всасывать эту воду.

Гигроскопическая вода окутывает частицы почвы тонкой пленкой и удерживается у почвенных частиц давлением 10 000—20 000 атм. Гигроскопическая вода высвобождается только при 105—110 °С и физиологически совершенно недоступна растениям. Она образует так называемый мертвый запас воды в почве.

Количество недоступной растениям воды зависит от механического состава и физических свойств почвы, количества и качества органического вещества в ней, сосущей силы корней, относительной влажности воздуха. В песчаных почвах такая вода составляет 1—2%, а в глинистых и торфяных достигает 50% от общего количества воды. Когда в почве остается только недоступная вода, растение вянет и погибает.

Содержание влаги в почве, при котором растение не удовлетворяет свою потребность в воде, называется коэффициентом завядания.

Для одного и того же вида растений на разных почвах коэффициент завядания неодинаков и составляет, например, для крупного песка 0,9%, а для тяжелой глины — 16,3%.

Таким образом, общее количество воды в почве не может характеризовать степень обеспеченности растений влагой. Чтобы определить ее, из общего содержания воды необходимо вычесть коэффициент завядания.

Вместе с тем физически доступная вода почвы физиологически не всегда доступна растению. Низкая температура почвы, недостаток кислорода в почвенной воде и почвенном воздухе, кислотность почвы, высокая концентрация растворенных в почвенной воде минеральных солей — все это затрудняет усвоение почвенной влаги растением. Иногда летом после прохладной дождливой ночи многие растения проявляют явные признаки завядания, хотя почва сильно увлажнена и температура воздуха довольно высока. Причиной этого является низкая температура почвы, отрицательно действующая на всасывающую способность корней, и теплый воздух, обусловливающий довольно интенсивную транспирацию в надземных частях растения. В результате такого несоответствия между всасыванием воды корнями и отдачей ее листьями и происходит завядание растительности.

От количества физиологически доступной воды зависит развитие и надземных частей, и корневой системы растений. Как правило, у растений, произрастающих на сухих почвах, корневая система бывает более разветвленной, более мощной, чем на влажных.

Одним из источников почвенной влаги являются грунтовые воды. При низком их уровне капиллярная вода не достигает почвы и не влияет на ее водный режим. Увлажнение же почвы только атмосферными осадками вызывает сильные колебания ее влажности, что часто отрицательно влияет на растения. Вредно сказывается и слишком высокий уровень грунтовых вод, так как это приводит к переувлажнению почвы, к обеднению ее кислородом и обогащению минеральными солями. Оптимальный уровень грунтовых вод обеспечивает постоянное увлажнение почвы независимо от капризов погоды.

Итак, почвенная вода находится в постоянном движении: нисходящий ток гравитационной воды в сухие периоды сменяется восходящим током капиллярной воды. Эти движения воды, ее расход зависят от температуры, особенностей рельефа, свойств почвы, растительного покрова, перемещения воздуха и многих других факторов.

Экоклимат и микроклимат. Для того чтобы выяснить влияние климатических факторов на организм, часто метеорологических данных бывает недостаточно. Хорошо известно, что поверхности предметов, обращенные к солнцу, всегда теплее, чем воздух над ними; холодный воздух по ночам скапливается в понижениях местности. В связи с этим различные местообитания организмов отличаются температурным и световым режимом, режимом влажности. Иными словами, каждое местообитание характеризуется определенным экологическим климатом — экоклиматом, т. е. климатом приземного слоя воздуха.

Большое влияние на климатические факторы оказывает растительность. Под пологом леса, например, влажность воздуха всегда выше, а колебания температуры меньше, чем на полянах. Различен и световой режим этих мест. В разных растительных ассоциациях формируется свой режим влажности, температуры, света. Тогда говорят о фитоклимате.

Но не всегда данных экоклимата или фитоклимата достаточно для полной характеристики климатических условий того или иного местообитания. Условия жизни, окружающие личинок насекомых, живущих под корой дерева, иные, чем в лесу, где это дерево произрастает. При этом температура южной стороны ствола может быть на 10—15 "С выше температуры его северной стороны. Такие небольшие участки местообитания имеют свой микроклимат.

Четких различий между экоклиматом и микроклиматом не существует. Считается, что экоклимат — это климат относительно больших территорий, а микроклимат — климат отдельных небольших участков.

Каждая климатическая зона отличается огромным количеством разнообразных микроклиматов. Микроклиматы тесно связаны с солнечной радиацией, силой и направлением ветра, особенностями рельефа, характером растительности и другими климатическими показателями местности.

Особые микроклиматические условия создают не только растения, но и животные. Устойчивым микроклиматом обладают заселенные животными норы, дупла деревьев, пещеры. Наличие в одной местности многих микроклиматов обеспечивает сосуществование видов, обладающих неодинаковыми требованиями к внешней среде.

Географическая зональность. Для наземно-воздушной среды, так же как и для водной, характерна четко выраженная зональность. При этом любые сочетания растительного покрова и животного населения соответствуют морфологическим подразделениям географической оболочки Земли — климатическим зонам. Различают широтные и меридиональные, или долготные, природные зоны. Первые тянутся с запада на восток, вторые — с севера на юг. В долготном направлении широтные зоны подразделяются на подзоны, а в широтном — на провинции.

Животные и растения тесно связаны с условиями, характерными для каждой зоны, в которой они обитают, и адаптируются прежде всего к комплексу климатических факторов, которые в свою очередь зависят от почвенных условий, рельефа, от географических и ряда других особенностей той или иной местности. Вот почему в основу распределения биогеоценозов с их специфическим набором растений, животных и микроорганизмов могут быть положены климатические зоны земного шара. Г. Вальтер выделяет 6 главных климатических зон.

1. Экваториальная зона располагается приблизительно между 10° с. ш. и 10° ю. ш. и имеет два дождливых сезона (соответственно положению Солнца в зените), прерывающихся лишь на короткое время. Годовое количество осадков и влажность при этом весьма велики, месячные колебания температуры незначительны.

2. Тропическая зона занимает положение севернее и южнее первой, примерно до 30° широты. Для нее характерны летний дождливый период и период засухи в наиболее прохладное время года. Количество осадков здесь уменьшается по мере удаления от экватора; влажность воздуха низкая, морозы очень редки.

3. Зона сухих субтропиков — это области во внутренних частях субтропических океанических антициклонов со слабыми ветрами и частыми штилями (до 35° широты). Сумма осадков и влажность в этой зоне незначительны, годовые и суточные колебания температуры весьма существенны (бывают заморозки).

4. Переходная зона характеризуется сезонами зимних дождей. Морозы отмечаются чаще, чем в предыдущей зоне; лето жаркое. Зона охватывает Средиземноморье, Калифорнию, юг и юго-запад Австралии, юго-запад Южной Америки.

5. Умеренная зона отличается циклоническими дождями. Годовое количество осадков в ней уменьшается по мере удаления от океана; годовое колебание температуры становится более резким — лето жаркое, зима холодная. Зона подразделяется на следующие подзоны:

подзона теплого умеренного климата, где зимний период почти не выделяется и все времена года более или менее влажные (Южная Африка);

подзона типичного умеренного климата с холодной, но непродолжительной зимой, прохладным летом (Центральная Европа);

подзона аридного умеренного климата континентального типа с резкими температурными контрастами, небольшой суммой осадков и незначительной влажностью воздуха (Центральная Азия);

подзона бореального, или холодного, умеренного климата. Охватывает Северную Америку и северную часть Евразии. Лето здесь прохладное и влажное, зима длится более половины года.

6. Арктическая (антарктическая) зона характеризуется выпадением незначительного количества осадков преимущественно в виде снега. Лето (полярный день) короткое и прохладное. Зона переходит в полярную область, в которой произрастание растений невозможно.

Каждая климатическая зона характеризуется своеобразной растительностью и животным населением. Наиболее богаты жизнью и продуктивны тропические леса, поймы крупных рек, прерии и леса субтропиков и переходной зоны. Менее продуктивны пустыни, луга и степи.

Основные характеристики климата Беларуси обусловливаются расположением ее территории в умеренных широтах, преобладанием равнинного рельефа, относительной удаленностью от Атлантического океана. Климат является умеренно континентальным с дополнительным увлажнением. В то же время климату Беларуси свойственны некоторые отрицательные факторы: неустойчивый характер погоды весной и осенью, мягкая с продолжительными оттепелями зима, часто дождливое лето, недостаток влажности в начале лета, поздние весенние и ранние осенние заморозки. Несмотря на это в Беларуси произрастает около 10 000 видов растений и распространено более 430 видов позвоночных и значительно более 20 000 видов беспозвоночных животных. Климат благоприятен для успешного выращивания и получения высоких урожаев многих сельскохозяйственных культур, плодовых деревьев и кустарников, для жизни и деятельности человека.

Зональное распределение биогеоценозов обусловлено рядом факторов. Если, к примеру, то или иное растение или животное не встречается в какой-либо природной зоне, причиной этого могут быть высокие горные хребты или водные пространства, условия влажности, недостаток пищи и др.

Одним из важных условий изменчивости организмов и их зонального размещения по планете служит изменчивость химического состава среды. В этом отношении большое значение имеет учение А. П. Виноградова о биогеохимических провинциях, которые определяются зональностью химического состава почв, а также климатической, фитогеографической и геохимической зональностью биосферы.

Биогеохимические провинции — это области на поверхности Земли, различающиеся по содержанию (в почвах, водах и т. д.) химических соединений, с которыми связаны определенные биологические реакции со стороны местной флоры и фауны.

Территория Беларуси относится к биогеохимической зоне, где биологические реакции организмов характеризуются дефицитом кальция, фосфора, калия, кобальта, меди, йода, молибдена, бора, цинка, излишками стронция (особенно в поймах рек). Наблюдаются эпизодические заболевания животных эндемичным гипо-и авитаминозом В2 (из-за недостачи кобальта), эндемичной анемией (недостаток меди), эндемичным зобом (недостаток йода); хлорозы и некрозы растений (недостаток серы, марганца, меди, фосфора, кальция, молибдена, цинка); заболевания костно-суставной системы у молодняка домашних животных (недостаток кальция и фосфора).

Наряду с горизонтальной зональностью в наземной среде четко проявляется вертикальная поясность. В целом для планеты характерно изменение животного населения и растительности в направлении от основания гор к вершинам, подобно широтной зональности. При подъеме в горы повторяется та же смена зон, что и от экватора к полюсам. У подножия обычно располагаются пустыни, затем степи, широколиственные леса, хвойные леса, тундра и, наконец, льды. Однако полной аналогии все же нет. Горы имеют специфичные растительность и животное население.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: