Экологическая эффективность - Ecological efficiency

Экологическая эффективность описывает эффективность, с которой энергия передается с одного трофического уровня на другой. Это определяется сочетанием эффективности, связанной с приобретением и усвоением организмом ресурсов в экосистеме.

Передача энергии

Схема передачи энергии между трофическими уровнями

Первичная продукция происходит у автотрофных организмов экосистемы . Фотоавтотрофы, такие как сосудистые растения и водоросли, преобразуют энергию солнца в энергию, хранящуюся в виде углеродных соединений . Фотосинтез осуществляется в хлорофилле зеленых растений. Энергия, преобразованная в процессе фотосинтеза, проходит через трофические уровни экосистемы, поскольку организмы потребляют членов более низких трофических уровней.

Первичное производство можно разделить на валовое и чистое первичное производство. Валовая первичная продукция - это мера энергии, которую фотоавтотроф получает от солнца. Возьмем, к примеру, травинку, которая принимает от солнца x джоулей энергии. Часть этой энергии , которая преобразуется в глюкозу отражает валовую производительность лезвия травы. Энергия, остающаяся после дыхания, считается чистой первичной продукцией. В общем, валовое производство относится к энергии, содержащейся в организме до дыхания, а чистое производство - к энергии после дыхания. Эти термины могут использоваться для описания передачи энергии как у автотрофов, так и у гетеротрофов .

Передача энергии между трофическими уровнями обычно неэффективна, так что чистая продукция на одном трофическом уровне обычно составляет только 10% чистой продукции на предыдущем трофическом уровне ( закон десяти процентов ). Из-за нехищнической смерти, эгестии и клеточного дыхания значительное количество энергии теряется в окружающей среде вместо того, чтобы поглощаться потребителями для производства. Цифра приблизительно соответствует доле энергии, доступной после каждой стадии потери энергии в типичной экосистеме, хотя эти доли сильно различаются от экосистемы к экосистеме и от трофического уровня к трофическому уровню. Потеря энергии наполовину на каждом из этапов нехищной смерти, дефекации и дыхания типична для многих живых систем. Таким образом, чистая продукция на одном трофическом уровне примерно на десять процентов больше, чем на предшествующем трофическом уровне. ${\ Displaystyle 1/2 * 1/2 * 1/2 = 1/8}$

Например, предположим, что 500 единиц энергии производятся на трофическом уровне 1. Половина этой энергии теряется из-за нехищнической смерти, а другая половина (250 единиц) поглощается на трофическом уровне 2. Половина поглощенного количества выбрасывается. через дефекацию, оставляя другую половину (125 единиц) для усвоения организмом. Наконец, половина оставшейся энергии теряется при дыхании, а остальная часть (63 единицы) используется для роста и размножения. Эта энергия, затраченная на рост и воспроизводство, составляет чистую продукцию трофического уровня 1, равную единицам. ${\ displaystyle 500 * 1/2 * 1/2 * 1/2 = 63}$

Количественная оценка экологической эффективности

Экологическая эффективность - это комбинация нескольких связанных показателей эффективности, которые описывают использование ресурсов и степень преобразования ресурсов в биомассу .

• Эффективность эксплуатации - это количество съеденной пищи, деленное на количество добычи ( )${\ displaystyle I_ {n} / P_ {n-1}}$
• Эффективность ассимиляции - это количество усвоения, деленное на количество съеденной пищи ( )${\ displaystyle A_ {n} / I_ {n}}$
• Чистая эффективность производства - это количество потребительской продукции, деленное на объем ассимиляции ( )${\ displaystyle P_ {n} / A_ {n}}$
• Валовая эффективность производства - это эффективность ассимиляции, умноженная на чистую эффективность производства , которая эквивалентна количеству потребительского производства, деленному на количество потребляемого продукта ( )${\ displaystyle P_ {n} / I_ {n}}$
• Экологическая эффективность - это эффективность эксплуатации, умноженная на эффективность ассимиляции, умноженная на чистую эффективность производства, которая эквивалентна количеству потребительского производства, деленному на количество добычи добычи ( )${\ Displaystyle P_ {n} / P_ {n-1}}$

Теоретически легко рассчитать экологическую эффективность, используя приведенные выше математические соотношения. Однако часто бывает трудно получить точные измерения величин, участвующих в расчетах. Например, оценка приема пищи требует знания общего количества пищи, потребляемой в экосистеме, а также ее калорийности . Такое измерение редко бывает лучше, чем обоснованная оценка, особенно в отношении экосистем, которые в значительной степени недоступны для экологов и инструментов измерения. В результате экологическая эффективность экосистемы часто оказывается не лучше, чем приблизительная. С другой стороны, приближения может быть достаточно для большинства экосистем, где важно не получить точную меру эффективности, а скорее получить общее представление о том, как энергия проходит через свои трофические уровни .

Приложения

В сельскохозяйственной среде максимизация передачи энергии от производителя (продукты питания) к потребителю ( животноводство ) может принести экономические выгоды. Возникла подобласть сельскохозяйственной науки , изучающая методы мониторинга и повышения экологической и связанной с ней эффективности.

При сравнении чистой эффективности использования энергии крупным рогатым скотом, породы, исторически использовавшиеся для производства говядины , такие как герефорд , превзошли породы, выращиваемые для молочного производства , такие как голштинская, в преобразовании энергии из корма в запасенную энергию в виде ткани. Это результат того, что мясной скот накапливает больше жира, чем молочный, так как запасы энергии в виде протеина у обеих пород были на одном уровне. Это означает, что выращивание скота на убой является более эффективным использованием кормов, чем выращивание для производства молока.

Хотя можно повысить эффективность использования энергии животноводством, для мирового продовольственного вопроса жизненно важно также учитывать различия между животноводством и растениеводством. Концентрация калорий в жировых тканях выше, чем в тканях растений, что приводит к наиболее высокой энергетической концентрации организмов с высоким содержанием жира; однако энергия, необходимая для выращивания кормов для скота, лишь частично преобразуется в жировые клетки. Остальная часть энергии, потребляемой для выращивания кормов, вдыхается или выделяется домашним скотом и не может быть использована людьми.

Из 28 400 тераватт-часов (96,8 × 10 ¹⁵ БТЕ ) энергии, использованной в США в 1999 году, 10,5% было использовано в производстве продуктов питания, причем процентная доля приходилась на продукты питания как на трофических уровнях производителей, так и на первичных потребителях . При сравнении выращивания животных и растений наблюдается явная разница в величине энергоэффективности. Съедобные килокалории, полученные из килокалорий энергии, необходимой для выращивания, составляют: 18,1% для курицы, 6,7% для говядины травяного откорма, 5,7% для выращиваемого лосося и 0,9% для креветок. Напротив, картофель дает 123%, кукуруза дает 250%, а соя дает 415% потребляемых калорий, преобразованных в калории, которые могут быть использованы человеком. Это несоответствие в эффективности отражает сокращение производства при повышении трофических уровней. Таким образом, энергетически более эффективно формировать диету из более низких трофических уровней. ^ 

Закон десяти процентов

Десять процентов закона передачи энергии от одного трофического уровня к другим можно отнести к Раймонду Линдеману (1942), хотя Линдеман не называет это «законом» и привел экологическую эффективность в диапазоне от 0,1% до 37,5%. Согласно этому закону, во время передачи органической пищевой энергии с одного трофического уровня на следующий, более высокий уровень, только около десяти процентов передаваемой энергии сохраняется в виде мяса. Остальное теряется во время переноса, распадается при дыхании или теряется из-за неполного переваривания на более высоком трофическом уровне.

10% закон

Когда организмы потребляются, примерно 10% энергии пищи фиксируется в их плоти и доступно для следующего трофического уровня ( плотоядные или всеядные ). Когда плотоядное или всеядное, в свою очередь, потребляет это животное, только около 10% энергии фиксируется в его плоти для более высокого уровня.

Например, Солнце выделяет 10 000 Дж энергии, тогда растения получают только 100 Дж энергии от солнечного света (исключение - только 1% энергии у растений потребляется от солнца); после этого олень будет забирать у растения 10 Дж (10% энергии). Волк, поедающий оленя, потребляет только 1 Дж (10% энергии от оленя). Человек, поедающий волка, потребует 0,1 Дж (10% энергии волка) и т. Д.

Закон десяти процентов дает общее представление о цикличности пищевых цепочек. Более того, закон десяти процентов показывает неэффективность захвата энергии на каждом последующем трофическом уровне. Рациональный вывод состоит в том, что для сохранения энергоэффективности лучше всего закупать продукты питания как можно ближе к исходному источнику энергии.

Формула

Energy at n(th) level = (energy given by sun)/(10)^(n+1), 

а также,

Energy at n(th) level =  (energy given by plant)/(10)^(n-1)

Смотрите также

• Экоэффективность - экономическая эффективность, с которой человеческое общество использует экологические ресурсы.

Рекомендации