Роль кліматопу у функціонуванні екосистем

6.1.1. Загальні особливості кліматопу

Вивчення функціональної біосфери та її структурних розділів — екосистем — є основою сучасної екології. На су­часному етапі розвитку екології все активніше формується погляд на екосистеми як на надорганізмену живу систему з необхідними для існування структурними функціональни­ми елементами, які забезпечують її життєздатність і прояви загальних функцій.

У розділах про організацію біосфери та екосистем вже вка­зувалось на дві їх складові: біотоп і біоценоз. Біотоп у свою чергу включає кліматоп і для наземних систем — едафотоп, для водних — гідротоп. Біоценоз поділяють на фітоценоз, зооценоз і мікробоценоз, які у проявленні своїх загальних функцій визначаються як продуцентна, консументна та ре- дуцентна частини біоценозу. Розглянемо їхню роль у функ­ціонуванні біосфери і екосистем.

Найважливіший чинник кліматопу — променева соняч­на енергія, яка зумовлює всі найважливіші біогеоценотичні процеси. Крім енергії Сонця, важливу роль у житті біогеоце­нозу відіграють такі компоненти, як агросфера та гідросфера, зумовлюючи формування та функціонування найрізноманіт­ніших екосистем, забезпечуючи їх газами та водою. У різних елементах і підсистемах екосистеми формуються особливі аерокліматопи, гідрокліматопи та термокліматопи.

Атмосфера як компонент кліматопу своєю нижньою час­тиною (тропосферою) входить до приземної сфери і харак­теризується найбільшою щільністю газових мас, найбільшою динамічністю свого фізичного стану та найбільш сформова­ними тісними взаємовідносинами з едафотопом, гідротопом і біоценозом. Вона — складне газове тіло, провідник енергії, осередок великих матеріальних ресурсів для організмів і чин­ник формування клімату на Землі.

Вплив атмосфери на інші компоненти екосистем здій­снюється через ряд факторів, з яких основне значення має світло, вода, газовий склад і рух повітря. Вона різноманітно трансформується іншими компонентами екосистем, завдяки чому співвідношення її з ними утворює найтісніші, органічні взаємодії. На думку В. І. Вернадського (1927), ця взаємодія, крім безпосереднього контакту, своїми результатами поши­рюється далеко за межі контактної зони аж до озонового шару. Найважливіше функціональне значення атмосфери — її участь у балансі сонячної радіації, створення матеріальної основи для продуційного та метаболічних процесів.

6.1.2. Сонячна радіація

Під впливом радіації знаходяться всі процеси, що здій­снюються на поверхні Землі. Від неї залежить освітленість, терміка, рух повітряних мас, зволоженість, хід хімічних реак­цій і фізичних перетворень, всі біологічні явища. Потужність потоку променевої енергії називають інтенсивністю радіації і визначають у калоріях на 1 см² за хвилину. Безпосередньо від Сонця на Землю надходить 358 кал/см².

При проходженні через атмосферу або через крону де- ревостану частина сонячної радіації і, відповідно, теплового балансу поглинається атмосферою, перетворюється на інші види енергії, розсіюється хмарами, відбивається кроною де- ревостану тощо (рис.

Атмосфера розсіює прямі промені Сонця молекулами газів, поглинає промені деяких областей спектра з відповід­ними змінами складу сонячної радіації. Озон, що знахо­диться у верхніх шарах атмосфери, майже цілком поглинає

Рис. 6.1. Роль атмо­сфери та лісового на­садження у форму­ванні балансу соняч­ної радіації: А — за­гальний баланс со­нячної енергії в еко­системах, Б — серед­ній тепловий баланс за день у червні— серпні в тридцяти­річному дубовому на­садженні (Молча­нов, 1964)

найкоротші та найнебезпечніші ультрафіолетові промені. Во­дяні пари атмосфери змінюють спектральний склад соняч­ної радіації, поглинаючи до 20 % усієї променистої енергії. Сонячна енергія — одне із джерел енергії, яка доступна зе­леній рослинності для синтезу органічних речовин. У прямих сонячних променях до 35 % припадає на долю активних для фотосинтезу променів. Максимальною фізіологічною актив­ністю відрізняються помаранчево-червоні промені довжиною хвилі 600—700 нм, які поглинаються хлорофілом. Удвічі мен­ша ефективність спостерігається при опроміненні рослин синьо-фіолетовими променями (400—500 нм). Але вони віді­грають важливу роль у затримці під час переходу до цвітіння, сприяють синтезу білків, визначають хімічний склад рослин. Найкоротші ультрафіолетові промені (300—400 нм), які до­сягають рослин, запобігають надмірному витягуванню рос­лин, але за межами 300 нм смертельні для всього живого. Ін­фрачервоні промені (750—1000 нм) поглинаються пігментами рослин, але мають досить незначний вплив для фізіологічних процесів у рослин. Інфрачервоні промені довжиною хвилі понад 1000 нм в основному поглинаються водою тканин листя. Вони впливають на швидкість фізіологічних процесів із різною корисною дією: позитивною — до +20°С, негатив­ною при вищих температурах (Клешнін, 1954).

Використання фізіологічної радіації рослинами характе­ризується малою ефективністю. Наприклад, у лісовому біогео­ценозі при оптимальній структурі деревостану на утворення органічної речовини використовується лише до 3 % енергії, а від повної радіації удвічі менше — близько 1,5 %.

6.1.3. Газовий склад атмосфери та роль її складових у біосфері

Газовий склад атмосфери на всій поверхні планети майже однаковий, попри масове використання її окремих елементів різноманітними живими організмами (наприклад, кисню) і у ході різноманітних абіотичних реакцій окиснення. Стабіль­ність складу атмосфери ґрунтується на тому, що поряд із по­глинанням її елементів відбувається еквівалентне відтворення їх у ході інших процесів. Унаслідок турбулентного обміну між різними шарами атмосфери повітря повністю змішуєть­ся і його склад вирівнюється. У складі атмосфери спостері­гається наступне співвідношення компонентів: 78,08 % азоту, 20,95 % кисню, 0,93 % аргону, 0,03 % вуглекислого газу та мізерна кількість (0,01 %) інших газів.

Газоподібний азот в екологічних процесах має порівняно мале значення. Більшістю організмів він не засвоюється, й у кругообіг залучається лише незначна кількість його деякими мікроорганізмами. Однак у ґрунт з атмосферними опадами надходить 3,0—4,5 кг/га зв’язаного нітрогену (в основно­му — амонію).

Найбільше функціональне значення для найважливі­ших екологічних процесів мають кисень і вуглекислий газ. У біологічному кругообігу саме вони беруть переважну участь і складають основу матеріального обміну між атмосферою та всіма компонентами біогеоценозу.

Кисень — основне джерело енергетичного балансу ор­ганізмів в екосистемах, забезпечує їх активний спосіб життя. Вуглекислий газ використовується угрупованнями зелених рослин, один із компонентів синтезу органічної речовини хлорофілом.

Крім участі вуглекислого газу в утворенні первинної продукції, він відіграє важливу роль у створенні своєрідно­го екрана, який пропускає теплові промені до Землі, але затримує ті, що йдуть від Землі. При збільшенні вмісту вуг­лекислоти у повітрі при зростанні промислового та сільсько­господарського виробництва може утворюватися так званий «парниковий ефект», що призводить до потепління та погір­шення природних умов.

6.1.4. Вологість атмосфери

Вологість атмосфери має важливе значення в регуляції метаболічних процесів між усіма компонентами екосистем. Найщільніші взаємозв’язки вологості атмосфери спостеріга­ються з фітоценозом і едафотопом. При сприятливій воло­гості повітря транспірація рослин і вологообмін відбувають­ся в оптимальному режимі. При недостатній зволоженості повітря відбувається порушення транспіраційних можливос­тей рослин, що спричиняє їх в’янення. Особливо негативні явища відбуваються у період суховіїв, які настають при від­носній вологості нижче 30 % і температурі повітря до +30 °С. Стійкості рослин у цих випадках може допомогти вологість ґрунту, яка має запаси продуктивної вологи в шарі ґрунту 0—20 см понад 20 мм.

Значний вплив на біогеоценотичний метаболізм здійснює високий вміст водяної пари в атмосфері. Він знижує як фі­зичне випаровування води, так і транспіраційні можливості рослин.

6.1.5. Рух атмосфери

Рух повітря у тропосфері відіграє значну роль у біосфері. Народжений нерівномірним прогріванням атмосфери на різних широтах, материках і океанах, рух повітряних мас пом’якшує контрасти осередків тепла та холоду, вологості та сухості, вирівнює газовий склад повітря, формує клімат Землі, визначає погодні умови. Вітер, з одного боку, розсіює водяні пари повітря, які виділяються фітоценозом, приносить сухі маси повітря, посилюючи випаровування та транспі­рацію, з іншого — несе повітря, насичене водяною парою, що послаблює транспірацію.

У зимовий період біогеоценотична роль руху повітря по­лягає у формуванні снігового покриву, що може гальмувати промерзання ґрунту, визначати виживання рослин і тварин під час зимівлі під снігом, а навесні — формування запасів ґрунтової вологи.

Швидкість повітря за спостереженнями А. А. Молчанова (1964) понижує приріст сухої речовини рослин через вод­ний дефіцит. При швидкості повітря до 0,5 км/год водний дефіцит не перевищує 4,5 %, при 15 км/год — до 12,5 %, 38 км/год — до 18,0 %. Відповідно до цього на одне соснове дерево приріст сухої речовини складає 23,19 та 9 г.

6.1.6. Атмосферні опади

Атмосферні опади утворюються з водяної пари над пев­ними територіями та за рахунок надходження вологи з інших територій. Оскільки горизонтальний рух повітря значно пе­ревищує вертикальні переміщення, атмосферні опади спо­стерігаються найчастіше з повітря, яке переноситься з інших місць. Так звані місцеві опади можуть спостерігатися лише у районах вологих тропіків. Кількість опадів, які випадають у тій чи іншій місцевості, має великі межі коливання — від 0 до понад 5000 мм. У районі лісової зони північної Євразії випадає до 150—550 мм за рік, на Чорноморському узбе­режжі — до 2000 мм.

Велике значення опадів для біогеоценотичних процесів має хід випадання їх протягом року та у вегетаційний період. Особливо важливі опади у вигляді дощу та снігу, які станов­лять найбільшу частину вологи земної поверхні і виконують головну функцію у взаємодіях з усіма компонентами екосис­тем, особливо із фітоценозом.

Опади, що надходять у ґрунт, розчиняють різноманіт­ні мінеральні речовини, переміщують їх у латеральному та радіальному напрямках, сприяють підвищенню ефек­тивності мінерального живлення, забезпечують потре­би рослин і мікроорганізмів у волозі, формують водний, термічний і аераційний режим ґрунту. Також атмосферні опади приносять у ґрунт деякі органічні та неорганічні ре­човини з атмосфери (у тому числі й небезпечні — так звані кислотні дощі, утворені техногенно), зокрема і з поверхні рослин, одночасно очищуючи їх, поліпшують фотосинте­тичний процес.

Значна кількість опадів сприяє не лише зволоженню ґрун­ту, а й утворенню поверхневих стоків. Залежно від поверхні рельєфу, типу ґрунту, щільності покриття ґрунту рослинним покривом поверхневі стоки приносять або виносять органіч­ні та неорганічні речовини із ґрунтового покриву, утворю­ючи механізм матеріального обміну між екосистемами. На рівнинних місцевостях, на супіщаних і піщаних ґрунтах ці втрати не перевищують поверхневі стоки і складають до 1 % за рік. Значно вищі вони на ґрунтах, де відсутня рослинність, на суглинкових і важкосуглинкових ґрунтах.