Ar katru gadu cilvēki arvien vairāk iztērē planētas resursus. Nav pārsteidzoši, ka pēdējā laikā ļoti svarīgs ir novērtējums par to, cik daudz resursu var nodrošināt konkrēta biocenoze. Mūsdienās ekosistēmas produktivitātei ir izšķiroša nozīme, izvēloties saimniekošanas veidu, jo darba ekonomiskā iespējamība ir tieši atkarīga no iegūstamās produkcijas apjoma.
Šeit ir galvenie jautājumi, ar kuriem zinātnieki šodien saskaras:
- Cik daudz saules enerģijas ir pieejams un cik daudz to asimilē augi, kā to mēra?
- Kuri ekosistēmas veidi ir visproduktīvākie un rada visvairāk primārās produkcijas?
- Kādi faktori ierobežo primāro ražošanu vietējā un globālā mērogā?
- Kāda ir efektivitāte, ar kādu augi pārvērš enerģiju?
- Kādas ir atšķirības starp efektivitātiasimilācija, tīrāka ražošana un vides efektivitāte?
- Kā ekosistēmas atšķiras pēc biomasas daudzuma vai autotrofo organismu apjoma?
- Cik daudz enerģijas ir pieejams cilvēkiem un cik daudz mēs izmantojam?
Mēģināsim uz tiem vismaz daļēji atbildēt šī raksta ietvaros. Pirmkārt, aplūkosim pamatjēdzienus. Tātad ekosistēmas produktivitāte ir organisko vielu uzkrāšanās process noteiktā tilpumā. Kādi organismi ir atbildīgi par šo darbu?
Autotrofi un heterotrofi
Mēs zinām, ka daži organismi spēj sintezēt organiskās molekulas no neorganiskiem prekursoriem. Tos sauc par autotrofiem, kas nozīmē "pašbarošana". Patiesībā ekosistēmu produktivitāte ir atkarīga no to darbības. Autotrofi tiek saukti arī par primārajiem ražotājiem. Organismi, kas no vienkāršām neorganiskām vielām (ūdens, CO2) spēj radīt sarežģītas organiskās molekulas, visbiežāk pieder augu klasei, taču tādas pašas spējas piemīt arī dažām baktērijām. Procesu, kurā tie sintezē organiskās vielas, sauc par fotoķīmisko sintēzi. Kā norāda nosaukums, fotosintēzei ir nepieciešama saules gaisma.
Mums jāpiemin arī ceļš, kas pazīstams kā ķīmijsintēze. Daži autotrofi, galvenokārt specializētas baktērijas, var pārvērst neorganiskās barības vielas organiskos savienojumos, nepiekļūstot saules gaismai. Ir vairākas ķīmiskās sintētikas grupasbaktērijas jūrā un saldūdenī, un tās ir īpaši izplatītas vidēs ar augstu sērūdeņraža vai sēra saturu. Tāpat kā hlorofilu saturoši augi un citi organismi, kas spēj veikt fotoķīmisko sintēzi, arī ķīmiski sintētiskie organismi ir autotrofi. Tomēr ekosistēmas produktivitāte drīzāk ir veģetācijas darbība, jo tieši viņa ir atbildīga par vairāk nekā 90% organisko vielu uzkrāšanos. Ķīmijsintēzei tajā ir nesamērīgi mazāka nozīme.
Tikmēr daudzi organismi var iegūt nepieciešamo enerģiju, tikai ēdot citus organismus. Tos sauc par heterotrofiem. Principā tajos ietilpst visi tie paši augi (arī tie “ēd” gatavu organisko vielu), dzīvnieki, mikrobi, sēnes un mikroorganismi. Heterotrofus sauc arī par "patērētājiem".
Augu loma
Parasti vārds "ražīgums" šajā gadījumā attiecas uz augu spēju uzkrāt noteiktu daudzumu organiskās vielas. Un tas nav pārsteidzoši, jo tikai augu organismi var pārvērst neorganiskās vielas organiskās. Bez tiem pati dzīvība uz mūsu planētas nebūtu iespējama, un tāpēc ekosistēmas produktivitāte tiek aplūkota no šīs pozīcijas. Kopumā jautājums ir ārkārtīgi vienkāršs: cik daudz organisko vielu var uzglabāt augi?
Kuras biocenozes ir visproduktīvākās?
Savādi, bet cilvēka radītās biocenozes nebūt nav visproduktīvākās. Džungļi, purvi, lielu tropu upju selva šajā ziņāir tālu priekšā. Turklāt tieši šīs biocenozes neitralizē milzīgu daudzumu toksisku vielu, kas atkal nonāk dabā cilvēka darbības rezultātā, kā arī rada vairāk nekā 70% skābekļa, kas atrodas mūsu planētas atmosfērā. Starp citu, daudzās mācību grāmatās joprojām ir teikts, ka Zemes okeāni ir visproduktīvākais "maizes grozs". Savādi, bet šis apgalvojums ir ļoti tālu no patiesības.
Okeāna paradokss
Vai jūs zināt, ar ko tiek salīdzināta jūru un okeānu ekosistēmu bioloģiskā produktivitāte? Ar pustuksnešiem! Lieli biomasas apjomi izskaidrojami ar to, ka tieši ūdens plašumi aizņem lielāko planētas virsmas daļu. Tātad atkārtoti prognozētā jūras kā galvenā barības vielu avota izmantošana visai cilvēcei turpmākajos gados ir maz iespējama, jo tā ekonomiskā iespējamība ir ārkārtīgi zema. Tomēr šāda veida ekosistēmas zemā produktivitāte nekādā veidā nemazina okeānu nozīmi visu dzīvo būtņu dzīvē, tāpēc tie ir jāaizsargā pēc iespējas rūpīgāk.
Mūsdienu vides aizstāvji saka, ka lauksaimniecības zemes iespējas nebūt nav izsmeltas, un nākotnē no tām varēsim iegūt bagātīgāku ražu. Īpašas cerības tiek liktas uz rīsu laukiem, kas to unikālo īpašību dēļ var radīt milzīgu daudzumu vērtīgu organisko vielu.
Pamatinformācija par bioloģisko sistēmu produktivitāti
Kopējā ekosistēmas produktivitātenosaka fotosintēzes ātrums un organisko vielu uzkrāšanās konkrētajā biocenozē. Organisko vielu masu, kas rodas laika vienībā, sauc par primāro ražošanu. To var izteikt divos veidos: vai nu džoulos, vai augu sausā masā. Bruto produkcija ir tās apjoms, ko augu organismi rada noteiktā laika vienībā nemainīgā fotosintēzes procesa ātrumā. Jāatceras, ka daļa no šīs vielas nonāks pašu augu dzīvībai svarīgai darbībai. Atlikušās organiskās vielas ir ekosistēmas neto primārā produktivitāte. Tā ir viņa, kas dodas pabarot heterotrofus, tostarp jūs un es.
Vai primārajai ražošanai ir "augšējais ierobežojums"?
Īsi sakot, jā. Īsi apskatīsim, cik efektīvs principā ir fotosintēzes process. Atgādinām, ka saules starojuma intensitāte, kas sasniedz zemes virsmu, ir ļoti atkarīga no atrašanās vietas: maksimālā enerģijas atdeve ir raksturīga ekvatoriālajām zonām. Tas samazinās eksponenciāli, tuvojoties poliem. Apmēram pusi no saules enerģijas atspoguļo ledus, sniegs, okeāni vai tuksneši, un to absorbē atmosfērā esošās gāzes. Piemēram, atmosfēras ozona slānis absorbē gandrīz visu ultravioleto starojumu! Fotosintēzes reakcijā tiek izmantota tikai puse no gaismas, kas skar augu lapas. Tātad ekosistēmu bioloģiskā produktivitāte ir rezultāts, pārvēršot nenozīmīgu saules enerģijas daļu!
Kas ir sekundārā ražošana?
Attiecīgi tiek saukti sekundārie produktipatērētāju (tas ir, patērētāju) pieaugums noteiktā laika periodā. Protams, no tiem daudz mazākā mērā ir atkarīga ekosistēmas produktivitāte, taču tieši šai biomasai ir vissvarīgākā loma cilvēka dzīvē. Jāņem vērā, ka sekundārās organiskās vielas tiek aprēķinātas atsevišķi katrā trofiskajā līmenī. Tādējādi ekosistēmu produktivitātes veidi tiek iedalīti divos veidos: primārajā un sekundārajā.
Primārās un sekundārās ražošanas attiecība
Kā jūs varētu nojaust, biomasas attiecība pret kopējo augu masu ir salīdzinoši zema. Pat džungļos un purvos šis rādītājs reti pārsniedz 6,5%. Jo vairāk zālaugu augu sabiedrībā, jo lielāks ir organisko vielu uzkrāšanās ātrums un lielāka neatbilstība.
Par organisko vielu veidošanās ātrumu un apjomu
Kopumā primārās izcelsmes organisko vielu veidošanās ierobežojošais ātrums pilnībā ir atkarīgs no augu fotosintēzes aparāta (PAR) stāvokļa. Fotosintēzes efektivitātes maksimālā vērtība, kas tika sasniegta laboratorijas apstākļos, ir 12% no PAR vērtības. Dabiskos apstākļos 5% vērtība tiek uzskatīta par ārkārtīgi augstu un praktiski nenotiek. Tiek uzskatīts, ka uz Zemes saules gaismas asimilācija nepārsniedz 0,1%.
Primārā produkcijas izplatīšana
Jāatzīmē, ka dabiskās ekosistēmas produktivitāte uz visas planētas ir ārkārtīgi nevienmērīga. Visu organisko vielu kopējā masa, kas veidojas ik gaduZemes virsmas, ir aptuveni 150-200 miljardi tonnu. Atcerieties, ko mēs teicām par okeānu produktivitāti iepriekš? Tātad 2/3 šīs vielas veidojas uz sauszemes! Iedomājieties: milzīgi, neticami hidrosfēras apjomi veido trīs reizes mazāk organisko vielu nekā niecīga zemes daļa, no kuras liela daļa ir tuksneši!
Vairāk nekā 90% no uzkrātajām organiskajām vielām vienā vai otrā veidā tiek izmantota kā barība heterotrofiem organismiem. Tikai niecīga saules enerģijas daļa tiek uzkrāta augsnes humusa (kā arī naftas un ogļu, kas veidojas arī mūsdienās) veidā. Mūsu valsts teritorijā primārās bioloģiskās ražošanas pieaugums svārstās no 20 centneriem uz hektāru (pie Ziemeļu Ledus okeāna) līdz vairāk nekā 200 centneriem uz hektāru Kaukāzā. Tuksnešos šī vērtība nepārsniedz 20 c/ha.
Principā mūsu pasaules piecos siltajos kontinentos ražošanas intensitāte ir praktiski vienāda, gandrīz: Dienvidamerikā veģetācija uzkrāj pusotru reizi vairāk sausnas, pateicoties lieliskajiem klimatiskajiem apstākļiem. Tur dabisko un mākslīgo ekosistēmu produktivitāte ir maksimāla.
Kas pabaro cilvēkus?
Apmēram 1,4 miljardi hektāru uz mūsu planētas virsmas ir kultivētu augu plantācijas, kas nodrošina mūs ar pārtiku. Tas ir aptuveni 10% no visām planētas ekosistēmām. Savādi, bet tikai puse no iegūtajiem produktiem nonāk tieši cilvēku pārtikā. Viss pārējais tiek izmantots kā mājdzīvnieku barība un tiek izmantotsrūpnieciskās ražošanas vajadzībām (kas nav saistītas ar pārtikas produktu ražošanu). Zinātnieki jau ilgu laiku dzina trauksmi: mūsu planētas ekosistēmu produktivitāte un biomasa var nodrošināt ne vairāk kā 50% no cilvēces vajadzībām pēc olb altumvielām. Vienkārši sakot, puse pasaules iedzīvotāju dzīvo hroniska olb altumvielu bada apstākļos.
Biocenozes-rekordisti
Kā jau teicām, ekvatoriālos mežus raksturo visaugstākā ražība. Padomājiet par to: uz vienu hektāru šādas biocenozes var nokrist vairāk nekā 500 tonnas sausnas! Un tas ir tālu no robežas. Piemēram, Brazīlijā viens hektārs meža saražo no 1200 līdz 1500 tonnām (!) organisko vielu gadā! Padomājiet: uz kvadrātmetru ir līdz diviem centneriem organisko vielu! Tundrā tajā pašā apgabalā veidojas ne vairāk kā 12 tonnas, bet vidējās joslas mežos - 400 tonnu robežās. Lauksaimniecības uzņēmumi šajās daļās aktīvi izmanto to: mākslīgās ekosistēmas produktivitāti cukura veidā. niedru lauks, kurā var uzkrāt līdz 80 tonnām sausnas uz hektāru, nekur citur fiziski tādu ražu nevar dot. Tomēr Orinoko un Misisipi līči, kā arī daži Čadas apgabali maz atšķiras no tiem. Šeit uz gadu ekosistēmas “izdod” līdz 300 tonnām vielu uz platības hektāru!
Rezultāti
Tādējādi produktivitātes novērtējums jāveic, pamatojoties uz primāro vielu. Fakts ir tāds, ka otrreizējā ražošana ir ne vairāk kā 10% no šīs vērtības, tās vērtība ļoti svārstās, un tāpēc detalizēta analīzešis rādītājs ir vienkārši neiespējams.
