Измерение первичной продукции.

Редактор: С. Лсбкдкап

"Издательство ВИНОМ"

103473, Москва, Краснопролетарская, 16.

Лицензия па издательскую деятельность

серия./IP №0652-19 от 26.06,97 г.

Издательство " Невский Диалект"

Санкт-Петербург, 195220, Гражданский пр., 1-1.

Лицензия на издательскую деятельность

серия ЛР №065012 от 18.02.97 г.

Подписано D печать 19.03.99. Формат 70x100 '/Hi.

бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Петербург.

Усл. печ. л. 27,3. Тираж 2000. Заказ 259

Отпечатано с готовых диапозитивов в типографии ИПО П|И)физдат, 1090/1'I, Москва, Крутицкий нал, 18. Илр № 050003 от 19.10.91 г.

ISBN SVTeSDlBl-T

91785798 901319

ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ

Первичная продукция лежит в основе всей трофической структуры сообщества. Все механиз­мы экосистемы приводятся в движение энергией, поставляемой фотосинтезом. Поток энергии через популяции растительноядных, плотояд­ных и детритоядных животных и происходящие в экосистеме круговороты питательных веществ в конечном счете зависят от первичной про­дуктивности растений.

В состав растений входит не одна глюкоза (что следует из известного уравнения фотосинтеза). В различных биохи­мических процессах глюкоза используется не только в качестве источ­ника энергии, но и в качестве материала для построения других более сложных органических соединений. В результате соответствующих пе­рестроек сахара превращаются в жиры, масла и целлюлозу - основ­ной материал, из которого состоят стенки растительных клеток. Азот, фосфор, сера и магний, соединяясь с углеродом, кислородом и водоро­дом, образуют целый ряд белков, нуклеиновых кислот и пигментов.

Хлорофилл, помимо атомов азота и углерода, содержит атом магния, подобно тому, как гемоглобин содержит атом железа. Таким образом, даже если все другие необходимые материалы име­лись бы в достатке, растение, лишенное магния, не могло бы проду­цировать хлорофилл, а тем самым не могло бы расти. Совершенно ясно, что растения не могут также функционировать и в отсутствие во­ды. Количество воды, необходимое для фотосинтеза, - это всего лишь капля по сравнению с тем огромным ее количеством, которое необхо­димо для того, чтобы покрыть расходы на транспирацию. Ткани расте­ний состоят главным образом из воды, и вода служит той средой, в которой должны быть растворены питательные вещества, для того чтобы они стали доступными растениям.

В основное уравнение продукции должно входить не только сырье, необходимое для фотосинтеза, но и ряд минеральных веществ. В со­здании продукции участвует много биологических реакций, но в общем виде этот процесс можно свести к следующему суммарному уравнению:

СО₂ + Н₂О + минеральные вещества ^{Наличие света и соответствующие температуры__} →

→ Растительная продукция + Кислород

Не все сахара, образованные в процессе фотосинтеза, включаются в растительную биомассу, т. е. не все они идут на увеличение разме­ров и числа растений. Некоторая часть сахаров должна быть окислена, с тем, чтобы высвободить энергию, необходимую для биосинтеза и под­держания функций растения. В этом смысле растения не отличаются от животных: для поддержания своего существования им необходима энергия.

Можно выделить два вида продукции - общую и чистую. Общая продукция - это вся та энергия, которая была ассимилирована в про­цессе фотосинтеза. Чистая продукция - это накопление энергии в ра­стительной биомассе, проявляющееся в росте или размножении расте­ний. Разность между общей и чистой продукцией составляет то коли­чество энергии, которое растение расходует на дыхание. Таким обра­зом, часть общей продукции (фотосинтез) идет на дыхание (функции поддержания), а часть представляет собой чистую продукцию (рост и размножение). В большинстве случаев при исследовании продуктивности растений, особенно в наземных местообитаниях, экологи измеряют не общую, а чистую продукцию, поскольку методы ее измерения менее сложны и поскольку именно она служит мерой ресурсов, доступных гетеротрофным потребителям в данной экосистеме.

Измерение первичной продукции.

Чистую продукцию удобно выражать в граммах ассимилирован­ного углерода, в сухом весе или в энергетическом эквиваленте сухого веса. Всеми этими показателями пользуются попеременно. Содержание энергии в каком-либо органическом соединении зависит, прежде всего, от содержания в нем углерода и азота. Содержание уг­лерода по весу в большинстве растительных тканей близко к его со­держанию в глюкозе, т. е. к 40%. Когда в растениях сахара превра­щаются в жиры и масла, кислород отщепляется от их молекул, так что относительное содержание углерода возрастает. Например, трипальмитинглицерид (С₅₁Н₉₈С₆) содержит 76% углерода по весу. Содержание энергии на 1 г в жирах и маслах более чем вдвое превышает ее содер­жание в сахарах, а поэтому они очень часто используются растениями и животными для запасания энергии.

Соединение двуокиси углерода и воды в процессе фотосинтеза тре­бует затраты 9,3 ккал энергии на каждый грамм ассимилированного углерода. Поэтому полное окисление какого-либо углеродсодержащего соединения до двуокиси углерода и воды должно было бы сопровож­даться высвобождением ровно 9,3 ккал на 1 г окисленного углерода. Практически вследствие биохимических перестроек, с которыми свя­зано образование большинства сложных органических соединений, ко­личества энергии оказываются несколько иными. Принято считать, что при окислении 1 г угле­рода (сахаров, крахмала, целлюлозы) высвобождается 4,2 ккал энер­гии, 1 г белка—5,7 ккал, а 1 г жира—9,5 ккал.

Общее уравнение продукции допускает несколько возможных ме­тодов измерения первичной продукции естественных местообитаний. Поглощение двуокиси углерода и минеральных питательных ве­ществ, выделение кислорода - все эти величины пропорциональны продукции. Для измерения поглощения двуокиси углерода и продук­ции кислорода и органического вещества существуют надежные методы.

Первичную продукцию наземных экосистем обычно оцениваютпогодовому приросту растительной биомассы (чистая продукция). Для того чтобы определить прирост за год, в конце вегетационного сезона растения срезают, высушивают и взвешивают. Этот метод сбора уро­жая обычно используют при определении биомассы культурных и ди­корастущих растений в умеренных областях, где вся надземная часть у большинства растений ежегодно отмирает. Поскольку рост корней обычно не учитывается (из почв большинства типов корни извлекать трудно), урожай измеряет чистую годовую наземную продуктивность, которая чаще всего и используется в качестве основы для сравнения продуктивности наземных сообществ.

Метод сбора урожая сталкивается с некоторыми трудностями. Часть первичной продукции поедают растительноядные животные. Рост корней, как только что отмечалось, измерить трудно, хотя корне­вые системы однолетних растений иногда удается отделить от почвы путем длительного отмывания. Однако у многолетников рост корней продолжается из года в год, так что их биомасса представляет собой результат многолетнего роста. Трудности измерения, создаваемые в луговых местообитаниях ростом корней, еще больше увеличиваются в лесах вследствие роста ветвей и стволов деревьев. Сбор листового опада и обрезка свежих побегов дают возможность оценить продукцию лишь частично. Годовой прирост деревянистых частей часто вычисляют, определяя отношение окружности ствола к общей биомассе и измеряя затем годовые приросты живых деревьев. Для оценки общей биомассы срубают ряд деревьев увеличивающегося размера, отделяют стволы от ветвей, а иногда и от корней, после чего сжигают все эти части по отдельности в больших печах и взвешивают золу. Годо­вой прирост окружности живых де­ревьев можно затем перевести в увеличение общего веса. Для пол­ной оценки продукции к получен­ной величине прибавляют прирост листьев, цветков и плодов, т. е. ча­стей, которые возобновляются каж­дый год.

Специфической чертой продукционного процесса в водо­емах служит то, что в образовании первичной продукции их большое значение имеет планктон, биомасса которого, как правило, во много раз меньше годовой продукции. Поэтому ни биомасса планктона в какой-либо момент года, например во время его максимального развития, ни средняя биомасса за год не могут служить мерой первичной продукции

В природе одновременно происходят два противоположных процесса - построение и разрушение органических веществ. Новообразование органических веществ в темноте прекращается, следовательно, прекращается и потребление углекислоты из окружающей среды и выделение в среду эквивалентного количества кисло­рода. Процессы же дыхания, т. е. потребление кислорода и выделение углекислоты, в темноте идут с той же скоростью, что и на свету. Поэтому, сравнив результаты жизнедеятель­ности водных сообществ на свету и в темноте, можно рассчи­тать величину первичной продукции, а в известных случаях и деструкции в водоемах.

О процессах построения и деструкции в принципе можно судить по нескольким различным показателям, например, по скорости потребления кислорода, выделения углекислоты, изме­нению рН, накоплению продуктов фотосинтеза и пр. В прак­тике исследований в подавляющем большинстве случаев при­бегали к измерениям содержания в воде растворенного кислорода. Следует сказать, что скорость потребления кислорода служит наиболее распространенным показателем интенсивности обмена водных организмов и скорости минерализации органических веществ, или скорости деструкции.

Наконец, биомасса водных организмов, пропорциональная количеству органических веществ, может быть выражена экви­валентным ей количеством кислорода, потребного для полного окисления. Биомасса, выраженная в единицах кислорода, оказывается не­посредственно сравнимой с результатами измерений интенсивности фотосинтеза (первичной продукции) и дыхания (деструкции). Таким образом, есть основания выделить кислородный метод определения величины первичной продукции в водоемах.

При прослеживании круговорота углерода и изучении не­которых других вопросов можно было бы отдать предпочтение углекислоте в качестве единицы измерения, но для энергетического рассмотрения биотического круговорота углекислота как единица измерения непригодна, так как энергетический экви­валент ее в несравненно большей мере изменяется в зависимо­сти от химического состава вещества. Известно, что для безазотистого дыхательного коэффициента (ДК) энергетические эквиваленты О₂ и СО₂ составляют следующее число калорий на 1 мл.

Таблица

 

ДК	О2	CO2
0,70 0,80     0,9   0,90	4,686 4,801 4,924	6,694 6,001 5,471
0,90	4,924	5,471
1,00	5,047	5,047

 

Для кислорода энергетический эквивалент при ДК=0,70 отклоняется всего на 7% от его значения при ДК=1,0, в то время как для углекислоты соответствующая разность состав­ляет 33%.

Для определения величин первичной продукции планктона могут быть использованы наблюдения в дневное и ночное вре­мя в открытой воде водоемов, т. е. расчеты величин первичной продукции по суточному ходу содержания кислорода и угле­кислоты, или же наблюдения за результатами жизнедеятель­ности планктона в воде, заключенной в незатемненные и за­темненные сосуды.

Наибольшее распространение получил по­следний способ, который может быть обозначен как метод склянок.

По истечении известного срока экспозиции, например 24 ча­сов, в незатемненном сосуде должно содержаться больше про­дуктов фотосинтеза и растворенного в воде кислорода и мень­ше углекислоты, чем в затемненном. Очевидно, что разности в содержании кислорода или углекислоты строго пропорциональ­ны интенсивности фотосинтеза планктона. Таким образом, об интенсивности фотосинтеза планктона можно судить, пользуясь разными критериями. Соответственно с этим можно различить по меньшей мере три варианта метода склянок. Из них первый технически наиболее простой и наиболее распространенный кислородный вариант.

Техника применения метода склянок проста. В этом суще­ственное достоинство метода, который может быть использо­ван, и в экспедиционных условиях. Склянки должны быть из белого стекла и иметь притертые пробки. Наиболее удобны склянки вместимостью 60— 160 мл. При таком объеме три склянки («контрольная» - для определения начального содержания кислорода, затемненная и незатемненная) могут быть заполнены из одного литрового батометра. С помощью склянок такого размера сделана боль­шая часть наблюдений на разных водоемах, и поэтому такая вместимость их желательна для стандартизации метода.

При всех наблюдениях методом склянок, особенно при стационарных работах, рекомендуется на каждый горизонт уста­навливать две светлые и две затемненные склянки, как это и практиковалось почти всеми авторами.

Когда наблюдения ведутся с помощью большого числа скля­нок, то при определении содержания кислорода удобно титро­вать не все содержимое склянки, а некоторый объем, отобран­ный с помощью пипетки после тщательного перемешивания раствора. При этом возможно повысить точность анализа путем повторного ти­трования. Например, из склянки в 120 мл можно дважды отобрать по 50 мл. При этом способе существенно облегчаются расчеты и отпадает необходимость точной калибровки склянок, но лишь в случае, когда все склянки имеют примерно один и тот же объем.

Склянки с пробами, отобранными на нужной глубине, экспонируют­ся на той же глубине. За исключением специальных наблюдений, срок пребывания склянок в водоеме должен быть равен 24 часам. На протяже­нии суток начинаются и заканчиваются циклические изменения освещения и других условий.

Расчет первичной продукции по кислородной модификации метода склянок осуществляется следующим образом. Начальное содержание О₂ в склянке перед экспонированием составляло V₁, после экспозиции в светлой склянке содержание О₂ было равно V_с, в темной склянке – V_т. Время экспозиции t = 24 ч.

Первичную продукцию (мг О₂/л.ч.) вычисляют по формулам:

валовая продукция: Р_вал = (V_с - V_т )/ t

чистая продукция: Р_чис = (V_с – V₁ )/ t

деструкция: Д = (V₁ – V_т ) /t

В данном случае первичная продукция и деструкция выражены в единицах кислорода. Первичная продукция может быть выражена в разных взаимоэквивалентных единицах. При переходе от одних единиц к другим принято исходить из следующих предпосылок: оксикалорийный коэффициент для органического вещества (ОВ) смешанного состава равен 3,4 кал/мг О₂; в органическом веществе содержится 46% углерода; ассимиляционный коэффициент (АК) равен 1,12, а дыхательный коэффициент (ДК) равен 0,89. При этих условиях получаем следующие переходные коэффициенты: 3,2 мгО/мгС, 10,6 кал/мгС, 0,69 мгОВ/мгО₂, 2,15 мгОВ/мгС. Если АК = 1,25 при ДК = 0,80, то коэффициент перехода от мгО₂ к мгС составит 0,30, от мгС к калориям – 11,3.

Радиоуглеродную модификацию метода склянок для опре­деления первичной продукции морского планктона впервые применил Стеман-Нильсен во время работ дат­ской морской экспедиции на судне «Галатея» (по Винберг,1960).

Сущность предложенного Стеман-Нильсеном метода сво­дится к следующему.

К заключенной в незатемненную склянку пробе добавляется известное количество меченой углекислоты в виде раствора карбоната или бикарбоната. Стеман-Нильсен ввел в практику исследований удобный прием предварительно­го приготовления ампул, содержащих нужные дозы раствора бикарбоната с меченым углеродом. Им применялись серии ам­пул, содержащих от 0,8 до 8 мкСu.

После некоторого срока экспозиции проба профильтровывается через мембранный фильтр. Измерив активность фильтра с осевшим на нем планктоном (г) и зная общую начальную активность внесенного радиоуглерода (R), находят отношение этих величин г/R. Принимается, что количество ассимилированной углекислоты находится в том же соотношении с общим количеством ее во взятом объеме воды (с). Определив последнюю величину гидрохимическим путем, легко рассчитать искомое количество ассимилированной углекислоты (А). Очевидно, А = r c/ R

Однако в такие расчеты приходится вносить некоторые по­правки. Прежде всего допущение об одинаковой скорости ассимиляции С¹² и С¹⁴ заведомо не совсем верно. Известно, что С¹⁴ ассимилируется с несколько меньшей скоростью. Это вы­зывает необходимость поправки на так называемую дискрими­нацию С¹⁴. Стеман-Нильсен считает, что меньшая скорость ассимиляции С¹⁴ компенсируется поправкой +5%.

На результаты измерений методом меченого углерода может оказать влияние также темновая фиксация углекислоты, но она обычно не превосходит 1 - 2% от скорости ассимиляции на свету. Однако в загрязненных водах, где много бактерий, она может приобретать исключительно большое зна­чение.

Наиболее слабым местом метода является то, что с его помощью фактически измеряется не все количество ассимилированного радиоактивного углерода. Некоторая часть ассимилированных атомов во время опыта принимает участие в дыхании и вновь уходит во внешнюю среду в составе выделенных при дыхании молекул СО₂. Какая доля от ассимилированных атомов С¹⁴ будет вновь отдана окружающей клетки среде, зависит от многих условий, в частности, и от продолжительности опытов. В длительных опытах вся выделяемая npи дыхании углекислота идентична ассимилированной; в этих условиях этим методом измеряется не валовая, а чистая продукция, т. е. не истинный, а видимый фотосинтез. Полагают, что при кратковременных опытах в среднем 60% выде­ляемой при дыхании углекислоты приходится за счет ассими­лированной при фотосинтезе и что в условиях оптимального освещения интенсивность дыхания составляет 10% от интенсивности фотосинтеза. Тогда для по­лучения истинного фотосинтеза (валовой продукции) следует внести поправку +6%. Вместе с поправками на дискримина­цию С¹⁴ и на темновую фиксацию углекислоты (-1%) - это со­ставит (+5 - 1+6) =10%. Последнюю величину (10%) Сте­ман-Нильсен вводит во все расчеты первичной продукции планктона. Но та­кая величина поправки годится только для условий, при ко­торых дыхание составляет 10% от фотосинтеза. Когда дыхание составляет 25% от фотосинтеза, поправка равна 20%, при 50% поправка будет 50% и т.д.

Таким образом, в различных условиях поправка должна быть разной, так что любое принятое постоянное зна­чение ее будет в значительной мере произвольным. В связи с этим Джитс предложил отказаться от внесения поправ­ки, ограничиваясь точными указаниями, при каких условиях (сроки экспозиции, освещение и пр.) получены соответствую­щие данные.

Стеман-Нильсен отмечает, что при низких интенсивностях света поправка особенно велика. Поэтому он считает, что метод С¹⁴ не пригоден для измерений интенсивности фотосинтеза при очень малых интенсивностях света.

Наличие хлорофилла в клетках является необходимым условием фотосинте­за. Большое число работ показывает закономерную связь между количест­вом хлорофилла растительных клеток и их продукцией и биомассой. Хлорофилльный метод измерения первичной продукции фитопланктона является весьма приближенным и его использование рекомендуется только в том случае, если невозможно измерение скляноч­ным методом. Ориентировочный расчет продукции и биомассы фитопланкто­на по концентрации хлорофилла "а" проводят исходя из того, что хлоро­филл "а" составляет 2,5 % сухой биомассы или 6,75% содержания органи­ческого углерода. Содержание хлорофилла "а" определяют фотомет­рическими и спектрофотометрическими методами.

X. Одум (Н. Оdum) определял продукцию в сообществе целой реки, сравнивая изменение содержания кислорода в речной воде в дневное и ночное время и внося поправки на обмен кислородом между рекой и атмосферой. Комбинируя метод Одума с методом светлых и темных бутылей и с обычными методами сбора урожая (для тех мест, где растут крупные водоросли), можно довольно точно измерить продукцию в водных сообществах.

Для измерения фотосинтеза в наземных экосистемах удобнее ис­пользовать обмен двуокиси углерода, чем обмен кислорода, так как двуокиси углерода в атмосфере содержится меньше. Небольшие изме­нения содержания двуокиси углерода измерить относительно легко (в атмосфере содержится всего 0,03% СО₂), и утечки из камер для взятия проб не порождают серьезных ошибок. Метод измерения про­дукции по двуокиси углерода сходен с методом светлых и темных склянок. Часть местообитания или даже отдельное растение заключают в воздухонепроницаемую камеру и сравнивают уменьшение содержа­ния СО₂ в течение дня с его повышением (за счет одного только ды­хания) ночью. Этот метод позволяет довольно точно измерять общую продукцию.

Использование радиоактивного углерода, в частности изотопа ¹⁴С, представляет собой модификацию метода измерения продуктивности, основанную на газообмене. Когда в воздухонепроницаемую камеру добавляют известное количество радиоактивного углерода в форме СО₂, растения ассимилируют радиоактивные атомы углерода в такой же пропорции, в какой они содержатся в воздухе камеры. Ско­рость фиксации углерода вычисляют, разделяя количество радиоактив­ного углерода, содержащееся в растении, на долю радиоактивной СО₂ в камере в начале эксперимента. Таким образом, если растение асси­милирует 10 мг ¹⁴С за 1 ч, а доля ¹⁴СО₂ в камере равна 5%, то можно вычислить, что растение ассимилирует углерод со скоростью 200 мг/ч (10:0,05). В процессе дыхания растение в конечном счете снова выде­ляет часть ассимилированного углерода в воздух в виде СО₂, которую оно может ассимилировать вторично. Измеряя поглощение радиоактив­ного углерода на протяжении 1-3 ч, можно получить надежную оцен­ку общей продуктивности. По прошествии одного-двух дней поглоще­ние и выделение радиоактивного углерода приближается к стационар­ному уровню и получаемые оценки скорее относятся к чистой, нежели к общей продукции.

Помимо С0₂ и воды, для синтеза органических соединений растения используют и другие вещества. Исчезновение из водных местообитаний растворенных нитратов и фосфатов может иногда служить относитель­ной мерой чистой продукции, но только при определенных условиях: рост должен происходить быстро и растения должны превращать неорганические питательные вещества в биомассу гораздо быстрее, чем ве­щества эти становятся им доступными в результате разложения мерт­вых растений или смешивания с глубинными слоями воды. Когда про­цессы продукции и разложения уравновешиваются и устанавливается некий стационарный режим, то освобождение неорганических питатель­ных веществ при разложении происходит с такой же скоростью, как их ассимиляция при фотосинтезе, а поэтому концентрация в среде рас­творенных питательных веществ не изменяется. Кроме того, следует иметь в виду, что накопление питательных веществ в растениях не обя­зательно связано какой-то постоянной зависимостью со скоростью про­дукции. Известно, например, что водоросли поглощают больше фосфора при высоком содержании в среде растворенных фосфатов, чем при их недостатке. А иногда растворенные минеральные вещества выделяют­ся растениями в среду. Многие физические и химические процессы, в частности эрозия, апвеллинг и осаждение, также оказывают влияние на содержание питательных веществ в водных системах. Надежные оценки продуктивности по исчезновению из среды неорганических пи­тательных веществ можно получить только в период «цветения» водорослей, наступающий в морях и озерах умеренной и арктической зон вслед за зимним периодом покоя..

Сравнение нескольких методов измерения продуктивности водных экосистем было проведено на фьордовом озере Огак на Баффиновой Земле (Канада). Первичную продукцию измеряли в течение всего ве­гетационного сезона по поглощению радиоактивного углерода в свет­лых бутылях, помещенных в озеро, а кроме того, наблюдали за изме­нением концентрации хлорофилла, нитратов, фосфатов и растворенного кислорода (рис. 7.2). Суточная продуктивность озера быстро возраста­ла в начале лета, когда лед исчезал с поверхности и свет начинал про­никать в глубину воды. Концентрация хлорофилла возрастала парал­лельно возрастанию продуктивности, а концентрации нитратов и фос­фатов понижались на протяжении всего лета.

Концентрация растворенного кислорода повышалась весной вместе с вспышкой растительной продукции, но затем усиление дыхания зоопланктона затруднило выяв­ление какой-либо прямой зависимости между концентрацией кислорода и продукцией. Любопытно, что возрастание продукции, наблюдавшееся в конце лета, не зависело ни от одного из регистрируемых факторов.

 

 

Рис. 7.2. Соотношение между продуктивностью фитопланктона (/) к концентрацией хлорофилла (II), фосфатов (х1,7) (III), нитратов (IV), кислорода (V) и зоопланктона (VI, произвольные единицы) в озере Огак на Баффиновой Земле.