Birincil ve ikincil ürünler. Verimlilik ikinci plandadır

Bir ekosistemin verimliliği, içinden geçen enerji akışıyla yakından ilişkilidir. Her ekosistemde gelen enerjinin yalnızca bir kısmı organik bileşikler halinde depolanır. Enerjinin asimilasyon hızına üretim, üretim miktarına yani ekosistemin birim alanına oranına ise verimlilik denir. Bir ekosistemin birincil verimliliği (P), foto ve kemosentez sürecinde organik maddeler şeklinde biriken radyant enerjinin üreticiler tarafından emilme hızı olarak tanımlanır; miktarı bitkilerin ıslak veya kuru fazında ifade edilir. veya enerji birimleri (kcal, J). Birincil üretim, ekosistemlerin biyotik bileşeni aracılığıyla genel enerji akışı ve dolayısıyla biyosistemde bulunabilen canlı organizmaların biyokütlesi ile belirlenir.Birincil biyolojik üretimin yaratılmasında, fotosentetik aparatın yetenekleri ile belirlenir. bitkiler. Toplam radyasyon enerjisi miktarının% 44'ü PAR - fotosentetik olarak aktif radyasyondur, yani. Işığın dalga boyu fotosentez için uygundur. Fotosentezin maksimum verimliliği %10-12 PAR'dır ve bu teorik olarak mümkün olanın yaklaşık yarısıdır. Dünya çapında, bitki büyümesinin fotosentezi üzerindeki çeşitli faktörlerin etkisi nedeniyle güneş enerjisinin bitkiler tarafından emilmesi% 0,1'i geçmemektedir: iklimsel, fiziksel, kimyasal.

Organik madde üretimi sürecinde birbirini takip eden 4 seviye ayırt edilir:

1 brüt birincil verimlilik, ölçümler sırasında solunuma (P) harcanan organik maddeleri hesaba katarak fotosentezin toplam üretimidir (B).

2. Topluluğun net birincil üretkenliği (P net) birikimdir organik madde bitki dokularında bitkinin solunumu için kullanılan eksi organik madde.

3 Bir topluluğun net üretkenliği, heterotroflar tarafından tüketilmeyen organik madde birikiminin ürünüdür; net birincil üretim ile heterotroflar tarafından tüketilen organik madde miktarı arasındaki fark.

4 İkincil verimlilik enerjinin tüketici seviyesinde birikmesidir çünkü tüketiciler, bir kısmı solunum için harcanan ve geri kalanı doku ve organ oluşumunda harcanan önceden oluşturulmuş besinleri kullanırlar (ikincil üretim, her bir yaşam seviyesi için ayrı ayrı hesaplanır, çünkü her biri için kütle artışı sağlanan enerjiden dolayı meydana gelir) öncekine göre.

3.4. Homeostaz ve Ekosistem Dinamiği

Homeostaz, biyolojik sistemlerin (organizmalar, popülasyonlar ve ekosistemler) değişikliklere dayanma ve dengeyi koruma yeteneğidir. Ekosistem yönetimi harici düzenleme gerektirmez; kendi kendini düzenleyen sistem. Ekosistem düzeyinde homeostaz, örneğin “avcı-avcı” alt sistemi gibi birçok kontrol mekanizması tarafından sağlanır. Yırtıcı hayvanı ve avı koşullu olarak izole edilmiş bloklar - sibernetik sistemler olarak düşünürsek, aralarındaki kontrol olumlu ve olumsuz bağlantılar yoluyla gerçekleştirilmelidir. Olumlu geribildirimÖrneğin "sapmayı artırır", av popülasyonunu aşırı derecede artırır. Olumsuz geribildirimÖrneğin "sapmayı azaltır", yırtıcı hayvanların popülasyon büyüklüğünü artırarak av popülasyonunun büyümesini sınırlandırır. Bu sibernetik şema, "yırtıcı-av" sistemindeki birlikte evrim sürecini mükemmel bir şekilde göstermektedir, çünkü bu "paket"te karşılıklı uyum süreçleri de gelişmektedir. Eğer başka faktörler bu kendi kendini düzenleyen sisteme müdahale etmezse (örneğin, bir kişinin yırtıcı hayvanı yok etmesi), o zaman negatif ve pozitif bağlantılar kendilerini dengeleyecektir, aksi takdirde sistem ölecektir. Başka bir deyişle, bir ekosistemin varlığı için, pozitif ve negatif bağlantılar arasındaki dengenin yeniden sağlanması artık mümkün olmadığında, parametrelerinin bu sınırların ötesine geçmemesi gerekir.

Ekolojik denge, herhangi bir zamanda biyotik kısmın (bitkiler, algler, bakteriler, hayvanlar) bileşiminin ve üretkenliğinin abiyotik koşullara (toprak bileşimi, iklim) en iyi şekilde karşılık geldiği bir ekosistem durumudur. Ana özellik ekolojik denge onun hareketliliğidir.

2 tür denge hareketliliği vardır:

geri döndürülebilir değişiklikler;

ekolojik başarı;

1. Bir ekosistemdeki geri döndürülebilir değişiklikler, iklim dalgalanmaları ve yaşam döngülerinin ritmine (mevsim değişikliği, kış uykusu, kuş göçü, bitkilerdeki bitkiler) bağlı olarak belirli canlı organizma türlerinin rolüyle ilişkili yıl boyunca ekosistemde meydana gelen değişikliklerdir. tohum aşaması). burada tür bileşimi Ekosistem korunur, yalnızca dış ve iç faktörlerdeki dalgalanmalara uyum sağlar.

Ekolojik ardıllık veya ardışık yavaşlama yasası, çevresel koşullarda kademeli bir değişiklikle ekosistemlerin sıralı bir değişimidir. Aynı zamanda canlı organizmaların bileşimi de değişir, bazı türler ekosistemi terk ederken bazıları da ekosistemi yeniler ve buna bağlı olarak ekosistemin verimliliği de değişir. Çevre koşullarındaki ani değişiklikler (yangın, petrol sızıntısı) ile ekolojik denge bozulmaktadır.

İnsanlık olarak, layık bir inatla en iyi kullanım Dünyanın yüzünü sürekli antropojenik bir manzaraya dönüştüren çeşitli ekosistemlerin verimliliğinin değerlendirilmesi giderek daha pratik hale geliyor. İnsanoğlu, üretimi ve ev ihtiyaçları için enerjiyi en çok enerji kullanarak elde etmeyi öğrenmiştir. Farklı yollar Ancak kendi beslenmesi için gereken enerjiyi ancak fotosentez yoluyla elde edebilir.

İnsan besin zincirinin tabanında neredeyse her zaman organik maddeyi biyokütle enerjisine dönüştüren üreticiler bulunur. Çünkü bu tam olarak tüketicilerin ve özellikle de insanların daha sonra kullanabileceği enerjidir. Aynı zamanda aynı üreticiler solunum için gerekli olan oksijeni üretip karbondioksiti emerler ve üreticilerin gaz değişim hızı biyoüretkenlikleri ile doğru orantılıdır. Sonuç olarak, genelleştirilmiş bir biçimde, ekosistemlerin verimliliğine ilişkin soru basitçe formüle edilmektedir: Bitki örtüsü, organik madde biyokütlesi biçiminde hangi enerjiyi depolayabilir? Üstteki şekil. Tablo 1 ana türlerin spesifik (1 m2 başına) üretkenliğini göstermektedir. Bu diyagramdan tarım arazilerinin olduğu görülmektedir. insan yapımı, hiçbir şekilde en üretken ekosistemler değildir. En yüksek spesifik üretkenlik, bataklık ekosistemleri (tropikal yağmur ormanları, haliçler ve nehir ağızları ve sıradan bataklıklar) tarafından sağlanır. ılıman enlemler. İlk bakışta insanlara faydası olmayan biyokütle üretiyorlar, ancak havayı temizleyen ve atmosferin bileşimini dengeleyen, suyu arıtan, nehirler ve toprak suyu için rezervuar görevi gören ve son olarak canlıların üreme alanı olan bu ekosistemlerdir. insan gıdasında kullanılan çok sayıda balık ve diğer su sakinleri. Arazi alanının %10'unu kaplayarak karada üretilen biyokütlenin %40'ını oluştururlar. Üstelik bu, herhangi bir kişinin çabası olmadan! Bu nedenle bu ekosistemlerin yok edilmesi ve “ekilmesi” sadece “altın yumurtlayan kazın öldürülmesi” değil, aynı zamanda insanlık için intihara da dönüşebilmektedir. Şekil 2'deki alt diyagrama bakarsak. Şekil 1'de, arazi yüzeyinin yaklaşık dörtte birini işgal etmelerine ve antropojenik müdahaleler sayesinde hızla büyüme eğiliminde olmalarına rağmen, çöllerin ve kuru bozkırların biyosferin verimliliğine katkısının ihmal edilebilir olduğu görülebilir. Uzun vadede çölleşme ve toprak erozyonuyla mücadele, yani verimsiz ekosistemlerin verimli ekosistemlere dönüştürülmesi biyosferdeki antropojenik değişimler için makul bir yoldur.

Açık okyanusun spesifik biyoüretkenliği neredeyse yarı çöllerinki kadar düşüktür ve muazzam toplam üretkenliği, Dünya yüzeyinin %50'sinden fazlasını, yani tüm kara alanının iki katını kaplamasıyla açıklanmaktadır. Yakın gelecekte açık okyanusu ciddi bir gıda kaynağı olarak kullanma girişimleri, düşük özgül üretkenliği nedeniyle ekonomik olarak pek haklı gösterilemez. Ancak açık okyanusun Dünya'daki yaşam koşullarını istikrara kavuşturmadaki rolü o kadar büyüktür ki, onu kirlilikten, özellikle de petrol ürünlerinden korumak kesinlikle gereklidir.

Pirinç. 1. Üreticilerin fotosentez sırasında biriktirdiği enerji olarak ekosistemlerin biyoüretkenliği. Dünya üretimi elektrik 10 Ecal/yıl civarındadır ve tüm insanlık 50-100 Ecal/yıl tüketmektedir; 1 Ecal (eksakalori) = 1 milyon milyar kcal = K) 18 cal

Ormanların katkısı küçümsenmemeli ılıman bölge ve taygayı biyosferin canlılığına dönüştürüyoruz. Onların göreceli stabilite Tropikal yağmur ormanlarına kıyasla antropojenik etkilere karşı.

Tarım arazilerinin özgül verimliliğinin ortalama olarak birçok doğal ekosisteminkinden çok daha düşük olması, mevcut alanlarda gıda üretimini artırma olanaklarının tükenmekten çok uzak olduğunu gösteriyor. Bunun bir örneği, modern tarım teknolojisi kullanılarak elde edilen büyük verimlerle, esasen antropojenik bataklık ekosistemleri olan su basmış pirinç tarlalarıdır.

Ekosistemlerin biyolojik verimliliği

Ekosistem üreticilerinin güneş enerjisini sentezlenen organik maddenin kimyasal bağlarına sabitleme hızı, toplulukların üretkenliğini belirler. Bitkilerin birim zamanda oluşturduğu organik kütleye denir. Birincil ürünler topluluklar. Ürünler niceliksel olarak bitkilerin ıslak veya kuru kütlesi veya enerji birimleri (eşdeğer joule sayısı) cinsinden ifade edilir.

Brüt birincil üretim- Belirli bir fotosentez hızında bitkiler tarafından birim zamanda oluşturulan madde miktarı. Bu üretimin bir kısmı bitkilerin yaşamsal faaliyetlerinin sürdürülmesine (solunum harcamalarına) gider.

Yaratılan organik kütlenin geri kalan kısmı şunları karakterize eder: saf birincil üretim, bitki büyüme miktarını temsil eder. Net birincil üretim, tüketiciler ve ayrıştırıcılar için bir enerji rezervidir. Besin zincirlerinde işlenerek heterotrofik organizmaların kütlesini yenilemek için kullanılır. Tüketici kitlesinde birim zaman başına artış - ikincil ürünler topluluklar. Her bir trofik seviye için ikincil üretim ayrı ayrı hesaplanır, çünkü her birinde kütle artışı bir öncekinden gelen enerji nedeniyle gerçekleşir.

Trofik zincirlere dahil olan heterotroflar, topluluğun net birincil üretimiyle yaşarlar. Farklı ekosistemlerde onu farklı derecelerde tüketirler. Besin zincirlerinden birincil ürünlerin uzaklaştırılma hızı bitki büyüme hızının gerisinde kalırsa, bu durum üreticilerin toplam biyokütlesinde kademeli bir artışa yol açar. Biyokütle altında Belirli bir gruptaki veya bir bütün olarak topluluktaki organizmaların toplam kütlesini anlayın. Çöp ürünlerinin ayrışma zincirlerinde yetersiz kullanımı, sistemde ölü organik madde birikmesine neden olur; bu, örneğin bataklıkların turba ile doldurulması, sığ su kütlelerinin aşırı büyümesi, tayga ormanlarında büyük çöp rezervlerinin oluşturulması vb. durumlarda ortaya çıkar. . Dengeli bir madde döngüsüne sahip bir topluluğun biyokütlesi nispeten sabit kalır, çünkü birincil üretimin neredeyse tamamı gıda ve ayrışma zincirlerinde harcanır.

Ekosistemler ayrıca her trofik seviyede hem birincil hem de ikincil üretimin göreceli yaratım ve tüketim oranlarında da farklılık gösterir. Bununla birlikte, istisnasız tüm ekosistemler, birincil ve ikincil üretimin belirli niceliksel oranlarıyla karakterize edilir. sağ ürün piramidi: Önceki her trofik seviyede, birim zaman başına yaratılan biyokütle miktarı bir sonraki seviyeden daha fazladır. Grafiksel olarak, bu kural genellikle yukarıya doğru sivrilen ve uzunluğu karşılık gelen trofik seviyelerdeki üretim ölçeğine karşılık gelen eşit yükseklikte istiflenmiş dikdörtgenlerden oluşan piramitler şeklinde gösterilmektedir.

Organik maddenin yaratılma oranı toplam rezervlerini belirlemez, yani. Her trofik seviyedeki tüm organizmaların toplam biyokütlesi. Belirli ekosistemlerdeki üreticilerin veya tüketicilerin mevcut biyokütlesi, organik maddenin belirli bir trofik düzeyde birikim hızı ile daha yüksek bir trofik düzeye aktarımı arasındaki ilişkiye bağlıdır.

Karasal ekosistemlerde yıllık bitki örtüsü büyümesinin biyokütleye oranı nispeten küçüktür. En verimli tropik yağmur ormanlarında dahi bu değer %6,5'u geçmemektedir. Otsu formların baskın olduğu topluluklarda biyokütle üreme oranı çok daha yüksektir. Birincil üretimin bitki biyokütlesine oranı, bir toplulukta üretkenliğini değiştirmeden mümkün olan bitki kitle tüketiminin ölçeğini belirler.

Okyanus için biyokütle piramidi kuralı geçerli değildir (piramit ters bir görünüme sahiptir).

Piramitlerin üç kuralının tümü (üretim, biyokütle ve sayılar) sonuçta ekosistemlerdeki enerji ilişkilerini yansıtır ve eğer son ikisi belirli bir trofik yapıya sahip topluluklarda ortaya çıkıyorsa, o zaman ilki (ürün piramidi) evrenseldir. Sayı piramidi bireysel organizmaların sayısını (Şekil 2) veya örneğin yaş grubuna göre popülasyon büyüklüğünü yansıtır.

Pirinç. 2. Bireysel organizmaların basitleştirilmiş nüfus piramidi

Ekosistem üretkenliği yasalarının bilgisi ve enerji akışını ölçebilme yeteneği büyük pratik öneme sahiptir. Agrocenozların birincil üretimi ve insan sömürüsü doğal topluluklar- insanlık için temel gıda kaynağı.

Enerji akışının ve ekosistemlerin üretkenlik ölçeğinin doğru hesaplanması, içlerindeki madde döngüsünü insanlara faydalı en yüksek ürün verimini sağlayacak şekilde düzenlemeyi mümkün kılar. Ayrıca, bitki ve hayvan biyokütlesinin doğal sistemlerden uzaklaştırılmasına yönelik izin verilen sınırların, verimliliklerini olumsuz etkilemeyecek şekilde iyi anlaşılması gerekmektedir. Bu tür hesaplamalar, metodolojik zorluklar nedeniyle genellikle çok karmaşıktır.

Ekosistemlerin incelenmesinde enerji yaklaşımının en önemli pratik sonucu, bilim adamları tarafından yürütülen Uluslararası Biyoloji Programı kapsamındaki araştırmaların uygulanmasıydı. Farklı ülkeler Dünyanın potansiyel biyolojik üretkenliğini incelemek amacıyla 1969'dan başlayarak birkaç yıl boyunca dünya çapında.

Birincil biyolojik ürünlerin teorik olarak olası yaratılma oranı, bitki fotosentetik aparatının (PAR) yetenekleri ile belirlenir. Doğada elde edilen maksimum fotosentez verimliliği, PAR enerjisinin %10-12'sidir; bu, teorik olarak mümkün olanın yaklaşık yarısı kadardır. Bir fitosinos için %5'lik bir fotosentetik verim çok yüksek kabul edilir. Etraflı dünyaya Bitki fotosentezinin aktivitesi birçok faktör tarafından sınırlandığından, güneş enerjisinin bitkiler tarafından emilmesi% 0,1'i geçmez.

Birincil biyolojik ürünlerin küresel dağılımı son derece dengesizdir. Dünyadaki toplam yıllık kuru organik madde üretimi 150-200 milyar ton olup, bunun üçte birinden fazlası okyanuslarda, yaklaşık üçte ikisi ise karada oluşmaktadır. Dünyanın net birincil üretiminin neredeyse tamamı, tüm heterotrofik organizmaların yaşamını desteklemeye hizmet ediyor. Tüketiciler tarafından gereğinden az kullanılan enerji, organizmalarında, su kütlelerindeki organik çökeltilerde ve toprak humusunda depolanır.

Rusya topraklarında, yeterli neme sahip bölgelerde, ısı akışının ve büyüme mevsiminin süresinin artmasıyla birlikte birincil verimlilik kuzeyden güneye doğru artar. Bitki örtüsünün yıllık büyümesi kıyılarda ve Kuzey adalarında 20 c/ha arasında değişmektedir. Kuzey Buz Denizi başına 200 c/ha'dan fazla Karadeniz kıyısı Kafkasya. Orta Asya çöllerinde verimlilik 20 c/ha'ya düşüyor.

Dünyanın beş kıtasında ortalama üretkenlik nispeten az değişiklik gösteriyor. İstisna Güney Amerikaçoğunda bitki örtüsünün gelişmesi için koşullar çok uygundur.

İnsanların beslenmesi esas olarak arazi alanının yaklaşık %10'unu (yaklaşık 1,4 milyar hektar) kaplayan tarımsal ürünlerle sağlanmaktadır. Toplam yıllık büyüme ekili bitkiler Toplam karasal verimliliğin yaklaşık %16'sını oluşturur ve bunların çoğu ormanlardan gelir. Hasadın yaklaşık yarısı doğrudan insanların gıdasına gidiyor, geri kalanı ise evcil hayvanların beslenmesine gidiyor, sanayide kullanılıyor ve atık olarak kayboluyor.

Hayvancılık ürünleri ve karada ve okyanusta balıkçılığın sonuçları da dahil olmak üzere Dünya üzerinde mevcut olan kaynaklar, yıllık olarak ihtiyaçların %50'sinden azını karşılayabilmektedir. modern nüfus Toprak.

Bu nedenle, dünya nüfusunun büyük bir kısmı kronik protein açlığı durumundadır ve insanların önemli bir kısmı da genel yetersiz beslenmeden muzdariptir.

Biyosinozların verimliliği

Güneş enerjisinin yakalanma hızı belirler biyosinozların verimliliği.Üretimin ana göstergesi, biyosenozu oluşturan organizmaların (bitki ve hayvan) biyokütlesidir. Herhangi bir spesifik grubun veya bireysel türlerin organizmalarının bitki biyokütlesi - fitomat, hayvan biyokütlesi - yakınlaştırma, bakteriyoma ve biyokütle vardır.

Biyokütle - Organizmaların belirli kantitatif birimlerle ve birim alan veya hacim başına ifade edilen organik maddesi (örneğin, g/m2, g/m3, kg/ha, t/km2, vb.).

Verimlilik— biyokütle büyüme hızı. Genellikle bir yıl ve hektar gibi belirli bir dönem ve alanı ifade eder.

Yeşil bitkilerin besin zincirlerinin ilk halkası olduğu ve yalnızca onların Güneş enerjisini kullanarak bağımsız olarak organik madde oluşturabildikleri bilinmektedir. Bu nedenle ototrofik organizmalar tarafından üretilen biyokütle, yani. Belirli bir alanda bitkilerin organik maddeye dönüştürdüğü, belirli niceliksel birimlerle ifade edilen enerji miktarına denir. Birincil ürünler. Değeri, ekosistemdeki heterotrofik organizmaların tüm bağlantılarının verimliliğini yansıtır.

Fotosentezin toplam üretimine denir birincil brüt çıktı. Bu, üretilen organik madde formundaki kimyasal enerjinin tamamıdır. Enerjinin bir kısmı, üreticilerin - bitkilerin - hayati aktivitesini (solunum) sürdürmek için kullanılabilir. Bitkilerin solunum için harcadığı enerjinin bir kısmını çıkarırsak, saf birincil üretim. Kolayca dikkate alınabilir. Örneğin hasat sırasında bitki kütlesinin toplanması, kurutulması ve tartılması yeterlidir. Böylece net birincil üretim, bitkilerin fotosentez sırasında absorbe ettiği atmosferik karbon miktarı ile solunum yoluyla tükettiği atmosferdeki karbon miktarı arasındaki farka eşittir.

Maksimum verimlilik tropikal için tipiktir ekvator ormanları. Böyle bir orman için 1 hektara 500 ton kuru madde sınır değildir. Brezilya için 1500 ve hatta 1700 tonluk rakamlar belirtiliyor - bu 1 m 2 başına 150-170 kg bitki kütlesidir (karşılaştırın: tundrada - 12 ton ve Yaprak döken ormanlar ılıman bölge- 1 hektar başına 400 tona kadar).

Verimli toprak yatakları, yüksek yıllık sıcaklıklar ve bol miktarda nem, güney nehirlerinin, lagünlerin ve haliçlerin deltalarındaki fitosinozların çok yüksek verimliliğinin korunmasına yardımcı olur. Ladin ormanlarının birincil verimliliğini (8-12 ton) önemli ölçüde aşan kuru maddede yılda 1 hektar başına 20-25 tona ulaşmaktadır. Şeker kamışı yılda 1 hektar başına 78 tona kadar fitoma biriktirmeyi başarıyor. Sphagnum bataklığı bile uygun koşullar 8-10 tonluk bir verime sahiptir ki bu da bir ladin ormanının verimliliğiyle kıyaslanabilir.

Dünyadaki üretkenliğin "rekor sahipleri", Mississippi, Parana, Ganj deltalarında, Çad Gölü çevresinde ve diğer bazı bölgelerde korunan vadi tipi çimenlik çalılıklardır. Burada bir yılda 1 hektar başına 300 tona kadar organik madde oluşuyor!

İkincil ürünler- bu, biyosinozun tüm tüketicilerinin birim zaman başına yarattığı biyokütledir. Hesaplarken her trofik seviye için ayrı ayrı hesaplamalar yapılır, çünkü enerji bir trofik seviyeden diğerine geçtiğinde bir önceki seviyeden alındığı için artar. Bir biyosinozun genel verimliliği basitçe değerlendirilemez aritmetik toplam Birincil ve ikincil ürünler, çünkü ikincil üretimdeki artış, birincil üretimin büyümesine paralel olarak değil, bir kısmının yok edilmesinden kaynaklanmaktadır. Bir çeşit çekilme, ikincil ürünlerin toplam birincil ürün miktarından çıkarılması söz konusudur. Bu nedenle biyosenozun verimliliği birincil üretime göre değerlendirilir. Birincil üretim, ikincil üretimden kat kat fazladır. Genel olarak ikincil verimlilik %1 ila %10 arasında değişir.

Ekoloji yasaları, otçulların ve birincil yırtıcıların biyokütlesindeki farklılıkları önceden belirler. Bu nedenle, göç eden bir geyik sürüsünü genellikle kurtlar gibi çeşitli yırtıcı hayvanlar takip eder. Bu, sürünün üremesinden ödün vermeden kurtların iyi beslenmesini sağlar. Kurtların sayısı geyiklerin sayısına yaklaşırsa yırtıcı hayvanlar sürüyü hızla yok edecek ve yiyeceksiz kalacaktı. Bu nedenle ılıman bölgede yüksek konsantrasyon görülmez. etobur memeliler ve kuşlar.

Ekosistem üretkenliği. Verimlilik düzeyleri: birincil üretkenlik (brüt ve net), ikincil üretkenlik, net topluluk üretkenliği

Ekosistem Verimliliği

Ekosistemlerdeki üretkenliği ve madde ve enerji akışlarını analiz ederken aşağıdaki kavramlar ayırt edilir: biyokütle Ve ayakta mahsul. Sabit mahsul, birim arazi veya su alanı başına tüm organizmaların vücut kütlesi anlamına gelir ve biyokütle, aynı organizmaların enerji (örneğin joule cinsinden) veya kuru organik madde cinsinden kütlesidir. (örneğin hektar başına ton cinsinden). Biyokütle, yalnızca bitkilerdeki (örneğin ağaç kabuğu ve ksilem) değil, aynı zamanda hayvanlardaki tırnaklar ve keratinize parçalar da dahil olmak üzere, canlılaşmış ölü parçalar da dahil olmak üzere organizmaların tüm vücudunu içerir. Biyokütle ancak organizmanın bir kısmı öldüğünde (ondan ayrıldığında) veya organizmanın tamamı öldüğünde nekrokütleye dönüşür. Çoğu zaman biyokütlede sabitlenen maddeler "ölü sermayedir", bu özellikle bitkilerde belirgindir: ksilem maddeleri yüzlerce yıl boyunca döngüye girmeyebilir ve yalnızca bitkiye destek görevi görebilir.

Altında toplumun birincil üretimi(veya birincil biyolojik üretim), birim alan başına (örneğin, hektar başına günlük) solunum için harcanan enerjiyi hariç tutmadan, üreticiler tarafından biyokütle oluşumunu (daha doğrusu plastik maddelerin sentezini) ifade eder. verimlilik çevresel insan yapımı

Topluluğun birincil üretimi aşağıdakilere ayrılmıştır: brüt birincil üretim yani solunum maliyeti olmaksızın fotosentezin tüm ürünleri ve saf birincil üretim Bu, brüt birincil üretim ile nefes alma maliyetleri arasındaki farktır. Bazen buna saf asimilasyon veya gözlemlenen fotosentez de denir.

Net Topluluk Verimliliği- Heterotroflar (ve daha sonra ayrıştırıcılar) tarafından tüketilmeyen organik maddenin birikim hızı. Genellikle büyüme mevsimi veya yıl için hesaplanır. Dolayısıyla ekosistemin kendisi tarafından işlenemeyen üretimin bir parçasıdır. Daha olgun ekosistemlerde, bir topluluğun net üretkenliği sıfıra düşme eğilimindedir (doruk toplulukları kavramı).

Topluluk ikincil üretkenliği- Tüketici düzeyinde enerji birikim oranı. İkincil üretim brüt ve net olarak bölünmez, çünkü tüketiciler yalnızca üreticiler tarafından emilen enerjiyi tüketir, bir kısmı asimile edilmez, bir kısmı solunum için kullanılır ve geri kalanı biyokütleye gider, bu nedenle buna ikincil asimilasyon demek daha doğrudur. .

Bir ekosistemdeki enerji ve maddenin dağılımı bir denklem sistemi olarak temsil edilebilir. Üreticilerin ürünleri P1 olarak temsil edilirse, birinci dereceden tüketicilerin ürünleri şöyle görünecektir:

burada R2, nefes alma, ısı transferi ve özümsenmemiş enerjinin maliyetidir. Aşağıdaki tüketiciler (ikinci dereceden), birinci dereceden tüketicilerin biyokütlesini aşağıdakilere uygun olarak işleyeceklerdir:

ve benzeri, en yüksek düzeydeki tüketicilere ve ayrıştırıcılara. Böylece ekosistemde ne kadar çok tüketici (tüketici) varsa, üreticiler tarafından başlangıçta plastik maddelere kaydedilen enerji o kadar eksiksiz işleniyor. Belirli bir bölge için çeşitliliğin genellikle en yüksek olduğu doruk topluluklarında, bu enerji işleme planı toplulukların uzun süreler boyunca sürdürülebilir bir şekilde işlev görmesine olanak tanır.

Ekosistemlerin biyolojik üretkenliği, biyosferdeki yaşamın ve onun bir parçası olan insanların temelidir. Toprak kaynaklarına (besin ve nem tedariki), atmosfere, güneş ışığına ve ısıya bağlıdır. Bu faktörlerin (kaynaklar veya koşullar) her birinin yeri doldurulamaz: Atmosferde ışık veya karbondioksit olmadığında, yüksek dozda gübre veya bol sulamayla ekosistemin verimliliğini artırmak mümkün değildir. Düşük sıcaklıklarda hem sulama hem de gübreleme aynı derecede işe yaramaz olacaktır.

Doğal ekosistemlerin biyolojik ürünlerini kullanırken en önemli şey bunların akılcı kullanımla korunmasıdır.

Belirli bir biyojeosinozdaki maddelerin dolaşımı için belirli bir türün önemini değerlendirmek için, yalnızca biyokütlesini değil aynı zamanda yaratılışının göreceli oranını da bilmek gerekir; biyolojik verimlilik .

Böylece,

Biyolojik verimlilik, biyojeosinozun bir parçası olan bitki, hayvan ve mikroorganizmaların belirli miktarda biyokütle yaratma hızıdır.

Biyolojik üretkenlik, birim alan (veya hacim) başına birim zamanda sentezlenen biyokütle miktarıyla belirlenir ve çoğunlukla gram karbon veya kuru organik madde veya enerji birimleri (eşdeğer kalori veya joule sayısı) cinsinden ifade edilir.

Biyolojik üretkenlik mevsim başına, yıllık, birkaç yıllık veya herhangi başka bir zaman birimindeki üretim cinsinden ifade edilebilir.

Karasal ve bentik organizmalar için biyolojik üretkenlik, birim alan başına biyokütle miktarına ve birim hacim başına planktonik ve toprak organizmaları için belirlenir.

Verimlilik kavramının anahtar kelimesi hız. Ancak “üretkenlik” terimi yerine sıklıkla “üretim” terimi kullanılıyor ancak zaman faktörü yine de dikkate alınıyor.

Biyolojik verimlilik biyokütle ile karıştırılamaz.

Biyokütle, çalışma alanında veya çalışma hacminde yaşayan belirli organizmaların kütle (ağırlık) veya enerji birimleriyle ifade edilen canlı madde miktarıdır.

Örneğin:

planktonik algler, yüksek verimli ormanlarla yılda birim alan başına aynı miktarda organik madde sentezler, ancak ikincisinin biyokütlesi yüzbinlerce kat daha fazladır;

popülasyonlar Küçük memeliler Büyük olanlarla karşılaştırıldığında daha yüksek büyüme ve üreme oranına sahiptirler ve bu nedenle eşit biyokütle ile daha yüksek üretkenliğe sahiptirler.

Ayırt etmek Ekosistemlerin birincil ve ikincil üretkenliği.

Ekosistemlerin birincil üretkenliği, ototrofik organizmaların (üreticilerin) fotosentez sırasında güneş enerjisini bağlama ve onu organik maddelerin kimyasal bağları şeklinde depolama hızıdır; ototroflar (üreticiler) tarafından organik madde biyokütlesinin oluşma hızı.

Birincil verimlilik ikiye ayrılır brüt ve net verimlilik.

Brüt birincil verimlilik, solunum maliyetleri de dahil olmak üzere üreticiler tarafından organik madde biriktirme oranıdır(yani bitkilerin yaşam süreçlerinde tüketilecek kısmı dahil).

Örneğin tropik ormanlarda ve ılıman bölgenin olgun ormanlarında solunum maliyeti %40-70, planktonik alglerde ve çoğu tarımsal üründe ise %40'tır.

Net birincil üretkenlik, bitki dokularında organik maddenin birikme oranından, bitkinin solunumu için kullanılan kısmının çıkarılmasıyla elde edilir.

Bu nedenle bitki biyokütlesi şeklinde biriken net birincil üretim, fotosentez sürecinde onların yarattığı brüt birincil üretimden her zaman daha azdır.

Ototrofik organizmaların (üreticilerin) net birincil üretkenliği, biyokütlelerini temel alarak oluşturan heterotrofik organizmalar için bir beslenme kaynağı görevi görebilir.

İkincil verimlilik, heterotrofik organizmalar (tüketiciler) tarafından biyokütle oluşum hızıdır.

İkincil üretkenlik artık brüt ve net üretkenliğe bölünmüyor, çünkü heterotroflar daha önce yaratılmış birincil ürünler pahasına kütlelerini artırıyor.

Her bir trofik seviye için ikincil verimlilik ayrı ayrı hesaplanır, çünkü her bir trofik seviyedeki biyokütle artışı bir önceki seviyeden gelen enerjiden kaynaklanmaktadır.

Tüketicilerin bir trofik seviyesinden diğerine geçiş sırasında enerjinin önemli bir kısmının hayati süreçlerde harcandığı, dolayısıyla sonraki her trofik seviyenin ikincil üretiminin bir öncekinin üretiminden daha az olacağı dikkate alınmalıdır. bir.

Bir ekosistemde net birincil üretimin oluşma hızı, tüketiciler tarafından işlenme oranından daha yüksekse, bu durum üreticilerin biyokütlesinde bir artışa yol açar.

Çöp ürünlerinin ayrıştırıcılar tarafından ayrıştırma zincirlerinde yetersiz kullanılması durumunda ölü organik madde birikimi meydana gelir (şekilde). kömür, yağlı şeyl, kuru yapraklar vb.).

İstikrarlı ekosistemlerde, oluşturulan ürünlerin neredeyse tamamı besin zincirlerinde çeşitli tüketiciler ve ayrıştırıcılar tarafından tüketildiğinden biyokütle sabit kalır. doğa brüt üretiminin tamamını kullanmaya çabalıyor.

Ancak gelir ve üretim arasındaki eşitlik oldukça nadir görülen bir olgudur ve en istikrarlı topluluklarda, örneğin tropik bölgelerde gözlemlenmektedir. Ancak bu durum orada tarımın gelişmesi açısından nesnel zorluklar yaratıyor.

Yemyeşil bir tropik ormanı yakan kişi, boşalan bölgede yüksek verim elde etmeyi umar. Ancak çok geçmeden bu bölgedeki toprakların tamamen kısır olduğu ortaya çıktı - burada yetişen ormanın yıllık üretiminin tamamı çeşitli tüketiciler ve ayrıştırıcılar tarafından tüketildi ve topraklarda hiçbir şey birikmedi.

Biyojeosinozların birincil ve ikincil üretimine ek olarak, ara ve nihai ürünler.

Ara ürünler - Bunlar, biyojeosinoz üyeleri tarafından tüketildikten sonra tekrar bu sistemin madde döngüsüne dönen ürünlerdir.

Nihai ürünler - Bunlar belirli bir ekosistemin sınırları dışına çıkarılan ürünlerdir.

Örneğin, insanlar tarafından mahsul yetiştirme, evcil hayvan yetiştirme, avlanma, balıkçılık vb. süreçte elde edilen ürünler.

Farklı ekosistemlerin üretkenliği aynı değildir ve başta iklim (ısı, nem vb.) olmak üzere bir dizi çevresel faktöre bağlıdır.

Dahası, yaşam açısından zengin ekosistemlerdeki birincil organik madde üretimi, nispeten fakir ekosistemlerin üretimini 50 kattan fazla aşabilir.

En üretken ekosistemler haliçler ve mercan resifleridir (ortalama üretkenlik 20 g/m2'ye ulaşır) 2 günlük), ıslak tropikal ormanlar ve bataklıklar (ortalama üretkenlik 10 g/m2'dir) 2 günlük).

İklim koşullarının uygun olduğu, özellikle ekosisteme dışarıdan sağlanan ek enerjinin olduğu yerlerde yüksek verimli ekosistemler bulunur.

Abiyotik bileşenlerden enerji temini, canlı organizmaların kendi yaşamsal işlevlerini sürdürme maliyetlerini azaltır; nefes alma maliyetlerini telafi ediyorlar.

Örneğin gelgit enerjisi, solunum yoluyla kaybedilen enerjiyi telafi ederek doğal kıyı ekosistemlerinin verimliliğini artırır.

Düşük verimlilik (0,1-0,5 g/m2 2 nem ve ısı eksikliğinin alt trofik seviyenin gelişimini sınırladığı çöl ve tundra ekosistemlerinin yanı sıra, fazla su ile hacmin arttığı deniz ve okyanusların açık suları ile karakterize edilir. organik madde nispeten düşüktür.

Dünyanın büyük bir kısmının düşük üretkenliğe sahip okyanuslar ve çöllerle kaplı olduğu, yüksek üretkenliğin ise Dünya'nın nispeten küçük alanları (haliçler, mercan resifleri, bataklıklar, yağmur ormanları) için tipik olduğu unutulmamalıdır.

Ekosistemlerin birincil üretkenliğinde kuzeyden güneye doğru değişim aşağıdaki sırayla gerçekleşir:

karasal Arktik biyojeozozlarında üretkenlik düşüktür ve Arktik denizlerin yanı sıra Antarktika denizleri de oldukça verimlidir;

tropik bölgelerde toprakların büyük bir kısmı verimsiz çöllerle kaplıdır ve bu bölgenin denizleri de fakirdir;

V ekvator bölgesi Mercan resifleri, haliçler, bataklıklar ve özellikle tropikal yağmur ormanlarının en yüksek verimli biyojeosinozları bulunmaktadır.

Kuzeyden güneye doğru gidildikçe, bir birim Dünya yüzeyine düşen güneş enerjisinin spesifik miktarı artar, bu da daha fazla türe, daha önemli biyokütle birikimine ve karasal ekosistemlerin üretkenliğinin artmasına yol açar.

Deniz ekosistemlerinde durum karadakinden farklıdır.

Yüksek verimlilik kuzey denizleri oksijen ve besin açısından zengin soğuk suların derinliklerden geldiği aşırı güney enlemlerindeki denizlerin yanı sıra. Sıcak suda oksijen daha az çözünür ve besin maddesi azdır (tropikler türler açısından zengindir ancak nispeten verimsizdir).

Dünyadaki toplam net birincil üretkenlik yılda 170 milyar ton olup, bunun 115 milyar tonu kara ekosistemlerinden, 55 milyar tonu ise deniz ekosistemlerinden gelmektedir.

İkincil üretim (heterotrofik organizmaların biyokütlesi, öncelikle hayvanlar - zoomass) birincil üretimden (bitki biyokütlesi - fitomass) birçok kez daha azdır.

Farklı ekosistemlerde zoomass, biyokütlenin küçük bir kısmını oluşturur (toplam biyokütlenin %0,05 ila %5'i), ancak kara hayvanları, bireysel ekosistemlerde ve bir bütün olarak biyosferde meydana gelen süreçlerin düzenlenmesinde büyük bir rol oynar.

İnsanların yaşamlarının ve üretim faaliyetlerinin ana biyojeozozların verimliliğine, birincil üretime ve bunun küresel dağılımına bağlı olduğu oldukça açıktır.

İnsan beslenmesi temel olarak arazi alanının yaklaşık %10'unu kaplayan ve dünya kaynaklarının önemli bir bölümünü oluşturan yılda yaklaşık 9,1 milyar ton organik madde sağlayan tarımsal ürünlerle sağlanmaktadır.

Ayrıca, birincil ürünlerin büyük bir kısmı insanlar tarafından endüstride ve günlük yaşamda teknik hammadde olarak kullanılıyor (yakıt, pamuk, keten, uçucu yağ bitkileri vb.) ve yaklaşık %50'si atık olarak kayboluyor.

Ancak kişi yalnızca birincil ürünleri tüketmez. Maliyetlerinin hesaplanması çok zor olan hayvan yemi formundaki büyük miktarda ikincil ürünü biyosferden uzaklaştırır.

Böylece, ekosistemlerin üretkenliği ve birincil üretimin küresel dağılımı hakkındaki mevcut fikirler, gezegenimizde gelişen durumu yönlendirmeyi ve kesinlikle bilimsel bir temelde, bunun için önlemler geliştirmeyi mümkün kılmaktadır. akılcı kullanım doğal Kaynaklar.

Ekosistemlerin verimliliği, belirli bir ekosistemden geçen enerji akışıyla yakından ilişkilidir. Her ekosistemde, trofik ağa giren enerjinin bir kısmı organik bileşikler formunda birikir. Biyokütlenin (canlı madde) kesintisiz üretimi, biyosferin temel süreçlerinden biridir. Üreticilerin fotosentez veya kemosentez sırasında oluşturdukları organik maddeye denir. Ekosistemlerin birincil üretimi S(topluluklar). Bitkilerin ıslak veya kuru kütlesinde veya enerji birimlerinde (eşdeğer kalori veya joule sayısı) niceliksel olarak ifade edilir. Birincil üretim, ekosistemin biyotik bileşeni aracılığıyla toplam enerji akışını ve dolayısıyla ekosistemde var olabilecek canlı organizmaların biyokütlesini belirler.

Birincil biyolojik ürünlerin teorik olarak mümkün yaratılma oranı, bitkilerin fotosentetik aparatlarının yetenekleri ile belirlenir. Ve bildiğiniz gibi yeşil yüzeyin aldığı ışık enerjisinin yalnızca bir kısmı bitkiler tarafından kullanılabiliyor. Güneş'ten gelen kısa dalga radyasyonunun yalnızca %44'ü fotosentetik olarak aktif radyasyondur (PAR), yani fotosentez için uygun dalga boyundaki ışıktır. Genel olarak dünya genelinde, bitkilerin fotosentetik aktivitesinin ısı ve nem eksikliği, olumsuz fiziksel ve çevresel faktörler gibi birçok faktör tarafından sınırlandırılması nedeniyle güneş enerjisinin bitkiler tarafından emilimi %0,1'i geçmemektedir. Kimyasal özellikler toprak vb. Bitkilerin kimyasal enerji biriktirme hızına denir brüt birincil verimlilik (koşu yolu). Bu enerjinin yaklaşık %20'si bitkiler tarafından solunum ve fotorespirasyon için harcanır. Organik maddenin birikim hızı eksi bu tüketime denir. net birincil verimlilik (NWP). Bu, organizmaların sonraki trofik seviyelerde kullanabileceği enerjidir. Heterotrofik organizmaların biriktirdiği organik madde miktarına denir. ikincil ürünler . Her bir trofik seviye için ikincil üretim ayrı ayrı hesaplanır, çünkü her birinde kütle artışı bir öncekinden gelen enerji nedeniyle gerçekleşir. Besin zincirlerine dahil olan heterotroflar, sonuçta topluluğun net birincil üretimiyle geçinirler. Tüketiminin tamlığı farklı ekosistemlerde farklılık gösterir. Besin zincirlerinden birincil ürünlerin uzaklaştırılma hızı bitki büyüme hızının gerisinde kalırsa, üreticilerin toplam biyokütlesinde kademeli bir artış gözlenir.

Birincil biyolojik ürünlerin küresel dağılımı oldukça dengesizdir. Bitkilerin bulunmadığı ekstra kurak çöllerde veya Antarktika koşullarında net üretim 3000 g/m²/yıl ile sıfır arasında değişmektedir. sonsuz buz arazi yüzeyinde ve biyokütle rezervi sırasıyla 60 kg/m2'den sıfıra kadardır. R. Whittaker (1980) tüm toplulukları üretkenliğe dayalı olarak dört sınıfa ayırır:

1. En yüksek üretkenliğe sahip topluluklar, 3000-2000 g/m2/yıl. Bu içerir yağmur ormanları, pirinç ve şeker kamışı bitkileri.

2. Yüksek üretkenliğe sahip topluluklar, 2000-1000 g/m2/yıl. Bu sınıf, ılıman yaprak döken ormanları, gübre kullanılan çayırları ve mısır mahsullerini içerir. Maksimum biyokütle birinci sınıf biyokütleye yaklaşmaktadır. Minimum biyokütle, yıllık mahsullerin net biyolojik üretimine karşılık gelir.

3. Orta düzeyde üretkenliğe sahip topluluklar, 1000-250 g/m2/yıl. Bu sınıf, ekili mahsullerin büyük bir kısmını ve bozkırdaki mahsulleri içerir.

4. Verimliliği düşük, yılda 250 g/m²'nin altında olan topluluklar - çöller, yarı çöller (Rus literatüründe bunlara genellikle çöl bozkırları denir), tundra.

Dünyadaki kuru organik maddenin toplam yıllık verimliliği 150-200 milyar tondur. Bunun üçte ikisi karada, üçte biri ise okyanuslarda oluşur.

Dünyanın net birincil üretiminin neredeyse tamamı, tüm heterotrofik organizmaların yaşamını desteklemeye hizmet ediyor. Tüketiciler tarafından gereğinden az kullanılan enerji, vücutlarında, toprak humusunda ve su kütlelerinin organik çökeltilerinde depolanır.