Økosystemøkologi - Ecosystem ecology

Figur 1. En flodskov i White Mountains , New Hampshire (USA).

Økosystemøkologi er den integrerede undersøgelse af levende ( biotiske ) og ikke-levende ( abiotiske ) komponenter i økosystemer og deres interaktioner inden for en økosystemramme. Denne videnskab undersøger hvordan økosystemer fungerer og relaterer dette til deres komponenter såsom kemikalier , grundfjeld , jord , planter og dyr .

Økosystemøkologi undersøger fysiske og biologiske strukturer og undersøger, hvordan disse økosystemegenskaber interagerer med hinanden. I sidste ende hjælper dette os med at forstå, hvordan vi opretholder vand af høj kvalitet og økonomisk levedygtig råvareproduktion. Et stort fokus for økosystemøkologi er på funktionelle processer, økologiske mekanismer, der opretholder strukturen og tjenester produceret af økosystemer. Disse omfatter primær produktivitet (produktion af biomasse ), nedbrydning og trofiske interaktioner.

Undersøgelser af økosystemets funktion har i høj grad forbedret menneskelig forståelse af bæredygtig produktion af foder , fiber , brændstof og tilførsel af vand . Funktionelle processer medieres af regionalt til lokalt klima , forstyrrelser og ledelse. Således danner økosystemøkologi en stærk ramme til at identificere økologiske mekanismer, der interagerer med globale miljøproblemer, især global opvarmning og nedbrydning af overfladevand.

Dette eksempel demonstrerer flere vigtige aspekter af økosystemer:

Økosystemets grænser er ofte tåge og kan svinge i tid
Organismer i økosystemer er afhængige af økologiske plan biologiske og fysiske processer
Tilstødende økosystemer interagerer tæt og er ofte afhængige af vedligeholdelse af samfundsstruktur og funktionelle processer, der opretholder produktivitet og biodiversitet

Disse egenskaber introducerer også praktiske problemer i forvaltningen af naturressourcer. Hvem skal styre hvilket økosystem? Vil træskæring i skoven forringe fritidsfiskeriet i åen? Disse spørgsmål er vanskelige for landforvaltere at løse, mens grænsen mellem økosystemer stadig er uklar; selvom beslutninger i det ene økosystem vil påvirke det andet. Vi har brug for en bedre forståelse af disse økosystemers interaktioner og indbyrdes afhængigheder og de processer, der vedligeholder dem, før vi kan begynde at løse disse spørgsmål.

Økosystemøkologi er et iboende tværfagligt studieområde. Et individuelt økosystem består af populationer af organismer , der interagerer inden for lokalsamfund og bidrager til cyklussen af næringsstoffer og energistrømmen . Økosystemet er den vigtigste undersøgelsesenhed inden for økosystemøkologi.

Befolkning, fællesskab og fysiologisk økologi giver mange af de underliggende biologiske mekanismer, der påvirker økosystemer og de processer, de vedligeholder. Energistrøm og stofcyklus på økosystemniveau undersøges ofte i økosystemets økologi, men som helhed er denne videnskab mere defineret af emne end af skala. Økosystemøkologi nærmer sig organismer og abiotiske puljer af energi og næringsstoffer som et integreret system, der adskiller det fra tilhørende videnskaber som f.eks. Biogeokemi .

Biogeokemi og hydrologi fokuserer på flere fundamentale økosystemprocesser såsom biologisk medieret kemisk cykling af næringsstoffer og fysisk-biologisk cykling af vand. Økosystemøkologi danner det mekanistiske grundlag for regionale eller globale processer omfattet af landskab-til-regional hydrologi, global biogeokemi og jordsystemvidenskab.

Historie

Økosystemøkologi er filosofisk og historisk forankret i terrestrisk økologi. Økosystemkonceptet har udviklet sig hurtigt i løbet af de sidste 100 år med vigtige ideer udviklet af Frederic Clements , en botaniker, der argumenterede for specifikke definitioner af økosystemer, og at fysiologiske processer var ansvarlige for deres udvikling og vedholdenhed. Selvom de fleste af Clements økosystemdefinitioner er blevet kraftigt revideret, i første omgang af Henry Gleason og Arthur Tansley , og senere af nutidige økologer, er ideen om, at fysiologiske processer er grundlæggende for økosystemets struktur og funktion, stadig central for økologi.

Figur 3. Energi og stof strømmer gennem et økosystem, tilpasset Silver Springs -modellen. H er planteædere, C er kødædere, TC er kødædende dyr, og D er nedbrydere. Firkanter repræsenterer biotiske puljer og ovaler er flux eller energi eller næringsstoffer fra systemet.

Senere arbejde af Eugene Odum og Howard T. Odum kvantificerede strømme af energi og stof på økosystemniveau og dokumenterede dermed de generelle ideer, som Clements og hans samtidige Charles Elton foreslog .

I denne model var energistrømme gennem hele systemet afhængige af biotiske og abiotiske interaktioner mellem hver enkelt komponent ( art , uorganiske puljer af næringsstoffer osv.). Senere arbejde viste, at disse interaktioner og strømme anvendte på næringsstofcyklusser, ændrede sig i løbet af successionen og havde stærk kontrol over økosystemets produktivitet. Overførsler af energi og næringsstoffer er medfødt i økologiske systemer, uanset om de er akvatiske eller jordiske. Således er økosystemøkologi kommet frem fra vigtige biologiske undersøgelser af planter, dyr, terrestriske , akvatiske og marine økosystemer.

Økosystemtjenester

Økosystemtjenester er økologisk medierede funktionelle processer, der er afgørende for at opretholde sunde menneskelige samfund. Vandforsyning og filtrering, produktion af biomasse i skovbrug , landbrug og fiskeri og fjernelse af drivhusgasser som kuldioxid (CO ₂ ) fra atmosfæren er eksempler på økosystemtjenester, der er afgørende for folkesundheden og økonomiske muligheder. Næringsstofcykling er en grundlæggende proces for landbrugs- og skovproduktion.

Men som de fleste økosystemprocesser er næringsstofcyklus ikke et økosystemkarakteristik, der kan "ringes" til det mest ønskelige niveau. Maksimering af produktionen i nedbrudte systemer er en alt for simplistisk løsning på de komplekse problemer med sult og økonomisk sikkerhed. For eksempel har intensiv brug af gødning i det midtvestlige USA resulteret i et forringet fiskeri i Den Mexicanske Golf . Desværre er en " grøn revolution " af intensiv kemisk befrugtning blevet anbefalet til landbruget i udviklede og udviklingslande . Disse strategier risikerer ændring af økosystemprocesser, der kan være vanskelige at genoprette, især når de anvendes på store skalaer uden tilstrækkelig vurdering af virkninger. Økosystemprocesser kan tage mange år at komme sig efter betydelige forstyrrelser.

For eksempel har storskovsrensning i det nordøstlige USA i løbet af 1700- og 1800-tallet ændret jordtekstur, dominerende vegetation og cyklus med næringsstoffer på måder, der påvirker skovens produktivitet i dag. En påskønnelse af vigtigheden af økosystemfunktion for vedligeholdelse af produktiviteten, uanset om det er i landbrug eller skovbrug, er nødvendig i forbindelse med planer for restaurering af væsentlige processer. Forbedret viden om økosystemfunktion vil bidrage til at opnå langsigtet bæredygtighed og stabilitet i de fattigste dele af verden.

Operation

Biomasseproduktivitet er en af de mest synlige og økonomisk vigtige økosystemfunktioner. Biomasseakkumulering begynder på celleniveau via fotosyntese. Fotosyntese kræver vand og derfor er globale mønstre for årlig biomasseproduktion korreleret med årlig nedbør. Produktivitetsmængderne afhænger også af planternes samlede kapacitet til at fange sollys, som er direkte korreleret med plantebladsområde og N -indhold.

Netto primær produktivitet (NPP) er det primære mål for biomasseakkumulering inden for et økosystem. Netto primær produktivitet kan beregnes ved en simpel formel, hvor den samlede produktivitet justeres for det samlede produktivitetstab ved vedligeholdelse af biologiske processer:

NPP = GPP - R _producent

Figur 4. Sæsonmæssige og årlige ændringer i koncentrationen af kuldioxid (CO ₂ ) i omgivelserne på Mauna Loa Hawaii (atmosfære) og over baldakinen i en løvskov i Massachusetts (Skov). Data viser klare sæsonbestemte tendenser forbundet med perioder med høj og lav NPP og en samlet årlig stigning i atmosfærisk CO ₂ . Data er omtrentlige for dem, der er rapporteret af Keeling og Whorf og Barford.

Hvor GPP er brutto primær produktivitet og R _producent er fotosyntet ( kulstof ) tabt via cellulær respiration .

NPP er svært at måle, men en ny teknik kendt som virvel co-varians har belyst, hvordan naturlige økosystemer påvirker atmosfæren. Figur 4 viser sæsonmæssige og årlige ændringer i CO ₂ -koncentrationen målt på Mauna Loa , Hawaii fra 1987 til 1990. CO ₂ -koncentrationen steg støt, men variationen inden for året har været større end den årlige stigning siden målingerne begyndte i 1957.

Disse variationer antages at skyldes sæsonoptagelse af CO ₂ i sommermånederne. En nyudviklet teknik til vurdering af NPP i økosystemet har bekræftet, at sæsonvariation er drevet af sæsonmæssige ændringer i CO ₂ -optagelse af vegetation. Dette har fået mange forskere og politikere til at spekulere i, at økosystemer kan håndteres for at forbedre problemer med global opvarmning . Denne form for forvaltning kan omfatte genplantning eller ændring af skovhøstplaner for mange dele af verden.

Nedbrydning og næringsstofcykling

Nedbrydning og næringsstofcyklus er grundlæggende for økosystemets biomasseproduktion. De fleste naturlige økosystemer er begrænsede med nitrogen (N), og produktionen af biomasse er tæt forbundet med N -omsætningen. Typisk er ekstern input af næringsstoffer meget lav, og effektiv genanvendelse af næringsstoffer bevarer produktiviteten. Nedbrydning af planteaffald tegner sig for størstedelen af næringsstoffer, der genanvendes gennem økosystemer (figur 3). Hastigheden af nedbrydning af plantesand er stærkt afhængig af kuldkvaliteten; høj koncentration af phenolforbindelser, især lignin , i plantespild har en hæmmende effekt på nedbrydning af affald. Mere komplekse C -forbindelser nedbrydes langsommere og kan tage mange år, før de nedbrydes fuldstændigt. Nedbrydning beskrives typisk med eksponentielt henfald og har været relateret til mineralkoncentrationer, især mangan, i bladstrøet.

Figur 5. Dynamik ved nedbrydning af plantespild (A) beskrevet med en eksponentiel model (B) og en kombineret eksponentiel-lineær model (C).

Globalt formidles nedbrydningshastighederne af affaldskvalitet og klima. Økosystemer domineret af planter med lav ligninkoncentration har ofte hurtige nedbrydningshastigheder og cyklusser af næringsstoffer (Chapin et al. 1982). Enkle carbon (C) -holdige forbindelser metaboliseres fortrinsvis af dekomponerende mikroorganismer, hvilket resulterer i hurtige indledende nedbrydningshastigheder, se figur 5A, modeller, der afhænger af konstante forfaldshastigheder; såkaldte “k” -værdier, se figur 5B. Udover affaldskvalitet og klima er jordfaunas aktivitet meget vigtig

Disse modeller afspejler imidlertid ikke samtidige lineære og ikke-lineære henfaldsprocesser, som sandsynligvis opstår under nedbrydning. F.eks. Nedbrydes proteiner , sukkerarter og lipider eksponentielt, men lignin henfalder med en mere lineær hastighed Således forudsiges affaldsforfald unøjagtigt af simplistiske modeller.

En simpel alternativ model præsenteret i figur 5C viser betydeligt hurtigere nedbrydning end standardmodellen i figur 4B. Bedre forståelse af nedbrydningsmodeller er et vigtigt forskningsområde inden for økosystemøkologi, fordi denne proces er tæt knyttet til næringsstofforsyning og økosystemers samlede kapacitet til at opsamle CO ₂ fra atmosfæren.

Trofisk dynamik

Trofisk dynamik refererer til proces med energi og næringsstofoverførsel mellem organismer. Trofisk dynamik er en vigtig del af økosystemers struktur og funktion. Figur 3 viser energi overført til et økosystem i Silver Springs, Florida. Energi opnået af primære producenter (planter, P) forbruges af planteædere (H), der forbruges af kødædere (C), som selv forbruges af "top-kødædere" (TC).

Et af de mest oplagte mønstre i figur 3 er, at når man bevæger sig op til højere trofiske niveauer (dvs. fra planter til top-kødædende dyr) falder den samlede energimængde. Planter udøver en "bottom-up" kontrol af økosystemers energistruktur ved at bestemme den samlede mængde energi, der kommer ind i systemet.

Rovdyr kan imidlertid også påvirke strukturen af lavere trofiske niveauer ovenfra og ned. Disse påvirkninger kan dramatisk ændre dominerende arter i terrestriske og marine systemer. Samspillet og den relative styrke af top-down vs. bottom-up-kontroller på økosystemets struktur og funktion er et vigtigt forskningsområde inden for det større økologi.

Trofisk dynamik kan stærkt påvirke nedbrydningshastighederne og cyklussen af næringsstoffer i tid og rum. For eksempel kan planteædende plante øge nedbrydning af kuld og næringsstofcyklus via direkte ændringer i kuldkvaliteten og ændret dominerende vegetation. Insekturteliv har vist sig at øge nedbrydningshastigheden og næringsstofomsætningen på grund af ændringer i affaldskvaliteten og øgede fras -input .

Insektudbrud øger dog ikke altid næringscyklussen. Stadler viste, at C -rig honningdug, der produceres under bladlusudbrud, kan resultere i øget N -immobilisering af jordmikrober og dermed bremse næringscyklussen og potentielt begrænse produktionen af biomasse. Nordatlantiske marine økosystemer er blevet stærkt ændret ved overfiskeri af torsk. Torskebestandene styrtede ned i 1990'erne, hvilket resulterede i stigninger i deres bytte såsom rejer og snekrabber Menneskelig indgriben i økosystemer har resulteret i dramatiske ændringer i økosystemets struktur og funktion. Disse ændringer sker hurtigt og har ukendte konsekvenser for økonomisk sikkerhed og menneskeligt velbefindende.

Ansøgninger og betydning

Lektioner fra to mellemamerikanske byer

Biosfæren er blevet stærkt ændret af kravene fra menneskelige samfund. Økosystemøkologi spiller en vigtig rolle i forståelsen og tilpasningen til de mest presserende aktuelle miljøproblemer. Restaureringsøkologi og økosystemstyring er tæt forbundet med økosystemøkologi. Gendannelse af stærkt forringede ressourcer afhænger af integration af økosystemers funktionelle mekanismer.

Uden disse funktioner er intakte, reduceres økosystemernes økonomiske værdi kraftigt, og der kan udvikle potentielt farlige forhold i marken. For eksempel er områder inden for det bjergrige vestlige højland i Guatemala mere modtagelige for katastrofale jordskred og lammende sæsonmangel på grund af tab af skovressourcer. Derimod har byer som Totonicapán, der har bevaret skove gennem stærke sociale institutioner, større lokal økonomisk stabilitet og generelt større menneskelig trivsel.

Denne situation er slående i betragtning af at disse områder er tæt på hinanden, størstedelen af indbyggerne er af maya -afstamning, og topografien og de samlede ressourcer er ens. Der er tale om to grupper af mennesker, der forvalter ressourcer på grundlæggende forskellige måder. Økosystemøkologi giver den grundlæggende videnskab, der er nødvendig for at undgå nedbrydning og for at genoprette økosystemprocesser, der dækker grundlæggende menneskelige behov.

Languages

In other projects