Экологические пирамиды и продуктивность экосистемы

Прогрессивное снижение ассимилированной энергии в ряду трофических уровней находит отражение в структуре экологических пирамид

[2, 17, 24].

Экологическая пирамида – графическое изображение соотношения трофических уровней в экосистеме, которое выражается в числе особей, в количестве биомассы (суммарной массы организмов) и в количестве заключенной в особях энергии. Соответственно, различают пирамиды чисел, пирамиды биомасс и пирамиды энергии. Каждый трофический уровень пирамиды изображается условно в виде прямоугольника, площадь которого соответствует численному значению количества особей или их биомассе либо энергии. Прямоугольники имеют одинаковую высоту, но разную длину. Нижний прямоугольник, самый большой по длине и площади, соответствует первому трофическому уровню – продуцентам; следующий прямоугольник, меньший по площади, соответствует второму трофическому уровню – первичным консументам и т.д. Расположив эти прямоугольники в соподчиненной последовательности, получают соответствующую пирамиду

(рис. 4).

Пирамида чисел (или пирамида Элтона, названная по имени американского ученого, впервые сформулировавшего принцип построения экологической пирамиды) отражает уменьшение численности организмов от продуцентов к консументам.

Пирамида биомасс показывает изменение биомасс на каждом последующем трофическом уровне: для наземных экосистем пирамида биомасс сужается кверху, для водных экосистем она, наоборот, расширяется (перевернутая пирамида), что связано с быстрым потреблением планктона консументами.

Пирамида энергии имеет универсальный характер и отражает уменьшение количества энергии, содержащейся в продукции, создаваемой на каждом последующем трофическом уровне.

Пирамиды энергии являются наиболее полезными из трех типов экологических пирамид. Они позволяют сравнивать различные биоценозы и выявлять относительную значимость популяций в пределах одного сообщества.

На рис. 4 показаны экологические пирамиды, построенные американским экологом Ю. Одумом. Он рассмотрел в качестве примера условный биоценоз, состоящий из одного мальчика (12 лет), питающегося в течение года только телятиной, и телят, которые едят исключительно траву люцерну.

Рис. 4. Пирамиды чисел (а), биомасс (б) и энергии (в), представляющие пищевую цепь «люцерна – телята – мальчик»

Пирамида чисел (а)показывает, что если бы мальчик питался в течение одного года только телятиной, то для этого ему потребовалось бы 4,5 теленка, а для пропитания телят необходимо засеять поле в 4 га люцерной, что составит 2 х 10⁷ растений. В пирамиде биомасс (б)число особей заменено их биомассой. В пирамиде энергии (в)учтена солнечная энергия. Люцерна использует 0,24 % солнечной энергии. Для накопления продукции телятами в течение года 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 для пропитания ребенка в течение одного года.

Поскольку на каждом трофическом уровне энергия теряется, то для человека наиболее эффективным способом извлечения энергии является потребление растительной пищи (вегетарианство), а наиболее дорого использование в пищу хищных видов. Так, по энергии, затраченной на рост, 1 кг окуня или щуки обходится природе в 7 раз «дороже», чем 1 кг говяжьего мяса. Поэтому плотоядные животные разводятся людьми в редких случаях, например в пушном звероводстве. Однако, питаясь только растительной пищей, следует учитывать, что животный белок содержит больше незаменимых аминокислот, а растительный белок переваривается труднее, чем животный, изза необходимости предварительного разрушения жестких клеточных стенок.

Каждая экосистема обладает определенной продуктивностью.

Продуктивность, или продукция – это суммарное количество биомассы, образовавшееся за конкретный период времени, т. е. скорость образования биомассы (органического вещества). Биомассой называется масса организмов определенной группы (продуцентов, консументов, редуцентов) или сообщества в целом. Биомассу выражают в единицах массы вещества или количеством энергии, заключенной в тканях, отнесенных к единице площади или объема местообитания – кг/га, г/м², кДж/м³ и т. д.

Различают первичную и вторичную продукцию сообщества.

Первичная продукция – биомасса, созданная за единицу времени продуцентами. Она делится на валовую и чистую. Валовая первичнаяпродукция (общая ассимиляция) – это общая биомасса, созданная растениями в ходе фотосинтеза. Часть ее расходуется на поддержание жизнедеятельности растений – траты на дыхание (40 – 70 %). Оставшаяся часть составляет чистую первичную продукцию (чистая ассимиляция), которая в дальнейшем используется консументами и редуцентами или накапливается в экосистеме.

Вторичная продукция – биомасса, созданная за единицу времени консументами. Определенному количеству органического вещества эквивалентно определенное количество энергии. Например, 1 г сухого органического вещества растения в среднем имеет энергетическую ценность, равную 19 кДж. Так как энергия при переходе от одного трофического уровня к другому теряется, то продуктивность каждого последующего трофического уровня всегда меньше продуктивности предыдущего трофического уровня в среднем в 10 раз.

Самой высокой биомассой и продуктивностью обладают тропические дождевые леса, самой низкой – пустыни и тундры. Если в экосистеме скорость прироста растений (образования первичной продукции) выше темпов переработки ее консументами и редуцентами, то это ведет к увеличению биомассы продуцентов. Если при этом присутствует недостаточно быстрая утилизация продуктов опада в цепях разложения, то происходит накопление мертвого органического вещества. Это ведет к заторфовыванию болот, образованию мощной лесной подстилки и т.п. В стабильных экосистемах биомасса остается постоянной, так как практически вся продукция расходуется в цепях питания.

Продуктивность – важнейшее для человека свойство биосферы, зависящее от продуктивности слагающих ее естественных и антропогенных экологических систем. Благодаря способности экосистемы производить биомассу человек получает необходимые ему пищевые и многие технические ресурсы. Проблема обеспечения численно растущего человечества пищей – это, в сущности, проблема повышения продуктивности сельского хозяйства. Поэтому знание законов биологической продуктивности и потерь энергии имеет большое практическое значение, так как позволяет сознательно и грамотно строить хозяйственную деятельность таким образом, чтобы получать возможно большую первичную и вторичную продукцию. Воздействие человека на экологические системы, связанное с их разрушением или загрязнением, непосредственно ведет к прерыванию потока энергии и вещества, а значит – к снижению продуктивности. Например, из-за задымления и снижения прозрачности воздуха может образоваться барьер между потоком солнечной энергии и воспринимающими ее продуцентами. Вредные вещества в атмосфере могут привести к гибели части ассимиляционного аппарата растений. Спекание подстилки и гибель редуцентов в результате попадания в почву токсичных отходов прервут возврат минеральных компонентов в трофические цепи. Поэтому охрана окружающей среды может рассматриваться и как система мероприятий, направленных на предотвращение снижения продуктивности биосферы.