Każdego roku ludzie coraz bardziej wyczerpują zasoby planety. Nic dziwnego, że w ostatnim czasie ogromnego znaczenia nabrała ocena, ile zasobów może zapewnić dana biocenoza. Dziś produktywność ekosystemu ma decydujące znaczenie przy wyborze sposobu zarządzania, ponieważ ekonomiczna wykonalność pracy zależy bezpośrednio od ilości produkcji, którą można uzyskać.
Oto główne pytania, przed którymi stoją dziś naukowcy:
- Ile energii słonecznej jest dostępne i ile jest przyswajane przez rośliny, jak jest mierzone?
- Które typy ekosystemów są najbardziej produktywne i wytwarzają najwięcej podstawowej produkcji?
- Jakie czynniki ograniczają produkcję podstawową lokalnie i globalnie?
- Jaka jest wydajność, z jaką rośliny przetwarzają energię?
- Jakie są różnice między wydajnościąasymilacja, czystsza produkcja i efektywność środowiskowa?
- W jaki sposób ekosystemy różnią się ilością biomasy lub objętością organizmów autotroficznych?
- Ile energii jest dostępnej dla ludzi i ile jej zużywamy?
Postaramy się przynajmniej częściowo odpowiedzieć na nie w ramach tego artykułu. Najpierw zajmijmy się podstawowymi pojęciami. Tak więc produktywność ekosystemu to proces akumulacji materii organicznej w określonej objętości. Jakie organizmy są odpowiedzialne za tę pracę?
Autotrofy i heterotrofy
Wiemy, że niektóre organizmy potrafią syntetyzować cząsteczki organiczne z prekursorów nieorganicznych. Nazywane są autotrofami, co oznacza „samodzielne jedzenie”. W rzeczywistości produktywność ekosystemów zależy od ich działalności. Autotrofy są również określane jako producenci pierwotni. Organizmy, które są w stanie wytwarzać złożone cząsteczki organiczne z prostych substancji nieorganicznych (woda, CO2), najczęściej należą do klasy roślin, ale niektóre bakterie mają taką samą zdolność. Proces, w którym syntetyzują substancje organiczne, nazywa się syntezą fotochemiczną. Jak sama nazwa wskazuje, fotosynteza wymaga światła słonecznego.
Powinniśmy również wspomnieć o ścieżce znanej jako chemosynteza. Niektóre autotrofy, głównie wyspecjalizowane bakterie, mogą przekształcać nieorganiczne składniki odżywcze w związki organiczne bez dostępu do światła słonecznego. Istnieje kilka grup chemosyntetykówbakterie w wodzie morskiej i słodkiej, a szczególnie często występują w środowiskach o wysokiej zawartości siarkowodoru lub siarki. Podobnie jak rośliny chlorofilowe i inne organizmy zdolne do syntezy fotochemicznej, organizmy chemosyntetyczne są autotrofami. Jednak produktywność ekosystemu to raczej aktywność roślinności, ponieważ to ona odpowiada za akumulację ponad 90% materii organicznej. Chemosynteza odgrywa w tym nieproporcjonalnie mniejszą rolę.
Tymczasem wiele organizmów może pozyskiwać energię, której potrzebują, tylko poprzez spożywanie innych organizmów. Nazywane są heterotrofami. W zasadzie są to wszystkie te same rośliny (zjadają też gotową materię organiczną), zwierzęta, drobnoustroje, grzyby i mikroorganizmy. Heterotrofy są również nazywane „konsumentami”.
Rola roślin
Z reguły słowo „produktywność” w tym przypadku odnosi się do zdolności roślin do przechowywania pewnej ilości materii organicznej. I nie jest to zaskakujące, ponieważ tylko organizmy roślinne mogą przekształcać substancje nieorganiczne w organiczne. Bez nich samo życie na naszej planecie byłoby niemożliwe, a zatem produktywność ekosystemu jest rozpatrywana z tej pozycji. Ogólnie rzecz biorąc, pytanie jest niezwykle proste: więc ile materii organicznej mogą przechowywać rośliny?
Które biocenozy są najbardziej produktywne?
Dziwne, ale biocenozy stworzone przez człowieka są dalekie od bycia najbardziej produktywnymi. Dżungle, bagna, selva dużych tropikalnych rzek pod tym względemsą daleko przed nami. Ponadto to właśnie te biocenozy neutralizują ogromną ilość substancji toksycznych, które ponownie trafiają do przyrody w wyniku działalności człowieka, a także wytwarzają ponad 70% tlenu zawartego w atmosferze naszej planety. Nawiasem mówiąc, w wielu podręcznikach wciąż stwierdza się, że oceany na Ziemi są najbardziej produktywnym „spichlerzem”. Co dziwne, ale to stwierdzenie jest bardzo dalekie od prawdy.
Oceaniczny paradoks
Czy wiesz, do czego jest porównywana produktywność biologiczna ekosystemów mórz i oceanów? Z półpustynami! Duże ilości biomasy tłumaczy się tym, że to właśnie rozlewiska wodne zajmują większość powierzchni planety. Tak więc wielokrotnie przewidywane wykorzystanie mórz jako głównego źródła składników odżywczych dla całej ludzkości w nadchodzących latach jest prawie niemożliwe, ponieważ ekonomiczna wykonalność tego jest niezwykle niska. Jednak niska produktywność tego rodzaju ekosystemu w żaden sposób nie umniejsza znaczenia oceanów dla życia wszystkich żywych istot, dlatego należy je chronić tak ostrożnie, jak to możliwe.
Współcześni ekolodzy twierdzą, że możliwości gruntów rolnych są dalekie od wyczerpania i w przyszłości będziemy mogli uzyskać z nich obfitsze plony. Szczególne nadzieje pokłada się w polach ryżowych, które dzięki swoim unikalnym właściwościom mogą wyprodukować ogromne ilości cennej materii organicznej.
Podstawowe informacje o produktywności systemów biologicznych
Ogólna produktywność ekosystemuzależy od szybkości fotosyntezy i akumulacji substancji organicznych w określonej biocenozie. Masę materii organicznej, która jest tworzona na jednostkę czasu, nazywa się produkcją pierwotną. Można go wyrazić na dwa sposoby: albo w dżulach, albo w suchej masie roślin. Produkcja brutto to jej objętość wytworzona przez organizmy roślinne w określonej jednostce czasu, przy stałym tempie procesu fotosyntezy. Należy pamiętać, że część tej substancji trafi do żywotnej aktywności samych roślin. Pozostała materia organiczna to produktywność pierwotna netto ekosystemu. To ona idzie karmić heterotrofy, w tym ty i ja.
Czy istnieje „górny limit” produkcji podstawowej?
W skrócie, tak. Rzućmy okiem na to, jak efektywny jest w zasadzie proces fotosyntezy. Przypomnijmy, że intensywność promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi jest silnie uzależniona od lokalizacji: maksymalny zwrot energii jest charakterystyczny dla stref równikowych. Zmniejsza się wykładniczo, gdy zbliża się do biegunów. Około połowa energii słonecznej jest odbijana przez lód, śnieg, oceany lub pustynie i pochłaniana przez gazy w atmosferze. Na przykład warstwa ozonowa atmosfery pochłania prawie całe promieniowanie ultrafioletowe! Tylko połowa światła padającego na liście roślin jest wykorzystywana w reakcji fotosyntezy. Tak więc produktywność biologiczna ekosystemów jest wynikiem konwersji nieznacznej części energii słonecznej!
Co to jest produkcja wtórna?
W związku z tym produkty wtórne są nazywanewzrost konsumentów (czyli konsumentów) przez określony czas. Oczywiście w znacznie mniejszym stopniu zależy od nich produktywność ekosystemu, ale to właśnie ta biomasa odgrywa najważniejszą rolę w życiu człowieka. Należy zauważyć, że drugorzędowe składniki organiczne są obliczane osobno na każdym poziomie troficznym. Zatem typy produktywności ekosystemów dzielą się na dwa typy: pierwotny i wtórny.
Współczynnik produkcji pierwotnej i wtórnej
Jak można się domyślić, stosunek biomasy do całkowitej masy roślin jest stosunkowo niski. Nawet w dżungli i na bagnach liczba ta rzadko przekracza 6,5%. Im więcej roślin zielnych w zbiorowisku, tym wyższe tempo akumulacji materii organicznej i większa rozbieżność.
O szybkości i objętości tworzenia substancji organicznych
Na ogół ograniczenie tempa powstawania materii organicznej pochodzenia pierwotnego całkowicie zależy od stanu aparatu fotosyntetycznego roślin (PAR). Maksymalna wartość wydajności fotosyntezy, jaką osiągnięto w warunkach laboratoryjnych, to 12% wartości PAR. W warunkach naturalnych wartość 5% uważana jest za wyjątkowo wysoką i praktycznie nie występuje. Uważa się, że na Ziemi asymilacja światła słonecznego nie przekracza 0,1%.
Dystrybucja produkcji podstawowej
Należy zauważyć, że produktywność naturalnego ekosystemu jest niezwykle nierówna na całej planecie. Całkowita masa całej materii organicznej, która powstaje roczniepowierzchnia Ziemi wynosi około 150-200 miliardów ton. Pamiętasz, co powiedzieliśmy o produktywności oceanów powyżej? Tak więc 2/3 tej substancji powstaje na lądzie! Wyobraź sobie: gigantyczne, niewiarygodne objętości hydrosfery tworzą trzy razy mniej materii organicznej niż maleńka część lądu, której duża część to pustynie!
Ponad 90% nagromadzonej materii organicznej w takiej czy innej formie jest wykorzystywane jako pokarm dla organizmów heterotroficznych. Tylko niewielka część energii słonecznej jest magazynowana w postaci próchnicy glebowej (a także ropy naftowej i węgla, które powstają do dziś). Na terenie naszego kraju wzrost pierwotnej produkcji biologicznej waha się od 20 centów z hektara (w pobliżu Oceanu Arktycznego) do ponad 200 centów z hektara na Kaukazie. Na obszarach pustynnych wartość ta nie przekracza 20 c/ha.
W zasadzie na pięciu ciepłych kontynentach naszego świata intensywność produkcji jest praktycznie taka sama, prawie: w Ameryce Południowej roślinność akumuluje półtora raza więcej suchej masy, dzięki doskonałym warunkom klimatycznym. Tam produktywność naturalnych i sztucznych ekosystemów jest maksymalna.
Co karmi ludzi?
Około 1,4 miliarda hektarów na powierzchni naszej planety to plantacje roślin uprawnych, które dostarczają nam pożywienia. To około 10% wszystkich ekosystemów na planecie. Co dziwne, ale tylko połowa powstałych produktów trafia bezpośrednio do żywności dla ludzi. Wszystko inne jest używane jako karma dla zwierząt i trafia dopotrzeby produkcji przemysłowej (nie związane z produkcją artykułów spożywczych). Naukowcy od dawna biją na alarm: produktywność i biomasa ekosystemów naszej planety może zaspokoić nie więcej niż 50% zapotrzebowania ludzkości na białko. Mówiąc najprościej, połowa światowej populacji żyje w warunkach chronicznego głodu białkowego.
Posiadacze rekordów biocenoz
Jak już powiedzieliśmy, lasy równikowe charakteryzują się najwyższą produktywnością. Pomyśl tylko: na jeden hektar takiej biocenozy może spaść ponad 500 ton suchej masy! A to jest dalekie od limitu. Na przykład w Brazylii z jednego hektara lasu produkuje się od 1200 do 1500 ton (!) materii organicznej rocznie! Pomyśl tylko: na metr kwadratowy przypada do dwóch centów materii organicznej! W tundrze na tym samym obszarze powstaje nie więcej niż 12 ton, aw lasach środkowego pasa - w granicach 400. Przedsiębiorstwa rolnicze w tych częściach aktywnie wykorzystują to: produktywność sztucznego ekosystemu w postaci cukru trzciny cukrowej, która może zgromadzić do 80 ton suchej masy z hektara, nigdzie indziej nie jest w stanie fizycznie wyprodukować takich plonów. Jednak zatoki Orinoko i Mississippi, a także niektóre obszary Czadu niewiele się od nich różnią. Tutaj przez rok ekosystemy „rozdają” do 300 ton substancji na hektar powierzchni!
Wyniki
Zatem ocena wydajności powinna być przeprowadzana na podstawie substancji pierwotnej. Faktem jest, że produkcja wtórna to nie więcej niż 10% tej wartości, jej wartość bardzo się waha, dlatego szczegółowa analizaten wskaźnik jest po prostu niemożliwy.
