Глава 5 Классификация и свойства экосистем (Конспект лекций по Экологии часть 1, преподаватель Метечко Людмила Борисовна), страница 2

Плотоядные

3 порядка

Главное свойство цепи питания – осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.

Пищевые цепи внутри каждого биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется количеством, размером и общей массой организмов – биомассой - на каждом уровне цепи питания.

Снижение биомассы при переходе с одного пищевого уровня на другой обусловлено тем, что далеко не вся пища ассимилируется (усваивается) консументами.

Так, например, у гусеницы, питающейся

Упрощенная экологическая пирамида

Экологические пирамиды или правило 10%.

Живые организмы в экосистемах, для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию.

Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза и хемосинтеза.

Однако при фотосинтезе связывается только энергия с определенными длинами волн – 380-710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией ( ФАР).

На эту радиацию приходиться 40% общей солнечной радиации, достигающей земной поверхности. Она по длинам волн близка к видимой части спектра.

Остальная часть спектра относится либо к более короткой ( ультрафиолетовой), либо к более длинной ( инфракрасной) радиации. С последней связан тепловой эффект.

Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей. Основная часть энергии усвоенной консументами с пищей расходуется на его жизнеобеспечение : движение, поддержание температуры и т.п.

Эта часть энергии рассматривают как затраты на ДЫХАНИЕ, с которым в конечном счете связаны все возможности ее высвобождения из химических связей органического вещества. Часть энергии переход в тело организма-потребителя вместе с увеличивающейся массой ( приростом, продукцией).

Некоторая часть пищи, а вместе с ней и энергия не усваиваются организмом. Они выводятся в окружающую среду вместе с продуктами жизнедеятельности (экскриментами). В последующем эта энергия высвобождается другими организмами, которые потребляют продукты выделения.

Баланс энергии для отдельного живого организма можно представить следующим уравнением:

Э_{потребления} = Э_{дыхания} + Э_{прироста} + Э_{продуктов выделения}

Количество энергии, расходуемое организмами на различные цели неоднозначно в различные периоды жизнедеятельности живого организма.

Однако при всем разнообразии расходов энергии в среднем максимальны траты на дыхание, которое с неусвоенной пищей составляет в среднем 90%.

Поэтому переход с одного трофического уровня на другой в среднем принимается близким к 10%от энергии , потребленной с пищей.

Эта закономерность называется «правилом десяти процентов».

Данное правило надо оценивать как относительное, ориентировочное. Вместе с тем из него следует, что цепи питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4-5.

Пройдя через них, практически вся энергия оказывается рассеянной.

Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные в практическом отношении следствия.

Во-первых, с энергетической точки зрения нецелесообразно потребление животной продукции, особенно высших уровней цепей питания. Образование этой продукции связано с максимальными энергозатратами.

Во-вторых, чтобы сократить вероятность дефицита продуктов питания для интенсивно возрастающей численности населения нужно увеличить в рационе питания человечества удельный вес растительной пищи. Энергетически идеально - вегетарианство.

Графической иллюстрацией потери энергии при переходе от одного трофического уровня к другому служит энергетическая пирамида.

Энергетическая пирамида трофических уровней.

5 уровень КОНСУМЕНТЫ 4 порядка

4 уровень КОНСУМЕНТЫ 3 порядка

3 уровень КОНСУМЕТНЫ 2 порядка

2 уровень КОНСУМЕНТЫ 1 порядка

На форму энергетической пирамиды не влияют размеры особей , и она всегда будет иметь треугольную форму с широким основание внизу, как это диктуется вторым законом термодинамики.

Пирамида энергии дает наиболее полное и точное представление о функциональной организации сообщества, о всех обменных процессах в экосистеме.

Пирамиды продукции и биомасс отражает статику экосистемы( количество и биомассу организмов на данный момент), а пирамида энергии динамику прохождения массы пищи через цепи питания.

Поэтому основание в пирамидах продукции и биолмассы будет то больше или меньше, чем в последующих уровнях ( в зависимости от соотношения продуцентов и консументов, а так же продолжитель листьями, в кишечнике всасывается только половина растительного материала, остальное выделяется в виде экскрементов. Кроме того. Большая часть питательных веществ , всасываемых кишечником. Расходуется на дыхание и лишь около 10% -12% в конечном счете используется на построение новых клеток и тканей гусеницы.

По этой причине продукция организмов на каждом последующем трофическом уровне всегда меньше ( в среднем в 10 раз)продукции предыдущего, т.е. масса каждого последующего звена цепи прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды.

ности их жизни в различных экосистемах).

Пирамида энергии всегда суживается к верху в соответствии с правилом 10%.

Пример цепи питания из трех уровней ( по Ю.Одуму):

люцерна – телята – ребенок.

Если бы один ребенок весом 48кг питался только телятиной, то за год ему потребовалось бы для обеспечения жизнедеятельности 4,5 теленка общим весом 400 кг, для питания которых, в свою очередь, необходим урожай люцерны с площади 4 га, весом 8 211 кг. Такова энергетическая цена животной пищи.

Пирамида биомасс, показывающая количество живого вещества в килограммах на каждом трофическом уровне , в этом примере выглядит следующим образом:

Пирамида биомасс

48кг

400 кг.

8 211 кг.

В энергетической пирамиде учтена солнечная энергия . Люцерна использует 0,24% полученной солнечной энергии. Для получения продукции телят используется 8% энергии, аккумулированной люцерной.

На развитие и рост ребенка в течение года используется 0,7% энергии, аккумулированной телятами.

В результате чуть более одной миллионной доли солнечной энергии, падающей на поле в 4 га, используется на питание и рост ребенка.

Пирамида энергии

Освоено в тканях ребенка 3.5 х 10⁴ Дж

Освоено в тканях телят 5 х10⁶ Дж

О своено в тканях

люцерны 6.2 х107 Дж

Использовано солнечной энергии на поле люцерны в 4 га -

2,6 х10¹¹ ДЖ

Продуктивность и биомасса экосистем

Одно из важнейших свойств живых организмов и экосистем в целом – способность создавать органическое вещество, которое называется ПРОДУКЦИЕЙ.

Продукцию растений называют - первичной.

Продукцию животных – вторичной.

Различают следующие виды продукции:

Валовая первичная продукция – органическое вещество, которое синтезируется растениями в единицу времени на единице площади или объема, включая ту ее часть, которая расходуется на дыхание.

Чистая первичная продукция - органическое вещество, накопленное в растительных тканях, в единицу времени, на единице площади или объема, за вычетом части израсходованной на дыхание растений за то же время.

Чистая первичная продукция экосистемы - это чистая первичная продукция органического вещества в экосистеме за вычетом той части, которая была ассимилирована консументами в единицу времени на единице площади или объема.

Вторичная продукция экосистемы - органическое вещество, синтезированное на уровне консументов в единицу времени на единицу площади или объема.

Чистая первичная продукция считается главным источником питания и является основным показателем потенциала пищевых ресурсов для животных и человека.

Образование продукции в единицу времени на единице площади или объема характеризует ПРОДУКТИВНОСТЬ экосистем.

Продуктивность экосистем характеризует их способность концентрировать солнечную энергию в продукцию органических веществ биомассы различных организмов.

ТИПЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ

Биологическая

продуктивность

Первичная биомасса

производимая

продуцентами

Вторичная биомасса

производимая

всеми консументами

Валовая – общее количество

органического вещества

Чистая – оставшаяся после расходования на дыхание

Наряду с продукцией экосистем различают БИОМАССУ экосистем, которая так же является ее важной характеристикой.

БИОМАССА – вся живая органическая масса, которую содержит экосистема, вне зависимости от того, за какой период времени она накопилась.

Пирамида биомасс и трофические уровни

в экосистеме

СО₂ ПРОДУЦЕНТЫ ( 1-3 ) Н₂О

КОНСУМЕНТЫ III порядка

КОНСУМЕНТЫ I порядка (0,1- 0,6)

КОНСУМЕНТЫ II порядка (0,01-0,1)

РЕДУЦЕНТЫ

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Питательные Питательные

элементы элементы

Величина БИОМАССЫ экосистем, во многом зависит не столько от ее продуктивности, сколько от продолжительности жизни организмов.

Для экосистем, представленных однолетними организмами, их годичная продуктивность и биомасса практически совпадают.

Для экосистем, имеющих многолетние организмы, они резко отличаются.

Соотношение биомассы и годовой продуктивности выражается формулой:

Б = П_г - Д_г ;

Где Б – биомасса в данный момент времени,

П_г – годовая продукция,

Д_г – годовое дыхание (вся сумма живого вещества отчуждаемого на процессы разложения в результате гибели целых организмов или их частей).

Количество продукции, образующейся в единицу времени не разных трофических уровнях, подчиняется тому же правилу, которое характерно для пирамид энергии: на каждом последующем уровне количество продукции меньше, чем на предыдущем.

ПИРАМИДЫ ПРОДУКЦИИ ЭКОСИСТЕМ СУШИ И ОКЕАНА