Биологическая продуктивность

Биологическая продуктивность — это способность природных сообществ (экосистем) или отдельных их компонентов поддерживать определённую скорость воспроизводства входящих в их состав живых организмов. Количественной мерой биологической продуктивности служит величина продукции (биомассы), создаваемой за единицу времени. Материально-энергетическую основу биологической продуктивности составляет первичная продукция — органическое вещество, создаваемое автотрофами (в основном растениями) в процессе фотосинтеза.

Круговорот веществ в природных сообществах возможен благодаря тому, что они включают организмы с разным типом питания, связанные в трофические цепи:

• Первичную продукцию (фитомассу) потребляют растительноядные животные (консументы I порядка).
• Ими, в свою очередь, питаются хищники (консументы II и последующих порядков).
• Отмершее органическое вещество (детрит) служит источником энергии для животных-сапрофагов, сапрофитных бактерий и грибов — деструкторов (или редуцентов), которые разлагают его до неорганических соединений.

Биологическая продуктивность — одно из ключевых проявлений биотического круговорота веществ. Однако важно понимать фундаментальное различие между веществом и энергией в этом процессе:

• Вещество циклично: неорганические элементы могут бесконечно переходить из среды в организмы и обратно.
• Энергия используется для работы только один раз. При переходе с одного трофического уровня на другой значительная её часть рассеивается в виде тепла (в соответствии со вторым законом термодинамики).

Поэтому поток энергии в ряду последовательных трофических уровней неуклонно снижается. На каждом звене пищевой цепи:

1. Часть потреблённой пищи не усваивается и выводится из организма.
2. Из усвоенной части лишь меньшая доля идёт на прирост биомассы (продукцию).
3. Основная часть усвоенной энергии расходуется на энергетический обмен (дыхание, поддержание жизнедеятельности).

В результате продукция каждого последующего трофического уровня обычно в 5–10 раз меньше продукции предыдущего. Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше продукция её конечных звеньев. В наземных экосистемах уменьшается не только продукция, но и биомасса от уровня к уровню (например, биомасса растений значительно превышает биомассу травоядных, а та — биомассу хищников).

Сравнительную оценку биологической продуктивности различных экосистем проводят по величинам их первичной продукции.

• Суммарную годовую первичную продукцию суши Земли оценивают примерно в 179,5 млрд тонн сухого органического вещества, что эквивалентно ~70 × 10¹⁶ ккал.
• Годовая первичная продукция Мирового океана оценивается приблизительно в 25–80 × 10¹⁶ ккал.

Практическое значение

• Определение биологической продуктивности сельскохозяйственных земель (агробиоценозов) имеет важное экономическое значение для прогнозирования урожайности и оптимизации землепользования.
• Изучение биологической продуктивности природных систем — необходимая научная основа для рационального использования, охраны и обеспечения воспроизводства биологических ресурсов планеты.

Современный контекст

Современная экология использует более точные методы оценки продуктивности (спутниковый мониторинг, моделирование потоков углерода) и учитывает влияние глобальных изменений. Актуальные оценки чистой первичной продукции (NPP) суши варьируются, но сходятся в диапазоне ~105–120 млрд тонн углерода в год, а океана — ~45–55 млрд тонн углерода в год (Field et al., 1998; IPCC reports). Подчёркивается критическая роль продуктивности экосистем в глобальном цикле углерода и смягчении последствий изменения климата.