Всяка година хората изчерпват ресурсите на планетата все повече и повече. Не е изненадващо, че напоследък оценката на това колко ресурси може да осигури дадена биоценоза стана от голямо значение. Днес продуктивността на екосистемата е от решаващо значение при избора на начин на управление, тъй като икономическата осъществимост на работата пряко зависи от количеството продукция, която може да бъде получена.
Ето основните въпроси, пред които са изправени учените днес:
- Колко слънчева енергия е налична и колко се усвоява от растенията, как се измерва?
- Кои видове екосистеми са най-продуктивни и произвеждат най-първично производство?
- Какви фактори ограничават първичното производство на местно и глобално ниво?
- Каква е ефективността, с която инсталациите преобразуват енергията?
- Какви са разликите между ефективносттаасимилация, по-чисто производство и екологична ефективност?
- Как се различават екосистемите по количеството биомаса или обема на автотрофните организми?
- Колко енергия е на разположение на хората и колко използваме?
Ще се опитаме да им отговорим поне частично в рамките на тази статия. Първо, нека се занимаваме с основните понятия. И така, продуктивността на една екосистема е процесът на натрупване на органична материя в определен обем. Какви организми са отговорни за тази работа?
Автотрофи и хетеротрофи
Знаем, че някои организми са способни да синтезират органични молекули от неорганични прекурсори. Наричат се автотрофи, което означава "само хранещи се". Всъщност продуктивността на екосистемите зависи от тяхната дейност. Автотрофите се наричат още първични производители. Организмите, които са способни да произвеждат сложни органични молекули от прости неорганични вещества (вода, CO2), най-често принадлежат към класа растения, но някои бактерии имат същата способност. Процесът, чрез който те синтезират органични вещества, се нарича фотохимичен синтез. Както подсказва името, фотосинтезата изисква слънчева светлина.
Трябва да споменем и пътя, известен като хемосинтеза. Някои автотрофи, главно специализирани бактерии, могат да превръщат неорганичните хранителни вещества в органични съединения без достъп до слънчева светлина. Има няколко групи хемосинтетичнибактерии в морска и сладка вода и те са особено често срещани в среди с високо съдържание на сероводород или сяра. Подобно на растенията, носещи хлорофил, и други организми, способни на фотохимичен синтез, хемосинтетичните организми са автотрофи. Въпреки това, продуктивността на екосистемата е по-скоро дейността на растителността, тъй като именно тя е отговорна за натрупването на повече от 90% от органичната материя. Хемосинтезата играе непропорционално по-малка роля в това.
Междувременно много организми могат да получат енергията, от която се нуждаят, само като ядат други организми. Те се наричат хетеротрофи. По принцип те включват едни и същи растения (те също така „ядат“готови органични вещества), животни, микроби, гъбички и микроорганизми. Хетеротрофите също се наричат "консуматори".
Ролята на растенията
По правило думата "продуктивност" в този случай се отнася до способността на растенията да съхраняват определено количество органична материя. И това не е изненадващо, тъй като само растителните организми могат да превръщат неорганичните вещества в органични. Без тях самият живот на нашата планета би бил невъзможен и затова продуктивността на екосистемата се разглежда от тази позиция. Като цяло въпросът е изключително прост: колко органична материя могат да съхраняват растенията?
Кои биоценози са най-продуктивни?
Колкото и да е странно, но създадените от човека биоценози далеч не са най-продуктивните. Джунгли, блата, селва на големи тропически реки в това отношениеса далеч напред. В допълнение, тези биоценози неутрализират огромно количество токсични вещества, които отново навлизат в природата в резултат на човешката дейност, а също така произвеждат повече от 70% от кислорода, съдържащ се в атмосферата на нашата планета. Между другото, в много учебници все още се казва, че океаните на Земята са най-продуктивната „хитница“. Колкото и да е странно, но това твърдение е много далеч от истината.
Океански парадокс
Знаете ли с какво се сравнява биологичната продуктивност на екосистемите на моретата и океаните? С полупустини! Големите обеми биомаса се обясняват с факта, че водните пространства заемат по-голямата част от повърхността на планетата. Така че многократно прогнозираното използване на моретата като основен източник на хранителни вещества за цялото човечество през следващите години едва ли е възможно, тъй като икономическата осъществимост на това е изключително ниска. Въпреки това, ниската производителност на този тип екосистема по никакъв начин не намалява значението на океаните за живота на всички живи същества, така че те трябва да бъдат защитени възможно най-внимателно.
Съвременните природозащитници твърдят, че възможностите на земеделските земи далеч не са изчерпани и в бъдеще ще можем да получаваме по-обилни реколти от тях. Особени надежди се възлагат на оризовите полета, които могат да произвеждат огромно количество ценна органична материя поради уникалните си характеристики.
Основна информация за производителността на биологичните системи
Обща производителност на екосистематасе определя от скоростта на фотосинтезата и натрупването на органични вещества в определена биоценоза. Масата на органичната материя, която се създава за единица време, се нарича първично производство. Може да се изрази по два начина: или в джаули, или в суха маса на растенията. Брутното производство е неговият обем, създаден от растителните организми за определена единица време, при постоянна скорост на процеса на фотосинтеза. Трябва да се помни, че част от това вещество ще отиде за жизнената дейност на самите растения. Останалата органична материя е нетната първична продуктивност на екосистемата. Тя е тази, която отива да храни хетеротрофи, сред които сме ти и аз.
Има ли "горна граница" за първично производство?
Накратко, да. Нека да разгледаме набързо колко ефективен е процесът на фотосинтезата по принцип. Припомнете си, че интензитетът на слънчевата радиация, достигаща земната повърхност, силно зависи от местоположението: максималната възвръщаемост на енергията е характерна за екваториалните зони. Той намалява експоненциално, когато се приближава до полюсите. Приблизително половината от слънчевата енергия се отразява от лед, сняг, океани или пустини и се абсорбира от газове в атмосферата. Например, озоновият слой на атмосферата поглъща почти цялата ултравиолетова радиация! Само половината от светлината, която удря листата на растенията, се използва в реакцията на фотосинтеза. Така че биологичната продуктивност на екосистемите е резултат от преобразуването на незначителна част от слънчевата енергия!
Какво е вторично производство?
Съответно се наричат вторични продуктирастежът на потребителите (т.е. на потребителите) за определен период от време. Разбира се, производителността на екосистемата зависи от тях в много по-малка степен, но именно тази биомаса играе най-важната роля в човешкия живот. Трябва да се отбележи, че вторичните органични вещества се изчисляват отделно на всяко трофично ниво. По този начин видовете продуктивност на екосистемите са разделени на два вида: първична и вторична.
Съотношение на първично и вторично производство
Както може да се досетите, съотношението на биомасата към общата растителна маса е сравнително ниско. Дори в джунглата и блатата тази цифра рядко надвишава 6,5%. Колкото повече тревисти растения са в общността, толкова по-висока е степента на натрупване на органична материя и толкова по-голямо е несъответствието.
За скоростта и обема на образуване на органични вещества
Като цяло лимитиращата скорост на образуване на органична материя от първичен произход зависи изцяло от състоянието на фотосинтетичния апарат на растенията (PAR). Максималната стойност на ефективността на фотосинтезата, която е постигната в лабораторни условия, е 12% от стойността на PAR. При естествени условия стойност от 5% се счита за изключително висока и практически не се среща. Смята се, че на Земята асимилацията на слънчевата светлина не надвишава 0,1%.
Първична производствена дистрибуция
Трябва да се отбележи, че производителността на естествената екосистема е изключително неравномерна в цялата планета. Общата маса на цялата органична материя, която се образува годишно наповърхността на Земята, е около 150-200 милиарда тона. Помните ли какво казахме за производителността на океаните по-горе? И така, 2/3 от това вещество се образува на сушата! Само си представете: гигантски, невероятни обеми от хидросферата образуват три пъти по-малко органична материя от малка част от земята, голяма част от която са пустини!
Повече от 90% от натрупаната органична материя в една или друга форма се използва като храна за хетеротрофни организми. Само малка част от слънчевата енергия се съхранява под формата на почвен хумус (както и петрол и въглища, които се образуват и днес). На територията на нашата страна нарастването на първичната биологична продукция варира от 20 центнера на хектар (близо до Северния ледовит океан) до повече от 200 центнера на хектар в Кавказ. В пустинните райони тази стойност не надвишава 20 c/ha.
По принцип на петте топли континента на нашия свят интензивността на производството е практически еднаква, почти: в Южна Америка растителността натрупва един и половина пъти повече сухо вещество поради отличните климатични условия. Там производителността на естествените и изкуствените екосистеми е максимална.
Какво храни хората?
Приблизително 1,4 милиарда хектара на повърхността на нашата планета са насаждения от култивирани растения, които ни осигуряват храна. Това е приблизително 10% от всички екосистеми на планетата. Колкото и да е странно, но само половината от получените продукти отиват директно в човешката храна. Всичко останало се използва като храна за домашни любимци и отива зануждите на промишленото производство (несвързани с производството на хранителни продукти). Учените бият тревога от дълго време: производителността и биомасата на екосистемите на нашата планета могат да осигурят не повече от 50% от нуждите на човечеството от протеини. Просто казано, половината от световното население живее в условия на хроничен протеинов глад.
Биоценози-рекордьори
Както вече казахме, екваториалните гори се характеризират с най-висока производителност. Помислете само: повече от 500 тона сухо вещество могат да паднат на един хектар от такава биоценоза! И това е далеч от границата. В Бразилия, например, един хектар гора произвежда от 1200 до 1500 тона (!) органична материя годишно! Помислете само: има до два центра органична материя на квадратен метър! В тундрата на същата площ се образуват не повече от 12 тона, а в горите на средния пояс - в рамките на 400 тона. Земеделските предприятия в тези части активно използват това: производителността на изкуствена екосистема под формата на захар тръстиково поле, което може да натрупа до 80 тона сухо вещество на хектар, никъде другаде физически не може да произведе такива добиви. Въпреки това, заливите Ориноко и Мисисипи, както и някои райони на Чад, се различават малко от тях. Тук за една година екосистемите „отдават“до 300 тона вещества на хектар площ!
Резултати
По този начин оценката на производителността трябва да се извършва въз основа на основното вещество. Факт е, че вторичното производство е не повече от 10% от тази стойност, стойността му варира значително и следователно подробен анализтози индикатор е просто невъзможен.
