Ситуационные задачи по экологии

Ситуационные задачи по экологии

 

Задача №1. В водной среде амплитуда значений температуры невелика – не превышает 50 оС, тогда как в наземно-воздушной среде – до 100 оС. Среде присуща высокая плотность, содержание кислорода 1% от объема. Свет в чистых водах проникает до глубины 50-60 м, в сильно загрязненных – на несколько сантиметров.

Вопросы:

1. Назовите лимитирующие факторы водной среды.
2. Какие обитатели типичны для водной среды – гомойотермные или пойкилотермные, и почему?
3. Какова экологическая валентность водных обитателей к температурному фактору?
4. Назовите основные пути адаптации водных организмов к высокой плотности воды и недостатку света.
5. Приведите примеры непериодических факторов, которые могут действовать на водных обитателей.

 

Задача №2.

 Для наземно-воздушной среды характерны низкая плотность воздуха, большие колебания температуры (годовые, амплитуда до 100 оС), высокая подвижность атмосферы, хорошая обеспеченность кислородом.

Вопросы:

1. Назовите лимитирующие факторы наземно-воздушной среды.
2. Какие обитатели типичны для наземно-воздушной среды – гомойотермные или пойкилотермные, и почему?
3. Какова экологическая  толерантность обитателей наземно-воздушной среды к температурному фактору?
4. Назовите основные пути адаптации организмов наземно-воздушной среды к температурному фактору и содержанию воды.
5. Приведите примеры непериодических факторов, которые могут действовать на обитателей наземно-воздушной среды.
6. Какие адаптации организмов вызывает свет?
7. Как может измениться предел толерантности к одному фактору, если значения другого фактора являются экстремальными (стрессовыми)?

 

Задача №3. Для почвенной среды характерны небольшие колебания температуры, плотное сложение, наличие в порах свободной воды и воздуха, малое содержание кислорода, большее, чем в атмосферном воздухе.

Вопросы:

1. Какие эдафические факторы вы знаете?
2. Назовите факторы почвенной среды, наиболее часто являющиеся лимитирующими.
3. Каковы пути адаптации растений к влажности, температуре, химическому составу почвы?
4. Какие обитатели типичны для почвенной среды – гомойотермные или пойкилотермные, и почему?
5. Приведите примеры непериодических факторов, которые могут действовать на растения и почвенную биоту.
6. Что такое растения-индикаторы, какую роль они играют в оценке состояния почвы?

 

Задача №4. В северной лесной зоне Евразии через год после вырубок лесов на этой территории появились травы, через 10 лет – кустарники, вслед за которыми через 3-5 лет – поросли берез и осин. Последние отличаются быстрым ростом, высоким светолюбием, в результате чего через 50 лет на этой территории появились лиственные леса с прорастающими под их пологом елями. На протяжении последующих 50 лет преобладали смешенные леса, которые затем сменились еловыми.

Вопросы:

1. Как называется смена фитоценозов на протяжении 150-200 лет, описанная в ситуационной задаче?
2. Какой вид сукцессии имеет место? Чем первичная сукцессия отличается от вторичной?
3. Как называется смена одних экосистем другими?
4. Какие общие закономерности характерны для сукцессий?
5. Какие специфические закономерности характерны для сукцессии, приведенной в задаче?
6. Что такое виды-эдификаторы и виды-доминанты?
7. Как называют экосистемы, которые завершают сукцессию?
8. Какова продуктивность различных стадий данной сукцессии?
9. Какими должны быть подходы к вырубке лесов на различных стадиях сукцессии?

 

Задача №5. Дать оценку изменениям биосферных процессов, возникающих в ответ на антропогенное загрязнение биосферы тепличными газами и  способствующих развитию парникового эффекта.

Все виды солнечного излучения (от ультрафиолетового до инфракрасного) достигают земли и нагревают ее. Последняя переизлучает ранее накопившуюся тепловую энергию в вид ИК–излучения в Космос. Переизлученное ИК-излучение интенсивно поглощается некоторыми газами (СО2, СН4, NO2, фреонами). Указанные газы, называемые парниковыми, действуют в атмосфере как стекло в парнике: они беспрепятственно пропускают к Земле солнечную радиацию, но задерживают тепловое излучение Земли. В результате повышается температура ее поверхности, изменяются погода и климат.

Под парниковым эффектом понимают возможное повышение глобальной температуры планеты в результате изменения теплового баланса, обусловленного постепенным накоплением парниковых газов в атмосфере.

Основным парниковым газом является диоксид углерода: его вклад в парниковый эффект, по разным данным, составляет от 50 до 65 %. К другим парниковым газам относится метан (около 20%), оксиды азота (примерно 5%), озон, фреоны (хлорфторуглероды) и другие газы (около 10-25 % парникового эффекта). Всего известно около 30 парниковых газов, их утепляющий эффект зависит не только от количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю СО2 принять за единицу, то для метана он будет равен 25, для оксидов азота – 165, а для фреона – 11000.

Основными антропогенными источниками поступления СО2 в атмосферу является сжигание углеродсодержащего топлива (уголь, нефть, мазут, метан и др.). Ныне только от теплоэнергетики в атмосферу поступает около 1 т. углерода на человека в год; по прогнозам в первой половине XXI столетия выброс достигнет 10 млрд. т. Согласно Ю.В.Новикову (1998 г.), доли некоторых государств в глобальном выбросе СО2 таковы: США – 22%, Россия и Китай – по 11%, Германия и Япония – по 5%, остальные страны около 46%.

Вследствие парникового эффекта среднегодовая температура на Земле за последнее столетие повысилась на 0,3 - 0,6  оС. В настоящее время увеличение концентрации СО2 происходит примерно со скоростью 0,3 - 0,5 % в год. Увеличивается содержание и других парниковых газов: метана - на 1 %, оксидов азота - на 0,2 % в год. По разным источникам, удвоение содержания парниковых газов, которое может произойти во второй половине текущего века, вызовет повышение среднегодовой температуры планеты на 1 - 3,5 оС.

Глобальное потепление климата и обусловленное им повышение уровня Мирового океана многими учеными рассматривается как величайшая катастрофа не только для отдельных экосистем, но и биосферы в целом:

    1. В случае повышения  уровня океана на 1,5 - 2 м под  затопление попадает около 5 млн. км2 земель, причем наиболее плодородных и густонаселенных. На них проживает около 1 млрд. человек и собирается почти треть урожая многих сельскохозяйственных культур. Вынужденные переселения народов в глубь материков чреваты военными конфликтами и социальными потрясениями.

    2. Помимо подъема уровня  океана, потепление климата будет сопровождаться увеличением степени неустойчивости погоды, смещением границ природных зон, ростом числа штормов и ураганов, ускорением темпов вымирания животных и растений. Следствием этого, очевидно, явится резкое обострение продовольственной проблемы.

    3. Уменьшение различий  температуры на полюсах и экваторе (в основном за счет более  сильного потепления полюсов) вызовет, в свою очередь, подтаивание вечномерзлых почв (таковых в России около 2 млн. км2) и высвобождение из них огромных количеств метана, что усилит парниковый эффект.

4. Изменение климата может оказать  негативное влияние на здоровье  людей как вследствие усиления  теплового стресса в южных  районах, так из-за распространения многих видов заболеваний.

Вышеизложенное дало основание Международной конференции по проблемам изменения климата (Торонто, 1979 г.) заявить, что «...конечные последствия парникового эффекта могут сравниваться только с глобальной ядерной войной».

 

Вопросы:

1. О нарушении каких функций  живого вещества свидетельствует  появление парникового эффекта?

2. Следствием нарушения человеком  каких круговоротов веществ является  возникновение парникового эффекта  и почему?

3. Как изменяется продуктивность  биосферы и видовое разнообразие при воздействии парникового эффекта?

4. Свидетельствует ли появление  парникового эффекта о нарушении  гомеостатических механизмов биосферы?

 

Задача 6. Дать оценку изменениям биосферных процессов, возникающих в ответ на антропогенное загрязнение биосферы оксидами азота и углерода и способствующих  возникновению кислотных дождей.

В последние 15 - 20 лет возникла сложная и трудная экологическая проблема кислотных дождей (рН менее 5,0). При сжигании различных видов топлив, а также с выбросами различных предприятий  в атмосферу поступает значительное количество оксидов серы и азота. При взаимодействии их с атмосферной влагой образуется азотная и серная кислоты. К ним примешиваются органические кислоты и некоторые соединения, что в сумме дает раствор с кислой реакцией.

Согласно расчетам, доля диоксида серы в образовании кислых осадков составляет около 70%. Появлению кислых осадков способствует также СО2; из-за его постоянного присутствия в атмосфере нормальным является рН осадков 5,6.

В дальнейшем кислоты выпадают на поверхность суши или водоема в виде кислотных дождей или иных атмосферных осадков. Отмечены случаи выпадения осадков с рН 2,2 - 2,3, что соответствует кислотности уксуса.

Общее количество выбросов SO2 и NO2 в мире ежегодно составляет более 250 млн. т. В пересчете на душу населения количество выбросов (кг/год): в Дании – 4, бывшем СССР – 18, Англии – 32, Польше – 55, Австрии – 8, Германии – 160, Италии – 20, Швеции – 6 (Войткевич Г.В., Вронский В.А., 1996 г.).

Кислые осадки особенно типичны для Скандинавских стран, а также Англии, ФРГ, Бельгии, Дании, Польши, Канады, северных районов США. В городах до 70 - 90% загрязнений в атмосферу, в том числе и способствующих образованию кислых осадков, поставляет автотранспорт.

Отрицательное влияние кислых осадков разнообразно: почвы, водные экосистемы, растения, памятники архитектуры, строения и другие объекты в той или иной степени страдают от них.

Поступая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотфиксаторов и других организмов почвенной среды. При рН, равном 5 и ниже, в почвах резко возрастает растворимость минералов, из них высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, и ртути). В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжелые металлы, нитраты и др.) проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. Как результат происходит ухудшение качества питьевой воды.

Действие кислых осадков на водные экосистемы весьма многообразны. Попадая в водные источники, они повышают кислотность и жесткость воды. При рН ниже 6 сильно подавляется деятельность ферментов, гормонов и других биологически активных веществ, от которых зависти рост и развитие организмов. Особенно отрицательное действие проявляется в основном на яйцеклетках и молоди.

Сейчас на Земле насчитываются многие тысячи озер, практически лишившихся своих обитателей. Почти 20% рек и озер Швеции, Норвегии и Канады потеряли более половины обитающих в них организмов. Так, в Швеции в 14 тысячах озер уничтожены наиболее чувствительные виды, а 2200 озер фактически безжизненны. Около 1000 озер в США заметно подкислено, а более 3 тысяч имеют кислотность, неблагоприятную для многих обитателей.

Действие кислых осадков и атмосферных загрязнителей на леса способствует выщелачиванию из растений биогенов (особенно кальция, магния и калия), сахаров, белков, аминокислот. Кислые осадки повреждают защитные ткани, увеличивают вероятность проникновения через них патогенных бактерий и грибов, способствуют появлению вспышек численности насекомых. Такие воздействия имеют конечным результатом снижение фитоценозами продуктивности, а нередко и их массовую гибель. Накоплено много данных об отрицательном влиянии кислых осадков на растения через почву, прежде всего, в результате увеличения подвижности алюминия и тяжелых металлов. Свободный алюминий повреждает молодые корни, создает очаги для проникновения в них инфекции, а также вызывает преждевременное старение деревьев.

Особенно сильно повреждаются хвойные леса, что в первую очередь связано с большой продолжительностью жизни их хвои (4-6 лет), обусловливающей накопление в ней относительно больших концентраций токсикантов.

Сейчас особо много внимания уделяется поражению лесов в результате совместного действия традиционных загрязнителей (SO2, NO2) и озона. Приземный озон является в основном продуктом фотохимического смога. В его присутствии интенсивно разрушается хлорофилл, причем как в результате прямого влияния, так и через ускорение расходования витамина С, который защищает хлорофилл от окисления.

 

Вопросы:

1. О нарушении каких функций  живого вещества свидетельствует появление  кислотных дождей?

2. Следствием нарушения человеком  каких круговоротов веществ является  кислотные дожди и почему?

3. Как изменяется продуктивность  биосферы и видовое разнообразие  при действии кислотных дождей?

4. Свидетельствует ли появление  кислотных  дождей о нарушении гомеостатических механизмов биосферы?

 

Задача 7. Дать оценку изменениям биосферных процессов, возникающих в ответ на антропогенное загрязнение биосферы фреонами (хладонами) и озонаторами и способствующих   истощению озонового слоя.

В последние годы наблюдается устойчивая тенденция снижения содержания озона в стратосфере. По разным оценкам, в средних и высоких широтах северного полушария такое уменьшение составило 2 – 10%.