7.5 ПЕРВИННА ПРОДУКЦІЯ ЕКОСИСТЕМИ
Основним джерелом енергії у біосфері є енергія сонячного випромінювання, яка надходить до земної поверхні (суходолу або акваторії). До верхньої межі атмосфери (вважається межею біосфери) надходить порівняно стала величина сонячної енергії – 8,123 Дж●хв/см-2. По мірі проходження крізь атмосферу поглинається в середньому 66% енергії. В результаті на рівні моря середньоземна величина сонячної енергії становить 5,44 Дж●хв/см-2 (або 0,86 кВт●год/м2). Кількість сонячної енергії в конкретному регіоні залежить від кута падіння променів, відбивання від поверхні (альбедо), прозорості атмосфери.
Проте, лише 45% цієї енергії становить видиме світло (400-700 нм), але з цього діапазону лише близько 50% енергії є фотосинтетично активною радіацією (ФАР). Вищі рослини практично не поглинають блакитні, зелені та жовті хвилі. Для кількісної характеристики фотосинтезу використовують коефіцієнт ефективності фотосинтезу, який розраховується як відношення поглинутої енергії ФАР до кількості енергії синтезованих органічних речовин (умовно вважають, що для синтезу 1 г глюкози необхідно 26 кДж). Проте, ефективність фотосинтезу також обмежується дефіцитом біогенних елементів та вологи, несприятливим впливом температури.
Розподіл надходження сонячної енергії до поверхні Землі (у кВт●год/м2). Зверніть увагу на значну нерівномірність за півкулями
Максимально можлива ефективність фотосинтезу 10-12% від енергії ФАР (у лабораторних умовах). Найвищою ефективністю фотосинтезу характеризується цукрова тростина (Saccharum officinarum) – 6%, яка відносить до рослин з С4-фотосинтезом. Проте максимальної ефективності С4-фотосинтез досягає лише за температури повітря 30-45оС, у той час як звичайні рослини з С3-фотосинтезом характеризуються максимумом за 20-25оС (ефективність до 4,6%).
На території України ефективність фотосинтезу сільськогосподарських культур с С4-фотосинтезом (ячмінь, озима пшениця, кукурудза) не перевищує 1,2-2,0% (за умов інтенсивної агротехнології). Ефективність фотосинтезу природних фітоценозів в середньому не перевищує 1%. Глобальні розрахунки показують, що в біосфері поглинається не більше 0,2% всієї доступної кількості ФАР на Землі (фотосинтез фітопланктону характеризується низькою ефективністю)!
Ефективність фотосинтезу для рослин з різними фотосинтетичними системами
Зверніть увагу, що найвищою первинною продукцією характеризуються амфибіонтні екосистеми, розташовані на межі водного середовища та суходолу (естуарії, прибережні екосистеми, болота). Це свідчить про те, що основним обмежуючим фактором продуктивності екосистем є не кількість сонячної енергії, що надходить до поверхні Землі, а доступність води. Агрокультура цукрової тростини та рисові чеки, для яких є характерною максимальна ефективність фотосинтезу, також відносяться до амфибіонтних екосистем. Близькою первинною продуктивністю характеризуються вологі тропічні ліси. Проте, основний внесок у формування первинної продукції біосфери мають екосистеми відкритого океану завдяки їх величезній площі. Дещо нижчою перинною продуктивністю характеризуються тропічні та бореальні ліси. Роль амфибіонтних екосистем у біосферних процесах є незначною через їх локальність. Проте в історії розвитку біосфери існували тривалі періоди, коли поверхня планети була вкрита переважно амфібіонтними екосистемами. Саме у ці періоди було нагромаджено основну кількість вуглецьвмісних корисних копалин (вугілля, нафта, газ)
Середня питома первинна продуктивність основних екосистем (на 1 м2) та їх внесок до первинної продукції біосфери
Реконструкція наземної екосистеми кам'яновугільного періоду (358.9–298.9 млн років тому), коли було накопичено основну маску вуглецьвмісних корисних копалин. Можна бачити домінування амфібіонтних екосистем
