1. Продуктивность и динамика экосистем.2.Человек и экосистемы.

Одно из важнейших свойств организмов, их популяций и экосистем в целом – способность создавать органическое вещество, которое называют продукцией. Образование продукции в единицу времени (час, сутки, год) на единице площади (метры квадратные, гектар) или объёма (в водных экосистемах), выраженное в единицах массы (граммы, килограммы, тонны), характеризует продуктивность экосистем. Продуктивность экологической системы - это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое затем может быть использовано в качестве пищи. Различают разныеуровни продуцирования , на которых создаётся первичная и вторичная продукция. Органическое вещество, создаваемое продуцентами в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, называютпервичной продукцией экосистемы (сообщества) . Количественно её выражают в сырой или сухой массе растений или в энергетических единицах – эквивалентном числе джоулей. Первичной продукцией определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы. Теоретическая возможная скорость создания первичной биологической продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. Первичная продукция подразделяется как бы на два уровня – валовую и чистую продукцию. Скорость, с которой растения накапливают химическую энергию, называетсяваловой первичной продуктивностью (ВВП). Около20% этой энергии расходуется растениями на дыхание и фотодыхание. Скорость накопления органического вещества, за вычетом этого расхода называетсячистой первичной продуктивностью (ЧПП), это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами, называетсявторичной продукцией. Вторичную продукцию вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост массы на каждом из них происходит за счёт энергии, поступающей с предыдущего. Наряду с продукцией различаютбиомассу организма, групп организмов или экосистем в целом. Под ней понимаютвсё живое вещество, которое содержится в экосистеме или её элементах вне зависимости от того, за какой период она образовалась и накопилась. Первичная продукция биосферы Земли оценивается в 170 млрд. т, а вторичная – в 4 млрд. т сухого органического вещества в год. В климатических поясах среди природных экосистем преобладают те, которые получают энергию только от Солнца. К природным энергетически дотируемым (т.е. получающим дополнительную энергию) экосистемам относятся эстуарии, дельты и поймы рек, а также некоторые болота. К ним относятся также агроэкосистемы и аквакультуры, одновременно культивируемые человеком и получающие энергию Солнца. Особую категорию составляют промышленно-городские экосистемы, функционирующие с использованием только энергии топлива. Питание людей большей частью обеспечивается сельскохозяйственными культурами, занимающими около 10% площади суши. Всего человек потребляет около 0,2% первичной продукции Земли. Особенно трудно обеспечить население вторичной продукцией. В рацион человека должно входить не менее 30 г белков в день. Следовательно, увеличение биологической продуктивности экосистем и особенно вторичной продукции является одной из основных задач, стоящих перед человечеством. Многообразные изменения, происходящие в любом сообществе, относят к двум основным типам: циклические и поступательные.Периодически повторяющуюся динамику называют циклическими изменениями или флуктуациями, а направленную динамику именуют поступательной или развитием экосистем. Циклические изменения сообществ отражают суточную, сезонную и многолетнюю периодичность внешних условий и проявления эндогенных ритмов организмов.Многолетняя цикличность проявляется благодаря флуктуациям климата.Флюктуация (от лат. fluctuatio – колебания) – сравнительно краткосрочные изменения, когда сообщества без смены флористического состава отклоняются от некоего среднего состояния вследствие сезонных и погодных изменений климата, а также изменения динамики животного компонента экосистемы либо способов их использования.Поступательные изменения в экосистеме приводят в конечном итоге к смене одного биоценоза другим, с иным набором господствующих видов.Последовательная смена одного биоценоза другим называется экологической сукцессией . Последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называетсясукцессионной серией . По Ф. Клементсону (1916), процесс сукцессии состоит из следующих этапов: 1. Возникновение не занятого жизнью участка. 2. Миграции на него различных организмов или их зачатков. 3. Приживание их на данном участке. 4. Конкуренции их между собой и вытеснение отдельных видов. 5. Преобразование живыми организмами местообитания, постепенной стабилизации условий и отношений. Сукцессии со сменой растительности могут быть первичными и вторичными.Первичной сукцессии называется процесс развития в смены экосистем на незаселённых ранее участках, начинающихся с их колонизации.Вторичная сукцессия – это восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории. Вторичные сукцессии совершаются, как правило, быстрее и легче, чем первичные, так как в нарушенном местообитании сохраняется почвенный профиль, семена, зачатки и часть прежнего населения и прежних связей. Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены её состава не происходит. Такое равновесное состояние называют –климаксом , а экосистему –климаксовой . Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию называетсягомеостазом . Человек в конкурентной борьбе за выживание в природной окружающей среде начал строить свои искусственные антропогенные экосистемы.

Агроэкосистемы создаются человеком для повышения высокого урожая – чистой продукции автотрофов. Упрощение природного окружения человека, с экологических позиций очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умножать его многообразие, оставляя не тронутые заповедные участки, которые могли бы быть источником видов для восстанавливающихся и сукцессионных рядов сообщества.

Литература: 1. Коробкин В.И. и др. Экология. – М., 2003. с.130-150.2. Николайкин Н.И. и др. Экология. – М., 2004. с.155-163, 171-180.3. Аскарова М.А. Общая экология. – Алматы, 2004. с. 86-94.4. Степановских А.С. Общая экология. – М., 1999. с. 404-419.

Продуктивность экосистем тесно связана с потоком энергии, проходящим через ту или иную экосистему. В каждой экосистеме часть приходящей энергии, попадающей в трофическую сеть, накапливается в виде органических соединений. Безостановочное производство биомассы (живой материи) - один из фундаментальных процессов биосферы. Органическое вещество, создаваемое продуцентами в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, называют первичной продукцией экосистемы (сообщества). Количественно ее выражают в сырой или сухой массе растений или в энергетических единицах -эквивалентном числе ккалорий или джоулей. Первичной продукцией определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы, а следовательно, и биомасса живых организмов, которые могут существовать в экосистеме (рис. 12.33).

Теоретически возможная скорость создания первичной биологической продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. А как известно, лишь часть энергии света, получаемой зеленой поверхностью, может быть использована растениями. Из коротковолнового излучения Солнца только 44\% относится к фотосинтетически активной радиации (ФАР) - свет по длине волны, пригодный для фотосинтеза.

Скорость накопления органического вещества за вычетом этого расхода называется чистой первичной продуктивностью (ЧПП). Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами, называется вторичной продукцией. Вторичную продукцию вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост массы на каждом из них происходит за счет энергии, поступающей с предыдущего. Гетеротрофы, включаясь в трофические цепи, в конечном итоге живут за счет чистой первичной продукции сообщества. Полнота ее расхода в разных экосистемах различна. Постеленное увеличение общей биомассы продуцентов отмечается, если скорость изъятия первичной продукции в цепях питания отстает от темпов прироста растений.

Мировое распределение первичной биологической продукции весьма неравномерно. Чистая продукция меняется от 3000 г/м2/год до нуля в экстрааридных пустынях, лишенных растений, или в условиях Антарктиды с ее вечными льдами на поверхности суши, а запас биомассы - соответственно от 60 кг/м2 до нуля. Р. Уиттекер (1980) делит по продуктивности все сообщества на четыре класса.

1. Сообщества высшей продуктивности, 3000-2000 г/м2/год. Сюда относятся тропические леса, посевы риса и сахарного тростника. Запас биомассы в этом классе продуктивности весьма различен и превышает 50 кг/м2 в лесных сообществах и равен продуктивности у однолетних сельскохозяйственных культур.

2. Сообщества высокой продуктивности, 2000-1000 г/м2/год. В этот класс включены листопадные леса умеренной полосы, луга при применении удобрений, посевы кукурузы. Максимальная биомасса приближается к биомассе первого класса. Минимальная биомасса соответственно равна чистой биологической продукции однолетних культур.

3. Сообщества умеренной продуктивности, 1000-250 г/м2/год. К этому классу относится основная масса возделываемых сельскохозяйственных культур, кустарники, степи. Биомасса степей меняется в пределах 0,2-5 кг/м2.

4. Сообщества низкой продуктивности, ниже 250 г/м^год - пустыни, полупустыни (в отечественной литературе их называют чаще опустыненными степями), тундры.

Общая годовая продуктивность сухого органического вещества на Земле составляет 150-200 млрд т. Две трети его образуется на суше, третья часть - в океане.

Практически вся чистая первичная продукция Земли служит для поддержки жизни всех гетеротрофных организмов. Энергия, недоиспользованная консументами, запасается в их телах, гумусе почв и органических осадках водоемов. Питание людей большей частью обеспечивается сельскохозяйственными культурами, занимающими около 10 % площади суши. Годовой прирост культурных растений равен примерно 16\% всей продуктивности суши, большая часть которой приходится на леса.

Половина урожая идет непосредственно на питание людей, остальное - на корм домашним животным, используется в промышленности и теряется в отходах. Всего человек потребляет около 0,2\% первичной продукции Земли. Ресурсы, имеющиеся на Земле, включая продукцию животноводства и результаты промысла на суше и в океане, могут обеспечить ежегодно только 50\% потребностей современного населения Земли.

Следовательно, увеличение биологической продуктивности экосистем и особенно вторичной продукции является одной из основных задач, стоящих перед человечеством.

Изменения в экосистемах – 2 типа:

1. Циклические – отражают суточную, сезонную, многолетнюю периодичность (смена времени года, суток, и т. д.);

2. Поступательные – приводят к смене одного биоценоза другим, господствующим. Чаще всего данные изменения носят отрицательный характер (пример: постепенное загрязнение водоемов в результате мелиорации, что ведет к изменениям почвы – водоем высыхает и происходит смена биоценоза).

Последовательная смена одного биоценоза другим называется экологической сукцессией – неполным экологическим круговоротом в биоценозе.

Продуктивность экосистемы тесно связана с потоком энергии, проходящим через нее. Органическое вещество, создаваемое продуцентами в процессе фотосинтеза, называется первичной продукцией экосистем. Она выражается в калориях.

Калория – масса органического вещества, создаваемая продуцентами в единицу времени на единицу площади. Чем больше первичной продукции, тем продуктивнее экосистема.

В доисторическое время человек являлся частью биосферы. Его взаимодействие происходило через нее. Постепенно происходило выделение человека из природной среды и становление особой системы – социума. Для этой системы характерно наличие общественных формаций, образование общества, общественных отношений, общественного регулирования и хозяйственной деятельности.

В настоящее время человек занимает двойственное положение.

С одной стороны, человек является биологическим объектом и участвует в круговороте веществ; с другой стороны, человек формирует социальную систему, в которой есть свои культурные, бытовые, технические и другие а. То есть в жизнедеятельность человека по мере развития входит теория Вернадского.

Она заключается в том, что по мере развития человечества в определенное время должна наступить эпоха человеческого разума, то есть человек, руководствуясь знаниями, должен преобразовать биосферу с разумной точки зрения. По Вернадскому человек – это один из видов животного царства со сложной социальной организацией и трудовой деятельностью. Человек не может существовать в естественных условиях, как было раньше, поэтому он взаимодействует с окружающей средой и воздействует на нее.

Поэтому человек зависит от множества факт: например, на жизнедеятельность человека влияют холод, жара, засуха, суховей; на наследственность человека влияют миграции, мутации, естественный отбор. Рост популяции человека ограничен природными ресурсами, а также социально-экономическими и генетическими процессами.

Главная задача человечества – принять принцип экологического империтива, который означает, что выживание человека возможно только в том случае, если сохраняется жизнь на Земле.

Жизнь человека тесно связана с его здоровьем. Здоровье – это не только отсутствие болезней, а состояние полного физического, психологического и социального благополучия. Здоровье зависит от устойчивости энергопотенциала: чем больше мощность и емкость реализуемого энергопотенциала, а также эффективность его расходования, тем выше уровень здоровья.

Окружающая среда человека состоит из двух систем: природной и техногенной.

Она для человека – это комплекс условий, которые влияют на жизнедеятельность человека. Природная среда человека – это атмосфера, гидросфера, литосфера. Техногенная среда – здания, сооружения, заводы, фабрики, города, транспортные, строительные системы, и т. д.

Для нормальной жизнедеятельности человеческого организма необходимо удовлетворение потребностей, извлекаемое из окружающей среды. Все потребности человека удовлетворяются природными ресурсами.

Природные ресурсы – объекты и явления, которые человек использует для создания материальных благ, обеспечивающих не только поддержание своего существования, но и постепенное улучшение качества жизни. К природным объектам и явлениями относят тела и явления, используемые человеком как ресурсы.

Все природные ресурсы делятся по источникам происхождения на:

1. Биологические – все живые средообразующие компоненты биосферы (продуценты, редуценты, косументы).

2. Минеральные – все пригодные для употребления естественные составляющие литосферы, которые используются в хозяйстве как минеральное сырье или источник энергии.

3. Энергетические – совокупность энергии солнца и космоса (атомные энергоресурсы и т. п.).

По использованию природные ресурсы делят на:

1. Земельный фонд – все земли в пределах страны и мира (всего составляет 13, 4 млрд. гектар). З. ф. делится на категории:

А) сельскохозяйственного значения,

Б) земли населенных пунктов,

В) земли промышленности,

Г) земли транспорта,

Д) горные земли.

2. Лесной фонд – часть земельного фонда, на которой произрастает или может произрастать лес.

3. Водные ресурсы – количество подземных и поверхностных вод.

4. Полезные ископаемые – природное скопление минералов в земной коре.

Природные ресурсы делятся по исчерпаемости:

1. Неисчерпаемые – солнечная энергия (и вызванные ею природные силы),

2. Исчерпаемые.

Основным фактором, лимитирующим использование природные ресурсов человеком, является их ограниченность и исчерпаемость.

35.Продуктивность экологических систем. Наиболее продуктивные экосистемы Земного шара, их экологические проблемы.

Биологическая продукция – это количество биологического вещества, которое создано за единицу времени на единицу площади (гр/м², кг/м²).

Биологическая продукция:

Первичная (валовая); Вторичная (чистая).

Валовая продукция - это та продукция, которую создают растения в процессе фотосинтеза.

Чистая продукция – это та часть энергии, которая осталась после расходов на дыхание.

Средняя продуктивность экосистем земли не превышает 0,3кг/м². При переходе энергии с одного уровня на другой, теряется примерно 90% энергии, поэтому вторичная продукция в 20-50 раз меньше, чем первичная

Производительность экосистемы, измеряемая количеством органического вещества, которое создано за единицу времени на единицу площади, называется биологической продуктивностью. Единицы измерения продуктивности: г/м² в день, кг/м² в год, т/км ² в год.

Различают первичную биологическую продукцию, которую создают продуценты, и вторичную биологическую продукцию, которую создают консументы и редуценты.

Первичную продукцию подразделяют на: валовую – это общее количество созданного органического вещества, и чистую – это то, что осталось после расхода на дыхание и корневые выделения.

По продуктивности экосистемы делятся на четыре класса:

1.Экосистемы очень высокой биологической продуктивности – свыше 2 кг/м² в год. К ним относятся заросли тростника в дельтах Волги, Дона и Урала.

2.Экосистемы высокой продуктивности – 1-2 кг/м² в год. Это липово-дубовые леса, заросли рогоза или тростника на озере, посевы кукурузы.

3.Экосистемы средней биологической продуктивности – 0,25-1 кг/м² в год. К ним относятся сосновые, берёзовые леса, сенокосные луга, степи.

4.Экосистемы низкой биологической продуктивности – менее 0,25 кг/м² в год.

Это арктические пустыни, тундры, большая часть морских экосистем.

Средняя продуктивность экосистем земли составляет 0,3 кг/м² в год, т. е. на Земле преобладают средние и низкопродуктивные экосистемы.

При переходе с одного трофического уровня на другой теряется 90% энергии.

Примером повышенной продуктивности на стыках экосистем мо­гут служить переходные экосистемы между лесом и полем («опу­шечный эффект»), а в водных средах - экосистемы, возникающие в эстуариях рек (места впадения их в моря, океаны и озера и т. п.).

Этими же закономерностями во многом обусловливаются упо­минавшиеся выше локальные сгущения больших масс живого ве­щества (наиболее высокопродуктивные экосистемы).

Обычно в океане выделяют следующие сгущения жизни:

1. Прибрежные. Они располагаются на контакте водной и наземно-воздушной среды. Особенно высокопродуктивны экосистемы эстуариев. Протяженность этих сгущений тем значительнее, чем больше вынос реками органических и минеральных веществ с суши.

2. Коралловые рифы. Высокая продуктивность этих экосистем связана прежде всего с благоприятным температурным режимом, фильтрационным типом питания многих организмов, видовым бо­гатством сообществ, симбиотическими связями и другими факто­рами.

3. Саргассовые сгущения. Создаются большими массами плавающих водорослей, чаще всего саргассовых (в Саргассовом море) и филлофорных (в Черном море).

4. Апвеллинговые. Эти сгущения приурочены к районам океана, где имеет место восходя­щее движение водных масс от дна к поверхности (апвеллинг). Они несут много донных органических и минеральных отложений и в результате активного перемешивания хорошо обеспечены кисло­родом. Эти высокопродуктивные экосистемы являются одним из основных районов промысла рыб и других морепродуктов.

5. Рифтовые глубоководные (абиссальные) сгущения. Эти экосистемы были открыты только в 70-х годах настоящего столетия. Они уникальны по своей природе: существуют на больших глубинах (2-3 тыс. метров). Первичная продукция в них образуется только в результате процессов хемосинтеза за счет высвобождения энергии из сернистых соединений, поступающих из разломов дна (рифтов). Высокая продуктивность здесь обязана прежде всего благо­приятным температурным условиям, поскольку разломы одновременно являются очагами выхода из недр подогретых (термальных) вод. Это единственные экосистемы, не использующие солнечную энергию. Они живут за счет энергии недр Земли.

На суше к наиболее высокопродуктивным экосистемам (сгущениям живого вещества) относят: 1) экосистемы берегов морей и океанов в районах, хорошо обеспеченных теплом; 2) экосистемы пойм, периодически заливаемые водами рек, которые откладывают ил, а вместе с ним органические и биогенные вещества, 3) экосистемы небольших внутренних водоемов, бога­тые питательными веществами, а также 4) экосистемы тро­пических лесов. Продуктивность других экосистем видна из табл.3. Выше мы уже отмечали, что человек должен стремиться сохранить высокопродуктивные экосистемы - этот мощнейший каркас биосферы. Его разрушение связано с наиболее значительными отрицательными последствиями для всей биосферы.

Что касается вторичной (животной) продукции, то она заметно выше в океане, чем в наземных экосистемах. Это связано с тем, что на суше в звено консументов (травоядных) в среднем включается лишь около 10% первичной продукции, а в океане - до 50%. Поэтому, несмотря на более низкую первичную продуктивность океана, чем суши, по массе вторичной продукции эти экосистемы примерно равны.

В наземных экосистемах основную продукцию (до 50%) и особенно биомассу (около 90%) дают лесные экосистемы. Вместе с тем основная масса этой продукции поступает сразу в звено деструкторов и редуцентов. Для таких экосистем характерно преобладание детритных (за счет мертвого органического вещества) цепей питания. В травянистых экосистемах (луга, степи, прерии, саванны), как и в океане, значительно большая часть первичной продукции прижизненно отчуждается фитофагами (травоядными животными). Такие цепи носят название пастбищных или цепей выеданния.

Первичная и вторичная продукция. Скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию в химических связях синтезируемого органического вещества, определяет продуктивность сообществ. Органическую массу, создаваемую растениями за единицу времени, называют первичной продукцией сообщества. Продукцию выражают количественно в сырой или сухой массе растений либо в энергетических единицах - эквивалентном числе джоулей.

Валовая первичная продукция - количество вещества, создаваемого растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза. Часть этой продукции идет на поддержание жизнедеятельности самих растений (траты на дыхание). Эта часть может быть достаточно большой. В тропических лесах и зрелых лесах умеренного пояса она составляет от 40 до 70% валовой продукции. Планктонные водоросли используют на метаболизм около 40% фиксируемой энергии. Такого же порядка траты на дыхание у большинства сельскохозяйственных культур. Оставшаяся часть созданной органической массы характеризует чистую первичную продукцию, которая представляет собой величину прироста растений. Чистая первичная продукция - это энергетический резерв для консументов и редуцентов. Перерабатываясь в цепях питания, она идет на пополнение массы гетеротрофных организмов.

Прирост за единицу времени массы консументов - это вторичная продукция сообщества. Вторичную продукцию вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост массы на каждом из них происходит за счет энергии, поступающей с предыдущего.

Гетеротрофы, включаясь в трофические цепи, живут в конечном итоге за счет чистой первичной продукции сообщества.

В разных экосистемах они расходуют ее с разной полнотой. Если скорость изъятия первичной продукции в цепях питания отстает от темпов прироста растений, то это ведет к постепенному увеличению общей биомассы продуцентов. Под биомассой понимают суммарную массу организмов данной группы или всего сообщества в целом. Часто биомассу выражают в эквивалентных энергетических единицах.

Недостаточная утилизация продуктов опада в цепях разложения имеет следствием накопление в системе мертвого органического вещества, что происходит, например, при заторфовывании болот, зарастании мелководных водоемов, создании больших запасов подстилки в таежных лесах и т. п. Биомасса сообщества с уравновешенным круговоротом веществ остается относительно постоянной, так как практически вся первичная продукция тратится в цепях питания и разложения.

Правило пирамид. Экосистемы очень разнообразны по относительной скорости создания и расходования как чистой первичной продукции, так и чистой вторичной продукции на каждом трофическом уровне. Однако всем без исключения экосистемам свойственны определенные количественные соотношения первичной и вторичной продукции, получившие название правила пирамиды продукции: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем. Графически это правило выражают в виде пирамид, суживающихся кверху и образованных поставленными друг на друга прямоугольниками равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии в пищевых цепях.

Скорость создания органического вещества не определяет его суммарные запасы, т. ё. общую биомассу всех организмов каждого трофического уровня. Наличная биомасса продуцентов или консументов в конкретных экосистемах зависит от того, как соотносятся.между собой темпы накопления органического вещества на определенном трофическом уровне и передачи его на вышестоящий, т. е. насколько сильно выедание образовавшихся запасов. Немаловажную роль при этом играет скорость оборота генераций основных продуцентов и консументов.

В большинстве наземных экосистем действует также правило пирамиды биомасс, т. е. суммарная масса растений оказывается больше, чем биомасса всех фитофагов и травоядных, а масса тех, в свою очередь, превышает массу всех хищников. Отношение годового прироста растительности к биомассе в наземных экосистемах сравнительно невелико. В разных фитоценозах, где основные продуценты различаются по длительности жизненного цикла, размерам и темпам роста, это соотношение варьирует от 2 до 76%. Особенно низки темпы относительного прироста биомассы в лесах разных зон, где годовая продукция составляет лишь 2-6% от общей массы растений, накопленной в телах долгоживущих крупных деревьев. Даже в наиболее продуктивных дождевых тропических лесах эта величина не превышает 6,5%. В сообществах с господством травянистых форм скорость воспроизводства биомассы гораздо выше: годовая продукция в степях составляет 41-55%, а в травяных тугаях и эфемерно-кустарниковых полупустынях достигает даже 70-76%.

Отношение первичной продукции к биомассе растений определяет те масштабы выедания растительной массы, которые возможны в сообществе без подрыва его продуктивности. Относительная доля потребляемой животными первичной продукции в травянистых сообществах выше, чем в лесах. Копытные, грызуны, насекомые-фитофаги в степях используют до 70% годового прироста растений, тогда как в лесах в среднем не более 10%. Однако возможные пределы отчуждения растительной массы животными в наземных сообществах не реализуются полностью и значительная часть ежегодной продукции поступает в опад.

В океанах, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью оборота генераций, их годовая продукция в десятки и даже сотни раз может превышать запас биомассы. Вся чистая первичная продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей очень исало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества.

Для океана правило пирамиды биомасс недействительно, она имеет перевернутый вид. На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, так как длительность жизни крупных хищников велика, скорость оборота их генераций, наоборот, мала и в их телах задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.

Все три правила пирамид - продукции, биомассы и чисел - выражают в конечном итоге энергетические отношения в экосистемах, и если первые два проявляются в сообществах с определенной трофической структурой, то последнее (пирамида продукции) имеет универсальный характер.

Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют чрезвычайное практическое значение. Первичная продукция агроценозов и эксплуатации человеком природных сообществ - основной источник запасов пищи для человечества. Не менее важна и вторичная продукция, получаемая за счет сельскохозяйственных и промышленных животных, так как животные белки включают целый ряд незаменимых для людей аминокислот, которых нет в растительной пище. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы добиваться наибольшего выхода выгодной для человека продукции. Кроме того, необходимо хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы из природных систем, чтобы не подорвать их продуктивность. Подобные расчеты обычно очень сложны из-за методических трудностей и точнее всего выполнены для более простых водных экосистем. Примером энергетических соотношений в конкретном сообществе могут послужить данные, полученные для экосистем одного из озер (табл. 2). Отношение П/Б отражает скорость прироста.

В данном водном сообществе действует правило пирамиды биомасс, так как общая масса продуцентов выше, чем фитофагов, а доля хищных, наоборот, меньше. Наивысшая продуктивность характерна для фито- и бактериопланктона. В исследованном озере отношения их П/Б довольно низки, что говорит об относительно слабом вовлечении первичной продукции в цепи питания. Биомасса бентоса, основу которой составляют крупные моллюски, почти вдвое больше биомассы планктона, тогда как продукция во много раз ниже. В зоопланктоне продукция нехищных видов лишь ненамного выше рациона их потребителей, следовательно, пищевые связи планктона достаточно напряжены. Вся продукция нехищных рыб составляет лишь около 0,5% первичной продукции водоема, и, следовательно, рыбы занимают скромное место в потоке энергии в экосистеме озера. Тем не менее они потребляют значительную часть прироста зоопланктона и бентоса и, следовательно, оказывают существенное влияние на регулирование их продукции.

Описание потока энергии, таким образом, является фундаментом детального биологического анализа для установления зависимости конечных, полезных для человека продуктов от функционирования всей экологической системы в целом.

Распределение биологической продукции. Важнейшим практическим результатом энергетического подхода к изучению экосистем явилось осуществление исследований по Международной биологической программе, проводившихся учеными разных стран мира начиная с 1969 г. в целях изучения потенциальной биологической продуктивности Земли.

Теоретическая возможная скорость создания первичной биологической продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. Максимально достигаемый в природе КПД фотосинтеза 10-12% энергии ФАР, что составляет около половины от теоретически возможного. Такая скорость связывания энергии достигается, например, в зарослях джугары и тростника в Таджикистане в кратковременные, наиболее благоприятные периоды. КПД фотосинтеза в 5% считается очень высоким для фитоценоза. В целом по земному шару усвоение растениями солнечной энергии не превышает 0,1%, так как фотосинтетическая активность растений ограничивается множеством факторов.

Мировое распределение первичной биологической- продукции крайне неравномерно. Самый большой абсолютный прирост растительной массы достигает в среднем 25 г в день в очень благоприятных условиях, например в эстуариях рек и в. лиманах аридных районов, при высокой обеспеченности растений водой, светом и минеральным питанием. На больших площадях продуктивность автотрофов не превышает 0,1 г/м. Таковы жаркие пустыни, где жизнь лимитируется недостатком воды, полярные пустыни, где не хватает тепла, и обширные внутренние пространства океанов с крайним дефицитом питательных веществ. Общая годовая продукция сухого органического вещества на Земле составляет 150-200 млрд. т. Около трети его образуется в океанах, около двух третей - на суше. Почти вся чистая первичная продукция Земли служит для поддержания жизни всех гетеротрофных организмов. Энергия, недоиспользованная консументами, запасается в их телах, органических осадках водоемов и гумусе почв. .

Эффективность связывания растительностью солнечной радиации снижается при недостатке тепла и влаги, при неблагоприятных физических и химических свойствах почвы и т. п. Продуктивность растительности изменяется не только при переходе от одной климатической зоны к другой, но и в пределах каждой зоны. На территории СССР в зонах достаточного увлажнения первичная продуктивность увеличивается с севера на юг, с увеличением притока тепла и продолжительности вегетационного сезона. Годовой прирост растительности изменяется от 20 ц/га на побережье и островах Северного Ледовитого океана до более чем 200 ц/га на Черноморском побережье Кавказа. В среднеазиатских пустынях продуктивность падает до 20 ц/га.

Средний коэффициент использования энергии ФАР для всей территории СССР составляет 0,8%: от 1,8-2,0% на Кавказе до 0,1-0,2% в пустынях Средней Азии. В большинстве восточных районов страны, где менее благоприятны условия увлажнения, этот коэффициент составляет 0,4-0,8%, на европейской территории- 1,0-1,2%. КПД суммарной радиации примерно вдвое ниже.

Для пяти континентов мира средняя продуктивность различается сравнительно мало. Исключением является Южная Америка, на большей части которой условия для развития растительности очень благоприятны (табл. 3).

Питание людей обеспечивается в основном сельскохозяйственными культурами, занимающими примерно 10% площади суши (около 1,4 млрд. га). Общий годовой прирост культурных растений составляет около 16% от всей продуктивности суши, большая часть которой приходится на леса.

Примерно половина урожая идет непосредственно на питание людей, остальная часть - на корм домашним животным, используется в промышленности и теряется в отбросах. Всего человек потребляет около 0,2% первичной продукции Земли.

Растительная пища обходится для людей энергетически дешевле, чем животная. Сельскохозяйственные площади при рациональном использовании и распределении продукции могли бы обеспечить растительной пищей примерно вдвое большее население Земли, чем существующее. Однако сельскохозяйственное производство нуждается в большой затрате труда и капиталовложениях. Особенно трудно обеспечить население вторичной продукцией. В рацион человека должно входить не менее 30 г белков в день. Имеющиеся на Земле ресурсы, включая продукцию животноводства и результаты промысла на суше и в океане, могут обеспечить ежегодно лишь около 50% потребностей современного населения Земли.

Существующие ограничения, накладываемые масштабами вторичной продуктивности, усиливаются несовершенством социальных систем распределения. Большая часть населения Земли находится, таким образом, в состоянии хронического белкового голодания, а значительная часть людей страдает также и от общего недоедания.

Таким образом, увеличение биологической продуктивности экосистем и особенно вторичной продукции является одной из основных задач, стоящих перед человечеством.

Продуктивность водных экосистем

Продуктивность водных экосистем неодинакова и в значительной степени определяется доступностью определенных питательных веществ.

В пределах эвфотической зоны свет не является лимитирующим фактором, поскольку в прозрачной среде фитопланктон распределяется во всей толще эвфотической зоны, а в мутной он концентрируется ближе к поверхности воды, где интенсивность света выше. Не оказывает существенного влияния на продуктивность морских экосистем и температура воды, чем и объясняется тот факт, что в холодных водах умеренной зоны продуктивность фитопланктона такая же, как и в теплых водах Индийского океана или Карибского моря.

Поскольку доступность минеральных веществ уменьшается в направлении от континента в открытый океан, то в этом же направлении уменьшается и продуктивность. Так, в прибрежных мелководных заливах (эстуариях) она составляет $2000 \ г/ м^2$ в год, в районе шельфа - $500 \ г/ м^2$ в год и менее $100 \ г/ м^2$ в год - в открытом океане, или соответственно $10,5 \ и \ 2.1 \ МДж/ м^2$ в год.

Продуктивность наземных экосистем

Средняя продуктивность наземных местообитаний (без учета площади полярпых ледниковых шапок) составляет около $1000 \ г/ м^2$ в год ($16.38 \ Мдж / м^2$ в год), что соответствует ассимиляции примерно 0,3 % световой энергии. Вместе с тем разнообразие наземных местообитаний является причиной их неодинаковой продуктивпости. Благоприятное сочетание интенсивности солнечного света, тепла, влаги делает тропики наиболее продуктивными экосистемами - в среднем около $5000 \ г/ м^2$ в год. Продуктивность экосистем умеренных и арктических областей суши снижается вследствие низких температур и длинных ночей зимой. Недостаток влаги ограничивает продукцию растений в засушливых областях. Продуктивность экосистем указанных зон колеблется в пределах $100 - 500 \ г/ м^2$ в год.

Наиболее продуктивны на суше экосистемы болот и дельт рек. В тропических болотах она достигает $7000 \ г/ м^2$ в год, а в болотах умеренной зоны - $4000 \ г/ м^2$ 3 год. Высокая продуктивность болот объясняется тем, что корни болотных растений постоянно находятся в воде, а листья - на свету и в воздухе, благодаря чему они одновременно пользуются благами как водной, так и наземной сред.

Продуктивностъ возделываемых человеком земель (агроэкосистем) обычно несколько ниже природных экосистем этой же зоны, что связано с сокращением времени (вегетации) создания продукции. Кроме того, в сельскохозяйственных экосистемах возделывается ограниченный набор культур, которые не так эффективно используют ресурсы среды (свет, влагу, питательные вещества), как виды природных экосистем.

Пример 1

Чистая первичная продукция выращиваемых в умеренной зоне зерновых культур (пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза),картофеля, сена колеблется от $250 \ до \ 500 \ г/ м^2$ в год ($5.25- 10.5 \ МА, \ к/ м^2$ в год), а продуктивность сахарной свеклы обычно вдвое выше, для сравнения заметим, что продуктивность лесов в этой зоне колеблется от $600 \ до \ 2500 \ г/ м^2$ в год ($37.8 525.0 \ МДж/ м^2$ в год), а степей - $150 - 1500 \ г/ м^2$ в год.

Продуктивность всех возделываемых земель варьируется от $100 \ до \ 4000 \ г/ м^2$ в под в зависимости от выращиваемой культуры, что в среднем составляет $650 \ г/ м^2$ в год, или $13,65 \ МДж/ м^2$ в год.

Искусственное орошение и внесение удобрений могут повысить урожаи сельскохозяйственных культур в 3-4 раза по сравнению со средними величинами для всего мира. Так, продукция сахарного тростника – культуры, широко распространенной в тропическом земледелии. - составляет в среднем $1700 \ г/ м^2$ в год. При интенсивной же его культуре продуктивность увеличивается вдвое.