екологічні піраміди

Функціональні взаємозв'язки, т. Е. Трофічну структуру, можна зобразити графічно, у вигляді так званих екологічних пірамід. Підставою піраміди служить рівень продуцентів, а наступні рівні харчування утворюють поверхи і вершину піраміди. Відомі три основних типи екологічних пірамід: 1) піраміда чисел. відбиває чисельність організмів на кожному рівні (піраміда Елтона); 2) піраміда біомаси. характеризує масу живої речовини, - загальний суха вага, калорійність і т. д .; 3) піраміда продукції (або енергії), що має універсальний характер, що показує зміну первинної продукції (або енергії) на послідовних трофічних рівнях.

Піраміда чисел відображає виразну закономірність, виявлену Елтоном: кількість особин, що складають послідовний ряд ланок від продуцентів до консументів, неухильно зменшується (рис. 5.). В основі цієї закономірності лежить, по-перше, той факт, що для врівноваження маси великого тіла необхідно багато маленьких тіл; по-друге, від нижчих трофічних рівнів до вищих втрачається кількість енергії (від кожного рівня до предьщущего доходітлішь 10% енергії) і, по-третє - зворотна залежність метаболізму від розміру особин (чим дрібніше організм, тим інтенсивніше обмін речовин, тим вище швидкість росту їх чисельності та біомаси).

Мал. 5. Спрощена схема піраміди Елтона

Однак піраміди чисельності будуть сильно відрізнятися за формою в різних екосистемах, тому чисельність краще приводити в табличній формі, а ось - біомасу - в графич-ської. Вона чітко вказує на кількість всього живого вещест-ва на даному трофічному рівні, наприклад, в одиницях маси на одиницю площі - г / м 2 або на обсяг - г / м 3 і т. Д.

У наземних екосистемах діє наступне правило піраміди біомас. сумарна маса рослин перевищує масу всіх травоїдних, а їх маса перевищує всю біомасу хижаків. Це правило дотримується, і біомаса всього ланцюжка змінюється зі змінами величини чистої продукції, відношення річного приросту якої до біомаси екосистеми невелика і коливається в лісах різних географічних зон від 2 до 6%. І тільки в лугових природних рослинних угруповань вона може досягати 40-55%, а в окремих випадках, в напівпустелях - 70-75%. На рис. 6 показані піраміди біомас деяких біоценозів. Як видно з малюнка, для океану наведене вище правило піраміди біомас недійсне - вона має перевернутий (звернений) вид.

Мал. 6. Піраміди біомаси деяких біоценозів: П - продуценти; РК - рослиноїдні консументи; ПК - м'ясоїдні консументи; Ф - фітопланктон; З - зоопланктон

Для екосистеми океану характерна тенденція накопичення біомаси на високих рівнях, у хижаків. Хижаки живуть довго і швидкість обороту їх генерацій мала, але у продуцентів - у фітопланктонних водоростей, оборотність може в сотні разів перевищувати запас біомаси. Це означає, що їх чиста продукція і тут перевищує продукцію, поглинену консументами, т. Е. Через рівень продуцентів проходить більше енергії, ніж через всіх консументів.

Звідси зрозуміло, що ще більш досконалим відображенням впливу трофічних відносин на екосистему повинно бути правило піраміди продукції (або енергії): на кожному попередньому трофічному рівні кількість біомаси, що створюється за одиницю часу (або енергії), більше, ніж на наступному.

Трофічні або харчові ланцюги можуть бути представлені у формі піраміди. Чисельне значення кожного ступеня такої піраміди може бути виражені числом особин, їх біомасою або накопиченої в ній енергією.

Відповідно до закону піраміди енергій Р.Ліндемана і правила десяти відсотків. з кожного ступеня на наступний щабель переходить приблизно 10% (від 7 до 17%) енергії або речовини в енергетичному вираженні (рис.7). Зауважимо, що на кожному наступному рівні при зниженні кількості енергії її якість зростає, тобто здатність здійснювати роботу одиниці біомаси тваринного у відповідне число разів вище, ніж такий же біомаси рослин.

Яскравим прикладом є трофічна ланцюг відкритого моря, представлена планктоном і китами. Маса планктону розсіяна в океанічній воді і, при біопродуктивності відкритого моря менше 0,5 г / м 2 на добу -1. кількість потенційної енергії в кубічному метрі океанічної води нескінченно мало в порівнянні з енергією кита, маса якого може досягати декількох сотень тонн. Як відомо, китовий жир - це висококалорійний продукт, який використовували навіть для освітлення.

У відповідно до останньої цифри сформульовано правило одного відсотка. для стабільності біосфери в цілому частка можливого кінцевого споживання чистої первинної продукції в енергетичному вираженні не повинно перевищувати 1%.

Рис.7. Піраміди пеpедачи енеpгіі по харчовому ланцюгу (по Ю.Одума)

У деструкції органіки теж спостерігається відповідна послідовність: так близько 90% енергії чистої первинної продукції звільняють мікроорганізми і гриби, менш 10% - безхребетні тварини і менше 1% - хребетні тварини, які є кінцевими косументамі.

В кінцевому підсумку всі три правила пірамід відображають енер-гетіческіе

відносини в екосистемі, а піраміда продукції (енергії) має універсальний характер.

У природі, в стабільних системах біомаса змінюється незначно, т. Е. Природа прагне використовувати повністю валову продукцію. Знання енергетики екосистеми і кількісні її показники дозволяють точно врахувати можливість вилучення з природної екосистеми тієї чи іншої кількості рослинної і тваринної біомассси без підриву її продуктивності.

Людина отримує досить багато продукції від природних систем, проте основним джерелом їжі для нього є сільське господарство. Створивши агроекосистеми, людина прагне отримати якомога більше чистої продукції рослинності, але йому необхідно витрачати половину рослинної маси на вирощування травоїдних тварин, птахів і т. Д. Значна частина продукції йде в промисловість і втрачається в смітті, т. Е. І тут втрачається близько 90% чистої продукції і тільки близько 10% безпосередньо використовується на споживання людиною.

У природних екосистемах енергетичні потоки також змінюються за своєю інтенсивністю і характером, але цей процес регулюється дією екологічних факторів, що проявляється в динаміці екосистеми в цілому.

Спираючись на харчовий ланцюг, як основу функціонування екосистеми, можна також пояснити випадки накопичення в тканинах деяких речовин (наприклад синтетичних отрут), які в міру їхнього руху по трофічного ланцюга не беруть участі в нормальному обміні речовин організмів. Згідно правила біологічного посилення відбувається приблизно десятикратне збільшення концентрації забруднювача при переході на більш високий рівень екологічної піраміди. Зокрема, здавалося б незначне підвищений вміст радіонуклідів у річковій воді на першому рівні трофічного ланцюга освоюється мікроорганізмів і планктоном, потім концентpіpуется в тканинах pиб і досягає максимальних значень у чайок. Їх яйця мають рівень радіонуклідів в 5000 pаз більший у порівнянні з фоновим забрудненням.

Існує кілька класифікацій екосистем. По-перше екосистеми поділяються за характером походження і діляться на природні (болото, луг) і штучні (рілля, сад, космічний корабель).

За розмірами екосистеми поділяються на:

1. мікроекосистеми (наприклад, стовбур дерева, що впало або поляна в лісі)

2. мезоекосістеми (лісовий масив або степовий кілочок)

3. макроекосистеми (тайга, море)

4. екосистеми глобального рівня (планети Земля)

Енергія - найбільш зручна основа для класифікації екосистем. Розрізняють чотири фундаментальні типи екосистем за типом джерела енергії:

рухомі Сонцем, малосубсідіруемие
рухомі Сонцем, субсидовані іншими природними джерелами
рухомі Сонцем і субсидовані людиною
рухомі паливом.

У більшості випадків можуть використовуватися і два джерела енергії - Сонце і паливо.

Природні екосистеми, рухомі Сонцем, малосубсідіруемие - це відкриті океани, високогірні ліси. Всі вони отримують енергію майже виключно від одного джерела - Сонця і мають низьку продуктивність. Щорічне споживання енергії оцінюється орієнтовно в 10 3 -10 4 ккал-м 2. Організми, що живуть в цих екосистемах, адаптовані до мізерного кількості енергії та інших ресурсів і ефективно їх використовують. Ці екосистеми дуже важливі для біосфери, так як займають величезні площі. Океан покриває близько 70% поверхні земної кулі. По суті справи, це основні системи життєзабезпечення, механізми, стабілізуючі і підтримуючі умови на «космічному кораблі» - Землі. Тут щодня очищаються величезні об'єми повітря, повертається в оборот вода, формуються кліматичні умови, підтримується температура і виконуються інші функції, що забезпечують життя. Крім того, без будь-яких витрат з боку людини тут виробляється певна кількість їжі та інших матеріалів. Слід сказати і про що не піддаються обліку естетичну цінність цих екосистем.

Природні екосистеми, рухомі Сонцем, субсидовані іншими природними джерело. - це екосистеми, що володіють природною родючістю і виробляють надлишки органічної речовини, які можуть накопичуватися. Вони отримують природні енергетичні субсидії у вигляді енергії припливів, прибою, течій, що надходять з площі водозбору з дощем і вітром органічних і мінеральних речовин і т. П. Споживання енергії в них коливається від 1 * 10 4 до 4 * 10 4 ккал * м - 2 * год -1. Прибережна частина естуарію типу Невської губи - хороший приклад таких екосистем, які більш родючі, ніж прилеглі ділянки суші, які отримують таку саму кількість сонячної енергії. Надмірне родючість можна спостерігати і в дощових лісах.

Екосистеми, рухомі Сонцем і субсидовані людиною. - це наземні і водні агроекосистеми, які отримують енергію не тільки від Сонця, а й від людини у вигляді енергетичних дотацій. Висока продуктивність їх підтримується м'язової енергією і енергією палива, які витрачаються на обробіток, зрошення, добриво, селекцію, переробку, транспортування і т.п. Хліб, кукурудза, картопля «частково зроблені з нафти». Найпродуктивніший сільське господарство отримує енергії приблизно стільки ж, скільки найпродуктивніші природні екосистеми другого типу. Їхня продукція досягає приблизно 50 000 ккал * м -2 рік -1. Різниця між ними полягає в тому, що людина направляє якомога більше енергії на виробництво продуктів харчування обмеженого виду, а природа розподіляє їх між багатьма видами і накопичує енергію на «чорний день», як би розкладаючи її по різних кишенях. Ця стратегія називається «стратегією підвищення різноманітності з метою виживання».

Індустріально-міські екосистеми, рухомі паливом. - вінець досягнень людства. В індустріальних містах висококонцентрованих енергія палива не доповнює, а замінює сонячну енергію. Їжу - продукт систем, рухомих Сонцем, - в місто ввозять ззовні. Особливістю цих екосистем є величезна потреба щільно населених міських районів в енергії - вона на два-три порядки більше, ніж в перших трьох типах екосистем. Якщо в несубсідіруемих екосистемах приплив енергії коливається від 10 3 до 10 4 ккал * м -2 рік -1. а в субсидованих системах другого і третього типу - від 10 4 до 4 * 10 4 ккал * м -2 рік -1. то в великих індустріальних містах споживання енергії досягає декількох мільйонів кілокалорій на 1 м 2. Нью-Йорк -4,8 * 10 6. Токіо - 3 * 10 6. Київ - 10 6 ккал * м -2 рік -1.

Споживання енергії людиною в місті в середньому становить понад 80 млн ккал * год -1; для харчування йому потрібно всього близько 1 млн ккал * год -1. отже, на всі інші види діяльності (домашнє господарство, транспорт, промисловість і т. д.) людина витрачає в 80 разів більше енергії, ніж потрібно для фізіологи-чеського функціонування організму. Зрозуміло, в розвиваю-трудящих країнах становище дещо інше.