Kiekvienais metais žmogus vis labiau išeikvoja planetos išteklius. Nenuostabu, kad pastaraisiais metais labai svarbu įvertinti, kiek išteklių gali suteikti viena ar kita biocenozė. Šiandien ekosistemų produktyvumas yra labai svarbus renkantis valdymo metodą, nes ekonominis darbo pagrįstumas tiesiogiai priklauso nuo gaminamų produktų kiekio.
Čia yra pagrindiniai klausimai, su kuriais šiandien susiduria mokslininkai:
- Kiek saulės energijos yra ir kiek augalų pasisavina, kaip ji matuojama?
- Kurių tipų ekosistemos pasižymi didžiausiu produktyvumu, o kurios - pirminiais produktais?
- Kokie veiksniai riboja pirminės produkcijos kiekį vietoje ir visame pasaulyje?
- Koks efektyvumas augalams keičiant energiją?
- Kuo skiriasi įsisavinimo efektyvumas, švari gamyba ir aplinkosauginis efektyvumas?
- Kuo ekosistemos skiriasi biomasės ar autotrofiniais organizmais?
- Kiek energijos yra žmonėms ir kiek mes sunaudojame?
Mes stengsimės bent iš dalies atsakyti į juos šio straipsnio rėmuose. Pirmiausia nagrinėkime pagrindines sąvokas. Taigi, ekosistemų produktyvumas yra organinių medžiagų kaupimosi tam tikrame tūryje procesas. Kokie organizmai yra atsakingi už šį darbą?
Autotrofai ir heterotrofai
Mes žinome, kad kai kurie organizmai sugeba sintetinti organines molekules iš neorganinių pirmtakų. Jie vadinami autotrofais, o tai reiškia „savęs maitinimas“. Tiesą sakant, ekosistemų produktyvumas priklauso nuo jų aktyvumo. Autotrofai taip pat vadinami pirminiais gamintojais. Organizmai, kurie sugeba gaminti sudėtingas organines molekules iš paprastų neorganinių medžiagų (vandens, CO2), dažniausiai priklauso augalų klasei, tačiau kai kurios bakterijos turi tas pačias galimybes. Procesas, kurio metu jie sintezuoja organiką, vadinamas fotochemine sinteze. Kaip rodo pavadinimas, fotosintezei reikalingi saulės spinduliai.
Taip pat turime paminėti kelią, žinomą kaip chemosintezė. Kai kurie autotrofai, daugiausia specializuotos bakterijos, gali neorganines maistines medžiagas paversti organiniais junginiais be saulės spindulių. Jūroje ir gėlame vandenyje yra kelios chemosintetinių bakterijų grupės, jos ypač paplitusios aplinkose, kuriose yra daug vandenilio sulfido ar sieros. Kaip ir chlorofilą turintys augalai bei kiti organizmai, galintys fotocheminę sintezę, chemosintetiniai organizmai yra autotrofai. Tačiau ekosistemos produktyvumas greičiausiai vadinamas vegetacijos aktyvumu, nes būtent jis yra atsakingas už daugiau kaip 90% organinių medžiagų kaupimąsi. Chemosintezė vaidina nepalyginamai mažesnį vaidmenį.
Tuo tarpu daugelis organizmų reikiamą energiją gali gauti tik valgydami kitus organizmus. Jie vadinami heterotrofais. Iš esmės tai yra visi tie patys augalai (jie taip pat „valgo“ gatavas organines medžiagas), gyvūnai, mikrobai, grybeliai ir mikroorganizmai. Heterotrofai taip pat vadinami „vartotojais“.
Augalų vaidmuo
Paprastai žodis „produktyvumas“ šiuo atveju reiškia augalų sugebėjimą kaupti tam tikrą organinių medžiagų kiekį. Ir tai nenuostabu, nes tik augalų organizmai gali neorganines medžiagas paversti organinėmis. Be jų gyvenimas mūsų planetoje būtų neįmanomas, todėl ekosistemos produktyvumas vertinamas iš šios perspektyvos. Apskritai, klausimas keliamas ypač paprastai: taigi kokią organinių medžiagų masę augalai gali laikyti?
Kokios biocenozės yra produktyviausios?
Kaip bebūtų keista, bet žmogaus sukurtos biocenozės yra toli gražu ne pačios produktyviausios. Džiunglės, pelkės, didelių atogrąžų upių selva šiuo atžvilgiu juos gerokai lenkia. Be to, būtent šios biocenozės neutralizuoja didžiulį kiekį toksinių medžiagų, kurios vėl patenka į gamtą dėl žmogaus veiklos ir taip pat gamina daugiau nei 70% deguonies, esančio mūsų planetos atmosferoje. Beje, daugelis vadovėlių vis dar tvirtina, kad Žemės vandenynai yra produktyviausias „klėtis“. Kaip bebūtų keista, tačiau šis teiginys yra labai toli nuo tiesos.
Vandenyno paradoksas
Ar žinote, koks yra biologinis jūrų ir vandenynų ekosistemų produktyvumas? Su pusiau dykumomis! Dideli biomasės kiekiai paaiškinami tuo, kad būtent vandens plotai užima didžiąją dalį planetos paviršiaus. Taigi pakartotinai numatomas jūrų, kaip pagrindinės visos žmonijos maistinių medžiagų šaltinio, panaudojimas ateinančiais metais vargu ar įmanomas, nes ekonominis pagrįstumas yra labai žemas. Tačiau žemas šio tipo ekosistemų produktyvumas jokiu būdu nepaneigia vandenynų svarbos visų gyvų daiktų gyvybei, todėl jie turi būti saugomi kuo atidžiau.
Šiuolaikiniai ekologai sako, kad žemės ūkio paskirties žemės galimybės toli gražu nėra išnaudotos, ir ateityje galėsime iš jų gauti gausiau pasėlių. Ypač daug vilčių dedama į ryžių laukus, kurie dėl išskirtinių savybių gali suteikti didžiulį kiekį vertingų organinių medžiagų.
Biologinio produktyvumo pagrindai
Apskritai, ekosistemų produktyvumą lemia fotosintezės greitis ir organinių medžiagų kaupimasis tam tikroje biocenozėje. Per laiko vienetą sukuriama organinių medžiagų masė vadinama pirminiu gaminimu. Jis gali būti išreikštas dviem būdais: džauliais arba sausoje augalų mase. Bendra produkcija vadinamas jos tūris, kurį sukuria augalų organizmai tam tikrą laiko vienetą, esant pastoviam fotosintezės greičiui. Reikia prisiminti, kad dalis šios medžiagos pateks į pačių augalų gyvybinę veiklą. Po to likusios organinės medžiagos yra grynasis pagrindinis ekosistemos produktyvumas. Būtent ji maitina heterotrofus, tarp kurių mes ir esame.
Ar yra viršutinė pirminės produkcijos riba?
Žodžiu, taip. Trumpai apžvelkime, kaip iš esmės efektyvi fotosintezė. Atminkite, kad saulės spinduliuotės intensyvumas, pasiekiantis žemės paviršių, labai priklauso nuo vietos: didžiausias energijos grąžinimas būdingas pusiaujo zonoms. Artėjant prie polių jis mažėja eksponentiškai. Maždaug pusę saulės energijos atspindi ledas, sniegas, vandenynai ar dykumos, kurias absorbuoja atmosferoje esančios dujos. Pavyzdžiui, atmosferos ozono sluoksnis sugeria beveik visą ultravioletinę spinduliuotę! Fotosintezės reakcijoje naudojama tik pusė šviesos, patenkančios į augalų lapus. Taigi biologinis ekosistemų produktyvumas yra reikšmingos saulės energijos dalies pavertimo rezultatas!
Kas yra antriniai produktai?
Atitinkamai antrinis produktas yra vadinamas vartotojų (tai yra, vartotojų) augimu per tam tikrą laiką. Žinoma, ekosistemų produktyvumas nuo jų priklauso daug mažiau, tačiau būtent ši biomasė vaidina lemiamą vaidmenį žmogaus gyvenime. Reikėtų pažymėti, kad antrinės organinės medžiagos yra atskirai skaičiuojamos kiekviename trofiniame lygmenyje. Taigi, ekosistemų produktyvumo tipai yra suskirstyti į du tipus: pirminį ir antrinį.
Pirminių ir antrinių produktų santykis
Kaip jau galima spėti, biomasės ir visos augalų masės santykis yra palyginti mažas. Net džiunglėse ir pelkėse šis rodiklis retai viršija 6, 5 proc. Kuo daugiau žolinių augalų bendruomenėje, tuo didesnis organinių medžiagų kaupimosi greitis ir didesnis neatitikimas.
Dėl organinių medžiagų susidarymo greičio ir tūrio
Apskritai, pirminės kilmės organinių medžiagų susidarymo ribinis laipsnis visiškai priklauso nuo augalų fotosintetinio aparato (PAR) būklės. Maksimali fotosintezės efektyvumo vertė, kuri buvo pasiekta laboratorinėmis sąlygomis, yra 12% PAR vertės. Natūraliomis sąlygomis 5% vertė laikoma ypač didele ir jos praktiškai nėra. Manoma, kad Žemėje saulės šviesos įsisavinimas neviršija 0, 1%.
Pirminių produktų platinimas
Reikėtų pažymėti, kad natūralios ekosistemos produktyvumas pasauliniu mastu yra labai netolygus. Bendra visų organinių medžiagų, susidarančių kasmet Žemės paviršiuje, masė yra apie 150–200 milijardų tonų. Prisimeni, ką aukščiau pasakėme apie vandenynų produktyvumą? Taigi, 2/3 šios medžiagos susidaro sausumoje! Įsivaizduokite: gigantiški, neįtikėtini hidrosferos tūriai sudaro tris kartus mažiau organinių medžiagų nei skurdi žemės dalis, kurios nemaža dalis yra dykuma!
Daugiau kaip 90% vienoje ar kitoje formoje sukauptų organinių medžiagų suvalgo heterotrofiniai organizmai. Tik nereikšminga saulės energijos dalis kaupiama dirvožemio humuso pavidalu (taip pat naftos ir anglių, kurių formavimasis vyksta net ir šiandien). Mūsų šalyje pirminės biologinės produkcijos padidėjimas svyruoja nuo 20 c / ha (prie Arkties vandenyno) iki daugiau nei 200 c / ha Kaukaze. Dykumų vietovėse ši vertė neviršija 20 kg / ha.
Iš esmės penkiuose šiltuose mūsų pasaulio žemynuose produkcijos intensyvumas beveik nesiskiria: Pietų Amerikoje dėl puikių klimato sąlygų augalija kaupia pusantro karto daugiau sausųjų medžiagų. Ten natūralių ir dirbtinių ekosistemų produktyvumas yra maksimalus.
Kas teikia mitybą žmonėms?
Maždaug 1, 4 milijardo hektarų mūsų planetos paviršiuje užima žmonių auginamų augalų, kurie aprūpina mus maistu, plantacijos. Tai sudaro maždaug 10% visų ekosistemų planetoje. Kaip bebūtų keista, bet tik pusė produkcijos patenka tiesiai į žmones. Visa kita naudojama kaip naminių gyvūnėlių maistas ir patenka į pramoninės gamybos poreikius (nesusijusius su maisto gamyba). Mokslininkai ilgą laiką skamba pavojaus signalu: mūsų planetos ekosistemų produktyvumas ir biomasė sugeba patenkinti ne daugiau kaip 50% žmogaus baltymų poreikio. Paprasčiau tariant, pusė pasaulio gyventojų gyvena lėtinio baltymų bado sąlygomis.
Įrašykite biocenozes
Kaip jau minėjome, pusiaujo miškai pasižymi didžiausiu produktyvumu. Tiesiog pagalvok: viename tokios biocenozės hektare gali būti daugiau nei 500 tonų sausųjų medžiagų! Ir tai toli gražu ne riba. Pavyzdžiui, Brazilijoje iš vieno hektaro miško per metus gaunama nuo 1200 iki 1500 tonų (!) Organinių medžiagų! Tik pagalvok: iki dviejų centnerių organinių medžiagų viename kvadratiniame metre! Tame pačiame rajone tundroje susidaro ne daugiau kaip 12 tonų, o viduriniosios zonos miškuose - ne daugiau kaip 400 tonų. Tose dalyse žemės ūkio įmonės tuo aktyviai naudojasi: dirbtinės ekosistemos produktyvumas cukranendrių lauko pavidalu, kuriame vienoje vietoje gali sukaupti iki 80 tonų sausųjų medžiagų. hektaro, niekur kitur tokie derliai negali duoti derliaus. Tačiau Orinoko, Misisipės įlankos ir kai kurios Čado sritys nuo jų nelabai skiriasi. Per metus ekosistemos „išskiria“ iki 300 tonų medžiagų viename žemės plote!
