Всяка година човек все повече и повече изчерпва ресурсите на планетата. Не е изненадващо, че през последните години оценка на колко ресурси може да даде една или друга биоценоза е от голямо значение. Днес производителността на екосистемата е от решаващо значение при избора на метод за управление, тъй като икономическата осъществимост на работата директно зависи от количеството продукти, които могат да бъдат получени.
Ето основните въпроси, с които днес се сблъскват учените:
- Колко слънчева енергия е налична и колко се усвоява от растенията, как се измерва?
- Кои видове екосистеми имат най-висока производителност и кои дават най-първични продукти?
- Какви фактори ограничават количеството първично производство на местно ниво и в световен мащаб?
- Каква е ефективността, с която енергията се преобразува от растенията?
- Какви са разликите между ефективността на асимилация, чистото производство и екологичната ефективност?
- По какво се различават екосистемите в биомасата или автотрофните организми?
- Колко енергия е на разположение на хората и колко използваме?
Ще се опитаме поне частично да им отговорим в рамките на тази статия. Първо, нека се спрем на основните понятия. И така, производителността на екосистемата е процес 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 предшественици. Наричат се автотрофи, което означава „самозахранване“. Всъщност производителността на екосистемите зависи от тяхната дейност. Автотрофите също се наричат първични производители. Организмите, които са в състояние да произведат сложни органични молекули от прости неорганични вещества (вода, CO2), най-често принадлежат към класа на растенията, но някои бактерии притежават същите възможности. Процесът, чрез който те синтезират органиката, се нарича фотохимичен синтез. Както подсказва името, фотосинтезата изисква слънчева светлина.
Трябва да споменем и пътя, известен като хемосинтеза. Някои автотрофи, основно специализирани бактерии, могат да преобразуват неорганични хранителни вещества в органични съединения без достъп до слънчева светлина. Има няколко групи хемосинтетични бактерии в морска и сладка вода и те са особено често срещани в среда с високи нива на сероводород или сяра. Подобно на растенията, носещи хлорофил и други организми, способни на фотохимичен синтез, химиосинтетичните организми са автотрофи. Производителността на дадена екосистема обаче по-вероятно се нарича активност на растителността, тъй като именно тя е отговорна за натрупването на повече от 90% органична материя. Хемосинтезата играе несравнимо по-малка роля в това.
Междувременно много организми могат да получават необходимата енергия само чрез хранене на други организми. Те се наричат хетеротрофи. По принцип те включват всички едни и същи растения (те също „изяждат“ готовите органични вещества), животни, микроби, гъби и микроорганизми. Хетеротрофите също се наричат "потребители".
Ролята на растенията
Като правило думата "производителност" 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 преобразуват неорганични вещества в органични. Без тях животът на нашата планета би бил невъзможен и затова производителността на екосистемата се гледа от тази гледна точка. Като цяло въпросът се поставя изключително просто: така че каква маса органична материя може да съхранява растенията?
Какви биоценози са най-продуктивни?
Странно е, но създадените от човека биоценози далеч не са най-продуктивни. Джунглата, блата, селфита на големи тропически реки в това отношение са далеч пред тях. В допълнение, именно тези биоценози неутрализират огромно количество токсични вещества, които отново попадат в природата в резултат на човешка дейност, а също така произвеждат повече от 70% от кислорода, съдържащ се в атмосферата на нашата планета. Между другото, много учебници все още твърдят, че океаните на Земята са най-продуктивните „житни зърна”. Странно е, но това твърдение е много далеч от истината.
Океански парадокс
Знаете ли с какво се сравнява биологичната производителност на екосистемите на моретата и океаните? С полупустини! Големите обеми биомаса се обясняват с факта, че именно водните простори заемат по-голямата част от повърхността на планетата. Така че многократно прогнозираната употреба на моретата като основен източник на хранителни вещества за цялото човечество през следващите години едва ли е възможна, тъй като икономическата осъществимост на това е изключително ниска. Въпреки това ниската производителност на този тип екосистема по никакъв начин не накърнява значението на океаните за живота на всички живи същества, така че те трябва да бъдат защитени възможно най-внимателно.
Съвременните еколози казват, че възможностите на земеделските земи далеч не са изчерпани и в бъдеще ще можем да получим по-изобилни култури от тях. Особени надежди се полагат на оризовите полета, които могат да дадат огромно количество ценна органична материя поради техните уникални характеристики.
Основи за биологична производителност
По принцип производителността на екосистемите се определя от скоростта на фотосинтеза 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 сухата маса на растенията. Брутното производство се нарича неговият обем, създаден от растителните организми за определена единица време, при постоянна скорост на фотосинтеза. Трябва да се помни, че част от това вещество ще отиде за жизнената дейност на самите растения. Останалото след това органично вещество е нетната първична производителност на екосистемата. Тя е тази, която храни хетеротрофи, сред които ние сме сред вас.
Има ли „горна граница“ за първичното производство?
Накратко, да. Нека разгледаме накратко как фотосинтезата е ефективна по принцип. Не забравяйте, че интензивността на слънчевата радиация, достигаща земната повърхност, е силно зависима от местоположението: максималната възвръщаемост на енергия е характерна за екваториалните зони. Той намалява експоненциално, когато се приближава до полюсите. Около половината от слънчевата енергия се отразява от лед, сняг, океани или пустини, погълнати от газове в атмосферата. Например, слой от атмосферен озон поглъща почти цялата ултравиолетова радиация! Само половината от светлината, която влиза в листата на растенията, се използва в реакцията на фотосинтеза. Така че биологичната производителност на екосистемите е резултат от преобразуването на незначителна част от енергията на слънцето!
Какво представляват вторичните продукти?
Съответно вторичният продукт се нарича растеж на потребителите (тоест потребителите) за определен период от време. Разбира се, производителността на екосистемите зависи от тях в много по-малка степен, но именно тази биомаса играе решаваща роля в човешкия живот. Трябва да се отбележи, че вторичната органичност се брои отделно на всяко трофично ниво. Така типовете производителност на екосистемата се делят на два типа: първичен и вторичен.
Съотношението на първичните и вторичните продукти
Както може би се досещате, съотношението биомаса към общата растителна маса е сравнително малко. Дори в джунглата и блатата този показател рядко надвишава 6, 5%. Колкото повече тревисти растения в общността, толкова по-висока е степента на натрупване на органична материя и толкова по-голямо е несъответствието.
Относно скоростта и обема на образуване на органични вещества
Като цяло, ограничителната 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, 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 проявява. Смята се, че на Земята асимилацията на слънчевата светлина не надвишава 0, 1%.
Дистрибуция на първични продукти
Трябва да се отбележи, че производителността на естествената екосистема е изключително неравномерна в глобален мащаб. Общата маса на цялата органична материя, която се образува ежегодно на повърхността на Земята, е около 150-200 милиарда тона. Спомняте ли си какво казахме за производителността на океана по-горе? И така, 2/3 от това вещество се образува на сушата! Само си представете: гигантски, невероятни обеми на хидросферата образуват три пъти по-малко органична материя от оскъдната част на сушата, значителна част от която е пустиня!
Повече от 90% от натрупаната органична материя под една или друга форма се изяжда от хетеротрофни организми. Само незначителна част от слънчевата енергия се съхранява под формата на почвен хумус (както и нефт и въглища, образуването на които се извършва дори днес). У нас увеличението на първичното биологично производство варира от 20 c / ha (близо до Северния ледовит океан) до над 200 c / ha в Кавказ. В пустинните райони тази стойност не надвишава 20 кг / ха.
По принцип на пет топли континента на нашия свят интензивността на производството е почти еднаква, почти: в Южна Америка растителността натрупва един и половина пъти повече сухо вещество, поради отличните климатични условия. Там производителността на природни и изкуствени екосистеми е максимална.
Какво осигурява храненето на хората?
Приблизително 1, 4 милиарда хектара са заети на повърхността на нашата планета от насаждения от култивирани от човека растения, които ни осигуряват храна. Това е приблизително 10% от всички екосистеми на планетата. Странно е, но само половината от продукцията отива директно на хората. Всичко останало се използва като храна за домашни любимци и отива за нуждите на промишленото производство (не е свързано с производството на храна). Учените отдавна алармират: производителността и биомасата на екосистемите на нашата планета са в състояние да осигурят не повече от 50% от човешките нужди от протеини. Най-просто казано, половината от населението в света живее в условия на хроничен протеинов глад.
Записвайте биоценози
Както вече казахме, екваториалните гори се характеризират с най-висока продуктивност. Само помислете за това: един хектар такава биоценоза може да представлява повече от 500 тона сухо вещество! И това е далеч от ограничението. В Бразилия, например, един хектар гора произвежда от 1200 до 1500 тона (!) Органична материя годишно! Помислете само: до два центра органична материя на квадратен метър! В тундрата на същата площ се образуват не повече от 12 тона, а в горите на средната зона - в рамките на 400 т. Земеделските предприятия в тези части активно използват това: производителността на изкуствената екосистема под формата на поле от захарна тръстика, което може да натрупа до 80 тона сухо вещество на хектар, никъде другаде такива култури не могат да дават физически. Въпреки това заливите на Ориноко, Мисисипи, а също и някои райони на Чад се различават леко от тях. Тук за една година екосистемите „отделят” до 300 тона материя на хектар земя!
