Чистая и валовая первичная продукция, их соотношение в различных экосистемах. Эффективность использования первичной продукции в трофических цепях

 

Жизнь всех биоценозов зависит в конечном счете от использования солнечной энергии зелеными растениями. Скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами, накапливаясь в форме органических веществ, называется первичной продуктивностью экологической системы. Производство органического вещества можно подразделить на 4 уровня:

1. Валовая первичная продуктивность — общая скорость фотосинтеза. Сюда же относятся органические вещества, которые были израсходованы на дыхание.

2. Чистая первичная продуктивность — это скорость накопления органического вещества в растениях, исключая то, что потрачено на дыхание.

3. Чистая продуктивность сообщества — скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (консументами и деструкторами) за определенный период: за время вегетации, сезон, год.

4. Вторичная продуктивность — это скорость накопления энергии на уровнях консументов. Консументы лишь усваивают ранее использованные питательные вещества, часть их расходуется на дыхание, а остальное превращается в ткани тела. Вторичную продуктивность не делят на валовую и чистую.

Высокие скорости накопления органического вещества наблюдаются и в естественных, и в искусственных экосистемах. Это происходит там, где благоприятны физические факторы, а особенно — при поступлении дополнительной энергии извне. Она может поступать в различной форме: в тропическом лесу в форме работы ветра и дождя; в эстуарии — в виде энергии прилива; в поле — в форме энергии, которая затрачивается на обработку земли, ее орошение и удобрение. Оценивая продуктивность экосистемы, нужно учитывать и утечку энергии, связанную со сбором урожая, загрязнением среды, плохой погодой и другими неблагоприятными воздействиями.

В общем, продуктивность экосистемы говорит о ее богатстве. Богатое и продуктивное сообщество не обязательно имеет большее число организмов, чем бедное. Ведь особи в сообществе могут быстро оборачиваться или из него изыматься. Так, на богатом пастбище, где пасется скот, урожай травы на корню будет меньше, чем на менее продуктивном, но без выпаса. Наличную биомассу нельзя путать с продуктивностью.

Знакомство с концепцией продуктивности экосистем рождает закономерный вопрос: каков полезный «выход» биомассы в экосистемах, каков их коэффициент полезного действия? Иными словами, каково соотношение валовой и чистой первичной продукции?

Это соотношение различается в разных экосистемах и в разные сезоны года. Например, на севере летом в валовую продукцию превращается 10 процентов общего дневного поступления солнечной энергии и за сутки 75–80 процентов валовой продукции может перейти в чистую. Однако такая продуктивность не может сохраняться весь год и даже в течение всего вегетативного периода. Известно, что у молодых растений больше расход энергии на построение тканей тела. У старых же большая часть ассимилированной энергии расходуется на дыхание. В среднем в ткани растений превращается около половины продукции фотосинтеза, остальная идет на дыхание.

Как правило, по валовой продукции культурные экосистемы не превосходят богатые природные. Человек увеличивает продуктивность, доставляя воду и питательные вещества туда, где они служат лимитирующими факторами. Но более всего человек увеличивает чистую первичную продуктивность и чистую продуктивность сообщества, направляя в него дополнительную энергию и уменьшая тем самым расход продукции на автотрофном и гетеротрофном уровнях. Этим он увеличивает урожай для себя. В горючем, которое расходуется сельскохозяйственными машинами, заключено не меньше энергии, чем в солнечных лучах, попадающих на поля. В США, например, вклад энергии топлива в сельское хозяйство увеличился с 1900 по 1970-е годы в 10 раз (примерно с 1 до 10 калорий на каждую калорию полученной пищи). Такой вклад дополнительной энергии для получения урожая называют энергетической субсидией. Другой путь увеличения урожая для человека — отбор на повышение соотношения съедобных частей растения к волокну. Например, за XX век отношение сухой массы зерна к массе соломы у пшеницы и риса увеличилось с 50 до 80 процентов.

«Зеленая революция» в разных странах была вызвана выведением новых сортов сельскохозяйственных культур. В них высокое содержание съедобных частей по сравнению с «соломой». Но самое существенное их свойство — это хорошая реакция на энергетические субсидии в форме орошения и удобрения, дающая существенную прибавку урожая. А без этих поступлений новые сорта дают урожаи ниже, чем традиционные, не требующие таких субсидий. Стало быть, понятие «урожай» не столь четкое, как «первичная продукция» и ее подразделения. Урожай — это та полезная продукция, которую собрал человек со своего поля или из природной экосистемы без учета затрат (энергетической субсидии). По мере уменьшения доступности и увеличения стоимости полезных ископаемых (горючего) становится все труднее обеспечивать агроэкосистемы дополнительной энергией.

Если рассматривать в целом продуктивность наземных экосистем, то выясняется важная закономерность.Расположив сообщества в ряд от используемых человеком короткоживущих до зрелых, устойчивых, таких, как спелый хвойный лес в северных широтах, можно отметить, что чистая продуктивность, как первичная, так и сообщества, в начале ряда выше, а в конце почти равна нулю. В качестве примера экосистемы с быстрым ростом часто приводится поле люцерны, где за короткое время получается высокий выход продукции. Мы уже знаем, что увеличение «выхода» возможно за счет уменьшения затрат на дыхание автотрофов и на жизнь потребителей (консументов). Уменьшение затрат на гетеротрофов развивалось и эволюционным путем. У растений образовывались защитные механизмы, такие, как природные инсектициды или целлюлозные структуры (шипы, колючки).

В сложившихся устойчивых сообществах с большой биомассой почти вся полученная при фотосинтезе энергия питательных веществ уходит на поддержание самой системы. Что не потребляют растения, то используют затем животные и микроорганизмы.
Многие ученые считают, что для того чтобы растущему населению вместе с домашними и дикими животными выжить, нужно уже сейчас позаботиться об увеличении продуктивности подходящих для этого мест. Даже если использовать только продукцию сельскохозяйственного производства, необходимо увеличить ее выход. Годовая продукция большинства сельскохозяйственных культур невелика, например, однолетние зерновые продуктивны лишь несколько месяцев. Повышение же урожая за счет таких культур, которые дают продукцию в течение всего года, может приблизить валовую продуктивность культурных экосистем к уровню лучших природных сообществ. Кроме того, большинство специалистов по сельскохозяйственной экологии считают, что слишком большое значение придается монокультуре однолетних растений. Даже простой здравый смысл велит подумать об увеличении разнообразия культур, совмещении посевов, использовании многолетних видов.

 

Первый трофический уровень — продуценты (зеленые растения) — используют солнечную энергию в процессе фотосинтеза, создавая первичную продукцию любого биоценоза. При этом только 0,1% солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза. Эффективность, с которой зеленые растения ассимилируют солнечную энергию, оценивается величиной первичной продуктивности. Более половины энергии, связанной при фотосинтезе, тут же расходуется растениями в процессе дыхания, остальная часть энергии переносится далее по пищевым цепям.
При этом действует важная закономерность, связанная с эффективностью использования и превращения энергии в процессе питания. Сущность ее заключается в следующем: количество энергии, расходуемой на поддержание собственной жизнедеятельности, в цепях питания растет от одного трофического уровня к другому, а продуктивность падает.

Фитобиомасса используется в качестве источника энергии и материала для создания биомассы организмов второго трофического уровня потребителей первого порядка — травоядных животных. Обычно продуктивность второго трофического уровня составляет не более 5 - 20% (10%) предыдущего уровня. Это находит отражение в соотношении на планете биомасс растительного и животного происхождения. Объем энергии, необходимой для обеспечения жизнедеятельности организма, растет с повышением уровня морфофункциональной организации. Соответственно, количество биомассы, создаваемой на более высоких трофических уровнях, снижается.

22. Особенности организации наземных экосистем по сравнению с водными. Почва, как основной компонент наземных экосистем

 

Как наземная, так и водная экосистемы имеют пространственную и видовую структуру. Пространственная структура характеризуется вертикальным расслоением системы на ярусы. Например, в хвойном лесу умеренной зоны выделяют 5 ярусов:. Древесный ярус. Здесь произрастают сосна и лиственные деревья - береза и осина. В этом ярусе обитает свыше 1000 видов насекомых, жизнедеятельность которых тесно связана с деревьями, многие виды птиц, а также млекопитающие.. Кустарниковый ярус представлен калиной обыкновенной, крушиной, боярышником, шиповником, некоторыми видами птиц и млекопитающих, многими видами насекомых.. Травянистый ярус. Здесь можно встретить травы, невысокие лесные растения, полукустарники, кустарники, подрост деревьев, папоротники, мхи и лишайники. В травянистом ярусе и приземном слое обитает множество беспозвоночных: пауки, мухи, жуки, бабочки, пчелы, осы, комары, муравьи и др. На земле устраивают свои гнезда глухарь, тетерев. Этот же ярус является средой обитания и млекопитающих: косуль, волков, лисиц, разнообразных грызунов, насекомоядных.. Подстилка. В данном ярусе расположены мертвые и разлагающиеся организмы. Здесь обитают редуценты: беспозвоночные животные, грибы и бактерии.. Почва. Ярус богат корнями растений. Они служат местом зимовки для многих беспозвоночных. Среди постоянных обитателей яруса можно выделить дождевых червей, гусениц, личинок насекомых, мокриц, ногохвосток, а из млекопитающих кротов. В этом слое находятся и норы таких млекопитающих, как лисицы, барсуки и др.

Следует обратить внимание на то, что некоторые животные могут перемещаться из одного яруса в другой. Например, белка может кормиться на земле, а спать и выводить потомство на деревьях.

В водных сообществах различают ярус:. Надводных трав. Типичными представителями надводной растительности являются стрелолист, осока, камыш, тростник, ирис, манник, земноводная гречиха и др.. Плавающих трав. К плавающим травам относится водяная лилия, рдесты, ряска и др.. Высоких водных трав. Белоус (высокая болотная трава, семейства злаков). Низких водных трав. Частуха, или водяной шильник - род многолетних травянистых растений семейства Частуховые. Насчитывается около десяти видов, широко распространённых по всему свету (большей частью - в Северном полушарии).. Придонных растений (водоросли).

Ближе к поверхности воды обитает планктон (от греч. - блуждающий): фитопланктон - фотосинтезирующие свободно плавающие водоросли и зоопланктон - мелкие рыбы и ракообразные, личинки моллюсков и рыб, медузы. В толще вод морей и океанов обитают: рыбы, пресмыкающиеся (черепахи, морские змеи), млекопитающие (китообразные - дельфины и киты) и ластоногие (тюлени). Придонный слой освоили организмы, питающиеся разлагающимися остатками - бентос (от греч. - глубина): черви, моллюски, ракообразные и т. д. Ярусно располагаются и подземные части растений. Растения каждого яруса обуславливают особый микроклимат и создают определенную среду (экологическую нишу) для обитания в ней строго специфических животных.

Различия наземных и водных экосистем

 

Пищевая или трофическая цепь - последовательный, ступенчатый перенос продукции (вещества и энергии) от продуцентов через ряд организмов, происходящий путем поедания биомассы одних организмов другими.

В экосистемах наземного типа, обычно выделяют 3 трофических уровня, в которых на 1 трофическом уровне располагаются продуценты (зеленые растения), на 2 трофическом уровне располагаются фитофаги (уровень консументов 1-ого порядка, например: насекомые-фитофаги) и на 3 трофическом уровне (уровень консументов 2-ого порядка) располагаются хищники, которые поедают фитофагов.

В отличие от наземных экосистем, трофические уровни водных экосистем могут доходить до 5-6 трофических уровней.

Так же стоит отметить, что в наземных экосистемах урожай можно получать на всех трофических уровнях в отличие от водных сообществ (где используется только верхняя часть экологической пирамиды). Из этого следует, что необходимо учитывать особенности двух типов экосистем при эксплуатации природных ресурсов.

 

Экзогенные факторы.

В рассматриваемых экологических системах, есть как и общие так и разные внутренние и внешние факторы влияющие на природные экосистемы. Такие экзогенные факторы как: температура, влажность воздуха, интенсивность атмосферных осадков, скорость ветра и др. относятся к наземным экосистемам.

А такие факторы, например как: скорость течения, поступление растворенных и взвешенных веществ, приток организмов больше характерны для водных экологических систем.

 

Почва.

Почва как среда обитания (литосфера, или педосфера)

Почва, или педосфера – это рыхлый поверхностный слой суши, обладающий плодородием. Почва представляет собой трехфазную систему, в которой твердые частицы окружены воздухом и водой. В состав почвы входят разнообразные типы вещества: живое вещество (живые организмы), биогенное вещество (органические и неорганические вещества, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов), косное вещество (горные породы) и другие. Поэтому почва представляет собой особый тип вещества в биосфере – биокосное вещество.

Почва является экологическим фактором наземно-воздушной среды обитания и, в то же время, представляет собой самостоятельную среду обитания. Постоянные обитатели почвы называются эдафобионты. Особенности действия экологических факторов в почве:

 

– достаточно высокое и стабильное содержание воды и разнообразных газов (промежуточное между водной и наземно-воздушной средой);

– высокая концентрация органических и неорганических веществ;

– стабильный температурный режим;

– низкая освещенность (за исключением самых поверхностных слоев) – лимитирующий фактор для фотосинтезирующих организмов;

– неоднородность почвы по вертикали и горизонтали создает условия для формирования множества экологических ниш.

 

Почва является средой обитания, промежуточной между водной и наземно-воздушной. С водной средой почву сближает: неоднородность по вертикали, насыщенность почвенного воздуха водяными парами и наличие других форм воды, присутствие минеральных и органических веществ в почвенных растворах, возможность передвигаться в трех измерениях. С наземно-воздушной средой почву сближает: наличие почвенного воздуха, возможность пересыхания верхних горизонтов, резкие изменения температуры в верхних слоях.

 

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: