Iga aastaga kahandavad inimesed planeedi ressursse üha enam. Pole üllatav, et viimasel ajal on muutunud väga oluliseks hinnang selle kohta, kui palju ressursse konkreetne biotsenoos pakkuda suudab. Tänapäeval on majandamisviisi valikul määrava tähtsusega ökosüsteemi tootlikkus, kuna töö majanduslik otstarbekus sõltub otseselt saadava toodangu kogusest.
Siin on peamised küsimused, millega teadlased täna silmitsi seisavad:
- Kui palju päikeseenergiat on saadaval ja kui palju taimed seda omastavad, kuidas seda mõõdetakse?
- Millist tüüpi ökosüsteemid on kõige tootlikumad ja toodavad kõige rohkem esmast toodangut?
- Millised tegurid piiravad esmast tootmist kohalikul ja ülemaailmsel tasandil?
- Millise efektiivsusega taimed energiat muundavad?
- Millised erinevused on tõhususe vahelassimilatsioon, puhtam tootmine ja keskkonnatõhusus?
- Kuidas erinevad ökosüsteemid biomassi või autotroofsete organismide mahu poolest?
- Kui palju energiat on inimestele saadaval ja kui palju me seda kasutame?
Püüame neile selle artikli raames vähem alt osaliselt vastata. Esiteks käsitleme põhimõisteid. Seega on ökosüsteemi tootlikkus teatud mahus orgaanilise aine kogunemise protsess. Millised organismid selle töö eest vastutavad?
Autotroofid ja heterotroofid
Me teame, et mõned organismid on võimelised sünteesima anorgaanilistest lähteainetest orgaanilisi molekule. Neid nimetatakse autotroofideks, mis tähendab "isetoitmist". Tegelikult sõltub ökosüsteemide tootlikkus nende tegevusest. Autotroofe nimetatakse ka esmatootjateks. Organismid, mis on võimelised lihtsatest anorgaanilistest ainetest (vesi, CO2) tootma keerulisi orgaanilisi molekule, kuuluvad enamasti taimede klassi, kuid mõnel bakteril on sama võime. Protsessi, mille käigus nad orgaanilisi aineid sünteesivad, nimetatakse fotokeemiliseks sünteesiks. Nagu nimigi ütleb, vajab fotosüntees päikesevalgust.
Peaksime mainima ka kemosünteesina tuntud rada. Mõned autotroofid, peamiselt spetsialiseerunud bakterid, suudavad anorgaanilisi toitaineid orgaanilisteks ühenditeks muuta ilma päikesevalguse juurdepääsuta. Kemosünteetilisi aineid on mitu rühmabakterid meres ja magevees ning eriti levinud on need kõrge vesiniksulfiidi või väävlisisaldusega keskkondades. Nagu klorofülli kandvad taimed ja muud fotokeemiliseks sünteesiks võimelised organismid, on ka kemosünteetilised organismid autotroofid. Ökosüsteemi tootlikkus on aga pigem taimestiku aktiivsus, kuna just tema vastutab enam kui 90% orgaanilise aine kogunemise eest. Kemosüntees mängib selles ebaproportsionaalselt väiksemat rolli.
Samas saavad paljud organismid vajaliku energia kätte vaid teisi organisme süües. Neid nimetatakse heterotroofideks. Põhimõtteliselt hõlmavad need samad taimed (nad "söövad" ka valmis orgaanilist ainet), loomad, mikroobid, seened ja mikroorganismid. Heterotroofe nimetatakse ka "tarbijateks".
Taimede roll
Reeglina viitab sõna "tootlikkus" antud juhul taimede võimele talletada teatud kogust orgaanilist ainet. Ja see pole üllatav, sest ainult taimeorganismid suudavad anorgaanilisi aineid orgaanilisteks muuta. Ilma nendeta oleks elu ise meie planeedil võimatu ja seetõttu käsitletakse ökosüsteemi tootlikkust sellelt positsioonilt. Üldiselt on küsimus äärmiselt lihtne: kui palju orgaanilist ainet suudavad taimed talletada?
Millised biotsenoosid on kõige produktiivsemad?
Kummalisel kombel, kuid inimese loodud biotsenoosid pole kaugeltki kõige produktiivsemad. Džunglid, sood, suurte troopiliste jõgede selva sellega seoseson kaugel ees. Lisaks neutraliseerivad just need biotsenoosid tohutul hulgal toksilisi aineid, mis taas inimtegevuse tulemusena satuvad loodusesse ja toodavad ka üle 70% meie planeedi atmosfääris sisalduvast hapnikust. Muide, paljudes õpikutes on siiani kirjas, et Maa ookean on kõige produktiivsem "leivakorv". Kummalisel kombel on see väide tõest väga kaugel.
Ookeani paradoks
Kas teate, millega võrreldakse merede ja ookeanide ökosüsteemide bioloogilist produktiivsust? Poolkõrbetega! Biomassi suured kogused on seletatavad asjaoluga, et suurema osa planeedi pinnast hõivavad veelaiused. Seega on merede kui kogu inimkonna peamise toitainete allika lähiaastatel ennustatud kasutamine vaev alt võimalik, kuna selle majanduslik otstarbekus on äärmiselt madal. Seda tüüpi ökosüsteemi madal tootlikkus ei vähenda aga kuidagi ookeanide tähtsust kõigi elusolendite elu jaoks, mistõttu tuleb neid kaitsta nii hoolik alt kui võimalik.
Kaasaegsed keskkonnakaitsjad ütlevad, et põllumaa võimalused pole veel kaugeltki ammendunud ning tulevikus saame neilt ka rikkalikumaid saake. Erilised lootused on pandud riisipõldudele, mis oma ainulaadsete omaduste tõttu võivad toota tohutul hulgal väärtuslikku orgaanilist ainet.
Põhiteave bioloogiliste süsteemide tootlikkuse kohta
Ökosüsteemi üldine tootlikkusmäärab fotosünteesi kiirus ja orgaaniliste ainete kogunemine konkreetses biotsenoosis. Ajaühikus tekkivat orgaanilise aine massi nimetatakse esmaseks tootmiseks. Seda saab väljendada kahel viisil: kas džaulides või taimede kuivas massis. Kogutoodang on taimeorganismide poolt teatud ajaühikus fotosünteesiprotsessi konstantsel kiirusel loodud kogus. Tuleb meeles pidada, et osa sellest ainest läheb taimede endi elutähtsaks tegevuseks. Ülejäänud orgaaniline aine on ökosüsteemi esmane puhastootlikkus. Just tema läheb toitma heterotroofe, sealhulgas sina ja mina.
Kas esmatootmisel on "ülemine piir"?
Lühid alt öeldes jah. Vaatame lühid alt, kui tõhus on fotosünteesi protsess põhimõtteliselt. Tuletame meelde, et maapinnale jõudva päikesekiirguse intensiivsus sõltub suuresti asukohast: maksimaalne energiatagastus on iseloomulik ekvatoriaalvöönditele. Poolustele lähenedes väheneb see eksponentsiaalselt. Ligikaudu pool päikeseenergiast peegeldub jääl, lumel, ookeanidel või kõrbetel ning neeldub atmosfääri gaasides. Näiteks atmosfääri osoonikiht neelab peaaegu kogu ultraviolettkiirguse! Fotosünteesireaktsioonis kasutatakse ära ainult pool valgusest, mis taimede lehti tabab. Seega on ökosüsteemide bioloogiline tootlikkus päikeseenergia ebaolulise osa muundamise tulemus!
Mis on sekundaarne tootmine?
Vastav alt sekundaarseid tooteid nimetataksetarbijate (st tarbijate) kasv teatud aja jooksul. Loomulikult sõltub ökosüsteemi tootlikkus neist palju vähemal määral, kuid just sellel biomassil on inimese elus kõige olulisem roll. Tuleb märkida, et sekundaarsed orgaanilised ained arvutatakse igal troofilisel tasemel eraldi. Seega jagunevad ökosüsteemi produktiivsuse tüübid kahte tüüpi: esmane ja sekundaarne.
Esmase ja teisese tootmise suhe
Nagu võite arvata, on biomassi ja taimede kogumassi suhe suhteliselt madal. Isegi džunglis ja soodes ületab see näitaja harva 6,5%. Mida rohkem on koosluses rohttaimi, seda suurem on orgaanilise aine kogunemise kiirus ja seda suurem on lahknevus.
Orgaaniliste ainete moodustumise kiiruse ja mahu kohta
Üldiselt sõltub primaarse päritoluga orgaanilise aine moodustumise piirkiirus täielikult taimede fotosünteesiaparaadi (PAR) seisundist. Fotosünteesi efektiivsuse maksimaalne väärtus, mis saavutati laboritingimustes, on 12% PAR väärtusest. Looduslikes tingimustes peetakse 5% väärtust äärmiselt kõrgeks ja seda praktiliselt ei esine. Arvatakse, et Maal ei ületa päikesevalguse assimilatsioon 0,1%.
Esmane toodangu levitamine
Tuleb märkida, et loodusliku ökosüsteemi tootlikkus on kogu planeedil äärmiselt ebaühtlane. Kogu orgaanilise aine kogumass, mis moodustub aastasMaa pinnal on umbes 150-200 miljardit tonni. Kas mäletate, mida me eespool ookeanide tootlikkuse kohta ütlesime? Niisiis, 2/3 sellest ainest moodustub maismaal! Kujutage vaid ette: hüdrosfääri hiiglaslikud, uskumatud mahud moodustavad kolm korda vähem orgaanilist ainet kui väike osa maismaast, millest suur osa on kõrbed!
Üle 90% kogunenud orgaanilisest ainest ühel või teisel kujul kasutatakse heterotroofsete organismide toiduks. Vaid väike osa päikeseenergiast salvestub mullahuumusena (nagu ka nafta ja kivisöe kujul, mis moodustuvad tänapäevalgi). Meie riigi territooriumil varieerub esmase bioloogilise toodangu kasv 20 sentimeetrist hektari kohta (Jäämere lähedal) kuni enam kui 200 sentimeetrini hektari kohta Kaukaasias. Kõrbealadel ei ületa see väärtus 20 c/ha.
Põhimõtteliselt on meie maailma viiel soojal mandril tootmise intensiivsus praktiliselt sama, peaaegu sama: Lõuna-Ameerikas kogub taimestik suurepäraste kliimatingimuste tõttu poolteist korda rohkem kuivainet. Seal on looduslike ja tehisökosüsteemide tootlikkus maksimaalne.
Mis inimesi toidab?
Umbes 1,4 miljardil hektaril meie planeedi pinnal on kultuurtaimede istandused, mis varustavad meid toiduga. See on ligikaudu 10% kõigist planeedi ökosüsteemidest. Kummalisel kombel läheb ainult pool saadud toodetest otse inimtoiduks. Kõik muu kasutatakse lemmikloomatoiduna ja lähebtööstusliku tootmise vajadused (ei ole seotud toiduainete tootmisega). Teadlased on juba pikka aega löönud häirekella: meie planeedi ökosüsteemide tootlikkus ja biomass ei suuda katta rohkem kui 50% inimkonna valguvajadusest. Lihtsam alt öeldes elab pool maailma elanikkonnast kroonilise valgunälja tingimustes.
Biotsenooside rekordiomanikud
Nagu me juba ütlesime, iseloomustab ekvatoriaalmetsi kõrgeim tootlikkus. Mõelge vaid: sellise biotsenoosi ühele hektarile võib langeda üle 500 tonni kuivainet! Ja see pole kaugeltki piir. Näiteks Brasiilias toodab üks hektar metsa aastas 1200–1500 tonni (!) orgaanilist ainet! Mõelda vaid: orgaanilist ainet on kuni kaks senti ruutmeetri kohta! Samas piirkonnas asuvas tundras ei moodustu rohkem kui 12 tonni ja keskmise vööndi metsades - 400 tonni piires. Nende osade põllumajandusettevõtted kasutavad seda aktiivselt: tehisökosüsteemi tootlikkust suhkru kujul. roopõldu, kuhu võib hektarilt koguneda kuni 80 tonni kuivainet, ei suuda kusagil mujal füüsiliselt sellist saaki anda. Orinoco ja Mississippi lahed ning ka mõned Tšaadi piirkonnad erinevad neist aga vähe. Siin annavad ökosüsteemid aasta jooksul välja kuni 300 tonni aineid ala hektari kohta!
Tulemused
Seega tuleks tootlikkuse hindamine toimuda põhiaine alusel. Fakt on see, et sekundaarne tootmine ei moodusta rohkem kui 10% sellest väärtusest, selle väärtus kõigub suuresti ja seetõttu on üksikasjalik analüüssee näitaja on lihts alt võimatu.
