Первичная и вторичная сукцессии. Понятие климакса

 

Экологическая сукцессия протекает через ряд этапов, при этом биотические сообщества сменяют друг друга. Замещение видов в сукцессии вызвано тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в конкретном районе, называется серией; лишь немногие виды сохраняются от начальных этапов сукцессии до зрелого состояния экосистемы.
Сукцессионный процесс включает несколько этапов: возникновение не занятого жизнью участка; иммиграция, а также занос на него различных организмов и их зачатков; заселение участка; конкуренция и вытеснение отдельных видов; преобразование организмами местообитания, постепенная стабилизация условий и отношений.
Занос спор, семян, проникновение животных на освободившийся участок происходят большей частью случайно и зависят от того, какие виды есть в окружающих биотопах. Из попавших на новое место видов закрепляются лишь те, чья экологическая валентность соответствует абиотическим условиям данного местообитания. Новые виды постепенно занимают биотоп, конкурируют друг с другом и вытесняют наименее приспособленные к этим условиям виды. Таким образом, параллельно происходят и перестройка сообщества, и преобразование сообществом среды обитания. Процесс завершается образованием более или менее стабильной экосистемы, обеспечивающей такой круговорот веществ, при котором воздействие на среду оказывается наименьшим.
Рассмотрим процесс разложения упавшего ствола ели. После гибели ее ствол становится основным местом обитания для многих видов мхов, лишайников, грибов и насекомых. Первые несколько лет после гибели упавший ствол заселяется жуками-короедами и усачами, долгоносиками и другими беспозвоночными, обитающими в коре и под корой. Эти обитатели, в свою очередь, привлекают многочисленных паразитов и хищников. Когда кора, уступив натиску времени и короедов, отваливается от ствола, на смену комплексу видов, связанных с корой, приходят виды, обитающие в древесине в глубине ствола. В то же время сама древесина прорастает гифами грибов и разрушается, а многочисленные личинки жуков и другие обитатели древесины питаются в основном мицелием грибов.
На заключительной стадии гниения древесины мягкий, поросший мхом ствол служит убежищем для многих мелких животных, таких как моллюски, многоножки, муравьи и другие беспозвоночные животные. Те, в свою очередь, привлекают хищников, и в стволе на некоторое время образуется новое сообщество. Каждая стадия разрушения упавшего ствола ели характеризуется своим набором видов и длится дольше, чем предыдущие. Лишь в отдельные промежутки времени удается зарегистрировать представителей обоих сменяющих друг друга сообществ. Благодаря их совместной деятельности за 100 —150 лет древесина упавшего дерева оказывается полностью утилизированной.
Если развитие экосистемы начинается на участке, который перед этим не был занят каким-либо сообществом (недавно вышедшая на поверхность скала, песок или лавовый поток), процесс называется первичной сукцессией. Если развитие экосистемы происходит на площади, с которой удалено предыдущее сообщество (например, заброшенное поле или вырубка), то это будет вторичная сукцессия. Она протекает обычно быстрее первичной, поскольку на территории, которая ранее была занята, уже имеются некоторые организмы, необходимые для обмена веществ со средой, более благоприятной для развития сообщества, чем «стерильная» зона.
Примером первичной сукцессии может служить зарастание песчаных дюн оз. Мичиган. Сообщество первых поселенцев на дюнах состоит из злаков, ивняка, вишни, хлопкового дерева и животных, таких как жуки-скакуны, норные пауки и кузнечики. За сообществом первых поселенцев следуют лесные сообщества, каждое из которых обладает своим животным миром. Несмотря на то что развитие началось на очень сухом и бесплодном месте, в конечном итоге здесь разрастается буково-кленовый лес, в отличие от голых дюн он влажный и холодный. Мощная, богатая гумусом почва с дождевыми червями и моллюсками контрастирует с сухим песком, на котором она образовалась.
В качестве примера вторичной сукцессии приведем восстановление елового леса. После вырубки или пожара условия на месте ельника настолько изменяются, что ель не может снова заселить освободившуюся площадь. На открытых местах всходы ели повреждаются поздними весенними заморозками, страдают от перегрева и не могут конкурировать со светолюбивыми растениями. В первые два года на вырубках и гарях буйно развиваются травянистые растения: кипрей, вейник и др. Вскоре появляются многочисленные всходы березы, осины, а иногда сосны, семена которых легко разносятся ветром. Деревья вытесняют травянистую растительность и постепенно образуют мелколиственный или сосновый лес. Только тогда возникают условия, благоприятные для возобновления ели.
Теневыносливые всходы ели успешно конкурируют с подростом светолюбивых лиственных пород. Когда ель достигает верхнего яруса, она полностью вытесняет лиственные деревья. В принципе так же протекает сукцессия пихтово-кедровой тайги (рис. 13.3).
Каждый последующий этап сукцессии длится дольше предыдущего, характеризуется более высоким значением отношения биомассы к единице потока энергии и своими видами-доминантами. Особенно сильное воздействие на среду оказывают доминирующие виды растений.
Большой вклад растений в формирование сообщества связан не только с их ролью первичных продуцентов, но и с тем, что они медленно разлагаются. Растения образуют не только биомассу, но и основную часть некромассы, т. е. мертвого органического вещества.

Рис. 13.3. Сукцессия сибирского темнохвойного леса (пихтово-кедровая
тайга) после опустошительного пожара
(по Н. Реймерсу, 1990). Числа показывают время (в годах) наступления фаз сукцессии (в скобках указан срок их окончания). Биомасса и биологическая продуктивность даны в произвольном масштабе.

Общие характеристики растений, свойственных разным стадиям сукцессии

Параметр Ранние стадии Поздние стадии Количество семян Много Мало Размер семян Мелкие Крупные Распространение семян Посредством ветра; в результате прилипания к животным Под действием силы тяжести; в результате заглатывания животными Выживаемость семян Длительная; покоящиеся стадии в почве Короткая Соотношение количества корней и побегов Низкое Высокое Скорость роста растения Высокая Низкая Размеры растения в зрелом состоянии Мелкие Крупные Теневыносливость Низкая Высокая

Несмотря на высокую активность бактерий и детритофагов, растительные остатки накапливаются в виде листового опада или торфа. Способность кустарников и деревьев в умеренно влажных местообитаниях вытеснять травяную растительность в значительной степени связана с развитием у них кроны и корневой системы. В свою очередь сукцессия в наземных местообитаниях влечет за собой регулярную смену растительных форм.
Растения, обнаруживаемые на ранних и поздних стадиях сукцессии, характеризуются различными стратегиями роста и размножения (табл. 13.2). Растения, относящиеся к ранним стадиям сукцессии, благодаря своей высокой способности к расселению быстро занимают вновь образовавшиеся или нарушенные местообитания. Позднесукцессионные виды распространяются и растут медленнее, но теневыносливость их подроста и большие размеры зрелых растений дают им преимущества в конкуренции с видами, образующими ранние стадии сукцессии. Растения терминальных сообществ приспособлены к росту и процветанию в той среде, которую создают они сами, тогда как виды, появляющиеся на ранних стадиях сукцессии, обладают способностью к колонизации еще не используемых сред.
Тела животных разлагаются гораздо быстрее, однако иногда их остатки, как и остатки растений, определяют структуру сообщества и ход сукцессии. Это имеет место, например, при накоплении обызвествлен-ных скелетов в процессе роста кораллов. Чаще животные пассивно реагируют на сукцессию растительности. Не исключено, конечно, что семе-ноядные птицы также влияют на смену растительности.

Сообщества, сменяющие друг друга в процессе развития экосистемы, характеризуются разными признаками. Так, для незрелых экосистем на ранних стадиях экологической сукцессии характерно низкое видовое разнообразие и простые схемы питания: много продуцентов, травоядных животных и мало редуцентов. Растения, в основном однолетние травы, тратят большую часть энергии на продукцию мелких семян для воспроизводства, а не на корневую систему, стебли и листья. Они получают питательный материал, как правило, со стоком из других экосистем, так как сами не могут удерживать и накапливать биогенные вещества.
Зрелые экосистемы характеризуются многообразием видов, стабильными популяциями и сложными схемами питания. В системе доминируют редуценты, разлагающие большое количество мертвого органического вещества. Растения представлены крупными многолетними травами и деревьями, дающими крупные семена. Они тратят основную долю энергии и питательных материалов на поддержание корневой системы, ствола, листьев, а не на производство новых растений. Такие экосистемы сами добывают, удерживают и перерабатывают часть биогенных веществ, в которых нуждаются.
В процессе развития сообщества возрастает общая биомасса, тогда как максимум продуктивности приходится на одну из промежуточных фаз сукцессии. Обычно в процессе развития число видов возрастает, так как с увеличением растительного многообразия появляются ниши для все большего числа видов насекомых и других животных. Однако сообщество, которое образуется на заключительной стадии развития, уступает по видовому богатству сообществам более ранних стадий. В климаксных сообществах более важными оказываются иные факторы, чем те, которые ведут к видовому разнообразию. К числу таких факторов относится увеличение размеров организмов, что позволяет им запасать питательные вещества и воду, чтобы выжить в периоды, когда их недостает. Этот и другие факторы ведут к усилению конкуренции между видами и сокращению их числа на поздних стадиях развития.
Терминальным, или стабильным, сообществом развивающейся серии является климаксное сообщество. В климаксном сообществе, в отличие от сообществ развивающихся и других нестабильных стадий, минимальна или полностью отсутствует годовая чистая продукция органического вещества. Для каждой природной зоны удобно различать единственный климатический климакс и различное число эдафических климаксов. Климатический климакс — это теоретическое сообщество, к достижению которого направлено все развитие экосистемы в данном районе, находящееся в равновесии с общими климатическими условиями. Теоретическое сообщество реализуется там, где физические условия среды не столь экстремальны, чтобы изменять воздействие преобладающего климата.

Рис. 13.4. Сообщества эдафического климакса на прибрежном участке в Северной Калифорнии (по Ю. Одуму, 1975)

Там, где рельеф местности, почва, водоемы, заболачивание и другие факторы препятствуют развитию климатического климакса, сукцессия заканчивается формированием эдафического климакса. Так, в зависимости от рельефа и особенностей почвы на примыкающих друг к другу морских террасах с одинаковой материнской породой развиваются различные сообщества (рис. 13.4). Поскольку основным модифицирующим фактором экосистемы является биотическое сообщество, то чем более экстремальны физические условия среды, тем больше вероятность того, что развитие экосистемы прекратится, не достигнув равновесия с общими климатическими условиями.
Человек часто влияет на развитие экосистемы, препятствуя достижению ею климаксного состояния. Когда сообщество, не представляющее собой климатический или эдафический климакс для данной местности, поддерживается человеком или домашними животными, его называют дисклимаксом, или антропогенным субклимаксом. Например, чрезмерный выпас может породить пустынное сообщество там, где по условиям регионального климата могла бы сохраняться степь. Пустынное сообщество в данном случае — дисклимакс, а степь — климатический климакс.