Понятие продуктивности экосистем
Определение термина «продуктивность»
Продуктивность – это свойство организма преобразовывать неорганическое вещество в свою биомассу.
Определение термина «биомасса»
Биомасса – это совокупность органического вещества всех организмов. Выделяют две формы биомассы: живую и неживую (например, кора и древесина).
Чаще всего продуктивность рассчитывают на единицу площади экосистемы
Первичная продукция
Продуктивность – это прирост биомассы за единицу времени.
Выделяют первичную и вторичную продукцию.
Первичная продукция – биомасса продуцента, накопленная в результате фотосинтеза или хемосинтеза.
Вторичная продукция
Вторичная продукция – суммарная биомасса консументов и редуцентов.
Вся продуктивность наземных и абсолютного большинства водных экосистем обеспечивается солнечной энергией.
Автотрофные фотосинтетические организмы непосредственно используют солнечную энергию для синтеза органического вещества, а гетеротрофные организмы используют готовое органическое вещество, синтезированное с помощью солнечной энергии или энергии химических реакций. Небольшой вклад вносят хемосинтетики, но они, как продуценты, играют роль в экстремальных местообитаниях (например, в толще земли или дне океана).
Лишь часть энергии света, попадающая на земную поверхность, может быть использована продуцентами. Из коротковолнового излучения 44% света используется фототрофами в процессе фотосинтеза.
Определение термина «ФАР»
Эта часть спектра называется фотосинтетической радиацией, или ФАР. Но и ФАР используется не полностью, потому что часть солнечных лучей попадает на поверхность, где нет растений, а лучи, попавшие на растения, могут отражаться или проходить его насквозь.
Около 25% ФАР накапливается в виде органического вещества растений. При этом около 50% накопленного вещества в умеренной зоне используется самими растениями для дыхания и превращается в углекислый газ. Для тропических фитоценозов эта величина доходит до 80%.
Валовая первичная продукция
Вся биомасса, полученная в результате фотосинтеза, называется валовой первичной продукцией.
Чистая первичная продукция
Часть биомассы, которая не была израсходована на дыхание, а пошла на строительство функциональных частей растений, называется чистой первичной продукцией.
Для консументов доступна только чистая первичная продукция.
Продуктивность экосистем зависит от температуры, потому что температура связана с интенсивностью солнечной радиации. Величина чистой первичной продукции уменьшается от линии от экватора к полюсам. При высокой температуре лимитирующим фактором является доступность воды. Поэтому при одной и той же температуре экосистема, которая лучше снабжена водой, будет продуктивнее, чем экосистема в более сухом месте.
Максимальная продуктивность экосистем тропических лесов, которые занимают менее 5% поверхности Земли, но производят около 30% чистой первичной продукции на планете (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид тропического леса – самой продуктивной наземной экосистемы Земли
Достаточно высока продуктивность лесов умеренной зоны, занимая 2,5% поверхности Земли, они производят 10% чистой первичной продукции планеты. Заметно ниже продуктивность северных лесов, саванн и степи.
Самая низкая продуктивность у пустынь, а также тундр. Вместе они занимают около 10% всей земной поверхности, но производят всего около 1% суммарной биомассы.
Заметный вклад в формирование первичной продукции вносят продуценты Мирового океана. Первичная продукция Мирового океана составляет около 30% от всей продукции планеты. То есть приблизительно столько же, сколько производят тропические леса, но Мировой океан занимает три четверти поверхности Земли.
Таким образом, относительная продуктивность открытого океана ниже, чем у лесных систем.
Некоторый вклад в общую продукцию вносят продуценты пресных вод. Продуктивность всех рек и озер в несколько раз ниже, чем продуктивность болот.
По относительной продуктивности болота обгоняют большинство экосистем, уступая только влажным лесам (рис. 2).
Рис. 2. Болото – один из наиболее продуктивных биоценозов, уступающий по первичной продукции только тропическим лесам
Человек все меньше зависит от продуктивности естественных фитоценозов и все больше ориентируется на продуктивность возделываемых полей. Суммарное количество агроценозов сопоставимо с продукцией северных лесов. При этом продуктивность разных агроценозов очень сильно отличается друг от друга.
Структура ФАР
Растения используют для фотосинтеза очень узкий спектр солнечной энергии. Активируют растительные пигменты лучи с длиной волн от 380 до 760 нм. Этот спектр неравномерно используется растениями.
Для фотосинтеза большое значение имеют красно-оранжевые лучи с длиной волны 600–700 нм и фиолетово-голубые с длиной волны 400–500 нм. Наименьшее значение имеют желто-зеленые 500–600 нм (рис. 3).
Рис. 3. Пики поглощения света с разной длиной волны фотосинтезирующими пигментами
Лучи, разного спектра имеют разную проницаемость в воде, поэтому водоросли вынуждены использовать только ту часть ФАР, которая до них доходит. Поэтому водоросли часто могут быть не зелеными, а бурыми или красными.
Связь температуры и урожая
Высокая продуктивность экосистем в жарком климате связана не только с повышенной интенсивностью фотосинтеза, но и с удлинением срока вегетации. В жарких регионах растения не сбрасывают листья и не впадают в состояние покоя на зиму, а продолжают фотосинтезировать круглый год. Поэтому на полях Ирана и Египта снимают не один урожай, а два или три.
Продукция кислорода
Человек все меньше зависит от урожайности природных биоценозов, но все больше зависит от вырабатываемого ими кислорода. Максимальная продукция кислорода наблюдается для лесов умеренного и бореального поясов. Продуктивность лесов тропического пояса гораздо выше, но большую часть кислорода они сами же используют для дыхания. Поэтому, настоящие легкие планеты – это не тропические леса, а тайга.
Также большое значение в круговороте кислорода имеют водные экосистемы, особенно фитопланктон океана, активно производящий кислород, который из-за короткого жизненного цикла не успевает употребить.
Таким образом, вы познакомились с понятием продуктивность и выяснили, как продуктивность экосистем зависит от разных факторов среды.