الإنتاجية (علم البيئة)

في علم البيئة ، تُعرَّف الإنتاجية بأنها معدل توليد الكتلة الحيوية في النظام البيئي ، وعادةً ما تُقاس بوحدات الكتلة لكل وحدة حجم (وحدة مساحة) لكل وحدة زمنية، مثل غرام لكل متر مربع في اليوم (جم ^/م² يوم⁻¹ ). ويمكن أن ترتبط وحدة الكتلة بالمادة الجافة ^أو بكتلة الكربون المتولد. تُسمى إنتاجية الكائنات ذاتية التغذية ، كالنباتات ، بالإنتاجية الأولية ، بينما تُسمى إنتاجية الكائنات غيرية التغذية ، كالحيوانات ، بالإنتاجية الثانوية . ^{[ 1 ]}

تتأثر إنتاجية النظام البيئي بمجموعة واسعة من العوامل، بما في ذلك توافر المغذيات ودرجة الحرارة وتوافر المياه. يُعد فهم الإنتاجية البيئية أمرًا بالغ الأهمية لأنه يوفر رؤى ثاقبة حول كيفية عمل النظم البيئية ومدى قدرتها على دعم الحياة. ^{[ 2 ]}

الإنتاج الأولي هو عملية تصنيع المواد العضوية من جزيئات غير عضوية . يهيمن على _{الإنتاج} الأولي في معظم النظم البيئية عملية التمثيل الضوئي ، حيث تقوم الكائنات الحية بتصنيع الجزيئات العضوية من ضوء الشمس والماء _وثاني أكسيد الكربون . ^{[ 3 ]} يشير الإنتاج الأولي المائي إلى إنتاج المواد العضوية، مثل العوالق النباتية والنباتات المائية والطحالب، في النظم البيئية المائية، والتي تشمل المحيطات والبحيرات والأنهار. أما الإنتاج الأولي الأرضي فيشير إلى إنتاج المواد العضوية الذي يحدث في النظم البيئية الأرضية مثل الغابات والمراعي والأراضي الرطبة.

ينقسم الإنتاج الأولي إلى صافي الإنتاج الأولي (NPP) وإجمالي الإنتاج الأولي (GPP). يقيس إجمالي الإنتاج الأولي جميع الكربون الذي تستوعبه الكائنات المنتجة الأولية في جزيئاتها العضوية. ^{[ 4 ]} أما صافي الإنتاج الأولي فيقيس كمية الجزيئات العضوية التي تستوعبها هذه الكائنات. كما يقيس صافي الإنتاج الأولي كمية الكربون التي تستوعبها الكائنات المنتجة الأولية في جزيئاتها العضوية، ولكنه لا يشمل الجزيئات العضوية التي تُحللها هذه الكائنات مرة أخرى في عمليات بيولوجية مثل التنفس الخلوي . ^{[ 5 ]} الصيغة المستخدمة لحساب صافي الإنتاج الأولي هي: صافي الإنتاج الأولي = إجمالي الإنتاج الأولي - التنفس.

المنتجين الأوليين

التغذية الضوئية الذاتية

تُعرف الكائنات الحية التي تعتمد على الطاقة الضوئية لتثبيت الكربون ، وبالتالي المشاركة في الإنتاج الأولي، باسم الكائنات ذاتية التغذية الضوئية . ^{[ 6 ]}

توجد الكائنات ذاتية التغذية الضوئية في جميع أنحاء شجرة الحياة. ومن المعروف أن العديد من أنواع البكتيريا ذاتية التغذية الضوئية، مثل البكتيريا الزرقاء ^{[ 7 ]} وبعض أنواع الزائفة (المعروفة سابقًا باسم البروتيوكتيريا) ^{[ 8 ]} . اكتسبت الكائنات حقيقية النواة القدرة على المشاركة في عملية التمثيل الضوئي من خلال تطور البلاستيدات المشتقة من علاقات التكافل الداخلي ^{[ 9 ]} . طورت مجموعة Archaeplastida ، التي تضم الطحالب الحمراء والخضراء والنباتات، بلاستيدات خضراء نشأت من علاقة تكافل داخلي قديمة مع ألفا بروتيوكتيريا ^{[ 10 ]} . تعتمد إنتاجية النباتات، على الرغم من كونها ذاتية التغذية الضوئية، على عوامل مثل الملوحة والضغوط اللاأحيائية من البيئة المحيطة ^{[ 11 ]} . أما بقية الكائنات حقيقية النواة ذاتية التغذية الضوئية فتقع ضمن مجموعة SAR (التي تضم Stramenopila و Alveolata و Rhizaria ). الكائنات الحية في مجموعة SAR التي طورت البلاستيدات فعلت ذلك من خلال علاقات تكافلية داخلية ثانوية أو ثالثية مع الطحالب الخضراء و/أو الطحالب الحمراء. ^{[ 12 ]} تضم مجموعة SAR العديد من المنتجين الأوليين المائيين والبحريين مثل عشب البحر والدياتومات والسوطيات الدوارة . ^{[ 12 ]}

الليثوأوتوفوتروفات

العملية الأخرى للإنتاج الأولي هي التغذية الذاتية بالجسيمات الصخرية . تستخدم الكائنات الحية ذاتية التغذية بالجسيمات الصخرية مركبات كيميائية مختزلة مثل غاز الهيدروجين ، وكبريتيد الهيدروجين ، والميثان ، أو أيون الحديدوز لتثبيت الكربون والمشاركة في الإنتاج الأولي. الكائنات الحية ذاتية التغذية بالجسيمات الصخرية بدائية النواة ، وتمثلها أنواع من كل من نطاقي البكتيريا والعتائق . ^{[ 13 ]} التغذية الذاتية بالجسيمات الصخرية هي الشكل الوحيد للإنتاج الأولي الممكن في النظم البيئية التي تفتقر إلى الضوء، مثل النظم البيئية للمياه الجوفية ، ^{[ 14 ]} والنظم البيئية للفتحات الحرارية المائية ، ^{[ 15 ]} والنظم البيئية للتربة ، ^{[ 16 ]} والنظم البيئية للكهوف. ^{[ 17 ]}

الإنتاج الثانوي هو توليد الكتلة الحيوية للكائنات غيرية التغذية (المستهلكة) في النظام البيئي. وينتج هذا عن انتقال المواد العضوية بين المستويات الغذائية ، ويمثل كمية الأنسجة الجديدة المتكونة من خلال استخدام الغذاء المُستَوعَب . يُعرَّف الإنتاج الثانوي أحيانًا بأنه يشمل فقط استهلاك المنتجين الأوليين من قِبَل المستهلكين العاشبين ^{[ 18 ]} (بينما يشير الإنتاج الثالثي إلى المستهلكين اللاحمين ) ^{[ 19 ]} ، ولكنه يُعرَّف بشكل أكثر شيوعًا بأنه يشمل جميع أنواع توليد الكتلة الحيوية بواسطة الكائنات غيرية التغذية. ^{[ 1 ]}

تشمل الكائنات الحية المسؤولة عن الإنتاج الثانوي الحيوانات والطلائعيات والفطريات والعديد من البكتيريا .

يمكن تقدير الإنتاج الثانوي باستخدام عدة طرق مختلفة، منها طريقة جمع الزيادات، وطريقة جمع الإزالة، وطريقة النمو اللحظي، وطريقة منحنى ألين. ^{[ 20 ]} يعتمد اختيار إحدى هذه الطرق على افتراضات كل منها وعلى النظام البيئي قيد الدراسة. على سبيل المثال، ما إذا كان ينبغي التمييز بين المجموعات ، وما إذا كان يمكن افتراض معدل وفيات خطي، وما إذا كان نمو السكان أُسّيًا.

يُعرَّف صافي إنتاج النظام البيئي بأنه الفرق بين إجمالي الإنتاج الأولي (GPP) وتنفس النظام البيئي. ^{[ 21 ]} صيغة حساب صافي إنتاج النظام البيئي هي: NEP = GPP - التنفس (بواسطة الكائنات ذاتية التغذية) - التنفس (بواسطة الكائنات غيرية التغذية). ^{[ 22 ]} يكمن الفرق الرئيسي بين صافي الإنتاج الأولي (NPP) وصافي إنتاج النظام البيئي (NEP) في أن صافي الإنتاج الأولي يركز بشكل أساسي على الإنتاج الذاتي، بينما يشمل صافي إنتاج النظام البيئي مساهمات الجوانب الأخرى للنظام البيئي في إجمالي ميزانية الكربون. ^{[ 23 ]}

فيما يلي قائمة بالنظم البيئية مرتبة حسب تناقص إنتاجيتها.

تُعدّ العلاقة بين إنتاجية النباتات والتنوع البيولوجي موضوعًا هامًا في علم البيئة، على الرغم من أنها كانت موضع جدل لعقود. وتتأثر كل من الإنتاجية وتنوع الأنواع بمتغيرات أخرى كالمناخ ونوع النظام البيئي وكثافة استخدام الأراضي. ^{[ 24 ]} وتشير بعض الأبحاث حول العلاقة بين تنوع النباتات ووظائف النظام البيئي إلى أن الإنتاجية تزداد مع ازدياد تنوع الأنواع. ^{[ 25 ]} ويُعزى ذلك جزئيًا إلى أن احتمالية اكتشاف أنواع عالية الإنتاجية تزداد مع ازدياد عدد الأنواع الموجودة أصلًا في النظام البيئي. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

يعتقد باحثون آخرون أن العلاقة بين تنوع الأنواع والإنتاجية أحادية النمط داخل النظام البيئي. ^{[ 27 ]} فعلى سبيل المثال، وجدت دراسة أجريت عام 1999 على النظم البيئية للمراعي في أوروبا أن زيادة تنوع الأنواع تؤدي في البداية إلى زيادة الإنتاجية، لكنها تستقر تدريجيًا عند مستويات متوسطة من التنوع. ^{[ 28 ]} وفي الآونة الأخيرة، لاحظ تحليل تلوي لـ 44 دراسة من أنواع مختلفة من النظم البيئية أن التفاعل بين التنوع والإنتاجية كان أحادي النمط في جميع الدراسات باستثناء دراسة واحدة. ^{[ 29 ]}

أثرت الأنشطة البشرية على إنتاجية وكتلة العديد من النظم البيئية. ومن أمثلة هذه الأنشطة: تعديل الموائل، واستهلاك المياه العذبة، وزيادة المغذيات نتيجة استخدام الأسمدة، وغيرها الكثير. ^{[ 30 ]} يمكن أن تؤدي زيادة المغذيات إلى ازدهار الطحالب في المسطحات المائية، مما يزيد الإنتاج الأولي ولكنه يجعل النظام البيئي أقل استقرارًا. ^{[ 31 ]} وهذا بدوره يزيد الإنتاج الثانوي ويحدث تأثيرًا متسلسلًا على السلسلة الغذائية، مما يزيد في النهاية من إنتاجية النظام البيئي الإجمالية. ^{[ 32 ]} في البحيرات، قد تُخفي هذه التأثيرات البشرية آثار تغير المناخ . ^{[ 33 ]} ترتبط كتلة الطحالب ارتباطًا سببيًا بالمناخ في بعض البحيرات، مع حدوث تحولات مؤقتة أو طويلة الأجل في الإنتاجية ( تحولات النظام ). ^{[ 33 ]}

• الكتلة الحيوية (علم البيئة)
• علم البيئة المجتمعية
• شبكة الغذاء
• الإنتاجية الزراعية