Вопрос 10

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 км^2	Продуктивность растений, г/м^2		Общая про-дуктивность
		Пределы	Сред-нее	Расте-ний, млрд/т	Живот-ных, млн/т
Материковые экосистемы (в целом):	149	0-3500	773	115	909
Влажные тропические леса	17	1000-3500	2200	37,4	260
Вечнозеленые леса умерен-ного пояса	5	600-2500	1300	6,5	26
Листопадные леса умеренного пояса	7	600-2500	1200	8,4	42
Тайга	12	400-2000	800	9,6	38
Саванна	15	200-2000	900	13,5	300
Тундры и высокогорье	8	10-400	140	1,1	3
Пустыни и полупустыни	18	10-250	90	1,6	7
Болота мангровые и низинные	2	800-3500	2000	4,0	32
Озера и водотоки	2	100-1500	250	0,5	10
Культивируемые земли	14	100-3500	650	9,1	9
Морские экосистемы (в целом)	361	2-2400	152	55,0	3025
Открытый океан	332	2-400	125	41,5	2500
Апвеллинги	0,4	400-1000	500	0,2	11
Континентальный шельф	26	200-600	360	9,6	430
Заросли водорослей и рифы	0,6	500-4000	2500	1,6	36
Эстуарии	1,4	200-3500	1500	2,1	48
Средняя продуктивность биосферы	510	0-4000	333	170,0	3934

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 км^2	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	149	7,73	115,0	123,0	1837,0	7,8	0,909	1,005
Океана	361	1,52	55,0	0,1	3,9	20,2	3,045	0,997
Всего	510	3,33	170,0	3,6	1841	28,0	3,934	2,002
Возделыва-емые земли	14	6,50	9,1	10,0	14	0,09	0,009	0,006

Таблица 4

Продуктивность естественного растительного покрова

Часть света	Средняя продуктивность, ц/га	КПД ФАР
Европа	85	1,26
Азия	98	0,88
Африка	103	0,59
Северная Америка	82	0,94
Южная Америка	209	1,13
Австралия и Океания	86	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.