Классификация экосистем по уровню биологической продуктивности. Распределение биологической продукции

3 Классификация экосистем по уровню биологической продуктивности. Распределение биологической продукции

 

Классификация экосистем по уровню биологической продуктивности.

Автотрофные экосистемы можно  сравнить с промышленным предприятием, которое производит различные органические вещества. Используя солнечную энергию, диоксид углерода и элементы минерального питания, экосистемы производят биологическую  продукцию – древесину, листовую массу растений, плоды, животную биомассу. Производительность экосистемы, измеряемая количеством органического вещества, которое создано за единицу времени  на единицу площади, называется биологической  продуктивностью. Единицы измерения  продуктивности: г/кв.м. в день, кг/кв.м. в год, т/кв.км в год.

Различают первичную биологическую  продукцию, которую создают растения в процессе фотосинтеза из диоксида углерода, воды и минеральных элементов, и вторичную биологическую продукцию, которую создают гетеротрофы (консументы и редуценты) в результате переработки растительной и животной биомассы. Первичную продукцию подразделяют на валовую – общее количество созданного органического вещества и чистую – то, что осталось после расходов на дыхание и корневые выделения. У большинства растений  чистая продукция составляет примерно половину от валовой.

Поскольку консументы лишь используют ранее созданные органические вещества, вторичную продукцию на валовую и чистую не разделяют. Но ее количество также зависит от расходов на дыхание, которое тем больше, чем больше энергии затрачивает организм. При интенсивной физической нагрузке (например, у птиц во время миграции) продукция уменьшается. Привесы у сельскохозяйственных животных убывают, если им приходится затрачивать много энергии на переходы с отдаленных пастбищ или согревание тела в холодном помещении.

При переходе энергии с  одного трофического уровня на другой (от растений к фитофагам, от фитофагов  к хищникам первого порядка, от хищников первого порядка к хищникам второго  порядка) с экскрементами и затратами  на дыхание теряется примерно 90% энергии. Кроме того, фитофаги съедают только около 10% биомассы растений, остальная  часть пополняет запас детрита  и затем ее разрушают редуценты. Поэтому вторичная биологическая продукция в 20-50 раз меньше, чем первичная.

По продуктивности экосистемы разделяются на четыре класса.

1. Экосистемы  очень высокой биологической  продуктивности – свыше 2 кг/кв.м в год.  К ним относятся заросли тростника в дельтах Волги, Дона и Урала. По продуктивности они близки к экосистемам тропических лесов и коралловых рифов.

2. Экосистемы  высокой биологической продуктивности – 1-2 кг/кв.м в год. Это липово-дубовые леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озере, посевы кукурузы и многолетних трав при орошении и удобрении высокими дозами минеральных удобрений.

3. Экосистемы  умеренной биологической продуктивности – 0,25-1 кг/кв.м в год. Такую продуктивность имеют многие посевы, сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера, “морские луга” из водорослей в Японском море.

4. Экосистемы  низкой биологической продуктивности – менее 0,25 кг/кв.м в год. Это арктические пустыни островов Северного Ледовитого океана, тундры, полупустыни Прикаспия, вытоптанные скотом степные пастбища с низким и редким травостоем, горные степи, которые развиваются на почвах толщиной не более 5 см и состоят из растений-камнелюбов, покрывающих поверхность почвы на 20-40%. Такая же низкая продуктивность и у большей части морских  экосистем.

Средняя продуктивность экосистем  Земли не превышает 0,3 кг/кв.м в год, так как на планете преобладают низкопродуктивные экосистемы пустынь и океанов.

Биологическая продуктивность экосистемы отличается от запаса биомассы. Некоторые организмы в экосистеме живут много лет (деревья, крупные  животные), и их биомасса переходит  из года в год как некоторый капитал.

Биомасса леса велика за счет многолетних частей деревьев –  стволов, веток, корней. Поэтому ежегодный  прирост биологической продукции  – новые листья, молодые веточки  и корни, очередное годичное кольцо древесины и травяной покров –  в 30-50 раз меньше, чем запас биомассы. На лугу запас биомассы значительно  меньше, и он образован в основном корнями, живущими в почве по несколько  лет, и корневищами растений. Он больше биологической продуктивности только в 3-5 раз. В полях биологическая  продуктивность и запас биомассы практически равны, так как урожай наземных частей растений (и подземных, если это корнеплоды) убирают, а пожнивные  остатки ржи или пшеницы запахивают в почву, где они к весне  перегнивают. Как в луговой экосистеме, так и в экосистеме поля длительность жизни многочисленных почвенных  беспозвоночных измеряется неделями и  месяцами. Их биологическая продуктивность либо равна запасу биомассы, либо больше. Водоросли и мелкие беспозвоночные животные в водоемах живут по несколько дней или недель и потому за лето дают несколько поколений. В каждый конкретный момент биомасса организмов в озере или пруду меньше, чем их биологическая продукция за вегетационный сезон.

В некоторых водных экосистемах  за счет того, что рыбы живут по несколько  лет, а жизнь организмов фитопланктона  непродолжительна, запас биомассы животных может быть выше запаса биомассы растений. Превышение биомассы животных над биомассой  растений в морских экосистемах является правилом.

На суше 99,2% - биомасса растений, 0,8% - биомасса животных.

На море 6,3% - биомасса растений, 93,7% - биомасса животных.

 

Распределение биологической продукции.

Важнейшим практическим результатом  энергетического подхода к изучению экосистем явилось осуществление  исследований по Международной биологической  программе, проводившихся учеными  разных стран мира в течение ряда лет, начиная с 1969 г. в целях изучения потенциальной биологической продуктивности Земли.

Теоретическая возможная  скорость создания первичной биологической  продукции определяется возможностями  фотосинтетического аппарата растений. Максимально достигаемый в природе  КПД фотосинтеза 10–12 % энергии ФАР, что составляет около половины от теоретически возможного. Такая скорость связывания энергии достигается, например, в зарослях джугары и тростника в Таджикистане в кратковременные, наиболее благоприятные периоды. КПД фотосинтеза в 5 % считается очень высоким для фитоценоза. В целом по земному шару усвоение растениями солнечной энергии не превышает 0,1 %, так как фотосинтетическая активность растений ограничивается множеством факторов.

Мировое распределение первичной  биологической продукции крайне неравномерно (рисунок 1). Самый большой абсолютный прирост растительной массы достигает в среднем 25 г/м² в день в очень благоприятных условиях, например в эстуариях рек и в лиманах аридных районов, при высокой обеспеченности растений водой, светом и минеральным питанием. На больших площадях продуктивность автотрофов не превышает 0,1 г/м². Таковы жаркие пустыни, где жизнь лимитируется недостатком воды, полярные пустыни, где не хватает тепла, и обширные внутренние пространства океанов с крайним дефицитом питательных веществ для водорослей. Общая годовая продукция сухого органического

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Распределение первичной продукции по земному шару

 

вещества на Земле составляет 150–200 млрд т. Более трети его образуется в океанах, около двух третей – на суше. Почти вся чистая первичная продукция Земли служит для поддержания жизни всех гетеротрофных организмов. Энергия, недоиспользованная консументами, запасается в их телах, органических осадках водоемов и гумусе почв.

Эффективность связывания растительностью  солнечной радиации снижается при  недостатке тепла и влаги, при  неблагоприятных физических и химических свойствах почвы и т. п. Продуктивность растительности изменяется не только при переходе от одной климатической зоны к другой, но и в пределах каждой зоны. На территории России в зонах достаточного увлажнения первичная продуктивность увеличивается с севера на юг, с увеличением притока тепла и продолжительности вегетационного сезона. Годовой прирост растительности изменяется от 20 ц/га на побережье и островах Северного Ледовитого океана до более чем 200 ц/га на Черноморском побережье Кавказа. В среднеазиатских пустынях продуктивность падает до 20 ц/га.

Средний коэффициент использования  энергии ФАР для всей территории бывшего СССР составляет 0,8 %: от 1,8–2,0 % на Кавказе до 0,1–0,2 % в пустынях Средней Азии. В большинстве восточных районов, где менее благоприятны условия увлажнения, этот коэффициент составляет 0,4–0,8 %, на европейской территории – 1,0–1,2 %. КПД суммарной радиации примерно вдвое ниже.

Для пяти континентов мира средняя продуктивность различается  сравнительно мало. Исключением является Южная Америка, на большей части которой условия для развития растительности очень благоприятны (таблица 2).

Таблица 2 – Продуктивность естественного растительного покрова (по Н. А. Ефимовой)

Части света	Средняя продуктивность, ц/га в год	КПД ФАР
Европа	85	1,26
Азия	98	0,88
Африка	103	0,59
Северная Америка	82	0,94
Южная Америка	209	1,13
Австралия и Океания	86	0,44

 

Питание людей обеспечивается в основном сельскохозяйственными  культурами, занимающими примерно 10 % площади суши (около 1,4 млрд га). Общий годовой прирост культурных растений составляет около 16 % от всей продуктивности суши, большая часть которой приходится на леса. Примерно половина урожая идет непосредственно на питание людей, остальная часть – на корм домашним животным, используется в промышленности и теряется в отбросах.

Растительная пища обходится  для людей энергетически дешевле, чем животная. Сельскохозяйственные площади при рациональном использовании  и распределении продукции могли  бы обеспечить растительной пищей примерно вдвое большее население Земли, чем существующее. Однако сельскохозяйственное производство нуждается в большой  затрате труда и капиталовложениях. Особенно трудно обеспечить население  вторичной продукцией. В рацион человека должно входить не менее 30 г белков в день. Имеющиеся на Земле ресурсы, включая продукцию животноводства и результаты промысла на суше и в океане, могут обеспечить ежегодно менее 50 % потребностей современного населения Земли.

Существующие ограничения, накладываемые масштабами вторичной  продуктивности, усиливаются несовершенством  социальных систем распределения. Большая  часть населения Земли находится, таким образом, в состоянии хронического белкового голодания, а значительная часть людей страдает также и  от общего недоедания.

Таким образом, увеличение биологической  продуктивности экосистем и особенно вторичной продукции является одной  из основных задач, стоящих перед  человечеством.