Энергетика и продукция экосистемы

Солнечный свет является основным и практически единственным источником энергии в экосистеме. Схема потоков веществ и энергии в экосистеме представлена на рис. 3.3.

Рис.3.3. Схема потоков веществ и энергии в экосистеме.

Поступающая на земную поверхность солнечная энергия направлена в одну сторону, преобразуется живыми организмами в органическое вещество, представляющее собой качественно более концентрированную форму энергии, чем энергия солнечного излучения, однако основная часть энергии деградирует и покидает систему в виде тепловой энергии (тепловой сток).

Основная часть солнечной энергии, поступающей на земную поверхность, рассеивается в виде тепла (до 98%) и только около 2% ее усваивается автотрофными организмами.

Таким образом, энергия может аккумулироваться, высвобождаться или экспортироваться, но вторично использована быть не может, в отличие от питательных веществ и воды, которые могут использоваться многократно.

В зависимости от типа экосистемы импорт и экспорт элементов питания, а так же эффективность повторного использования этих элементов может существенно изменяться. Пищевая цепь в биогеоценозе одновременно является цепью энергетической, поскольку внутри нее происходит последовательная передача энергии солнца от продуцентов ко всем остальным трофическим уровням (рис. 3.4).

Рис.3.4 Схема распределения энергии в экосистеме

Консументы потребляют в пищу органическое вещество продуцентов, за счет чего получают от них энергию, используемую на построение собственного тела и связывающуюся в молекулах соответствующих химических соединений. Частично полученная энергия расходуется на движение, дыхание, теплоотдачу и т.п.

Процесс передачи энергии в экосистеме с одного уровня пищевой цепи на другой непрерывен и связан с рассеиванием энергии на каждом последующем уровне. Рассеивание энергии постоянно компенсируется за счет солнечного излучения.

На уровне продуцентов используется около 1-2% поступающей на земную поверхность солнечной энергии, консументы получают около 10% энергии, накопленной на уровне продуцентов. Эта закономерность была установлена Р. Линдеманом в 1942 г. и носит название закон Линдемана или «правило 10%» [3]. В соответствии с этим законом, около 10% поступившей на трофический уровень энергии передается организмам, находящимся на последующем трофическом уровне. Таким образом, третичные консументы получают только около 10^-4 энергии, поглощенной продуцентами.

На рис.3.5. Показаны потоки энергии в пищевой цепи.

Рис.3.5.Поток энергии в пищевой цепи:

ОПЭ - общее поступление солнечной энергии; НЭ - неиспользованная экосистемой энергия; С - энергия, поглощенная растениями; Н- часть энергии (с первичной продукцией), использованная организмами трофических уровней; СН - часть поглощенной энергии, рассеянная в тепловой форме; Д₁ Д₂, Д₃ -потери энергии на дыхание; Э — потери вещества в форме экскрементов и выделений; П_в - валовая продукция продуцентов; П₁ - чистая первичная продукция; П₂ и П₃ - продукция консументов; в круге показаны биоредуценты -деструкторы мертвой органики.

При каждом переносе большая часть (80-90%)энергии теряется, переходя в тепло. Поэтому, чем короче пищевая цепь (чем ближе организм к её началу) , тем больше количество энергии, доступной для популяции. В связи с энергетическими потерями на каждом трофическом уровне цепи, длина ее составляет как правило 4-6 звеньев.

Поскольку организмами в сообществах создается и расходуется органическое вещество вводят понятие продуктивности экологической системы.

Продуктивность экологической системы - это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое может быть использовано в качестве пищи.

Продуктивность определяется как соотношение массы вещества (продукции) на единицу времени.

Продукцию экосистемы подразделяют на несколько видов: первичная продукция - количество органического вещества, образуемого продуцентами в единицу времени. Вторичная продукция – прирост массы консументов за единицу времени. Первичную продукцию можно разделить на валовую и чистую продукцию.

Валовая первичная продукция - это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая и траты растения на дыхание - от 40 до 70% от валовой продукции.

Чистая продукция – это величина прироста биомассы продуцентов, потребляемой консументами.

Продукция консументов является вторичной продукцией

Вторичная продукция не делится уже на валовую и чистую, так как консументы и редуценты, т.е. все гетеротрофы, увеличивают свою массу за счет первичной ранее созданной продукции. Вторичная продукция вычисляется отдельно для каждого трофического уровня, поскольку прирост биомассы на каждом из них происходит за счет энергии, поступающей с предыдущего уровня.

Все живые организмы в экосистеме составляют общую биомассу сообщества в целом или тех или иных групп организмов. Биомасса выражается в г/см³ в сыром или сухом виде, или в энергетических единицах - в калориях, джоулях и т.п. Если скорость изъятия биомассы консументами отстает от скорости прироста растений, то это ведет к постепенному приросту биомассы продуцентов и к избытку мертвого органического вещества. Последнее приводит к заторфовыванию болот и зарастанию мелких водоемов. В стабильных сообществах практически вся продукция тратится в трофических сетях, и биомасса остается практически постоянной.