Трофические цепи и уровни. продуктивность Экосистем
Цель: Изучить процесс накопления и передачи энергии в экосистеме и продуктивность трофических уровней.
Вопросы для самостоятельного изучения
1) Функциональная структура экосистемы (продуценты, консументы, редуценты, их роль в экосистеме).
2) Цепь питания, сеть питания, трофический уровень.
Что отражают правила экологических пирамид?
Теоретическое введение
Отношения величин потока энергии в разных точках пищевой цепи, выраженные в %, называют экологической эффективностью.
1) эффективность трофического уровняпоказывает, какой % составляет продукция данного трофического уровня продукции предыдущего. В среднем она составляет около 10%.
2) эффективность потребленияили использования показывает, какая часть продукции предыдущего трофического уровня съедается организмами данного уровня (остальное достается редуцентам). Например, в лесах травоядные потребляют только около 5% продукции растений, в степи – 25%, а в водных экосистемах – до 50%.
3) эффективность ассимиляции,т.е. эффективность усвоения пищи. Для 1-ого трофического уровня - это эффективность фотосинтеза,т.е. доля солнечной энергии, превращенная в валовую первичную продукцию. В среднем растения в процессе фотосинтеза связывают всего около 1% поступающей световой энергии. Она велика у быстро растущих 1-летних трав (0,7-0,85), но мала во влажном тропическом лесу (0,2-0,3). В длинные летние дни на Севере до 10% дневного поступления солнечной энергии растения превращают в химическую, однако зимой фотосинтез в этих районах прекращается. Эффективность ассимиляции у фитофагов и детритофагов составляет обычно 20-50%. Семена и плоды могут быть ассимилированы на 60-70%, листья – на 50%, древесина – на 15%, т.к. клетчатка и лигнин плохо перевариваются и уходят в навоз. У питающихся более калорийной пищей хищников ассимилируется до 80% пищи.
4) эффективность продуцирования,т.е. доля ассимилированной энергии, которая идет на создание новой биомассы. У беспозвоночных она в целом высокая –30-40%, у рыб, земноводных и пресмыкающихся, не поддерживающих постоянную температуру тела, она - около 10%, а у теплокровных - всего 1-2%, у мелких – еще ниже.
Задачи
1) Постройте схемы пищевых цепей и сетей для предложенных экосистем (в скобках указано, сколько организмов предыдущего трофического уровня требуется для питания 1 особи данного вида). Обозначьте трофические уровни и постройте соответствующие пирамиды чисел. Проанализируйте, какие причины могут вызывать колебания численности популяций, расположенных на разных трофических уровнях, и возможные механизмы саморегуляции экосистем.
Наземная пастбищная экосистема
Растения: 200 единиц;
мыши (10 единиц) питаются семенами растений (1:10);
кролики (10 единиц) питаются травой (1:10);
лисы (2 единицы) поедает кроликов и мышей (1:5);
ласки (2 единицы) в нашей модели ест только мышей (1:5);
беркут (1 единица) охотится на мышей, кроликов (1:5), а также может съесть лису или ласку (1:2).
Луговая экосистема
Растения, 3500 единиц;
улитки, 50 единиц - питаются растениями (1:10);
бабочки, 100 единиц - питаются растительной пищей (1:10);
мухи, 200 единиц - растительноядные (1:10);
стрекозы, 20 единиц - охотятся на бабочек и мух (1:10);
жабы,.5 единиц - поедают мух (1: 10);
ящерицы 5 единиц - поедают стрекоз (1:4), улиток (1:4) и мух (1:10);
барсук, 1 ед. - питается жабами и ящерицами (1:5), улитками (1:30).
Лесная экосистема
Растения, 2200 ед.: 2000 ед. - листва, трава, нектар, 200 ед. - семена деревьев);
белка, 10 единиц - питаются семенами деревьев (1:10);
клест, 10 единиц - питаются семенами деревьев (1:10);
насекомые (мухи, гусеницы, жуки), 200 ед. - питаются листвой, нектаром (1:10);
дрозды, 10 единиц - питаются насекомыми (1:10);
осы, 10 единиц - питаются насекомыми (1:10);
куница, 1 единица - питается белками (1:10), птенцами (1:10);
осоед (хищная птица сем. ястребиных), 1 ед. - питается личинками ос (1:10), дополнительной добычей могут быть мелкие птицы (1:10)
Арктическая экосистема
Фитопланктон (микроскопические водоросли), 9000 единиц;
зоопланктон, 4000 единиц - питается водорослями (1:2);
мелкая рыба, 400 единиц - питается зоопланктоном (1:10);
хищная рыба, 20 единиц - питается мелкой рыбой (1:10);
моллюски, 100 единиц - фильтруют фитопланктон (1:10);
моржи, 2 единицы - поедают моллюсков (1:50);
тюлени, 2 единицы - питаются мелкой рыбой (1:100);
белый медведь, 1 единица - питается хищной рыбой (1:20), может съесть моржа или тюленя.
2) Чистая продуктивность луговой растительности составляет 1 г/м2 в сутки. Сколько сена заготовит крестьянин с площади 1 га при втором укосе, если первый производился месяц тому назад?
3) Рассчитайте долю энергии, поступившей на 4-й трофический уровень, если общее количество энергии на первом уровне составило 1000 единиц, а передача энергии на каждый следующий – 10%.
4) Один гектар леса производит в среднем 10 т сухого органического вещества в год, из них 6 т древесины и 4 т листьев. При сгорании этой древесины высвобождается 45 млн. ккал. Какова эффективность фотосинтеза, если полученная солнечная энергия равна 9 млрд. ккал/га в год?
5) На постоянно используемом пастбище фотосинтез равен 20 000 ккал/м2 в день. Скот использует 2 000 ккал, а человек – всего 80 ккал. Определите экологическую эффективность передачи энергии между трофическими уровнями и долю энергии, усвоенной при фотосинтезе, которую использует человек.
6) Сравните по таблице 8 ежегодный прирост зеленой массы и запасы мертвых растительных остатков в разных экосистемах. Определите, в каких экосистемах круговорот веществ интенсивнее.
Таблица 8 Прирост и разложение растительных остатков в разных экосистемах
| Экосистемы | Прирост, ц/га | Подстилка, ветошь, ц/га |
| Арктические тундры Ельники средней тайги Дубравы Степи Пустыни саксауловые Влажные тропические леса Сфагновые болота | - 1000 и более |
7) В степном заповеднике на участке, полностью огражденном от травоядных млекопитающих, урожай трав составил 5,2 ц/га, а на умеренно выпасаемом участке – 5,9. Почему устранение консументов понизило продукцию растений?
8) Эффективность переноса энергии от лося к волку составляет 1%, а от дафнии к гидре 10%. Почему у первой пары эффективность передачи энергии ниже?
Контрольные вопросы
1) Почему создание любой самоподдерживающейся экосистемы необходимо начинать с продуцентов?
2) Возможно ли существование естественных экосистем без продуцентов? А без консументов? Приведите примеры.
3) Может ли один и тот же организм занимать смежные трофические уровни? Приведите примеры.
4) С чем связано правило убывания числа организмов на каждом следующем уровне в цепи питания? Встречаются ли нарушения этого правила?
5) Будет ли сохраняться устойчивость сообщества, если продукция данного трофического уровня превысит пищевые потребности следующего уровня?
6) Что такое трофический уровень? Как изменяется энергия при переходе от одного уровня к другому?
7) Что такое пирамида Ч.Элтона? Каких видов бывают экологические пирамиды?
8) Что такое продуктивность? Чем отличаются валовая, чистая, первичная и вторичная продуктивности?
9) Почему эффективность продуцирования для природных экосистем ниже, чем КПД многих двигателей? Каким техническим процессам должны соответствовать траты на дыхание?
10) Каковы перспективы повышения продуктивности агроэкосистем? Что получится, если затраты на поддержание высокой продуктивности превысят отдачу?
Практическое занятие 7