درسنامه آموزشی دانش فنی تخصصی کلاس دوازدهم امور زراعی

واحد یادگیری 1: تحلیل اکوسیستم‌های زراعی

بوم‌شناسی (اکولوژی)

واژه اکولوژی از دو کلمه Oikos (به معنی بوم، خانه، بستر زیست یا محل زندگی) و Logos به معنی ( شناخت) تشکیل شده است و در زبان فارسی به آن بوم‌شناسی گفته می‌شود. دانش اکولوژی شامل مجموعه شناخت‌هایی است که انسان درباره تأثیر محیط بر روی موجودات زنده، تأثیر موجودات زنده روی محیط و ارتباطات متقابل بین موجودات زنده است.

مطالعات علم بوم‌شناسی برحسب موجود زنده شامل: اکولوژی گیاهی (رابطه گیاهان با محیط زیست)، اکولوژی جانوری (رابطه جانوران با محیط زیست) و اکولوژی انسانی (رابطه انسان با محیط زیست) است. در مطالعات اکولوژیکی ممکن است رابطه یک فرد یا گروهی از افراد با محیط زیست مطالعه شود. در زراعت به‌طور عمده رابطه گیاهان زراعی با محیط بررسی می‌گردد. مانند اثر متقابل بوته‌های ذرت بر حضور علف‌های هرز مورد توجه قرار داده می‌شود.

محیط زیست یا محیط زندگی موجودات زنده شامل: هوا (اتمسفر یا هوا کره)، خشکی‌ها (لیتوسفر یا خاک کره) و آب‌ها (آب کره یا هیدروسفر) است. همه این بخش‌ها برای زندگی‌کردن موجودات زنده مناسب نیستند. در واقع مرز مشترک بین هوا کره، خاک کره و آب کره منطقه مناسب برای زندگی‌کردن موجودات زنده است و یا دارای قابلیت حیات برای موجودات زنده هست، بیوسفر یا زنده کره می‌گویند. زیست کره بسیار بزرگ و پیچیده بوده و همه موجودات زنده را در خود جای می‌دهد.

اکوسیستم و خواص آن

به منظور مطالعه دقیق‌تر زیست کره آن را به بخش‌های کوچک‌تر، که اندازه هر بخش محدود، قابل مطالعه و به نسبت مستقل است، تقسیم می‌کنند که اکوسیستم نامیده می‌شود. هر اکوسیستم شامل کلیه موجودات زنده است که با محیط فیزیکی خود در ارتباط هستند. مثلاً در یک مزرعه حشرات از گیاهان تغذیه می‌کنند و پرندگان، حشرات را شکار می‌کنند. ریشه گیاهان نیز بر هم تأثیر دارند و بوته‌های بلند بر بوته‌های کوتاه سایه می‌اندازند.

اجزای اکوسیستم

در هر اکوسیستم دو بخش مشخص و جدا وجود دارد:

1- بخش غیرزنده:

شامل محیط فیزیکی و شیمیایی است که گیاهان و جانوران در محدودۀ آن زندگی می‌کنند.کربن دی اکسید، اکسیژن، سنگ‌ها و کانی‌ها، نیتروژن، کربن و عناصر معدنی پرمصرف، کم مصرف و رژیم اقلیمی مانند گرما و سرما ... نمونه‌هایی از بخش غیرزنده اکوسیستم می‌باشند.

2- بخش زنده:

شامل سه قسمت است که عبارت‌اند از:

- تولیدکننده‌ها که با استفاده از نور خورشید غذای موردنیاز خود را می‌سازند (گیاهان سبز و فیتوپلانگتون‌ها).
- مصرف‌کننده‌ها که از گیاهان و یا جانوران دیگر تغذیه می‌کنند (جانوران علف‌خوار و گوشت‌خوار)
- تجزیه‌کنندگان سبب تجزیه پیکره گیاهان و جانوران بعد از مرگ می‌شوند (قارچ‌ها، باکتری‌ها...). (شکل 2)

طبقه‌بندی اکوسیستم‌ها

اکوسیستم‌ها دارای اندازه‌های مختلف هستند. بر همین اساس اکوسیستم‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند.

1- اکوسیستم خرد

(میکرو اکوسیستم) مانند یک درخت مرده یا یک آبزی‌دان (آکواریوم). مجموعه درخت مرده و خزه‌های روی آن نوعی اکوسیستم را به وجود آورده‌اند (شکل 4)

2- اکوسیستم متوسط

(مزو اکوسیستم) مانند جنگل یا تالاب.

3 اکوسیستم بزرگ

(ماکرو اکوسیستم) مانند خشکی‌ها و اقیانوس‌ها

جانشینی و تحول در اکوسیستم‌ها

بخش‌های زنده و غیرزنده اکوسیستم بر روی هم اثر دارند. اگر سیل رخ دهد خاک اکوسیستم فرسایش می‌یابد و بسیاری از عناصر غذایی شست‌وشو می‌شوند و سبب کاهش تولیدات گیاهی در منطقه می‌گردد. کاهش زیست توده گیاهی نیز سبب کاهش علف‌خواران و گوشت‌خواران می‌شود. همچنین اگر تعداد جانوران علف‌خوار منطقه‌ای زیاد شوند سبب مصرف گیاهان می‌شوند و ممکن است خاک منطقه نیز به دلیل کاهش پوشش گیاهی، فرسایش یابد و بخش غیرزنده را تغییر دهد.

وقتی از جنگل‌های شمال به سمت دشت قزوین نزدیک می‌شوید به آرامی از درختان بلندقامت منطقه شمال کاسته می‌شود و به درختچه‌ها و بوته‌ها در منجیل و رودبار افزوده می‌شود. در چنین مناطقی که مرز بین مناطق پر درخت شمال و دشت خشک قزوین است انواعی از درختان، درختچه‌ها و جانوران دیده می‌شود. چنین مناطقی که مرز بین دو اکوسیستم جنگل و خشکی است «پهن زیست مرز | Action» گفته می‌شود. پهن زیست مرزها دارای تنوع بالایی نسبت به دو منطقه مجاور هستند.

اگر یک منطقه متروکه را به مدت طولانی زیر نظر بگیریم با مساعدشدن شرایط بعد از یک یا دو سال ابتدا گیاهان یک ساله مستقر می‌شوند. پس از سپری‌شدن 2 تا 5 سال گیاهان دوساله و درختچه‌ها و در نهایت بعد از 150- 5 سال درختان زیادی در زمین متروکه مستقر می‌شوند. بنابراین، به تدریج در این زمین متروکه جایگزینی صورت می‌گیرد.

اولین گیاهانی که در زمین مستقر می‌شوند موجودات پیشگام نامیده می‌شوند. موجودات پیشگام در مزرعه به‌طور عمده علف‌های هرز هستند.

توالی (Succession)

تغییرات تدریجی اکوسیستم در زمان را توالی گویند. با گذشت زمان گیاهان و جانوران مختلفی در اکوسیستم ظاهر می‌شوند و هر گیاه یا جانور، جایگاه ویژه‌ای در اکوسیستم دارد. در این شرایط تنوع زیستی و تعادل در اکوسیستم به وجود می‌آید. این نقطه از تکامل اکوسیستم را «کلیماکس» (Climax) یا «نقطه اوج» گفته‌ می‌شود. گاهی اوقات عواملی مانند سیل و آتش‌سوزی سبب به هم‌زدن اکوسیستم در نقطه اوج می‌شود.

واحد یادگیری 2: تحلیل چرخه مواد

انتقال ماده و انرژی در اکوسیستم‌ها

برای شناخت زمین و محیط زیست بایستی موادی که در آن حرکت می‌کنند و یا ذخیره می‌شوند را شناخت. همچنین به چگونگی اثرات آن با سایر عوامل توجه کافی نمود. مقدار مواد منتقل شده بین محیط زیست و موجودات زنده و همچنین از جانداری به جاندار دیگر متفاوت است. همه موادی که به پیکر گیاه وارد می‌شوند برای گیاه‌خوار قابل مصرف نیستند و همه پیکر گیاه‌خوار برای گوشت خوار نیز قابل مصرف نیست و این زنجیره به همین ترتیب ادامه پیدا می‌کند تا اینکه به انسان برسد.

زنجیره غذایی:

به مجموعه پی‌درپی از موجودات زنده گفته می‌شود که هر موجود زنده قبل از اینکه خورده شود از موجود قبل از خود تغذیه می‌نماید.

اولین سطح این زنجیره را گیاهان سبز و دومین سطح آن را علف‌خواران و سومین سطح آن را گوشت‌خوار 4 و چهارمین سطح آن را گوشت‌خوار 2 تشکیل می‌دهد. در یک زنجیره جانوران ممکن است از چند جانور قبل از خود تغذیه نمایند.

شبکه غذایی

به ارتباط بین زنجیره‌های غذایی شبکه غذایی گفته می‌شود. هر شبکه غذایی شامل دو یا چند زنجیره غذایی است (شکل 8). اولین سطح همه زنجیره‌های غذایی گیاهان هستند اما مصرف‌کنندگان همه از یک گیاه تغذیه نمی‌کنند، در صورت آلودگی زمین مقدار آلودگی‌ها بین جانوران مختلف توزیع و تقسیم می‌شود.

هرم‌های اکولوژیکی

اغلب اکوسیستم‌ها دارای تعداد زیادی زنجیره و شبکه غذایی پیچیده هستند و بررسی تعیین جریان انرژی و ماده در بین سطوح زنجیره‌ها مشکل به نظر می‌رسد به همین منظور الگوهای دیگری به نام هرم‌های اکولوژیکی استفاده می‌شود که نمایانگر مقدار ماده‌غذایی یا انرژی موجود در هر سطح غذایی می‌باشند. هرم‌های اکولوژیکی شامل هرم تعداد، بیوماس و انرژی می‌باشند.

1- هرم تعداد

اگر هر سطح غذایی را با مستطیلی نشان دهیم که طول مستطیل نشان‌دهنده تعداد افراد در آن سطح باشند. تعداد افراد در اولین سطح (تعداد گیاهان) به مراتب بیشتر از تعداد علف‌خواران و تعداد علف‌خواران بیشتر از تعداد گوشت‌خواران است. شکلی که به دست می‌آید هرم تعداد نامیده می‌شود (شکل 10). در هرم تعداد هر چه از قاعده هرم به رأس هرم برویم تعداد افراد کمتر امّا جثه آنها بزرگتر می‌شود. در هرم تعداد به همه افراد به یک اندازه نگاه می‌کند مثلاً ارزش یک علف هرز با یک درخت برابر است.

2- هرم بیوماس:

در این نوع هرم، وزن موجودات زنده حاضر در هر سطح غذایی مورد توجه است. عموماً وزن تولیدکنندگان از وزن علف‌خواران و وزن علف‌خواران از وزن گوشت‌خواران بیشتر است. در هرم بیوماس وزن در واحد سطح موردنظر است. یعنی وزن گیاهان در یک هکتار جنگل از وزن علف‌خواران و وزن علف‌خواران از وزن گوشت‌خواران این سطح، بیشتر است. در هرم بیوماس تمام اعضا و بافت‌های موجود در یک سطح غذایی ارزش برابر دارند. و به ارزش انرژی‌زایی آنها توجه نشده است زیرا بیوماس تولیدشده ممکن است حاصل چند روز تا چند سال باشد. در این هرم موجودات ریزجثه کم اهمیت می‌باشند.

3- هرم انرژی:

زمانی که انرژی نورانی خورشید به گیاهان می‌رسد بخش کمی از آن جذب گیاهان می‌گردد (حدود 2 درصد). تمام پیکر گیاه توسط علف‌خواران هضم و جذب نمی‌شود و بخشی از مواد در گیاه باقی می‌مانند و به بدن جانور علف‌خوار منتقل نمی‌گردد (شکل 12). بخش‌هایی از پیکر علف‌خواران مانند استخوان‌ها و موی بدن، برای گوشت‌خوار قابل هضم و جذب نیستند. بخش بزرگی از استخوان‌های بدن علف‌خوار نیز برای گوشت‌خوار قابل هضم نیستند بنابراین تبدیل انرژی از سطحی به سطح دیگر با راندمان صد درصد انجام نمی‌شود و همواره مقداری از انرژی به‌صورت گرما هدر می‌رود.

بنابراین هرم انرژی بهترین نوع و شیوه نمایش کارکرد اکوسیستم‌ها می‌باشد. چون انرژی هر سطح تغذیه‌ای نسبت به سطح بعدی بیشتر است. مثلاً یک گیاه که 1000 کیلو ژول انرژی دارد فقط 10 درصد آن به سطح تغذیه‌ای بعدی (ملخ) می‌رسد.

در هرم انرژی، تعداد و وزن موجودات در هر سطح غذایی به مقدار انرژی و نسبت تولید غذا در سطح ماقبل بستگی دارد. همواره مقدار انرژی رسیده به هر سطح کمتر از سطح ماقبل است. بنابراین، شکل هرم همیشه به شکل مثلثی خواهد بود که رأس آن رو به بالا قرار دارد.

چرخه عناصر غذایی در اکوسیستم‌ها

زمین دستگاهی پویا و تکامل‌یافته است به طوری‌که حرکت و ذخیره مواد بر فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و زیست‌شناختی آن به شدت تأثیر می‌گذارد. کلیه عناصر غذایی که برای ساخته‌شدن مواد آلی ضروری هستند به‌صورت چرخه‌ای در اکوسیستم‌ها منتقل می‌شوند و چندین بار توسط موجودات مختلف استفاده می‌شوند.

هنگامی که بقایای گیاهی و جانوری توسط قارچ‌ها و باکتری‌ها تجزیه می‌شوند عناصر غذایی درون پیکر آنها آزاد می‌گردد و به بخش غیرزنده اکوسیستم بر می‌گردد. در فعالیت‌های کشاورزی هدف حفظ چرخه‌های آب و عناصر غذایی می‌باشد تا هم مزرعه از نظر تأمین عناصر غذایی مستقل شود و هم سفره‌های آب زیرزمینی تقویت شوند..

برخی از چرخه‌های عناصر غذایی و آب

اهمیت آب و برخی از عناصر غذایی مانند نیتروژن (به دلیل نقشی که در تولید پروتئین‌ها دارند)، فسفر (به دلیل نقش در تولید و ذخیره انرژی)، کربن (ماده اصلی تولید غذا در فرایند فتوسنتز) برای موجودات زنده قابل توجه است. به همین منظور در این پودمان، چرخه آب، نیتروژن و فسفر بررسی می‌شود.

1- چرخه آب

چرخه آب از انرژی خورشیدی منشأ می‌گیرد. آب از رودها، دریاها، اقیانوس‌ها به شکل بخار به اتمسفر می‌رود. از اتمسفر به‌صورت باران و برف به اقیانوس‌ها و خشکی‌ها بر می‌گردد (شکل 13). آب‌های زیرزمینی هم با استخراج از چاه‌های عمیق و نیمه عمیق با قرارگرفتن در معرض تابش خورشید تبخیر شده و در این چرخه قرار می‌گیرند.

حدود 97 درصد آب‌ها در اقیانوس‌ها و 2 درصد در یخچال‌ها و کمتر از 1 درصد آن در اتمسفر وجود دارد.

2- چرخه کربن

کربن مهم ترین عنصر در بدن موجودات زنده است و بین بخش زنده و غیرزنده در حال چرخش است. کربن در زغال سنگ، نفت و DNA کروموزم سلولی وجود دارد. در طبیعت به صورت گرافیت و الماس وجود دارد.

حدود 0/03 درصد حجم هوا را کربن‌دی‌اکسید تشکیل می‌دهد. کربن در اتمسفر به‌صورت متان $(C{H_4})$ و کربن‌دی‌اکسید $(C{O_2})$ وجود دارد. کربن‌دی‌اکسید با آب موجود در جو ترکیب شده، اسید ضعیفی به نام کربنیک اسید تولید می‌کند. کربنیک اسید همراه بارندگی به زمین بر می‌گردد. بخشی از کربن از طریق فرایند فتوسنتز وارد گیاهان سبز می‌شود. کربن اندوخته‌شده در اندام‌ها و محصولات گیاهی به جانوران منتقل شده یا به خاک بر می‌گردد. جانوران در فراینده تنفس، بخشی از کربن را به جو بر می‌گردانند. کربن موجود در اجساد جانوران و بقایای گیاهی، توسط تجزیه‌کنندگان آزادشده و به جو بر می‌گردد.

اقیانوس‌ها منبع عظیم کربن هستند که در پیکر گیاهان و جانوران شناور در آب (فیتوپلانگتون‌ها (Phytoplankton) و ژئوپلانگتون‌ها (Zooplankton) وجود دارند. بعد از مرگ این موجودات، طی فرایند تجزیه، کربن آنها وارد رسوبات کف اقیانوس می‌شود.

زمان متوسط توقف کربن در کف اقیانوس‌ها 1500 سال و در خاک 25 تا 30 سال و در جو 3 سال است. مقدار کربن در کف اقیانوس‌ها 55 برابر اتمسفر و مقدار آن در خاک 2 برابر اتمسفر است. بنابراین، کربن از طریق فرایند فتوسنتز، بارندگی از اتمسفر به خاک‌ها و اقیانوس‌ها وارد می‌شود و از طریق فرایند تجزیه میکروبی به اتمسفر بر می‌گردد. (شکل 14)

3- چرخه نیتروژن

حدود 78 درصد حجم هوا را نیتروژن 21 درصد آن را اکسیژن و 1 درصد آن را کربن‌دی‌اکسید و گازهای نادر تشکیل می‌دهد. نیتروژن ماده اولیه ساختن آمینواسیدها و پروتئین‌ها است و از این جهت اهمیت زیادی دارد.

چرخه نیتروژن شامل دو بخش عمده است.

تثبیت نیتروژن توسط باکتری‌های هم زیست و آزادزی:

تثبیت فرایندی است که نیتروژن گازی موجود در هوا توسط دو گروه از باکتری‌ها جذب و ذخیره می‌شود. این شکل از نیتروژن پس از طی فرایندی قابل استفاده گیاه می‌گردد. گروه اول از باکتری‌های هم زیست با ریشه گیاهان خانواده پروانه آسا (لگوم‌ها) مانند یونجه، شبدر، نخود، عدس، لوبیا، ماش، باقلا، خارشتر و... می‌باشند که نیتروژن گازی را ابتدا به آمونیاک و سپس آمونیاک را به نیتریت و سپس نیتریت را به نیترات تبدیل می‌نمایند. با برگشتن اندام‌های گیاهی به خاک و تجزیه بقایا، نیترات در خاک آزاد می‌شود. بخشی از نیترات به‌صورت گاز از خاک آزاد و به جو بر می‌گردد (شکل 15). گروه دوم از باکتری‌ها، آزادزی هستند (مانند سیانو باکترها). نیتروژن گازی توسط این باکتری‌ها به‌طور مستقل به آمونیاک تبدیل و در خاک رسوب می‌کند.

نیترات موجود در بقایای فیتوپلانگتون‌ها توسط تجزیه‌کنندگان، آزاد و به جو بر می‌گردد (شکل 15).

تبدیل نیتروژن گازی به نیترات در اثر رعدوبرق سبب می‌شوند:

رعدوبرق می‌تواند پیوندهای مولکول‌های گازی نیتروژن را بشکند و از شکستن مولکول‌های آب و نیتروژن، نیترات تولید شود. سالانه مقدار $255 \times {10^6}$ تن نیترات از طریق آب باران وارد زمین می‌شود.

در کارخانه‌های پتروشیمی سالانه حدود 176 میلیون تن کودهای نیتروژن‌دار برای مصرف در بخش کشاورزی، تولید می‌شود. (شکل 15)

4- چرخه فسفر

فسفر در سنگ‌ها به‌صورت نامحلول وجود دارد. فسفر در ترکیب عناصر کلسیم، منیزیوم، پتاسیم به‌صورت فسفات وجود دارد و حلالیت آن بسیار کم است. در اثر شستشو، فسفر به دریاها و اقیانوس‌ها وارد می‌گردد و در اعماق اقیانوس‌ها رسوب می‌کند. اگر جریان‌های اقیانوسی و عامل‌های بالاآورنده نباشد، کمبود فسفر اتفاق می‌افتد. با جریانات بالا آورنده اقیانوسی، فیتوپلانگتون‌ها (گیاهان ریز شناور در آب) مقداری از آن را جذب می‌نمایند. فیتوپلانگتون توسط ماهی‌ها خورده می‌شوند و پرندگان به ویژه پلیکان‌ها و مرغ‌های ماهی‌خوار مقداری از فسفر دریا را به خشکی حمل می‌کنند.

ورودی‌های فسفر به خاک شامل: کودهای معدنی، بقایای گیاهی، کودهای دامی و تلفات فسفر خاک شامل:

شست‌وشو (جزئی) و فرسایش، جذب گیاه و برداشت گیاه است. فسفر در مخازن خاک به شکل‌های محلول و غیرمحلول وجود دارد و در حال تبادل است (شکل 16).

وجود عناصر غذایی و مواد آلی در اکوسیستم سبب افزایش جمعیت گونه‌ها می‌شود. حفظ چرخه عناصر غذایی در اکوسیستم‌های طبیعی (مراتع، جنگل‌ها و اقیانوس‌ها) و اکوسیستم‌های مصنوعی (مزارع کشاورزی) به تعادل جمعیت کمک می‌کند. در زیر مفهوم جمعیت، جامعه و عواملی که سبب تغییر در جمعیت می‌شوند مورد بررسی قرار می‌گیرند.

جمعیت و جامعه در اکوسیستم

جمعیت عبارت است از مجموعه افراد وابسته به یک گونه خاص که توانایی تبادل ژن را دارند و در زمان معینی منطقه خاصی را اشغال می‌نمایند. مانند جمعیت بوته‌های گندم و جمعیت کفشدوزک‌ها. مهم‌ترین ویژگی‌های جمعیت عبارت‌اند از: تراکم، پراکندگی، مرگ‌ومیر، زاد و ولد، توزیع سنی و ظرفیت زیستی است.

تراکم گونه‌ها در اکوسیستم

تراکم عبارت است از تعداد افراد در واحد سطح یا حجم، تراکم دارای اهمیت زیادی است زیرا بسیاری از اعمال حیاتی اکوسیستم‌ها به تراکم بستگی دارد. عوامل افزاینده تراکم شامل مهاجرت به داخل و زادوولد و عوامل کاهنده تراکم شامل مرگ‌ومیر و مهاجرت به خارج است.

عوامل مهاجرت به داخل و زادوولد سبب افزایش جمعیت یک گونه یا گونه‌های اکوسیستم می‌شوند و عوامل مرگ‌ومیر و مهاجرت به خارج سبب کاهش جمعیت می‌شوند.

در اکوسیستم‌های طبیعی برای تعیین تراکم جانوران از روش «علامت گذاری و بازگیری» استفاده می‌کنند. به همین منظور ابتدا تعدادی از افراد را به دام می‌اندازند و علامت‌دار می‌کنند (M). بعد از گذشت مدت زمانی مثلاً 2 سال اقدام به بازگیری همان نمونه می‌نمایند (n) اگر از افراد بازگیری شده تعداد m نفر دارای علامت باشند از رابطه $Y = \frac{{M(n + 1)}}{{m + 1}}$ برای تعیین جمعیت آن گونه استفاده می‌کنند.

M: تعداد افراد علامت‌دار شده در اولین سال
n: تعداد افراد گرفته‌شده یک سال بعد
m: تعداد افراد علامت دار از n فرد گرفته‌شده

در مراتع از روش قاب‌اندازی استفاده می‌نمایند. هراندازه تعداد قاب‌ها بیشتر باشد تخمین تراکم گیاهان مرتعی در هکتار دقیق تر است. در این روش از قاب $1 \times 1{m^2}$ استفاده می‌شود و با پرتاب تصادفی در چند جای مرتع یا مزارع بیوماس داخل قاب‌ها را وزن و سپس میانگین بیوماس قاب‌ها را در واحد سطح محاسبه می‌کنند. در مراتع از این روش برای تنوع گونه‌های مرتع نیز استفاده می‌نمایند.

پراکندگی گونه‌ها در اکوسیستم

پراکندگی به توزیع افراد یک گونه یا گونه‌های مختلف در سطح زیستگاه گفته می‌شود (شکل 17). اگر افراد گونه در زیستگاه توزیع یکنواخت داشته باشند پراکنش همگن گفته می‌شود و اگر افراد گونه در یک یا چند نقطه به صورت دسته جمعی باشند پراکنش توده‌ای گفته می‌شوند. افراد جمعیت یک گونه ممکن است به‌صورت تصادفی نیز دیده شوند که در این صورت پراکنش تصادفی گفته می‌شوند.

مرگ‌ومیر گونه‌ها در اکوسیستم

تعداد افراد که در یک زمان معین نسبت به کل جمعیت می‌میرند به‌صورت درصد بیان می‌شود که نرخ مرگ‌ومیر نامیده می‌شود.

$D,M = \frac{D}{P} \times 100$ و P به ترتیب تعداد مرده‌ها و کل جمعیت می‌باشند.

محاسبه نرخ مرگ‌ومیر و زادوولد برای جانوران اهمیت بیشتری دارد زیرا اگر جمعیت جانوران از تعداد معینی کمتر شوند جفت‌گیری آنها با مشکل مواجه می‌شود و توانایی پیداکردن همدیگر را ندارند. بنابراین در معرض انقراض قرار می‌گیرند.

زادوولد گونه‌ها در اکوسیستم

تعداد افرادی را که در طول یک زمان معین درون جمعیت زاده می‌شوند به‌صورت نسبت در هزار یا درصد بیان می‌شود و آن را نسبت زادوولد می‌نامند. دانستن اندازه جمعیت اهمیت زیادی دارد. اگر جمعیتی در سال 200 نفر ایجاد کند به خودی خود اهمیت زیادی ندارد اما اگر اندازه جمعیت را بدانیم نرخ زادوولد مشخص می‌شود.

$N = \frac{B}{P} \times 100$ که در معادله B تعداد متولدین در یک سال و P جمعیت در همان سال است.

اگر زادوولد بدون هیچ نوع محدودیتی انجام شود و موانع و کمبودها وجود نداشته باشند حداکثر زادوولد به دست می‌آید که «زادوولد فیزیولوژیک» نامیده می‌شود. زادوولد تحت شرایط محیطی زادوولد واقعی یا «زاد و ولد اکولوژیکی» نامیده می‌شود. (شکل 18)

نرخ رشد جمعیت

نرخ رشد جمعیت از رابطۀ $r = \frac{{B - D}}{P} \times 100$ محاسبه می‌شود که تفاضل مرگ‌ومیر از زادوولد بر کل جمعیت است.

در معادله بالا B ،D و P به ترتیب تعداد مرگ‌ومیر، تعداد زادوولد و کل جمعیت می‌باشند.

زمان لازم برای 2 برابرشدن جمعیت نیز از رابطه $T = \frac{{70}}{r}$ محاسبه می‌شود که t زمان لازم برای 2 برابرشدن، r نرخ رشد جمعیت و 70 عدد ثابت است. اگر نرخ رشد جمعیتی 2/36 باشد زمان لازم برای 2 برابرشدن 29 سال است.

پیش‌بینی تعداد افراد جمعیت در آینده در اکولوژی اهمیت زیادی دارد زیرا تعداد افراد جمعیت به میزان تولید مواد غذایی وابسته است. اگر N0 جمعیت اولیه و r نرخ رشد جمعیت باشد جمعیت در t سال آینده  $({N_t})$ از رابطۀ ${N_t} = N0{(1 + r)^t}$ محاسبه می‌شود. $r$ به‌صورت درصد بیان می‌شود. اگر 2 درصد باشد در معادله 0/02 نوشته می‌شود.

تنوع زیستی گونه‌ها در اکوسیستم‌ها

ترکیب جامعه از نظر گونه‌های مختلف جانوران و گیاهان تنوع زیستی نامیده می‌شود. به عبارت دیگر وجود جانوران و گیاهان مختلف تنوع را بیشتر می‌کند. هر اندازه تنوع در اکوسیستم بیشتر باشد خودتنظیمی در اکوسیستم بیشتر و اکوسیستم به پایداری بیشتری می‌رسد. تنوع زیستی شامل تنوع ژنتیکی (تفاوت‌ها و تنوع ژن‌ها)، تنوع گونه‌ای (وجود گونه‌های مختلف در یک منطقه) و تنوع اکوسیستمی است. عوامل مختلفی شامل عرض جغرافیایی، عوامل اقلیمی و قدمت اکوسیستم‌ها بر تنوع زیستی مؤثر می‌باشند.

روابط متقابل بین موجودات زنده

1- رقابت

گیاهان به آب، و مواد غذایی (نیتروژن، فسفر، پتاس و ...) نیاز دارند. اگر موادغذایی و آب به میزان کافی در اختیار گیاه قرار گیرد هر بوته به اندازه نیاز خود از آب و موادغذایی برداشت می‌کند. در برخی از شرایط مانند کمبود باران و برداشت زیاد موادغذایی توسط گیاهان عوامل لازم برای رشد کاهش می‌یابند و بین گیاهان رقابت به وجود می‌آید. رقابت به مفهوم تلاش موجودات کنار همدیگر برای به دست آوردن عاملی مشترک است.

1-1- رقابت درون گونه‌ای

رقابت درون گونه‌ای زمانی به وجود می‌آید که افراد درون گونه برای کسب منبع مشترک و محدود رقابت نمایند. در بسیاری از گونه‌های مهره‌داران و بی‌مهرگان عالی، پرندگان و ماهی‌ها گروه‌های خانوادگی محدوده‌ای را برای فعالیت حیاتی خود انتخاب می‌کنند که قلمرو نامیده می‌شوند. مثلاًً پرنده نر بعد از جفت‌یابی منطقه ای را معین می‌کنند که به استثنای پرنده ماده، هیچ پرنده‌ای از آن گونه حق ورود به آن منطقه را ندارد. تعیین قلمرو از زمان لانه‌سازی تا بزرگ‌شدن جوجه‌ها ادامه دارد. برخی از حشرات با ترشح ماده‌ای از خود، جفت خود را در فاصله 2 کیلومتری پیدا می‌کنند. این به آن مفهوم است که حشرات با ترشح فرومون‌ها قلمرو خود را تعیین می‌کنند.

1-2- رقابت بین گونه‌ها

افراد گونه‌های مختلف بر همدیگر اثر دارند برخی از این اثرات ممکن است برای هر دو گونه مثبت، یا برای یک گونه مثبت و برای گونه دیگر منفی و یا برای هر دو گونه مثبت باشد. دو گونه همچنین ممکن است در کنار همدیگر فایده‌ای به هم نرسانند و بی تأثیر باشند بر این اساس انواع روابط متقابل گونه‌ها عبارت‌اند از:

زندگی مستقل:

دو موجود در کنار هم در اکوسیستم رابطه‌ای باهم ندارند. مانند زرافه و خرگوش یا رشد خاکشیر در مزرعه گندم. (شکل 20)

همکاری اجباری:

هر دو گونه در کنار هم از یکدیگر سود می‌برند و در صورت دوربودن از یکدیگر زیان می‌بینند مانند باکتری‌های همزیست با ریشه برخی از گیاهان. (شکل 21)

همکاری اختیاری:

در این صورت هر دو موجود زنده در کنار یکدیگر سود می‌برند اما ارتباط بین آنها اجباری نیست مانند پرندگانی که از حشرات روی بدن فیل‌ها تغذیه می‌کنند.

هم‌سفرگی:

در این حالت یک گونه به عنوان میزبان و گونه دیگر به عنوان هم سفره می‌باشند. هم سفره سود می‌برد اما میزبان نه سود می‌برد و نه زیان. مانند سگ و انسان

بازدارندگی یک جانبه (آللوپاتیک) یا دگرآسیبی:

در این نوع زندگی یکی از گونه‌ها ماده‌ای ترشح می‌کند و مانع رشد گونه دیگر می‌شود مانند درخت گردو که ماده جوگلن ترشح می‌کند و مانع رشد گیاهان دیگر می‌شود.

زندگی انگلی:

در این حالت یک گونه میزبان است و گونه دیگر انگل است. انگل سود می‌برد و میزبان زیان می‌بیند مانند گیاه سس، بذر گیاه سس در خاک جوانه می‌زند سپس به دور ساقه می‌پیچد و زائده‌ای در ساقه میزبان فرو می‌کند و ارتباط خود را با زمین قطع می‌کند. (شکل 22- الف)

زندگی شکارگری:

یکی از گونه‌ها شکارچی و دیگری شکار است. مانند کفشدوزک و شته (شکل 22- ب)

گونه‌های در حال انقراض و ضرورت حفظ آنها در اکوسیستم‌ها

به‌طور کلی تعداد گونه‌های مناطق معتدله کمتر از تعداد گونه‌های مناطق استوایی هستند اما تعداد افراد یا جمعیت هرگونه در مناطق معتدله بیشتر از تعداد افراد هرگونه در مناطق حاره و استوایی است. اگر گونه‌ای دارای جمعیت کمتری در یک منطقه باشد احتمال انقراض آن بیشتر است. در مناطق گرمسیری درجه حرارت و رطوبت برای رشد و تولیدمثل موجودات فراهم است و جمعیت آنها افزایش می‌یابد. در ایران جانورانی مانند یوزپلنگ ایرانی، کبک و سیاه گوش در حال انقراض می‌باشند و جمعیت آنها به دلایل مختلفی کاهش یافته است.

عوامل اکولوژیکی

محیط فیزیکی موجودات زنده و کلیه موجودات زنده درون آن تحت تأثیر عوامل اکولوژیکی می‌باشند. در زیر عوامل اکولوژیکی و نقش آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

تأثیر عوامل اکولوژیکی بر رشد و پراکنش موجودات زنده در اکوسیستم‌ها:

کلیه موجودات زنده در محیط زیست تحت تأثیر هم زمان عوامل مختلفی قرار می‌گیرند و هیچ موجودی بدون وابستگی به محیط اطراف و به‌صورت مجزا زندگی نمی‌کنند. برخی از عوامل به‌صورت مستقیم و برخی به‌صورت غیرمستقیم بر رشد و پراکنش موجودات زنده تأثیر می‌گذارند.

عوامل اکولوژیکی به دودسته زیستی و اقلیمی تقسیم می‌شوند. عوامل زیستی شامل رفتار اجتماعی موجودات زنده مانند شکارگری، طعمه‌جویی و انگلی است و عوامل اقلیمی به تأثیر ترکیبات فیزیکی- شیمیایی آب و خاک و غیره اشاره دارد. عوامل اکولوژیکی اقلیمی به 4 دسته تقسیم می‌شوند.

1- عوامل اقلیمی شامل نور، درجه حرارت آب و باد هستند. و بر رشد و پراکنش موجودات زنده نقش اساسی دارند.
2- عوامل خاکی شامل خواصی از قبیل عناصر غذایی، اسیدیته و مقدار رطوبت خاک است.
3- پستی و بلندی شامل ناهمواری‌های زمین است. شیب زمین، زاویه برخورد نور خورشید به زمین
4- عوامل زیستی شامل روابط متقابل بین موجودات زنده است.

هواشناسی و اقلیم‌شناسی در اکوسیستم‌ها

آب و هوا (Wether) حالت زودگذر و موقتی اتمسفر است و مطالعه جنبه‌های فیزیکی این حالت و پدیده‌های مرتبط با آن را هواشناسی (Meterology) می‌گویند. کلیما (Climate) متوسط پارامترهای محیطی مانند بارندگی، دما یا تبخیر و تعرق را نشان می‌دهد و هواشناسی در واقع الگوی وضعیت آب و هوایی در زمان 20 تا 30 ساله در مکان خاصی را نشان می‌دهد. اقلیم‌ها در مناطق، تابع بارندگی و درجه حرارت یا تبخیر و تعرق هستند و ثابت می‌باشند اما آب و هوا زودگذر و موقتی است. بر این اساس اقلیم‌ها از بسیار خشک تا بسیار مرطوب تقسیم‌بندی می‌شوند و تاریخ کاشت گیاهان به ویژه در شرایط دیم تابع فصل مرطوب یا شروع بارندگی است. فصل مرطوب زمانی است که بارندگی از تبخیر و تعرق بیشتر است. اگر شروع فصل مرطوب را بدانید با 10 روز پس یا پیش‌بردن می‌توان تاریخ کاشت گیاه را تعیین نمود.

در نمودار 1، فصل مرطوب از اواخر مهر تا پایان اردیبهشت و کشت دیم گیاهان در این فصل انجام می‌شود. در حالی که فصل خشک از اواخر اردیبهشت تا اواخر مهر است و کشت آبی گیاهان در این زمان صورت می‌گیرد.

ریز اقلیم (میکروکلیما)

از نظر اکولوژی آن بخش از اتمسفر که در تماس با پیکر جاندار زنده قرار دارد اهمیت زیادی دارد و در اصلاح میکروکلیما گفته می‌شود. فضای محصور پایین کانوپی نوعی میکروکلیما است و نسبت به هوای بالای مزرعه متفاوت است و ممکن است در یک منطقه اقلیم خاصی حاکم باشد اما برخی از عوامل مانند شیب زمین بر این کلیما تأثیر بگذارد. در شیب‌های رو به شمال رطوبت بیشتری وجود دارد و گونه‌های جدیدتری نسبت به شیب‌های رو به جنوب وجود دارد. گاهی در یک منطقه گرم و خشک بخش کوچکی از منطقه دارای آب و هوای خنک می‌باشد. این امر به دلیل وجود شیب و تجمع آب، پستی و بلندی‌های محل می‌باشد که نوعی میکروکلیما تشکیل داده است.

نور

خورشید منبع اصلی انرژی برای اعمال حیاتی در کلیه اکوسیستم‌ها است. از کل انرژی ورودی حدود 50 درصد آن به سطح زمین می‌رسد و 1 الی 2 درصد آن جذب گیاهان می‌شود.

نور از 3 جهت اهمیت دارد: شدت نور، کیفیت نور و طول مدت تابش

شدت نور:

هنگامی که نور از لایه‌های اتمسفر عبور می‌کند مقداری از آن منعکس، مقداری توسط ذرات معلق پخش و مقداری نیز عبور می‌کند. شدت نور از ساعتی به ساعت دیگر و از فصلی به فصل دیگر متفاوت است. در عرض‌های جغرافیایی بالا شدت نور کم می‌شود چون زاویه تابش خورشید به سطح زمین مایل می‌تابد و نور تابیده‌شده در سطح بیشتری از زمین پخش می‌شود. همچنین شیب زمین و پستی وبلندی‌ها بر شدت نور دریافتی نقش اساسی دارند. در نیم‌کره شمالی شیب‌های جنوبی شدت نور بیشتری دریافت می‌کنند و رطوبت خاک سریع‌تر بخار می‌شود اما شیب‌های رو به شمال شدت نور کمتر و رطوبت بیشتر دارند بنابراین فراوانی گونه‌ها در شیب رو به شمال بیشتر از شیب رو به جنوب است.

کیفیت نور:

دانشمندان معتقدند که نور به دو صورت از منبع خورشید جریان پیدا می‌کند. 1- به‌صورت بسته‌های انرژی (فوتون) 2- به‌صورت طول موج. طول موج در واقع فاصله بین دو برآمدگی یا دو فرورفتگی در موج می‌باشد. انرژی خورشیدی از طول موج‌های مختلفی تشکیل شده است. نور قابل دیدن (مرئی) شامل قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش، با طول موج‌هایی از 390 تا 760 نانومتر می‌باشند. نور قابل دیدن بین طول موج فرابنفش و فروسرخ است. طول موج‌های بین 400 تا 700 نانومتر در فتوسنتز مؤثرند. نور سبز از سطح برگ منعکس می‌شود اما طیف قرمز و آبی جذب کلروفیل می‌شود. فرابنفش دارای انرژی زیاد و مخرب است و در ارتفاعات سبب کوتاهی ارتفاع گیاهان و درختان و پراکنش گیاهان در ارتفاعات مختلف می‌شود. طول موج فروسرخ نقش گرمایی دارد و 42 درصد انرژی خورشیدی را به خود اختصاص می‌دهد. در مناطق دارای رطوبت نسبی بالا به آسانی توسط بخارآب جذب می‌شود.

طول مدت تابش نور:

طول مدت تابش نور به معنی طول دوره روشنایی از طلوع خورشید تا غروب آن است. اختلاف محور قطب‌ها با محور گردش زمین به دور خورشید (66 درجه و 33 دقیقه) سبب اختلاف شب و روز می‌شود.

گیاهان در واکنش به طول روز به سه دسته روزبلند، روزکوتاه و روزخنثی تقسیم می‌شوند.

گیاهان روز بلند:

این گیاهان برای شروع گل‌دهی به طول روز بیشتر از 12 ساعت نیاز دارند و طول روزهای کوتاه سبب تأخیر در گل‌دهی می‌شود.

گیاهان روز کوتاه:

گیاهانی هستند که برای انتقال از مرحله رویشی به زایشی به طول روز کمتر از 12 ساعت نیاز دارند و طول روزهای بلند سبب تأخیر در گل‌دهی می‌شود.

گیاهان روز خنثی:

گل‌دهی آنها وابسته به طول روز نیست و عوامل دیگری مانند درجه حرارت، حاصلخیزی خاک و... مؤثراند.

شدت نور:

مقدار نور تابیده شده از خورشید در واحد سطح در راستای تابش، شدت نور گفته می‌شود. شدت نور در عرض‌های جغرافیایی مختلف متفاوت است.

در استوا شدت نور رسیده به زمین بیشتر است چون خورشید به‌صورت عمودی به زمین تابیده می‌شود امّا در عرض دمای جغرافیایی بالا با زاویه حاده (تند) بر سطح زمین می‌تابد و بنابراین نور رسیده در مساحت بیشتری از سطح زمین توزیع می‌شود. شدت نور بر میزان پراکنش گیاهان و جانوران مؤثر است. تنوع گونه‌های گیاهی در استوا بیشتر است و هر چه به سمت قطبین زمین حرکت می‌کنیم از این تنوع کاسته می‌شود.

درجه حرارت

درجه حرارت کمیتی است که به وسیله آن انرژی گرمایی اندازه‌گیری می‌شود. منبع گرما انرژی خورشیدی و انرژی منعکس شده از زمین است. دامنه فعالیت موجودات زنده بین صفر و 50 درجه سلسیوس است. دمای صفر دمای انجماد آب و دمای 50 درجه سلسیوس دمای انعقاد پروتئین‌ها است. درجه حرارت برای فعالیت موجودات زنده به ویژه گیاهان زراعی به سه دسته درجه حرارت کمینه، بهینه و بیشینه تقسیم می‌شود. درجه حرارت‌های بالا سبب تبخیر آب و پژمردگی برگ‌ها می‌شوند و دماهای زیر صفر سبب یخ‌زدن آب داخل سلولی می‌شود و با افزایش حجم یخ سلول‌ها پاره می‌شوند و محتویات درون سلولی تخلیه می‌گردد.

مقاومت گیاهان به سرما سبب سازگاری آنها به مناطق سرد می‌شوند. بر این اساس گیاهان به دو گروه گرمادوست (برنج، ذرت و سویا) و سرمادوست (گندم، جو، چاودار و یولاف) تقسیم می‌شوند.

عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا

سطح دریاهای آزاد را مبنای مقایسه در نظر می‌گیرند و ارتفاع مناطق را نسبت به دریاها، ارتفاع از سطح دریا می‌نامند. متناسب با افزایش ارتفاع دما کاهش می‌یابد. به ازای هر 1000 متر افزایش ارتفاع دما 6 درجه سلسیوس کاهش می‌یابد. کاهش دما سبب افزایش طول دوره رشد گیاهان و برداشت دیرتر می‌گردد. بررسی‌ها نشان داده است که هر 110 متر ارتفاع از سطح دریا زمان برداشت را 4 روز به تأخیر می‌اندازد. همچنین با افزایش هر 1 درجه عرض جغرافیایی نیز زمان برداشت را 4 روز به تأخیر می‌اندازد. بنابراین هر 1 درجه عرض جغرافیایی معادل 110 متر ارتفاع از سطح دریا و 110 کیلومتر مسافت مستقیم روی زمین است. با افزایش ارتفاع از سطح دریا تنوع گونه‌ها تغییر می‌کند و ممکن است گونه‌های مختلف یک جنس در ارتفاعات مختلف مشاهده شوند. برخی از گیاهان به عرض‌های جغرافیایی خاصی سازگاری دارند. اگر بخواهید گیاهی را از عرض جغرافیایی بالا به عرض جغرافیایی پایین انتقال دهید و بکارید بایستی منطقه کاشت دارای ارتفاع از سطح دریا بالاتری نسبت به عرض منطقه کاشت باشد.

تغییر اقلیم جهانی

گازهای گلخانه‌ای

گازهای کربن‌دی‌اکسید، متان و بخار آب موجود در هوا مانع بازگشت گرما به اتمسفر می‌شوند و در نتیجه سبب گرم‌شدن کره زمین می‌گردند. میزان کربن‌دی‌اکسید موجود در هوا معیاری برای سنجش گازهای گلخانه ای محسوب می‌شود به عنوان نمونه پیش از صنعتی‌شدن دنیا، کربن‌دی‌اکسید موجود در هوا PPM 260 -280 بود، اما پس از صنعتی‌شدن این میزان افزایش یافت و در حال حاضر به 360PPM رسیده است.

پژوهش‌ها نشان داده است که کاهش کربن‌دی‌اکسید به تنهایی نمی‌تواند دمای هوا را کاهش دهد زیرا متان یکی از گازهای دیگری است که نادیده گرفته شده است. حدود 20 درصد گرمایش جهانی ناشی از تولید گاز متان در بخش کشاورزی است. گازهای گلخانه‌ای سبب افزایش دمای اکوسیستم‌ها می‌شوند. گرمایش جهانی بر تمامی موجودات زنده و غیرزنده زمین تأثیر می‌گذارد.