Продуктивность экосистем - Лекционный курс по дисциплине Естествознание

Основу взаимодействия человека с природными экосистемами составляет потребление человеком на свои нужды части энергии в виде биологической продукции. Это и является одной из основных причин возникновения экологических проблем. Для решения этих проблем необходимо выяснить, какие виды продукции и в каких соотношениях производятся в экосистеме и какую долю этой продукции можно изымать без нанесения ущерба?

 Продукция – это вся энергия, накопленная в экосистеме за определённый период времени (обычно за год или за сезон). Может измеряться в единицах энергии (Дж/год) или в единицах массы органического вещества (т/год). Продуктивность – это скорость производства продукции на единице площади (Дж /м2•год) или в единице объёма (Дж /м3•год) (для водных экосистем).

Вся энергия, накопленная растениями в процессе фотосинтеза в виде массы органических веществ, называется полной валовой, первичной или полной автотрофной продукцией (ПАП) (рис. 10.3).

Часть ПАП, израсходованная самими растениями в процессе дыхания называется автотрофным дыханием (АД). То, что остаётся от ПАП после растений, называется чистой автотрофной продукцией (ЧАП). Этой продукцией могут пользоваться все консументы напрямую (растительноядные) или опосредованно (хищники). Всё, что будет израсходовано консументами, называется гетеротрофным дыханием (ГД). Та часть ЧАП, которая не будет израсходована гетеротрофами, называется чистой продукцией сообщества (ЧПС).

Из диаграммы на рис.10.3 следует, что взять продукцию без ущерба для экосистемы можно только в объёме не больше, чем ЧПС. Потребление в бόльшем количестве приведёт к нарушению нормальных взаимодействий в природе. Сразу можно предположить, что часть экологических проблем возникает из-за того, что человек потребляет больше, чем допускают законы природы. В связи с этим необходимо выяснить, какова может быть доля чистой продукции в природных экосистемах?

Устойчивые, многовидовые природные экосистемы в норме находятся в состоянии динамического равновесия. Это означает, что все основные макроскопические характеристики (число видов, масса организмов, скорость их воспроизводства и т.д.) остаются неизменными, в то время как непрерывно происходят различные изменения в виде рождения новых организмов и гибели старых. При таком динамическом  равновесии существует практически полный круговорот веществ: сколько в единицу времени производится органического вещества, столько же и потребляется. Это означает, что чистая продукция равна нулю.

 Вывод получается весьма печальный. Взять из природы без её нарушения ничего нельзя! Любое потребление будет приводить к нарушению устойчивого равновесного состояния.

Человек решает эту проблему путём создания искусственных быстро растущих агроэкосистем, которые имеют относительно высокую долю чистой продукции (табл.10.1).

Таблица 10.1

Продуктивность различных экосистем, тыс. кДж/м2•год
по Ю.П. Одуму
 

Высокая доля чистой продукции создаётся за счёт больших затрат энергии на такие энергоёмкие процессы, как обработка Земли, производство и внесение удобрений, орошение, борьба с сорняками и  вредителями (птицы, грызуны, насекомые), борьба с болезнями. Отсюда следует, что высокая доля ЧПС на сельскохозяйственном поле ещё определяется и значительным подавлением такой статьи расхода энергии, как потребление гетеротрофами. Доля гетеротрофного дыхания на поле составляет 5 % , в то время как в природе она достигает примерно 30 %.

Решая задачу получения большой чистой продукции, человек создаёт другую проблему. Уничтожаются большие площади многовидовых, устойчивых естественных экосистем, которые заменяются неустойчивыми моновидовыми агроэкосистемами. Среда становится опасной. Любая случайная причина (болезнь, засуха, наводнение, заморозки) может привести к уничтожению урожая, что означает экологическую катастрофу. В то же время эти же причины, приводящие к гибели некоторых отдельных видов в природных экосистемах, в целом никак не сказываются на живучести этих систем. Чем больше природных экосистем мы сохраним на Земле, тем надёжней будет наше существование. Эта проблема решается созданием охраняемых (заповедных) территорий.