Az emberek évről évre egyre jobban kimerítik a bolygó erőforrásait. Nem meglepő, hogy a közelmúltban rendkívül fontossá vált annak felmérése, hogy egy adott biocenózis mennyi erőforrást tud biztosítani. Manapság az ökoszisztéma termelékenysége döntő jelentőségű a gazdálkodás módjának megválasztásakor, hiszen a munka gazdasági megvalósíthatósága közvetlenül függ az elérhető termelés mennyiségétől.
Íme a fő kérdések, amelyekkel ma a tudósok szembesülnek:
- Mennyi napenergia áll rendelkezésre, és mennyit asszimilálnak a növények, hogyan mérik?
- Mely ökoszisztémák a legtermékenyebbek és a legtöbb elsődleges termelést termelik?
- Milyen tényezők korlátozzák az elsődleges termelést helyi és globális szinten?
- Milyen hatásfokkal alakítják át a növények az energiát?
- Mi a különbség a hatékonyság közöttasszimiláció, tisztább termelés és környezeti hatékonyság?
- Miben különböznek az ökoszisztémák a biomassza vagy az autotróf élőlények mennyisége tekintetében?
- Mennyi energia áll az emberek rendelkezésére, és mennyit használunk?
Megpróbálunk legalább részben válaszolni rájuk jelen cikk keretein belül. Először is foglalkozzunk az alapfogalmakkal. Tehát az ökoszisztéma termelékenysége a szerves anyag bizonyos térfogatban történő felhalmozódásának folyamata. Milyen szervezetek felelősek ezért a munkáért?
Autotrófok és heterotrófok
Tudjuk, hogy egyes organizmusok képesek szerves molekulákat szintetizálni szervetlen prekurzorokból. Autotrófoknak nevezik őket, ami azt jelenti, hogy „öntáplálás”. Valójában az ökoszisztémák termelékenysége tevékenységeiktől függ. Az autotrófokat őstermelőknek is nevezik. Azok az élőlények, amelyek egyszerű szervetlen anyagokból (víz, CO2) képesek összetett szerves molekulákat előállítani, legtöbbször a növények osztályába tartoznak, de bizonyos baktériumok is rendelkeznek ezzel a képességgel. Azt a folyamatot, amellyel szerves anyagokat szintetizálnak, fotokémiai szintézisnek nevezik. Ahogy a neve is sugallja, a fotoszintézishez napfényre van szükség.
Meg kell említenünk a kemoszintézis néven ismert útvonalat is. Egyes autotrófok, főleg speciális baktériumok, napfény nélkül képesek a szervetlen tápanyagokat szerves vegyületekké alakítani. A kemoszintetikus anyagoknak több csoportja vanbaktériumok a tengerben és édesvízben, és különösen gyakoriak a magas kénhidrogén- vagy kéntartalmú környezetben. A klorofillt hordozó növényekhez és más fotokémiai szintézisre képes élőlényekhez hasonlóan a kemoszintetikus szervezetek is autotrófok. Az ökoszisztéma termelékenysége azonban inkább a növényzet tevékenysége, hiszen ő a felelős a szerves anyagok több mint 90%-ának felhalmozódásáért. A kemoszintézis ebben aránytalanul kisebb szerepet játszik.
Eközben sok élőlény csak más élőlények fogyasztásával juthat hozzá a szükséges energiához. Heterotrófoknak nevezik őket. Ide tartoznak elvileg ugyanazok a növények (kész szerves anyagokat is „esznek”), állatok, mikrobák, gombák és mikroorganizmusok. A heterotrófokat "fogyasztóknak" is nevezik.
A növények szerepe
Általában a "termelékenység" szó ebben az esetben a növények azon képességére utal, hogy bizonyos mennyiségű szerves anyagot tárolnak. És ez nem meglepő, hiszen csak a növényi szervezetek képesek szervetlen anyagokat szerves anyagokká alakítani. Nélkülük maga az élet lehetetlen lenne bolygónkon, ezért az ökoszisztéma termelékenységét ebből az álláspontból tekintjük. Általánosságban elmondható, hogy a kérdés rendkívül egyszerű: mennyi szerves anyagot tudnak tárolni a növények?
Mely biocenózisok a legtermékenyebbek?
Furcsa módon, de az ember által előállított biocenózisok messze nem a legproduktívabbak. Dzsungelek, mocsarak, nagy trópusi folyók szelva ebből a szempontbólmessze előrébb járnak. Ezenkívül ezek a biocenózisok hatalmas mennyiségű mérgező anyagot semlegesítenek, amelyek ismét az emberi tevékenység eredményeként kerülnek a természetbe, és a bolygónk légkörében lévő oxigén több mint 70% -át is termelik. Egyébként sok tankönyv még mindig azt állítja, hogy a Föld óceánjai a legtermékenyebb „kenyérkosár”. Furcsa módon, de ez az állítás nagyon távol áll az igazságtól.
Ocean Paradox
Tudja, hogy mihez képest a tengerek és óceánok ökoszisztémáinak biológiai termelékenysége? Félsivatagokkal! A nagy mennyiségű biomassza azzal magyarázható, hogy a bolygó felszínének nagy részét vízterületek foglalják el. Tehát a tengerek, mint az egész emberiség fő tápanyagforrásaként megjósolt hasznosítása a következő években aligha lehetséges, hiszen ennek gazdasági megvalósíthatósága rendkívül alacsony. Az ilyen típusú ökoszisztémák alacsony termelékenysége azonban semmiképpen sem von le az óceánok fontosságából minden élőlény életében, ezért a lehető leggondosabb védelmet kell biztosítani számukra.
A modern környezetvédők szerint a mezőgazdasági területek lehetőségei még korántsem merültek ki, és a jövőben még bőségesebb termést tudunk belőlük szerezni. Különös reményeket fűznek a rizsföldekhez, amelyek egyedülálló tulajdonságaik miatt hatalmas mennyiségű értékes szerves anyagot termelhetnek.
Alapvető információk a biológiai rendszerek termelékenységéről
Az ökoszisztéma általános termelékenységeegy adott biocenózisban a fotoszintézis és a szerves anyagok felhalmozódásának sebessége határozza meg. Az időegység alatt keletkező szerves anyag tömegét elsődleges termelésnek nevezzük. Kétféleképpen fejezhető ki: vagy Joule-ban, vagy a növények száraz tömegében. A bruttó termelés a növényi szervezetek által meghatározott időegység alatt, a fotoszintézis folyamatának állandó sebessége mellett létrehozott térfogata. Emlékeztetni kell arra, hogy ennek az anyagnak egy része a növények létfontosságú tevékenységéhez megy. A maradék szerves anyag az ökoszisztéma nettó elsődleges termelékenysége. Ő megy etetni a heterotrófokat, köztük téged és engem.
Van-e „felső határa” az elsődleges termelésnek?
Röviden: igen. Vessünk egy pillantást arra, hogy elvileg mennyire hatékony a fotoszintézis folyamata. Emlékezzünk vissza, hogy a földfelszínt érő napsugárzás intenzitása nagymértékben függ a helytől: a maximális energiavisszaadás az egyenlítői zónákra jellemző. A pólusokhoz közeledve exponenciálisan csökken. A napenergia hozzávetőleg felét a jég, hó, óceánok vagy sivatagok tükrözik vissza, és a légkörben lévő gázok elnyelik. Például a légkör ózonrétege szinte az összes ultraibolya sugárzást elnyeli! A növények leveleit érő fénynek csak a fele kerül felhasználásra a fotoszintézis reakciójában. Tehát az ökoszisztémák biológiai termelékenysége a napenergia jelentéktelen részének átalakításának eredménye!
Mi az a másodlagos termelés?
Ennek megfelelően a másodlagos termékek úna fogyasztók (vagyis a fogyasztók) növekedése egy bizonyos ideig. Természetesen az ökoszisztéma termelékenysége jóval kisebb mértékben múlik rajtuk, de ez a biomassza tölti be a legfontosabb szerepet az emberi életben. Meg kell jegyezni, hogy a másodlagos szerves anyagokat minden egyes trofikus szinten külön számítják ki. Így az ökoszisztéma termelékenységének típusai két típusra oszthatók: elsődleges és másodlagos.
Elsődleges és másodlagos termelés aránya
Ahogy sejtheti, a biomassza és a teljes növényi tömeg aránya viszonylag alacsony. Ez a szám még a dzsungelben és a mocsarakban is ritkán haladja meg a 6,5%-ot. Minél több lágyszárú növény található a közösségben, annál nagyobb a szervesanyag-felhalmozódás mértéke, és annál nagyobb az eltérés.
A szerves anyagok képződésének sebességéről és mennyiségéről
Általánosságban elmondható, hogy az elsődleges eredetű szerves anyagok képződésének határsebessége teljes mértékben függ a növények fotoszintetikus apparátusának (PAR) állapotától. A fotoszintézis hatékonyságának laboratóriumi körülmények között elért maximális értéke a PAR érték 12%-a. Természetes körülmények között az 5%-os érték rendkívül magasnak számít, és gyakorlatilag nem fordul elő. Úgy tartják, hogy a Földön a napfény asszimilációja nem haladja meg a 0,1%-ot.
Elsődleges gyártási forgalmazás
Meg kell jegyezni, hogy a természetes ökoszisztéma termelékenysége rendkívül egyenlőtlen az egész bolygón. Az évente képződő összes szerves anyag össztömegeA Föld felszíne körülbelül 150-200 milliárd tonna. Emlékszel, mit mondtunk fent az óceánok termelékenységéről? Tehát ennek az anyagnak a 2/3-a szárazföldön képződik! Képzeld csak el: a hidroszféra gigantikus, hihetetlen térfogatai háromszor kevesebb szerves anyagot képeznek, mint a szárazföld egy apró része, amelynek nagy része sivatag!
A felhalmozott szerves anyagok több mint 90%-a ilyen vagy olyan formában kerül felhasználásra heterotróf szervezetek táplálékul. A napenergiának csak elenyésző töredéke raktározódik talajhumusz formájában (valamint a még ma is képződő olaj és szén formájában). Hazánk területén az elsődleges biológiai termelés növekedése a hektáronkénti 20 centnertől (a Jeges-tenger közelében) a Kaukázusban több mint 200 centnerig terjed. Sivatagi területeken ez az érték nem haladja meg a 20 c/ha értéket.
Világunk öt meleg kontinensén elvileg gyakorlatilag megegyezik a termelés intenzitása, majdnem: Dél-Amerikában a növényzet a kiváló éghajlati viszonyok miatt másfélszer több szárazanyagot halmoz fel. Ott a természetes és mesterséges ökoszisztémák termelékenysége maximális.
Mi táplálja az embereket?
Bolygónk felszínén hozzávetőleg 1,4 milliárd hektáron kultúrnövények ültetvényei találhatók, amelyek táplálékkal látnak el bennünket. Ez a bolygó összes ökoszisztémájának körülbelül 10%-a. Furcsa módon, de a kapott termékeknek csak a fele kerül közvetlenül az emberi táplálékba. Minden mást állateledelnek használnak, és el is megyaz ipari termelés szükségletei (nem az élelmiszertermékek előállításával kapcsolatosak). A tudósok már régóta kongatják a vészharangot: bolygónk ökoszisztémáinak termelékenysége és biomasszája az emberiség fehérjeszükségletének legfeljebb 50%-át képes biztosítani. Egyszerűen fogalmazva, a világ népességének fele krónikus fehérjeéhezésben él.
Biocenózisok-rekorderek
Amint azt már említettük, az egyenlítői erdőket a legmagasabb termőképesség jellemzi. Gondoljunk csak bele: egy ilyen biocenózis egy hektárjára több mint 500 tonna szárazanyag hullhat! És ez messze van a határtól. Brazíliában például egy hektár erdő 1200-1500 tonna (!) szerves anyagot termel évente! Gondoljunk csak bele: négyzetméterenként akár két centner szervesanyag is van! Ugyanazon a területen a tundrában legfeljebb 12 tonna képződik, a középső öv erdeiben pedig 400 tonnán belül. A mezőgazdasági vállalkozások ezeken a részeken aktívan használják ezt: a mesterséges ökoszisztéma termelékenységét cukor formájában nádtábla, amely hektáronként akár 80 tonna szárazanyagot is felhalmozhat, fizikailag sehol máshol nem tud ekkora hozamot produkálni. Az Orinoco- és a Mississippi-öböl, valamint Csád egyes területei azonban alig különböznek tőlük. Itt egy éven keresztül az ökoszisztémák akár 300 tonna anyagot is „kiadnak” hektáronként!
Eredmények
Így a termelékenység értékelését az elsődleges anyag alapján kell elvégezni. A helyzet az, hogy a másodlagos termelés ennek az értéknek nem több, mint 10%-a, értéke erősen ingadozik, ezért részletes elemzésez a mutató egyszerűen lehetetlen.
