Katru gadu cilvēks arvien vairāk un vairāk noplicina planētas resursus. Nav pārsteidzoši, ka pēdējos gados liela nozīme ir novērtējumam, cik daudz resursu var dot viena vai otra biocenoze. Mūsdienās ekosistēmas produktivitātei ir izšķiroša nozīme, izvēloties pārvaldības metodi, jo darba ekonomiskā iespējamība ir tieši atkarīga no iegūstamo produktu daudzuma.
Šeit ir galvenie jautājumi, ar kuriem šodien saskaras zinātnieki:
- Cik daudz saules enerģijas ir pieejams un cik daudz augi asimilē, kā to mēra?
- Kuriem ekosistēmu veidiem ir visaugstākā produktivitāte un kuri dod visvairāk primāro produktu?
- Kādi faktori ierobežo primārās produkcijas daudzumu vietējā un pasaules mērogā?
- Cik efektīva enerģija tiek pārveidota augos?
- Kādas ir atšķirības starp asimilācijas efektivitāti, tīru ražošanu un vides efektivitāti?
- Kā ekosistēmas atšķiras biomasā vai autotrofiskos organismos?
- Cik daudz enerģijas ir pieejama cilvēkiem un cik daudz mēs patērējam?
Mēs mēģināsim uz tiem vismaz daļēji atbildēt šī raksta ietvaros. Pirmkārt, aplūkosim pamatjēdzienus. Tātad, ekosistēmas produktivitāte ir organisko vielu uzkrāšanās process noteiktā tilpumā. Kādi organismi ir atbildīgi par šo darbu?
Autotrofi un heterotrofi
Mēs zinām, ka daži organismi spēj sintezēt organiskas molekulas no neorganiskiem prekursoriem. Tos sauc par autotrofiem, kas nozīmē "pašbarošana". Faktiski ekosistēmu produktivitāte ir atkarīga no to aktivitātes. Autotrofus sauc arī par primārajiem ražotājiem. Organismi, kas no vienkāršām neorganiskām vielām (ūdens, CO2) spēj radīt sarežģītas organiskas molekulas, visbiežāk pieder augu klasei, bet dažām baktērijām piemīt tādas pašas spējas. Procesu, kurā viņi sintezē organiskos savienojumus, sauc par fotoķīmisko sintēzi. Kā norāda nosaukums, fotosintēzei nepieciešama saules gaisma.
Mums jāpiemin arī ceļš, kas pazīstams kā ķemosintēze. Daži autotrofi, galvenokārt specializētas baktērijas, var pārveidot neorganiskās barības vielas par organiskiem savienojumiem bez piekļuves saules gaismai. Jūrā un saldūdenī ir vairākas ķemosintētisko baktēriju grupas, un tās ir īpaši izplatītas vidē, kur ir augsts sērūdeņraža vai sēra līmenis. Tāpat kā hlorofilu saturošie augi un citi organismi, kas spēj veikt fotoķīmisko sintēzi, arī ķemosintētiskie organismi ir autotrofi. Tomēr ekosistēmas produktivitāti drīzāk sauc par veģetācijas aktivitāti, jo tieši tā ir atbildīga par vairāk nekā 90% organisko vielu uzkrāšanos. Ķemosintēzei tajā ir nesalīdzināmi mazāka loma.
Tikmēr daudzi organismi nepieciešamo enerģiju var saņemt, tikai ēdot citus organismus. Tos sauc par heterotrofiem. Principā tajos ietilpst visi vieni un tie paši augi (viņi arī “ēd” gatavās organiskās vielas), dzīvnieki, mikrobi, sēnītes un mikroorganismi. Heterotrofus sauc arī par "patērētājiem".
Augu loma
Parasti vārds "produktivitāte" šajā gadījumā attiecas uz augu spēju uzglabāt noteiktu daudzumu organisko vielu. Un tas nav pārsteidzoši, jo tikai augu organismi var pārvērst neorganiskās vielas par organiskām. Bez viņiem dzīve uz mūsu planētas nebūtu iespējama, un tāpēc ekosistēmas produktivitāte tiek aplūkota no šīs perspektīvas. Kopumā jautājums tiek uzdots ārkārtīgi vienkārši: tad kādu organisko vielu masu augi var uzglabāt?
Kādas biocenozes ir visproduktīvākās?
Savādi, bet cilvēku radītās biocenozes nebūt nav visražīgākās. Šajā ziņā lielu tropisko upju džungļi, purvi, Selva ir tālu priekšā. Turklāt tieši šīs biocenozes neitralizē milzīgu daudzumu toksisku vielu, kas atkal nonāk dabā cilvēka darbības rezultātā un rada arī vairāk nekā 70% skābekļa, kas atrodas mūsu planētas atmosfērā. Starp citu, daudzās mācību grāmatās joprojām tiek apgalvots, ka Zemes okeāni ir visproduktīvākie “klēts”. Savādi, bet šis apgalvojums ir ļoti tālu no patiesības.
Okeāna paradokss
Vai jūs zināt, ar ko salīdzina jūru un okeānu ekosistēmu bioloģisko produktivitāti? Ar pus tuksnešiem! Lieli biomasas apjomi ir izskaidrojami ar to, ka tieši ūdens plašumi aizņem lielāko daļu planētas virsmas. Tāpēc gandrīz prognozējams, ka turpmākajos gados jūra kā galvenais barības vielu avots visai cilvēcei tiks izmantota turpmākajos gados, jo tā ekonomiskā iespējamība ir ārkārtīgi zema. Tomēr šāda veida ekosistēmu zemā produktivitāte nekādā veidā nemazina okeānu nozīmi visu dzīvo lietu dzīvē, tāpēc tie ir jāaizsargā pēc iespējas uzmanīgāk.
Mūsdienu ekologi saka, ka lauksaimniecības zemes iespējas nebūt nav izsmeltas, un nākotnē mēs varēsim no tām iegūt bagātīgākas kultūras. Īpašas cerības tiek liktas uz rīsu laukiem, kas to unikālo īpašību dēļ var dot milzīgu daudzumu vērtīgu organisko vielu.
Bioloģiskās produktivitātes pamati
Kopumā ekosistēmas produktivitāti nosaka fotosintēzes ātrums un organisko vielu uzkrāšanās noteiktā biocenozē. Organisko vielu masu, kas tiek radīta laika vienībā, sauc par primāro ražošanu. To var izteikt divējādi: vai nu džoulos, vai augu sausajā masā. Bruto produkciju sauc par tā daudzumu, ko noteiktā laika vienībā izveidojuši augu organismi ar nemainīgu fotosintēzes ātrumu. Jāatceras, ka daļa šīs vielas nonāks pašu augu dzīvībai svarīgajā darbībā. Pēc tam palikušās organiskās vielas ir ekosistēmas primārā neto produktivitāte. Tieši viņa baro heterotrofus, starp kuriem mēs arī esam.
Vai primārajai ražošanai ir “augšējā robeža”?
Īsi sakot, jā. Īsumā apskatīsim, cik principā efektīva ir fotosintēze. Atcerieties, ka saules starojuma intensitāte, kas sasniedz zemes virsmu, ir ļoti atkarīga no atrašanās vietas: maksimālā enerģijas atgriešanās ir raksturīga ekvatoriālajām zonām. Tas tuvojas poliem eksponenciāli. Aptuveni pusi no saules enerģijas atspoguļo ledus, sniegs, okeāni vai tuksneši, ko atmosfērā absorbē gāzes. Piemēram, atmosfēras ozona slānis absorbē gandrīz visu ultravioleto starojumu! Fotosintēzes reakcijā tiek izmantota tikai puse no gaismas, kas nonāk augu lapās. Tātad ekosistēmu bioloģiskā produktivitāte ir nelielas saules enerģijas daļas pārveidošanas rezultāts!
Kas ir otrreizējie produkti?
Attiecīgi par sekundāro produktu tiek saukts patērētāju (tas ir, patērētāju) pieaugums noteiktā laika posmā. Protams, ekosistēmu produktivitāte daudz mazākā mērā ir atkarīga no tām, taču tieši šai biomasai ir izšķiroša loma cilvēka dzīvē. Jāatzīmē, ka sekundārie organiskie elementi tiek uzskaitīti atsevišķi katrā trofiskā līmenī. Tādējādi ekosistēmu produktivitātes veidi ir sadalīti divos veidos: primārajā un sekundārajā.
Primāro un sekundāro produktu attiecība
Kā jūs varētu uzminēt, biomasas attiecība pret kopējo augu masu ir salīdzinoši maza. Pat džungļos un purvos šis rādītājs reti pārsniedz 6, 5%. Jo vairāk zālaugu augu sabiedrībā, jo lielāks ir organisko vielu uzkrāšanās ātrums un jo lielāka neatbilstība.
Par organisko vielu veidošanās ātrumu un apjomu
Kopumā primārās izcelsmes organisko vielu veidošanās ierobežojošais ātrums pilnībā ir atkarīgs no augu fotosintētiskā aparāta (PAR) stāvokļa. Fotosintēzes efektivitātes maksimālā vērtība, kas tika sasniegta laboratorijas apstākļos, ir 12% no PAR vērtības. Dabiskos apstākļos 5% vērtību uzskata par ārkārtīgi augstu un praktiski nenotiek. Tiek uzskatīts, ka uz Zemes saules gaismas asimilācija nepārsniedz 0, 1%.
Primāro produktu izplatīšana
Jāatzīmē, ka dabiskās ekosistēmas produktivitāte ir ārkārtīgi nevienmērīga globālā mērogā. Visu organisko vielu kopējā masa, kas katru gadu veidojas uz Zemes virsmas, ir aptuveni 150-200 miljardi tonnu. Atcerieties, ko mēs teicām par okeāna produktivitāti iepriekš? Tātad, 2/3 šīs vielas veidojas uz sauszemes! Iedomājieties: gigantiski, neticami hidrosfēras tilpumi veido trīs reizes mazāk organisko vielu nekā niecīgā zemes daļa, kuras ievērojamā daļa ir tuksnesis!
Vairāk nekā 90% no vienā vai otrā veidā uzkrātajām organiskajām vielām ēd heterotrofiski organismi. Tikai nenozīmīga saules enerģijas daļa tiek uzkrāta augsnes humusa veidā (kā arī nafta un ogles, kuru veidošanās notiek pat šodien). Mūsu valstī primārās bioloģiskās produkcijas pieaugums svārstās no 20 c / ha (pie Ziemeļu Ledus okeāna) līdz vairāk nekā 200 c / ha Kaukāzā. Tuksneša apgabalos šī vērtība nepārsniedz 20 kg / ha.
Principā piecos siltajos mūsu pasaules kontinentos ražošanas intensitāte ir gandrīz vienāda: gandrīz Dienvidamerikā lielisko klimatisko apstākļu dēļ veģetācija uzkrāj pusotras reizes vairāk sausnas. Tur dabisko un mākslīgo ekosistēmu produktivitāte ir maksimāla.
Kas nodrošina uzturu cilvēkiem?
Apmēram 1, 4 miljardus hektāru uz mūsu planētas virsmas aizņem cilvēku kultivētu augu plantācijas, kas mums nodrošina pārtiku. Tas ir aptuveni 10% no visām planētas ekosistēmām. Savādi, bet tikai puse no produkcijas nonāk tieši cilvēkiem. Viss pārējais tiek izmantots kā lolojumdzīvnieku barība un tiek izmantots rūpnieciskās ražošanas vajadzībām (nav saistīts ar pārtikas ražošanu). Zinātnieki jau ilgu laiku skan trauksmi: mūsu planētas ekosistēmu produktivitāte un biomasa spēj nodrošināt ne vairāk kā 50% no cilvēka vajadzībām pēc olbaltumvielām. Vienkārši sakot, puse pasaules iedzīvotāju dzīvo hroniskas olbaltumvielu bada apstākļos.
Reģistrē biocenozes
Kā mēs jau teicām, ekvatoriālajiem mežiem raksturīga visaugstākā produktivitāte. Iedomājieties tikai to: viens hektārs šādas biocenozes var radīt vairāk nekā 500 tonnu sausnas! Un tas ir tālu no robežas. Piemēram, Brazīlijā viens hektārs meža gadā saražo no 1200 līdz 1500 tonnām (!) Organisko vielu! Tikai padomājiet: līdz diviem centneriem organisko vielu uz kvadrātmetru! Tundrā tajā pašā apgabalā veidojas ne vairāk kā 12 tonnas, bet vidējās zonas mežos - 400 tonnu robežās. To daļu lauksaimniecības uzņēmumi aktīvi izmanto: mākslīgās ekosistēmas produktivitāte cukurniedru lauka veidā, kas vienā uzkrāt var līdz 80 tonnām sausnas. hektāru, nekur citur šādas kultūras nevar dot ražu fiziski. Tomēr Orinoko, Misisipi līči un arī daži Čadas apgabali no tiem īpaši neatšķiras. Šeit gada laikā ekosistēmas “izdala” līdz 300 tonnām vielas uz hektāru zemes!
