Читайте также:
|
|
Так, зеленые растения - продуценты - занимают первый трофический уровень; травоядные животные - первичные консу-менты - второй; хищники - вторичные консументы - третий. Могут присутствовать хищники, поедающие первых хищников -
третичные консументы, расположенные на четвертом уровне, и т. д. Но обычно наблюдается не более пяти уровней, так как на каждом уровне количество аккумулированной энергии резко падает (табл. 3.2).
iea 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
Таблица 3.2 |
Распределение живых организмов по трофическим уровням
Трофические уровни | Функции организмов | Организмы | Примеры |
Продуценты | Растения | Лиственные деревья, травы, водоросли | |
II | Первичные консументы | Растительноядные животные | Гусеницы, насекомые, заяц, корова, плотва |
III | Вторичные консументы | Хищники 1-го порядка | Лиса, волк, дрозд, щука |
IV | Третичные консументы | Хищники 2-го порядка | Гриф, сова, тигр |
V | Четвертичные консументы | Хищники 3-го порядка | Ястреб, акула, крокодил |
Пищевые цепи знакомы каждому: человек может потреблять мясо коров, которые едят траву, улавливающую солнечную энергию, но он может использовать и более короткую пищевую цепь, питаясь зерновыми культурами. В первом случае он является вторичным консументом на третьем трофическом уровне, а во втором - первичным консументом на втором трофическом уровне. Но чаще всего человек является одновременно и первичным, и вторичным, и даже третичным консументом. Таким образом, поток энергии разделяется между двумя или несколькими трофическими уровнями в пропорции, соответствующей долям растительной и животной пищи в рационе.
Лучистая энергия, усваиваемая растениями - продуцентами, накапливаемая в химических связях органических веществ, называется первичной продукцией, а всеми животными - консу-ментами - вторичной продукцией.
На рис. 3.7 изображен принцип организации пищевой сети. Более половины образующейся валовой первичной продукции Пв расходуется на дыхание растений Д,. В результате чистая продукция углеводов растений П, определяется как разность между валовой продукцией и дыханием:
П, = Пв - Д„
Определенное количество созданных продуцентами веществ служит кормом для первичных консументов А2, остальное (Н,) отмирает и служит кормом потребителям детрита ДФ. Следовательно, энергетический поток, проходящий через уровень продуцентов (А,), разделяется на чистую продукцию (П,), затраты на дыхание (Д,) и неиспользованную продукцию (Н,):
А, = П, + Д, + Н,.
Корм, ассимилированный первичными консументами (А2), лишь в небольшом количестве используется для образования продукции (П2); в основном же он затрачивается на дыхание (Д2), частично остается неиспользованным (Н2) и выводится из организма с экскрементами (Э,). Таким образом, энергетический поток, проходящий через второй трофический уровень (А2), равен
Рис. 3.7. Поток энергии в пастбищной и детритной пищевых цепях: П. - валовая первичная продукция; П, - чистая первичная продукция; П2, П3 - вторичная продукция; А, - поглощенный растениями солнечный свет; А2 и А3 - корм, ассимилированный первичными и вторичными консументами; Д,, Д2, Д^ - траты энергии на дыхание; Н,, Н2, Н3 - неиспользованная часть корма; Э,, Э, - экскременты; ДФ - детритофаги; Р - редуценты
Глава 3. Энергия в экосистемах
Энергетический поток, проходящий через третий трофический уровень (А3), подразделяется аналогично предыдущему:
Аз = П3 + Д3 + Н3 + Э2. Схема показывает, что количество энергии в пищевой цепи выраженное количеством образованной продукции, на каждом
трофическом уровне уменьшается:
П, > П2 > П3 и т. д.
Затраты на дыхание обычно больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Например, в годовом бюджете энергии в популяции крапивника из общего количества используемой пищи (127 ккал/м2-год) только 17 ккал/м2-год (около 13 %) расходуется на продукцию (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Годовой бюджет энергии в популяции крапивника, ккал.м2.год' (по Ю. Одуму, 1975)
Количественные соотношения первичной и вторичной продук- ции в экосистемах подчиняются правилу пирамиды.
Экологические пирамиды отражают законы распределения количества энергии в пищевых цепях: показывают, что на каждом предыдущем трофическом уровне количество энергии, аккумулированной s единицу времени, больше, чем на последующем. Они графически изображаются в виде поставленных друг
на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соот-ветствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Эта закономерность справедлива не только для энергии, но и для численности, и биомассы организмов.
Первоначально экологическая пирамида была построена
Ч. Элтоном (1927) как пирамида чисел (рис. 3.9). Позже строились пирамиды распределения по трофическим уровням
Рис. 3.9. Пирамида чисел Ч. Элтона (1927)
Но пирамиды чисел, как и пирамиды биомасс, не всегда имеют классический вид. Например, когда мелкие хищники жи-вут за счет групповой охоты на крупных животных, пирамида чисел может иметь вид перевернутой пирамиды. Для океана пирамиды биомасс также имеют перевернутый вид, так как там существуют тенденции к накоплению биомассы на высших трофических уровнях крупными растительноядными, как кит, например, или хищными, как акула, животными, длительность жизни которых велика, а скорость размножения мала, поэтому в их
Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
телах задерживается значительная часть веществ, поступающих по цепям питания. Лишь пирамиды накопленной энергии всегда имеют классический вид (рис. 3.10).
Пирамида энергии
Рис. 3.10. Пирамиды чисел, биомасс и энергии (по Ю. Одуму, 1975)
На первом трофическом уровне в энергию пищи превращается лишь около 1 % солнечного света. Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10 % от предыдущей. Если питательная ценность источника энергии велика, то эффективность ее усвоения может быть и выше, однако, средняя эффективность не превышает 10 - 20 %.
Эта закономерность носит название закона Линдемана, открытого им в 1942 г., или «правила 10 %». Согласно этому закону в среднем только 10 % от количества энергии, поступившей на трофический уровень, передается организмам, находящимся на последующем трофическом уровне. Так, количество энергии, которое доходит до третичных консументов, составляет около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное число звеньев в пищевой цепи: пять и очень редко шесть.
Важное экологическое значение имеет соотношение между долями аккумулированной энергии, расходуемой на продукцию и дыхание (П/Д). Часть энергии, идущая на дыхание, т. е. на поддержание структуры биомассы, велика в популяциях крупных организмов (люди, деревья). А в популяциях мелких организмов (бактерии, водоросли) сравнительно велика доля энергии, идущей на образование продукции.
V молодых затраты на рост могут достигать значительных величин, в то время как взрослые используют энергию пищи почти исключительно на дыхание. Интенсивность образования продукции снижается с возрастом. При стрессовых воздействиях на систему возрастает дыхание.
Следует учитывать, что желание повысить продукцию пищи (П), например в агроэкосистемах, обязательно обернется увеличением затрат на поддержание их структуры (Д). Может наступить предел, после которого выигрыш от роста продукции сведется на нет ростом расходов на дыхание.
Продуктивность экосистем - это скорость, с которой живые организмы экосистемы производят полезную химическую энергию, заключенную в их биомассе. Продуктивность рассчитывается как количество энергии, аккумулированной организмами за единицу времени на единице площади (для наземных экосистем) или в единице объема (для водных экосистем).
Единицами измерения могут быть: количество сконцентрированной в биомассе энергии (ккал/м2сут или ккал/м2год) или количество связанного в биомассе углерода (г С/м2-сут или г С/м2год). Продуктивность растений можно выражать в количестве выделенного кислорода (г О2/м2-сут или г О2/м2год). При этом 1 ккал энергии эквивалентна 0,1068 г углерода С и 0,2849 г кислорода О2.
Следовательно, продуктивность экосистем характеризует их способность концентрировать солнечную энергию в продукции органических веществ биомассы различных организмов. Различают следующие виды продукции:
Глава 3. Энергия в экосистемах
Валовая первичная продукция - органическое вещество,
которое синтезируется растениями в единицу времени на единице площади или объема, включая ту его часть, которая расходуется на дыхание растений.
Чистая первичная продукция - органическое вещество, накопленное в растительных тканях в единицу времени на единице площади или объема, за вычетом той части, которая израсходована на дыхание растений за то же время.
Чистая первичная продукция экосистемы - это чистая первичная продукция органического вещества в экосистеме за вычетом той ее части, которая была ассимилирована консумен-тами в единицу времени на единице площади или объема.
Вторичная продукция экосистемы - органическое вещество, синтезированное на уровне консументов в единицу времени на единицу площади или объема.
Чистая первичная продукция может считаться главным источником питания для животных. Эта величина используется для оценки потенциала пищевых ресурсов для животных и человека.
Лишь сравнительно небольшая часть биосферы является плодородной в естественных условиях. Продуктивность экосистем определяется лимитирующими факторами: наличием воды, питательных солей, интенсивностью солнечной радиации, способностью системы использовать биогенные вещества и др.
Лимитрующие факторы в разных экосистемах различны. В пустыне - это вода, в глубоководных зонах моря - освещенность и недостаток питательных солей, в Арктике и Антарктике - низкие температуры. Эти районы представляют собой, по существу, «биологические пустыни» с очень низкой среднегодовой первичной продукцией. Рапределение первичной продукции в разных экосистемах мира показано на рис. 3.11.
Суммарные величины первичной продукции основных экосистем отличаются от их среднегодовой продуктивности. Так, суммарная продукция открытого океана составляет около 200 млрд ккал/год,
Глава 3. Энергия в экосистемах
а среднегодовая - не превышает 500 ккал/м2тод, в то время как среднегодовая первичная продукция эстуариев составляет около 9000 ккал/м2тод при суммарной продукции 20 млрд ккал/год. Эти цифры не должны вводить в заблуждение. Суммарная продукция океана велика потому, что его площадь составляет 71 % поверхности планеты. Но его среднегодовая продуктивность с 1 м2 очень низка. Добыча водорослей и трав, рассеянных на огромной площади, требует затрат энергии, намного превышающих количество химической энергии в собранных морских водорослях.
Рис. 3.11. Распределение валовой первичной продукции в различных экосистемах биосферы
Структура экосистемы также влияет на ее продуктивность. Первичная продукция лиственного леса обычно превосходит продукцию пшеничного поля благодаря наличию вертикальной ярус-ности, когда каждый ярус (деревья, кустарник, подрост, трава) поглощает некоторую часть солнечной энергии.
Население Земли составляет около 6,0 млрд человек, каждому требуется ежегодно почти 1 млн ккал пищи, т. е. человече-
Глава 3. Энергия в экосистемах
ству необходимо только на питание 6-1015 ккал энергии. В мире ежегодно собирается около 7-1015 ккал первичного органического вещества, но из-за неравномерного распределения, потерь и низкого качества части урожая этого количества энергии оказывается недостаточно. Кроме того, человек использует первичную продукцию не только как пищу, но и в виде волокон (хлопок, лен), и в качестве топлива (древесина и др.). В некоторых странах деревья сжигают гораздо быстрее, чем они могут расти, и леса превращаются в пустыни.
Дата добавления: 2015-07-20; просмотров: 252 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Эксергия- это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой. | | | Описание потоков энергии является фундаментом экологического анализа для прогнозирования выхода полезных для человека продуктов. |