Биомасса, биологическая продуктивность экосистем, правило 10%

Биома́сса (биоматерия) — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения.

Среди наземных животных организмов наибольшую по массе часть составляют насекомые, членистоногие и подобные им, обеспечивающие существование растительных организмов. (Более 80-ти процентов сухопутной биомассы).

Человечество, как часть млекопитающих, представляет собой менее 1-го кубического километра, что составляет одну пренебрежимо малую, несоизмеримую со всей биомассой, часть всей биомассы Земли.

Биомасса —это вес отдельного растения, животного или всех живых организмов, обитающих на определенной площади в определенном объеме, независимо от того, живут ли они в воздухе, воде или почве. Учеными были проведены подсчеты биомассы всех организмов на Земле.

На суше основную часть биомассы составляют растения, а в океане — животные. Причем биомасса обитателей океана, занимающего 70,2% поверхности планеты. Интересен и другой факт: число видов растений на Земле составляет 21% общего числа всех живых организмов, а животных — 79%, но, несмотря на это, биомасса животных не превышает на нашей планете 1% всей биомассы.

Эти подсчеты показывают, что растения — основные производители биологической продукции на нашей планете.

Биологическая продуктивность, способность организмов производить органическое вещество в процессе личной жизнедеятельности. Биологическая продуктивность измеряется количеством органического вещества, создаваемого за единицу времени на единице площади. Различают первичную (создаваемую растениями и др. автотрофными организмами) и вторичную (создаваемую гетеротрофными организмами) биологическую продуктивность. К первичной биологической продуктивности относят валовую (общее количество вещества, синтезируемого растениями в единицу времени) и чистую продукцию, которая остается в растениях после затрат на их дыхание. Чем благоприятнее условия среды, тем выше относительная доля чистой продукции. В неблагоприятных условиях (пустыня) растения затрачивают на дыхание до 80% валовой биологической продуктивности, а в благоприятных условиях, при обильных ресурсах тепла и влаги - не более 30%. Вторичная Б. п. в 20-50 раз меньше, чем первичная. По первичной Б. п. экологической системы разделяют на четыре класса.

1. Экосистемы очень высокой биологической продуктивности - свыше 2 кг/м2 в год. К ним относят влажные тропические леса и коралловые рифы, тростниковые заросли в дельтах больших рек.

2. Экосистемы высокой биологической продуктивности - 1-2 кг/м2 в год. Это широколиственные леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озере, посевы кукурузы и многолетних трав, выращенные с применением орошения и высоких доз минеральных удобрений.

3. Экосистемы умеренной биологической продуктивности - 0,25-1 кг/м2 в год. Это леса таежной зоны, преобладающая часть сельскохозяйственных посевов, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера, морские луга из водорослей.

4. Экосистемы низкой биологической продуктивности - менее 0,25 кг/м2 в год. Это пустыни жаркого климата, арктические пустыни островов Северного Ледовитого океана, тундры, полупустыни, вытоптанные скотом степные пастбища с низким и редким травостоем, горные степи. Такую же низкую биологическую продуктивность имеет большинство морских экосистем. Средняя биологическая продуктивность экосистем Земли не превышает 0,3 кг/м2 в год, т. к. на земле преобладают низкопродуктивные экосистемы пустынь и океанов. От биологической продуктивности следует отличать урожай и биомассу.

Р. Линдеман (1942) сформулировал закон пирамиды энергий, или правило 10 %.

Выделение энергии с экскрементами у плотоядных животных (например, хищников) невелико, у травоядных оно более значительно, а гусеницы некоторых насекомых, питающиеся растениями, выделяют с экскрементами до 70% энергии. Однако при всем разнообразии расходов энергии в среднем максимальны траты на дыхание, которые в сумме с неусвоенной пищей составляют около 90% от потребленной. Поэтому переход энергии с одного трофического уровня на другой в среднем принимается близким к 10% от энергии, потребленной с пищей. Эта закономерность рассматривается обычно как «правило десяти процентов».

Данное правило надо оценивать как относительное, ориентировочное. Вместе с тем из него следует, что цепь питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4—5. Пройдя через них, практически вся энергия оказывается рассеянной.

Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные в практическом отношении следствия. Во-первых, с энергетической точки зрения крайне нецелесообразно потребление животной продукции, особенно с высоких уровней цепей питания. Образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энергии. Особенно велики потери энергии при переходе с первого трофического уровня на второй, от растений к травоядным животным.

15. Энергетическое обеспечение биологического круговорота.

Все преобразования веществ в процессе круговорота требуют затрат энергии. Ни один живой организм не продуцирует энергию - она может быть получена только извне. В современной биосфере главнейший источник энергии, утилизируемой в биогенном круловороте, - это энергия солнечного излучения. Соответственно первый этап использования и преобразования энергии в цепях круговорота - фотосинтез, в процессе
которого создаются вещества для построения тела растительного организма. Энергия, полученная в виде солнечной радиации (ФАР), в процессе фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей. Процесс аккумуляции энергии в организме фотосинтетиков сопряжён с увеличением массы организма. Массу веществ, созданных продуцентомфотосинтетиком, обозначают как первичную продукцию; это биомасса растительных тканей. Лишь 15% энергии солнечного излучения достигает поверхности
Земли и только 1% связывается в виде органического вещества растительности (74% составляет тепло и 10% - отражённая энергия). Из суммы связанной в процессе продукции энергии около половины расходуется на жизненные процессы (потери на дыхание). Оставшиеся 50% аккумулированной энергии составляет рост биомассы. Таким образом, чистая продукция соответствует примерно 0,5% солнечной энергии, падающей на
Землю. По некоторым другим расчётам, эффективность фотосинтеза оказывается ещё ниже - порядка 0,1%.
Накопленная в результате фотосинтеза биомасса растений (первичная продукция) - это резерв, из которого часть используется в качестве пищи организмами-гетеротрофами (консументами I порядка). По тем же приблизительным расчётам, в пищу фитофагам изымается около 40% фитомассы; оставшиеся 60% означают реальную массу растительности в экосистеме.
Примерно в такой же последовательности идёт дальнейшее использование энергии организмами-гетеротрофами. Полученная с пищей энергия (так называемая большая энергия) соответствует энергетической стоимости общего количества съеденной пищи.
Усвоенная энергия, за вычетом энергии, содержащейся в выделениях организма (экскретах), составляет метаболизированную энергию. Часть её выделяется в виде тепла в процессе переваривания пищи и либо рассеивается, либо используется на терморегуляцию. Оставшаяся энергия подразделяется на энергию существования, которая немедленно расходуется на различные формы жизнедеятельности (по существу это тот же расход на
«дыхание»), и продуктивную энергию, которая аккумулируется (хотя бы временно) в виде массы нарастающих тканей, энергетических резервов, половых продуктов. Энергия существования складывается из затрат на фундаментальные жизненные процессы (основной обмен, или базальный метаболизм) и энергии, расходуемой на различные формы
деятельности. У гомойотермных животных к этому добавляются расходы энергии на терморегуляцию. Все эти затраты заканчиваются рассеиванием энергии в виде тепла - опять-таки в силу того, что ни одна функция не реализуется с КПД, равным 100%.