Речные экосистемы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск


Речная экосистема — экосистема, работающая в природной среде и включающая в себя биотические взаимодействия среди растений, животных и микроорганизмов, а также абиотические физические и химические взаимодействия.[1]

Речные экосистемы являются яркими примерами проточных(lotic) экосистем. Lotic относится к проточной воде, от латинского lotus, что означает «промывание». Под проточной водой можно понимать водные объекты в диапазоне от ручья в несколько сантиметров в ширину до главных рек в несколько километров в ширину. Большая часть этой статьи относится к проточным экосистемам в целом в том числе ручьям и источникам. Проточные экосистемы отличаются от стоячих, которые включают в себя стоячую, наземную воду, например озёр и прудов. Вместе эти две области образуют более крупную область изучения пресноводных или водных экосистем в целом.

Следующие характеристики делают экологию пресноводных экосистем уникальной отличающейся от других водных мест обитания.[2]

  • Течение однонаправленное
  • Экосистема находится в состоянии постоянного физического изменения
  • Существует высокая степень пространственной и временной неоднородности во всех масштабах (микроместообитаний).
  • Различия между проточными экосистемами достаточно высоки.
  • Организмы специально приспособлены к жизни в проточных условиях.

Абиотические факторы[править | править вики-текст]

Течение[править | править вики-текст]

Водное течение — ключевой фактор в проточных экосистемах, влияющий на их состояние. Сила течения может быть разной, от бурных потоков до медленно перетекающей воды, почти стоячей. Скорость водного течения может различаться внутри системы и вызывать хаотичную турбулентность. Эта турбулентность происходит из за меняющегося вектора средней скорости течения и формирования вихревых потоков. Вектор средней скорости течения базируется на частоте столкновений воды с дном или стенками берега, волнении, препятствий и градиентом наклона. Кроме того количество воды, добавившейся посредством осадков, таяния снегов, и/или грунтовых вод может влиять на уровень течения. Проточные воды могут вызывать изменять форму русла посредством эрозии и осадков, создавая разнообразие местообитаний, включающих в себя стремнины, перекаты и заводи.[3]

Свет[править | править вики-текст]

Свет важен для проточных экосистем, так как он обеспечивает энергией продуцентов посредством фотосинтеза и предоставляет убежище в виде тени для кормовых видов. Количество света, принимаемого экосистемой, зависит от внутреннего и внешнего течений. Территория вокруг небольшого ручья, например, может быть в тени окружающих его лесов или склонов долины. Большие речные системы, как правило, слишком широки и внешние преграды не могут задержать солнечные лучи, поэтому они достигают поверхности воды. Эти реки, как правило, более бурные, однако, частицы, взвешенные в воде, ослабляют свет с увеличением глубины. Сезонные и суточные факторы могут также играть роль в доступности света, так как из-за угла падения света может произойти его отражение и, как следствие, его недостаток. По закону Бера известно, что чем меньше угол падения, тем больше света отражается, а количество солнечной радиации уменьшается логарифмически в зависимости от глубины. Дополнительное влияние на освещенность оказывают облачность, высота и географическое положение.

Температура[править | править вики-текст]

Большинство видов, обитающих в проточных экосистемах-хладнокровные, чья температура меняется с окружающей средой, таким образом, температура - главный абиотический фактор для них. Вода может нагреваться или охлаждаться от излучения на поверхности и от воздуха. Мелкие потоки, как правило, хорошо перемешивают и поддерживают относительно равномерную температуру в пределах области. В более глубоких, медленнее движущихся водных системах, однако, сильное различие между нижними и поверхностными температурами может развиваться. Водные системы наполняющиеся весной имеют небольшие изменения, так как родники, идущие из грунтовых вод, как правило, имеют температуру близкую к окружающей среде. Многие водные системы показывают сильные суточные сезонные колебания, наиболее сильные в арктических, пустынных и умеренных системах. Многие системы показывают сильные суточные колебания и сезонные колебания, самые крайние в арктических, пустынных и умеренных системах. Количество затенения, климат и высота также влияют на температуру проточных экосистем.

Химия[править | править вики-текст]

Химический состав воды между системами сильно различается. Химический состав воды зависит от отложений минеральных солей на дне русла, но на него также влияют загрязнения вызываемые человеком. Большие различия в составе воды обычно происходят в мелких проточных экосистемах из за высокого уровня смешивания. В крупных речных экосистемах, однако, содержатся питательные вещества, растворенные соли, и там снижается уровень PH с увеличением расстояния от источника реки. Кислород является, вероятно, наиболее важным компонентом в проточных экосистемах, так как всем аэробным организмам он нужен для выживания. Он входит в воду путём диффузии на границе воды и воздуха. Растворённость кислорода в воде уменьшается с увеличением PH и температуры воды. Быстрые турбулентные потоки способны выставить больше поверхности воды к воздуху и, как правило, имеют низкую температуру, поэтому содержание кислорода в них больше, чем в медленных заводях. Кислород является побочным продуктом фотосинтеза, поэтому в системах с высоким обилием водорослей и растений высокие концентрации кислорода в течение дня. Эти уровни могут значительно снизиться ночью, когда основные производителями кислорода переключатся на дыхание. Кислорода может быть недостаточно, если циркуляция между поверхностью и более глубокими слоями плохая, если активность животных в проточной воде высока и происходит большое количество органического распада.

Дно[править | править вики-текст]

Неорганический субстрат проточных систем состоит из геологического материала присутствующего в бассейне реки, который подвергается эрозии, переносится и сортируется водным потоком. Неорганические субстраты классифицируются по шкале Вентворт, которая имеет диапазон от валунов, до гальки, гравия, песка и ила. Как правило, размер частиц на выходе уменьшается с больших валунов и камней в более горных районах и песчаных грунтов в равнинных реках. Это происходит потому, что в горах ручьи текут быстрее, увлекая за собой много геологического материала ниже по течению. Субстрат также может быть органическим и включать в себя мелкие частицы, осенние листья, топленное дерево, мох и развитые растения. Субстрат не обязательно является постоянным, так как во время наводнений он может подвергнуться значительным изменениям.[3]

Биотические факторы[править | править вики-текст]

Бактерии[править | править вики-текст]

Бактерии присутствуют в больших количествах в проточных экосистемах. Свободно живущие формы связываются с разложившимся органическим материалом, биопленкой на поверхности скал, растительностью между частицами, которые составляют субстрат и взвешиваются в водной толще. Другие формы также связаны с внутренностями организмов обитающих в проточной среде, в форме паразитических и синантропных отношений. Бактерии играют большую роль в переработке энергии, это будет обсуждаться в разделе Трофические отношения.

Основные продуценты[править | править вики-текст]

Водоросли, состоящие из фитопланктона и перифитона, являются наиболее важными источниками первичной продукции в большинстве ручьев и рек. Фитопланктон свободно плавает в толще воды и, таким образом, не в состоянии поддерживать рост в быстрых ручьях. Он может, однако, развивать внушительную численность в медленно движущихся реках и болотах. Перифитон это как правило, нитевидные и ворсовые водоросли, которые могут присоединяться к объектам, чтобы избежать вымывания быстрым течением. В тех местах, где скорость потока пренебрежимо мала или отсутствует, перифитон может образовывать гелеобразный плавающий ковер.

Растения обладают ограниченной адаптацией к быстрым течениям и наиболее успешной в медленно текущих реках. Более примитивные растения, такие как мхи и печеночные мхи присоединяются к твердым предметам. Это обычно происходит в более холодных верховьях, где в основном преобладает скалистый субстрат. Некоторые растения могут свободно плавать на поверхности воды в виде плотных ковров, например как ряска или водяной гиацинт. Другие имеют корни и могут быть классифицированы как погруженные и плавающие. Укоренившиеся растения обычно встречаются в районах с ослабленным течением, где встречаются мелкозернистые почвы. Эти укоренившиеся растения гибкие, с удлиненными листьями, которые обеспечивают минимальное сопротивление течению.

Жизнь в проточной воде может быть полезным для растений и водорослей, потому что течение, как правило, обогащено кислородом и обеспечивает непрерывную подачу питательных веществ. Численность этих организмов ограничивается течением, светом, химическим составом воды, дном и давлением. Водоросли и растения имеют важное значение для проточных систем в качестве источников энергии, для формирования микросреды обитания, которые защищает фауну от хищников и течения, и является пищевым ресурсом.

Насекомые и другие беспозвоночные[править | править вики-текст]

До 90 % беспозвоночных в некоторых проточных экосистемах являются насекомыми. Эти виды очень разнообразны и могут быть найдены почти во всех доступных местах обитания, в том числе на поверхностях камней, глубоко под субстратом, на течении и в поверхностной пленке. Насекомые разработали несколько стратегий для жизни в разнообразных потоках проточных экосистем. Некоторые избегают районы с высокими течениями, обитают в субстрате или в защищенных сторонах скал. Также встречаются виды моллюсков, таких как улитки, морские блюдца, моллюски, мидии, а также ракообразные, такие как раки и крабы. Как и большинство основных консументов, обитающие в проточных экосистемах беспозвоночные часто полагаются на течение, приносящее им еду и кислород. Беспозвоночные, особенно насекомые, очень важны, равно как консументы, так и как кормовая база в проточных экосистемах.

Рыба и другие позвоночные[править | править вики-текст]

Рыбы, вероятно, самые известные жители проточных экосистем. Способность рыб жить в потоке воды зависит от скорости, с которой они могут плавать, и продолжительности придерживания рыбой этой скорости. Эта способность может значительно варьироваться между приязанными к среде обитания, в которой они могут выжить. Постоянное плавание требует колоссальных затрат энергии и, следовательно. рыбы проводят лишь небольшие периоды своей жизни на полном течении. Вместо этого, рыбы обитают близко к дну или берегу, за препятствиями, мешающими течению, выбираясь на течение только в период кормления или для изменения местоположения. Некоторые виды приспособились к жизни только на дне, никогда не углубляясь в открытый поток воды. Эти рыбы имеют плоскую форму тела для того, чтобы легче сопротивляться течению и глаза, расположенные на верхней части головы для того, чтобы видеть то, что происходит над ними. Некоторые рыбы имеют чувствительные органы для того, чтобы проверять субстрат под собой.

Проточные экосистемы обычно соединяются друг с другом, образуя путь к океану (источник → ручей → река → океан), и многие рыбы имеют жизненные циклы, которые требуют стадии в пресной и соленой воде. Лосось, например, являются анадромным видом, который рождается и развивается в пресной воде, а затем двигается к океану, будучи взрослой особью. Угри являются катадромами, рождаются и развиваются в океане, а затем переходят в пресную воду, став взрослыми.

Другие позвоночные, обитающие в проточной воде, включают в себя амфибий, таких как саламандры, рептилии (например, змей, черепах, крокодилов и аллигаторов) различных видов птиц и млекопитающих (например, выдры, бобры, бегемоты и речных дельфинов). За исключением нескольких видов, эти позвоночные не привязаны к воде как рыбы, и тратят часть своего времени в наземной среде обитания. Многие виды рыб имеют важное значение в качестве консументов и как кормовая база для более крупных позвоночных, описанных выше.

Трофические отношения[править | править вики-текст]

Энергозатраты[править | править вики-текст]

Источники энергии могут быть автохронными и аллохтонными.

Аутохтонными источниками энергии являются те, что получены в проточной экосистеме. Во время фотосинтеза, например, продуценты образуют органические соединения углерода из диоксида углерода и неорганических веществ. Энергия которую они производят очень важна для сообщества, потому что она может быть переведена в более высокие трофических уровней с помощью консументов. Еще одна форма автохтонной энергии происходит от разложения мертвых организмов и кала, которыеое происходит в проточных экосистемах. В этом случае, бактерии разлагают осколки или крупных твердых органических материалов (CPOM;> 1 мм штук) в мелкие частицы органического вещества (FPOM; <1 мм штук). И далее в неорганических соединения, необходимые для фотосинтеза. Этот процесс будет обсуждаться более подробно ниже.

Аллохтонную источники энергии получаются из-за пределов проточной экосистемы, то есть от наземной среды. Листья, ветки, плоды и т. д., типовые формы земной CPOM, которые вступили в воду путём опавшей листвы. Кроме того, наземные материалы животного происхождения, такие как фекалии или туши, примеры аллохтонного CPOM.CPOM проходит определенный процесс деградации. Аллан [3] приводит пример листа упал в поток. Сначала растворимые химические вещества растворяются и вымываются из листа при его насыщении водой. Это увеличивает нагрузку DOM в системе. Далее, микроорганизмы, такие как бактерии и грибки колонизирують лист, смягчают его, используя в качестве мицелия.

Влияние человека[править | править вики-текст]

Загрязнение[править | править вики-текст]

Источники загрязнения проточных экосистем трудно контролировать, так как они имеются по всей длинне русла, выбрасывая небольшое количество отходов во многих местах. Сельскохозяйственные угодья часто дают большое количество отложений, удобрений и химических веществ в близлежащие ручьи и реки. Городские и жилые районы также могут добавить к этому загрязнения, в случае если загрязняющие вещества накапливаются на непроницаемых поверхностях, таких как дороги и парковки, просачивающиеся затем в экосистему. Повышенные концентрации питательных веществ, особенно азота и фосфора, которые являются ключевыми компонентами удобрений, могут увеличить рост перифитона, который может быть особенно опасен в местах с медленным течением. Еще один загрязнитель - кислотные дожди, формирующиеся из диоксида серы и оксидом азота, поступающих от заводов и электростанций. Эти вещества легко растворяются в атмосферной влаге и попадают в проточные экосистемы в виде осадков. Это может привести к снижению рН этих водоемов, затрагивая все трофические уровни от водорослей до позвоночных. Видовое богатство и общее число видов в системе уменьшается с уменьшением рН. В то время как прямое загрязнение проточных экосистем, значительно сократилось в Соединенных Штатах после принятия правительством Закона о чисто воде, загрязнения из диффузных точечных источников по прежнему являются большой проблемой.

Строительство плотин[править | править вики-текст]

Плотины изменяют течение, температуру и режим осадков в проточных экосистемах. Кроме того, многие реки перекрыты плотиной в нескольких местах, усиливая эффект. Плотины могут вызвать усиление ясности и снижение изменчивости в потоке ручья, который, в свою очередь привести к увеличению концентрации перефитона. Видовое богатство беспозвоночных ниже плотины может снизиться в связи с общим сокращением неоднородности среды обитания. Кроме того, тепловые изменения могут повлиять на развитие насекомых, аномально теплые зимние температуры нарушают сигналы, нужные для того чтобы разбить яйцо диапаузы и чрезмерно холодные летние температуры оставляют слишком мало приемлемые дней, чтобы завершить рост. Наконец плотины разделяют речные экосистемы изолируя существующие попубляции и мешают миграции рыб.

Заселение видов[править | править вики-текст]

Заселенные виды вводятся в проточные экосистемы в ходе целенаправленных мероприятий(например для игр и развода пищевых видов), а также непреднамеренных событий(завозятся в лодках или болотными куликами). Эти организмы могут повлиять на коренных обитателей очень плохо из за конкуренции за добычу, места обитания, хищничества, изменения среды обитания, гибридизации или привнесении вредных болезней и паразитов.[2] Однажды завезенные эти виды становятся трудноконтроллируемыми и трудноискорениямыми из за соединенности проточных экосистем. Наиболее опасны завезенные виды в районах где биота вымирает, например в Юго Восточной части Соединенных Штатов где вымирают мидии, или в тех районах, где локализованы эндемичные виды, например в проточных системах севернее Скалистых гор, где многие виды развивались в изоляции.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. «Biology Concepts & Connections Sixth Edition», Campbell, Neil A. (2009), page 2, 3 and G-9. Retrieved 2010-06-14.
  2. 1 2 Giller, S. and B. Malmqvist. 1998. The Biology of Streams and Rivers. Oxford University Press, Oxford. Pp. 296.
  3. 1 2 Cushing, C.E. and J.D. Allan. 2001. Streams: their ecology and life. Academic Press, San Diego. Pp. 366.