في كل عام ، يستنفد الناس موارد الكوكب أكثر فأكثر. ليس من المستغرب أن أصبح تقييم عدد الموارد التي يمكن أن يوفرها التكاثر الحيوي المعين مؤخرًا ذا أهمية كبيرة. تعد إنتاجية النظام البيئي اليوم ذات أهمية حاسمة عند اختيار طريقة الإدارة ، حيث أن الجدوى الاقتصادية للعمل تعتمد بشكل مباشر على كمية الإنتاج التي يمكن الحصول عليها.
إليكم الأسئلة الرئيسية التي يواجهها العلماء اليوم:
- ما هي كمية الطاقة الشمسية المتوفرة وكم تستوعبها النباتات ، كيف يتم قياسها؟
- ما هي أنواع النظم البيئية الأكثر إنتاجية والتي تنتج معظم الإنتاج الأولي؟
- ما هي العوامل التي تحد من الإنتاج الأولي محليًا وعالميًا؟
- ما هي كفاءة المحطات في تحويل الطاقة؟
- ما هي الاختلافات بين الكفاءةالاستيعاب والإنتاج الأنظف والكفاءة البيئية؟
- كيف تختلف النظم البيئية في كمية الكتلة الحيوية أو حجم الكائنات ذاتية التغذية؟
- ما مقدار الطاقة المتوفرة للناس وكم نستخدمها؟
سنحاول الإجابة عنها جزئيًا على الأقل في إطار هذه المقالة. أولاً ، لنتعامل مع المفاهيم الأساسية. لذا ، فإن إنتاجية النظام البيئي هي عملية تراكم المواد العضوية في حجم معين. ما هي الكائنات الحية المسؤولة عن هذا العمل؟
Autotrophs وغيرية التغذية
نعلم أن بعض الكائنات الحية قادرة على تصنيع الجزيئات العضوية من السلائف غير العضوية. يطلق عليهم اسم autotrophs ، وهو ما يعني "التغذية الذاتية". في الواقع ، تعتمد إنتاجية النظم البيئية على أنشطتها. يشار إلى Autotrophs أيضًا باسم المنتجين الأساسيين. غالبًا ما تنتمي الكائنات الحية القادرة على إنتاج جزيئات عضوية معقدة من مواد غير عضوية بسيطة (الماء وثاني أكسيد الكربون) إلى فئة النباتات ، لكن بعض البكتيريا لها نفس القدرة. تسمى العملية التي يصنعون بها المواد العضوية التخليق الكيميائي الضوئي. كما يوحي الاسم ، يتطلب التمثيل الضوئي ضوء الشمس.
يجب أن نذكر أيضًا المسار المعروف باسم التركيب الكيميائي. يمكن لبعض الكائنات ذاتية التغذية ، وهي بكتيريا متخصصة بشكل أساسي ، تحويل العناصر الغذائية غير العضوية إلى مركبات عضوية دون الوصول إلى ضوء الشمس. هناك عدة مجموعات من التركيب الكيميائيالبكتيريا الموجودة في البحر والمياه العذبة ، وهي شائعة بشكل خاص في البيئات التي تحتوي على نسبة عالية من كبريتيد الهيدروجين أو الكبريت. مثل النباتات الحاملة للكلوروفيل والكائنات الحية الأخرى القادرة على التخليق الكيميائي الضوئي ، فإن الكائنات الكيميائية التخليقية هي ذاتية التغذية. ومع ذلك ، فإن إنتاجية النظام البيئي هي بالأحرى نشاط الغطاء النباتي ، لأنها هي المسؤولة عن تراكم أكثر من 90 ٪ من المواد العضوية. يلعب التركيب الكيميائي دورًا أصغر بشكل غير متناسب في هذا
وفي الوقت نفسه ، لا تستطيع العديد من الكائنات الحية الحصول على الطاقة التي تحتاجها إلا من خلال تناول الكائنات الحية الأخرى. يطلق عليهم اسم غيرية التغذية. من حيث المبدأ ، تشمل هذه جميع النباتات نفسها (وهي أيضًا "تأكل" المواد العضوية الجاهزة) والحيوانات والميكروبات والفطريات والكائنات الحية الدقيقة. يُطلق على المتغايرين التغذية أيضًا اسم "المستهلكين".
دور النباتات
كقاعدة عامة ، تشير كلمة "إنتاجية" في هذه الحالة إلى قدرة النباتات على تخزين كمية معينة من المادة العضوية. وهذا ليس مفاجئًا ، لأن الكائنات الحية النباتية فقط هي التي يمكنها تحويل المواد غير العضوية إلى مواد عضوية. بدونها ، ستكون الحياة نفسها على كوكبنا مستحيلة ، وبالتالي يتم اعتبار إنتاجية النظام البيئي من هذا الموقف. بشكل عام ، السؤال بسيط للغاية: ما مقدار المادة العضوية التي يمكن للنباتات تخزينها؟
ما هي الكائنات الحية الأكثر إنتاجية؟
الغريب ، لكن التكاثر الحيوي من صنع الإنسان أبعد ما يكون عن كونه الأكثر إنتاجية. الأدغال والمستنقعات وسيلفا من الأنهار الاستوائية الكبيرة في هذا الصددأمامنا بفارق كبير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه التكاثر الحيوي هي التي تحيد كمية هائلة من المواد السامة ، التي تدخل الطبيعة مرة أخرى نتيجة للنشاط البشري ، وتنتج أيضًا أكثر من 70 ٪ من الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي لكوكبنا. بالمناسبة ، لا تزال العديد من الكتب المدرسية تنص على أن محيطات الأرض هي "سلة الخبز" الأكثر إنتاجية. الغريب لكن هذا البيان بعيد جدا عن الحقيقة
Ocean Paradox
هل تعرف ما هي مقارنة الإنتاجية البيولوجية للنظم البيئية للبحار والمحيطات؟ مع شبه الصحارى! تفسر الأحجام الكبيرة من الكتلة الحيوية من خلال حقيقة أن مساحات المياه هي التي تحتل معظم سطح الكوكب. لذا فإن الاستخدام المتكرر والمتوقع للبحار كمصدر رئيسي للمغذيات للبشرية جمعاء في السنوات القادمة يكاد يكون ممكناً ، لأن الجدوى الاقتصادية لذلك منخفضة للغاية. ومع ذلك ، فإن الإنتاجية المنخفضة لهذا النوع من النظام البيئي لا تنتقص بأي حال من الأحوال من أهمية المحيطات لحياة جميع الكائنات الحية ، لذلك يجب حمايتها بأكبر قدر ممكن من الدقة.
يقول دعاة حماية البيئة المعاصرون أن إمكانيات الأراضي الزراعية بعيدة عن أن تُستنفد ، وفي المستقبل سنتمكن من الحصول على محاصيل أكثر وفرة منها. يتم وضع آمال خاصة على حقول الأرز ، والتي يمكن أن تنتج كمية هائلة من المواد العضوية القيمة نظرًا لخصائصها الفريدة.
معلومات أساسية حول إنتاجية الأنظمة البيولوجية
الإنتاجية الشاملة للنظام البيئييتم تحديده من خلال معدل التمثيل الضوئي وتراكم المواد العضوية في تضخم حيوي معين. تسمى كتلة المادة العضوية التي يتم إنشاؤها لكل وحدة زمنية بالإنتاج الأولي. يمكن التعبير عنها بطريقتين: إما في الجول ، أو في الكتلة الجافة للنباتات. إجمالي الإنتاج هو الحجم الذي تم إنشاؤه بواسطة الكائنات النباتية في وحدة زمنية معينة ، بمعدل ثابت لعملية التمثيل الضوئي. يجب أن نتذكر أن جزءًا من هذه المادة سيذهب إلى النشاط الحيوي للنباتات نفسها. المادة العضوية المتبقية هي صافي الإنتاجية الأولية للنظام البيئي. هي التي تذهب لإطعام الكائنات غيرية التغذية ، والتي تشمل أنا وأنت.
هل هناك "حد أعلى" للإنتاج الأولي؟
باختصار ، نعم. دعونا نلقي نظرة سريعة على مدى كفاءة عملية التمثيل الضوئي من حيث المبدأ. تذكر أن شدة الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض تعتمد بشكل كبير على الموقع: الحد الأقصى لعودة الطاقة هو سمة من سمات المناطق الاستوائية. يتناقص أضعافا مضاعفة مع اقترابه من القطبين. ينعكس ما يقرب من نصف الطاقة الشمسية عن طريق الجليد أو الثلج أو المحيطات أو الصحاري ، وتمتصها الغازات في الغلاف الجوي. على سبيل المثال ، تمتص طبقة الأوزون في الغلاف الجوي جميع الأشعة فوق البنفسجية تقريبًا! يتم استخدام نصف الضوء الذي يصطدم بأوراق النباتات فقط في تفاعل البناء الضوئي. لذا فإن الإنتاجية البيولوجية للنظم البيئية هي نتيجة تحويل جزء ضئيل من طاقة الشمس!
ما هو الإنتاج الثانوي؟
وفقًا لذلك ، يتم استدعاء المنتجات الثانويةنمو المستهلكين (أي المستهلكين) لفترة زمنية معينة. بالطبع ، تعتمد إنتاجية النظام البيئي عليهم بدرجة أقل بكثير ، لكن هذه الكتلة الحيوية هي التي تلعب الدور الأكثر أهمية في حياة الإنسان. وتجدر الإشارة إلى أن المواد العضوية الثانوية يتم حسابها بشكل منفصل عند كل مستوى غذائي. وهكذا ، تنقسم أنواع إنتاجية النظام البيئي إلى نوعين: أولي وثانوي.
نسبة الإنتاج الأولي والثانوي
كما قد يتبادر إلى ذهنك ، فإن نسبة الكتلة الحيوية إلى إجمالي كتلة النبات منخفضة نسبيًا. ونادرًا ما يتجاوز هذا الرقم 6.5٪ حتى في الأدغال والمستنقعات. كلما زاد عدد النباتات العشبية في المجتمع ، زاد معدل تراكم المواد العضوية وزاد التباين.
حول معدل وحجم تكوين المواد العضوية
بشكل عام ، يعتمد المعدل المحدود لتكوين المادة العضوية ذات الأصل الأولي تمامًا على حالة جهاز التمثيل الضوئي للنباتات (PAR). أقصى قيمة لكفاءة التمثيل الضوئي ، والتي تم تحقيقها في ظروف المختبر ، هي 12٪ من قيمة PAR. في ظل الظروف الطبيعية ، تعتبر القيمة 5٪ عالية للغاية ولا تحدث عمليًا. يُعتقد أن امتصاص ضوء الشمس على الأرض لا يتجاوز 0.1٪.
توزيع الإنتاج الأولي
وتجدر الإشارة إلى أن إنتاجية النظام البيئي الطبيعي متفاوتة للغاية في جميع أنحاء الكوكب. الكتلة الإجمالية لجميع المواد العضوية التي تتكون سنويًاسطح الأرض حوالي 150-200 مليار طن. تذكر ما قلناه عن إنتاجية المحيطات أعلاه؟ إذن ، 2/3 من هذه المادة تتشكل على الأرض! فقط تخيل: كميات هائلة لا تصدق من الغلاف المائي تشكل مادة عضوية أقل بثلاث مرات من جزء صغير من الأرض ، وجزء كبير منه صحاري!
أكثر من 90٪ من المواد العضوية المتراكمة بشكل أو بآخر تستخدم كغذاء للكائنات غيرية التغذية. يتم تخزين جزء ضئيل فقط من الطاقة الشمسية في شكل دبال التربة (وكذلك النفط والفحم ، والتي يتم تشكيلها حتى اليوم). على أراضي بلدنا ، تتراوح الزيادة في الإنتاج البيولوجي الأولي من 20 سنتًا لكل هكتار (بالقرب من المحيط المتجمد الشمالي) إلى أكثر من 200 سنت لكل هكتار في القوقاز. في المناطق الصحراوية لا تتجاوز هذه القيمة 20 ج / هكتار
من حيث المبدأ ، في القارات الخمس الدافئة لعالمنا ، تكون كثافة الإنتاج متماثلة تقريبًا: في أمريكا الجنوبية ، يتراكم الغطاء النباتي مرة ونصف مرة أكثر من المادة الجافة ، بسبب الظروف المناخية الممتازة. هناك ، إنتاجية النظم البيئية الطبيعية والاصطناعية هي القصوى.
ما الذي يغذي الناس؟
ما يقرب من 1.4 مليار هكتار على سطح كوكبنا عبارة عن مزارع من النباتات المزروعة التي تمدنا بالغذاء. هذا ما يقرب من 10 ٪ من جميع النظم البيئية على هذا الكوكب. ومن الغريب أن نصف المنتجات الناتجة تذهب مباشرة إلى غذاء الإنسان. كل شيء آخر يستخدم كغذاء للحيوانات الأليفة ويذهب إلىاحتياجات الإنتاج الصناعي (لا تتعلق بإنتاج المنتجات الغذائية). دق العلماء ناقوس الخطر لفترة طويلة: لا يمكن أن توفر الإنتاجية والكتلة الحيوية للنظم البيئية لكوكبنا أكثر من 50٪ من احتياجات البشرية من البروتين. ببساطة ، يعيش نصف سكان العالم في ظروف مجاعة مزمنة للبروتين.
حاملي سجل Biocenoses
كما قلنا ، تتميز الغابات الاستوائية بأعلى إنتاجية. فقط فكر في الأمر: يمكن أن يسقط أكثر من 500 طن من المادة الجافة على هكتار واحد من مثل هذا التكاثر الحيوي! وهذا أبعد ما يكون عن الحد. في البرازيل ، على سبيل المثال ، ينتج هكتار واحد من الغابات ما بين 1200 إلى 1500 طن (!) من المواد العضوية سنويًا! فكر فقط: يوجد ما يصل إلى سنتان من المواد العضوية لكل متر مربع! في التندرا في نفس المنطقة ، لا يتشكل أكثر من 12 طنًا ، وفي غابات الحزام الأوسط - في حدود 400 طن. تستخدم المؤسسات الزراعية في تلك الأجزاء بنشاط: إنتاجية نظام بيئي اصطناعي في شكل سكر حقل القصب ، الذي يمكن أن يتراكم فيه ما يصل إلى 80 طنًا من المادة الجافة لكل هكتار ، ولا يمكن في أي مكان آخر أن ينتج مثل هذه المحاصيل فيزيائيًا. ومع ذلك ، فإن خلجان أورينوكو والميسيسيبي ، وكذلك بعض مناطق تشاد ، تختلف قليلاً عنهما. هنا ، لمدة عام ، "توزع" النظم البيئية ما يصل إلى 300 طن من المواد لكل هكتار من المنطقة!
النتائج
وبالتالي ، يجب إجراء تقييم الإنتاجية على أساس المادة الأولية. الحقيقة أن الإنتاج الثانوي لا يتعدى 10٪ من هذه القيمة ، وقيمته تتقلب بشكل كبير ، وبالتالي تحليل مفصلهذا المؤشر مستحيل بكل بساطة.
