19. 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).

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 (см. видео).

Самая низкая продуктивность у пустынь, а также тундр. Вместе они занимают около 10 % всей земной поверхности, но производят всего около 1 % суммарной биомассы (см. видео).

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).

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).

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 (см. видео).

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 (см. видео).

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.

Список литературы

1. А. А. Каменский, Е. А. Криксунов, В. В. Пасечник. Общая биология, 10–11 класс. – М.: Дрофа, 2005.

2. Д. К. Беляев. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е издание, стереотипное. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.

3. В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин, Е. Т. Захарова. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень. – 5-е издание, стереотипное. – М.: Дрофа, 2010. – 388 с.

4. В. И. Сивоглазов, И. Б. Агафонова, Е. Т. Захарова. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е издание, дополненное. – М.: Дрофа, 2010. – 384 с.

Домашнее задание

1. Что такое продуктивность экосистемы?

2. Чем отличается первичная продукция от вторичной?

3. Что понимают под валовой первичной продукцией экосистемы?

4. Что такое ФАР? Какова структура ФАР?

5. От чего зависит величина чистой первичной продукции?

6. Расположите такие экосистемы, как тропический лес, саванна, хвойный лес, болото, степь и пустыня в порядке возрастания первичной продукции.

7. Как урожай растений связан с годовым ходом температур?

8. Обсудите с друзьями и родными, как зависит от ФАР благополучие человека в разных странах.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Биологический словарь (Источник).