Вопрос 10. Схема трофической цепи
Совокупность организмов, которые получают фиксированную в органическом веществе энергию через одинаковое число посредников, представляет один трофический уровень.
Различают следующие трофические уровни:
-первый уровень – продуценты-автотрофы (количество посредников в потреблении энергии равно нулю). Зеленые растения (продуценты) превращают в процессе фотосинтеза световую энергию в энергию химических связей органических соединений;
-второй уровень – консументы-фитофаги - травоядные (посредником в потреблении энергии Солнца являются растения);
-третий уровень – консументы-зоофаги первого порядка – хищники или плотоядные (посредников в потреблении энергии Солнца два – растения и фитофаги);
-четвертый уровень – консументы-зоофаги второго порядка (посредников в потреблении энергии Солнца три – растения, фитофаги, консументы первого порядка).
При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов, детритофагов), третий (хищников первого порядка) и так далее значительное ее количество рассеивается и снижается ее качество. Поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой составляет 7-10%. После смерти животного, в теле которого энергия зафиксирована в энергии химических связей органических соединений, она будет использована редуцентами, и происходит полное ее рассеивание.
Классификация трофических цепей:
1. Наземные (например: трава – кролик – лисица; лист дерева – тля – божья коровка). В наземной экосистеме цепь замыкают крупные хищники (лиса, волк, орел).
2. Водные (например: фитопланктон – рачки-дафния – плотва – щука). В водной экосистеме солнечная энергия усваивается водорослями, ими питаются консументы-фитофаги (дафния, толстолобик, ондатра), цепь замыкается крупными хищниками (щука, сом, судак).
3. Полная (применительно к сельскому хозяйству). Пример: клевер – корова – человек.
4. Укороченная (применительно к сельскому хозяйству). Примеры: картофель – человек; яблоко – человек. Полная и укороченная пищевые цепи замыкаются человеком.
5. Детритная – в ней участвуют детритофаги, использующие мертвое органическое вещество, и редуценты (примеры: листовой опад – червь – воробей – ястреб; труп животного - личинки мух – падальщик – травоядная лягушка – уж).
6. Сложная – действительная картина трофической структуры сложная: одно и то же растение может быть съедено разными травоядными животными (корова, овца, лось, гусеница, заяц, белка и др.), а они, в свою очередь, стать жертвами разных хищников (гусеницу может съесть насекомоядная птица, паук, жук и др.). Сложная пищевая цепь представляет собой пищевую сеть.
Экологические пирамиды
Трофическую структуру можно представить графически в виде пирамиды, основанием которой служит первый трофический уровень, а последующие образуют этажи и вершину пирамиды.
Различают три основных типа экологических пирамид - пирамиды чисел, биомассы и энергии. Пирамиды чисел и биомассы в водных системах из-за нарушения масштабов и скорости образования фито- и зоопланктонов могут быть перевернутыми. Пирамиды энергии перевернутыми не бывают.
Биологическая продуктивность экосистем.
Источник: методичка «Остров», лекция 4.
Ответ:
Автотрофные экосистемы, используя энергию Солнца, углекислый газ и минеральные вещества, производят различные органические вещества – древесину, листья, плоды, т.е. живую биомассу. Производительность экосистемы измеряется количеством органического вещества, которое создано за единицу времени на единице площади, и называется биологической продуктивностью.
Общая годовая продукция сухого органического вещества на планете составляет 150-200 миллиардов тонн. В океане образуется 1/3 этой продукции, на суше – 2/3. Почти вся чистая первичная продукция планеты служит для поддержания жизни гетеротрофов. Неиспользуемая консументами энергия запасается в их телах, в органических осадках водоемов, в гумусе почвы.
Различают первичную, валовую, чистую, вторичную продукцию сообществ.
Биологическая продукция измеряется количеством сухой или сырой массы органического вещества (растений), производимого в единицу времени на единицу площади (т/га в год, г/м 2 в день) или в энергетических единицах – эквивалентном числе джоулей.
Растения создают первичную продукцию, вторичная продукция сообществ (создается гетеротрофами) – прирост за единицу времени массы консументов.. Вторичную продукцию вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост массы на каждом из них происходит за счет энергии, поступающей с предыдущего уровня. Гетеротрофы живут за счет чистой первичной продукции сообщества.
Первичная продукция подразделяется на валовую первичную продукцию – количество вещества, создаваемого растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза, то есть общая продукция фотосинтеза (расходуется на процессы жизнедеятельности, выделения, рост биомассы органического вещества), и чистую первичную продукцию – величина прироста растений (биомассы органического вещества).
При переходе с одного трофического уровня на другой, 90% энергии теряется. Поэтому количество вторичной биологической продукции в 20-50 раз меньше, чем первичной.
Продуктивность основных экосистем планеты показана в табл. 2 - 4.
Под биомассой понимают массу организма, организмов определенной группы, всего сообщества в целом или экосистемы. Под биомассой понимают всю живую органическую массу, которая содержится в экосистеме или ее элементах вне зависимости от того, за какой период она образовалась и накопилась. Различают фитомассу (массу живых растений), зоомассу, микробную массу, массу мертвого вещества. Также различают биомассу надземную, подземную, водную.
Продуктивность экологических систем за год
Экосистема Пло- щадь, млн км 2 Продуктивность растений, г/м 2 Общая про-дуктивность Пределы Сред-нее Расте-ний, млрд/т Живот-ных, млн/т Материковые экосистемы (в целом): 0-3500 Влажные тропические леса 1000-3500 37,4 Вечнозеленые леса умерен-ного пояса 600-2500 6,5 Листопадные леса умеренного пояса 600-2500 8,4 Тайга 400-2000 9,6 Саванна 200-2000 13,5 Тундры и высокогорье 10-400 1,1 Пустыни и полупустыни 10-250 1,6 Болота мангровые и низинные 800-3500 4,0 Озера и водотоки 100-1500 0,5 Культивируемые земли 100-3500 9,1 Морские экосистемы (в целом) 2-2400 55,0 Открытый океан 2-400 41,5 Апвеллинги 0,4 400-1000 0,2 Континентальный шельф 200-600 9,6 Заросли водорослей и рифы 0,6 500-4000 1,6 Эстуарии 1,4 200-3500 2,1 Средняя продуктивность биосферы 0-4000 170,0
Величина биомассы экосистемы зависит не столько от продуктивности, сколько от продолжительности жизни организмов и экосистемы. Большая биомасса характерна для лесных экосистем (тропические леса – 800-1000 т/га, леса умеренной зоны – 300-400 т/га), в травянистых сообществах ее значение составляет 3-5 т/га.
Обычно запас фитомассы выше запаса зоомассы, однако в водоемах запас зоомассы может быть выше, так как продолжительность жизни фитопланктона невелика, а рыбы живут несколько лет.
Продуктивность и биомасса экосистем материков и океанов планеты за год
Экосистемы Пло-щадь, млн км 2 Растения, млрд. т Животные, млрд т Продукция Биомасса Потреб-ление жи-вотными Про-дук-ция Био-масса т/га глоба- льная т/га глоба-льная Континентов 7,73 115,0 123,0 1837,0 7,8 0,909 1,005 Океана 1,52 55,0 0,1 3,9 20,2 3,045 0,997 Всего 3,33 170,0 3,6 28,0 3,934 2,002 Возделыва-емые земли 6,50 9,1 10,0 0,09 0,009 0,006
Продуктивность естественного растительного покрова
Часть света Средняя продуктивность, ц/га КПД ФАР Европа 1,26 Азия 0,88 Африка 0,59 Северная Америка 0,94 Южная Америка 1,13 Австралия и Океания 0,44
Для экосистем, состоящих из однолетних организмов (поле пшеницы, клевера), годичная продуктивность и биомасса практически совпадают. Для древесных сообществ они резко различаются.
Биомасса основных экосистем России следующая: леса – 20-30, болота – 3-10, сельскохозяйственные системы –0,4-6, луга и степи – 0,1-3, озера – 0,01-0,1 кг/м 2 .
Продуктивность экосистем определяется лимитирующими факторами: наличием воды, питательных веществ, интенсивностью солнечной радиации, способностью системы использовать биогенные вещества и др. Биологическая продуктивность снижается при загрязнении экосистемы антропогенными и природными выбросами. Высокие скорости продукции имеют место в экосистемах при поступлении в них дополнительной энергии извне (в лесных экосистемах это ветер и дождь, в заливах – прилив, на возделываемых полях – удобрения, полив, работа человека). Человек повышает продуктивность экосистемы, уменьшая влияние лимитирующих факторов: вносит удобрения, орошает землю, создает искусственное тепло (теплицы, парники), рационально использует почвенно-климатические условия.
По продуктивности, ЭС подразделяются на 4 группы:
· экосистемы очень высокой продуктивности – свыше 2 кг/м 2 в год (тропические леса, коралловые рифы, заросли тростника в дельтах Волги, Дона).
· экосистемы высокой продуктивности – 1-2 кг/м 2 в год (липово-дубовые леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озерах, посевы кукурузы и многолетних трав при орошении и внесении высоких доз удобрений).
· экосистемы умеренной продуктивности – 0,25-1 кг/м 2 в год (многие сельскохозяйственные посевы, сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера, морские луга из водорослей).
· экосистемы низкой продуктивности – менее 0,25 кг/м 2 в год (пустыни, тундра, горные степи, большая часть морских экосистем).