Вопрос 10. Схема трофической цепи

Схема трофической цепи

Вопрос 9

Пищевые цепи, сети. Экологические пирамиды.

Источник: методичка «Остров».

Ответ:

Трофические уровни

Совокупность организмов, которые получают фиксированную в органическом веществе энергию через одинаковое число посредников, представляет один трофический уровень.

Различают следующие трофические уровни:

-первый уровень – продуценты-автотрофы (количество посредников в потреблении энергии равно нулю). Зеленые растения (продуценты) превращают в процессе фотосинтеза световую энергию в энергию химических связей органических соединений;

-второй уровень – консументы-фитофаги - травоядные (посредником в потреблении энергии Солнца являются растения);

-третий уровень – консументы-зоофаги первого порядка – хищники или плотоядные (посредников в потреблении энергии Солнца два – растения и фитофаги);

-четвертый уровень – консументы-зоофаги второго порядка (посредников в потреблении энергии Солнца три – растения, фитофаги, консументы первого порядка).

При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов, детритофагов), третий (хищников первого порядка) и так далее значительное ее количество рассеивается и снижается ее качество. Поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой составляет 7-10%. После смерти животного, в теле которого энергия зафиксирована в энергии химических связей органических соединений, она будет использована редуцентами, и происходит полное ее рассеивание.

Классификация трофических цепей:

1. Наземные (например: трава – кролик – лисица; лист дерева – тля – божья коровка). В наземной экосистеме цепь замыкают крупные хищники (лиса, волк, орел).

2. Водные (например: фитопланктон – рачки-дафния – плотва – щука). В водной экосистеме солнечная энергия усваивается водорослями, ими питаются консументы-фитофаги (дафния, толстолобик, ондатра), цепь замыкается крупными хищниками (щука, сом, судак).

3. Полная (применительно к сельскому хозяйству). Пример: клевер – корова – человек.

4. Укороченная (применительно к сельскому хозяйству). Примеры: картофель – человек; яблоко – человек. Полная и укороченная пищевые цепи замыкаются человеком.

5. Детритная – в ней участвуют детритофаги, использующие мертвое органическое вещество, и редуценты (примеры: листовой опад – червь – воробей – ястреб; труп животного - личинки мух – падальщик – травоядная лягушка – уж).

6. Сложная – действительная картина трофической структуры сложная: одно и то же растение может быть съедено разными травоядными животными (корова, овца, лось, гусеница, заяц, белка и др.), а они, в свою очередь, стать жертвами разных хищников (гусеницу может съесть насекомоядная птица, паук, жук и др.). Сложная пищевая цепь представляет собой пищевую сеть.

Экологические пирамиды

Трофическую структуру можно представить графически в виде пирамиды, основанием которой служит первый трофический уровень, а последующие образуют этажи и вершину пирамиды.

Различают три основных типа эко­логических пирамид - пирамиды чисел, биомассы и энергии. Пирамиды чисел и биомассы в водных системах из-за нарушения масштабов и скорости образования фито- и зоопланктонов могут быть перевернутыми. Пирамиды энергии перевернутыми не бывают.

Биологическая продуктивность экосистем.

Источник: методичка «Остров», лекция 4.

Ответ:

Автотрофные экосистемы, используя энергию Солнца, углекислый газ и минеральные вещества, производят различные органические вещества – древесину, листья, плоды, т.е. живую биомассу. Производительность экосистемы измеряется количеством органического вещества, которое создано за единицу времени на единице площади, и называется биологической продуктивностью.

Общая годовая продукция сухого органического вещества на планете составляет 150-200 миллиардов тонн. В океане образуется 1/3 этой продукции, на суше – 2/3. Почти вся чистая первичная продукция планеты служит для поддержания жизни гетеротрофов. Неиспользуемая консументами энергия запасается в их телах, в органических осадках водоемов, в гумусе почвы.

Различают первичную, валовую, чистую, вторичную продукцию сообществ.

Биологическая продукция измеряется количеством сухой или сырой массы органического вещества (растений), производимого в единицу времени на единицу площади (т/га в год, г/м² в день) или в энергетических единицах – эквивалентном числе джоулей.

Растения создают первичную продукцию, вторичная продукция сообществ (создается гетеротрофами) – прирост за единицу времени массы консументов.. Вторичную продукцию вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост массы на каждом из них происходит за счет энергии, поступающей с предыдущего уровня. Гетеротрофы живут за счет чистой первичной продукции сообщества.

Первичная продукция подразделяется на валовую первичную продукцию – количество вещества, создаваемого растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза, то есть общая продукция фотосинтеза (расходуется на процессы жизнедеятельности, выделения, рост биомассы органического вещества), и чистую первичную продукцию – величина прироста растений (биомассы органического вещества).

При переходе с одного трофического уровня на другой, 90% энергии теряется. Поэтому количество вторичной биологической продукции в 20-50 раз меньше, чем первичной.

Продуктивность основных экосистем планеты показана в табл. 2 - 4.

Под биомассой понимают массу организма, организмов определенной группы, всего сообщества в целом или экосистемы. Под биомассой понимают всю живую органическую массу, которая содержится в экосистеме или ее элементах вне зависимости от того, за какой период она образовалась и накопилась. Различают фитомассу (массу живых растений), зоомассу, микробную массу, массу мертвого вещества. Также различают биомассу надземную, подземную, водную.

Таблица 2

Продуктивность экологических систем за год

Экосистема	Пло- щадь, млн км2	Продуктивность растений, г/м2	Общая про-дуктивность
Пределы	Сред-нее	Расте-ний, млрд/т	Живот-ных, млн/т
Материковые экосистемы (в целом):		0-3500
Влажные тропические леса		1000-3500		37,4
Вечнозеленые леса умерен-ного пояса		600-2500		6,5
Листопадные леса умеренного пояса		600-2500		8,4
Тайга		400-2000		9,6
Саванна		200-2000		13,5
Тундры и высокогорье		10-400		1,1
Пустыни и полупустыни		10-250		1,6
Болота мангровые и низинные		800-3500		4,0
Озера и водотоки		100-1500		0,5
Культивируемые земли		100-3500		9,1
Морские экосистемы (в целом)		2-2400		55,0
Открытый океан		2-400		41,5
Апвеллинги	0,4	400-1000		0,2
Континентальный шельф		200-600		9,6
Заросли водорослей и рифы	0,6	500-4000		1,6
Эстуарии	1,4	200-3500		2,1
Средняя продуктивность биосферы		0-4000		170,0

Величина биомассы экосистемы зависит не столько от продуктивности, сколько от продолжительности жизни организмов и экосистемы. Большая биомасса характерна для лесных экосистем (тропические леса – 800-1000 т/га, леса умеренной зоны – 300-400 т/га), в травянистых сообществах ее значение составляет 3-5 т/га.

Обычно запас фитомассы выше запаса зоомассы, однако в водоемах запас зоомассы может быть выше, так как продолжительность жизни фитопланктона невелика, а рыбы живут несколько лет.

Таблица 3

Продуктивность и биомасса экосистем материков и океанов планеты за год

Экосистемы	Пло-щадь, млн км2	Растения, млрд. т	Животные, млрд т
Продукция	Биомасса	Потреб-ление жи-вотными	Про-дук-ция	Био-масса
т/га	глоба- льная	т/га	глоба-льная
Континентов		7,73	115,0	123,0	1837,0	7,8	0,909	1,005
Океана		1,52	55,0	0,1	3,9	20,2	3,045	0,997
Всего		3,33	170,0	3,6		28,0	3,934	2,002
Возделыва-емые земли		6,50	9,1	10,0		0,09	0,009	0,006

Таблица 4

Продуктивность естественного растительного покрова

Часть света	Средняя продуктивность, ц/га	КПД ФАР
Европа		1,26
Азия		0,88
Африка		0,59
Северная Америка		0,94
Южная Америка		1,13
Австралия и Океания		0,44

Для экосистем, состоящих из однолетних организмов (поле пшеницы, клевера), годичная продуктивность и биомасса практически совпадают. Для древесных сообществ они резко различаются.

Биомасса основных экосистем России следующая: леса – 20-30, болота – 3-10, сельскохозяйственные системы –0,4-6, луга и степи – 0,1-3, озера – 0,01-0,1 кг/м².

Продуктивность экосистем определяется лимитирующими факторами: наличием воды, питательных веществ, интенсивностью солнечной радиации, способностью системы использовать биогенные вещества и др. Биологическая продуктивность снижается при загрязнении экосистемы антропогенными и природными выбросами. Высокие скорости продукции имеют место в экосистемах при поступлении в них дополнительной энергии извне (в лесных экосистемах это ветер и дождь, в заливах – прилив, на возделываемых полях – удобрения, полив, работа человека). Человек повышает продуктивность экосистемы, уменьшая влияние лимитирующих факторов: вносит удобрения, орошает землю, создает искусственное тепло (теплицы, парники), рационально использует почвенно-климатические условия.

По продуктивности, ЭС подразделяются на 4 группы:

· экосистемы очень высокой продуктивности – свыше 2 кг/м² в год (тропические леса, коралловые рифы, заросли тростника в дельтах Волги, Дона).

· экосистемы высокой продуктивности – 1-2 кг/м² в год (липово-дубовые леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озерах, посевы кукурузы и многолетних трав при орошении и внесении высоких доз удобрений).

· экосистемы умеренной продуктивности – 0,25-1 кг/м² в год (многие сельскохозяйственные посевы, сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера, морские луга из водорослей).

· экосистемы низкой продуктивности – менее 0,25 кг/м² в год (пустыни, тундра, горные степи, большая часть морских экосистем).

Средняя по планете биопродуктивность составляет 0,3 кг/м² в год.