Продуктивность и плодородие экосистем

Продуктивность. Продукция.

Важным функциональным показателем сообществ является их способность к созданию (продуцированию) новой биомассы. Это свойство лежит в основе понятия продуктивность, которое используется по отношению к сельскохозяйственным или иным экосистемам, чье функционирование подчинено потребностям человека (как, например, рыбоводство, лесоразведение).

Прирост биомассы сообщества выражают суммарным приростом биомассы его элементов (автотрофного и гетеротрофного компонентов, отдельных трофических уровней, популяций каких-либо видов). Скорость продуцирования биомассы определяют в экологии специальным показателем – продукцией. В популяции продукция – это общая (суммарная) величина приращения ее биомассы за единицу времени. Продукция трофического уровня – это суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень. Собственно продуцирование, или синтез нового биологического вещества, происходит за счет роста организмов и нарождения новых особей. И тот и другой процесс требует определенных затрат энергии и вещества.

Автотрофы получают эти ресурсы, используя свободную энергию солнечного излучения и запасы минеральных веществ. Ресурсом гетеротрофов являются организмы предшествующих трофических уровней. Продуцирование – непрерывный процесс. Общий прирост биомассы, или общая продукция, за тот или иной временной отрезок складывается из приростов массы всех членов биоценоза, не только выживших, но и погибших в течение этого интервала особей, ибо они тоже росли и тем самым участвовали в формировании продукции сообщества.

В дубраве, например, около 1% солнечной энергии преобразуется в химические связи образованного органического вещества. За единицу времени растения в процессе фотосинтеза создают определенную биомассу. Это валовая первичная продукция. Около 50% этой биомассы расходуется самими растениями в процессах дыхания, 50% сохраняется в виде прироста биомассы. Фактический прирост биомассы, или чистая продукция, всегда меньше общей энергии, полученной организмами с пищей, так как некоторая ее часть теряется при отмирании организмов или расходуется на выполняемую ими работу. В экологии эти расходы называют дыханием.

В сообществе, сохраняющем устойчивое состояние, фактическая продукция данного трофического уровня должна покрывать пищевые потребности организмов следующего уровня; в противном случае общий запас биологического вещества данного трофического уровня будет неуклонно снижаться из-за выедания. Как и энергия, продукция резко убывает при переходе от низших трофических уровней к высшим. Продукцию чаще всего выражают в энергетических эквивалентах (например, в джоулях или калориях на 1 м² за одни сутки) или в количестве сухого (обезвоженного) органического вещества (например, в килограммах на 1 га за один год).

Первичная продукция – это биомасса, образованная первичными продуцентами (растениями). Количество органического вещества оценивается его массой или энергией, запасенной в этом веществе. Общая масса живых организмов называется биомассой. Соответственно первичную продукцию оценивают величиной биомассы, произведенной за единицу времени. Чистая первичная продукция (т. е. фактический прирост биомассы растений) всегда меньше энергии, зафиксированной в процессе фотосинтеза. Именно первичную продукцию растений потребляют гетеротрофы – бактерии, грибы, животные.

Вторичной продукцией называют биомассу, образованную гетеротрофами за единицу времени.

Продуктивность и плодородие экосистем.

Изучение продуктивности – крайне важное направление экологических исследований. В течение 10 лет (с 1964 по 1974 г.) во всем мире проводился согласованный сбор данных о продуктивности экосистем и о влияющих на нее факторах. Он проходил в рамках Международной биологической программы, выполнение которой сыграло важную роль в понимании человечеством возможных способов повышения своего благосостояния. Оно позволило получить более точные сведения о продуктивности суши, пресных и соленых вод. Эти данные потребовались в связи с быстрым ростом народонаселения и были необходимы для создания рациональной системы управления природными ресурсами.

Общая годовая продукция наземной растительности оценивается приблизительно в 180-200 млрд т, основная доля ее приходится на тропическую зону. Годовая продукция фитомассы океана составляет около 50-100 млрд т. Таким образом, хотя океан занимает более ²/₃ поверхности земного шара, он дает только ¹/₃ всей продукции биосферы.

Биомасса суши составляет примерно 99,5%, биомасса океана – 0,5% от общей биомассы биосферы. В океане основным продуцентом биомассы является фитопланктон – одноклеточные растительные организмы. Они обладают большой скоростью воспроизводства, поэтому их годовая продукция в десятки и сотни раз превышает запас их фитомассы. Вся первичная продукция быстро вовлекается в цепи питания, поэтому накопление фитомассы незначительно. В то же время в океане происходит накопление зоомассы. Таким образом, здесь по сравнению с сушей пирамида биомасс имеет перевернутый вид.

Самая высокая продуктивность в коралловых рифах (2500 г/м²), в тропических лесах (2200 г/м²) и болотах (2000 г/м²). Меньше – в широколиственных лесах (1200 г/м²), еще меньше в сосновых и березовых лесах, лугах и степях и самая низкая продуктивность в тундре, горных степях, большей части морских экосистем.

Письменная работа с карточками на 10 мин:

1. Почему чистая продукция всегда меньше общей энергии, полученной с пищей? Как вычислить чистую продукцию трофического уровня?

2. Что такое первичная и вторичная продукция экосистемы. Какая из них больше? Почему?

3. Сравните продукцию и биомассу мирового океана и поверхности суши.

1. Формулировки законов, определения, или сущность понятий: 1. Продукция. 2. Чистая продукция. 3. Первичная продукция. 4. Вторичная продукция. 5. Продукция мирового океана по сравнению с продукцией поверхности суши. 6. Биомасса мирового океана по сравнению с биомассой поверхности суши.

Карточка у доски:

1. Что такое продукция трофического уровня?

2. Что такое первичная продукция?

3. Что такое валовая первичная продукция

4. Что такое чистая первичная продукция?

5. Что такое вторичная продукция?

6. Чему равна годовая первичная продукция наземной растительности?

7. Чему равна годовая первичная продукция мирового океана?

8. Какие организмы являются основными продуцентами океана?

Тестовое задание:

1. Продукция трофического уровня:

1. Суммарная продукция биоценоза.

2. Продукция продуцентов.

3. Суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень.

4. Продукция консументов.

2. Первичная продукция:

1. Биомасса, созданная продуцентами.

2. Продукция первичного трофического уровня.

3. Суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень.

4. Продукция консументов.

3. Валовая первичная продукция:

1. Суммарная продукция биоценоза.

2. Продукция первичного трофического уровня.

3. Суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень.

4. Биомасса, созданная растениями за единицу времени.

4. Чистая первичная продукция:

1. Суммарная продукция биоценоза.

2. Суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень.

3. Прирост биомассы растений за единицу времени.

4. Биомасса, созданная растениями за единицу времени.

5. Вторичная продукция:

1. Суммарная продукция биоценоза.

2. Суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень.

3. Прирост биомассы растений за единицу времени.

4. Биомасса, созданная гетеротрофами за единицу времени.