Экологические пирамиды. Правило экологической пирамиды

Содержание:

1. Экологические пирамиды. Правило экологической пирамиды.

              Типы экологических пирамид.

2. Нормирование загрязнений окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нормирование  загрязнений окружающей среды

 

В настоящее время нормирование антропогенной нагрузки на окружающую среду основано на требовании обеспечения  в компонентах окружающей среды  соответствующих нормативов предельно  допустимых концентраций, под которыми понимают концентрации химических веществ, в т.ч. радиоактивных, иных веществ  и микроорганизмов, которые установлены  в соответствии с показателями их предельно допустимого содержания в окружающей среде, несоблюдение которых  может привести к загрязнению  окружающей среды, деградации естественных экологических систем.

Для вредных химических веществ, загрязняющих атмосферный воздух населенных мест, установлены два норматива: максимальная разовая и среднесуточная предельно допустимые концентрации (ПДК). Кроме того, определены значения безопасных уровней воздействия (ОБУВ) некоторых новых или ранее  не изученных вредных веществ, для  которых ещё не утверждены ПДК.

Предельно допустимая максимальная разовая концентрация в воздухе  населенных мест (мг/м3) — это такая  концентрация, при которой вдыхание воздуха в течение 20—30 мин не вызывает рефлекторных реакций в  организме человека.

Предельно допустимая среднесуточная концентрация в воздухе населенных мест (мг/м3) — это такая концентрация, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно  долгом (годы) вдыхании.

Данные о предельно  допустимых концентрациях в воздухе  вредных веществ, выбрасываемых  НПЗ, приводятся в табл. 1.

Ориентировочный безопасный уровень воздействия - это, как правило, расчётная концентрация вредного вещества (мг/м3), нормативное действие которой  ограничено во времени периодом, необходимым  для установления ПДК, которая также не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределённо долгом вдыхании.

Токсические свойства вредных  веществ при их воздействии на организм человека характеризуются соответствующим классом опасности. По степени токсического воздействия вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности: 1 класс - чрезвычайно опасные; 2 класс - высоко опасные; 3класс - умеренно опасные; 4 класс - мало опасные.

Для веществ, загрязняющих водоёмы, существуют два значения ПДК —  для воды водоёма культурно-бытового водопользования и для воды водоема, используемого для рыбохозяйственных нужд. ПДК вредных веществ для воды водоема, используемого для рыбохозяйственных нужд, как правило, значительно жёстче ПДК для воды водоёма культурно-бытового водопользования.

Концентрация вредного вещества в воде водоема (мг/л), равная его  ПДК для воды водоёма культурно-бытового водопользования, не оказывает прямого  или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни  и на здоровье последующих поколений, а также не ухудшает гигиенические  условия водопользования.

Для обеспечения нормативов ПДК в компонентах окружающей среды должны быть соблюдены нормативы  допустимых выбросов и сбросов химических веществ. В свою очередь, для их соблюдения должны выполняться технологические  нормативы допустимых выбросов и  сбросов в расчёте на единицу  выпускаемой продукции.

Каждому субъекту хозяйственной  и иной деятельности местными природоохранными органами устанавливаются лимиты на выбросы и сбросы загрязняющих веществ  и микроорганизмов, под которыми понимают ограничения выбросов и  сбросов в окружающую среду, установленные  на период проведения мероприятий по охране окружающей среды, в т.ч. внедрения  наилучших существующих технологий. Под наилучшей существующей технологией  понимают технологию, основанную на последних достижениях науки и техники, направленную на снижение негативного воздействия на окружающую среду и имеющую установленный срок практического применения с учётом экономических и социальных факторов.

Таблица 1

Предельно допустимые концентрации в воздухе основных вредных веществ, выбрасываемых  НПЗ

Экологические пирамиды

 

Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме.

Схематически изображать эти соотношения предложил американский зоолог Чарльз Элтон в 1927 году.

При схематическом изображении  каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или площадь  которого соответствует численным  значениям звена пищевой цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные по форме пирамиды.

Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень  продуцентов, последующие этажи  пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.

Правило экологической пирамиды

Показатель каждого уровня экологической пирамиды приблизительно в 10 раз меньше предыдущего

Экологические пирамиды различают  в зависимости от показателей, на основании которых строится пирамида. При этом для всех пирамид установлено  основное правило, согласно которому в  любой экосистеме больше растений, чем животных, травоядных, чем плотоядных, насекомых, чем птиц.

На основе правила экологической  пирамиды можно определить или рассчитать количественные соотношения разных видов растений и животных в естественных и искусственно создаваемых экологических  системах. Например, 1 кг массы морского зверя (тюленя, дельфина) нужно 10 кг съеденной  рыбы, а этим 10 кг нужно уже 100 кг их корма - водных беспозвоночных, которым в свою очередь для образования такой массы необходимо съедать 1000 кг водорослей и бактерий. В данном случае экологическая пирамида будет устойчива.

Однако, как известно, из каждого правила бывают исключения, которые будут рассмотрены в  каждом типе экологических пирамид.

Типы  экологических пирамид 

1.пирамиды чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис.3).

Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Однако подобная форма  пирамиды чисел характерна не для  всех экосистем. Иногда они могут  быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых), поэтому пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров.

 

2.пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м2, кг/га, т/км2 или на объем - г/м3 (рис.4)

Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д.

В данном случае (если организмы  не слишком различаются по размерам) пирамида также будет иметь вид  треугольника с широким основанием суживающимся кверху. Однако и из этого  правила имеются существенные исключения. Например, в морях биомасса растительноядного  зоопланктона существенно (иногда в 2-3 раза) больше биомассы фитопланктона, представленного преимущественно  одноклеточными водорослями. Это объясняется  тем, что водоросли очень быстро выедаются зоопланктоном, но от полного  выедания их предохраняет очень высокая скорость деления их клеток.

В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут  сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды с широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс  может быть обращенной, или перевернутой (острием направлена вниз). Так, в  озерах и морях масса растений превышает массу потребителей только в период цветения (весной), а в  остальное время года может создаться  обратное положение.

Пирамиды чисел и биомасс  отражают статику системы, т. е. характеризуют  количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о  трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем.

Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий  для нормального их воспроизведения.

3.пирамиды энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях (рис.5).

В противоположность пирамидам  чисел и биомассы, отражающим статику  системы (количество организмов в данный момент), пирамида энергии отражая картину скоростей прохождения массы пищи (количества энергии) через каждый трофический уровень пищевой цепи, дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ.

На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности  метаболизма особей, и если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид  с широким основанием и суживающейся верхушкой. При построении пирамиды энергии в ее основание часто  добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии.

Пирамиды энергии позволяют  сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы и иллюстрировать количественные отношения в отдельных, представляющих особый интерес частях экосистем, например, в звеньях жертва-хищник или хозяин-паразит.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса  может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают  свою массу уже только на 100 г. У  древесных растений эта доля много  ниже из-за того, что древесина плохо  усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у  них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Рассмотрим превращение  энергии в экосистеме на примере  простой пастбищной трофической  цепи, в которой имеется всего  три трофических уровня.

1. уровень - травянистые растения,
2. уровень - травоядные млекопитающие, например, зайцы
3. уровень - хищные млекопитающие, например, лисы

Питательные вещества создаются  в процессе фотосинтеза растениями, которые из неорганических веществ (вода, углекислый газ, минеральные  соли и т.д.) с использованием энергии  солнечного света образуют органические вещества и кислород, а также АТФ. Часть электромагнитной энергии  солнечного излучения при этом переходит  в энергию химических связей синтезируемых  органических веществ.

Все органическое вещество, создаваемое в процессе фотосинтеза  называется валовой первичной продукцией (ВПП). Часть энергии валовой первичной продукции расходуется на дыхание, в результате чего образуется чистая первичная продукция (ЧПП), которая и является тем самым веществом, которое поступает на второй трофический уровень и используется зайцами.

Пусть ВПП составляет 200 условных единиц энергии, а затраты растений на дыхание (R) - 50%, т.е. 100 условных единиц энергии. Тогда чистая первичная  продукция будет равна: ЧПП = ВПП - R (100 = 200 - 100), т.е. на второй трофический  уровень к зайцам поступит 100 условных единиц энергии.

Однако, в силу разных причин зайцы способны потребить лишь некоторую долю ЧПП (в противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи), существенная же ее часть, в виде отмерших органических остатков (подземные части растений, твердая древесина стеблей, ветвей и т.д.) не способна поедаться зайцами. Она поступает в детритные пищевые цепи и (или) подвергается разложению редуцентами (F). Другая часть идет на построение новых клеток (численность популяции, прирост зайцев - Р) и обеспечение энергетического обмена или дыхания (R).

В этом случае, согласно балансовому  подходу, балансовое равенство расхода  энергии (С) будет выглядеть следующим  образом:   С = Р + R + F, т.е. поступившая на второй трофический уровень энергия будет израсходована, согласно закону Линдемана, на прирост популяции - Р - 10%, остальные 90% будут израсходованы на дыхание и удаление неусвоенной пищи.

Таким образом, в экосистемах  с повышением трофического уровня происходит быстрое уменьшение энергии, накапливаемой  в телах живых организмов. Отсюда ясно почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего и почему цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей: к конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.