Podstawy ochrony środowiska

Podstawą funkcjonowania ekosystemu jest przebieg energii i obieg materii

Obieg materii – krążenie pierwiastków chemicznych przemieszczających się ze środowiska abiotycznego do organizmów i z organizmów do środowiska. Mniej lub bardziej zamknięte obiegi pierwiastków w przyrodzie określa się jako cykle geochemiczne. Do najważniejszych należą obiegi węgla, azotu, tlenu, fosforu, siarki.

Rezerwuary- zbiory składników chemicznych, zajmujących określone przestrzenie, np. atmosfera ziemska, oceany, zewnętrzne warstwy skorupy ziemskiej. Zmiany tempa dopływu lub odpływu z rezerwuaru pierwiastków lub związków chemicznych powodują, iż poszczególne rezerwuary rozszerzają się lub kurczą. Mówiąc o cyklach globalnych, tego typu zmiany określamy mianem przepływu.

Dwutlenek węgla to jeden z surowców potrzebnych do procesu fotosyntezy. Jego wzrost w atmosferze jest formą dostarczenia dodatkowych środków odżywczych dla roślin. Jeśli rośnie dwutlenek węgla, może zwiększyć się biomasa roślin, powodująca w następstwie zmniejszenie tempa przyrostu dwutlenku węgla w atmosferze. Wpływ dwutlenku węgla na wzrost rośliny jest negatywnym sprzężeniem zwrotnym w stosunku do jego obiegu w atmosferze.

Fotosynteza – oddychanie. Ten cykl prowadzi do przemiany enerdii słonecznej w energię, która może być wykorzystana w procesach metabolicznych.

Promienie słoneczne dostarczają energię

Fotosynteza

Co2 + h20 ch2o + o2

Oddychanie

Energia uwalniana w procesach metabolicznych

Węgiel i tlen przemieszczają się między roślinami i zwierzętami w ramach przeciwstawnych sobie procesów fotosyntezy i oddychania. W procesie fotosyntezy rośliny pobierają dwutlenek węgla i wodę, wytwarzając związki, które możemy ogólnie określić węglowodanami.

Proces oddychania to proces przeciwny, w którym dzięki połączeniu węglowodanów i tlenu następuje uwalnianie zmagazynowanej energii. Organizmu zużywają tę energię do napędzania procesów metabolicznych.

Fotosynteza – przyrost tkanek. Rośliny potrzebują węglowowanów do budowy tkanek. Każda część tkanki roślinnej kończy swą egzyztencję w jeden z trzech sposobów. Może zostać zjedzona przez zwierzęta, ulec rozkładowi lub pogrzebana w osadzie. Cząsteczki O2 produkt uboczny procesu fotosyntezy, które nie są zużyte przez rośliny do spalania zmagazynowanych węglowodanów zostają uwolnione do atmosfery.

Oddychanie jest procesem wymiany gazowej z otoczeniem. W trakcie wydechu wydalamy CO2, a w trakcie wdechu zużywamy O2. Zwierzęta wykorzystują oddychanie do uwalniania energii z węglowodanów roślin, którymi się odżywiają.

Roślina – O2 – zwierzęta – Co2 (schemat kołowy)

Cykl fotosynteza – oddychanie roślin i zwierząt. W tym cyklu tlen i dwutlenek węgla na swojej drodze pomiędzy roślinami i zwierzętami przepływają przez atmosferę. Podwojenie biomasy, zarówno roślin jak i zwierząt, podwaja tempo przepływu zarówno do, jak i z poszczególnych rezerwuarów, nie powodując zmiany objętości poszczególnych rezerwuarów.

Reducenci – bakterie i grzyby

Proces oddychania służy do rozkładu tkanek. Odżywiają się martwą materią organiczną. Część tkanek roślinnych jest zjadana przez zwierzęta, natomiast część, po śmierci rościn, zjadana jest przez reducentów. Reducenci pobierają z atmosfery O2, uwalniając CO2.

Część martwych szczątków roślinnych może uciec z cyklu fotosynteza-oddychanie w wyniku pogrzebania, np. w bagnach lub osadach brzegowych stref kontynentów. Pogrzebana substancja organiczna łącznie z substancją zwartą w węglach stanowi rezerwuar związków węgla. Węgiel, który został pogrzebany w trakcie procesu sedymentacji, może dostać się pod wpływ działania atmosfery w wyniku erozji. Bagna rozszerzają się i dochodzi do bujnego rozwoju roślinności bagiennej. Zwiększone tempo pogrzebania obumarłych szczątków roślinnych w bagnach redukuje ilość węgla powracającego do atmosfery w postaci Co2, w procesie rozkładu materii organicznej. W rezultacie rezerwuar Co2 atmosferycznego kurczy się.

Gdy tempo pogrzebania substancji organicznej jest zrównoważone tempem wietrzenia to zawartość tlenu w atmosferze nie ulega zmianie. Gdy tempo grzebania substancji jest duże, wtedy jest mniej szczątków organicznych narażonych na działanie tlenu, mniej ich ulega rozkładowi, ponieważ nie zwiększa się tempo erozji. Dochodzi do zwiększenia rezerwuaru atmosferycznego tlenu.

Pogrzebana substancja organiczna, łącznie z tą zawartą w węglach, stanowi rezerwuar zredukowanych związków węgla. Zredukowany węgiel, pogrzebany w procesie sedymentacji, dostaje się ponownie pod wpływ działania atmosfery w wyniku procesów erozji, gdzie w wyniku aktywności reducentów lub procesów nieorganicznych bardzo szybko ulega utlenieniu. Cykl pogrzebania i erozji utrzymuje się w równowadze, podobnie jak cykl fotosynteza-oddychanie u roślin i zwierząt. W rezultacie poziom stężenia Co2 i O2 w atmosferze utrzymuje się na względnie stałym poziomie.

W okresach raptownego pogrzebania ogromnych ilości materii organicznej nie ma żadnego mechanizmu powodującego jednoczesne wzmożenie procesów ekspozycji i erozji wcześniej pogrzebanej materii. Tak, więc zakładając bardzo niewielkie zmiany w tempie erozji pogrzebanej materii organicznej i jej ekspozycji na utlenianie, długookresowy wyraźny wzrost tempa pogrzebania materii organicznej powoduje znaczący przyrost ilości materii pogrzebanej. Rezultatem jest redukcja Co2 i odpowiadający jej wzrost stężenia O2.

Węgiel jest włączany do obiegu w postaci Co2, który jest asymilowany przez autotrofy (rośliny zielone, bakterie samożywne). Dzięki istniejącym łańcuchom pokarmowym, węgiel wędruje od producentów do konsumentów I rzędu (roślinożercy), a następnie do konsumentów rzędu II (mięsożercy). Węgiel wraca do obiegu jako Co2, powstający w procesie oddychania organizmów heterotroficznych (cudzożywnych) i autotroficznych (samożywnych). Rozkład materii organicznej, przebiegający z udziałem reducentów oraz oddychanie producentów, a głównie konsumentów, pozwalają utrzymać na stałym poziomie zawartość Co2 w atmosferze. Jednakże obecnie bilans ten ulega pewnemu zachwianiu m.in. na skutek przemysłowego przetwarzania przez człowieka związków zawierających węgiel. Do atmosfery dostaje się coraz więcej Co2.

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE

Amonifikacja

Denitryfikacja – redukcja azotanów do amoniaku (denitryfikacja częściowa) lub do azotu (denitryfikacja całkowita) wywoływana przez bakterie; denitryfikacja całkowita zuboża glebę, denitryfikacja częściowa wzbogaca.

Nitryfikacja - zachodzący w glebie proces utleniania amoniaku i soli amonowych do azotynu, a następnie do azotanu, dokonywany przez samożywne bakterie tlenowe, ogniwo obiegu azotu w przyrodzie.

PRODUKCJA (PRODUKTYWNOŚĆ) EKOSYTEMU

Produktywność – produkcja ekosystemu to ilość substancji organicznej wytwarzanej w jednostce czasu, lub intensywność magazynowania energii w związkach organicznych.

Produkcja ekosystemu :

-wtórna tempo przyswajania materii organicznej i magazynowanie energii przez konsumentów

-pierwotna – tempo wytwarzania materii organicznej przez reducentów

* brutto – produkcja materii organicznej i nieorganicznej

*netto – produkcja brutto minus straty związane z oddychaniem – jedną z metod pomiaru jest tzw. Metoda żniwna (zbiór roślin wraz z korzeniami, lub tylko części nadziemnych rośliny i następnie obliczenie wielkość produkcji netto)

Ekosystem Produkcja pierwotna netto (g/m2/rok) - średnio

Puszcza tropikalna 2200

Las liściasty 1300

Sawanna 900

Tajga 800

Step 600

Tundra 140

Półpustynie/pustynie 90/3

Plantacje trzciny cukrowej 4000

Uprawy rolne ogółem 650

Rafy koralowe 2500

Szelfy 360

Wody otwartego oceanu 125

Sukcesja ekologiczna – uporządkowany, stopniowy proces kierunkowych zmian biocenozy, powodujących przeobrażenie się prostych ekosystemów w bardziej złożone. W warunkach naturalnych zmiany te wiążą się głównie z przekształceniem środowiska, prowadzącym do rozwinięcia się nowej biocenozy, środowiska, w którym panuje stan równowagi, zwany klimaksem.

Sukcesja pierwotna – dotyczy terenów dotąd nie zmienionych przez działalność organizmów żywych, a więc terenów niekorzystnych dla życia, np. pustynie, skały, wydmy, hałdy, itp. Sukcesja pierwotna jest procesem bardzo powolnym. Przykładem mogą być tworzące się na skałach porosty.

Sukcesja wtórna – zachodzi na obszarach wcześniej zajętych przez inną biocenozę, a więc tam, gdzie znajdują się już warunki sprzyjające rozwojowi innych organizmów, np. sukcesja łąki, stawu, jeziora. Przykładem może być wracający las na łąki i pola leżące odłogiem.

Proces sukcesji wynika z faktu, że organizmy żyjące na danym środowisku zmieniają to środowisko.

Kolejne stadia sukcesji pierwotnej:

1. Pionierskie – wkraczanie roślin pionierskich np. porostów, mchów na niezasiedlony teren

2. Migracyjne – liczne gatunki roślin i zwierząt wypełniają stopniowo zajmowaną przestrzeń

3. Zasiedlające – pomyślne rozmieszczenie i rozprzestrzenienie organizmów zapełniających wszystkie wolne przestrzenie

4. Konkurencyjne – dotyczy zdobywania nisz ekologicznych przez organizmy ekspansywne, komplikują się łańcuchy i sieci troficzne

5. Stabilizacja – zbiorowisko osiąga względną równowagę – stadium klimaksu

Sukcesja autogeniczna – są to zmiany sukcesyjne, zapoczątkowane przez czynniki wewnętrzne, które zachodzą pomiędzy biocenozą, a czynnikami abiotycznymi. Zależy ona wyłącznie od organizmów biorących w niej udział.

Gatunki pionierskie cechuje:

1. Krótkowieczność

2. Duża zdolność do rozprzestrzeniania się

3. Szybki wzrot

Sukcesja allogeniczna – przemiany są zapoczątkowane przez czynniki zewnętrzne, środowiskowe (np. zmiany poziomu wód lub klimatu)

KLASYCZNY MODEL SUKCESJI (CLEMENTSA)

Wymiana gatunków w późniejszych stadiach sukcesji jest ułatwiana przez gatunki żyjące we wcześniejszych latach. Ten cykl powtarzany jest aż do osiągnięcia stadium klimaksu, równowagi.

MODEL ZASTĘPOWANIA

Lokalne odnowienie składu gatunkowego, spowodowane jest zmianami środowiska. Cechą jest tu konkurencja o ograniczone zasoby (np. niedobór światła). W stadium klimaksu dominowałby ten gatunek, który np. najlepiej znosiłby zacienienie.

MODEL HAMOWANIA

Wymiana gatunków jest hamowana przez wcześniejszych kolonizatorów, a szeregi sukcesyjne zależą, od tego, jaki gatunek osiedlił się pierwszy. Sukcesja jest procesem niejednorodnym, niekoniecznie uporządkowanym, każdy gatunek eliminuje i hamuje rozwój nowych kolonistów. Postępuje od gatunków krótko-żyjących po długożyjące.

MODEL TOLERANCJI

Na wymianę gatunków w toku sukcesji nie mają wpływu wcześniejsi kolonizatorzy, obecność gatunków wczesnych stadiów sukcesji nie ma zasadniczego znaczenia, sukcesję może rozpocząć każdy gatunek.

MODEL KOLONIZACJI LOSOWEJ

Model tej kolonizacji przewiduje, że wymiana gatunków w trakcie sukcesji ekologicznej jest procesem losowym, zachodzącym bez udziału oddziaływań międzygatunkowych.

W procesie sukcesji następuje ciągła wymiana gatunków roślin i zwierząt. Początkowe stadia sukcesji charakteryzują się pewnym ubóstwem gatunkowym. Większe zróżnicowanie, różnorodność gatunkowa powoduje, że w ekosystemie następuje stabilizacja. Stadium klimaksu powoli dochodzi do równowagi między środowiskiem biotycznym a abiotycznym.

Etapy sukcesji jeziora:

1. Jezioro przed sukcesją

2. Odkładająca się na dnie jeziora materia tworzy grube pokłady mułu

3. Jezioro staje się płytsze

4. Jezioro stopniowo zarasta

5. Dalsze zmiany sukcesywne prowadzą do powstania lasu wg schematu bagno-torfowisko-zarośla krzewiaste-las

ZNACZENIE SUKCESJI W PRZYRODZIE I GOSPODARCE CZŁOWIEKA

1. Przekształca obszary abiotyczne w środowisko życia zasiedlane przez organizmy pionierskie

2. Tworzy gleby na obszarach dotychczas jej pozbawionych

3. Udostępnia nowe obszary dla organizmów i zapewnienie odpowiedniego środowiska bytowania – niszy ekologicznej

4. Zmiany biocenozy np. z wodnej na lądową

5. Przekształca krajobraz

6. Zmiany ilościowej biomas, produktywności

7. Zagospodarowanie nieużytków rolnych

8. Rekultywacja terenów poprzemysłowych

9. Zmiany składu gatunkowego biocenozy, rozwoju jednych gatunków kosztem zanikania innych, np. świerki wypierają sosny

Przykładem sukcesji ekologicznej jest JEZIORO NEZYDERSKIE. Istnieje, gdyż napływa do niego woda z otaczających gór. Otoczone jest pasem trzcin, który stale się powiększa. Opady wokół jeziora są bardzo niskie. W historii jeziora były takie momenty, że przestawało istnieć (ostatnio zimną z 1867 na 1868 ). Ze względu na małą głębokość zimą jezioro zamarza po samo dno.

WYMIERANIE GATUNKÓW

Tempo wymierania – liczba gatunków ginących w jednostce czasu. W minionym wieku wzrosło tysiąckrotnie w porównaniu z okresem przed nastaniem ludzkości. Tempo to ciągle wzrasta. Jesteśmy świadkami kolejnego wielkiego wymierania.

Czy ratować ginące gatunki?

Wielkie wymierania dawniej:

1. Koniec ordowiku – 85 %

2. Późny dewon

3. Koniec permu

4. Koniec triasu

5. Koniec kredy

Ocena tempa wymierania nie jest łatwa

1. Trudno odróżnić wymieranie w wyniku naturalnych procesów ewolucji i w wyniku działalności człowieka

2. Brak skali porównawczej

3. Brak pewnej informacji na temat wszystkich żyjących gatunków

4. Trudno określić szybkość zanikania gatunków

5. Problem z jednoznacznym ustaleniem, istnienia danego gatunku.

REGION GATUNKI WYMARŁE(na 100) GATUNKI ZAGROŻONE(%)

ŚRODZIEMNOMORSKI 1,3 14,7

PROWINCJA PRZYLĄDKOWA RPA 3 15,2

KALIFORNIA 4 10,2

ZACHODNIA AUSTRALIA 6,6 17,5