Для характеристики экосистем чаще всего используют показатели, количественно отображающие поток энергии в пищевых цепях на разных трофических уровнях. Главными из таких показателей являются биомасса и продукция (прирост биомассы) экосистемы.
Биомасса – суммарная масса всех организмов экосистемы или её отдельных трофических уровней. Она выражается в единицах массы живого вещества на единицу площади или объёма экосистемы (кг/га, кг/м3 и др.). Для выявления связи с потоком энергии биомассу выражают в единицах энергии, приходящейся на единицу поверхности (Дж/м2, кал/м3 и др.). Биомасса всех организмов нашей планеты составляет 2,4 • 1012 т сухого вещества, в котором заключено 30 • 1021 Дж энергии. Причём 90% от этого количества составляет биомасса наземных растений. Водные экосистемы имеют меньшую биомассу: 0,3 • 109 т – водные растения, 6 • 109 т – водные животные. Это объясняется тем, что использование солнечной энергии в воде достигает 0,04%, а на суше – 0,1 -2,0%.
Продукция – прирост биомассы, созданный организмами экосистемы в течение конкретного времени. Этот показатель служит мерой биологической продуктивности экосистемы. Его выражают в единицах массы вещества на единицу площади или объёма, произведённого организмами за определённый промежуток времени (г/м2 в год, Дж/м3 в год и др.).
Биологическая продуктивность экосистем связана с передачей энергии от организмов Энергетические затраты организма на поддержание всех процессов метаболизма условно называют тратой на дыхание, так как общие их масштабы можно оценить, учитывая выделение углекислого газа. Меньшая часть усвоенной пищи трансформируется в ткани самого организма, т. е. идёт на рост, откладывание запасных питательных веществ, увеличение массы тела. Эти отношения выражаются следующей формулой:
Р = П + Д + Я,
где Р – рацион питания организма, т. е. количество пищи, поглощаемой за определённый период времени; П – продукция, т. е. траты на рост; Д – траты на дыхание, т. е. на поддержание обмена веществ за тот же период; Н – энергия неусвоенной пищи, содержащаяся в продуктах выделения.
Различают следующие основные показатели биологической продуктивности экосистем: валовую первичную продукцию, чистую первичную продукцию, вторичную продукцию. Рассмотрим их подробнее.
Валовая первичная продукция (Пв) – органическое вещество, созданное зелёными растениями за единицу времени. Часть этой продукции идёт на поддержание жизнедеятельности самих растений (траты на дыхание), остальное количество вещества вовлекается в пищевые цепи.
Чистая первичная продукция (Пч) – органическое вещество, накопленное растениями, т. е. величина прироста их биомассы за определённый промежуток времени. Чистая первичная продукция – это пища для консументов и редуцентов, которые через пастбищные и детритные цепи питания используют её для своей жизнедеятельности.
Вторичная продукция (П2, П3) – органическое вещество, синтезируемое на уровне консументов, т. е. прирост биомассы травоядных и плотоядных животных за единицу времени. Эту величину вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост биомассы на каждом из них происходит за счёт энергии, поступившей с предыдущего уровня.
Всем экосистемам свойственны определённые количественные соотношения, выраженные в биомассе, созданной организмами каждого трофического уровня за единицу времени. Каждому следующему звену, начиная с продуцентов, достаётся значительно меньшее количество энергии. Например, для того чтобы масса тела травоядных животных увеличилась на 100 кг, им надо съесть 1000 кг растительной массы, а благодаря съеденным 100 кг мясной пищи хищники могут увеличить массу своего тела на 10—20 кг. Значит, на создание 1 кг массы своего тела растительноядные животные затрачивают в 10 раз больше солнечной энергии, чем растения, а плотоядные животные – в 100 раз больше. Если в соответствующем масштабе графически изобразить эти величины по каждому трофическому уровню экосистемы и разместить их в порядке зависимости, то получатся экологические пирамиды.
Закон сохранения энергии для процесса нагревания воды