Экологическая эффективность

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

Передача энергии

Первичная продукция происходит у автотрофных организмов экосистемы . Фотоавтотрофы, такие как сосудистые растения и водоросли, преобразуют энергию Солнца в энергию, запасаемую в виде соединений углерода . Фотосинтез осуществляется в хлорофилле зеленых растений. Энергия, преобразованная в результате фотосинтеза, переносится через трофические уровни экосистемы, поскольку организмы потребляют представителей более низких трофических уровней.

Первичную продукцию можно разделить на валовую и чистую первичную продукцию. Валовая первичная продукция — это мера энергии, которую фотоавтотроф собирает от Солнца. Возьмем, к примеру, травинку, которая поглощает x джоулей энергии Солнца. Доля этой энергии , которая преобразуется в глюкозу, отражает валовую продуктивность травинки. Энергия, оставшаяся после дыхания, считается чистой первичной продукцией. В общем, валовая продукция относится к энергии, содержащейся в организме до дыхания, а чистая продукция — к энергии после дыхания. Эти термины можно использовать для описания переноса энергии как у автотрофов, так и у гетеротрофов .

Перенос энергии между трофическими уровнями обычно неэффективен , так что чистая продукция на одном трофическом уровне обычно составляет только 10% от чистой продукции на предыдущем трофическом уровне ( закон десяти процентов ). Из-за нехищной смерти, выделения и клеточного дыхания значительное количество энергии теряется в окружающей среде вместо того, чтобы поглощаться потребителями для производства. Эта цифра приблизительно соответствует доле энергии, доступной после каждого этапа потери энергии в типичной экосистеме, хотя эти доли сильно различаются от экосистемы к экосистеме и от трофического уровня к трофическому уровню. Потеря энергии в полтора раза на каждом из этапов мирной смерти, дефекации и дыхания типична для многих живых систем. Таким образом, чистая продукция на одном трофическом уровне равна $1/2*1/2*1/2=1/8$ или примерно десять процентов от трофического уровня перед ним.

Например, предположим, что трофический уровень 1 производит 500 единиц энергии. Половина из этого количества теряется в результате гибели животных, а другая половина (250 единиц) поглощается трофическим уровнем 2. Половина поглощенного количества выводится из организма. через дефекацию , оставляя вторую 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, затрачиваемая на рост и размножение, составляет чистую продукцию трофического уровня 1, которая равна $500*1/2*1/2*1/2=63$ единицы.

Количественная оценка экологической эффективности

Экологическая эффективность представляет собой комбинацию нескольких взаимосвязанных показателей эффективности, которые описывают использование ресурсов и степень их преобразования в биомассу . ^{[ 1 ]}

Эффективность эксплуатации — это количество потребляемой пищи , деленное на количество добычи добычи ( $I_{n}/P_{n-1}$ )
Эффективность ассимиляции – это количество ассимиляции, деленное на количество потребляемой пищи ( $A_{n}/I_{n}$ )
Чистая эффективность производства — это объем потребительского производства, разделенный на объем ассимиляции ( $P_{n}/A_{n}$ )
Валовая эффективность производства — это эффективность ассимиляции, умноженная на чистую эффективность производства , которая эквивалентна объему потребительского производства, разделенному на объем потребления ( $P_{n}/I_{n}$ )
Экологическая эффективность - это эффективность эксплуатации, умноженная на эффективность ассимиляции, умноженная на чистую эффективность производства, которая эквивалентна объему потребительского производства, деленному на объем добычи добычи ( $P_{n}/P_{n-1}$ )

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

Приложения

В сельском хозяйстве максимальная передача энергии от производителя (продукты питания) к потребителю ( животноводство ) может принести экономические выгоды. отрасль сельскохозяйственной науки Возникла , которая исследует 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 герефордская , превзошли породы, содержащиеся для производства молочных продуктов , такие как голштинская, в преобразовании энергии из корма в запасенную энергию в виде тканей. ^{[ 2 ]} Это результат того, что мясной скот накапливает больше жира, чем молочный скот, поскольку запасы энергии в виде белка были на одинаковом уровне для обеих пород. Это означает, что выращивание крупного рогатого скота на убой является более эффективным использованием кормов, чем выращивание крупного рогатого скота для производства молока.

Хотя можно повысить эффективность использования энергии животноводством, для решения мирового продовольственного вопроса жизненно важно также учитывать различия между животноводством и растениеводством. Концентрация калорий в жировых тканях выше, чем в тканях растений, в результате чего организмы с высоким содержанием жиров оказываются наиболее энергетически сконцентрированными; однако энергия, необходимая для выращивания корма для скота, лишь частично преобразуется в жировые клетки. Остальная часть энергии, затраченная на выращивание корма, вдыхается или усваивается домашним скотом и не может быть использована человеком.

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, ^{[ 3 ]} с процентным соотношением продуктов питания как продуцентского, так и первичного потребительского трофических уровней . При сравнении выращивания животных и выращивания 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% урожая, кукуруза — 250%, а соя — 415% входных калорий конвертируется в калории, которые могут быть использованы людьми. ^{[ 4 ]} Это неравенство в эффективности отражает сокращение производства при переходе на более высокие трофические уровни. Таким образом, энергетически эффективнее формировать рацион из низших трофических уровней.

Закон десяти процентов

Десятипроцентный закон передачи энергии с одного трофического уровня на другой можно приписать Раймонду Линдеману (1942). ^{[ 5 ]} хотя Линдеман не назвал это «законом» и назвал экологическую эффективность от 0,1% до 37,5%. Согласно этому закону, при переходе органической энергии пищи с одного трофического уровня на следующий более высокий уровень только около десяти процентов переданной энергии сохраняется в виде плоти . Оставшаяся часть теряется во время переноса, расщепляется при дыхании или теряется в результате неполного пищеварения на более высоком трофическом уровне.

10% закон

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

Например, солнце выделяет только 100 Дж энергии 10 000 Дж энергии, тогда растения забирают от солнечного света (исключение – только 1% энергии поглощается растениями от Солнца); после этого олень будет получать от растения 10 Дж (10% энергии). Волку, съевшему оленя, потребуется всего 1 Дж (10% энергии оленя). Человек, поедающий волка, заберет 0,1 Дж (10% энергии волка) и т. д.

Закон десяти процентов дает базовое понимание круговорота пищевых цепей. Более того, закон десяти процентов показывает неэффективность захвата энергии на каждом последующем трофическом уровне. Рациональный вывод заключается в том, что энергоэффективность лучше всего сохраняется, если продукты питания добываются как можно ближе к исходному источнику энергии.

Формула

Энергия на n(м) уровне = (энергия, данная солнцем)/(10)^(n+1),

См. также

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

Ссылки

^ Риклефс, Роберт Э.; Миллер, Гэри; Миллер, Гэри Леон (2000). Экология . Макмиллан. ISBN 9780716728290 .
^ Гаретт, WN Энергетическая эффективность бычков мясного и молочного направления. Журнал зоотехники.1971. 32:451-456
^ Зайферляйн, Кэтрин Э. (30 сентября 2004 г.). Ежегодный энергетический обзор 2003 г. (Отчет). Управление научно-технической информации (ОСТИ) / Управление энергетической информации . п. 390. дои : 10.2172/1184624 . Министерство энергетики/EIA-0384(2003).
^ Эшель, Гидон; Мартин, Памела А. (2005). «Диета, энергия и глобальное потепление». Взаимодействие с Землёй . 10 (9): 1–17. дои : 10.1175/EI167.1 . S2CID 11796436 .
^ Линдеман, Р.Л. (1942). «Трофико-динамический аспект экологии». Экология . 23 (4): 399–418. Бибкод : 1942Экол...23..399Л . дои : 10.2307/1930126 . JSTOR 1930126 .

[1] Риклефс, Роберт Э.; Миллер, Гэри; Миллер, Гэри Леон (2000). Экология . Макмиллан. ISBN 9780716728290 .

[2] Гаретт, WN Энергетическая эффективность бычков мясного и молочного направления. Журнал зоотехники.1971. 32:451-456

[3] Зайферляйн, Кэтрин Э. (30 сентября 2004 г.). Ежегодный энергетический обзор 2003 г. (Отчет). Управление научно-технической информации (ОСТИ) / Управление энергетической информации . п. 390. дои : 10.2172/1184624 . Министерство энергетики/EIA-0384(2003).

[4] Эшель, Гидон; Мартин, Памела А. (2005). «Диета, энергия и глобальное потепление». Взаимодействие с Землёй . 10 (9): 1–17. дои : 10.1175/EI167.1 . S2CID 11796436 .

[5] Линдеман, Р.Л. (1942). «Трофико-динамический аспект экологии». Экология . 23 (4): 399–418. Бибкод : 1942Экол...23..399Л . дои : 10.2307/1930126 . JSTOR 1930126 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

v т и Экология : Моделирование экосистем : Трофические компоненты
General	Abiotic component Abiotic stress Behaviour Biogeochemical cycle Biomass Biotic component Biotic stress Carrying capacity Competition Ecosystem Ecosystem ecology Ecosystem model Green world hypothesis Keystone species List of feeding behaviours Metabolic theory of ecology Productivity Resource Restoration
Producers	Autotrophs Chemosynthesis Chemotrophs Foundation species Kinetotrophs Mixotrophs Myco-heterotrophy Mycotroph Organotrophs Photoheterotrophs Photosynthesis Photosynthetic efficiency Phototrophs Primary nutritional groups Primary production
Consumers	Apex predator Bacterivore Carnivores Chemoorganotroph Foraging Generalist and specialist species Intraguild predation Herbivores Heterotroph Heterotrophic nutrition Insectivore Mesopredators Mesopredator release hypothesis Omnivores Optimal foraging theory Planktivore Predation Prey switching
Decomposers	Chemoorganoheterotrophy Decomposition Detritivores Detritus
Microorganisms	Archaea Bacteriophage Lithoautotroph Lithotrophy Marine Microbial cooperation Microbial ecology Microbial food web Microbial intelligence Microbial loop Microbial mat Microbial metabolism Phage ecology
Food webs	Biomagnification Ecological efficiency Ecological pyramid Energy flow Food chain Trophic level
Example webs	Lakes Rivers Soil Tritrophic interactions in plant defense Marine food webs cold seeps hydrothermal vents intertidal kelp forests North Pacific Gyre San Francisco Estuary tide pool
Processes	Ascendency Bioaccumulation Cascade effect Climax community Competitive exclusion principle Consumer–resource interactions Copiotrophs Dominance Ecological network Ecological succession Energy quality Energy systems language f-ratio Feed conversion ratio Feeding frenzy Mesotrophic soil Nutrient cycle Oligotroph Paradox of the plankton Trophic cascade Trophic mutualism Trophic state index
Defense, counter	Animal coloration Anti-predator adaptations Camouflage Deimatic behaviour Herbivore adaptations to plant defense Mimicry Plant defense against herbivory Predator avoidance in schooling fish

v т и Экология : Моделирование экосистем : Другие компоненты
Population ecology	Abundance Allee effect Consumer-resource model Depensation Ecological yield Effective population size Intraspecific competition Logistic function Malthusian growth model Maximum sustainable yield Overpopulation Overexploitation Population cycle Population dynamics Population modeling Population size Predator–prey (Lotka–Volterra) equations Recruitment Small population size Stability Resilience Resistance Random generalized Lotka–Volterra model
Species	Biodiversity Density-dependent inhibition Ecological effects of biodiversity Ecological extinction Endemic species Flagship species Gradient analysis Indicator species Introduced species Invasive species / Native species Latitudinal gradients in species diversity Minimum viable population Neutral theory Occupancy–abundance relationship Population viability analysis Priority effect Rapoport's rule Relative abundance distribution Relative species abundance Species diversity Species homogeneity Species richness Species distribution Species–area curve Umbrella species
Species interaction	Antibiosis Biological interaction Commensalism Community ecology Ecological facilitation Interspecific competition Mutualism Parasitism Storage effect Symbiosis
Spatial ecology	Biogeography Cross-boundary subsidy Ecocline Ecotone Ecotype Disturbance Edge effects Foster's rule Habitat fragmentation Ideal free distribution Intermediate disturbance hypothesis Insular biogeography Land change modeling Landscape ecology Landscape epidemiology Landscape limnology Metapopulation Patch dynamics r/K selection theory Resource selection function Source–sink dynamics
Niche	Ecological niche Ecological trap Ecosystem engineer Environmental niche modelling Guild Habitat marine habitats Limiting similarity Niche apportionment models Niche construction Niche differentiation Ontogenetic niche shift
Other networks	Assembly rules Bateman's principle Bioluminescence Ecological collapse Ecological debt Ecological deficit Ecological energetics Ecological indicator Ecological threshold Ecosystem diversity Emergence Extinction debt Kleiber's law Liebig's law of the minimum Marginal value theorem Thorson's rule Xerosere
Other	Allometry Alternative stable state Balance of nature Biological data visualization Ecological economics Ecological footprint Ecological forecasting Ecological humanities Ecological stoichiometry Ecopath Ecosystem based fisheries Endolith Evolutionary ecology Functional ecology Industrial ecology Macroecology Microecosystem Natural environment Regime shift Sexecology Systems ecology Urban ecology Theoretical ecology
Outline of ecology