Потоки энергии в экосистемах

Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 2,5 *10²⁴ Дж в год. И только порядка 1 % от общего количества энергии, поступающей от Солнца к Земле, используется растениями в процессе фотосинтеза. Дальнейшая судьба этой энергии, заключенной в химических соединениях зависит от передачи ее по пищевой цепи (рис.3. стр.144, Миллер, т1)

С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.

Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии и тем меньше полезной энергии достается конечному потребителю. Потери полезной энергии на каждом трофическом уровне составляют порядка 90%, т.е. организму следующего трофического уровня достается не более 10% от той энергии, которая поступила организму предыдущего трофического уровня. Например, если калорийность продуцента1000 Дж, то при поедании его фитофагом в его теле остается 100 Дж, при поедании фитофага хищником в теле хищника останется 10Дж, а если этот хищник будет съеден другим хищником, то в его теле останется только 1 Дж. С чем же связаны такие большие потери энергии в пищевой цепи? Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью: от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты организма связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, для чего необходимо осуществлять дыхание. Значительно меньшая часть, поступивших в организм пищевых веществ, идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т.е. на рост. Часть полезной энергии, теряется с экскрементами. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно, при мышечной работе. В конечном итоге большая часть энергии, использованной на поддержание процессов метаболизма, превращается в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающей среде.

Все выше сказанное позволяет сделать важный вывод: природные экологические системы являются открытыми системами. В них формируется круговорот веществ, но нет круговорота энергии. Поступающая в них солнечная энергия, проходя по пищевой цепи, рассеивается в виде тепловой энергии в окружающей среде, а для поддержания жизни в экосистеме, необходимо постоянное поступление солнечной энергии к продуцентам.

Для поддержания равновесия в искусственных экологических системах, требуется дополнительная энергия. Например, вспашка поля требует энергии сжигаемого топлива и др.

3.4.Продуктивность экосистем.

Продуктивность экологической системы – это скорость образования органических веществ в экологической системе. Различают разные уровни продуцирования в экологической системе. Растения создают первичную продукцию, а животные – вторичную продукцию. Первичная продукция – это масса органических веществ, создаваемая растениями в единицу времени на единице площади экосистемы.Единицы измерения первичной продуктивности экосистем: г/м² в день, кг/м² в год, т/км² в год.

Вторичная продукция представляет собой прирост за единицу времени биомассы консументов.

Первичная продукция подразделяется на два уровня: валовую и чистую продукцию.

Валовая первичная продуктивность (ВПП) – это общая масса органического вещества, которое было произведено растениями продуцентами на единице площади или объема за единицу времени. Часть этого вещества тратится растениями на собственное дыхание. Растения тратят на дыхание от 40 до 70 % валовой продукции. Меньше всего ее тратят планктонные водоросли – около 40% от произведенной валовой продукции. Та часть валовой продукции, которая не израсходована на дыхание, называется чистой первичной продукцией (ЧПП). ЧПП представляет собой величину прироста растений и именно эта продукция потребляется консументами и редуцентами. Вторичная продукция не делится на валовую и чистую, т.к. животные увеличивают свою массу за счет первичной продукции, т.е. используют ранее созданную продукцию.

Рассчитывают вторичную продукцию отдельно для каждого трофического уровня, т.к. она формируется за счет энергии, поступающей с предшествующего уровня.

Все живые компоненты экосистемы - продуценты, консументы и редуценты – составляют общую биомассу сообщества экосистемы. В стабильных экологических системах практически вся продукция тратится в трофических сетях и биомасса остается постоянной. Если прирост биомассы превышает потребности консументов, то это приводит к постепенному приросту биомассы продуцентов и возникает избыток мертвых органических веществ в экосистеме. Это в свою очередь приводит к зарастанию мелких водоемов, к заторфовыванию болот, созданию большого слоя подстилки в таежных лесах и др.

По величине продуктивности все экологические системы делятся на 4 класса:

1) Экологические системы, характеризующиеся очень высокой биологической продуктивностью, первичная продукция в которых составляет свыше 2 кг/м² в год, например, экологические системы тропических лесов, коралловых рифов, заросли тростника в дельтах Волги.

2) Экологические системы, характеризующиеся высокой биологической продуктивностью, первичная продуктивность в которых составляет 1-2 кг/м² в год, например, луга, смешанные леса.

3) Экологические системы, характеризующиеся умеренной биологической продуктивностью, первичная продуктивность в которых составляет 0,25 – 1 кг/м² в год, например, поля, озера, хвойные леса.

4) Экологические системы, характеризующиеся низкой биологической продуктивностью, первичная продукция в которых составляет менее 0,25 кг/м² в год, например, тундры, пустыни, глубины океанов.

Отметим, что экосистемы тропических лесов, которые активно вырубаются, продуктивнее сельскохозяйственных угодий. Человек должен стремиться сохранить продуктивные экологические системы, т.к. для человека они представляют наибольшую ценность. Суммарная площадь высоко продуктивных экологических систем незначительна, на нашей планете преобладают низкопродуктивные экологические системы.