Экологическая эффективность - Ecological efficiency

Экологическая эффективность описывает эффективность с которым энергия передается с одного трофический уровень к следующему. Это определяется комбинацией эффективности, относящейся к приобретению и ассимиляции организменных ресурсов в экосистеме.

Передача энергии

Схема передачи энергии между трофическими уровнями

Основное производство происходит в автотрофный организмы экосистема. Фотоавтотрофы Такие как сосудистые растения и водоросли преобразовывать энергию солнца в энергию, хранящуюся в виде углеродные соединения. Фотосинтез осуществляется в хлорофилл 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, Икс джоули энергии от солнца. В часть этой энергии что преобразовано в глюкоза отражает валовую продуктивность травинки. 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 автотрофами, так и гетеротрофы.

Передача энергии между трофическими уровнями обычно неэффективна, так что чистая продукция на одном трофическом уровне, как правило, составляет только 10% чистой продукции на предыдущем трофическом уровне (т.е. Закон десяти процентов ). Из-за нехищной смерти, egestion, и клеточное дыхание, значительное количество энергии теряется в окружающей среде вместо того, чтобы потребляться потребителями для производства. 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 наполовину на каждом из этапов нехищной смерти, дефекации и дыхания типична для многих живых систем. Таким образом, чистая продукция на одном трофическом уровне равна ${\displaystyle 1/2*1/2*1/2=1/8}$ или примерно десять процентов от трофического уровня до него.

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, затрачиваемая на рост и воспроизводство, составляет чистую продукцию трофического уровня 1, которая равна ${\displaystyle 500*1/2*1/2*1/2=63}$ единицы.

Количественная оценка экологической эффективности

Экологическая эффективность - это сочетание нескольких связанных показателей эффективности, которые описывают утилизация ресурсов и степень, в которой ресурсы превращаются в биомасса.^[1]

• Эффективность эксплуатации - это количество еда проглочено деленное на количество добыча производство (${\displaystyle I_{n}/P_{n-1}}$)
• Эффективность ассимиляции - это количество ассимиляция делится на количество еды проглатывание (${\displaystyle A_{n}/I_{n}}$)
• 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, что эквивалентно количеству потребительской продукции, разделенному на количество потребляемой пищи (${\displaystyle P_{n}/I_{n}}$)
• Экологическая эффективность - это эффективность эксплуатации умноженное на эффективность ассимиляции, умноженную 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 значений, используемых в расчетах. Например, оценка приема пищи требует знания общего количества пищи, потребляемой экосистема а также его калорийность. 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 нее. трофические уровни.

Приложения

В сельскохозяйственных средах максимальное увеличение передача энергии от производителя (продукты питания) до потребитель (домашний скот ) может принести экономические выгоды. Подполе сельскохозяйственная наука Появился, который исследует методы мониторинга и повышения экологической и связанной с ней эффективности.

При сравнении чистой эффективности использования энергии скотом породы, исторически сохраняемые в течение производство говядины, такой как Херефорд, превзошли те, что были молочная продукция, такие как голштинская, в преобразовании энергии корма в энергию, запасенную в тканях.^[2] 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, это жизненно важно для мировая еда вопрос, чтобы также рассмотреть различия между животноводством и растениеводством. Концентрация калорий в жировые ткани выше, чем в тканях растений, что приводит к наибольшей 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 общего числа 28400 тераватт-часы (96.8×10^¹⁵ БТЕ ) энергии, использованной в США в 1999 г., 10,5% было использовано в производстве продуктов питания,^[3] с процентным учетом продуктов питания как от производителя, так и от основного потребителя трофические уровни. 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.^[4] 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

В закон десяти процентов передачи энергии от одного трофический уровень к следующему можно отнести Раймонд Линдеман (1942),^[5] хотя Линдеман не назвал это «законом» и указал, что экологическая эффективность варьируется 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 пищеварение по более высокому трофическому уровню.

10% закон

Основная статья: Пищевая цепочка

Когда организмы потребляются, 10% энергии пищи фиксируется в их плоти и становится доступной для следующего трофического уровня (плотоядные животные или же всеядные ). Когда плотоядное или всеядное животное 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 получать от 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

Энергия на n (th) уровне

         = (энергия, данная солнцем) / (10) ^ (n + 1), 

и,

Энергия на n (th) уровне

         = (энергия, отдаваемая растением) / (10) ^ (n-1).

{Не забудьте в обоих уравнениях учитывать только энергию растений}

Смотрите также

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

Рекомендации

1. [1]
2. Гаретт, В.Н.Энергоэффективность мясных и молочных бычков. Журнал зоотехники, 1971. 32: 451-456
3. Министерство энергетики США, 2004: Ежегодный энергетический обзор за 2003 год. Отчет DOE / EIA-0384 (2003), Управление энергетической информации, 390 стр.
4. Эшель, Гидон и Мартин, Памела А. Диета, энергия и глобальное потепление. Земные взаимодействия. 2005. 10: 1-17.
5. Линдеман, Р.Л. (1942). «Трофико-динамический аспект экологии». Экология. 23: 399–418. Дои:10.2307/1930126.