Her yıl insanlar gezegenin kaynaklarını giderek daha fazla tüketiyor. Son zamanlarda belirli bir biyosenozun ne kadar kaynak sağlayabileceğine dair bir değerlendirmenin büyük önem kazanması şaşırtıcı değildir. Bugün, işin ekonomik fizibilitesi doğrudan elde edilebilecek üretim miktarına bağlı olduğundan, bir yönetim şekli seçerken ekosistemin üretkenliği belirleyici bir öneme sahiptir.
İşte bilim adamlarının bugün karşılaştığı başlıca sorular:
- Ne kadar güneş enerjisi mevcut ve bitkiler tarafından ne kadar özümseniyor, nasıl ölçülür?
- Hangi ekosistem türleri en üretkendir ve en birincil üretimi üretir?
- Birincil üretimi yerel ve küresel olarak hangi faktörler sınırlar?
- Bitkilerin enerjiyi dönüştürdüğü verimlilik nedir?
- Verimlilik arasındaki farklar nelerdir?asimilasyon, daha temiz üretim ve çevresel verimlilik?
- Ekosistemler biyokütle miktarı veya ototrofik organizmaların hacmi açısından nasıl farklılık gösterir?
- İnsanlar için ne kadar enerji var ve biz ne kadar kullanıyoruz?
Bu yazı çerçevesinde en azından kısmen cevaplamaya çalışacağız. İlk olarak, temel kavramlarla ilgilenelim. Dolayısıyla, bir ekosistemin üretkenliği, belirli bir hacimde organik madde biriktirme sürecidir. Bu işten hangi organizmalar sorumludur?
Ototroflar ve heterotroflar
Bazı organizmaların inorganik öncüllerden organik moleküller sentezleyebildiğini biliyoruz. Bunlara "kendi kendini besleyen" anlamına gelen ototroflar denir. Aslında, ekosistemlerin üretkenliği faaliyetlerine bağlıdır. Ototroflar ayrıca birincil üreticiler olarak da adlandırılır. Basit inorganik maddelerden (su, CO2) karmaşık organik moleküller üretebilen organizmalar çoğunlukla bitki sınıfına girer, ancak bazı bakteriler aynı yeteneğe sahiptir. Organikleri sentezledikleri sürece fotokimyasal sentez denir. Adından da anlaşılacağı gibi fotosentez güneş ışığına ihtiyaç duyar.
Kemosentez olarak bilinen yoldan da bahsetmeliyiz. Bazı ototroflar, özellikle özelleşmiş bakteriler, güneş ışığına erişmeden inorganik besinleri organik bileşiklere dönüştürebilir. Birkaç kemosentetik grubu vardır.deniz ve tatlı sudaki bakteriler ve özellikle hidrojen sülfür veya kükürt içeriği yüksek ortamlarda yaygındırlar. Klorofil taşıyan bitkiler ve fotokimyasal sentez yapabilen diğer organizmalar gibi, kemosentetik organizmalar da ototroflardır. Bununla birlikte, ekosistemin üretkenliği, organik maddenin% 90'ından fazlasının birikmesinden sorumlu olduğu için bitki örtüsünün etkinliğidir. Kemosentez bunda orantısız olarak daha küçük bir rol oynar.
Bu arada, birçok organizma ihtiyaç duyduğu enerjiyi ancak diğer organizmaları yiyerek elde edebilir. Bunlara heterotrof denir. Prensip olarak, bunlar aynı bitkileri (ayrıca hazır organik maddeleri “yirler”), hayvanları, mikropları, mantarları ve mikroorganizmaları içerir. Heterotroflara "tüketici" de denir.
Bitkilerin rolü
Kural olarak, bu durumda "verimlilik" kelimesi, bitkilerin belirli bir miktarda organik madde depolama yeteneğini ifade eder. Ve bu şaşırtıcı değil, çünkü sadece bitki organizmaları inorganik maddeleri organik olanlara dönüştürebilir. Onlar olmadan, gezegenimizdeki yaşamın kendisi imkansız olurdu ve bu nedenle ekosistemin üretkenliği bu konumdan değerlendirilir. Genel olarak soru son derece basittir: Peki bitkiler ne kadar organik madde depolayabilir?
En üretken biyosenozlar hangileridir?
Tuhaf bir şekilde, ancak insan yapımı biyosenozlar en üretken olmaktan uzaktır. Bu bağlamda büyük tropik nehirlerin ormanları, bataklıkları, selvalarıçok ilerideler. Ek olarak, yine insan faaliyetinin bir sonucu olarak doğaya giren ve ayrıca gezegenimizin atmosferinde bulunan oksijenin% 70'inden fazlasını üreten çok miktarda toksik maddeyi nötralize eden bu biyosenozlardır. Bu arada, birçok ders kitabı hala Dünya'nın okyanuslarının en üretken "ekmek sepeti" olduğunu belirtiyor. İşin garibi, ama bu ifade gerçeklerden çok uzak.
Okyanus Paradoksu
Denizlerin ve okyanusların ekosistemlerinin biyolojik üretkenliğinin neye benzediğini biliyor musunuz? Yarı çöllerle! Büyük hacimli biyokütle, gezegen yüzeyinin çoğunu kaplayan su genişlikleri olduğu gerçeğiyle açıklanmaktadır. Bu nedenle, önümüzdeki yıllarda tüm insanlık için ana besin kaynağı olarak denizlerin tekrar tekrar öngörülen kullanımı, bunun ekonomik fizibilitesi son derece düşük olduğundan, pek mümkün değildir. Bununla birlikte, bu tür bir ekosistemin düşük üretkenliği, okyanusların tüm canlıların yaşamı için önemini hiçbir şekilde az altmaz, bu nedenle mümkün olduğunca dikkatli bir şekilde korunmaları gerekir.
Modern çevreciler, tarım arazilerinin olanaklarının tükenmekten uzak olduğunu ve gelecekte onlardan daha bol hasat alabileceğimizi söylüyorlar. Eşsiz özellikleri nedeniyle çok miktarda değerli organik madde üretebilen pirinç tarlalarına özel umutlar verilmektedir.
Biyolojik sistemlerin üretkenliği hakkında temel bilgiler
Genel ekosistem üretkenliğifotosentez hızı ve belirli bir biyosenozda organik maddelerin birikimi ile belirlenir. Birim zamanda oluşan organik madde kütlesine birincil üretim denir. İki şekilde ifade edilebilir: Joule cinsinden veya bitkilerin kuru kütlesinde. Brüt üretim, sabit bir fotosentez hızında, belirli bir zaman biriminde bitki organizmaları tarafından oluşturulan hacimdir. Bu maddenin bir kısmının bitkilerin hayati faaliyetlerine gideceği unutulmamalıdır. Kalan organik madde, ekosistemin net birincil üretkenliğidir. Sen ve ben de dahil olmak üzere heterotrofları beslemeye giden o.
Birincil üretim için bir "üst sınır" var mı?
Kısacası, evet. Fotosentez sürecinin prensipte ne kadar verimli olduğuna hızlıca bir göz atalım. Dünya yüzeyine ulaşan güneş radyasyonunun yoğunluğunun büyük ölçüde konuma bağlı olduğunu hatırlayın: maksimum enerji dönüşü ekvator bölgelerinin özelliğidir. Kutuplara yaklaştıkça katlanarak azalır. Güneş enerjisinin yaklaşık yarısı buz, kar, okyanuslar veya çöller tarafından yansıtılır ve atmosferdeki gazlar tarafından emilir. Örneğin, atmosferin ozon tabakası neredeyse tüm ultraviyole radyasyonu emer! Fotosentez reaksiyonunda bitkilerin yapraklarına çarpan ışığın sadece yarısı kullanılır. Yani ekosistemlerin biyolojik üretkenliği, güneş enerjisinin önemsiz bir kısmını dönüştürmenin sonucudur!
İkincil üretim nedir?
Buna göre ikincil ürünler denirtüketicilerin (yani tüketicilerin) belirli bir süre boyunca büyümesi. Tabii ki, ekosistemin üretkenliği onlara çok daha az bağlıdır, ancak insan yaşamında en önemli rolü oynayan bu biyokütledir. İkincil organiklerin her bir trofik düzeyde ayrı ayrı hesaplandığına dikkat edilmelidir. Böylece, ekosistem üretkenliği türleri iki türe ayrılır: birincil ve ikincil.
Birincil ve ikincil üretim oranı
Tahmin edebileceğiniz gibi, biyokütlenin toplam bitki kütlesine oranı nispeten düşüktür. Orman ve bataklıklarda bile bu rakam nadiren %6,5'i aşıyor. Topluluktaki otsu bitkiler ne kadar fazla olursa, organik madde birikim hızı o kadar yüksek ve tutarsızlık o kadar büyük olur.
Organik maddelerin oluşum hızı ve hacmi hakkında
Genel olarak, birincil kaynaklı organik maddenin sınırlı oluşum hızı tamamen bitkilerin fotosentetik aparatının (PAR) durumuna bağlıdır. Laboratuvar koşullarında elde edilen fotosentez veriminin maksimum değeri PAR değerinin %12'sidir. Doğal koşullar altında, %5'lik bir değer son derece yüksek kabul edilir ve pratikte oluşmaz. Dünya'da güneş ışığının asimilasyonunun %0,1'i geçmediğine inanılıyor.
Birincil üretim dağıtımı
Doğal ekosistemin üretkenliğinin gezegen genelinde son derece dengesiz olduğuna dikkat edilmelidir. Her yıl oluşan tüm organik maddelerin toplam kütlesiDünya'nın yüzeyi, yaklaşık 150-200 milyar tondur. Yukarıdaki okyanusların üretkenliği hakkında ne söylediğimizi hatırlıyor musunuz? Yani bu maddenin 2/3'ü karada oluşuyor! Sadece hayal edin: hidrosferin devasa, inanılmaz hacimleri, büyük bir kısmı çöl olan toprağın küçük bir bölümünden üç kat daha az organik madde oluşturur!
Birikmiş organik maddenin şu veya bu şekilde %90'ından fazlası heterotrofik organizmalar için besin olarak kullanılır. Güneş enerjisinin yalnızca çok küçük bir kısmı toprak humusu şeklinde depolanır (bugün bile oluşan petrol ve kömürün yanı sıra). Ülkemiz topraklarında, birincil biyolojik üretimdeki artış, hektar başına 20 centner'den (Arktik Okyanusu yakınında) Kafkasya'da hektar başına 200 centner'den fazla değişmektedir. Çöl alanlarında bu değer 20 c/ha'yı geçmez.
Prensip olarak, dünyamızın beş sıcak kıtasında, üretim yoğunluğu hemen hemen aynıdır: Güney Amerika'da, mükemmel iklim koşulları nedeniyle bitki örtüsü bir buçuk kat daha fazla kuru madde biriktirir. Orada, doğal ve yapay ekosistemlerin üretkenliği maksimumdur.
İnsanları ne besler?
Gezegenimizin yüzeyindeki yaklaşık 1,4 milyar hektar, bize yiyecek sağlayan ekili bitki tarlalarıdır. Bu, gezegendeki tüm ekosistemlerin yaklaşık %10'u. İşin garibi, ancak ortaya çıkan ürünlerin sadece yarısı doğrudan insan gıdasına gidiyor. Diğer her şey evcil hayvan maması olarak kullanılır veendüstriyel üretimin ihtiyaçları (gıda ürünlerinin üretimi ile ilgili değil). Bilim adamları uzun zamandır alarm veriyorlar: gezegenimizin ekosistemlerinin üretkenliği ve biyokütlesi, insanlığın protein ihtiyacının %50'sinden fazlasını sağlayamaz. Basitçe söylemek gerekirse, dünya nüfusunun yarısı kronik protein açlığı koşullarında yaşıyor.
Biyosenoz rekoru sahipleri
Daha önce de söylediğimiz gibi, ekvator ormanları en yüksek üretkenlik ile karakterize edilir. Sadece bir düşünün: Böyle bir biyosenozun bir hektarına 500 tondan fazla kuru madde düşebilir! Ve bu sınırdan uzak. Örneğin Brezilya'da bir hektar orman, yılda 1200 ila 1500 ton (!) organik madde üretiyor! Bir düşünün: Metrekarede iki sente kadar organik madde var! Aynı bölgedeki tundrada 12 tondan fazla değil ve orta kuşağın ormanlarında - 400 ton içinde Bu kısımlardaki tarım işletmeleri aktif olarak bunu kullanıyor: şeker şeklinde yapay bir ekosistemin üretkenliği Hektar başına 80 tona kadar kuru madde biriktirebilen kamış tarlası, başka hiçbir yerde fiziksel olarak bu kadar verim veremez. Ancak, Orinoco ve Mississippi koyları ile Çad'ın bazı bölgeleri onlardan çok az farklıdır. Burada, bir yıl boyunca ekosistemler, hektar başına 300 tona kadar madde "yayıyor"!
Sonuçlar
Bu nedenle, verimlilik değerlendirmesi birincil madde bazında yapılmalıdır. Gerçek şu ki, ikincil üretim bu değerin% 10'undan fazla değil, değeri büyük ölçüde dalgalanıyor ve bu nedenle ayrıntılı bir analiz.bu gösterge kesinlikle imkansız.
