Основні показники екосистем

 

Для характеристики екосистем найчастіше використовують показники, кількісно відображають потік енергії у харчових ланцюгах на різних трофічних рівнях. Головними з таких показників є біомаса і продукція (приріст біомаси) екосистеми.

Біомаса – сумарна маса всіх організмів екосистеми або її окремих трофічних рівнів. Вона виражається в одиницях маси живої речовини на одиницю площі або обсягу екосистеми (кг / га, кг / м3 та ін.). Для виявлення зв’язку з потоком енергії біомасу виражають в одиницях енергії, що припадає на одиницю поверхні (Дж / м2, кал / м3 та ін.). Біомаса всіх організмів нашої планети становить 2,4 • 1012 т сухої речовини, в якому укладено 30 • 1021 Дж енергії. Причому 90% від цієї кількості становить біомаса наземних рослин. Водні екосистеми мають меншу біомасу: 0,3 • 109 т – водні рослини, 6 ? 109 т – водні тварини.

В екосистемах суші по біомасі переважають багаторічні деревні рослини, які живуть досить довго і можуть досягати гігантських розмірів. Серед гетеротрофних організмів найбільшою біомасою володіють грунтові мікроорганізми. Значна біомаса ґрунтових безхребетних тварин, головним чином дощових черв’яків, яка залежно від місця проживання становить від 200 до 1500 кг / га. Середня сумарна біомаса хребетних тварин різних екосистем набагато менше – від 1 до 15 кг / га. Хоча біомаса перелітних птахів під час зимівлі на обмежених площах може досягати значної величини.

Серед водних екосистем найменшою біомасою володіють глибокі ділянки Світового океану і печерні водойми. У них відсутні великі рослини і тварини, а переважають дрібні організми, в основному детритофаги, що харчуються органічними залишками.

Продукція – приріст біомаси, створений організмами екосистеми протягом конкретного часу. Цей показник служить мірою біологічної продуктивності екосистеми. Його виражають в одиницях маси речовини на одиницю площі або об’єму, виробленого організмами за певний проміжок часу (г / м2 на рік, Дж / м3 на рік і ін.).

Загальна річна продукція сухої органічної речовини на Землі становить 150-200 млрд т. Причому 2/3 з цієї кількості дають наземні, а 1/3 – водні екосистеми. Пояснюється це тим, що біомаса продуцентів водних екосистем – водоростей – в 10 тис. Разів менше, ніж біомаса всіх рослин суші. Водорості в порівнянні з рослинами суші живуть недовго (біомаса дерев накопичується десятки і сотні років), і весь приріст біомаси (продукція) водоростей споживається тваринами водних екосистем. Найбільш продуктивними екосистемами Землі є вологий тропічний ліс, кораловий риф, полярні області Світового океану, найменш продуктивними – тундра, пустелі, високогір’я (другий форзац підручника).

Біологічна продуктивність екосистем пов’язана з передачею енергії від організмів одного трофічного рівня до організмів іншого рівня.

Енергетичні витрати організму на підтримання всіх процесів метаболізму умовно називають тратою на дихання, так як загальні їхні масштаби можна оцінити, враховуючи виділення вуглекислого газу. Менша частина засвоєної їжі трансформується в тканини самого організму, т. Е. Йде на зростання, відкладання запасних поживних речовин, збільшення маси тіла. Ці відносини виражаються такою формулою:

Р = П + Д + Н,

де Р – раціон харчування організму, т. е. кількість їжі, що поглинається за певний період часу; П – продукція, т. Е. Витрати на зростання; Д – витрати на дихання, т. Е. На підтримку обміну речовин за той же період; Я – енергія незасвоєної їжі, що міститься в продуктах виділення.

Розрізняють такі основні показники біологічної продуктивності екосистем: валову первинну продукцію, чисту первинну продукцію, вторинну продукцію (рис. 264). Розглянемо їх докладніше.

Валова первинна продукція (Пв) – органічна речовина, створене зеленими рослинами за одиницю часу. Частина цієї продукції йде на підтримку життєдіяльності самих рослин (витрати на подих), інше кількість речовини втягується в харчові ланцюги.

Чистий первинна продукція (Пч) – органічна речовина, накопичене рослинами, т. Е. Величина приросту їх біомаси за певний проміжок часу. Чистий первинна продукція – це їжа для консументів і редуцентів, які через пасовищні і детрітние ланцюга харчування використовують її для своєї життєдіяльності.

Вторинна продукція (П2, П3) – органічна речовина, що синтезується на рівні консументів, т. Е. Приріст біомаси травоїдних і м’ясоїдних тварин за одиницю часу. Цю величину обчислюють окремо для кожного трофічного рівня, тому що приріст біомаси на кожному з них відбувається за рахунок енергії, що надійшла з попереднього рівня.

Всім екосистемам властиві певні кількісні співвідношення, виражені в біомасі, створеної організмами кожного трофічного рівня за одиницю часу. Кожному наступного ланці, починаючи з продуцентів, дістається значно менша кількість енергії. Наприклад, для того щоб маса тіла травоїдних тварин збільшилася на 100 кг, їм треба з’їсти 1000 кг рослинної маси, а завдяки з’їденим 100 кг м’ясної їжі хижаки можуть збільшити масу свого тіла на 10-20 кг. Значить, на створення 1 кг маси свого тіла рослиноїдні тварини витрачають в 10 разів більше сонячної енергії, ніж рослини, а м’ясоїдні тварини – в 100 разів більше. Якщо у відповідному масштабі графічно зобразити ці величини по кожному трофічного рівня екосистеми і розмістити їх у порядку залежності, то вийдуть екологічні піраміди.

Екологічні піраміди. Розрізняють три типи екологічних пірамід – чисел, біомаси та енергії. Підставою пірамід служить перший трофічний рівень, а наступні рівні утворюють поверхи і вершину.

Піраміда чисел відображає число особин на кожному трофічному рівні екосистеми. Згідно з правилом піраміди чисел загальне число особин, що беруть участь у харчових ланцюгах, з кожною ланкою зменшується (рис. 265, I). Це пов’язано з тим, що хижаки крупніше об’єктів свого харчування і для підтримки життя одного хижака потрібно кілька жертв. З цього правила є винятки – ті випадки, коли більш дрібні хижаки, наприклад вовки, живуть за рахунок групового полювання на більших тварин, наприклад лосів. В екосистемах лісів помірного поясу, в яких продуцентами є дерева, а консументами першого порядку – травоїдні комахи, чисельність останніх вище, ніж продуцентів. Піраміда чисел такої екосистеми виявляється перевернутої вершиною вниз (рис. 265, II). Піраміда біомаси показує кількісні співвідношення біомас організмів кожного трофічного рівня екосистем. Згідно з правилом піраміди біомаси сумарна маса рослин виявляється більше, ніж маса всіх рослиноїдних тварин, а маса тих, у свою чергу, перевищує масу хижаків. Якщо організми не дуже сильно розрізняються за розміром, то, позначивши на трофічних рівнях загальну масу особин, можна отримати типову піраміду. Однак якщо організми нижчих рівнів дрібніше за розмірами організмів вищих рівнів, то виходить перевернута піраміда біомаси (рис. 265, III). Наприклад, у водних екосистемах відкритих і глибоких водойм продуценти – одноклітинні водорості – невеликі за розміром і мають короткий життєвий цикл, тому їх біомаса завжди менше біомаси консументів першого порядку. Весь приріст біомаси водоростей, т. Е. Продукція екосистеми, служить їжею рослиноїдних водним тваринам – ракоподібних, молюсків, риб і ін., Яких хижаки поїдають повільніше, тому їх біомаса в екосистемі накопичується.

Піраміда енергії відбиває кількість енергії, що міститься в їжі на кожному трофічному рівні. З трьох типів екологічних пірамід піраміда енергії дає найповніше уявлення про функціональну організацію екосистеми, так як число і біомаса організмів, які складають певний рівень в тих чи інших умовах, залежать не від кількості фіксованої енергії, а від швидкості приросту біомаси, т. е. від продукції екосистеми (рис. 265, IV, V). На противагу пірамідам чисел і біомаси, що відображає статику екосистеми (кількість організмів в даний момент і їх масу), піраміда енергії показує динаміку проходження енергії через харчовий ланцюг. На форму цієї піраміди не впливають розміри та інтенсивність метаболізму особин, і якщо враховані всі джерела енергії, піраміда буде мати типовий вигляд. Згідно з правилом піраміди енергії, сформульованому в 1941 р американським ученим Раймондом Ліндеманн, з більш низького трофічного рівня на вищий переходить близько 10% потоку енергії, а загальне число самих рівнів не може перевищувати шести.

Всі три екологічні піраміди – чисел, біомаси та енергії – виражають у кінцевому підсумку енергетичні відносини в екосистемах, і якщо перші дві проявляються у спільнотах з певною трофічної структурою, то остання (піраміда енергії) має універсальний характер. Знання законів біологічної продуктивності екосистем, можливість кількісного обліку потоку енергії мають практичне значення для використання людиною природних і штучних екосистем – основного джерела запасів харчових та інших ресурсів на нашій планеті. Необхідно добре уявляти допустимі межі вилучення рослинної і тваринної біомаси, щоб не підірвати продуктивність цих екосистем.

Показники екосистем: біомаса, продукція (приріст біомаси); біологічна продуктивність екосистем: валова первинна продукція, чиста первинна продукція, вторинна продукція; витрати на дихання; екологічні піраміди: чисел, біомаси, енергії.

Посилання на основну публікацію