kim tự tháp sinh thái- hình ảnh đồ họa về mối quan hệ giữa người sản xuất và người tiêu dùng ở mọi cấp độ (động vật ăn cỏ, động vật ăn thịt; loài ăn động vật ăn thịt khác) trong hệ sinh thái.

Năm 1927, nhà động vật học người Mỹ Charles Elton đã đề xuất mô tả một cách sơ đồ các mối quan hệ này.

Trong biểu đồ biểu đồ, mỗi cấp được hiển thị dưới dạng hình chữ nhật, chiều dài hoặc diện tích của \ u200b \ u200b tương ứng với các giá trị số \ u200b \ u200 của liên kết chuỗi thức ăn (kim tự tháp của Elton), khối lượng hoặc năng lượng của chúng. Các hình chữ nhật được sắp xếp theo một trình tự nhất định tạo ra các kim tự tháp với nhiều hình dạng khác nhau.

Phần đáy của kim tự tháp là cấp độ dinh dưỡng đầu tiên - cấp độ của những người sản xuất, các tầng tiếp theo của kim tự tháp được hình thành bởi các cấp độ tiếp theo của chuỗi thức ăn - những người tiêu dùng theo nhiều đơn đặt hàng khác nhau. Chiều cao của tất cả các khối trong kim tự tháp là như nhau, và chiều dài tỷ lệ với số lượng, sinh khối hoặc năng lượng ở mức tương ứng.

Kim tự tháp sinh thái được phân biệt tùy thuộc vào các chỉ số trên cơ sở mà kim tự tháp được xây dựng. Đồng thời, đối với tất cả các kim tự tháp, quy tắc cơ bản được thiết lập, theo đó trong bất kỳ hệ sinh thái nào cũng có thực vật nhiều hơn động vật, động vật ăn cỏ hơn động vật ăn thịt, côn trùng hơn chim.

Dựa vào quy luật của tháp sinh thái, có thể xác định hoặc tính toán các tỷ lệ số lượng của các loài động thực vật khác nhau trong các hệ thống sinh thái tự nhiên và nhân tạo. Ví dụ: 1 kg khối lượng của động vật biển (hải cẩu, cá heo) cần 10 kg cá ăn, và 10 kg này đã cần 100 kg thức ăn của chúng - động vật không xương sống dưới nước, đến lượt nó, cần ăn 1000 kg tảo và vi khuẩn để tạo thành một khối như vậy. Trong trường hợp này, kim tự tháp sinh thái sẽ ổn định.

Tuy nhiên, như bạn biết, có những ngoại lệ đối với mọi quy tắc, sẽ được xem xét trong từng loại kim tự tháp sinh thái.

Các loại kim tự tháp sinh thái

1. kim tự tháp số- ở mỗi cấp độ, số lượng cá thể sinh vật bị hoãn lại

Kim tự tháp số phản ánh một mô hình rõ ràng do Elton phát hiện: số lượng cá thể tạo nên một chuỗi liên kết tuần tự từ người sản xuất đến người tiêu dùng đang giảm dần (Hình 3).

Ví dụ, để nuôi một con sói, bạn cần ít nhất một vài con thỏ rừng mà nó có thể săn được; Để nuôi những con thỏ rừng này, bạn cần một số lượng khá lớn các loại cây khác nhau. Trong trường hợp này, kim tự tháp sẽ giống như một hình tam giác với đáy rộng thuôn về phía trên.

Tuy nhiên, dạng kim tự tháp số này không phải là điển hình cho tất cả các hệ sinh thái. Đôi khi chúng có thể được đảo ngược, hoặc đảo ngược. Điều này áp dụng cho các chuỗi thức ăn rừng, khi cây cối đóng vai trò là người sản xuất và côn trùng là người tiêu thụ chính. Trong trường hợp này, cấp độ của người tiêu dùng sơ cấp phong phú hơn về số lượng so với cấp độ của người sản xuất (một số lượng lớn côn trùng ăn trên một cây), do đó, các kim tự tháp số là ít thông tin nhất và ít biểu thị nhất, tức là số lượng sinh vật của cùng một mức độ dinh dưỡng phần lớn phụ thuộc vào kích thước của chúng.

1. kim tự tháp sinh khối- đặc trưng cho tổng khối lượng khô hoặc ướt của các sinh vật ở cấp độ dinh dưỡng nhất định, ví dụ, theo đơn vị khối lượng trên một đơn vị diện tích - g / m 2, kg / ha, t / km 2 hoặc trên thể tích - g / m 3 (Hình . 4)

Thông thường, trong các mũi tiêm sinh học trên cạn, tổng khối lượng của các nhà sản xuất lớn hơn mỗi mắt xích tiếp theo. Đổi lại, tổng khối lượng người tiêu dùng đặt hàng đầu tiên lớn hơn so với người tiêu dùng thứ hai, v.v.

Trong trường hợp này (nếu các sinh vật không khác nhau quá nhiều về kích thước), kim tự tháp cũng sẽ giống như một hình tam giác với đáy rộng thuôn dần lên trên. Tuy nhiên, có những ngoại lệ đáng kể đối với quy tắc này. Ví dụ, ở các vùng biển, sinh khối của động vật phù du ăn cỏ lớn hơn đáng kể (đôi khi gấp 2-3 lần) so với sinh khối của thực vật phù du, mà đại diện chủ yếu là tảo đơn bào. Điều này được giải thích là do tảo bị động vật phù du ăn mất rất nhanh, nhưng tốc độ phân chia tế bào của chúng rất cao sẽ bảo vệ chúng khỏi bị ăn hết hoàn toàn.

Nói chung, biogeocenose trên cạn, nơi các nhà sản xuất lớn và sống tương đối lâu, được đặc trưng bởi các kim tự tháp tương đối ổn định với đáy rộng. Trong các hệ sinh thái dưới nước, nơi các nhà sản xuất có quy mô nhỏ và vòng đời ngắn, hình tháp sinh khối có thể đảo ngược hoặc đảo ngược (hướng xuống dưới). Vì vậy, ở các hồ và biển, khối lượng thực vật vượt quá khối lượng của người tiêu thụ chỉ trong thời kỳ ra hoa (mùa xuân), và trong các tháng còn lại của năm, tình hình có thể đảo ngược.

Các kim tự tháp về số lượng và sinh khối phản ánh sự tĩnh của hệ thống, tức là chúng đặc trưng cho số lượng hoặc sinh khối của sinh vật trong một khoảng thời gian nhất định. Chúng không cung cấp thông tin đầy đủ về cấu trúc dinh dưỡng của hệ sinh thái, mặc dù chúng cho phép giải quyết một số vấn đề thực tế, đặc biệt là những vấn đề liên quan đến việc duy trì sự ổn định của hệ sinh thái.

Ví dụ, kim tự tháp số giúp chúng ta có thể tính toán giá trị cho phép của việc đánh bắt cá hoặc bắn động vật trong thời kỳ săn bắn mà không ảnh hưởng đến việc sinh sản bình thường của chúng.

1. kim tự tháp năng lượng- cho thấy độ lớn của dòng năng lượng hoặc năng suất ở các mức liên tiếp (Hình 5).

Trái ngược với các kim tự tháp về số lượng và sinh khối, phản ánh sự tĩnh của hệ thống (số lượng sinh vật tại một thời điểm nhất định), kim tự tháp năng lượng, phản ánh bức tranh về tốc độ di chuyển của một khối lượng thực phẩm (lượng năng lượng ) qua mỗi bậc dinh dưỡng của chuỗi thức ăn, cho ta bức tranh đầy đủ nhất về tổ chức chức năng của quần xã.

Hình dạng của kim tự tháp này không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về kích thước và cường độ trao đổi chất của các cá thể, và nếu tính đến tất cả các nguồn năng lượng thì kim tự tháp sẽ luôn có hình dáng điển hình với đáy rộng và đỉnh thuôn nhọn. Khi xây dựng một kim tự tháp năng lượng, một hình chữ nhật thường được thêm vào đế của nó, cho thấy dòng năng lượng mặt trời.

Năm 1942, nhà sinh thái học người Mỹ R. Lindeman đã xây dựng định luật kim tự tháp năng lượng (định luật 10 phần trăm), theo đó, trung bình, khoảng 10% năng lượng nhận được bởi cấp trước của kim tự tháp sinh thái truyền từ một mức độ dinh dưỡng thông qua chuỗi thức ăn đến mức độ dinh dưỡng khác. Phần còn lại của năng lượng bị mất dưới dạng bức xạ nhiệt, chuyển động, v.v. Các sinh vật, do kết quả của quá trình trao đổi chất, mất khoảng 90% năng lượng sử dụng để duy trì hoạt động sống của chúng trong mỗi mắt xích của chuỗi thức ăn.

Nếu một con thỏ rừng ăn 10 kg thực vật, thì trọng lượng của chính nó có thể tăng thêm 1 kg. Cáo hay sói ăn 1 kg thỏ rừng thì khối lượng của nó chỉ tăng thêm 100 g. Ở cây thân gỗ, tỷ lệ này thấp hơn nhiều do gỗ bị sinh vật hấp thụ kém. Đối với cỏ và tảo, giá trị này cao hơn nhiều, vì chúng không có các mô khó tiêu hóa. Tuy nhiên, tính đều đặn chung của quá trình truyền năng lượng vẫn là: năng lượng đi qua các tầng dinh dưỡng phía trên ít hơn nhiều so với các tầng thấp hơn.

Hãy xem xét sự chuyển hóa năng lượng trong hệ sinh thái bằng cách sử dụng ví dụ về một chuỗi dinh dưỡng đồng cỏ đơn giản, trong đó chỉ có ba cấp độ dinh dưỡng.

1. mức độ - cây thân thảo,
2. cấp độ - động vật có vú ăn cỏ, ví dụ, thỏ rừng
3. cấp độ - động vật có vú săn mồi, ví dụ, cáo

Các chất dinh dưỡng được tạo ra trong quá trình quang hợp của thực vật, từ các chất vô cơ (nước, khí cacbonic, muối khoáng, v.v.) sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời tạo thành các chất hữu cơ và ôxy, cũng như ATP. Một phần năng lượng điện từ của bức xạ mặt trời sau đó được chuyển thành năng lượng của các liên kết hóa học của các chất hữu cơ được tổng hợp.

Tất cả các chất hữu cơ được tạo ra trong quá trình quang hợp được gọi là tổng sản lượng sơ cấp (GPP). Một phần năng lượng của tổng sản lượng sơ cấp được sử dụng cho quá trình hô hấp, dẫn đến sự hình thành sản lượng sơ cấp thuần (NPP), chính là chất đi vào cấp độ dinh dưỡng thứ hai và được thỏ rừng sử dụng.

Giả sử đường băng là 200 đơn vị năng lượng thông thường, và chi phí cho quá trình hô hấp của thực vật (R) là 50%, tức là 100 đơn vị năng lượng quy ước. Khi đó, sản lượng sơ cấp ròng sẽ bằng: NPP = WPP - R (100 = 200 - 100), tức là ở cấp độ dinh dưỡng thứ hai, thỏ rừng sẽ nhận được 100 đơn vị năng lượng thông thường.

Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau, thỏ rừng chỉ có thể tiêu thụ một tỷ lệ NPP nhất định (nếu không, các nguồn lực cho sự phát triển của vật chất sống sẽ biến mất), nhưng một phần đáng kể trong số đó, ở dạng tàn dư hữu cơ chết (các bộ phận dưới đất của thực vật , gỗ cứng của thân, cành, v.v.) thỏ rừng không ăn được. Nó xâm nhập vào chuỗi thức ăn vụn và (hoặc) bị phân hủy bởi các chất phân hủy (F). Phần còn lại là xây dựng các tế bào mới (quy mô quần thể, sự phát triển của thỏ rừng - P) và đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng hoặc hô hấp (R).

Trong trường hợp này, theo cách tiếp cận cân bằng, phương trình cân bằng tiêu thụ năng lượng (C) sẽ giống như sau: C = P + R + F, tức là Theo định luật Lindemann, năng lượng nhận được ở cấp độ dinh dưỡng thứ hai sẽ được dành cho sự gia tăng dân số - P - 10%, 90% còn lại sẽ dành cho việc thở và loại bỏ thức ăn không tiêu hóa được.

Như vậy, trong các hệ sinh thái có mức độ dinh dưỡng tăng lên thì năng lượng tích lũy trong cơ thể các sinh vật bị giảm đi nhanh chóng. Từ đó có thể hiểu rõ tại sao mỗi cấp tiếp theo sẽ luôn ít hơn cấp trước và tại sao các chuỗi thức ăn thường không thể có nhiều hơn 3-5 (hiếm khi là 6) mắt xích, và kim tự tháp sinh thái không thể bao gồm nhiều tầng: đến cuối cùng mắt xích của chuỗi thức ăn giống như đến tầng trên cùng của kim tự tháp sinh thái sẽ nhận được ít năng lượng đến mức không đủ trong trường hợp số lượng sinh vật tăng lên.

Một trình tự và sự phụ thuộc của các nhóm sinh vật được kết nối dưới dạng các cấp độ dinh dưỡng là dòng chảy của vật chất và năng lượng trong gen sinh vật học, cơ sở của tổ chức chức năng của nó.

Một trong những kiểu quan hệ giữa các sinh vật trong hệ sinh thái là quan hệ dinh dưỡng. Chúng chỉ ra cách năng lượng di chuyển qua các chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái. Mô hình chứng minh sự thay đổi lượng năng lượng trong các mắt xích của chuỗi thức ăn là hình tháp sinh thái.

Cấu trúc của kim tự tháp

Kim tự tháp là một mô hình đồ họa. Hình ảnh của cô ấy được chia thành các cấp độ ngang. Số lượng bậc tương ứng với số lượng mắt xích trong chuỗi thức ăn.

Tất cả các chuỗi thức ăn đều bắt đầu từ những người sản xuất - những sinh vật tự dưỡng tạo thành các chất hữu cơ. Tổng số sinh vật tự dưỡng trong hệ sinh thái là những gì nằm ở đáy của kim tự tháp sinh thái.

Cơm. 1. Tháp sinh thái dân số

Thông thường kim tự tháp thực phẩm chứa từ 3 đến 5 cấp độ.

Những mắt xích cuối cùng trong chuỗi thức ăn luôn là những kẻ săn mồi lớn hoặc con người. Như vậy, số lượng cá thể và sinh khối ở bậc cuối của kim tự tháp là thấp nhất.

2 bài báo hàng đầuai đọc cùng với cái này

Bản chất của tháp sinh thái là hình ảnh của sự giảm dần sinh khối trong chuỗi thức ăn.

Điều kiện mô hình

Cần hiểu rằng mô hình thể hiện thực tế một cách khái quát. Mọi thứ khó khăn hơn trong cuộc sống. Bất kỳ sinh vật lớn nào, kể cả con người, đều có thể ăn được và năng lượng của nó sẽ được sử dụng trong kim tự tháp sinh thái theo cách không điển hình.

Một phần sinh khối của hệ sinh thái luôn được chiếm bởi các sinh vật phân hủy - những sinh vật phân hủy các chất hữu cơ đã chết. Các chất giảm thiểu được người tiêu dùng ăn, một phần trả lại năng lượng cho hệ sinh thái.

Các loài động vật ăn tạp như gấu nâu vừa đóng vai trò là sinh vật tiêu thụ bậc nhất (ăn thực vật), vừa là sinh vật phân hủy (ăn xác động vật), vừa là động vật ăn thịt lớn.

Các loại

Tùy thuộc vào đặc tính định lượng của các mức được sử dụng, Có ba loại kim tự tháp sinh thái:

• những con số;
• sinh khối;
• năng lượng.

Quy tắc 10%

Theo tính toán của các nhà sinh thái học, 10% sinh khối hoặc năng lượng của cấp trước chuyển sang mỗi cấp tiếp theo của kim tự tháp sinh thái. 90% còn lại được chi cho các quá trình quan trọng của sinh vật và bị tiêu tán dưới dạng bức xạ nhiệt.

Mô hình này được gọi là quy luật của kim tự tháp sinh thái về năng lượng và sinh khối.

Hãy xem xét các ví dụ. Khoảng 100 kg trọng lượng cơ thể của động vật ăn cỏ được hình thành từ một tấn cây xanh. Khi động vật ăn cỏ bị tiêu thụ bởi những kẻ săn mồi nhỏ, trọng lượng của chúng tăng thêm 10 kg. Nếu những kẻ săn mồi nhỏ bị những con lớn ăn thịt, thì trọng lượng cơ thể của những con sau sẽ tăng thêm 1 kg.

Cơm. 2. Kim tự tháp sinh thái về sinh khối

Chuỗi thức ăn: thực vật phù du - động vật phù du - cá nhỏ - cá lớn - người. Ở đây đã có 5 cấp độ, và để khối lượng của một người tăng thêm 1 kg, thì cần có 10 tấn thực vật phù du ở cấp độ đầu tiên.

Cơm. 3. Kim tự tháp sinh thái về năng lượng

Lợi ích của Apex

Các loài trên đỉnh của kim tự tháp sinh thái có nhiều khả năng tiến hóa hơn. Vào thời cổ đại, những động vật chiếm bậc cao nhất trong các mối quan hệ dinh dưỡng đã phát triển nhanh hơn.

Trong đại Trung sinh, động vật có vú chiếm giữ các tầng giữa của kim tự tháp sinh thái và bị tiêu diệt tích cực bởi các loài bò sát săn mồi. Chỉ nhờ sự tuyệt chủng của loài khủng long, chúng mới có thể vươn lên vị trí hàng đầu và chiếm vị trí thống trị trong tất cả các hệ sinh thái.

Kim tự tháp sinh thái là mô hình đồ họa phản ánh số lượng cá thể (kim tự tháp số lượng), lượng sinh khối của chúng (kim tự tháp sinh khối) hoặc năng lượng chứa trong chúng (kim tự tháp năng lượng) ở mỗi cấp độ dinh dưỡng và cho biết sự giảm xuống của tất cả các chỉ số với sự gia tăng mức độ dinh dưỡng.

Có ba loại hình tháp sinh thái: năng lượng, sinh khối và sự phong phú. Chúng ta đã nói về kim tự tháp năng lượng trong phần trước “Chuyển giao năng lượng trong hệ sinh thái”. Tỷ lệ vật chất sống ở các cấp độ khác nhau thường tuân theo quy luật giống như tỷ lệ năng lượng truyền vào: cấp độ càng cao, tổng sinh khối và số lượng sinh vật cấu thành của nó càng giảm.

kim tự tháp sinh khối

Kim tự tháp sinh khối, cũng như các con số, có thể không chỉ thẳng mà còn có thể ngược, đặc trưng của hệ sinh thái dưới nước.

Kim tự tháp sinh thái (dinh dưỡng) là một biểu diễn đồ họa về các mối quan hệ số lượng giữa các cấp độ dinh dưỡng của một tầng sinh học - người sản xuất, người tiêu dùng (riêng cho từng cấp độ) và sinh vật phân hủy, được thể hiện bằng số lượng của chúng (kim tự tháp số lượng), sinh khối (kim tự tháp sinh khối) hoặc tốc độ tăng sinh khối (kim tự tháp năng lượng).

Kim tự tháp sinh khối - tỷ lệ giữa người sản xuất, người tiêu dùng và sinh vật phân hủy trong một hệ sinh thái, được thể hiện bằng khối lượng của chúng và được mô tả như một mô hình dinh dưỡng.

Các kim tự tháp sinh khối, cũng như các con số, có thể không chỉ thẳng mà còn có thể ngược (Hình 12.38). Sinh khối hình tháp ngược là đặc trưng của hệ sinh thái dưới nước, trong đó sinh vật sản xuất sơ cấp, ví dụ như tảo thực vật phù du, phân chia rất nhanh và sinh vật tiêu thụ của chúng, giáp xác động vật phù du, lớn hơn nhiều, nhưng có chu kỳ sinh sản dài. Đặc biệt, điều này áp dụng cho môi trường nước ngọt, nơi năng suất chính được cung cấp bởi các sinh vật cực nhỏ, tỷ lệ trao đổi chất được tăng lên, tức là sinh khối thấp, năng suất cao.

Kim tự tháp sinh khối được quan tâm cơ bản hơn, vì chúng loại bỏ yếu tố "vật lý" và thể hiện rõ ràng các tỷ lệ định lượng của sinh khối. Nếu các sinh vật không khác nhau quá nhiều về kích thước, thì bằng cách biểu thị tổng khối lượng của các cá thể ở các cấp độ dinh dưỡng, người ta có thể thu được một hình tháp bậc. Nhưng nếu các sinh vật của các cấp thấp hơn trung bình nhỏ hơn các sinh vật ở các cấp cao hơn, thì sẽ có một hình tháp sinh khối ngược. Ví dụ, trong các hệ sinh thái có những người sản xuất rất nhỏ và những người tiêu dùng lớn, tổng khối lượng của những người sau này có thể cao hơn tổng khối lượng của những người sản xuất tại bất kỳ thời điểm nào. Một số khái quát có thể được thực hiện cho các kim tự tháp sinh khối.

Kim tự tháp sinh khối cho thấy sự thay đổi sinh khối ở mỗi cấp độ dinh dưỡng tiếp theo: đối với hệ sinh thái trên cạn, kim tự tháp sinh khối thu hẹp dần lên trên, đối với hệ sinh thái đại dương, nó có đặc điểm ngược (thu hẹp dần xuống dưới), có liên quan đến sự tiêu thụ nhanh chóng thực vật phù du của người tiêu dùng.

Kim tự tháp số

Tháp quần thể là tháp sinh thái phản ánh số lượng cá thể ở mỗi bậc thức ăn. Tháp số lượng không phải lúc nào cũng cho ý tưởng rõ ràng về cấu trúc của chuỗi thức ăn, vì nó không tính đến kích thước và trọng lượng của các cá thể, tuổi thọ, tỷ lệ trao đổi chất, mà là xu hướng chính - giảm số lượng. của các cá nhân từ liên kết này đến liên kết - trong hầu hết các trường hợp có thể được truy tìm.

Vì vậy, trong hệ sinh thái thảo nguyên, số lượng cá thể sau đây được thành lập: người sản xuất - 150.000, sinh vật ăn cỏ - 20.000, sinh vật ăn thịt - 9000 ind./ar (Odum, 1075), tính theo ha sẽ lớn hơn 100 lần. Bệnh sinh học đồng cỏ được đặc trưng bởi số lượng cá thể sau trên diện tích 4 nghìn m2: nhà sản xuất - 5.842.424, sinh vật ăn cỏ bậc 1 - 708.024, sinh vật ăn thịt bậc 2 - 35.490, sinh vật ăn thịt bậc 3 - 3.

kim tự tháp ngược

Nếu tốc độ sinh sản của quần thể con mồi cao, thì ngay cả khi có sinh khối thấp, quần thể như vậy vẫn có thể là nguồn thức ăn đầy đủ cho các loài săn mồi có sinh khối lớn hơn nhưng tốc độ sinh sản thấp. Vì lý do này, các kim tự tháp dân số có thể bị đảo ngược, tức là mật độ sinh vật tại một thời điểm nhất định ở mức độ dinh dưỡng thấp có thể thấp hơn mật độ sinh vật ở mức độ dinh dưỡng cao. Ví dụ, nhiều loài côn trùng có thể sống và kiếm ăn trên một cây (hình tháp ngược của các con số).

Hình tháp sinh khối ngược là đặc trưng của hệ sinh thái biển, nơi các sinh vật sản xuất sơ cấp (tảo thực vật phù du) phân chia rất nhanh (có tiềm năng sinh sản lớn và thay đổi thế hệ nhanh chóng). Trong đại dương, có thể thay đổi tới 50 thế hệ thực vật phù du trong một năm. Thực vật phù du tiêu thụ lớn hơn nhiều, nhưng nhân lên chậm hơn nhiều. Trong thời gian cá săn mồi (đặc biệt là hải mã và cá voi) tích lũy sinh khối của chúng, nhiều thế hệ thực vật phù du sẽ thay đổi, tổng sinh khối của chúng lớn hơn nhiều.

Kim tự tháp sinh khối không tính đến thời gian tồn tại của các thế hệ cá thể ở các mức độ dinh dưỡng khác nhau và tốc độ hình thành và tiêu thụ sinh khối. Đó là lý do tại sao một cách phổ biến để thể hiện cấu trúc dinh dưỡng của hệ sinh thái là các kim tự tháp về tốc độ hình thành vật chất sống, tức là năng suất. Chúng thường được gọi là kim tự tháp năng lượng, đề cập đến biểu hiện năng lượng của sản xuất.

Quy tắc của Lindemann (10%)

Dòng năng lượng xuyên qua, đi qua các tầng dinh dưỡng của tầng sinh môn, dần dần bị dập tắt. Năm 1942, R. Lindemann đã xây dựng định luật kim tự tháp năng lượng, hay định luật (quy luật) 10%, theo đó, từ mức nhiệt đới của kim tự tháp sinh thái, nó chuyển sang mức khác, cao hơn (dọc theo "bậc thang": người sản xuất - người tiêu dùng - người phân hủy) trung bình khoảng 10% năng lượng nhận được ở cấp trước của hình tháp sinh thái. Dòng chảy ngược liên quan đến việc tiêu thụ các chất và năng lượng được tạo ra bởi năng lượng ở tầng trên của kim tự tháp sinh thái của năng lượng ở các tầng thấp hơn của nó, ví dụ, từ động vật sang thực vật, yếu hơn nhiều - không quá 0,5% (thậm chí 0,25%) trong tổng dòng chảy của nó, và do đó chúng ta có thể nói về chu kỳ năng lượng trong trạng thái sinh học là không cần thiết.

Nếu năng lượng bị mất đi gấp mười lần trong quá trình chuyển đổi lên tầng cao hơn của kim tự tháp sinh thái, thì sự tích tụ của một số chất, bao gồm cả chất độc hại và chất phóng xạ, sẽ tăng lên theo cùng một tỷ lệ. Thực tế này được cố định trong quy tắc khuếch đại sinh học. Nó đúng cho tất cả các chấm dứt. Trong biocenose thủy sản, sự tích tụ của nhiều chất độc hại, bao gồm cả thuốc trừ sâu clo hữu cơ, tương quan với khối lượng chất béo (lipid), tức là rõ ràng có một nền năng lượng.

Kim tự tháp sinh thái

Để hình dung mối quan hệ giữa các sinh vật thuộc các loài khác nhau trong sinh vật học, người ta thường sử dụng các kim tự tháp sinh thái, phân biệt giữa các kim tự tháp về mức độ phong phú, sinh khối và năng lượng.

Trong số các kim tự tháp sinh thái, kim tự tháp nổi tiếng và được sử dụng thường xuyên nhất là:

§ Kim tự tháp số

§ Kim tự tháp sinh khối

Kim tự tháp của các con số. Để xây dựng một kim tự tháp về sự phong phú, người ta đếm số lượng sinh vật trên một vùng lãnh thổ nhất định, phân nhóm chúng theo mức độ dinh dưỡng:

§ nhà sản xuất - cây xanh;

§ người tiêu dùng chính - động vật ăn cỏ;

§ người tiêu dùng thứ cấp - động vật ăn thịt;

§ sinh vật tiêu thụ bậc ba - động vật ăn thịt;

§ người tiêu dùng ha-e ("động vật ăn thịt cuối cùng") - động vật ăn thịt;

§ trình phân tách - trình hủy.

Mỗi cấp được mô tả theo quy ước như một hình chữ nhật, chiều dài hoặc diện tích tương ứng với giá trị số của số lượng cá thể. Bằng cách đặt các hình chữ nhật này thành một dãy phụ, chúng có được một kim tự tháp sinh thái phong phú (Hình 3), nguyên tắc cơ bản của nó lần đầu tiên được nhà sinh thái học người Mỹ Ch. Elton Nikolaikin N. I. Hệ sinh thái: Proc đưa ra. cho các trường đại học / N. I. Nikolaykin, N. E. Nikolaykina, O. P. Melekhova. - ấn bản thứ 3, khuôn mẫu. - M .: Bustard, 2004.

Cơm. Hình 3. Kim tự tháp sinh thái về sự phong phú của một đồng cỏ mọc um tùm với ngũ cốc: số lượng - số lượng cá thể

Dữ liệu cho tháp dân số có thể dễ dàng thu được bằng cách lấy mẫu trực tiếp, nhưng có một số khó khăn:

§ Các nhà sản xuất có quy mô khác nhau rất nhiều, mặc dù một loại ngũ cốc hoặc tảo có cùng trạng thái như một cây. Điều này đôi khi vi phạm hình dạng kim tự tháp chính xác, đôi khi thậm chí tạo ra các kim tự tháp ngược (Hình 4) Ibid .;

Cơm.

§ Phạm vi phong phú của các loài khác nhau rất rộng nên rất khó để duy trì tỷ lệ trong biểu diễn đồ họa, nhưng trong những trường hợp như vậy, có thể sử dụng thang đo logarit.

Kim tự tháp sinh khối. Kim tự tháp sinh thái về sinh khối được xây dựng tương tự như kim tự tháp sinh khối. Ý nghĩa chính của nó là thể hiện lượng vật chất sống (sinh khối - tổng khối lượng sinh vật) ở mỗi cấp độ dinh dưỡng. Điều này tránh được những phiền phức đặc trưng của tháp dân số. Trong trường hợp này, kích thước của các hình chữ nhật tỷ lệ thuận với khối lượng vật chất sống ở cấp độ tương ứng, trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích (Hình 5, a, b) Nikolaykin N. I. Hệ sinh thái: Proc. cho các trường đại học / N. I. Nikolaykin, N. E. Nikolaykina, O. P. Melekhova. - ấn bản thứ 3, khuôn mẫu. - M.: Bustard, 2004 .. Thuật ngữ "kim tự tháp sinh khối" xuất hiện do thực tế là trong phần lớn các trường hợp, khối lượng người tiêu dùng sơ cấp sống với chi phí của các nhà sản xuất ít hơn nhiều so với khối lượng của các nhà sản xuất này, và khối lượng người tiêu dùng thứ cấp ít hơn nhiều so với khối lượng người tiêu dùng sơ cấp. Thông thường là hiển thị sinh khối của các chất hủy riêng biệt.

Cơm. Hình 5. Các kim tự tháp sinh khối lượng biocenose của rạn san hô (a) và eo biển Anh (b): số lượng - sinh khối tính bằng gam chất khô trên 1 m 2

Việc lấy mẫu xác định sinh khối đứng hoặc năng suất đứng (tức là tại một thời điểm nhất định), không chứa bất kỳ thông tin nào về tốc độ sản xuất hoặc tiêu thụ sinh khối.

Tốc độ tạo ra chất hữu cơ không xác định tổng trữ lượng của nó, tức là tổng sinh khối của tất cả các sinh vật ở mỗi cấp độ dinh dưỡng. Do đó, các sai sót có thể xảy ra khi phân tích thêm nếu không tính đến những điều sau:

* Thứ nhất, nếu tốc độ tiêu thụ sinh khối (hao hụt do ăn uống) và tốc độ hình thành của nó bằng nhau thì cây trồng đứng không biểu thị năng suất, tức là về lượng năng lượng và vật chất truyền từ cấp độ dinh dưỡng này sang cấp độ dinh dưỡng khác, cấp độ cao hơn, trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ, trong một năm). Vì vậy, trên đồng cỏ màu mỡ, được sử dụng thâm canh, năng suất của cỏ trên cây nho có thể thấp hơn, và năng suất cao hơn trên đồng cỏ kém màu mỡ, nhưng ít được sử dụng để chăn thả;

* thứ hai, các nhà sản xuất quy mô nhỏ, chẳng hạn như tảo, được đặc trưng bởi tốc độ tăng trưởng và sinh sản cao, được cân bằng bởi sự tiêu thụ thâm canh của chúng bởi các sinh vật khác và chết tự nhiên. Do đó, năng suất của họ có thể không kém so với các nhà sản xuất lớn (ví dụ, cây), mặc dù sinh khối trên cây nho có thể nhỏ. Nói cách khác, thực vật phù du có cùng năng suất với cây sẽ có sinh khối thấp hơn nhiều, mặc dù nó có thể hỗ trợ sự sống của các loài động vật có cùng khối lượng.

Một trong những hệ quả của những gì đã được mô tả là "các kim tự tháp ngược" (Hình 3, b). Động vật phù du sinh học ở hồ và biển thường có sinh khối lớn hơn thức ăn của nó - thực vật phù du, tuy nhiên, tốc độ sinh sản của tảo lục rất cao nên trong ngày chúng phục hồi tất cả sinh khối mà động vật phù du ăn. Tuy nhiên, trong một số thời kỳ nhất định trong năm (khi ra hoa vào mùa xuân), tỷ lệ sinh khối thông thường của chúng được quan sát thấy (Hình 6) Nikolaikin NI Ecology: Proc. cho các trường đại học / N. I. Nikolaykin, N. E. Nikolaykina, O. P. Melekhova. - ấn bản thứ 3, khuôn mẫu. - M .: Bustard, 2004.

Cơm. Hình 6. Sự thay đổi theo mùa trong các kim tự tháp sinh khối trong hồ (ví dụ về một trong các hồ ở Ý): số lượng - sinh khối tính bằng gam chất khô trên 1 m 3

Có vẻ như dị thường là không có kim tự tháp năng lượng, được xem xét dưới đây.

Kim tự tháp năng lượng. Cách cơ bản nhất để phản ánh mối quan hệ giữa các sinh vật ở các mức độ dinh dưỡng khác nhau và tổ chức chức năng của biocenose là kim tự tháp năng lượng, trong đó kích thước của các hình chữ nhật tỷ lệ với năng lượng tương đương trên một đơn vị thời gian, tức là lượng năng lượng (trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích) đã đi qua một mức nhiệt đới nhất định trong giai đoạn được chấp nhận (Hình 7) Như trên. Một hình chữ nhật nữa có thể được thêm vào một cách hợp lý từ bên dưới đến đáy của kim tự tháp năng lượng, phản ánh dòng chảy của năng lượng mặt trời.

Kim tự tháp năng lượng phản ánh động lực di chuyển của một khối lượng thức ăn qua chuỗi thức ăn (dinh dưỡng), về cơ bản phân biệt nó với các kim tự tháp về sự phong phú và sinh khối, phản ánh sự tĩnh tại của hệ thống (số lượng sinh vật tại một khoảng khăc). Hình dạng của kim tự tháp này không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về kích thước và cường độ trao đổi chất của các cá thể. Nếu tính tất cả các nguồn năng lượng, thì kim tự tháp sẽ luôn có hình dạng điển hình (dạng hình chóp có đỉnh hướng lên), theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Cơm. 7. Kim tự tháp năng lượng: số - lượng năng lượng, kJ * m -2 * r -1

Các kim tự tháp năng lượng không chỉ cho phép so sánh các biocenose khác nhau mà còn xác định tầm quan trọng tương đối của các quần thể trong cùng một cộng đồng. Chúng hữu ích nhất trong ba loại kim tự tháp sinh thái, nhưng dữ liệu để xây dựng chúng là khó có được nhất.

Một trong những ví dụ minh họa và thành công nhất về các kim tự tháp sinh thái cổ điển là các kim tự tháp được mô tả trong Hình. 8 Nikolaikin N. I. Hệ sinh thái: Proc. cho các trường đại học / N. I. Nikolaykin, N. E. Nikolaykina, O. P. Melekhova. - ấn bản thứ 3, khuôn mẫu. - M.: Bustard, 2004 .. Chúng minh họa cho chứng hẹp sinh học có điều kiện do nhà sinh thái học người Mỹ Y. Odum đề xuất. "Hội chứng sinh học" bao gồm một cậu bé chỉ ăn thịt bê và những con bê chỉ ăn cỏ linh lăng.

Cơm.

qui định 1% Hệ sinh thái. Bài giảng khóa học. Biên soạn bởi: Ứng viên Khoa học Kỹ thuật, Phó Giáo sư Tikhonov AI, 2002. Các luận điểm của Pasteur, cũng như định luật kim tự tháp năng lượng của R. Lindemann, đã tạo ra công thức của các quy tắc một và mười phần trăm. Tất nhiên, 1 và 10 là những con số gần đúng: khoảng 1 và khoảng 10.

"Con số kỳ diệu" 1% phát sinh từ tỷ lệ giữa khả năng tiêu thụ năng lượng và "khả năng" cần thiết để ổn định môi trường. Đối với sinh quyển, tỷ lệ tiêu thụ có thể có trong tổng sản lượng sơ cấp không vượt quá 1% (điều này cũng tuân theo định luật R. Lindemann: khoảng 1% sản lượng sơ cấp thuần về mặt năng lượng được tiêu thụ bởi động vật có xương sống khi tiêu thụ các đơn hàng cao hơn, khoảng 10 % bởi động vật không xương sống là người tiêu thụ đơn đặt hàng thấp hơn và một số còn lại là vi khuẩn và nấm thực khuẩn). Ngay sau khi nhân loại, ở bên bờ vực của quá khứ và các thế kỷ của chúng ta, bắt đầu sử dụng một lượng lớn sản lượng sinh quyển hơn (hiện nay ít nhất là 10%), nguyên tắc Le Chatelier-Brown không còn được thỏa mãn (dường như, từ khoảng 0,5% trong số tổng năng lượng của sinh quyển): thảm thực vật không cho sinh khối tăng trưởng theo sự gia tăng nồng độ CO 2, v.v. (sự gia tăng lượng carbon liên kết với thực vật chỉ được quan sát thấy trong thế kỷ trước).

Theo kinh nghiệm, ngưỡng tiêu thụ 5 - 10% của một chất, khi đi qua nó, dẫn đến những thay đổi đáng chú ý trong các hệ thống của tự nhiên, được công nhận khá rõ ràng. Nó được chấp nhận chủ yếu ở cấp độ thực nghiệm-trực quan, mà không phân biệt giữa các hình thức và bản chất của kiểm soát trong các hệ thống này. Một cách gần đúng, có thể phân chia các quá trình chuyển đổi đang nổi lên cho các hệ thống tự nhiên với một loại kiểm soát sinh vật và tổ hợp, mặt khác và các hệ thống quần thể, mặt khác. Đối với trước đây, các đại lượng mà chúng tôi quan tâm là ngưỡng thoát ra khỏi trạng thái tĩnh lên đến 1% dòng năng lượng ("định mức" tiêu thụ) và ngưỡng tự hủy - khoảng 10% "định mức" này. Đối với các hệ thống dân số, vượt quá trung bình 10% khối lượng rút dẫn đến việc các hệ thống này thoát khỏi trạng thái tĩnh.

1. Lưới thức ăn là gì?

Câu trả lời. Chuỗi thức ăn (dinh dưỡng) - một loạt các loài thực vật, động vật, nấm và vi sinh vật có quan hệ với nhau bằng các mối quan hệ: thức ăn - sinh vật tiêu thụ. Lưới thức ăn là một hệ thống các mối quan hệ giữa các chuỗi thức ăn.

2. Những sinh vật nào là người sản xuất?

Câu trả lời. Sinh vật sản xuất - sinh vật có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ từ vô cơ, tức là tất cả các sinh vật tự dưỡng. Đây chủ yếu là thực vật xanh (chúng tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ trong quá trình quang hợp), tuy nhiên, một số loại vi khuẩn hóa dưỡng có khả năng tổng hợp hóa học hoàn toàn chất hữu cơ mà không cần ánh sáng mặt trời.

3. Người tiêu dùng khác với người sản xuất như thế nào?

Các câu hỏi sau § 85

1. Kim tự tháp sinh thái là gì? Nó phản ánh những quá trình nào trong cộng đồng?

Câu trả lời. Sự sụt giảm lượng năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ mức độ dinh dưỡng này sang mức độ dinh dưỡng khác (cao hơn) quyết định số lượng các mức độ này và tỷ lệ vật ăn thịt so với con mồi. Người ta ước tính rằng bất kỳ mức dinh dưỡng nhất định nào cũng nhận được khoảng 10% (hoặc hơn một chút) năng lượng của mức trước đó. Do đó, tổng số cấp độ dinh dưỡng hiếm khi nhiều hơn bốn hoặc sáu.

Hiện tượng này, được mô tả bằng đồ thị, được gọi là kim tự tháp sinh thái. Có một kim tự tháp số lượng (cá thể), một kim tự tháp sinh khối và một kim tự tháp năng lượng.

Cơ sở của kim tự tháp được hình thành bởi các nhà sản xuất (thực vật). Phía trên chúng là những sinh vật tiêu thụ bậc 1 (động vật ăn cỏ). Cấp độ tiếp theo được đại diện bởi người tiêu dùng bậc hai (động vật ăn thịt). Và cứ thế đến đỉnh của kim tự tháp, nơi bị chiếm đóng bởi những kẻ săn mồi lớn nhất. Chiều cao của kim tự tháp thường tương ứng với chiều dài của chuỗi thức ăn.

Kim tự tháp sinh khối cho thấy tỷ lệ sinh khối của các sinh vật ở các mức độ dinh dưỡng khác nhau, được mô tả bằng đồ thị theo cách mà chiều dài hoặc diện tích của hình chữ nhật tương ứng với một mức độ dinh dưỡng nhất định tỷ lệ với sinh khối của nó.

2. Sự khác biệt giữa các kim tự tháp về số lượng và năng lượng là gì?

Câu trả lời. Kim tự tháp sinh thái có thể được phân thành ba loại chính:

Kim tự tháp của sự phong phú, phản ánh sự phong phú của các sinh vật riêng lẻ; kim tự tháp sinh khối đặc trưng cho tổng khối lượng cá thể của mỗi bậc dinh dưỡng; hình tháp sản xuất đặc trưng cho sản xuất của mỗi cấp độ dinh dưỡng.

Theo quy luật, tháp quần thể là ít thông tin và chỉ dẫn nhất, vì sự phong phú của các sinh vật có cùng cấp độ dinh dưỡng trong một hệ sinh thái phần lớn phụ thuộc vào kích thước của chúng. Ví dụ, khối lượng của một con cáo bằng khối lượng của vài trăm con chuột.

Thông thường, số lượng sinh vật dị dưỡng trong hệ sinh thái nhiều hơn sinh vật tự dưỡng. Lên đến vài nghìn côn trùng có thể kiếm ăn trên một cây (cấp độ dinh dưỡng thứ nhất) (cấp độ dinh dưỡng thứ hai). Với sự gia tăng mức độ dinh dưỡng của các sinh vật dị dưỡng, kích thước trung bình của các cá thể nằm trên đó thường tăng lên, và số lượng của chúng giảm xuống. Do đó, các kim tự tháp dân số trong hệ sinh thái thường trông giống như một "cây thông Noel".

Các kim tự tháp sinh khối thể hiện mối quan hệ giữa các cấp độ dinh dưỡng khác nhau của một hệ sinh thái tốt hơn nhiều. Nhìn chung, sinh khối của các cấp thấp hơn sinh khối của các cấp cao hơn. Tuy nhiên, có những ngoại lệ đáng kể đối với quy tắc này. Ví dụ, ở các vùng biển, sinh khối của động vật phù du ăn cỏ lớn hơn đáng kể (đôi khi gấp 2–3 lần) so với sinh khối của thực vật phù du, mà đại diện chủ yếu là tảo đơn bào. Điều này được giải thích là do tảo bị động vật phù du ăn mất rất nhanh, nhưng tốc độ phân chia tế bào của chúng rất cao sẽ bảo vệ chúng khỏi bị ăn hết hoàn toàn.

Bức tranh đầy đủ nhất về tổ chức chức năng của các hệ sinh thái được cung cấp bởi các kim tự tháp sản xuất. Đồng thời, tốt hơn là biểu thị giá trị sản xuất của từng mức dinh dưỡng bằng các đơn vị đo lường thông thường, tốt nhất là bằng đơn vị năng lượng. Trong trường hợp này, kim tự tháp của các sản phẩm sẽ là kim tự tháp của năng lượng.

Trái ngược với các kim tự tháp về mức độ phong phú và sinh khối, phản ánh sự tĩnh tại của hệ thống (tức là đặc trưng cho số lượng sinh vật tại một thời điểm nhất định), các kim tự tháp sản xuất đặc trưng cho tốc độ truyền năng lượng thức ăn dọc theo các chuỗi dinh dưỡng. Nếu tất cả các giá trị của năng lượng thu vào và chi tiêu trong chuỗi dinh dưỡng được tính đến một cách chính xác, thì theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, các kim tự tháp sản phẩm sẽ luôn có hình dạng chính xác.

Số lượng và sinh khối của sinh vật có thể duy trì ở bất kỳ mức nào trong những điều kiện nhất định không phụ thuộc vào lượng năng lượng cố định hiện có ở mức trước (tức là vào sinh khối của sinh khối sau), mà phụ thuộc vào tốc độ sản xuất lương thực trên đó.

3. Tại sao hình chóp số có thể thẳng và ngược?

Câu trả lời. Nếu tốc độ sinh sản của quần thể con mồi cao, thì ngay cả khi có sinh khối thấp, quần thể như vậy vẫn có thể là nguồn thức ăn đầy đủ cho các loài săn mồi có sinh khối lớn hơn nhưng tốc độ sinh sản thấp. Vì lý do này, các kim tự tháp có mức độ phong phú hoặc sinh khối có thể bị đảo ngược, tức là các mức dinh dưỡng thấp có thể có mật độ và sinh khối thấp hơn các mức cao hơn.

Ví dụ, nhiều loài côn trùng có thể sống và kiếm ăn trên một cây (hình tháp ngược của các con số). Sinh khối dạng kim tự tháp ngược là đặc trưng của các hệ sinh thái biển, nơi các sinh vật sản xuất chính (tảo thực vật phù du) phân chia rất nhanh và sinh vật tiêu thụ của chúng (giáp xác động vật phù du) lớn hơn nhiều, nhưng sinh sôi chậm hơn nhiều. Động vật có xương sống ở biển có khối lượng lớn hơn và chu kỳ sinh sản dài.

Tính phần năng lượng nhận được ở bậc dinh dưỡng thứ 5, với điều kiện tổng năng lượng của nó ở bậc 1 là 500 đơn vị.

Câu trả lời. Mức thứ nhất là 500, mức thứ hai là 50, mức thứ ba là 5, mức thứ tư là 0,5, mức thứ năm là 0,05 đơn vị.