ผลิตภาพทางชีวภาพในระบบนิเวศ

2024 ผู้เขียน: Henry Conors | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-02-12 13:41

ทุกๆ ปี ผู้คนใช้ทรัพยากรของโลกน้อยลงเรื่อยๆ ไม่น่าแปลกใจที่เมื่อเร็ว ๆ นี้การประเมินจำนวนทรัพยากรที่ biocenosis เฉพาะสามารถให้ได้มีความสำคัญมาก ทุกวันนี้ ผลผลิตของระบบนิเวศมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อเลือกวิธีการจัดการ เนื่องจากความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของงานโดยตรงนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณการผลิตที่สามารถรับได้โดยตรง

นี่คือคำถามหลักที่นักวิทยาศาสตร์ต้องเผชิญในวันนี้:

• พลังงานแสงอาทิตย์มีมากแค่ไหนและพืชหลอมรวมได้มากแค่ไหนมันวัดอย่างไร?
• ระบบนิเวศประเภทใดที่ให้ผลผลิตมากที่สุดและให้ผลผลิตขั้นต้นมากที่สุด
• ปัจจัยใดที่จำกัดการผลิตขั้นต้นทั้งในประเทศและทั่วโลก
• พืชแปลงพลังงานมีประสิทธิภาพแค่ไหน
• ประสิทธิภาพต่างกันอย่างไรการดูดซึม การผลิตที่สะอาดขึ้น และประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อม?
• ระบบนิเวศแตกต่างกันอย่างไรในปริมาณชีวมวลหรือปริมาตรของสิ่งมีชีวิต autotrophic
• ผู้คนมีพลังงานมากแค่ไหนและเราใช้พลังงานมากแค่ไหน

เราจะพยายามตอบคำถามบางส่วนภายในกรอบของบทความนี้เป็นอย่างน้อย ขั้นแรก มาจัดการกับแนวคิดพื้นฐานกัน ดังนั้น ผลผลิตของระบบนิเวศจึงเป็นกระบวนการสะสมอินทรียวัตถุในปริมาณหนึ่ง สิ่งมีชีวิตใดรับผิดชอบงานนี้

ออโตโทรฟและเฮเทอโรโทรฟ

เรารู้ว่าสิ่งมีชีวิตบางชนิดสามารถสังเคราะห์โมเลกุลอินทรีย์จากสารตั้งต้นอนินทรีย์ได้ พวกเขาเรียกว่า autotrophs ซึ่งหมายถึง "การให้อาหารด้วยตนเอง" ที่จริงแล้ว ผลผลิตของระบบนิเวศขึ้นอยู่กับกิจกรรมของพวกมัน Autotrophs ยังเรียกว่าผู้ผลิตหลัก สิ่งมีชีวิตที่สามารถผลิตโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนจากสารอนินทรีย์ธรรมดา (น้ำ, CO2) ส่วนใหญ่มักจัดอยู่ในกลุ่มพืช แต่แบคทีเรียบางชนิดมีความสามารถเหมือนกัน กระบวนการที่พวกเขาสังเคราะห์สารอินทรีย์เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง ตามชื่อของมัน การสังเคราะห์แสงต้องใช้แสงแดด

เราควรพูดถึงเส้นทางที่เรียกว่าการสังเคราะห์ทางเคมีด้วย autotrophs บางชนิด ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียชนิดพิเศษ สามารถแปลงสารอาหารอนินทรีย์ให้เป็นสารประกอบอินทรีย์โดยไม่ต้องให้แสงแดดส่องถึง เคมีสังเคราะห์มีหลายกลุ่มแบคทีเรียในทะเลและในน้ำจืด โดยเฉพาะอย่างยิ่งมักพบในสภาพแวดล้อมที่มีไฮโดรเจนซัลไฟด์หรือกำมะถันในปริมาณสูง เช่นเดียวกับพืชที่มีคลอโรฟิลล์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่สามารถสังเคราะห์แสงเคมีได้ สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ทางเคมีคือออโตโทรฟ อย่างไรก็ตาม ผลผลิตของระบบนิเวศค่อนข้างเป็นกิจกรรมของพืชพรรณ เนื่องจากเธอมีหน้าที่รับผิดชอบในการสะสมอินทรียวัตถุมากกว่า 90% การสังเคราะห์ทางเคมีมีบทบาทน้อยกว่าในเรื่องนี้อย่างไม่สมส่วน

ในขณะที่สิ่งมีชีวิตจำนวนมากสามารถรับพลังงานที่ต้องการได้จากการกินสิ่งมีชีวิตอื่นเท่านั้น พวกเขาเรียกว่าเฮเทอโรโทรฟ โดยหลักการแล้ว สิ่งเหล่านี้รวมถึงพืชชนิดเดียวกันทั้งหมด (พวกมันยัง "กิน" อินทรียวัตถุสำเร็จรูปด้วย) สัตว์ จุลินทรีย์ เชื้อรา และจุลินทรีย์ Heterotrophs เรียกอีกอย่างว่า "ผู้บริโภค"

บทบาทของพืช

ตามกฎแล้ว คำว่า "ผลผลิต" ในกรณีนี้หมายถึงความสามารถของพืชในการเก็บอินทรียวัตถุจำนวนหนึ่ง และไม่น่าแปลกใจเพราะมีเพียงพืชเท่านั้นที่สามารถแปลงสารอนินทรีย์ให้เป็นอินทรีย์ได้ หากไม่มีพวกมัน ชีวิตบนโลกของเราจะเป็นไปไม่ได้ ดังนั้นการผลิตของระบบนิเวศจึงพิจารณาจากตำแหน่งนี้ โดยทั่วไปแล้ว คำถามนั้นง่ายมาก: พืชสามารถเก็บอินทรียวัตถุได้มากแค่ไหน?

biocenoses ใดที่ให้ผลผลิตมากที่สุด

ผิดปกติพอสมควร แต่ biocenoses ที่มนุษย์สร้างขึ้นนั้นยังห่างไกลจากผลผลิตมากที่สุด ป่า หนองน้ำ เซลวาของแม่น้ำเขตร้อนขนาดใหญ่ในเรื่องนี้อยู่ไกลไปข้างหน้า นอกจากนี้ยังเป็น biocenoses เหล่านี้ที่ต่อต้านสารพิษจำนวนมากซึ่งเข้าสู่ธรรมชาติอีกครั้งอันเป็นผลมาจากกิจกรรมของมนุษย์และยังผลิตออกซิเจนมากกว่า 70% ที่มีอยู่ในบรรยากาศของโลกของเรา อย่างไรก็ตาม หนังสือเรียนหลายเล่มยังคงระบุว่ามหาสมุทรของโลกเป็น "ตะกร้าข้าว" ที่มีประสิทธิผลมากที่สุด ผิดปกติพอสมควร แต่คำกล่าวนี้ห่างไกลจากความจริงมาก

โอเชี่ยนพาราด็อกซ์

คุณทราบหรือไม่ว่าผลผลิตทางชีวภาพของระบบนิเวศในทะเลและมหาสมุทรเป็นอย่างไร? กับกึ่งทะเลทราย! ชีวมวลปริมาณมากอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเป็นน้ำที่กินพื้นที่ส่วนใหญ่ของโลก ดังนั้นการคาดการณ์การใช้ทะเลเป็นแหล่งอาหารหลักสำหรับมวลมนุษยชาติซ้ำแล้วซ้ำเล่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าจึงเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของสิ่งนี้ต่ำมาก อย่างไรก็ตาม ผลผลิตที่ต่ำของระบบนิเวศประเภทนี้ไม่ได้ลดทอนความสำคัญของมหาสมุทรที่มีต่อชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องได้รับการปกป้องอย่างระมัดระวังที่สุดเท่าที่จะทำได้

นักอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมสมัยใหม่กล่าวว่าความเป็นไปได้ของพื้นที่เกษตรกรรมนั้นยังห่างไกลจากที่หมดไป และในอนาคตเราจะสามารถเก็บเกี่ยวพืชผลได้มากมายจากพวกเขา นาข้าวมีความหวังเป็นพิเศษ ซึ่งสามารถผลิตอินทรียวัตถุล้ำค่าได้จำนวนมากเนื่องจากมีลักษณะเฉพาะ

ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับผลผลิตของระบบชีวภาพ

ประสิทธิภาพระบบนิเวศโดยรวมถูกกำหนดโดยอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงและการสะสมของสารอินทรีย์ใน biocenosis โดยเฉพาะ มวลของอินทรียวัตถุที่สร้างขึ้นต่อหน่วยเวลาเรียกว่าการผลิตขั้นต้น สามารถแสดงได้สองวิธี: ในจูลส์หรือในมวลแห้งของพืช การผลิตรวมคือปริมาณที่สร้างขึ้นโดยสิ่งมีชีวิตพืชในหน่วยเวลาหนึ่งในอัตราคงที่ของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ควรจำไว้ว่าส่วนหนึ่งของสารนี้จะไปสู่กิจกรรมที่สำคัญของพืชเอง อินทรียวัตถุที่เหลืออยู่คือผลผลิตหลักสุทธิของระบบนิเวศ เธอเป็นคนไปให้อาหาร heterotrophs ซึ่งรวมถึงคุณและฉันด้วย

มี "ขีดจำกัดบน" สำหรับการผลิตขั้นต้นหรือไม่

สั้นๆใช่เลย มาดูกันว่าโดยหลักการแล้วกระบวนการสังเคราะห์แสงมีประสิทธิภาพเพียงใด จำไว้ว่าความเข้มของการแผ่รังสีดวงอาทิตย์ที่ไปถึงพื้นผิวโลกนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งอย่างมาก การส่งคืนพลังงานสูงสุดเป็นลักษณะเฉพาะของเขตเส้นศูนย์สูตร มันลดลงแบบทวีคูณเมื่อเข้าใกล้เสา พลังงานแสงอาทิตย์ประมาณครึ่งหนึ่งสะท้อนจากน้ำแข็ง หิมะ มหาสมุทร หรือทะเลทราย และดูดซับโดยก๊าซในชั้นบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น ชั้นโอโซนของบรรยากาศดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตเกือบทั้งหมด! แสงเพียงครึ่งเดียวที่กระทบใบพืชใช้ในปฏิกิริยาสังเคราะห์แสง ดังนั้น ผลผลิตทางชีวภาพของระบบนิเวศจึงเป็นผลมาจากการแปลงพลังงานจากดวงอาทิตย์ส่วนเล็กๆ ที่ไม่มีนัยสำคัญ!

การผลิตรองคืออะไร

ตามนี้เรียกว่าสินค้ารองการเติบโตของผู้บริโภค (นั่นคือ ผู้บริโภค) ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง แน่นอน ผลผลิตของระบบนิเวศขึ้นอยู่กับพวกมันในระดับที่น้อยกว่ามาก แต่ชีวมวลนี้มีบทบาทสำคัญที่สุดในชีวิตมนุษย์ ควรสังเกตว่าสารอินทรีย์ทุติยภูมิถูกคำนวณแยกกันในแต่ละระดับโภชนาการ ดังนั้น ประเภทของผลผลิตของระบบนิเวศจึงแบ่งออกเป็นสองประเภท: ระดับประถมศึกษาและมัธยมศึกษา

อัตราส่วนของการผลิตขั้นต้นและรอง

คุณอาจเดาได้ว่าอัตราส่วนของมวลชีวภาพต่อมวลพืชทั้งหมดค่อนข้างต่ำ แม้แต่ในป่าและหนองน้ำ ตัวเลขนี้แทบไม่เกิน 6.5% ยิ่งมีไม้ล้มลุกในชุมชน อัตราการสะสมของอินทรียวัตถุยิ่งสูงและความคลาดเคลื่อนมากขึ้น

เกี่ยวกับอัตราและปริมาตรของการก่อตัวของสารอินทรีย์

โดยทั่วไป อัตราที่จำกัดของการก่อตัวของอินทรียวัตถุที่มีแหล่งกำเนิดปฐมภูมินั้นขึ้นอยู่กับสถานะของอุปกรณ์สังเคราะห์แสงของพืช (PAR) โดยสิ้นเชิง ค่าสูงสุดของประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ทำได้ในห้องปฏิบัติการคือ 12% ของค่า PAR ภายใต้สภาพธรรมชาติ ค่า 5% ถือว่าสูงมากและไม่เกิดขึ้นจริง เชื่อกันว่าบนโลกดูดกลืนแสงแดดไม่เกิน 0.1%

การจำหน่ายเบื้องต้น

ควรสังเกตว่าผลผลิตของระบบนิเวศทางธรรมชาตินั้นไม่สม่ำเสมออย่างมากทั่วโลก มวลรวมของอินทรียวัตถุทั้งหมดที่เกิดขึ้นทุกปีบนพื้นผิวโลกประมาณ 150-200 พันล้านตัน จำสิ่งที่เราพูดเกี่ยวกับผลผลิตของมหาสมุทรข้างต้นได้ไหม ดังนั้น 2/3 ของสารนี้จึงเกิดขึ้นบนบก! ลองนึกภาพว่าไฮโดรสเฟียร์ขนาดมหึมาและน่าเหลือเชื่อก่อตัวเป็นอินทรียวัตถุน้อยกว่าส่วนเล็กๆ ของแผ่นดินถึงสามเท่า โดยส่วนใหญ่เป็นทะเลทราย!

กว่า 90% ของอินทรียวัตถุสะสมในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งถูกใช้เป็นอาหารสำหรับสิ่งมีชีวิตต่างถิ่น พลังงานแสงอาทิตย์เพียงส่วนเล็ก ๆ เท่านั้นที่ถูกเก็บไว้ในรูปของฮิวมัสในดิน (เช่นเดียวกับน้ำมันและถ่านหิน ในอาณาเขตของประเทศของเรา การผลิตทางชีวภาพขั้นต้นที่เพิ่มขึ้นนั้นแตกต่างกันไปจาก 20 เซ็นต์ต่อเฮกตาร์ (ใกล้มหาสมุทรอาร์กติก) ไปจนถึงมากกว่า 200 เซ็นต์ต่อเฮกตาร์ในคอเคซัส ในพื้นที่ทะเลทราย ค่านี้ไม่เกิน 20 c/ha.

โดยหลักการแล้ว ในห้าทวีปที่อบอุ่นของโลกของเรา ความเข้มข้นของการผลิตเกือบจะเท่ากันเกือบ: ในอเมริกาใต้ พืชผักจะสะสมของแห้งเพิ่มขึ้นหนึ่งเท่าครึ่งเนื่องจากสภาพอากาศที่ดีเยี่ยม ที่นั่น ผลผลิตของระบบนิเวศทางธรรมชาติและประดิษฐ์นั้นสูงสุด

อะไรเลี้ยงคน

ประมาณ 1.4 พันล้านเฮกตาร์บนพื้นผิวโลกของเราเป็นสวนที่ปลูกพืชที่ให้อาหารแก่เรา นี่คือประมาณ 10% ของระบบนิเวศทั้งหมดบนโลก ผิดปกติพอสมควร แต่ผลลัพธ์เพียงครึ่งเดียวเท่านั้นที่ส่งตรงไปยังอาหารของมนุษย์ อย่างอื่นใช้เป็นอาหารสัตว์เลี้ยงและไปที่ความต้องการของอุตสาหกรรมการผลิต (ไม่เกี่ยวข้องกับการผลิตผลิตภัณฑ์อาหาร) นักวิทยาศาสตร์ส่งเสียงเตือนมาเป็นเวลานานแล้ว: ผลผลิตและชีวมวลของระบบนิเวศของโลกสามารถจัดหาโปรตีนได้ไม่เกิน 50% ของความต้องการของมนุษย์ พูดง่ายๆ ก็คือ ครึ่งหนึ่งของประชากรโลกอาศัยอยู่ในภาวะขาดโปรตีนเรื้อรัง

เจ้าของสถิติชีวภาพ

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว ป่าเส้นศูนย์สูตรมีผลผลิตสูงสุด ลองคิดดู: วัตถุแห้งมากกว่า 500 ตันสามารถตกลงบนพื้นที่หนึ่งเฮกตาร์ของ biocenosis ได้! และนี่อยู่ไกลจากขีด จำกัด ตัวอย่างเช่น ในบราซิล ป่าไม้หนึ่งเฮกตาร์ผลิตอินทรียวัตถุได้ 1200 ถึง 1500 ตัน (!) ต่อปี! แค่คิด: มีอินทรียวัตถุมากถึงสองเซ็นต์ต่อตารางเมตร! ในทุ่งทุนดราในพื้นที่เดียวกันมีการสร้างไม่เกิน 12 ตันและในป่าของแถบกลาง - ภายใน 400 ตัน ผู้ประกอบการทางการเกษตรในส่วนเหล่านี้ใช้สิ่งนี้อย่างแข็งขัน: ผลผลิตของระบบนิเวศเทียมในรูปของน้ำตาล แปลงอ้อยซึ่งสามารถสะสมวัตถุแห้งได้มากถึง 80 ตันต่อเฮกตาร์ ไม่มีที่ไหนให้ผลผลิตเช่นนี้อีก อย่างไรก็ตาม อ่าวโอรีโนโกและอ่าวมิสซิสซิปปี้ ตลอดจนพื้นที่บางส่วนของชาด มีความแตกต่างกันเล็กน้อย ที่นี่เป็นเวลาหนึ่งปี ระบบนิเวศ "แจก" สารมากถึง 300 ตันต่อเฮกตาร์ของพื้นที่!

ผลลัพธ์

ดังนั้น การประเมินผลผลิตควรดำเนินการบนพื้นฐานของสารหลัก ความจริงก็คือการผลิตทุติยภูมินั้นไม่เกิน 10% ของมูลค่านี้ มูลค่าของมันผันผวนอย่างมาก ดังนั้นจึงมีการวิเคราะห์โดยละเอียดตัวบ่งชี้นี้เป็นไปไม่ได้เลย