Effizienz von Ökosystemen
Da die Menschheit mit Sturheit, die einer besseren Anwendung würdig ist, das Gesicht der Erde in eine kontinuierliche anthropogene Landschaft verwandelt, wird die Bewertung der Produktivität verschiedener Ökosysteme immer praktischer. Der Mensch hat gelernt, auf vielfältige Weise Energie für seine Produktion und seine Bedürfnisse zu erhalten, aber er kann nur durch Photosynthese Energie für seine eigene Ernährung erhalten.
In der menschlichen Nahrungskette an der Basis gibt es fast immer Produzenten, die die Energie der Sonne in die Energie der Biomasse organischer Materie umwandeln. Denn genau dies ist die Energie, die Verbraucher und insbesondere Menschen später nutzen können. Gleichzeitig produzieren die gleichen Produzenten den Sauerstoff, der zum Atmen benötigt wird und Kohlendioxid absorbiert, und die Geschwindigkeit des Gasaustausches der Produzenten ist direkt proportional zu ihrer Bioproduktivität. Folglich wird in allgemeiner Form die Frage nach der Effektivität von Ökosystemen einfach formuliert: Welche Energie kann die Vegetation in Form einer Biomasse organischer Substanz haben? Auf dem oberen Bild. 1 zeigt die Werte der spezifischen (pro 1 m 2 ) Produktivität der wichtigsten Arten von Ökosystemen . Aus dieser Grafik ist ersichtlich, dass die vom Menschen geschaffenen landwirtschaftlichen Flächen keineswegs die produktivsten Ökosysteme sind. Die höchste spezifische Produktivität bieten sumpfige Ökosysteme - tropische Feuchtgebiete, Flussmündungen und Flussmündungen sowie gewöhnliche Sümpfe in gemäßigten Breiten. Auf den ersten Blick produzieren sie eine für den Menschen nutzlose Biomasse, aber diese Ökosysteme reinigen die Luft und stabilisieren die Zusammensetzung der Atmosphäre, reinigen Wasser und dienen als Reservoir für Flüsse und Bodengewässer und sind Brutstätten für eine große Anzahl von Fischen und anderen Wasserbewohnern Essen von Mann. Sie nehmen 10% der Landfläche ein und erzeugen 40% der Biomasse an Land. Und das ist ohne jede Anstrengung des Menschen! Deshalb ist die Zerstörung und "Kultivierung" dieser Ökosysteme nicht nur "ein Huhn mit goldenen Eiern töten", sondern es kann auch ein Selbstmord für die Menschheit sein. Bezugnehmend auf das untere Diagramm in Abb. In Abbildung 1 ist zu erkennen, dass der Beitrag von Wüsten und Trockensteppen zur Produktivität der Biosphäre vernachlässigbar ist, obwohl sie bereits etwa ein Viertel der Landfläche einnehmen und aufgrund anthropogener Einflüsse schnell wachsen. Auf lange Sicht ist die Bekämpfung der Desertifikation und der Bodenerosion, dh die Umwandlung von Ökosystemen mit geringer Produktivität in produktive Systeme, ein vernünftiger Weg für anthropogene Veränderungen in der Biosphäre.
Die spezifische Bioproduktivität des offenen Ozeans ist fast so niedrig wie die der Halbwüsten, und seine enorme Gesamtproduktivität erklärt sich daraus, dass sie mehr als 50% der Erdoberfläche ausmacht, zweimal die gesamte Landfläche überschreitend. Versuche, den offenen Ozean in naher Zukunft als ernste Nahrungsquelle zu nutzen, sind aufgrund ihrer geringen spezifischen Produktivität kaum wirtschaftlich vertretbar. Die Rolle des offenen Ozeans bei der Stabilisierung der Lebensbedingungen auf der Erde ist jedoch so groß, dass der Schutz vor Verschmutzung, insbesondere Ölprodukten, unbedingt notwendig ist.
Abb. 1. Bioproduktivität von Ökosystemen als Energie, die von Produzenten im Prozess der Photosynthese akkumuliert wird. Die Weltproduktion von Elektrizität beträgt etwa 10 Ekal / Jahr, während die gesamte Menschheit 50-100 Ekal / Jahr verbraucht; 1 Ecal (Exacaloria) = 1 Million Milliarden kcal = K) 18 cal
Unterschätzen Sie nicht den Beitrag der Wälder des gemäßigten Gürtels und der Taiga zur Vitalität der Biosphäre. Besonders signifikant ist ihre relative Resistenz gegen anthropogene Einflüsse im Vergleich zum feuchten tropischen Dschungel.
Die Tatsache, dass die spezifische Produktivität landwirtschaftlicher Flächen im Durchschnitt immer noch viel niedriger ist als die vieler natürlicher Ökosysteme, zeigt, dass die Möglichkeiten zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion in bestehenden Gebieten noch lange nicht ausgeschöpft sind. Ein Beispiel sind überflutete Reisplantagen, in der Tat - anthropogene Feuchtgebietökosysteme, mit ihren riesigen Erträgen, die mit moderner Agrotechnik erhalten werden.
Biologische Produktivität von Ökosystemen
Die Geschwindigkeit, mit der die Ökosystemproduzenten die Solarenergie in den chemischen Bindungen der synthetisierten organischen Materie fixieren, bestimmt die Produktivität der Gemeinschaften. Die von Pflanzen pro Zeiteinheit produzierte organische Masse wird als Primärproduktion der Gemeinschaft bezeichnet. Die Produktion wird quantitativ in der nassen oder trockenen Masse von Pflanzen oder in Energieeinheiten ausgedrückt - die entsprechende Anzahl von Joule.
Die Bruttoprimärproduktion ist die Menge einer Substanz, die von Pflanzen pro Zeiteinheit bei einer bestimmten Photosyntheserate erzeugt wird. Ein Teil dieser Produktion wird für die Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Aktivität der Pflanzen selbst ausgegeben (Atmen).
Der verbleibende Teil der geschaffenen organischen Masse charakterisiert die reine Primärproduktion , die das Ausmaß des Pflanzenwachstums darstellt. Die Nettoprimärproduktion ist eine Energiereserve für Verbraucher und Zersetzer. In Nahrungsketten verarbeitet, wird es verwendet, um die Masse heterotropher Organismen aufzufüllen. Wachstum pro Zeiteinheit der Masse der Konsumenten ist die sekundäre Produktion der Gemeinschaft. Sekundärprodukte werden für jede trophische Ebene separat berechnet, da die Erhöhung der Masse bei jeder von ihnen auf Kosten der Energie aus der vorherigen erfolgt.
Heterotrophe, die in den trophischen Ketten enthalten sind, leben auf Kosten der reinen Primärproduktion der Gemeinschaft. In verschiedenen Ökosystemen verbrauchen sie es mit unterschiedlicher Vollständigkeit. Wenn die Fressrate der Primärproduktion in den Nahrungsketten hinter den Wachstumsraten der Pflanzen zurückbleibt, führt dies zu einem allmählichen Anstieg der Gesamtbiomasse der Produzenten. Unter Biomasse wird die Gesamtmasse von Organismen einer bestimmten Gruppe oder der gesamten Gemeinschaft verstanden. Eine ungenügende Nutzung von Streuprodukten in Zersetzungsketten führt zur Ansammlung von abgestorbenem organischem Material im System, das zum Beispiel beim Sümpfen von Sümpfen, beim Überwachsen seichter Gewässer, bei der Entstehung großer Streubestände in Taiga-Wäldern usw. auftritt. Die Biomasse einer Gemeinschaft mit einer ausgewogenen Stoffzirkulation bleibt relativ konstant, da praktisch die gesamte Primärproduktion in Nahrungs- und Abbauketten verbracht wird.
Ökosysteme unterscheiden sich auch in der relativen Rate von Erzeugung und Verbrauch von primären und sekundären Produkten auf jeder trophischen Ebene. Alle Ökosysteme ohne Ausnahme sind jedoch durch bestimmte Mengenverhältnisse von Primär- und Sekundärprodukten gekennzeichnet, die als rechte Produktionspyramide bezeichnet werden : Auf jeder vorhergehenden trophischen Ebene ist die pro Zeiteinheit erzeugte Menge an Biomasse größer als in der Folgeperiode. Grafisch wird diese Regel gewöhnlich in Form von Pyramiden dargestellt, die sich nach oben hin verjüngen und aus übereinandergestapelten Rechtecken gleicher Höhe bestehen, deren Länge dem Maßstab der Produktion auf den entsprechenden trophischen Ebenen entspricht.
Die Geschwindigkeit der Bildung von organischer Materie bestimmt nicht ihre gesamten Reserven, d.h. die Gesamtbiomasse aller Organismen auf jeder trophischen Ebene. Die verfügbare Biomasse von Produzenten oder Verbrauchern in bestimmten Ökosystemen hängt davon ab, wie die Akkumulationsraten organischer Substanz auf einer bestimmten trophischen Ebene miteinander korrelieren und auf eine höhere übertragen werden.
Das Verhältnis von jährlichem Wachstum von Vegetation zu Biomasse in terrestrischen Ökosystemen ist relativ gering. Selbst im produktivsten tropischen Regenwald übersteigt dieser Wert 6,5% nicht. In Gemeinschaften, in denen grasartige Formen überwiegen, ist die Vermehrungsrate von Biomasse viel höher. Das Verhältnis von Primärproduktion zu Pflanzenbiomasse bestimmt die in der Gemeinschaft möglichen Verbrauchsskalen von Pflanzenmasse, ohne ihre Produktivität zu verändern.
Für den Ozean funktioniert die Biomasse-Pyramidenregel nicht (die Pyramide hat eine umgekehrte Ansicht).
Alle drei Regeln der Pyramiden - Produkte, Biomasse und Zahlen - spiegeln letztlich die Energiebeziehungen in den Ökosystemen wider, und wenn sich die beiden letzteren in Gemeinschaften mit einer bestimmten trophischen Struktur manifestieren, dann ist die erste (Produktionspyramide) universell. Die Zahlenpyramide spiegelt die Anzahl der einzelnen Organismen (Abbildung 2) oder z. B. die Population nach Altersgruppen wider.
Abb. 2. Vereinfachte Pyramide der Anzahl der einzelnen Organismen
Die Kenntnis der Gesetze der Ökosystemproduktivität und die Fähigkeit, den Energiefluss zu quantifizieren, sind von großer praktischer Bedeutung. Die Hauptprodukte der Agrocenosen und die Ausbeutung der natürlichen Gemeinschaften durch den Menschen sind die Hauptquelle der Nahrungsmittelversorgung für die Menschheit.
Genaue Berechnungen des Energieflusses und der Größe der Ökosystemproduktivität ermöglichen es, die Zirkulation von Substanzen in ihnen so zu regulieren, dass die größtmögliche Ausbeute an Produkten erzielt wird, die für den Menschen von Nutzen sind. Darüber hinaus ist es notwendig, die zulässigen Grenzen der Entfernung von pflanzlicher und tierischer Biomasse aus natürlichen Systemen gut darzustellen, um ihre Produktivität nicht zu beeinträchtigen. Solche Berechnungen sind in der Regel aufgrund methodischer Schwierigkeiten sehr schwierig.
Das wichtigste praktische Ergebnis des Energieansatzes für die Untersuchung von Ökosystemen war die Durchführung von Studien zum Internationalen Biologischen Programm, die seit 1969 von Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern durchgeführt wurden, um die potentielle biologische Produktivität der Erde zu untersuchen.
Die theoretisch mögliche Geschwindigkeit der Bildung von primären biologischen Produkten wird durch die Fähigkeiten des photosynthetischen Apparates von Pflanzen (PHA) bestimmt. Die maximale Effizienz der Photosynthese, die in der Natur erreicht wird, beträgt 10-12% der Phagenenergie, was etwa die Hälfte der theoretisch möglichen ist. Die Effizienz der Photosynthese in 5% wird für die Phytocenose als sehr hoch angesehen. Im Allgemeinen überschreitet die globuläre Annahme der Sonnenenergie durch Pflanzen nicht mehr als 0,1%, da die Aktivität der Pflanzenphotosynthese viele Faktoren begrenzt.
Die weltweite Verteilung von biologischen Primärprodukten ist extrem ungleichmäßig. Die gesamte jährliche Produktion von trockener organischer Materie auf der Erde beträgt 150-200 Milliarden Tonnen, mehr als ein Drittel davon wird in den Ozeanen gebildet, etwa zwei Drittel - an Land. Fast die gesamte reine Primärproduktion der Erde dient dazu, das Leben aller heterotrophen Organismen zu unterstützen. Energie, die von den Räten nicht genutzt wird, wird in ihren Organismen gespeichert, organische Sedimente von Reservoirs und Humus von Böden.
In Russland nimmt in Gebieten mit ausreichender Feuchtigkeit die Primärproduktivität von Norden nach Süden mit einem Anstieg des Wärmeeintrags und der Dauer der Vegetationsperiode zu. Das jährliche Wachstum der Vegetation variiert von 20 c / ha an der Küste und Inseln des Arktischen Ozeans bis zu mehr als 200 c / ha an der Schwarzmeerküste des Kaukasus. In den zentralasiatischen Wüsten sinkt die Produktivität auf 20 Zentner pro Hektar.
Für fünf Kontinente der Welt unterscheidet sich die durchschnittliche Produktivität vergleichsweise wenig. Die Ausnahme ist Südamerika, wo die meisten Bedingungen für die Entwicklung der Vegetation sehr günstig sind.
Die Menschen ernähren sich hauptsächlich von Feldfrüchten, die etwa 10% der Landfläche einnehmen (etwa 1,4 Milliarden Hektar). Das gesamte jährliche Wachstum der Kulturpflanzen beträgt etwa 16% der gesamten Landproduktivität, von denen die meisten auf Wälder entfallen. Ungefähr die Hälfte der Ernte geht direkt an die menschliche Ernährung, der Rest - an Tiernahrung, wird in der Industrie verwendet und geht in Abfall verloren.
Die auf der Erde verfügbaren Ressourcen, einschließlich tierischer Produkte und die Ergebnisse der Fischerei an Land und im Meer, können jährlich weniger als 50% der Bedürfnisse der modernen Erdbevölkerung decken.
Somit befindet sich der Großteil der Weltbevölkerung in einem Zustand chronischer Proteinverknappung, und ein erheblicher Teil der Bevölkerung leidet ebenfalls unter allgemeiner Unterernährung.
Produktivität von Biozönosen
Die Geschwindigkeit der Fixierung der Sonnenenergie bestimmt die Produktivität von Biozönosen. Der Hauptindikator für die Produktion ist die Biomasse der Organismen (Pflanzen und Tiere), aus denen die Biozönose besteht. Es gibt Pflanzenbiomasse - Phytomasse, Tier - Zoomass, Bakteriomasse und Biomasse von bestimmten Gruppen oder Organismen einzelner Arten.
Biomasse ist eine organische Substanz von Organismen, ausgedrückt in bestimmten quantitativen Einheiten und pro Flächeneinheit oder Volumen (z. B. g / m², g / m², kg / ha, t / km² usw.).
Produktivität ist die Wachstumsrate von Biomasse. Es wird normalerweise auf einen bestimmten Zeitraum und eine bestimmte Fläche bezogen, beispielsweise auf ein Jahr und einen Hektar.
Es ist bekannt, dass grüne Pflanzen das erste Glied in Nahrungsketten sind und nur sie in der Lage sind, unter Nutzung der Sonnenenergie selbstständig organische Materie zu bilden. Daher wird Biomasse, die von autotrophen Organismen produziert wird, d.h. Die Menge an Energie, die von Pflanzen in organisches Material in einem bestimmten Gebiet umgewandelt wird, das in bestimmten quantitativen Einheiten ausgedrückt wird, wird Primärproduktion genannt. Ihr Wert spiegelt die Produktivität aller Verbindungen heterotropher Ökosystemorganismen wider.
Die gesamte Produktion der Photosynthese wird als primäre Bruttoproduktion bezeichnet. Dies ist alles chemische Energie in Form von organischer Substanz. Ein Teil der Energie kann dazu dienen, das Leben (Atmen) der Produzenten von Produkten - Pflanzen zu erhalten. Wenn wir den Teil der Energie, den die Pflanzen für das Atmen verbrauchen, entfernen, wird die reine Primärproduktion erreicht . Es kann leicht berücksichtigt werden. Es genügt, die Pflanzenmasse zum Beispiel bei der Ernte zu sammeln, zu trocknen und zu wiegen. Somit entspricht die reine Primärproduktion der Differenz zwischen der Menge an atmosphärischem Kohlenstoff, der von Pflanzen im Prozess der Photosynthese assimiliert und von ihnen zum Atmen verbraucht wird.
Die maximale Produktivität ist typisch für tropische Äquatorialwälder. Für einen solchen Wald sind 500 Tonnen Trockenmasse pro 1 Hektar nicht die Grenze. Für Brasilien sind das 1500 und sogar 1700 Tonnen - 150-170 kg Pflanzenmasse pro 1 m 2 (vergleiche: in der Tundra - 12 Tonnen, und in Laubwäldern der gemäßigten Zone - bis zu 400 Tonnen pro 1 ha).
Fruchtbare Bodenablagerungen, hohe Jahrestemperaturen und viel Feuchtigkeit tragen dazu bei, die Phytocenosen in den Deltas der südlichen Flüsse, Lagunen und Flussmündungen sehr hoch zu halten. In der Trockensubstanz werden 20 bis 25 Tonnen pro Hektar pro Jahr erreicht, was die Primärproduktivität der Fichtenwälder (8-12 Tonnen) erheblich übersteigt. Zuckerrohr für ein Jahr hat Zeit, bis zu 78 Tonnen Phytomasse pro 1 Hektar anzusammeln. Selbst ein Torfmoor unter günstigen Bedingungen hat eine Produktivität von 8-10 Tonnen, was mit der Produktivität eines Fichtenwaldes vergleichbar ist.
"Aufzeichnungen" der Produktivität auf der Erde sind Grasbaumdickichte vom Taltyp, die in den Deltas von Mississippi, Parana, Ganges, um den Tschadsee und in einigen anderen Regionen überlebt haben. Hier entstehen in einem Jahr bis zu 300 Tonnen organischer Substanz pro Hektar!
Sekundärprodukte sind Biomasse, die von allen Konsumenten von Biozönose pro Zeiteinheit erzeugt wird. Bei der Berechnung werden die Berechnungen für jede trophische Ebene separat durchgeführt, denn wenn sich die Energie von einer trophischen Ebene zur anderen bewegt, wächst sie aufgrund des Empfangs von der vorherigen Ebene. Die Gesamtproduktivität der Biozönose kann nicht durch die einfache arithmetische Summe der Primär- und Sekundärproduktion abgeschätzt werden, weil der Zuwachs der Sekundärproduktion nicht parallel zum Wachstum der Primärproduktion stattfindet, sondern auf Kosten der Zerstörung eines Teils davon. Es gibt sozusagen eine Befreiung, die Subtraktion von Sekundärprodukten von der Gesamtmenge der Primärproduktion. Daher wird die Bewertung der Produktivität der Biozönose auf der Grundlage der Primärproduktion durchgeführt. Die Primärproduktion ist um ein Vielfaches höher als die Sekundärproduktion. Im Allgemeinen variiert die sekundäre Produktivität von 1 bis 10%.
Die Ökologiegesetze geben Unterschiede in der Biomasse von pflanzenfressenden Tieren und primären Räubern vor. So folgt auf eine Herde wandernder Hirsche meist mehrere Räuber, zum Beispiel Wölfe. So können Wölfe gefüttert werden, ohne die Fortpflanzung der Herde zu beeinträchtigen. Wenn die Anzahl der Wölfe sich der Anzahl der Hirsche annäherte, würden die Raubtiere die Herde schnell zerstören und ohne Nahrung bleiben. Aus diesem Grund gibt es in der gemäßigten Zone keine hohe Konzentration von Raubtieren und Vögeln.