Năng suất sinh học hệ sinh thái

2024 Tác giả: Henry Conors | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-12 14:35

Mỗi năm, con người ngày càng cạn kiệt các nguồn tài nguyên của hành tinh. Không có gì đáng ngạc nhiên khi gần đây việc đánh giá về lượng tài nguyên mà một phương pháp vi sinh vật học cụ thể có thể cung cấp đã trở nên vô cùng quan trọng. Ngày nay, năng suất của hệ sinh thái có tầm quan trọng quyết định khi lựa chọn một cách quản lý, vì tính khả thi về mặt kinh tế của công việc phụ thuộc trực tiếp vào số lượng sản xuất có thể thu được.

Đây là những câu hỏi chính mà các nhà khoa học phải đối mặt ngày nay:

Có bao nhiêu năng lượng mặt trời và bao nhiêu được thực vật đồng hóa, nó được đo lường như thế nào?
Loại hệ sinh thái nào có năng suất cao nhất và tạo ra sản lượng sơ cấp nhất?
Những yếu tố nào hạn chế sản xuất sơ cấp tại địa phương và toàn cầu?
Hiệu suất mà nhà máy chuyển đổi năng lượng là gì?
Sự khác biệt giữa hiệu quả là gìđồng hóa, sản xuất sạch hơn và hiệu quả môi trường?
Các hệ sinh thái khác nhau như thế nào về lượng sinh khối hoặc khối lượng sinh vật tự dưỡng?
Con người có bao nhiêu năng lượng và chúng ta sử dụng bao nhiêu?

Chúng tôi sẽ cố gắng giải đáp ít nhất một phần nào đó trong khuôn khổ bài viết này. Đầu tiên, chúng ta hãy giải quyết các khái niệm cơ bản. Vì vậy, năng suất của hệ sinh thái là quá trình tích lũy chất hữu cơ với một khối lượng nhất định. Những sinh vật nào chịu trách nhiệm cho công việc này?

Sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng

Chúng ta biết rằng một số sinh vật có khả năng tổng hợp các phân tử hữu cơ từ các tiền chất vô cơ. Chúng được gọi là sinh vật tự dưỡng, có nghĩa là "tự ăn". Trên thực tế, năng suất của các hệ sinh thái phụ thuộc vào các hoạt động của chúng. Sinh vật tự dưỡng còn được gọi là sinh vật sản xuất sơ cấp. Những sinh vật có khả năng tạo ra các phân tử hữu cơ phức tạp từ các chất vô cơ đơn giản (nước, CO2) thường thuộc lớp thực vật, nhưng một số vi khuẩn cũng có khả năng tương tự. Quá trình chúng tổng hợp các chất hữu cơ được gọi là quá trình tổng hợp quang hóa. Như tên cho thấy, quang hợp cần ánh sáng mặt trời.

Chúng ta cũng nên đề cập đến con đường được gọi là tổng hợp hóa học. Một số sinh vật tự dưỡng, chủ yếu là vi khuẩn chuyên biệt, có thể chuyển đổi các chất dinh dưỡng vô cơ thành các hợp chất hữu cơ mà không cần tiếp cận với ánh sáng mặt trời. Có một số nhóm chất tổng hợp hóa họcvi khuẩn trong nước biển và nước ngọt, và chúng đặc biệt phổ biến trong môi trường có hàm lượng hydro sunfua hoặc lưu huỳnh cao. Giống như thực vật mang diệp lục và các sinh vật khác có khả năng tổng hợp quang hóa, sinh vật quang tổng hợp là sinh vật tự dưỡng. Tuy nhiên, năng suất của hệ sinh thái đúng hơn là hoạt động của thảm thực vật, vì chính nó là người chịu trách nhiệm tích lũy hơn 90% chất hữu cơ. Quá trình tổng hợp hóa học đóng một vai trò nhỏ hơn một cách không cân xứng trong việc này.

Trong khi đó, nhiều sinh vật chỉ có thể nhận được năng lượng cần thiết bằng cách ăn các sinh vật khác. Chúng được gọi là sinh vật dị dưỡng. Về nguyên tắc, chúng bao gồm tất cả các loại thực vật giống nhau (chúng cũng “ăn” chất hữu cơ làm sẵn), động vật, vi sinh, nấm và vi sinh vật. Sinh vật dị dưỡng còn được gọi là "sinh vật tiêu thụ".

Vai trò của thực vật

Theo quy luật, từ "năng suất" trong trường hợp này dùng để chỉ khả năng dự trữ một lượng chất hữu cơ nhất định của thực vật. Và điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì chỉ có sinh vật thực vật mới có thể chuyển hóa các chất vô cơ thành hữu cơ. Nếu không có chúng, bản thân sự sống trên hành tinh của chúng ta sẽ là không thể, và do đó năng suất của hệ sinh thái được xem xét từ vị trí này. Nói chung, câu hỏi cực kỳ đơn giản: vậy thực vật có thể dự trữ bao nhiêu chất hữu cơ?

Loại tiêm sinh học nào hiệu quả nhất?

Thật kỳ lạ, nhưng tiêm sinh học do con người tạo ra còn lâu mới mang lại hiệu quả cao nhất. Rừng rậm, đầm lầy, vùng biển của các con sông nhiệt đới lớn về mặt nàyđang ở phía trước. Ngoài ra, chính những biocenose này đã vô hiệu hóa một lượng lớn các chất độc hại xâm nhập vào tự nhiên do hoạt động của con người, đồng thời tạo ra hơn 70% lượng oxy có trong bầu khí quyển của hành tinh chúng ta. Nhân tiện, nhiều sách giáo khoa vẫn nói rằng các đại dương trên Trái đất là "ổ bánh mì" có năng suất cao nhất. Thật kỳ lạ, nhưng tuyên bố này rất xa sự thật.

Nghịch lý Đại dương

Bạn có biết năng suất sinh học của các hệ sinh thái biển và đại dương được so sánh như thế nào không? Với bán sa mạc! Khối lượng sinh khối lớn được giải thích là do nước chiếm phần lớn bề mặt hành tinh. Vì vậy, việc sử dụng biển được dự đoán nhiều lần như là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng chính cho toàn nhân loại trong những năm tới là khó khả thi, vì tính khả thi về kinh tế của điều này là cực kỳ thấp. Tuy nhiên, năng suất thấp của loại hệ sinh thái này không làm giảm đi tầm quan trọng của đại dương đối với sự sống của mọi sinh vật, vì vậy chúng cần được bảo vệ cẩn thận nhất có thể.

Các nhà bảo vệ môi trường hiện đại nói rằng khả năng đất nông nghiệp còn lâu mới bị cạn kiệt, và trong tương lai chúng ta sẽ có thể thu được nhiều thu hoạch dồi dào hơn từ chúng. Những hy vọng đặc biệt được đặt vào những cánh đồng lúa, nơi có thể tạo ra một lượng lớn chất hữu cơ có giá trị do những đặc tính độc đáo của chúng.

Thông tin cơ bản về năng suất của hệ thống sinh học

Năng suất tổng thể của hệ sinh tháiđược xác định bởi tốc độ quang hợp và tích lũy các chất hữu cơ trong một sinh vật học cụ thể. Khối lượng chất hữu cơ được tạo ra trong một đơn vị thời gian được gọi là sản lượng sơ cấp. Nó có thể được thể hiện theo hai cách: hoặc ở dạng Joules, hoặc ở dạng khô của thực vật. Tổng sản lượng là khối lượng do sinh vật thực vật tạo ra trong một đơn vị thời gian nhất định, với tốc độ không đổi của quá trình quang hợp. Cần nhớ rằng một phần của chất này sẽ tự đi đến các hoạt động sống của cây. Chất hữu cơ còn lại là năng suất sơ cấp thuần của hệ sinh thái. Chính cô ấy là người đi nuôi các sinh vật dị dưỡng, bao gồm cả bạn và tôi.

Có "giới hạn trên" đối với sản xuất chính không?

Nói tóm lại là có. Chúng ta hãy cùng xem xét hiệu quả của quá trình quang hợp về nguyên tắc như thế nào. Nhớ lại rằng cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất phụ thuộc nhiều vào vị trí: năng lượng trở lại cực đại là đặc trưng của các đới xích đạo. Nó giảm theo cấp số nhân khi tiến đến các cực. Khoảng một nửa năng lượng mặt trời bị phản xạ bởi băng, tuyết, đại dương hoặc sa mạc và bị hấp thụ bởi các chất khí trong khí quyển. Ví dụ, tầng ôzôn của khí quyển hấp thụ gần như toàn bộ bức xạ tia cực tím! Chỉ một nửa lượng ánh sáng chiếu vào lá cây được sử dụng trong phản ứng quang hợp. Vì vậy, năng suất sinh học của các hệ sinh thái là kết quả của việc chuyển đổi một phần không đáng kể năng lượng của mặt trời!

Sản xuất thứ cấp là gì?

Theo đó, các sản phẩm thứ cấp được gọi làsự tăng trưởng của người tiêu dùng (tức là người tiêu dùng) trong một khoảng thời gian nhất định. Tất nhiên, năng suất của hệ sinh thái phụ thuộc vào chúng ở mức độ ít hơn nhiều, nhưng chính sinh khối này mới đóng vai trò quan trọng nhất đối với đời sống con người. Cần lưu ý rằng các sinh vật hữu cơ thứ cấp được tính toán riêng biệt ở mỗi cấp độ dinh dưỡng. Do đó, các loại năng suất của hệ sinh thái được chia thành hai loại: sơ cấp và thứ cấp.

Tỷ lệ sản xuất chính và phụ

Như bạn có thể đoán, tỷ lệ sinh khối trên tổng khối lượng thực vật tương đối thấp. Ngay cả trong rừng rậm và đầm lầy, con số này hiếm khi vượt quá 6,5%. Càng nhiều cây thân thảo trong quần xã, tỷ lệ tích lũy chất hữu cơ càng cao và sự khác biệt càng lớn.

Về tốc độ và khối lượng hình thành các chất hữu cơ

Nói chung, tốc độ giới hạn hình thành các chất hữu cơ có nguồn gốc nguyên sinh hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái của bộ máy quang hợp của thực vật (PAR). Giá trị tối đa của hiệu suất quang hợp, đạt được trong điều kiện phòng thí nghiệm, là 12% giá trị PAR. Trong điều kiện tự nhiên, giá trị 5% được coi là cực kỳ cao và thực tế không xảy ra. Người ta tin rằng trên Trái đất, sự đồng hóa của ánh sáng mặt trời không vượt quá 0,1%.

Phân phối sản xuất chính

Cần lưu ý rằng năng suất của hệ sinh thái tự nhiên rất không đồng đều trên khắp hành tinh. Tổng khối lượng của tất cả các chất hữu cơ được hình thành hàng năm vàobề mặt Trái đất, khoảng 150-200 tỷ tấn. Hãy nhớ những gì chúng ta đã nói về năng suất của các đại dương ở trên? Vì vậy, 2/3 chất này được hình thành trên đất liền! Chỉ cần tưởng tượng: khối lượng khổng lồ, đáng kinh ngạc của thủy quyển tạo thành chất hữu cơ ít hơn ba lần so với một phần nhỏ của đất liền, một phần lớn trong số đó là sa mạc!

Hơn 90% chất hữu cơ tích lũy ở dạng này hay dạng khác được sử dụng làm thức ăn cho các sinh vật dị dưỡng. Chỉ một phần rất nhỏ năng lượng mặt trời được lưu trữ dưới dạng mùn đất (cũng như dầu và than, những thứ đang được hình thành cho đến ngày nay). Trên lãnh thổ nước ta, sự gia tăng sản lượng sinh học sơ cấp dao động từ 20% / ha (gần Bắc Băng Dương) đến hơn 200% / ha ở Caucasus. Ở các vùng sa mạc, giá trị này không vượt quá 20 c / ha.

Về nguyên tắc, trên năm lục địa ấm áp trên thế giới của chúng ta, cường độ sản xuất gần như giống nhau: ở Nam Mỹ, thảm thực vật tích lũy chất khô nhiều gấp rưỡi, do điều kiện khí hậu tuyệt vời. Ở đó, năng suất của các hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo là tối đa.

Những gì cung cấp cho mọi người?

Khoảng 1,4 tỷ ha trên bề mặt hành tinh của chúng ta là những đồn điền của các loài thực vật cung cấp thực phẩm cho chúng ta. Đây là khoảng 10% của tất cả các hệ sinh thái trên hành tinh. Thật kỳ lạ, nhưng chỉ một nửa số sản phẩm thu được đi trực tiếp vào thực phẩm của con người. Mọi thứ khác được sử dụng làm thức ăn cho vật nuôi và đi đếnnhu cầu của sản xuất công nghiệp (không liên quan đến sản xuất các sản phẩm thực phẩm). Các nhà khoa học đã gióng lên hồi chuông cảnh báo từ lâu: năng suất và sinh khối của các hệ sinh thái trên hành tinh của chúng ta có thể cung cấp không quá 50% nhu cầu protein của nhân loại. Nói một cách đơn giản, một nửa dân số thế giới sống trong điều kiện đói protein triền miên.

Người nắm giữ hồ sơ sinh học

Như chúng ta đã nói, rừng xích đạo được đặc trưng bởi năng suất cao nhất. Chỉ cần nghĩ về nó: hơn 500 tấn vật chất khô có thể rơi vào một ha của một vùng đất ngập nước sinh học như vậy! Và điều này là xa giới hạn. Ví dụ ở Brazil, một ha rừng sản xuất từ 1200 đến 1500 tấn (!) Chất hữu cơ mỗi năm! Chỉ cần nghĩ rằng: có tới hai phần trăm chất hữu cơ trên một mét vuông! Trong các vùng lãnh nguyên trên cùng một diện tích, không quá 12 tấn được hình thành và trong các khu rừng ở vành đai giữa - trong vòng 400 tấn. Các doanh nghiệp nông nghiệp ở những vùng đó tích cực sử dụng điều này: năng suất của một hệ sinh thái nhân tạo dưới dạng đường ruộng mía, có thể tích lũy đến 80 tấn chất khô / ha, không nơi nào có thể tạo ra năng suất vật chất như vậy. Tuy nhiên, các vịnh Orinoco và Mississippi, cũng như một số khu vực của Chad, có chút khác biệt với chúng. Ở đây, trong một năm, các hệ sinh thái “thải ra” tới 300 tấn chất trên một ha diện tích!

Kết quả

Vì vậy, việc đánh giá năng suất nên được thực hiện trên cơ sở chất chính. Thực tế là sản xuất thứ cấp không quá 10% giá trị này, giá trị của nó dao động rất lớn, do đó cần phân tích chi tiếtchỉ số này đơn giản là không thể.