Последние посты

Продуктивность экосистемы: определение, факторы и методы оценки

Биологическая продуктивность - это экологическое и общебиологическое понятие, обозначающее воспроизведение биомассы растений, микроорганизмов и животных, входящих в состав экосистемы. В более узком смысле - это воспроизведение диких животных и растений, используемых человеком. Биологическая продуктивность реализуется через воспроизведение видовых популяций растений и животных, идущее с некоторой скоростью, что может быть выражено продукцией за год на единицу площади или на единицу объёма.

Понятие биологической продуктивности во многом аналогично понятию плодородия почвы, но шире по содержанию, так как может быть отнесено к любому биогеоценозу или экосистеме. Важно отметить, что с ростом численности населения и научно-технического прогресса, биологическая продуктивность всё больше отражает не только естественные особенности экосистем, но и влияние человека.

Общей и адекватной мерой биологической продуктивности служит продукция, а не биомасса сообщества или его компонентов. Продукция каждой популяции за определённое время представляет собой сумму приростов всех особей, включая прирост отделившихся образований и прирост особей, элиминированных из состава популяции за рассматриваемое время.

Если начальная (B1) и конечная (B2) биомассы равны, то прирост компенсирован элиминацией, то есть продукция (Р) равна элиминации (Е). В общем случае P=|B2- B1|+E. Иногда определённую таким образом продукцию называют «чистой продукцией», противопоставляя ей «валовой продукции», в которую включают затраты на энергетический обмен.

Продукцию автотрофных организмов, способных к фото- или хемосинтезу, называют первичной продукцией, а сами организмы - продуцентами. Основная роль в создании первичной продукции принадлежит зелёным растениям, высшим - на суше, низшим - в водной среде.

Продукцию гетеротрофных организмов относят ко вторичной продукции, а сами организмы называют консументами. Все виды вторичной продукции возникают на основе утилизации вещества и энергии первичной продукции. Схематически сложные трофические связи можно представить в виде «потока энергии» через экосистему, т. е. ступенчатого процесса утилизации энергии солнечной радиации и вещества первичной продукции.

Первый трофический уровень утилизации солнечной энергии составляют фотосинтезирующие организмы, создающие первичную продукцию, второй - потребляющие их растительноядные животные, третий - плотоядные животные, четвёртый - хищники второго порядка. Каждый последующий трофический уровень потребляет продукцию предыдущего, причём часть энергии потребленной и ассимилированной пищи идёт на нужды энергетического обмена и рассеивается.

По другому принципу продукцию делят на промежуточную и конечную. К промежуточной относят продукцию, потребляемую другими членами экосистемы, вещество которой вновь возвращается в осуществляемый в её пределах круговорот; к конечной - продукцию, в той или иной форме отчуждаемую от экосистемы, т. е. выходящую за её пределы. К конечной продукции относятся и используемые человеком виды продукции, которые могут принадлежать к любому трофическому уровню, включая первый, занятый растениями.

Все средства влияния на биологическую продуктивность экосистем направлены либо на повышение полезной первичной продукции, либо на повышение эффективности утилизации первичной продукции на последующих трофических уровнях в нужном для человека направлении. Это требует хорошего знания видового состава и структуры экосистем и экологии отдельных видов. Наибольшие перспективы имеют формы хозяйственной эксплуатации живой природы и управления ею, которые основаны на знании особенностей местных экосистем и характерных для них форм биологической продуктивности.

Первичная и вторичная продукция экосистем

Разнообразие биологической продуктивности в различных экосистемах

Биологическая продуктивность различных наземных и водных экосистем проявляется во многих формах. Соответственно, многообразны и используемые человеком продукты, воспроизводимые в природных сообществах (например, древесина, рыба, меха и многое другое). Человек обычно заинтересован в повышении биологической продуктивности экосистем, так как это увеличивает возможности использования биологических ресурсов природы. Однако в ряде случаев высокая биологическая продуктивность может приводить к вредным последствиям (например, чрезмерное развитие в высокопродуктивных водах фитопланктона определённого видового состава - синезелёных водорослей в пресных водах, токсичных видов перидиней - в морях).

Рассмотрим особенности продуктивности в различных типах экосистем:

Океан: Экосистема океана обеспечивает 50 процентов общей продуктивности Земли. В океанах и морях основная часть биомассы - результат фотосинтетической деятельности одноклеточных водорослей, включая цианобактерий.
Суша: Разные участки суши радикально отличаются по продуктивности. Наиболее продуктивны тропические леса, наименее продуктивны экосистемы пустынь, тундр, приполярных побережий. В наземных экосистемах главная нагрузка приходится на высшие растения.

Таким образом, постоянно происходит «вычитание» вторичной продукции из общего количества первичной. Первичной продукции всегда присутствует намного больше, чем вторичной.

Схема трофических уровней в экосистеме

Методы оценки биопродуктивности древостоев

Основной метод оценки биологической продукции деревьев и насаждений базируется на прямом измерении фитомассы. В настоящее время на практике показателем биопродуктивности древостоя выступает годичный прирост надземной части древостоя. Однако использование данного показателя для сравнения биопродуктивности лесных насаждений не лишено недостатков. В лесных экосистемах постоянно идут процессы отпада и отмирания деревьев, и зарождение и рост новых особей. Поэтому годичный прирост в каждый момент времени для одного и того же древостоя будет разным.

В представленной работе предлагается метод оценки биопродуктивности чистых древостоев, отличающийся от существующей в настоящее время практики оценки биопродуктивности независимостью от изменений возрастной и размерной структур древостоев в процессе жизненного цикла. Показателем биологической продукции сухого органического вещества, запасаемого древесными растениями, в рамках метода является индекс биопродуктивности древостоя.

Основная идея предлагаемого метода оценки биопродуктивности древостоя состоит в следующем. Несмотря на то, что годичный прирост в каждый момент времени для одного и того же древостоя является разным, в древостое можно выделить группы деревьев, которые обладают схожими характеристиками, например, диаметром ствола на высоте груди. Для таких групп деревьев можно получить оценки параметров, например, годовой прирост, которые допустимо рассматривать с позиции математической статистики.

Последовательность годовых приростов таких выделенных групп, расположенная в порядке возрастания диаметров стволов, может быть использована для оценки биопродуктивности древостоя. На основании данной последовательности можно получить показатель биопродуктивности среднего дерева, который будет типичен для любого дерева, произрастающего в данных лесорастительных условиях. Такой показатель будет устойчивым, т.е. не будет зависеть от процессов, происходящих в древостое и от времени.

Проверка разработанной методики была проведена в лесных насаждениях с участием пихты сибирской, расположенных в таежной зоне Северо-Востока европейской части России. Проверку индекса биопродуктивности осуществляли путем выявления соответствия между индексом биопродуктивности древостоя пихты сибирской и оценкам экологических характеристик местообитаний.

Экологические характеристики местообитаний оценивались на основе флористических признаков, т.е. с использованием напочвенного покрова как индикатора биопродуктивности. В основу положен известный постулат о влиянии на биопродуктивность растений экологических условий, в частности: богатства почвы минеральным питанием, освещенности и температуры.

Анализ показал, что оценки таких экологических характеристик местообитаний, как кислотность почвы, богатство почвы минеральным питанием, освещенность и термоклиматические показатели хорошо согласуются с индексом биопродуктивности. Например, оказалось, что чем выше показатель богатства почвы минеральным питанием, тем больше индекс биопродуктивности лесного насаждения. В тоже время, если определять биопродуктивность лесного насаждения методами, применяемыми в настоящее время, такого соответствия не обнаруживается.

Следует отметить, что индекс биопродуктивности дает возможность количественно сравнивать биопродуктивность различных древостоев. Расчет индекса не требует измерения дополнительных параметров древостоя, и основан на стандартных таксационных показателях, хотя в отличие от традиционного подхода процедура получения индекса является более сложной.

Предлагаемый методический подход может быть расширен и на смешанные древостои путем его применения к конкретной породе в составе древостоя.

Биомы и их продуктивность

Биом - это природная зона или область с определенными климатическими условиями и соответствующим набором доминирующих видов растений и животных (живое население), составляющих географическое единство. Для разграничения наземных биомов, кроме физико-географических условий среды, используют сочетания жизненных форм растений, их составляющих.

Продвигаясь с севера к экватору, можно выделить девять основных типов сухопутных биомов:

Тундра: Расположена между полярными льдами и таежными лесами к югу. Характерной особенностью этого биома является малое годовое количество осадков - всего 250 мм в год.
Тайга (биом бореальных (северных) хвойных лесов): Это один из самых обширных по площади биомов. Здесь растут вечнозеленые хвойные древесные породы: лиственница, ель, пихта, сосна. Из лиственных обычна примесь ольхи, березы, осины.
Листопадные леса умеренной зоны: К существованию в таких условиях приспособились деревья, сбрасывающие листву в неблагоприятное время года: дуб, бук, клен, граб, орешник. Вперемешку с ними встречаются здесь и сосна, и ель.
Степи умеренной зоны: Степи занимают внутренние пространство евразийского, североамериканского континентов, юг Южной Америки и Австралии. Осадков здесь недостаточно для существования деревьев, но и не настолько мало, чтобы образовались пустыни. В год выпадает от 250 до 750 мм осадков.
Растительность средиземноморского типа: Его распространение приурочено к областям с мягкими дождливыми зимами и нередко засушливым летом. Преобладает жестколистная растительность с толстыми и глянцевыми листьями.
Пустыни: Биом пустынь характерен для засушливых и полузасушливых зон Земли, где выпадает менее 250 мм осадков. Пустыни занимают около 1/5 поверхности суши.
Тропические саванны и лугопастбищные земли: Биом располагается по обеим сторонам от экваториальной зоны между тропиков. Типичный пейзаж саванны - высокая трава с редкостоящими деревьями из родов акация, баобаб, древовидные молочаи.
Тропическое или колючее редколесье: Это в основном светлые редкослойные лиственные леса и колючие, причудливо изогнутые кустарники. Данный биом характерен для южной, юго-западной Африки и юго-западной Азии.
Тропические леса: Биом занимает тропические области Земли в бассейнах Амазонки и Ориноко в Южной Америке; бассейны Конго, Нигера и Замбези в Центральной и Западной Африке, Мадагаскар, Индо-Малайскую область и Борнео-Новую Гвинею.

Карта биомов Земли

Агроэкосистемы