Продуктивность сообщества

Определения и обозначения

Продуктивность сообщества — скорость образования органического вещества за определённое время на заданной площади или в заданном объёме. Её выражают, например, в граммах на квадратный метр за год (г/м² за год) или в граммах на кубический метр за сутки. Такая единица позволяет сравнивать сообщества, если для них указаны одинаковые площадь и промежуток времени.

Первичная продуктивность — образование органического вещества автотрофами, главным образом растениями, в процессе фотосинтеза. Автотрофы создают органику из неорганических веществ, поэтому именно с их деятельностью начинается поступление вещества в большинство пищевых цепей. Это понятие помогает отделить продукцию растений от продукции организмов, питающихся готовой органикой.

Валовая первичная продукция — всё органическое вещество, образованное автотрофами за время фотосинтеза, включая часть, израсходованную ими на дыхание. Иными словами, это общий результат фотосинтеза до вычета затрат растений. Показатель нужен, чтобы оценить, сколько органики растения создали в целом.

Чистая первичная продукция — часть валовой продукции, которая остаётся после затрат автотрофов на дыхание и может использоваться другими организмами сообщества. Её находят как разность между валовой продукцией и затратами на дыхание. Именно этот показатель показывает, сколько органического вещества остаётся для роста растений и питания консументов и редуцентов.

Как это устроено

Первичная продукция возникает благодаря фотосинтезу: растения используют солнечную энергию, воду и углекислый газ, чтобы образовать органические вещества. Свет служит источником энергии для превращений, а вода и углекислый газ поставляют вещества, из которых строится органика. Поэтому без достаточного освещения и необходимых исходных веществ фотосинтез, а вместе с ним и образование первичной продукции, ограничены.

Не вся органика, созданная растениями, остаётся в их тканях: часть веществ расходуется на дыхание. При дыхании растения получают энергию для жизненных процессов, поэтому эти затраты необходимы самим автотрофам. Валовая продукция учитывает весь результат фотосинтеза, а чистая — только остаток после дыхания; следовательно, чистая первичная продукция всегда меньше валовой или, в предельном случае, равна ей.

Чистая первичная продукция служит источником пищи и энергии для консументов — организмов, питающихся другими организмами, — и редуцентов, разлагающих органические остатки. Однако при передаче вещества по пищевой цепи не вся энергия пищи превращается в новую биомассу: организмы тратят её на дыхание, движение и другие процессы, а часть рассеивается в виде тепла. Поэтому до следующего трофического уровня обычно доходит меньше энергии, и продуктивность последующих уровней, как правило, ниже.

Вторичная продуктивность связана с образованием органического вещества гетеротрофами из потреблённой пищи. Она зависит от того, сколько и какой корм доступен организмам, а также от того, какая часть пищи усваивается и какая расходуется на дыхание и другие нужды. Если кормов мало или на жизнедеятельность уходит большая доля усвоенных веществ, образование новой биомассы уменьшается.

Продуктивность разных сообществ неодинакова, потому что условия для фотосинтеза и роста в них различаются. При достатке света, воды и минеральных веществ растения обычно могут образовать больше органики, а подходящая температура поддерживает их жизненные процессы. Важна также продолжительность вегетационного периода — времени активного роста растений: чем дольше он длится при благоприятных условиях, тем больше времени есть для накопления продукции.

Виды продуктивности сообщества

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, кто образует органическое вещество: автотрофы или гетеротрофы. Если речь о растениях, выясните, учитываются ли затраты на дыхание: это поможет различить валовую и чистую продукцию. При сравнении чисел проверьте, совпадают ли единицы площади и времени.

Разбор задач

Задача 1. Растения сообщества образовали за год 1200 г органического вещества на 1 м², а на дыхание израсходовали 450 г. Нужно найти чистую первичную продукцию. Данные уже приведены для одной и той же площади и одного периода, поэтому их можно вычитать напрямую.

1. Определяем валовую первичную продукцию: 1200 г/м² за год. Это общее количество органики, образованное растениями.
2. Вычитаем затраты на дыхание: 1200 − 450 = 750. Вычитание показывает оставшуюся после дыхания часть продукции.
3. Записываем единицы исходных величин, поскольку результат относится к той же площади и тому же времени: 750 г/м² за год.

Ответ: чистая первичная продукция равна 750 г/м² за год. Она показывает количество органического вещества, оставшегося после дыхания растений.

Задача 2. Чистая первичная продукция участка составляет 800 г/м² за год, площадь участка — 25 м². Требуется определить массу органического вещества, образованного на всём участке за год. Здесь продуктивность дана на каждый квадратный метр, поэтому её нужно распространить на всю площадь.

1. Записываем продуктивность: на 1 м² за год образуется 800 г органического вещества. Временной интервал уже задан и при вычислении не меняется.
2. Умножаем продуктивность на площадь: 800 × 25 = 20 000. Так находим общее количество для всех 25 квадратных метров.
3. Указываем итоговую единицу — граммы за год, потому что площадь уже учтена умножением: 20 000 г за год.

Ответ: на участке за год образуется 20 000 г, или 20 кг, органического вещества. Результат относится ко всему участку, а не к одному квадратному метру.

Задача 3. Валовая первичная продукция сообщества равна 1500 г/м² за год, а растения расходуют на дыхание 40% валовой продукции. Нужно найти чистую продукцию и объяснить её смысл. Сначала вычисляем неиспользованную часть нельзя: сперва найдём именно затраты на дыхание, а затем вычтем их из валовой продукции.

1. Находим затраты на дыхание: 1500 × 0,40 = 600 г/м² за год. Число 0,40 соответствует 40% от валовой продукции.
2. Вычитаем полученные затраты: 1500 − 600 = 900 г/м² за год. Это количество органики, которое остаётся после дыхания.
3. Проверяем смысл результата: чистая продукция должна быть меньше валовой, и 900 меньше 1500. Единицы площади и времени сохраняются.

Ответ: чистая первичная продукция равна 900 г/м² за год. Она показывает количество органического вещества, доступного другим организмам сообщества после затрат растений на дыхание.

Типичные ошибки

Ошибка — считать валовую и чистую первичную продукцию одинаковыми. Так можно рассуждать, если не учитывать, что растения расходуют органику на дыхание; проверьте, вычтены ли эти затраты. Чистая продукция должна быть меньше валовой, если дыхание происходило.

Не следует путать продуктивность с запасом биомассы. Это случается потому, что оба показателя описывают органическое вещество, но продуктивность относится к его образованию за время, а биомасса показывает запас в конкретный момент. Для проверки спросите себя: указано ли, сколько вещества образовалось за год или другой период?

Образование органики животными нельзя называть первичной продуктивностью. Первичную продукцию создают автотрофы, а животные получают готовые органические вещества с пищей и относятся к гетеротрофам. Чтобы проверить термин, определите, образует ли организм органику самостоятельно или использует уже готовую.

Нельзя сравнивать значения продуктивности, не учитывая площадь и время. Например, показатель на квадратный метр за год нельзя напрямую сопоставить с показателем на гектар за месяц. Перед сравнением приведите данные к одинаковым единицам площади и времени — так вы убедитесь, что различие связано с продуктивностью, а не способом записи.

Связь с другими темами

Для понимания продуктивности нужны знания о фотосинтезе и дыхании: первое создаёт органику, второе расходует её часть. Понятия биомассы и пищевых цепей помогают отличить запас вещества от скорости его образования и проследить дальнейшую передачу органики организмам. Тема продуктивности объясняет потоки вещества и энергии по трофическим уровням и помогает сравнивать экосистемы. Эти представления используют при изучении круговорота веществ, экологических пирамид и хозяйственного использования природных ресурсов.

Что запомнить

• Продуктивность — образование органического вещества за определённое время на заданной площади или в заданном объёме.
• Первичную продукцию создают автотрофы.
• Валовая первичная продукция включает всё органическое вещество, образованное при фотосинтезе.
• Чистая первичная продукция равна валовой продукции за вычетом затрат на дыхание.
• Чистая первичная продукция доступна другим организмам сообщества.
• Вторичную продуктивность создают гетеротрофы из потреблённой пищи.