Агроэкосистемы

В своих энергетических потребностях зависят от удаленных от них районах. Важная часть - автотрофный компонент, в отличие от городов

1. Субсидируемые экосистемы

2. Разнообразие организмов, используемых в них, резко ограничено

3. Используемые виды ранее были подвержены искусственному отбору. Эти системы не устойчивы. В агросистемах 10% - пахотные земли, 20 % - пастбища. Больше земли на планете нет, пригодной для агропромысла, 60% агроэкосистемы доиндустриального периода. Остальные 40% - интенсивно механизированные агроэкосистемы.

9.03.2010

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

- активность любой экосистемы зависит от количества поступающих в нее энергии, воды и биогенных элементов. Распределение этих параметров в масштабе биосферы регулируется процессами преобразования солнечной энергии, гидрологическим и газовыми циклами, а также геологическими циклами различных минералов.

Поступающая от солнца энергия изменяется в зависимости от широты и времени года.

Солнечная постоянная: 1380 Вт/м^2

подписи: Вт/м2, время - декабрь, март, июнь, сентябрь, широты - 80, 40, 0 (снизу вверх)

Максимум по вертикали 350, потом 280 (минимум синуса), 210 (середина для 40), 70 (середина для 80).

На экваторе - синус с периодом в год

Поскольку преобразование поступания от солнца энергии зависит от различных механизмов ее трансформации в физических и экосистемах, то в биосистемы поступает гораздо меньше энергии, чем поступает на верхний слой атмосферы (солнечная постоянная):

- отражается газами и облаками 31%

- переизлучается облаками 14%, атмосферой 11%

- отражается земной поверхностью 4%

- поглощается атмосферой 14%

Прямая солнечная радиация, доходящая до поверхности земли - 26%

То есть до поверхности Земли доходит в сумме 51% солнечной энергии.

Большая часть солнечной энергии, поглощаемая водоемами и почвой расходуется на испарение воды. Когда вода конденсируется, тепло, выделяемое при этом, нагревает атмосферу.

41% - видимый диапазон,

50% - инфракрасное

9% - ультрафиолет

До поверхности из видимого диапазона доля 70%, доля других - 30%

Вид функции плотности диапазонов:

(потанинский блокнот, рис.9.3)

Приблизительно 20% ИК поглощается пылью, CO2 и паром Н2О атмосферы -- поглощенная энергия превращается в тепло, разогрев атмосферы.

Гибельное УФ не достигает поверхности Земли, поглощаясь атмосферным озоном на высотах более 30 км.

Атмосфера относительно прозрачна для коротковолнового излучения, но поглощает переизлученную поверхностью земли длинноволновую радиацию, что приводит к достаточно сильному нагреву приземных слоев воздуха -- парниковый эффект.

Альбедо поверхности: Qотр/Q

альбедо снега - 0.7-0.8

альбедо хвойного леса - 0.14

альбедо пустыни - 0.3

Остальная часть энергии поглощается экосистемой.

Кроме прямой и рассеянной солнечной радиации поступает еще и собственная ИК атмосферы: зависит от температуры, влажности и др.свойств атмосферы (например, концентрация co2).

Таким образом, можно записать уравнение радиационного баланса:

Ba - излучение атмосферы

B0 - ик излучение самой системы = дельта*сигма*(температура в степени 4)

дельта - коэф.относительного лучеиспускания

сигма - коэф.Стефана-Больцмана

Уравнение показывает обеспеченность энергией системы.

(рис.9.3.2, потанинка)

R = H + G + L*E + F

H - нагрев экосистемы

G - турбулентная теплопередача в атмосферу

L - скрытая теплота парообразования

E - интенсивность парообразования

F - фотосинтез

(рис. 9.3.3 потанинка)

В ночное время суток R отрицательное: днем растения синтезируют органику, потребляя энергию, а ночью расходуют запасенную энергию, выделения кислорода не происходит.

Основная часть энергии переизлучается.

Эффективность потока солнечной энергии очень мала.

Таким образом, из всей поступающей энергии:

30% отражается,

46% прямо превращается в тепло,

23% испарения и осадки,

0.2% ветер, волны и течения,

0.8% фотосинтез.

КОНЦЕПЦИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ

Первичная продуктивность - это скорость, с которой лучистая энергия (видимого диапазона) усваивается организмами-продуцентами (автотрофами) в процессе фото- и семосинтеза накаприваясь в форме органических веществ.

Компоненты продуктивности:

1) валовая первичная продуктивность - общая скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые израсходованы на дыхание.

2) чистая первичная продуктивность - скорость накопления органического вещества за исключением использованного на дыхание.

3) чистая продуктивность сообщества - скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами.

4) вторичная продуктивность - скорость накопления энергии на уровнях консументов.

Пример: мировое распределение первичной продукции (*10^3 ккал/м2/год)

пустыни <0.5

луга, пастбища 0.5-3.0

леса, агросистемы 3-10

эстуарии 10-25

океанический шельф 0.5-3

океан 1.0

Теоретический максимум (идеальные условия) 50

Глобальная продукция и распад

100 млн.тонн органики\год создается, и примерно столько же окисляется, превращаясь в со2 и воду.

Порядка млрд лет назад было преобладание органического синтеза над дыханием. 300 млн лет назад - максимум этого превышения.

За последние 60 млн лет выработалось флуктуирующее стационарное состояние между синтезом и распадом органической продукции.

Основа глобальной продукции - процесс фотосинтеза

6СО2 + 6Н2О --> С6Н12О6 + 6О2

На каждый 1грамм ассимилированного углерода расходуется 9.3 ккал.

Процесс фотосинтеза совершенно одинаков у всех зеленых растений.

В отличие от зеленых растений, синтезирующие бактерии получают водород из сернистого водорода:

12Н2S +6CO2 --> C6H12O6 + 6H2O + 12S

Эти две формулы - формулы жизни.

Эффективность фотосинтеза имеет величину 1-2%

У сернистых бактерий порядка 20%

3 основных механизма реализации фотосинтеза: (разница в промежуточных реакциях)

1) C3 - пентозофосфатный путь

2) путь C4 - дикарбоновых ксилот

3) кислотный метаболизм толстянковых

(рис.9.3.4 потанинка)

10.03.2010

C4 -- небольшое фотодыхание; фотосинтез не ингибируется (не подавляется) кислородом; при больших температурах максимальная урожайность: на 1 грамм ассимилированного C (сухого вещества) расходуется 400 грамм воды (то есть крайне экономичны по сравнению с С3).

С3 -- процесс ингибируется кислородом; на 1 грамм С - 400-1000 грамм воды.

Солнечная константа 1358 Вт\м2 -> до поверхности 910, из них 420 - фотосинтетически активная радиация (ФАР)-> 85% от 420 поглощается растениями, при этом 95% из поглощенной энергии - нагрев растительного покрова и лишь 5% усваивается в процессе фотосинтеза.

КПД фотосинтеза для сообществ:

лесная - 2-3.5% -- 50-80% на дыхание

с/х - 1-2% -- 40% на дыхание

фитопланктон - 0.5% -- 30-40% на дыхание