Продуктивность экосистем

Порядка) 5 порядка)

Птицы птицы

Порядка) 2 порядка) 3 порядка)

Порядка) 2 порядка) 3 порядка)

Сосна → Тля → Божьи коровки → Пауки →

(продуцент) (консумент (консумент (консумент

→ Насекомоядные → Хищные

(консумент (консумент

Особенностями пищевых цепей хищников является то, что, как правило, по мере продвижения по цепи, животные все более увеличиваются в размерах и уменьшаются по своей численности. Виды с широким спектром питания (медведь, человек, ворона и т.д.) могут включаться в цепь питания на различных трофических уровнях.

Цепи паразитов характеризуются наоборот тем, что при продвижении по цепи животное увеличиваются численно, но уменьшаются по размерам. Например:

Трава (продуцент) → Травоядные млекопитающие (консумент 1 порядка) → Блохи (консумент 2 порядка) → Одноклеточные жгутиковые паразиты (консумент 3 порядка)

Второй тип - цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных (детрита). Называются такие цепи детритными цепями разложения (сапрофитными цепями). На пищевых уровнях в таких цепях находятся редуценты, а именно многочисленные беспозвоночные, живущие в почве (питаются растительным и животным опадом), бактерии и микроскопические грибы. Причем сначала работают животные, разделяя трупы погибших животных и опад растений на мелкие части, а на смену им приходят микроорганизмы.

Почва → Дождевые черви (редуцент) → Кроты (консумент)

В экосистемах определенные животные и растения соответственно могут служить источником пищи различным плотоядным и травоядным животным, в связи с чем многочисленные пищевые цепи часто перекрещиваются друг с другом, образуя сложную пищевую сеть биоценоза.

В процессе жизнедеятельности сообщества в пределах экосистемы создается и расходуется органическое вещество. Это значит, что каждая экологическая система обладает определенной продуктивностью. Выделяют следующие виды продукции экосистем:

§ Первичная продукция – это количество органического вещества, создаваемое организмами продуцентами (растениями).

§ Прирост за единицу времени массы консументов называют вторичной продукцией. Вторичная продукция различна на каждом трофическом уровне рассчитывается отдельно.

Первичная и вторичная продукция выражаются либо в единицах биомассы (кг, т/га и т.д.), либо количеством энергии, эквивалентным данной биомассе.

Продуктивность экосистем и соотношение в них различных трофических уровней (иначе – трофическую структуру экосистем) принято выражать в виде так называемых экологических пирамид.

Экологические пирамиды можно свести к трем основным типам: пирамиды чисел, биомасс и энергии. Эти пирамиды отражают две фундаментальные характеристики биоценоза, когда рассматривают его трофическую структуру:

· их высота пропорциональна длине рассматриваемой пищевой цепи, т.е. числу содержащихся в ней трофических уровней;

· их форма более или менее отражает эффективность превращения энергии при переходе с одного уровня на другой.

Пирамиды чисел представляют собой наиболее простое приближение к изучению трофической структуры экосистемы. Пирамида чисел имеет вид треугольника, который обращен вершиной вверх или вниз. Прямоугольники, расположенные внутри этого условного треугольника, строятся таким образом, что их длина пропорциональна числу особей на каждом трофическом уровне; количество этих прямоугольников соответствует числу трофических уровней.

В построении пирамид чисел наблюдается большое разнообразие. Для пастбищных цепей хищников пирамида чисел, как правило, направлена вершиной вверх.

Пирамида чисел была введена Чарльзом Элтоном (1927 г.). Она достаточно условно отражает трофические связи в сообществе, так как не учитывает ни размеры, ни массу индивидуумов разных популяций.

Ястреб 1 особь

Суслик ТТ 2,6 особей

Люцерна 10⁷ штук

Пирамиды биомасс более полно отображает пищевые взаимоотношения в экосистеме, так как она показывает биомассу в данный момент на каждом трофическом уровне. Биомасса – это обычно выраженное в единицах массы количество живого вещества тех или иных организмов, приходящееся на единицу площади или объема.

Форма пирамиды биомасс часто сходна с пирамидой чисел. В случае пищевой цепи хищников пирамида биомасс обычно направлена вершиной вверх:

Окунь 1 кг

Рыба-луна 10 кг

Ракообразные 100 кг

Фитопланктон 1000 кг

Недостаток пирамиды биомасс в том, что здесь не разделяются компоненты, имеющие различный химический состав и разную энергетическую значимость.

Пирамиды энергии являются наилучшим способом графического изображения структуры экосистемы и показывают эффективность преобразования энергии и продуктивность пищевых цепей. Пирамида энергии всегда имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вверх, что связанно с потерей энергии при переходе от одного трофического уровня к другому по законам термодинамики.

Расчеты показывают, что 1 Га некоторого леса в среднем ежегодно воспринимает 2,1 10⁹ кДж энергии солнца. Однако, если все запасенное за год растительное сырье сжечь, то в результате получится всего 1,1 10⁶ кДж, что составляет примерно 0,05 %. Это значит, что первичная продуктивность не превышает 0,05 %. Вторичная продуктивность тоже низка: при передаче от каждого предыдущего звена трофической цепи к последующему теряется до 90 % энергии. Раймонд Линдеман в 1942 г. впервые сформулировал закон превращения энергии в экосистемах («закон 10 %»), согласно которому только 10 % - 20 % поступившей на определенный трофический уровень энергии передается организмам, находящемся на более высоком трофическом уровне. То есть передача энергии с одного уровня на другой происходит с очень малым КПД, что объясняет ограниченное количество звеньев в пищевой цепи не зависимо от рассматриваемого биоценоза. Зачем все это? Есть конкретные расчеты, показывающие, что для образования 1 кг баранины необходимо 90 кг свежей травы. Получается, что энергии, потраченной на получение мяса для одного бифштекса или можно накормить 45 человек пшенной кашей.

Поток энергии через пастбищную пищевую цепь. Все цифры даны в кДж на метр в квадрате умноженное на год.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых большинством животных.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

Приведенный ниже пример пирамиды энергии хорошо иллюстрирует величину потерь в пищевой цепи.

Ткани ястреба 10⁴ Дж

Суслики 10⁶ Дж

Люцерна 10⁷ Дж

Солнечная

энергия 10¹¹ Дж

Как отмечалось выше, потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением новых ее порций, в связи с чем экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее из вне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества.

ПРИМЕЧАНИЕ. Кало́рия (кал, cal) — внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 °C. В зависимости от принимаемой эталонной температуры воды, существует несколько слегка различных определений калории.

1 кал = 4,1868 Дж.

Джо́уль (обозначение: Дж, J) — единица измерения работы и энергии в системе СИ. Джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении действия силы.

1 Дж = кг·м²/с² = Н·м.

1 Дж ≈ 6,2415×1018 эВ.

Дата добавления: 2014-11-18