Biologische Produktivität des Ökosystems

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-02-12 05:35

Jedes Jahr erschöpfen die Menschen die Ressourcen des Planeten mehr und mehr. Es ist nicht verwunderlich, dass in letzter Zeit eine Einschätzung darüber, wie viele Ressourcen eine bestimmte Biozönose bereitstellen kann, von großer Bedeutung geworden ist. Heutzutage ist die Produktivität des Ökosystems von entscheidender Bedeutung bei der Wahl einer Art der Bewirtschaftung, da die wirtschaftliche Machbarkeit der Arbeit direkt von der erzielbaren Produktionsmenge abhängt.

Hier sind die wichtigsten Fragen, mit denen Wissenschaftler heute konfrontiert sind:

• Wie viel Sonnenenergie ist verfügbar und wie viel wird von Pflanzen aufgenommen, wie wird sie gemessen?
• Welche Arten von Ökosystemen sind die produktivsten und produzieren die meiste Primärproduktion?
• Welche Faktoren begrenzen die Primärproduktion lokal und global?
• Wie effizient wandeln Pflanzen Energie um?
• Was sind die Unterschiede zwischen EffizienzAssimilation, sauberere Produktion und Umwelteffizienz?
• Wie unterscheiden sich Ökosysteme in der Menge an Biomasse oder im Volumen autotropher Organismen?
• Wie viel Energie steht den Menschen zur Verfügung und wie viel verbrauchen wir?

Wir werden versuchen, sie im Rahmen dieses Artikels zumindest teilweise zu beantworten. Beschäftigen wir uns zunächst mit den Grundkonzepten. Die Produktivität eines Ökosystems ist also der Prozess der Akkumulation von organischem Material in einem bestimmten Volumen. Welche Organismen sind für diese Arbeit verantwortlich?

Autotrophe und Heterotrophe

Wir wissen, dass einige Organismen in der Lage sind, organische Moleküle aus anorganischen Vorläufern zu synthetisieren. Sie werden Autotrophe genannt, was „selbstfressend“bedeutet. Tatsächlich hängt die Produktivität von Ökosystemen von ihren Aktivitäten ab. Autotrophe werden auch als Primärproduzenten bezeichnet. Organismen, die in der Lage sind, komplexe organische Moleküle aus einfachen anorganischen Substanzen (Wasser, CO2) herzustellen, gehören meistens zur Klasse der Pflanzen, aber einige Bakterien haben die gleiche Fähigkeit. Der Prozess, mit dem sie organische Stoffe synthetisieren, wird als photochemische Synthese bezeichnet. Wie der Name schon sagt, benötigt die Photosynthese Sonnenlicht.

Wir sollten auch den Weg erwähnen, der als Chemosynthese bekannt ist. Einige Autotrophe, hauptsächlich spezialisierte Bakterien, können ohne Zugang zum Sonnenlicht anorganische Nährstoffe in organische Verbindungen umwandeln. Es gibt mehrere Gruppen von ChemosynthetikaBakterien in Meer- und Süßwasser, und sie kommen besonders häufig in Umgebungen mit einem hohen Geh alt an Schwefelwasserstoff oder Schwefel vor. Wie Chlorophyll-tragende Pflanzen und andere Organismen, die zur photochemischen Synthese befähigt sind, sind chemosynthetische Organismen Autotrophe. Die Produktivität des Ökosystems ist jedoch eher die Aktivität der Vegetation, da sie für die Ansammlung von mehr als 90% der organischen Substanz verantwortlich ist. Die Chemosynthese spielt dabei eine ungleich geringere Rolle.

Inzwischen können viele Organismen die Energie, die sie benötigen, nur durch den Verzehr anderer Organismen erh alten. Sie werden Heterotrophe genannt. Dazu gehören im Prinzip alle Pflanzen (sie „fressen“auch fertige organische Stoffe), Tiere, Mikroben, Pilze und Kleinstlebewesen. Heterotrophe werden auch "Verbraucher" genannt.

Die Rolle der Pflanzen

In der Regel bezieht sich das Wort "Produktivität" in diesem Fall auf die Fähigkeit von Pflanzen, eine bestimmte Menge an organischer Substanz zu speichern. Und das ist nicht verwunderlich, denn nur pflanzliche Organismen können anorganische Stoffe in organische umwandeln. Ohne sie wäre das Leben auf unserem Planeten unmöglich, und daher wird die Produktivität des Ökosystems von dieser Position aus betrachtet. Im Allgemeinen ist die Frage sehr einfach: Wie viel organische Substanz können Pflanzen also speichern?

Welche Biozönosen sind die produktivsten?

Seltsamerweise sind menschengemachte Biozönosen bei weitem nicht die produktivsten. Dschungel, Sümpfe, Selva großer tropischer Flüsse in dieser Hinsichtsind weit voraus. Darüber hinaus neutralisieren diese Biozönosen eine große Menge giftiger Substanzen, die wiederum durch menschliche Aktivitäten in die Natur gelangen, und produzieren auch mehr als 70% des in der Atmosphäre unseres Planeten enth altenen Sauerstoffs. In vielen Lehrbüchern heißt es übrigens immer noch, die Ozeane der Erde seien die ertragreichsten „Brotkörbe“. Seltsamerweise, aber diese Aussage ist sehr weit von der Wahrheit entfernt.

Ozean-Paradoxon

Wissen Sie, womit die biologische Produktivität der Ökosysteme der Meere und Ozeane verglichen wird? Mit Halbwüsten! Große Mengen an Biomasse erklären sich aus der Tatsache, dass Wasserflächen den größten Teil der Erdoberfläche einnehmen. So ist die immer wieder prognostizierte Nutzung der Meere als Hauptnährstoffquelle der gesamten Menschheit in den kommenden Jahren kaum möglich, da die wirtschaftliche Machbarkeit äußerst gering ist. Die geringe Produktivität dieser Art von Ökosystem schmälert jedoch in keiner Weise die Bedeutung der Ozeane für das Leben aller Lebewesen, weshalb sie so sorgfältig wie möglich geschützt werden müssen.

Moderne Umweltschützer sagen, dass die Möglichkeiten der landwirtschaftlichen Flächen noch lange nicht ausgeschöpft sind und wir in Zukunft reichere Ernten daraus ziehen können. Besondere Hoffnungen werden auf Reisfelder gesetzt, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften Unmengen an wertvoller organischer Substanz produzieren können.

Grundlagen zur Produktivität biologischer Systeme

Gesamtproduktivität des Ökosystemswird durch die Rate der Photosynthese und Akkumulation organischer Substanzen in einer bestimmten Biozönose bestimmt. Die Masse an organischer Substanz, die pro Zeiteinheit entsteht, nennt man Primärproduktion. Es kann auf zwei Arten ausgedrückt werden: entweder in Joule oder in der Trockenmasse von Pflanzen. Die Bruttoproduktion ist das Volumen, das von Pflanzenorganismen in einer bestimmten Zeiteinheit bei einer konstanten Rate des Photosyntheseprozesses erzeugt wird. Es sollte daran erinnert werden, dass ein Teil dieser Substanz für die lebenswichtige Aktivität der Pflanzen selbst verwendet wird. Die verbleibende organische Substanz ist die Nettoprimärproduktivität des Ökosystems. Sie ist es, die Heterotrophe füttert, zu denen Sie und ich gehören.

Gibt es eine "Obergrenze" für die Primärproduktion?

Kurz gesagt, ja. Werfen wir einen kurzen Blick darauf, wie effizient der Prozess der Photosynthese im Prinzip ist. Denken Sie daran, dass die Intensität der Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, stark vom Standort abhängt: Die maximale Energierückgabe ist charakteristisch für die äquatorialen Zonen. Sie nimmt exponentiell ab, wenn sie sich den Polen nähert. Etwa die Hälfte der Sonnenenergie wird von Eis, Schnee, Ozeanen oder Wüsten reflektiert und von Gasen in der Atmosphäre absorbiert. Beispielsweise absorbiert die Ozonschicht der Atmosphäre fast die gesamte ultraviolette Strahlung! Nur die Hälfte des Lichts, das auf die Blätter von Pflanzen trifft, wird für die Photosynthesereaktion verwendet. Die biologische Produktivität von Ökosystemen ist also das Ergebnis der Umwandlung eines unbedeutenden Teils der Sonnenenergie!

Was ist Sekundärproduktion?

Dementsprechend werden Folgeprodukte genanntdas Wachstum der Verbraucher (dh Verbraucher) für einen bestimmten Zeitraum. Natürlich hängt die Produktivität des Ökosystems in viel geringerem Maße von ihnen ab, aber es ist diese Biomasse, die die wichtigste Rolle im menschlichen Leben spielt. Es ist zu beachten, dass sekundäre organische Stoffe auf jeder Trophieebene separat berechnet werden. Daher werden die Arten der Ökosystemproduktivität in zwei Arten unterteilt: primäre und sekundäre.

Verhältnis Primär- und Sekundärproduktion

Wie Sie sich vorstellen können, ist das Verhältnis von Biomasse zur gesamten Pflanzenmasse relativ gering. Selbst im Dschungel und in den Sümpfen übersteigt diese Zahl selten 6,5 %. Je mehr krautige Pflanzen in der Gesellschaft vorhanden sind, desto höher ist die Akkumulationsrate organischer Substanz und desto größer ist die Diskrepanz.

Über Geschwindigkeit und Volumen der Bildung organischer Substanzen

Im Allgemeinen hängt die Grenzbildungsrate von organischem Material primären Ursprungs vollständig vom Zustand des photosynthetischen Apparats der Pflanzen (PAR) ab. Der unter Laborbedingungen erreichte Maximalwert der Photosyntheseeffizienz beträgt 12 % des PAR-Wertes. Unter natürlichen Bedingungen gilt ein Wert von 5 % als extrem hoch und tritt praktisch nicht auf. Es wird angenommen, dass auf der Erde die Assimilation von Sonnenlicht 0,1 % nicht überschreitet.

Primäre Produktionsverteilung

Es sollte beachtet werden, dass die Produktivität des natürlichen Ökosystems auf der ganzen Welt äußerst ungleich ist. Die Gesamtmasse aller organischen Stoffe, die jährlich neu gebildet werdenOberfläche der Erde, beträgt etwa 150-200 Milliarden Tonnen. Erinnern Sie sich, was wir über die Produktivität der Ozeane oben gesagt haben? 2/3 dieser Substanz werden also an Land gebildet! Stellen Sie sich vor: gigantische, unglaubliche Volumen der Hydrosphäre bilden dreimal weniger organische Materie als ein winziger Teil des Landes, von dem ein großer Teil Wüste ist!

Mehr als 90 % der angesammelten organischen Substanz in der einen oder anderen Form wird als Nahrung für heterotrophe Organismen verwendet. Nur ein winziger Bruchteil der Sonnenenergie wird in Form von Bodenhumus (sowie Öl und Kohle, die heute noch entstehen) gespeichert. Auf dem Territorium unseres Landes variiert die Zunahme der biologischen Primärproduktion von 20 Zentnern pro Hektar (in der Nähe des Arktischen Ozeans) bis zu mehr als 200 Zentnern pro Hektar im Kaukasus. In Wüstengebieten übersteigt dieser Wert 20 c/ha nicht.

Auf den fünf warmen Kontinenten unserer Erde ist die Produktionsintensität im Prinzip praktisch gleich, fast: In Südamerika sammelt die Vegetation aufgrund hervorragender klimatischer Bedingungen anderthalbmal mehr Trockenmasse an. Dort ist die Produktivität natürlicher und künstlicher Ökosysteme maximal.

Was ernährt die Menschen?

Ungefähr 1,4 Milliarden Hektar auf der Oberfläche unseres Planeten sind Plantagen von Kulturpflanzen, die uns mit Nahrung versorgen. Das sind ungefähr 10 % aller Ökosysteme auf der Erde. Seltsamerweise geht aber nur die Hälfte der resultierenden Produkte direkt in die menschliche Ernährung. Alles andere wird als Tiernahrung verwendet und geht andie Bedürfnisse der industriellen Produktion (nicht im Zusammenhang mit der Produktion von Lebensmitteln). Wissenschaftler schlagen seit langem Alarm: Die Produktivität und Biomasse der Ökosysteme unseres Planeten kann nicht mehr als 50 % des Proteinbedarfs der Menschheit decken. Einfach ausgedrückt, die Hälfte der Weltbevölkerung lebt unter chronischem Eiweißmangel.

Biozönosen-Rekordh alter

Wie wir bereits gesagt haben, zeichnen sich äquatoriale Wälder durch die höchste Produktivität aus. Denken Sie nur einmal darüber nach: Auf einen Hektar einer solchen Biozönose können mehr als 500 Tonnen Trockenmasse fallen! Und das ist weit von der Grenze entfernt. In Brasilien zum Beispiel produziert ein Hektar Wald 1200 bis 1500 Tonnen (!) organisches Material pro Jahr! Denken Sie nur: Auf einen Quadratmeter kommen bis zu zwei Zentner organische Substanz! In der Tundra auf der gleichen Fläche werden nicht mehr als 12 Tonnen gebildet und in den Wäldern des Mittelgürtels - innerhalb von 400 Tonnen. Landwirtschaftliche Unternehmen in diesen Teilen nutzen dies aktiv: die Produktivität eines künstlichen Ökosystems in Form von Zucker Zuckerrohrfeld, das bis zu 80 Tonnen Trockenmasse pro Hektar ansammeln kann, kann nirgendwo sonst physisch solche Erträge produzieren. Die Buchten von Orinoco und Mississippi sowie einige Gebiete des Tschad unterscheiden sich jedoch kaum von ihnen. Hier „geben“die Ökosysteme ein Jahr lang bis zu 300 Tonnen Stoffe pro Hektar Fläche ab!

Ergebnisse

Daher sollte die Bewertung der Produktivität auf Basis der Ausgangssubstanz erfolgen. Tatsache ist, dass die Sekundärproduktion nicht mehr als 10% dieses Wertes ausmacht, ihr Wert stark schwankt und daher eine detaillierte Analysedieser Indikator ist einfach unmöglich.