IV.5. Продуктивность и биомасса экосистем

Учебник базы общей экологии — глава: iv.5. продуктивность и биомасса экосистем онлайн | Топливо в брикетах

IV.5. Продуктивность и биомасса экосистем

Опубликовал Август 31st, 2014 – Menedjer

т/га, а в травянистыхобществах обычно не выходит за границы 3-5 т/га. В то же время лесные итравянистые (к примеру, луговые) экосистемы в схожих критериях существования попродуктивности могут не много различаться либо различаются в сторону большей

продуктивности как лесных, так и травянистых сообществ.

Для экосистем, представленных одногодичными организмами, ихгодовая продуктивность и биомасса фактически совпадают. Для древесныхсообществ они резко различаются. Вообщем соотношение биомассы и годичный

продукции экосистем можно выразить формулой:

где Б — биомасса на этот момент времени, П — годичнаяпродукция, Д — дыхание. Под последним применительно к экосистемам понимаетсявся сумма живого вещества, отчуждаемого на процессы разложения в итогесмерти целых организмов (отпад) либо их частей — сучьев, коры, листьев, внешних

покровов (опад) и употребления гетеротрофами.

Экологические характеристики продуктивности. Продукция и биомассаэкосистем — это не только лишь ресурс, применяемый в еду либо в качестве разныхвидов сырья (техническое, горючее и т. п.). От этих характеристик в прямойзависимости находится средообразующая и средостабилизирующая роль экосистем.

Так, с продуктивностью растений и их сообществ плотно сплетена интенсивность поглощенияуглекислого газа и выделения кислорода. Для образования одной тоннырастительной продукции (полностью сухой вес) обычно поглощается 1,5-1,8 туглекислого газа и выделяется 1,2-1,4 т кислорода.

Биомасса, в том числе имертвое органическое вещество, являются основными резервуарами концентрацииуглерода. На суше это фактически единственный фактор вывода углекислого газаиз процессов круговорота на долгое время. Часть этого органическоговещества и совсем исключается из круговорота либо, как отмечал В. И.

Вернадский,

«уходит в геологию» (торф, уголь, нефть и т. п.).

В большинстве случаев в гумидных (мокроватых) районах фактором,прерывающим круговорот, выступает недочет кислорода и кислая среда. Тутосновными очагами скопления органики являются болота.

На деньке глубочайших водоемовзахоронение органического вещества также обусловливается недочетом кислородалибо излишком ядов (к примеру, сероводорода).

В очень сухих

(аридных) критериях круговорот прерывается в большинстве случаев недочетом воды.

В связи с тем, что дождевые тропические леса характеризуютсянаибольшей продуктивностью (до 20-25 т/га/год) и биомассой (до 700-1000т/га), их рассматривают как главные батареи углерода и обогащенияатмосферы кислородом, называя «легкими планеты».

В северных лесах, какпонятно, продуктивность (6-10 т/га/год) и биомасса (300-400 т/га) существеннониже. Но на этом основании северным лесам никак нельзя отводить наименеезначительную роль в положительном балансе кислорода и углекислоты. Напротив, ихроль тут нередко более значительна.

Эти вопросы рассмотрены во

2-ой части учебника.

Есть и другие экологические нюансы продуктивности ибиомассы экосистем. А именно, чем больше биомасса, тем посильнее ее контакт сокружающей средой и тем значительнее такие средоохранные характеристики, как чисткавоздуха от пыли и хим агентов, регулирование влагооборотов, гашение

шумовых воздействий и т. п.

Продуктивность разных экосистем биосферы. До недавнешнеговремени принималось за теорему, что основной объем первичной продукциипоявляется в морях и океанах, на долю которых приходится около 70% поверхностиземного шара.

Но по последним данным, приобретенным в главном в итогевоплощения Интернациональной био программки (МБП), которая проводиласьв 1964-1974 гг., было установлено, что основная масса первичной продукциипоявляется в экосистемах суши (около 115 миллиардов. тонн в год) и только около 55миллиардов.

тонн в год — в экосистемах океана (табл. 2). Дело в том, что внутренниеводы океана, расположенные за пределами прибрежной (шельфовой) зоны, попродуктивности близки к пустыням наземных экосистем (10-120 г/м2 за годпервичной продукции).

Для сопоставления отметим, что продуктивность лесов тайгисоставляет в среднем около 700-800, а мокроватых тропических лесов — 2000-2200

г/м2 за год.

2-ой вопрос, на который принципиально получить ответ: какие же
экосистемы в границах океана и суши являются более продуктивными?

В. И. Вернадский в свое время выделил очаги большейконцентрации жизни, назвав их пленками и сгущениями живого вещества. Подпленками живого вещества понимается его завышенное количество на огромныхместах. В океане обычно выделяют две пленки: поверхностную, либопланктонную, и донную, либо бентосную.

Мощность поверхностной пленкиобусловливается в главном эуфотической зоной, другими словами тем слоем воды, вкотором вероятен фотосинтез. Она колеблется от нескольких 10-ов и сотенметров (в незапятнанных водах) до нескольких см (в грязных водах).

Донная пленка образована в главном гетеротрофными экосистемами, и потому еепродукция представлена вторичной, а количество ее зависит в главном от

поступления органического вещества с поверхностной пленки.

В наземных экосистемах также выделяют две пленки живоговещества. Приземная, заключенная меж поверхностью земли и верхней границейрастительного покрова, имеет толщину от нескольких см (пустыни,тундры, болота и др.) до нескольких 10-ов метров (леса). 2-ая пленка —почвенная. Эта пленка более насыщена жизнью.

На 1 м2 почвенного слоянасчитывают миллионы насекомых, 10-ки и сотки дождевых червяков и соткимиллионов микробов. Толщина данной пленки находится в прямой зависимостиот мощности почвенного слоя и его богатства дерном. В тундрах и пустынях это

несколько см, на черноземах, в особенности тучных, — до 2-3 метров.

Завышенные концентрации живого вещества в биосфере обычноприурочены к условиям так именуемого «краевого эффекта», либо экотонов. Таковойэффект появляется на соединениях сред жизни либо разных экосистем. В приведенныхпримерах для аква экосистем поверхностная пленка — это зона контактаатмосферы и аква среды, донная — аква толщи и донных отложений, почвенная —

атмосферы и литосферы.

Таблица 2

Продуктивность и биомасса экосистем континентов и океанов
земного шара (Уиттекер, 1980)

Примером завышенной продуктивности на соединениях экосистем могутслужить переходные экосистемы меж лесом и полем («опушечный эффект»), а ваква средах — экосистемы, возникающие в эстуариях рек (места впадения их в

моря, океаны и озера и т. п.).

Этими же закономерностями почти во всем обусловливаютсяупоминавшиеся выше локальные сгущения огромных масс живого вещества (более

высокопродуктивные экосистемы).

Обычно в океане выделяют последующие сгущения жизни:

1. Прибрежные. Они размещаются на контакте аква иназемно-воздушной среды. В особенности высокопродуктивны экосистемы эстуариев.Протяженность этих сгущений тем значительнее, чем больше вынос реками

органических и минеральных веществ с суши.

2. Коралловые рифы. Высочайшая продуктивность этих экосистемсвязана сначала с подходящим температурным режимом, фильтрационнымтипом питания многих организмов, видовым богатством сообществ, симбиотическимисвязями и другими факторами. 3. Саргассовые сгущения.

Создаются большеннымимассами плавающих водных растений, в большинстве случаев саргассовых (в Саргассовом море) ифиллофорных (в Черном море). 4. Апвеллинговые. Эти сгущения приурочены крайонам океана, где имеет место восходящее движение аква масс от дна кповерхности (апвеллинг).

Они несут много донных органических и минеральныхотложений и в итоге активного смешивания отлично обеспечены кислородом.Эти высокопродуктивные экосистемы являются одним из главных районов промысларыб и других морепродуктов. 5. Рифтовые глубоководные (абиссальные) сгущения.Эти экосистемы были открыты исключительно в 70-х годах реального столетия.

Ониуникальны по собственной природе: есть на огромных глубинах (2-3 тыс. метров).Первичная продукция в их появляется исключительно в итоге процессов хемосинтезаза счет высвобождения энергии из сернистых соединений, поступающих из разломовдна (рифтов).

Высочайшая продуктивность тут должна сначала подходящимтемпературным условиям, так как разломы сразу являются очагами выходаиз недр нагретых (термальных) вод. Это единственные экосистемы, не

использующие солнечную энергию. Они живут за счет энергии земных недр.

На суше к более высокопродуктивным экосистемам (сгущениямживого вещества) относят: 1) экосистемы берегов морей и океанов в районах,отлично обеспеченных теплом; 2) экосистемы пойм, временами заливаемые водамирек, которые откладывают ил, а совместно с ним органические и биогенные вещества,3) экосистемы маленьких внутренних водоемов, богатые питательными субстанциями, атакже 4) экосистемы тропических лесов. Продуктивность других экосистем видна изтабл.3. Выше мы уже отмечали, что человек должен стремиться сохранитьвысокопродуктивные экосистемы — этот мощный каркас биосферы. Его разрушениесвязано с более значительными отрицательными последствиями для всей

биосферы.

Что касается вторичной (животной) продукции, то она приметновыше в океане, чем в наземных экосистемах.

Это связано с тем, что на суше взвено консументов (травоядных) в среднем врубается только около 10% первичнойпродукции, а в океане — до 50%.

Потому, невзирая на более низкую первичнуюпродуктивность океана, чем суши, по массе вторичной продукции эти экосистемы

приблизительно равны (см. табл. 2).

В наземных экосистемах основную продукцию (до 50%) ив особенности биомассу (около 90%) дают лесные экосистемы. Вкупе с тем основнаямасса этой продукции поступает сходу в звено деструкторов и редуцентов.

Длятаких экосистем типично доминирование детритных (за счет мертвогоорганического вещества) цепей питания.

В травянистых экосистемах (луга, степи,прерии, саванны), как и в океане, существенно большая часть первичной продукцииприжизненно отчуждается фитофагами (травоядными животными). Такие цепи носят

заглавие пастбищных либо цепей выедання.

Источник: http://bricet.com.ua/912nm/

Биомасса, биологическая продуктивность экосистем, правило 10%

IV.5. Продуктивность и биомасса экосистем

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Биома́сса (биоматерия) — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения.

Среди наземных животных организмов наибольшую по массе часть составляют насекомые, членистоногие и подобные им, обеспечивающие существование растительных организмов. (Более 80-ти процентов сухопутной биомассы).

Человечество, как часть млекопитающих, представляет собой менее 1-го кубического километра, что составляет одну пренебрежимо малую, несоизмеримую со всей биомассой, часть всей биомассы Земли.

Биомасса—это вес отдельного растения, животного или всех живых организмов, обитающих на определенной площади в определенном объеме, независимо от того, живут ли они в воздухе, воде или почве. Учеными были проведены подсчеты биомассы всех организмов на Земле.

На суше основную часть биомассы составляют растения, а в океане — животные. Причем биомасса обитателей океана, занимающего 70,2% поверхности планеты. Интересен и другой факт: число видов растений на Земле составляет 21% общего числа всех живых организмов, а животных — 79%, но, несмотря на это, биомасса животных не превышает на нашей планете 1% всей биомассы.

Эти подсчеты показывают, что растения — основные производители биологической продукции на нашей планете.

Биологическая продуктивность, способность организмов производить органическое вещество в процессе личной жизнедеятельности. Биологическая продуктивность измеряется количеством органического вещества, создаваемого за единицу времени на единице площади. Различают первичную (создаваемую растениями и др.

автотрофными организмами) и вторичную (создаваемую гетеротрофными организмами) биологическую продуктивность. К первичной биологической продуктивности относят валовую (общее количество вещества, синтезируемого растениями в единицу времени) и чистую продукцию, которая остается в растениях после затрат на их дыхание.

Чем благоприятнее условия среды, тем выше относительная доля чистой продукции. В неблагоприятных условиях (пустыня) растения затрачивают на дыхание до 80% валовой биологической продуктивности, а в благоприятных условиях, при обильных ресурсах тепла и влаги – не более 30%. Вторичная Б. п. в 20-50 раз меньше, чем первичная. По первичной Б. п.

экологической системы разделяют на четыре класса.

1. Экосистемы очень высокой биологической продуктивности – свыше 2 кг/м2 в год. К ним относят влажные тропические леса и коралловые рифы, тростниковые заросли в дельтах больших рек.

2. Экосистемы высокой биологической продуктивности – 1-2 кг/м2 в год. Это широколиственные леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озере, посевы кукурузы и многолетних трав, выращенные с применением орошения и высоких доз минеральных удобрений.

3. Экосистемы умеренной биологической продуктивности – 0,25-1 кг/м2 в год. Это леса таежной зоны, преобладающая часть сельскохозяйственных посевов, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера, морские луга из водорослей.

4. Экосистемы низкой биологической продуктивности – менее 0,25 кг/м2 в год. Это пустыни жаркого климата, арктические пустыни островов Северного Ледовитого океана, тундры, полупустыни, вытоптанные скотом степные пастбища с низким и редким травостоем, горные степи.

Такую же низкую биологическую продуктивность имеет большинство морских экосистем. Средняя биологическая продуктивность экосистем Земли не превышает 0,3 кг/м2 в год, т. к. на земле преобладают низкопродуктивные экосистемы пустынь и океанов.

От биологической продуктивности следует отличать урожай и биомассу.

Р. Линдеман (1942) сформулировал закон пирамиды энергий, или правило 10 %.

Выделение энергии с экскрементами у плотоядных животных (например, хищников) невелико, у травоядных оно более значительно, а гусеницы некоторых насекомых, питающиеся растениями, выде­ляют с экскрементами до 70% энергии.

Однако при всем разнооб­разии расходов энергии в среднем максимальны траты на дыха­ние, которые в сумме с неусвоенной пищей составляют около 90% от потребленной. Поэтому переход энергии с одного трофического уровня на другой в среднем принимается близким к 10% от энер­гии, потребленной с пищей.

Эта закономерность рассматривается обычно как «правило десяти процентов».

Данное правило надо оценивать как относительное, ориентиро­вочное. Вместе с тем из него следует, что цепь питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4—5. Пройдя через них, практически вся энергия оказывается рассеянной.

Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные в практическом отношении следствия.

Во-первых, с энергетической точки зрения крайне нецелесообразно потребление животной про­дукции, особенно с высоких уровней цепей питания. Образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энер­гии.

Особенно велики потери энергии при переходе с первого тро­фического уровня на второй, от растений к травоядным животным.

15. Энергетическое обеспечение биологического круговорота.

Все преобразования веществ в процессе круговорота требуют затрат энергии. Ни один живой организм не продуцирует энергию – она может быть получена только извне. В современной биосфере главнейший источник энергии, утилизируемой в биогенном круловороте, – это энергия солнечного излучения.

Соответственно первый этап использования и преобразования энергии в цепях круговорота синтез, в процессе которого создаются вещества для построения тела растительного организма. Энергия, полученная в виде солнечной радиации (ФАР), в процессе фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей.

Процесс аккумуляции энергии в организме фотосинтетиков сопряжён с увеличением массы организма. Массу веществ, созданных продуцентомфотосинтетиком, обозначают как первичную продукцию; это биомасса растительных тканей.

Лишь 15% энергии солнечного излучения достигает поверхности Земли и только 1% связывается в виде органического вещества растительности (74% составляет тепло и 10% – отражённая энергия). Из суммы связанной в процессе продукции энергии около половины расходуется на жизненные процессы (потери на дыхание).

Оставшиеся 50% аккумулированной энергии составляет рост биомассы. Таким образом, чистая продукция соответствует примерно 0,5% солнечной энергии, падающей на Землю. По некоторым другим расчётам, эффективность фотосинтеза оказывается ещё ниже – порядка 0,1%.

Накопленная в результате фотосинтеза биомасса растений (первичная продукция) – это резерв, из которого часть используется в качестве пищи организмами-гетеротрофами (консументами I порядка). По тем же приблизительным расчётам, в пищу фитофагам изымается около 40% фитомассы; оставшиеся 60% означают реальную массу растительности в экосистеме.

Примерно в такой же последовательности идёт дальнейшее использование энергии организмами-гетеротрофами. Полученная с пищей энергия (так называемая большая энергия) соответствует энергетической стоимости общего количества съеденной пищи. Усвоенная энергия, за вычетом энергии, содержащейся в выделениях организма (экскретах), составляет метаболизированную энергию.

Часть её выделяется в виде тепла в процессе переваривания пищи и либо рассеивается, либо используется на терморегуляцию.

Оставшаяся энергия подразделяется на энергию существования, которая немедленно расходуется на различные формы жизнедеятельности (по существу это тот же расход на «дыхание»), и продуктивную энергию, которая аккумулируется (хотя бы временно) в виде массы нарастающих тканей, энергетических резервов, половых продуктов. Энергия существования складывается из затрат на фундаментальные жизненные процессы (основной обмен, или базальный метаболизм) и энергии, расходуемой на различные формы

деятельности. У гомойотермных животных к этому добавляются расходы энергии на терморегуляцию. Все эти затраты заканчиваются рассеиванием энергии в виде тепла – опять-таки в силу того, что ни одна функция не реализуется с КПД, равным 100% .

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Дата добавления: 2016-11-02; просмотров: 1454 | Нарушение авторских прав

Рекомендуемый контект:

Похожая информация:

Поиск на сайте:

Источник: https://lektsii.org/8-82542.html

Энергетика и продуктивность экосистем

IV.5. Продуктивность и биомасса экосистем

⇐ ПредыдущаяСтр 29 из 62Следующая ⇒

Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновременно цепь энергетическая, т.е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям.

Одно из важнейших свойств организмов, их популяций и экосистем в целом – способность создавать органическое вещество, которое называют продукцией. Образование продукции в единицу времени (час, сутки, год) на единицу площади (га, м2) или объема (в водных экосистемах) характеризует продуктивность экосистем.

Органическая масса, создаваемая растениями за единицу времени, называется первичной продукцией, а продукция животных или других консументов – вторичной.

Очевидно, что вторичная продукция не может больше первичной или даже равной ей. Продукцию выражают количественно в сухой массе растений либо в энергетических единицах – эквивалентном числе джоулей.

Так, 1г сухой массы растений соответствует 18,7 кДж, а 1г сухого животного вещества (мяса) эквивалентен 23,5 кДж.

Первичная продукция подразделяется как бы на два уровня – валовую и чистую продукцию.

Валовая первичная продукция – это общая масса органического вещества, создаваемая растениями в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая и затраты на дыхание.

Можно привести примеры продуктивности различных экосистем (в граммах сухого вещества на 1м2 за сутки): менее 1г – пустыни, глубокие моря, 1-3г – луга, горные леса, пашни, мелкие моря, глубокие озёра, 3-10г – степи, мелкие озера, леса умеренной полосы, орошаемые поля, 10-25г – тропические леса, интенсивно возделываемее культуры на полях, коралловые рифы.

Поскольку ни один процесс не функционирует со 100%-ным коэффициентом полезного действия, не вся полученная растениями энергия накапливается в виде первичной продукции, часть её рассеивается в форме тепла.

В свою очередь, часть энергии, накопленной в биомассе, расходуется на процессы жизнедеятельности и это ведет к уменьшению биомассы.

Эти потери принято называть потерями на дыхание ( процесс, обратный реакции (5.1)).

Как уже отмечалось (см. 3.4.1), поверхности Земли достигает лишь 15% солнечного излучения. Однако, растения в процессе фотосинтеза связывают лишь небольшую часть солнечной радиации (см 5.2.1). Даже по отношению к ФАР – это в среднем для земного шара менее 1%.

Только наиболее продуктивные экосистемы (например, сахарный тростник, тропические леса, посевы кукурузы) в оптимальных условиях могут связывать до2-3% ФАР. Из суммы связанной в процессе продукции энергии около 50% расходуется на дыхание.

Оставшиеся 50% аккумулированной энергии составляет прирост биомассы растений, т.е. чистая первичная продукция. Таким образом, чистая продукция соответствует примерно 0,5% солнечной энергии, падающей на Землю.

По другим данным, эффективность фотосинтеза оказывается еще ниже – порядка 0,1%.

Рассмотренные закономерности связывания солнечной энергии позволили сформулировать правило одного процента:человек не должен высвобождать и рассеивать в окружающую среду энергию больше той, которая связывается при фотосинтезе в высокопродуктивных экосистемах (т.е.

не более 1% от солнечной энергии, достигающей поверхности земли).

Подмечено, например, что в регионах Земли, которые по тем или иным причинам получают дополнительную энергию в значениях, близких к 1% от солнечной (или более), имеют место ураганы, смерчи, цунами, торнадо, мощные циклоны, наводнения, лесные пожары и другие стихийные бедствия.

Накопленная в результате фотосинтеза биомасса растений (первичная продукция) – это резерв, из которого часть используется в качестве пищи консументами и редуцентами. Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного уровня на другой вместе с потребляемой пищей.

Полученная с пищей энергия соответствует энергетической стоимости общего количества съеденной пищи. Однако эффективность усвоения пищи никогда не достигает 100% и зависит от состава корма, температуры, сезона и других факторов. Пища, поглощаемая консументами, усваивается не полностью: от 12 до 20% у ряда фитофагов, до 75% и более – у плотоядных.

Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание. Функционирование организма сопровождается выделением тепла, в результате существенная доля энергии рассеивается в окружающей среде.

Сравнительно небольшая часть пищи идет на образование новых тканей и создание жировых запасов. Некоторая доля пищи, а вместе с ней и энергия, не усваивается организмом и выводятся в окружающую среду вместе с продуктами жизнедеятельности (экскрементами).

В дальнейшем хищник, съевший это растительноядное животное (консумент первого порядка) и представляющий третий трофический уровень получает только ту энергию, накопленную растением, которая задержалась в теле его жертвы (второй уровень) в виде прироста биомассы.

Таким образом, на каждом этапе передачи вещества и энергии на более высокий трофический уровень теряется примерно 90% энергии и только около 10% её переходит к очередному потребителю.

Так, если калорийность продуцента равна 1000Дж, то при попадании в тело фитофага остается 100 Дж, в теле хищника уже 10Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю останется лишь 1Дж, т.е. 0,1 % от калорийности растительной пищи. Указанные соотношения в передаче энергии в пищевых связях организмов сформулированы Р.

Линдеманом (принцип Линдемана) и носит название правила десяти процентов: от каждого предыдущего трофического уровня к последующему переходит в среднем не более 10% энергии.

Применительно к природопользованию данное правило означает, что из экосистем нельзя единовременно(обычно – за год) изымать более 10% возобновляемого ресурса: из рек – годового стока вода, из лесов – биомассы, из популяции – численности особей и т.д.

Повторное изъятие массы возможно после восстановления ее до исходных значений. Это правило в ряде случаев имеет относительный характер.

Так, при взрыве численности особей в популяциях их можно изымать в несколько раз больше, чем 10%, а в период низкой численности потребление должно быть нулевым.

Из принципа Линдемана также следует, цепь питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4-6. Пройдя через них, вся энергия оказывается практически рассеянной.Действительно, количество энергии, которая доходит до третичных плотоядных (5-й трофический уровень), составляет лишь около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами.

Поэтому в стабильных сообществах практически вся продукция тратится в трофических сетях и биомасса остается постоянной.

Уже отмечалось, что единственным первичным источником первичной энергии на Земле является световое и тепловое излучение Солнца. Ежегодно на зеленую поверхность падает около 2,1.1024 кДж.

С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, выразится величиной порядка 2.1023 кДж. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания.

Таким образом, растите6льность суши в год преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2.1018 кДж солнечной энергии.

Различные экосистемы, в зависимости от комплекса климатических, геологических и других условий, обладают различной продуктивностью. Из табл. 5.2 видно, что ежегодная первичная продукция биосферы составляет 170 .

109 т, причем 2/3 её производится экосистемами суши. Это связано с большой эффективностью фотосинтеза, так как использование лучистой энергии Солнца на поверхности суши равно около 0,1%, а на площади океана – 0,04%.

Однако, хотя биомасса Мирового океана почти в 1000 раз меньше, чем суши, а продуктивность (т/га) в 5 раз ниже, удельная продуктивность океанских биоценозов настолько высока, что ничтожная по сравнению с сушей фитомасса океанов создаёт ежегодно чистую продукцию, сопоставимую с чистой продукцией на суше.

Табл. 5.2 – Продуктивность и биомасса экосистем материков и океанов земного шара

Экосистемы Площадь, млн км2 Годовая первичная продукция Биомасса
т/га Глобальная .109т т/га Глобальная .1012 т
Континентов 7,73 115,0 2,42
Океанов 1,52 55,0 0,1 0,0032
Всего 3,33 170,0 4,7 2,4232
Возделываемые земли 6,5 9,1 10,0 0,014

Каждая экосистема Земли с учетом природных факторов характеризуется определенными величинами первичной биологической продуктивности.

Благоприятное сочетание многих природных факторов делает наиболее продуктивной наземное экосистемой влажные тропические леса: их чистая первичная продукция составляет в среднем 2,2 кг/м2 в год, а минимальные значения приходятся на аридные районы (пустыни и полупустыни), тундру и высокогорья – не более 0,14 кг/м2. Данные о продуктивности основных биоценозов материков и океанов приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3- Продуктивность основных экосистем земного шара

Типы экосистем Площадь, млн км2 Годовая первичная продукция растений Общая продукция животных, млн т/год
средняя, кг/м2 общая, млрд т
Материковые Влажные тропические леса Леса умеренного пояса Саванна Тайга Пустыни и полупустыни Тундра и высокогорья Болота Озера и реки Морские Открытый океан Континентальный шельф Заросли водорослей и рифы Эстуарии (устья рек)   17,0 12,0 15,0 12,0 18,0 8,0 2,0 2,0   0,6 1,4   2,2 1,3 0,9 0,8 0,09 0,14 2,0 0,25   0,13 0,36 2,5 1,5   37,4 14,9 13,5 9,6 1,6 1,1 4,0 0,5   41,5 9,6 1,6 2,1

В связи с тем, что дождевые тропические леса характеризуются максимальной продуктивностью и биомассой, их рассматривают как основные аккумуляторы углерода и обогащения атмосферы кислородом, называя «легкими планеты». В северных лесах, как известно, продуктивность и биомасса значительно ниже.

Наиболее продуктивными являются экосистемы с повышенной концентрацией живого вещества.

На суше к наиболее высокопродуктивным экосистемам (сгущениям живого вещества) относятся: 1) тропические леса; 2) болота; 3) экосистемы мелководных прибрежных лиманов; 4) широкие устья рек; 5) заливные луга.

Среди высокопродуктивных сельскохозяйственных культур можно упомянуть плантации сахарного тростника и посевы кукурузы.

Минимально продуктивны экосистемы пустынь и полупустынь, для которых дефицит влаги лимитирует развитие низшего трофического уровня, а также тундры и высокогорья из-за низких температур (лимитирующий фактор).

В океане выделяют следующие продуктивные экосистемы (сгущения жизни): 1) коралловые рифы, высокая продуктивных этих экосистем связана с благоприятным температурным режимом, видовым богатством сообществ, симбиотическими связями; 2) саргассовые сгущения, которые создаются большими массами плавающих водорослей, чаще всего саргассовых (в Саргассовом море) и филлофорных (в Черном море); 3) прибрежные, которые располагаются на контакте водной и наземно-воздушной среды, в частности особенно высокопродуктивны экосистемы эстуариев.

Минимально продуктивны открытые воды океанов, где при избытке воды объем органических веществ сравнительно низок.

Что касается вторичной (животной) продукции, то она заметно выше в океане, чем в наземных экосистемах. Это связано с тем, что на суше в звено консументов (травоядных) в среднем включается лишь 10% первичной продукции (т.к. значительная часть первичной продукции продуцентов идет на построение собственных тел), а в океане до 50% (табл.5.3).

5.4.1 Экологические пирамиды

Соотношение между продуцентами, консументами и редуцентами в естественных экосистемах можно выразить в виде графических моделей, называемых экологическими пирамидами.

Эффект пирамиды в виде таких моделей разработал Ч.

Элтон (1927) и сформулировал правило пирамиды (или энергии): на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени ( или энергии), больше чем на последующем.

Например, масса всех трав, выросших за год в степи, значительно больше, чем годовой прирост всех растительноядных животных, а прирост хищников меньше, чем растительноядных животных.

Известны три основных типа экологических пирамид: 1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне; 2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества; 3) пирамида продукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях.

Пирамида чисел отображает четкую закономерность, обнаруженную Ч. Элтоном: количество особей, которые участвуют в цепях питания, с каждым последующим звеном уменьшается. Разделение особей по трофическим уровням зависит от следующих факторов:

1. В любой экосистеме мелкие животные численно превосходят крупных и размножаются быстрее.

2. Для всякого хищника существуют нижний и верхний пределы размеров их жертв.

Верхний предел определяется тем, что хищник не в состоянии одолеть животное, намного превышающее по размеру его собственное тело, нижний предел – тем, что при слишком малом размере добычи охота на нее теряет для хищников какой-либо смысл. Поэтому для хищников каждого вида, как правило, пищей служат жертвы оптимального размера.

Однако из этого правила есть исключения. Волки, охотясь сообща, могут убивать жертву более крупную, чем они сами, например, оленей. Пауки и змеи, обладая свойством выделять яд, убивают крупных животных.

Известен случай, когда сетчатый питон проглотил целого медведя, массой 91 кг, в другом случае жертвой оказалась целая овца.

Единственным же видом, способным использовать в пищу животных любой величины, является человек.

Однако пирамиды численности могут сильно различаться по форме в разных экосистемах, поэтому численность лучше приводить в табличной форме, а вот – биомассу – в графической.

Пирамиды биомассы представляют более фундаментальный интерес, так как в них четко показаны количественные соотношения биомасс. В наземных экосистемах биомасса растений всегда существенно больше биомассы животных, а биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов.

В качестве примера экологической пирамиды можно рассмотреть цепь питания: люцерна – телята – мальчик (рис.5.4, А,Б)

Показано, что если бы мальчик весом 48 кг питался только телятиной, то за год ему потребовалось бы для обеспечения жизнедеятельности 4,5 теленка (массой 1035кг), для питания которых, в свою очередь, необходим урожай 20 млн стеблей люцерны с площади 4 га общей массой 8211кг.

Для водных экосистем закономерности соотношения биомасс на различных трофических уровнях имеют свою специфику. Здесь пирамида биомасс как бы перевернута, т.е. биомасса животных обычно намного больше биомассы растений. Причина этого – резкие различия в продолжительности жизни организмов сравниваемых уровней.

Главным продуцентом морских экосистем является фитопланктон, имеющий большой биотический потенциал и быструю смену поколений.

В океане за год может смениться более 50 поколений фитопланктона, его оборачиваемость может в сотни раз превышать запас биомассы.

За это время, пока хищники (а тем более моржи и киты) накопят свою биомассу, сменится множество поколений фитопланктона, суммарная масса которых намного больше.

Вот почему универсальным способом выражения трофической структуры экосистем являются пирамиды энергии (или продукции), которые отражают законы расходования энергии в трофических цепях. Такая пирамида энергии для рассмотренной выше цепи питания приведена на рис.5.4,В. Как показывают расчеты, из потока солнечной энергии люцерна усваивает лишь 0,024%.

Из энергии, содержащейся в люцерне, телята используют 8%. На развитие и рост мальчика в течение года из энергии, аккумулированной телятами, поступает 0,7%. В целом из потока солнечной энергии, который падает на площадь в 4 га, полезно используется немногим более одной миллионной части.

Её оказывается достаточно для питания только одного 12-летнего мальчика, а большая часть поступающей энергии теряется.

Таким образом, пирамиды чисел и биомассы отражают статистику системы (т.е. характеризуют количество особей или их биомассу в данной момент), а пирамида энергии дает представление о скорости прохождения массы пищи через пищевую цепь.

Изучение законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии чрезвычайно важны в практическом отношении, т.к. первичная продукция агроценозов и эксплуатируемых человеком природных сообществ – основной источник запасов пищи для человечества.

Весьма важна и вторичная продукция, которую получают за счет сельскохозяйственных и промышленных животных: животные белки содержат целый ряд незаменимых для человека аминокислот, которых нет в растительной пище. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы обеспечить больший выход необходимой для людей продукции.

Наконец, очень важно хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы их природных систем. В противном случае может быть подорвана их продуктивность.

Воздействие человека на экологические системы (биогеоценозы), связанное с их разрушением или загрязнением, непосредственно ведет к прерыванию потока энергии и вещества, а значит – к снижению продуктивности. Поэтому охрана окружающей среды может рассматриваться и как система мероприятий, направленных на предотвращение снижения продуктивности биосферы.

⇐ Предыдущая24252627282930313233Следующая ⇒

Date: 2015-10-19; view: 1301; Нарушение авторских прав

Источник: https://mydocx.ru/8-75516.html

IV.5.Продуктивность и биомасса экосистем

IV.5. Продуктивность и биомасса экосистем

Одно из важнейшихсвойств организмов, их популяций иэкосистем в целом – способность создаватьорганическое вещество, которое на­зываютпродукцией.

Образование продукции вединицу време­ни (час, сутки, год) наединице площади (метры квадратные,гектар) или объема (в водных экосистемах)характеризует про­дуктивностьэкосистем.

Продукция и продуктивностьмогут опре­деляться для экосистем вцелом или для отдельных групп организмов(растений, животных, микроорганизмов)или видов.

Продукцию растенийназывают первичной, а животных – вторичной.Наряду с продукцией различают биомассуорганиз­ма, групп организмов илиэкосистем в целом.

Под ней понимаютвсю живую органическую массу, котораясодержится в эко­системе или ееэлементах вне зависимости от того, зака­кой период она образовалась инакопилась.

Биомасса и про­дукция(продуктивность) обычно выражаютсячерез абсолютно сухой вес.

Нетрудно понять,что величина биомассы экосистем или ихзве­ньев во многом зависит не столькоот их продуктивности, сколько отпродолжительности жизни организмов иэкосистем в целом.

Напри­мер, большаябиомасса характерна для лесных экосистем:в тропи­ческих лесах она достигает800-1000 т/га, в лесах умеренной зоны -300-400т/га, а в травянистых сообществах обычноне выходит за пределы 3-5 т/га.

В то жевремя лесные и травянистые (например,луговые) экосистемы в сходных условияхсуществования по продук­тивностимогут мало различаться или различаютсяв сторону боль­шей продуктивностикак лесных, так и травянистых сообществ.

Для экосистем,представленных однолетними организмами,их годичная продуктивность и биомассапрактически совпадают. Для древесныхсообществ они резко различаются. Вообщесоотноше­ние биомассы и годовойпродукции экосистем можно выразитьфор­мулой:

где Б – биомасса вданный момент времени, П – годоваяпро­дукция, Д – дыхание. Под последнимприменительно к экосисте­мам понимаетсявся сумма живого вещества, отчуждаемогона процессы разложения в результатегибели целых организмов (от­пад) илиих частей – сучьев, коры, листьев, наружныхпокровов (опад) и потребления гетеротрофами.

Экологическиепараметры продуктивности. Продукцияи биомасса экосистем – это не толькоресурс, используемый в пищу или в качестверазличных видов сырья (техническое,топливо и т. п.). От этих показателей впрямой зависимости находитсясредообразующая и средостабилизирующаяроль экосистем.

Так, с про­дуктивностьюрастений и их сообществ тесно связанаинтенсив­ность поглощения углекислогогаза и выделения кислорода. Для образованияодной тонны растительной продукции(абсолютно су­хой вес) обычно поглощается1,5-1,8 т углекислого газа и выде­ляется1,2-1,4 т кислорода.

Биомасса, в том числеи мертвое орга­ническое вещество,являются основными резервуарамиконцент­рации углерода. На суше этопрактически единственный фактор выводауглекислого газа из процессов круговоротана длительное время. Часть этогоорганического вещества и вовсе исключаетсяиз круговорота или, как отмечал В. И.

Вернадский, «уходит в гео­логию»(торф, уголь, нефть и т. п.).

Чаще всего вгумидных (влажных) районах фактором,прерываю­щим круговорот, выступаетнедостаток кислорода и кислая среда.Здесь основными очагами накопленияорганики являются болота.

На дне глубокихводоемов захоронение органическоговещества так­же обусловливаетсянедостатком кислорода или избыткомядови­тых веществ (например,сероводорода).

В крайне сухих (аридных)условиях круговорот прерывается чащевсего недостатком влаги.

В связи с тем, чтодождевые тропические леса характеризуютсямаксимальной продуктивностью (до 20-25т/га/год) и биомассой (до 700-1000 т/га), ихрассматривают как основные аккумуляторыугле­рода и обогащения атмосферыкислородом, называя «легкими пла­неты».

В северных лесах, как известно,продуктивность (6-10 т/га/год) и биомасса(300-400 т/га) значительно ниже. Однако наэтом основании северным лесам никакнельзя отводить менее значительнуюроль в положительном балансе кислородаи углекислоты. Наоборот, их роль в этомотношении часто более значительна.

Этивопросы рассмотрены во второй частиучебника.

Есть и другиеэкологические аспекты продуктивностии биомас­сы экосистем. В частности,чем больше биомасса, тем сильнее ееконтакт с окружающей средой и темзначительнее такие средоохранныесвойства, как очистка воздуха от пылии химических аген­тов, регулированиевлагооборотов, гашение шумовых воздействийи т. п.

Продуктивностьразличных экосистем биосферы. Донедав­него времени принималось зааксиому, что основной объем первичнойпродукции образуется в морях и океанах,на долю которых приходится около 70%поверхности земного шара.

Однако попоследним данным, полученным в основномв результате осуществления Международнойбиологической программы (МБП), котораяпроводилась в 1964-1974 гг., было установлено,что основная масса первичной продукцииобра­зуется в экосистемах суши (около115 млрд. тонн в год) и только около 55 млрд.

тонн в год – в экосистемах океана(табл.2).Дело в том, что внутренние водыокеана, расположенные за пределамиприбрежной (шельфовой) зоны, попродуктивности близки к пустынямназемных экосистем (10-120 г/м2загод первичной продукции).

Для сравненияотметим, что продуктивность лесов тайгисоставляет в среднем око­ло 700-800, авлажных тропических лесов – 2000-2200 г/м2за год.

Второй вопрос, накоторый важно получить ответ: какие жеэкосис­темы в пределах океана и сушиявляются наиболее продуктивными?

В. И. Вернадский всвое время выделил очаги наибольшейкон­центрации жизни, назвав их пленкамии сгущениями живого ве­щества.Подпленками живого вещества понимаетсяего по­вышенное количество на большихпространствах. В океане обычно выделяютдве пленки:поверхностную, илипланктон­ную, и донную, или бентосную.

Мощность поверхностной пленкиобусловливается в основном эуфотическойзоной, то есть тем слоем воды, в которомвозможен фотосинтез. Она колеблется отнесколь­ких десятков и сотен метров(в чистых водах) до нескольких санти­метров(в загрязненных водах).

Донная пленкаобразована в основ­ном гетеротрофнымиэкосистемами, и поэтому ее продукцияпред­ставлена вторичной, а количествоее зависит в основном от поступ­ленияорганического вещества с поверхностнойпленки.

В наземныхэкосистемах также выделяют две пленкиживого вещества. Приземная, заключеннаямежду поверхностью почвы и верхнейграницей растительного покрова, имееттолщину от не­скольких сантиметров(пустыни, тундры, болота и др.) донесколь­ких десятков метров (леса).Вторая пленка –почвенная.

Эта плен­канаиболее насыщена жизнью. На 1 м2почвенного слоя насчиты­вают миллионынасекомых, десятки и сотни дождевыхчервей и сотни миллионов микроорганизмов.Толщина данной пленки нахо­дится впрямой зависимости от мощности почвенногослоя и его богатства гумусом.

В тундрахи пустынях это несколько санти­метров,на черноземах, особенно тучных, – до 2-3метров.

Повышенныеконцентрации живого вещества в биосфереобыч­но приурочены к условиям такназываемого «краевого эффек­та»,илиэкотонов. Такой эффект возникаетна стыках сред жиз­ни или различныхэкосистем. В приведенных примерах дляводных экосистем поверхностная пленка- это зона контакта атмосферы и воднойсреды, донная – водной толщи и донныхотложений, почвен­ная – атмосферы илитосферы.

Таблица 2

Продуктивностьи биомасса экосистем материков и океановзем­ного шара (Уиттекер, 1980)

Примером повышеннойпродуктивности на стыках экосистеммо­гут служить переходные экосистемымежду лесом и полем («опу­шечныйэффект»), а в водных средах – экосистемы,возникающие в эстуариях рек(меставпадения их в моря, океаны и озера и т.п.).

Этими жезакономерностями во многом обусловливаютсяупо­минавшиеся выше локальные сгущениябольших масс живого ве­щества (наиболеевысокопродуктивные экосистемы).

Обычно в океаневыделяют следующие сгущения жизни:

1. Прибрежные.Они располагаются на контакте воднойи наземно-воздушной среды. Особенновысокопродуктивны экосистемы эстуариев.Протяженность этих сгущений темзначительнее, чем больше вынос рекамиорганических и минеральных веществ ссуши.

2. Коралловыерифы. Высокая продуктивность этихэкосистем связана прежде всего сблагоприятным температурным режимом,фильтрационным типом питания многихорганизмов, видовым бо­гатствомсообществ, симбиотическими связями идругими факто­рами. 3.Саргассовыесгущения.

Создаются большими массамиплавающих водорослей, чаще всегосаргассовых (в Саргассовом море) ифиллофорных (в Черном море). 4.Апвеллинговые.Эти сгущения приурочены к районамокеана, где имеет место восходя­щеедвижение водных масс от дна к поверхности(апвеллинг).

Они несут много донныхорганических и минеральных отложенийи в результате активного перемешиванияхорошо обеспечены кисло­родом. Этивысокопродуктивные экосистемы являютсяодним из основных районов промысла рыби других морепродуктов. 5.Рифтовыеглубоководные (абиссальные) сгущения.Эти экосисте­мы были открыты тольков 70-х годах настоящего столетия.

Ониуникальны по своей природе: существуютна больших глубинах (2-3 тыс. метров).Первичная продукция в них образуетсятолько в результате процессов хемосинтезаза счет высвобождения энер­гии изсернистых соединений, поступающих изразломов дна (риф­тов).

Высокаяпродуктивность здесь обязана преждевсего благо­приятным температурнымусловиям, поскольку разломы одновре­менноявляются очагами выхода из недр подогретых(термальных) вод. Это единственныеэкосистемы, не использующие солнечнуюэнергию. Они живут за счет энергии недрЗемли.

На сушекнаиболее высокопродуктивным экосистемам(сгуще­ниям живого вещества) относят:1) экосистемы берегов морей и океановв районах, хорошо обеспеченных теплом;2) экосис­темы пойм, периодическизаливаемые водами рек, которые откладываютил, а вместе с ним органические и биогенныевеще­ства, 3) экосистемы небольшихвнутренних водоемов, бога­тыепитательными веществами, а также 4)экосистемы тро­пических лесов.Продуктивность других экосистем виднаизтабл.3.Выше мы уже отмечали,что человек должен стремиться сохранитьвысокопродуктивные экосистемы – этотмощнейший кар­кас биосферы. Егоразрушение связано с наиболее значительнымиотрицательными последствиями для всейбиосферы.

Что касаетсявторичной (животной) продукции, то оназаметно выше в океане, чем в наземныхэкосистемах. Это связано с тем, что насуше в звено консументов (травоядных)в среднем включа­ется лишь около 10%первичной продукции, а в океане – до 50%.Поэтому, несмотря на более низкуюпервичную продуктивность океана, чемсуши, по массе вторичной продукции этиэкосистемы примерно равны (см. табл.2).

В наземныхэкосистемах основную продукцию (до 50%)и осо­бенно биомассу (около 90%) даютлесные экосистемы. Вместе с тем основнаямасса этой продукции поступает сразув звено дест­рукторов и редуцентов.

Для таких экосистем характернопреобла­дание детритных (за счетмертвого органического вещества) цепейпитания.

В травянистых экосистемах(луга, степи, прерии, саванны), как и вокеане, значительно большая частьпервичной продукции прижизненноотчуждается фитофагами (травояднымиживотными).Такие цепи носят названиепастбищных или це­пей выедання.

Источник: https://studfile.net/preview/1004005/page:14/

Book for ucheba
Добавить комментарий