Экосистемные процессы и поток энергии

Все экосистемы функционируют за счет энергии, улавливаемой продуцентами и рассеиваемой по мере ее прохождения по пищевой цепи; отслеживание этого потока показывает, сколько жизни может поддерживать система.

Definition

Экосистемные процессы и поток энергии касаются улавливания, передачи и рассеивания энергии через трофическую структуру экосистемы, регулируемых термодинамикой и количественно оцениваемых через продуктивность и эффективность.

Scope

Эта тема охватывает энергетику экосистем: законы термодинамики в их применении к экологическим системам, фиксацию энергии автотрофами, ее передачу через пастбищные и детритные пути, ассимиляцию и экологическую эффективность, а также результирующие пирамиды энергии и биомассы. В ней рассматриваются стационарные запасы в сравнении с потоками и распределение энергии между продукцией, дыханием и потерями.

Core questions

• Как энергия улавливается и передается через экосистему?
• Почему передача энергии между трофическими уровнями неэффективна?
• Как пастбищные и детритные пути распределяют поток энергии?
• Что пирамиды энергии и биомассы показывают о структуре экосистемы?

Key theories

Трофико-динамический поток энергии

Энергия, фиксированная продуцентами, перемещается вверх по трофическим уровням со значительными потерями на дыхание и неполное потребление на каждом этапе, так что прогрессивно меньше энергии доступно для высших консументов.

Экологическая эффективность

Эффективность, с которой энергия преобразуется с одного трофического уровня на следующий, объединяет количество потребленной, ассимилированной и превращенной в новую биомассу пищи и обычно составляет около десяти процентов.

Mechanisms

Продуценты преобразуют солнечную энергию в химическую энергию посредством фотосинтеза, фиксируя валовую первичную продукцию, из которой они выделяют энергию в процессе дыхания, оставляя чистую первичную продукцию доступной для консументов. По мере того как энергия передается травоядным и плотоядным, эффективность потребления, эффективность ассимиляции и эффективность продукции уменьшают сохраняемую долю, в то время как непотребленный и выделенный материал поступает в детритный путь, где деструкторы большую его часть расходуют на дыхание. Поскольку второй закон термодинамики диктует, что каждая передача рассеивает энергию в виде тепла, система требует постоянного внешнего притока энергии и поддерживает ограниченное количество трофических уровней.

Clinical relevance

Анализ потока энергии лежит в основе оценки продуктивности экосистем, несущей способности для промысловых видов и энергетических затрат на производство продуктов питания. Это образовательный контекст, а не предписание по управлению.

History

Элтон ввел понятие пирамиды чисел в 1927 году, а Линдерман формализовал поток энергии через трофические уровни в 1942 году. Одумсы расширили эти идеи до количественной энергетики экосистем, а крупные полевые программы, такие как Международная биологическая программа, измеряли энергетические бюджеты в различных биомах.

Key figures

• Raymond Lindeman
• Charles Elton
• Eugene Odum
• Howard Odum

Seminal works

• lindeman1942
• chapin2011
• begon2006

Frequently asked questions

Почему только около десяти процентов энергии передается на каждый следующий трофический уровень?

Большая часть энергии на каждом уровне используется для дыхания, теряется в виде тепла или никогда не потребляется, поэтому лишь малая часть преобразуется в новую биомассу, доступную для следующего уровня.

В чем разница между валовой и чистой первичной продукцией?

Валовая первичная продукция — это общая энергия, фиксированная продуцентами, тогда как чистая первичная продукция — это то, что остается после собственного дыхания продуцентов и является энергией, фактически доступной для консументов.