Joka vuosi ihminen kuluttaa yhä enemmän planeetan resursseja. Ei ole yllättävää, että viime vuosina arviointi siitä, kuinka monta resurssia toinen tai toinen biokenoosi voi antaa, on erittäin tärkeä. Nykyään ekosysteemien tuottavuus on ratkaisevan tärkeää hallintomenetelmää valittaessa, koska työn taloudellinen toteutettavuus riippuu suoraan saatavien tuotteiden määrästä.
Tässä ovat tärkeimmät kysymykset, jotka tutkijoiden kohtaavat tänään:
- Kuinka paljon aurinkoenergiaa on saatavana ja kuinka paljon kasvit rinnastavat, kuinka sitä mitataan?
- Millaisilla ekosysteemityypeillä on suurin tuottavuus ja mitkä tuottavat ensisijaisimmat tuotteet?
- Mitkä tekijät rajoittavat alkutuotannon määrää paikallisesti ja maailmanlaajuisesti?
- Kuinka tehokkaasti kasvit muuntavat energiaa?
- Mitä eroja assimilaatiotehokkuuden, puhtaan tuotannon ja ympäristötehokkuuden välillä on?
- Kuinka ekosysteemit eroavat biomassasta tai autotrofisista organismeista?
- Kuinka paljon energiaa ihmisillä on käytettävissä ja kuinka paljon käytämme?
Yritämme ainakin osittain vastata niihin tämän artikkelin puitteissa. Ensinnäkin, käsitellään peruskäsitteitä. Ekosysteemien tuottavuus on siis orgaanisen aineen kertyminen tiettyyn tilavuuteen. Mitkä organismit ovat vastuussa tästä työstä?
Autotrofit ja heterotrofit
Tiedämme, että jotkut organismit kykenevät syntetisoimaan orgaanisia molekyylejä epäorgaanisista esiasteista. Niitä kutsutaan autotrofeiksi, mikä tarkoittaa "itse ruokintaa". Itse asiassa ekosysteemien tuottavuus riippuu niiden aktiivisuudesta. Autotrofeihin viitataan myös alkutuottajina. Organismit, jotka kykenevät tuottamaan monimutkaisia orgaanisia molekyylejä yksinkertaisista epäorgaanisista aineista (vesi, CO2), kuuluvat useimmiten kasvien luokkaan, mutta joillakin bakteereilla on samat ominaisuudet. Prosessia, jolla he syntetisoivat orgaanisia aineita, kutsutaan fotokemialliseksi synteesiksi. Kuten nimestä voi päätellä, fotosynteesi vaatii auringonvaloa.
Meidän on mainittava myös kemosynteesiksi kutsuttu polku. Jotkut autotrofit, pääasiassa erikoistuneet bakteerit, voivat muuttaa epäorgaanisia ravintoaineita orgaanisiksi yhdisteiksi ilman auringonvaloa. Meressä ja makeassa vedessä on useita ryhmiä kemosynteettisiä bakteereja, ja ne ovat erityisen yleisiä ympäristöissä, joissa on paljon rikkivetyä tai rikkiä. Kuten klorofylliä kantavat kasvit ja muut fotokemialliseen synteesiin kykenevät organismit, kemosynteettiset organismit ovat autotrofeja. Ekosysteemin tuottavuutta kutsutaan kuitenkin todennäköisemmin kasvillisuuden aktiivisuudeksi, koska juuri se vastaa yli 90%: n orgaanisen aineksen kertymisestä. Kemosynteesillä on tässä verrattain pienempi rooli.
Samaan aikaan monet organismit voivat saada tarvittavan energian vain syömällä muita organismeja. Niitä kutsutaan heterotrofeiksi. Periaatteessa ne sisältävät kaikki samat kasvit (he myös "syövät" valmiit orgaaniset aineet), eläimet, mikrobit, sienet ja mikro-organismit. Heterotrofeja kutsutaan myös "kuluttajiksi".
Kasvien rooli
Sana "tuottavuus" tarkoittaa tässä tapauksessa yleensä kasvien kykyä varastoida tietty määrä orgaanista ainetta. Ja tämä ei ole yllättävää, koska vain kasvi-organismit voivat muuttaa epäorgaanisia aineita orgaanisiksi. Ilman niitä elämä planeetallamme olisi mahdotonta, ja siksi ekosysteemin tuottavuutta tarkastellaan tästä näkökulmasta. Yleensä kysymys esitetään erittäin yksinkertaisesti: niin minkä massan orgaanista ainetta kasvit voivat varastoida?
Mitkä bioketoosit ovat tuottavimpia?
Kummallista, mutta ihmisen luomat biokenoosit eivät ole kaikkein tuottavimpia. Tässä suhteessa suurten trooppisten jokien viidakko, suot, selva ovat kaukana heistä. Lisäksi juuri nämä bioketoosit neutraloivat valtavan määrän myrkyllisiä aineita, jotka taaskin joutuvat luontoon ihmisen toiminnan seurauksena ja tuottavat myös yli 70% planeettamme ilmakehän sisältämästä hapesta. Muuten, monet oppikirjat väittävät edelleen, että Maan valtameret ovat tuottavimpia ”vilja-aitoja”. Kummallista, mutta tämä lausunto on hyvin kaukana totuudesta.
Ocean Paradox
Tiedätkö mihin meren ja valtameren ekosysteemien biologista tuottavuutta verrataan? Puoliväylillä! Suuret biomassamäärät selittyvät sillä, että suurimman osan planeetan pinta-alasta vievät vesialueet. Joten toistuvasti ennustettu merien käyttö koko ihmiskunnan pääravinteiden lähteenä tulevina vuosina on tuskin mahdollista, koska sen taloudellinen toteutettavuus on erittäin heikko. Tämän tyyppisten ekosysteemien alhainen tuottavuus ei kuitenkaan millään tavoin heikennä valtamerten merkitystä kaikkien elävien olentojen kannalta, joten ne on suojattava mahdollisimman huolellisesti.
Nykyaikaiset ekologit sanovat, että viljelymaan mahdollisuudet eivät ole kaukana loppuun, ja tulevaisuudessa pystymme hankkimaan niistä runsaampia satoja. Erityisesti toivotaan riisikenttiä, jotka voivat antaa valtavan määrän arvokasta orgaanista ainetta niiden ainutlaatuisten ominaisuuksiensa vuoksi.
Biologisen tuottavuuden perusteet
Ekosysteemien tuottavuus määräytyy yleensä fotosynteesin nopeuden ja orgaanisten aineiden kertymisen perusteella tietyssä biokenoosissa. Aikayksikköä kohti luotavaa orgaanisen aineen massaa kutsutaan alkutuotannoksi. Se voidaan ilmaista kahdella tavalla: joko džaulina tai kasvien kuivana massana. Bruttotuotannoksi kutsutaan sen määrää, jonka kasviorganismit ovat luoneet tietyn ajanjakson ajan vakiona valkuaistuen. On muistettava, että osa tästä aineesta menee itse kasvien elintoimintaan. Tämän jälkeen jäljelle jäänyt orgaaninen aine on ekosysteemin ensisijainen netto tuottavuus. Juuri hän ruokkii heterotrofeja, joiden joukossa olemme teidän keskuudessanne.
Onko alkutuotannolle ”yläraja”?
Lyhyesti sanottuna kyllä. Katsotaanpa lyhyesti, kuinka fotosynteesi on periaatteessa tehokasta. Muista, että maan pinnalle päästävän auringonsäteilyn voimakkuus on suuresti riippuvainen sijainnista: maksimaalinen energian palautus on ominaista päiväntasaajan vyöhykkeille. Se vähenee eksponentiaalisesti lähestyessään napoja. Noin puolet aurinkoenergiasta heijastuu jään, lumen, valtamerten tai aavikkojen kautta, ilmakehän kaasujen absorboituna. Esimerkiksi kerros ilmakehän otsonia absorboi melkein kaiken ultraviolettisäteilyn! Vain puolet kasvien lehtiin tulevasta valosta käytetään fotosynteesireaktioon. Joten ekosysteemien biologinen tuottavuus on seurausta siitä, että muunnetaan merkityksettömän suuri osa auringon energiasta!
Mikä on sivutuotteet?
Siksi toissijaiseksi tuotteeksi kutsutaan kuluttajien (toisin sanoen kuluttajien) kasvua tietyn ajanjakson ajan. Tietysti ekosysteemien tuottavuus riippuu niistä paljon vähemmän, mutta juuri tällä biomassalla on ratkaiseva merkitys ihmisten elämässä. On huomattava, että sekundaariset orgaaniset yhdisteet lasketaan erikseen kullakin troofisella tasolla. Ekosysteemien tuottavuustyypit jaetaan siis kahteen tyyppiin: primaariseen ja toissijaiseen.
Primaarituotteiden ja toissijaisten tuotteiden suhde
Kuten saatat arvata, biomassan suhde kasvien kokonaismassaan on suhteellisen pieni. Jopa viidakossa ja soilla, tämä indikaattori ylittää harvoin 6, 5%. Mitä enemmän ruohomaisia kasveja yhteisössä on, sitä suurempi orgaanisen aineen kertymisnopeus on ja sitä suurempi ero on.
Orgaanisten aineiden muodostumisnopeudesta ja määrästä
Primääristä alkuperää olevien orgaanisten aineiden muodostumisen rajoittava määrä riippuu yleensä kokonaan kasvien fotosynteettisen laitteen (PAR) tilasta. Fotosynteesitehokkuuden maksimiarvo, joka saavutettiin laboratorio-olosuhteissa, on 12% PAR-arvosta. Luonnollisissa olosuhteissa 5%: n arvoa pidetään erittäin korkeana eikä sitä käytännössä tapahdu. Uskotaan, että maan päällä auringonvalon assimilaatio ei ylitä 0, 1%.
Päätuotteiden jakelu
On huomattava, että luonnollisen ekosysteemin tuottavuus on erittäin epätasainen maailmanlaajuisesti. Kaikkien orgaanisten aineiden kokonaismassa, joka muodostuu vuosittain maan pinnalle, on noin 150-200 miljardia tonnia. Muistatko, mitä sanoimme yllä valtameren tuottavuudesta? Joten 2/3 tästä aineesta muodostuu maalle! Kuvittele vain: jättimäiset, uskomattomat tilavuudet hydrosfääriä muodostavat kolme kertaa vähemmän orgaanista ainetta kuin maan niukka osa, josta huomattava osa on autiomaa!
Yli 90% kertyneestä orgaanisesta aineesta muodossaan tai toisessa syövät heterotrofiset organismit. Ainoastaan merkityksetön osa aurinkoenergiasta varastoituu maaperän humusa (samoin kuin öljy ja hiili, joiden muodostuminen tapahtuu jopa tänään). Maassamme biologisen primaarituotannon kasvu vaihtelee 20 c / ha (lähellä Jäämerta) yli 200 c / ha Kaukasuksella. Aavikon alueilla tämä arvo ei ylitä 20 kg / ha.
Periaatteessa maailman viidellä lämpimällä mantereella tuotannon intensiteetti on melkein sama: Etelä-Amerikassa kasvillisuus kertyy puolitoista kertaa enemmän kuiva-ainetta erinomaisten ilmasto-olosuhteiden vuoksi. Siellä luonnollisten ja keinotekoisten ekosysteemien tuottavuus on suurin.
Mikä tarjoaa ihmisille ravintoa?
Noin 1, 4 miljardia hehtaaria miehittää planeettamme pinnalla ihmisten viljelykasvien istutukset, jotka tarjoavat meille ruokaa. Tämä on noin 10% kaikista planeetan ekosysteemeistä. Kummallista, mutta vain puolet tuotoksesta menee suoraan ihmisille. Kaikki muu käytetään lemmikkieläinten ruokana ja menee teollisuustuotannon tarpeisiin (ei liity ruuan tuotantoon). Tutkijat ovat antaneet hälytyksen jo kauan: planeettamme ekosysteemien tuottavuus ja biomassa kykenevät kattamaan enintään 50% ihmisen proteiinitarpeista. Yksinkertaisesti sanottuna, puolet maailman väestöstä elää kroonisen valkuaisaineen olosuhteissa.
Tallenna biokeinoosit
Kuten jo totesimme, päiväntasaajan metsille on ominaista suurin tuottavuus. Ajattele vain sitä: yhden hehtaarin sellaisesta biokenoosista voi olla yli 500 tonnia kuiva-ainetta! Ja tämä on kaukana rajasta. Esimerkiksi Brasiliassa yksi hehtaari metsää tuottaa orgaanista ainetta 1200 - 1500 tonnia (!) Vuodessa! Ajattele vain: korkeintaan kaksi senttiä orgaanista ainetta neliömetriä kohti! Saman alueen tundralla muodostuu korkeintaan 12 tonnia ja keskialueen metsissä - 400 tonnia. Niiden alueiden maatalousyritykset käyttävät aktiivisesti tätä: keinotekoisen ekosysteemin tuottavuus sokeriruokokentässä, joka voi kerätä jopa 80 tonnia kuiva-ainetta per hehtaarilla, missään muualla tällaiset sato eivät voi tuottaa fyysisesti. Orinocon, Mississippin ja myös joidenkin Tšadin alueidenlahdet eivät kuitenkaan ole kovin erilaisia niistä. Täällä ekosysteemit ”jakavat” vuoden kuluessa jopa 300 tonnia ainetta hehtaarilta!
