Joka vuosi ihmiset kuluttavat maapallon luonnonvaroja yhä enemmän. Ei ole yllättävää, että viime aikoina on tullut erittäin tärkeäksi arvioida, kuinka paljon resursseja tietty biokenoosi voi tarjota. Nykyään ekosysteemin tuottavuudella on ratkaiseva merkitys johtamistapaa valittaessa, sillä työn taloudellinen kannattavuus riippuu suoraan saatavan tuotannon määrästä.
Tässä ovat pääkysymykset, joita tiedemiehet kohtaavat tänään:
- Kuinka paljon aurinkoenergiaa on saatavilla ja kuinka paljon kasvit absorboivat sitä, miten se mitataan?
- Mitkä ekosysteemit ovat tuottavimpia ja tuottavat eniten alkutuotantoa?
- Mitkä tekijät rajoittavat alkutuotantoa paikallisesti ja maailmanlaajuisesti?
- Millä tehokkuudella kasvit muuntavat energiaa?
- Mitä eroja tehokkuuden välillä onassimilaatio, puhtaampi tuotanto ja ympäristötehokkuus?
- Miten ekosysteemit eroavat toisistaan biomassan tai autotrofisten organismien määrän suhteen?
- Kuinka paljon energiaa on ihmisten käytettävissä ja kuinka paljon käytämme?
Yritämme vastata niihin ainakin osittain tämän artikkelin puitteissa. Ensin käsitellään peruskäsitteitä. Joten ekosysteemin tuottavuus on prosessi, jossa orgaanista ainetta kertyy tietyssä tilavuudessa. Mitkä organismit ovat vastuussa tästä työstä?
Autotrofit ja heterotrofit
Tiedämme, että jotkut organismit pystyvät syntetisoimaan orgaanisia molekyylejä epäorgaanisista esiasteista. Niitä kutsutaan autotrofeiksi, mikä tarkoittaa "itsesyöttämistä". Itse asiassa ekosysteemien tuottavuus riippuu niiden toiminnasta. Autotrofeja kutsutaan myös alkutuottajiksi. Organismit, jotka pystyvät tuottamaan monimutkaisia orgaanisia molekyylejä yksinkertaisista epäorgaanisista aineista (vesi, CO2), kuuluvat useimmiten kasvien luokkaan, mutta joillain bakteereilla on sama kyky. Prosessia, jolla ne syntetisoivat orgaanisia aineita, kutsutaan fotokemialliseksi synteesiksi. Kuten nimestä voi päätellä, fotosynteesi vaatii auringonvaloa.
Meidän pitäisi mainita myös kemosynteesinä tunnettu reitti. Jotkut autotrofit, pääasiassa erikoistuneet bakteerit, voivat muuttaa epäorgaaniset ravinteet orgaanisiksi yhdisteiksi ilman auringonvaloa. Kemosynteettisiä aineita on useita ryhmiäbakteerit meressä ja makeassa vedessä, ja ne ovat erityisen yleisiä ympäristöissä, joissa rikkivetyä tai rikkiä on paljon. Kuten klorofylliä sisältävät kasvit ja muut fotokemialliseen synteesiin kykenevät organismit, kemosynteettiset organismit ovat autotrofeja. Ekosysteemin tuottavuus on kuitenkin pikemminkin kasvillisuuden aktiivisuutta, koska se on vastuussa yli 90 % orgaanisen aineksen kertymisestä. Kemosynteesillä on tässä suhteettoman pienempi rooli.
Sillä välin monet organismit voivat saada tarvitsemansa energian vain syömällä muita organismeja. Niitä kutsutaan heterotrofeiksi. Periaatteessa näihin kuuluvat kaikki samat kasvit (ne "syövät" myös valmiita orgaanisia aineita), eläimet, mikrobit, sienet ja mikro-organismit. Heterotrofeja kutsutaan myös "kuluttajiksi".
Kasvien rooli
Pääsääntöisesti sana "tuottavuus" viittaa tässä tapauksessa kasvien kykyyn varastoida tietty määrä orgaanista ainesta. Ja tämä ei ole yllättävää, koska vain kasviorganismit voivat muuttaa epäorgaaniset aineet orgaanisiksi. Ilman niitä itse elämä planeetallamme olisi mahdotonta, ja siksi ekosysteemin tuottavuutta tarkastellaan tästä näkökulmasta. Yleisesti ottaen kysymys on äärimmäisen yksinkertainen: kuinka paljon orgaanista ainetta kasvit voivat varastoida?
Mitkä biokenoosit ovat tuottavimpia?
Omituista kyllä, mutta ihmisen tekemät biokenoosit eivät ole kaukana tuottavimmista. Viidakot, suot, suurten trooppisten jokien selva tässä suhteessaovat kaukana edellä. Lisäksi nämä biokenoosit neutraloivat v altavan määrän myrkyllisiä aineita, jotka jälleen pääsevät luontoon ihmisen toiminnan seurauksena ja tuottavat myös yli 70% planeettamme ilmakehän sisältämästä hapesta. Muuten, monet oppikirjat väittävät edelleen, että Maan v altameret ovat tuottavin "leipäkori". Kummallista kyllä, mutta tämä väite on hyvin kaukana totuudesta.
Ocean Paradox
Tiedätkö, mihin merien ja v altamerien ekosysteemien biologista tuottavuutta verrataan? Puoliaavikoilla! Suuret biomassamäärät selittyvät sillä, että suurin osa planeetan pinta-alasta on vesistöissä. Joten toistuvasti ennustettu merten käyttö koko ihmiskunnan pääravinteiden lähteenä tulevina vuosina on tuskin mahdollista, koska sen taloudellinen kannattavuus on erittäin alhainen. Tämäntyyppisten ekosysteemien alhainen tuottavuus ei kuitenkaan vähennä v altamerten merkitystä kaikkien elävien olentojen kann alta, joten niitä on suojeltava mahdollisimman huolellisesti.
Nykyaikaiset ympäristönsuojelijat sanovat, että maatalousmaan mahdollisuudet eivät ole läheskään loppuneet, ja tulevaisuudessa niistä saadaan runsaampaa satoa. Erityisesti toivotaan riisipeltoja, jotka ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta voivat tuottaa v altavan määrän arvokasta orgaanista ainesta.
Perustietoa biologisten järjestelmien tuottavuudesta
Ekosysteemin kokonaistuottavuusmääräytyy fotosynteesin ja orgaanisten aineiden kertymisen nopeuden perusteella tietyssä biokenoosissa. Orgaanisen aineen massaa, joka syntyy aikayksikköä kohti, kutsutaan alkutuotannoksi. Se voidaan ilmaista kahdella tavalla: joko jouleina tai kasvien kuivamassassa. Bruttotuotanto on sen tilavuus, jonka kasviorganismit ovat luoneet tietyssä aikayksikössä fotosynteesiprosessin vakionopeudella. On muistettava, että osa tästä aineesta menee itse kasvien elintärkeään toimintaan. Jäljelle jäävä orgaaninen aines on ekosysteemin nettoprimäärinen tuottavuus. Hän menee ruokkimaan heterotrofeja, mukaan lukien sinä ja minä.
Onko alkutuotannossa "yläraja"?
Lyhyesti sanottuna kyllä. Katsotaanpa nopeasti, kuinka tehokas fotosynteesiprosessi periaatteessa on. Muista, että maan pinnan saavuttavan auringon säteilyn voimakkuus riippuu suuresti sijainnista: maksimaalinen energianpalautus on ominaista päiväntasaajan vyöhykkeille. Se pienenee eksponentiaalisesti, kun se lähestyy napoja. Noin puolet aurinkoenergiasta heijastuu jäässä, lumessa, v altamerissä tai aavikoissa, ja ilmakehän kaasut absorboivat sen. Esimerkiksi ilmakehän otsonikerros imee lähes kaiken ultraviolettisäteilyn! Vain puolet kasvien lehtiin osuvasta valosta käytetään fotosynteesireaktiossa. Ekosysteemien biologinen tuottavuus on siis seurausta merkityksettömän osan auringon energiasta muuntamisesta!
Mitä on jälkituotanto?
Toissijaisia tuotteita kutsutaan vastaavastikuluttajien (eli kuluttajien) kasvu tietyn ajan. Tietysti ekosysteemin tuottavuus riippuu heistä paljon vähemmässä määrin, mutta juuri tällä biomassalla on tärkein rooli ihmisen elämässä. On huomattava, että toissijaiset orgaaniset aineet lasketaan erikseen kullakin troofisella tasolla. Siten ekosysteemien tuottavuuden tyypit jaetaan kahteen tyyppiin: ensisijaiseen ja toissijaiseen.
Alkuperäisen ja toissijaisen tuotannon suhde
Kuten arvata saattaa, biomassan suhde kasvien kokonaismassaan on suhteellisen alhainen. Jopa viidakossa ja soilla tämä luku ylittää harvoin 6,5 %. Mitä enemmän nurmikasveja yhteisössä on, sitä suurempi orgaanisen aineksen kertymisnopeus ja sitä suurempi ero.
Orgaanisten aineiden muodostumisnopeudesta ja määrästä
Yleisesti primaarialkuperän orgaanisen aineen muodostumisnopeus riippuu täysin kasvien fotosynteesilaitteiston (PAR) tilasta. Laboratorio-olosuhteissa saavutettu fotosynteesin tehokkuuden maksimiarvo on 12 % PAR-arvosta. Luonnollisissa olosuhteissa 5 %:n arvoa pidetään erittäin korkeana, eikä sitä käytännössä tapahdu. Uskotaan, että maan päällä auringonvalon assimilaatio ei ylitä 0,1 %.
Alkutuotantojakelu
On huomattava, että luonnollisen ekosysteemin tuottavuus on erittäin epätasaista koko planeetalla. Kaiken orgaanisen aineen kokonaismassa, joka muodostuu vuosittainMaan pinta-ala on noin 150-200 miljardia tonnia. Muistatko, mitä sanoimme yllä olevien v altamerten tuottavuudesta? Joten 2/3 tästä aineesta muodostuu maalla! Kuvittele vain: jättimäiset, uskomattomat tilavuudet hydrosfääriä muodostavat kolme kertaa vähemmän orgaanista ainetta kuin pieni osa maata, josta suuri osa on aavikkoa!
Yli 90 % kertyneestä orgaanisesta aineesta käytetään muodossa tai toisessa heterotrofisten organismien ravinnoksi. Vain pieni osa aurinkoenergiasta varastoituu maaperän humuksen muodossa (sekä öljyn ja hiilen muodossa, joita muodostuu nykyäänkin). Maamme alueella biologisen primäärituotannon kasvu vaihtelee 20 sentistä hehtaarilta (Jäämeren lähellä) yli 200 sentteriin hehtaarilta Kaukasiassa. Aavikkoalueilla tämä arvo ei ylitä 20 c/ha.
Periaatteessa maailmamme viidellä lämpimällä mantereella tuotannon intensiteetti on käytännössä sama, melkein: Etelä-Amerikassa kasvillisuus kerää puolitoista kertaa enemmän kuiva-ainetta erinomaisten ilmasto-olosuhteiden vuoksi. Siellä luonnollisten ja keinotekoisten ekosysteemien tuottavuus on suurin.
Mikä ruokkii ihmisiä?
Noin 1,4 miljardia hehtaaria planeettamme pinnalla on viljeltykasviviljelmiä, jotka tarjoavat meille ruokaa. Tämä on noin 10 % kaikista planeetan ekosysteemeistä. Kummallista kyllä, mutta vain puolet tuloksena olevista tuotteista menee suoraan ihmisten ravintoon. Kaikki muu käytetään lemmikkieläinten ruokintaan ja meneeteollisen tuotannon tarpeet (ei liity elintarvikkeiden tuotantoon). Tiedemiehet ovat soittaneet hälytystä jo pitkään: planeettamme ekosysteemien tuottavuus ja biomassa voivat kattaa enintään 50 % ihmiskunnan proteiinitarpeesta. Yksinkertaisesti sanottuna puolet maailman väestöstä elää kroonisessa proteiinin nälässä.
Biosenoosit-ennätyksenh altijat
Kuten olemme jo todenneet, päiväntasaajan metsille on ominaista korkein tuottavuus. Ajattele vain: yhdelle hehtaarille tällaista biokenoosia voi pudota yli 500 tonnia kuiva-ainetta! Ja tämä on kaukana rajasta. Esimerkiksi Brasiliassa yksi hehtaari metsää tuottaa 1200-1500 tonnia (!) orgaanista ainesta vuodessa! Ajattele vain: orgaanista ainetta on jopa kaksi senttiä neliömetriä kohden! Tundrassa samalla alueella muodostuu enintään 12 tonnia ja keskivyöhykkeen metsissä - 400 tonnia. Näiden osien maatalousyritykset käyttävät aktiivisesti tätä: keinotekoisen ekosysteemin tuottavuutta sokerin muodossa ruokopellolla, jonne voi kertyä jopa 80 tonnia kuiva-ainetta hehtaaria kohden, missään muualla ei voi fyysisesti tuottaa tällaista satoa. Kuitenkin Orinocon ja Mississippin lahdet sekä jotkin Tšadin alueet eroavat niistä vähän. Täällä ekosysteemit "aputtavat" vuoden ajan jopa 300 tonnia aineita hehtaaria kohden!
Tulokset
Tuottavuuden arviointi tulisi siis tehdä pääaineen perusteella. Tosiasia on, että jälkituotanto on enintään 10% tästä arvosta, sen arvo vaihtelee suuresti, ja siksi yksityiskohtainen analyysitämä indikaattori on yksinkertaisesti mahdoton.
