Чем отличаются валовая первичная продукция и чистая первичная продукция

Первичная биологическая продукция: валовая и чистая

Мы выяснили, что биоценозы постоянно что-то производят, в них увеличивается количество растений, животных, бактерий. В этом бодром трудовом соревновании принято выделять первичную и вторичную продукцию. Чем она отличается?

Первичная продукция — это биомасса, которую создали зеленые растения и некоторые бактерии (то есть автотрофы) на единице площади за какую-то единицу времени. Этой продукцией задается продуктивность следующих звеньев экосистемы — гетеротрофов.

1) Валовая первичная продукция (брутто-продукция) — вся продукция, созданная в результате фотосинтеза и хемосинтеза.

2) Чистая первичная продукция (нетто-продукция) — та, которая остается в качестве «прибыли» после того, как растения «потратятся» на дыхание и выделение органических соединений в почву.

Конечно, очень соблазнительно выяснить, каким же может быть объем первичной продукции экосистем Земли, ведь население растет (по прогнозам, в середине века на планете будут жить 10 миллиардов, причем основной прирост дадут страны Африки и Азии), а плодородные площади «не резиновые». Если нельзя расширять площади посевов, значит, для обеспечения человечества питанием необходимо увеличить КПД растений. Этими вопросами экологи задаются давно. Для решения такой задачи, во-первых, необходимо знать точные цифры продуктивности земного зеленого покрова. Во-вторых, нужно сделать прогноз о том, как возрастет выработка продукции в результате внедрения новых агротехнологий.

Источник

Раздел 2. Организация биосферы

И.Ф. Рассашко, О.В. Ковалева, А.В. Крук
Общая экология
Тексты лекций для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология». – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 252 с.

Раздел 2. Организация биосферы

Лекция 13. Продуктивность, эволюция и охрана биосферы

13.2. Валовая и чистая первичная продукция

Валовая первичная продукция характеризует общую скорость фотосинтеза. Чистая первичная продукция складывается из разности между валовой (энергия фотосинтеза) и той частью, которая использовалась на дыхании растений. Чистая продукция = Е_{фотосинтеза} – Е_{дыхание}, она дает представление об итоге процессов построения и разрушения органических веществ за рассматриваемое время (Г. Г. Винберг, 1960). У травянистых растений на дыхание используется 40–50%, а у древесных растений – 70–80% валовой первичной продукции. Суммарный прирост органического вещества (валовая первичная продукция) Земли за год составляет около 230 млрд. т сухой массы (в литературе приводятся и другие данные). Эффективность использования солнечной радиации в процессе фотосинтеза невелика. В среднем, на синтез органического вещества тратится 0,1–0,2% от приходящей энергии Солнца – 1,2

Концентрация живого вещества (биомасса) и скорость ее нарастания (продуктивность) в различных участках биосферы различна. В зависимости от широтной и высотной зональности продуктивность ландшафтных зон и экологических систем континентальной и океанической биосфер резко различаются (рисунок 13.1).

Рисунок 13.1 – Суточная продуктивность различных биогеоценозов (по Ю. Одуму, 1975):

1 – пустыни и Антарктика; 2 – степи, саванны, глубокие озера, высокогорные леса; 3 – территории, временами используемые под сельскохозяйственные

культуры; 4 – эстуарии, территории, интенсивно используемые

под сельскохозяйственные культуры, мангровые леса, коралловые рифы;

5 – морские литорали; 6 – открытое море.

Большую роль в биосфере играют деструкторы. Они составляют менее 1% от суммарной биомассы организмов планеты, но перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную. Живое вещество является наиболее активной формой материи, самой важной энергетической частью Земли.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Независимо от источника, эта энергия используется для синтеза сложных органических молекул из более простых неорганических соединений, таких как диоксид углерода (CO ₂ ) и вода (H ₂ O). Следующие два уравнения являются упрощенными представлениями фотосинтеза (вверху) и (одна из форм) хемосинтеза (внизу):

Валовая первичная продукция и чистая первичная продукция

Наземное производство

Океаническое производство

Солнечная зона океана называется фотической зоной (или эвфотической зоной). Это относительно тонкий слой (10–100 м) у поверхности океана, где достаточно света для фотосинтеза. Для практических целей толщина световой зоны обычно определяется глубиной, на которой свет достигает 1% от его поверхностного значения. Свет ослабляется в водной толще за счет его поглощения или рассеяния самой водой, а также растворенным или твердым веществом внутри нее (включая фитопланктон).

Питательные вещества

Железо

В районах океана, удаленных от пустынь или не охваченных ветрами, несущими пыль (например, южная и северная части Тихого океана), нехватка железа может серьезно ограничить объем первичной продукции, которая может произойти. Эти области иногда называют регионами HNLC (High-Nutrient, Low-Chlorophyll), потому что дефицит железа ограничивает рост фитопланктона и оставляет избыток других питательных веществ. Некоторые ученые предложили ввести в эти районы железо как средство увеличения первичной продуктивности и улавливания углекислого газа из атмосферы.

Измерение

Методы измерения первичной продукции различаются в зависимости от того, является ли валовая продукция по сравнению с чистой производством желаемой мерой, а также от того, в центре внимания находятся наземные или водные системы. Валовое производство почти всегда труднее измерить, чем чистое, из-за дыхания, которое представляет собой непрерывный и непрерывный процесс, в ходе которого потребляются некоторые продукты первичного производства (например, сахара) до того, как их можно будет точно измерить. Кроме того, наземные экосистемы, как правило, более сложны, поскольку значительная часть общей продуктивности перемещается в подземные органы и ткани, где ее сложно измерить с точки зрения логистики. Мелководные водные системы также могут столкнуться с этой проблемой.

Наземный

Чаще всего предполагается, что для измерения NPP используется пиковая биомасса на корню. В системах с устойчивой стоячей подстилкой обычно регистрируется живая биомасса. Измерения пиковой биомассы более надежны, если система преимущественно однолетняя. Однако многолетние измерения могли бы быть надежными, если бы была синхронная фенология, обусловленная сильным сезонным климатом. Эти методы могут недооценивать ANPP на пастбищах от 2 ( умеренный ) до 4 ( тропический ) раз. Повторные измерения живой и мертвой биомассы на корню дают более точные оценки всех пастбищ, особенно тех, которые характеризуются большой текучестью, быстрым разложением и межвидовой изменчивостью во времени пика биомассы. Продуктивность водно-болотных угодий (болота и топи) измеряется аналогичным образом. В Европе ежегодное кошение делает очевидным годовой прирост биомассы водно-болотных угодий.

Методы, используемые для измерения продуктивности лесов, более разнообразны, чем методы измерения продуктивности пастбищ. Прирост биомассы, основанный на аллометрии насаждения плюс опадная подстилка, считается подходящим, хотя и неполным, учетом чистой первичной продукции надземной части (ANPP). Полевые измерения, используемые в качестве прокси для ANPP, включают годовой опад, прирост диаметра или базальной площади ( DBH или BAI) и прирост объема.

Водный

В водных системах первичная продукция обычно измеряется с использованием одного из шести основных методов:

Преимущество методов, основанных на стабильных изотопах и соотношении O ₂ / Ar, заключается в том, что они позволяют оценить скорость дыхания на свету без необходимости инкубации в темноте. Среди них метод тройных изотопов кислорода и O ₂ / Ar имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что не требует инкубации в закрытых контейнерах, а O ₂ / Ar можно даже непрерывно измерять в море с помощью масс-спектрометрии на входе уравновешивающего устройства (EIMS) или мембранного входа. масс-спектрометрия (MIMS). Однако, если желательны результаты, относящиеся к углеродному циклу, вероятно, лучше полагаться на методы, основанные на изотопах углерода (а не кислорода). Важно отметить, что метод, основанный на стабильных изотопах углерода, является не просто адаптацией классического метода 14 C, а совершенно другим подходом, который не страдает проблемой отсутствия учета рециркуляции углерода во время фотосинтеза.

Глобальный

Масштабирование оценок GPP на уровне экосистемы на основе измерений вихревой ковариации чистого экосистемного обмена (см. Выше) до региональных и глобальных значений с использованием пространственных деталей различных переменных-предикторов, таких как климатические переменные и дистанционно измеряемые fAPAR или LAI, привело к наземному валовому первичному производству 123 ± 8 Гт углерода (НЕ двуокись углерода) в год в течение 1998-2005 гг.

Оценки

Человеческое воздействие и присвоение

Человеческие общества являются частью цикла АЭС Земли, но оказывают на него непропорционально большое влияние. В 1996 году Хосеп Гари разработал новый индикатор устойчивого развития, основанный именно на оценке человеческого присвоения АЭС: он придумал его «HANPP» (человеческое присвоение чистого первичного производства) и представил его на инаугурационной конференции Европейского общества защиты окружающей среды. Экологическая экономика. С тех пор HANPP получила дальнейшее развитие и широко применяется в исследованиях по экологической экономике, а также в анализе политики в области устойчивого развития. HANPP представляет собой пример воздействия человека на природу и может применяться в различных географических масштабах, а также в глобальном масштабе.

10% глобального биоразнообразия) и товары и услуги (1-5% от глобального общего количества), которые обеспечивают океаны.

Источник

Продуктивность природных и антропогенных экосистем

Понятие продуктивности экосистем

Экосистема, или экологическая система — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.

Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живую компоненту системы, биоценоз.

Продуктивность экосистем — это количество органического вещества (в единицах массы или энергии), производимой с единицы поверхности за единицу времени. Например, производительность тропического леса — кг/м кв в год и т.д.

Производительность биологическая (экосистем) бывает первичной, вторичной, чистой и валовой.

Первичная продуктивность (или продукция) — это биомасса или энергия, созданная продуцентами в единицу времени на единицу пространства. Различают валовую первичную продуктивность (ВПП) — скорость, с которой солнечная энергия превращается продуцентами на органическое соединение во время фотосинтеза (ее выражают в кал/м кв в час), и чистую первичную продуктивность (ЧПП) — энергию, что идет на прирост или поглощается деструктором:

где ВПП — валовая первичная продуктивность; ЧПП — чистая первичная продуктивность; Д — энергия дыхания.

Вторичная производительность (или вторичная продукция) — общее количество органического вещества, которая произведена всеми гетеротрофами на единицу площади за единицу времени. Вторичная производительность также делится на валовую и чистую.

Продуктивность основных типов природных биомов

Продвигаясь с севера к экватору, можно выделить девять основных типов сухопутных биомов. Приведем их краткую характеристику.

2. Тайга (биом бореальных (северных) хвойных лесов). Это один из самых обширных по площади биомов. Здесь растут вечнозеленые хвойные древесные породы: лиственница, ель, пихта, сосна. Из лиственных обычна примесь ольхи, березы, осины. Крупных животных мало, в основном это лоси и олени, но обитает большое количество хищников: куницы, рыси, волки, росомахи, норки, соболи. Многочисленные грызуны.

3. Листопадные леса умеренной зоны. В умеренном поясе, где достаточно влаги (800-1500 мм в год), а жаркое лето сменяется холодной зимой, развились леса определенного типа. К существованию в таких условиях приспособились деревья, сбрасывающие листву в неблагоприятное время года: дуб, бук, клен, граб, орешник. Вперемешку с ними встречаются здесь и сосна, и ель. Среди представителей животного мира можно отметить кабана, волка, оленя, лисицу, медведя, а также дятла, синицу, дрозда, зяблика и др. Современная лесная растительность здесь сформировалась под непосредственным влиянием человека.

6. Пустыни. Биом пустынь характерен для засушливых и полузасушливых зон Земли, где выпадает менее 250 мм осадков. Пустыни занимают около 1/5 поверхности суши. Среди них выделяют:

Пустынные животные выживают, поедая запасающие воду растения. Из крупных животных отметим верблюда, который может долгое время обходиться без воды, при условии периодического ее «запасания». Для мелких животных пустынь главным источником воды в основном является влага, содержащаяся в поедаемых ими кормах. Некоторые из этих животных вообще не умеют пить воду

7. Тропические саванны и лугопастбищные земли. Данный биом распространен на довольно бедных почвах, что послужило причиной относительной его сохранности.

Видовое разнообразие животных в саваннах значительно меньше, чем в тропических лесах, но отдельные виды выделяются высокой плотностью особей, образуя стада, табуны, стаи, прайды. В саваннах Африки пасется такое количество копытных, которое не встречается ни в одном другом биоме. Растениями питаются многие звери и птицы: бородавочники, зебры, жирафы, слоны, цесарки, страусы.

9. Тропические леса. Биом занимает тропические области Земли в бассейнах Амазонки и Ориноко в Южной Америке; бассейны Конго, Нигера и Замбези в Центральной и Западной Африке, Мадагаскар, Индо-Малайскую область и Борнео-Новую Гвинею. Тропики обычно называют джунглями.

В кронах обитает многочисленное и разнообразное население. Среди птиц, обитающих в кронах, немало таких, которые не слишком хорошо летают, в основном они прыгают и лазают (птицы-носороги, райские птицы).

Растительность тропического леса предстает перед путешественником сплошной стеной растений, поднимающихся на высоту до 75 м (рис. 6.12). Главной особенностью тропических лесов является то, что произрастают они на крайне бедных почвах. Верхний слой почвы не превышает 5 см на склонах. Под ним обычно лежит красная латеритная глина, лишенная питательных веществ.

3. Агроэкосистемы и их продуктивность

Ароэкосистемы представляют собой искусственные системы и отличаются от естественных экосистем рядом особенностей:

1. В них резко снижено разнообразие видов: снижение видов культивируемых растений снижает и видовое разнообразие животного населения биоценоза

2. Виды растений и животных, культивируемых человеком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и неконкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддержки человека.

3. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной.

4. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и других агроценозов – это упрощение системы, поддерживаемые человеком на ранних стадиях сукцессии, и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как пионерные сообщества, а потому не могут существовать без поддержки человека.

4. Мировой уровень производства и потребления продукции основных агрокультур

В последнем докладе Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO) о состоянии мирового рынка продовольствия в 2010-2011 годах аналитики предупреждают, что мир должен быть готов к дальнейшему повышению цен в следующем году.

Всего по рынку зерновых, млн. тонн

Источник

Валовая и чистая первичная продукция

Валовая первичная продукция характеризует общую скорость фотосинтеза. Чистая первичная продукция складывается из разности между валовой (энергия фотосинтеза) и той частью, которая использовалась на дыхании растений. Чистая продукция = Ефотосинтеза – Едыхание, она дает представление об итоге процессов построения и разрушения органических веществ за рассматриваемое время. У травянистых растений на дыхание используется 40–50%, а у древесных растений – 70–80% валовой первичной продукции. Суммарный прирост органического вещества (валовая первичная продукция) Земли за год составляет около 230 млрд. т сухой массы. Эффективность использования солнечной радиации в процессе фотосинтеза невелика. В среднем, на синтез органического вещества тратится 0,1–0,2% от приходящей энергии Солнца – 1,2 1020 кДж за год.

Концентрация живого вещества (биомасса) и скорость ее нарастания (продуктивность) в различных участках биосферы различна.

Возврат в пределы хозяйственной емкости биосферы, верхним пределом которой является потребление не более 1 % чистой первичной продукции биоты ( фотосинтеза), есть одно из главных условий сохранения жизни на планете.

Оставшаяся часть называется чистой первичной продукцией.

B Биосферный цикл углерода. Почему цикл углерода является ведущим для остальных биогенных элементов? Причины современного возрастания концентрации диоксида углерода в атмосфере и его последствия.

Источник