Produttività di un ecosistema

La produzione primaria è la trasformazione da parte degli organismi autotrofi (o produttori primari) di carbonio inorganico (CO2) in carbonio organico (glucosio). Quindi sia la fotosintesi che la chemiosintesi. Ma la produttività è un tasso di produzione, quindi la velocità di conversione del carbonio. L’unità di misura della produzione è legata all’energia (KJ e Kcal, 1 cal = 4,18 J), all’unità di tempo (di solito in anni o giorni) e anche alla superficie (m2). Considerando che J/s = Watt, si può valutare la produzione in basse alla potenza.

N Watt vengono ricevuti dalla pianta e n Watt vengono trasformati in energia chimica.

La produttività si calcola anche in peso secco/m2/anno considerando che 1 g di materia secca = 3,5 kcal. Per ottenere il peso secco si mette il campione vegetale (es. foglie) in una stufa per diversi giorni in modo da rimuovere tutta l’acqua. Per sapere quanta sostanza organica c’è, si brucia il campione e si fa la seguente sottrazione: cenere – peso secco. Bisognerebbe considerare anche fusto e radici, se per il fusto basta il diametro e la densità del legno, per analizzare l’apparato radicale bisogna sacrificare tutta la pianta.

La produzione primaria netta (PPN) = produzione primaria lorda (PPL) – respirazione notturna dell’autotrofo (fascia verde). La PPN è la quantità di energia per unità di tempo messa a disposizione degli eterotrofi (fascia bruna).

La produttività secondaria è la velocità di immagazzinamento dell’energia chimica (materia organica) da parte degli eterotrofi (non c’è distinzione tra lorda e netta, in teoria è sempre netta perché si tiene già conto della respirazione). L’assorbimento di energia è legato al tasso di natalità in quanto serve molta energia per la gametogenesi. La produttività secondaria influenza il tasso di accrescimento di una popolazione, sia di accrescimento ponderale (aumento di biomassa del singolo) sia di accrescimento di individui (natalità).

La produzione netta della comunità (PNC) = PPN – consumo degli eterotrofi + produzione secondaria.

Se PNC = 0 siamo in una condizione di equilibrio energetico; se PNC > 0 si tratta di un sistema autotrofo energicamente resiliente; se PNC < 0 si tratta di un sistema eterotrofo non energicamente resiliente e prossimo all’estinzione.

PPN = ΔBP + M + C dove BP è la biomassa permanente, M è la biomassa vegetale morta e C è la biomassa pascolata.

I fattori che influenzano la produzione primaria sono la latitudine, in termini di temperatura e luce, e la disponibilità d’acqua. La pianta può fotosintetizzare solo se apre gli stomi attraverso i quali entra CO2, però gli stomi vengono aperti solo durante la traspirazione dell’acqua (quindi niente acqua, niente fotosintesi; più pioggia, più tempo stanno aperti gli stomi per la traspirazione, più fotosintesi). Gli ambienti più produttivi sono quelli costieri.

Il fattore di evapo-traspirazione dipende dalla temperatura e dalle precipitazioni e influenza la produzione degli autotrofi. Abbiamo diversi tipi di biomi che sono differentemente produttivi a causa di un diverso fattore di evaporo-traspirazione e hanno una flora diversa.

• Troviamo:
• Prateria
• Macchia mediterranea
• Deserto
• Tundra
• Taiga (foresta boreale di conifere)
• Foreste tropicali

L’estuario è la seconda zona marina più produttiva perché l’acqua non finisce tutta in mare (e con lei le sostanze nutritive) ricircola un po’ rendendo la zona dell’estuario una zona ricca di nutrienti (a volte troppo, situazioni eutrofiche). Qui troviamo piante sommerse e una situazione per certi versi simile ad una palude. L’ambiente costiero è un ambiente molto produttivo, è influenzato dagli input della terraferma, è ha una produzione primaria nell’ordine dei 500-800 g/m2/y. Gli ambienti marini caratterizzati dalle praterie di Posidonia (pianta che produce foglie, fiori e frutti, la pianta acquatica più simile alle piante terrestri) sono produttivi.

Le piante che necessitano di meno azoto sono anche quelle meno produttive. Questo non riguarda la capacità di utilizzare l’azoto ma un discorso di maggiore o minore esigenza di azoto da parte della pianta. Invece, le piante ad alto fusto delle praterie dimostrano una dipendenza dall’effettiva disponibilità di azoto nel terreno e la produttività durante l’anno.

Nell’agricoltura spesso per aumentare la resa si aggiungono nutrienti, si usano più fertilizzanti e questo inquina il suolo (entrambe le cose, anche l’eccesso di nutrienti). La luce sulla terra non è un fattore limitante, è garantita, mentre l’acqua è un fattore limitante. Negli ambienti acquatici è il contrario, la luce in acqua è garantita fino ai 20 metri (in modo utile per la fotosintesi, oltre abbiamo lunghezze d’onda per lo più blu fino ai 100 m, spesso anche prima, e poi buio). La zona da 3 a 30 metri è la zona eufotica, la zona perfetta per la fotosintesi, è la zona produttiva. Altre zone produttive sono situate vicino alle correnti di risalita.

In generale comunque in acque oligotrofiche (concentrazione di nutrienti media) la concentrazione di azoto non è eccessivamente bassa. Si tratta comunque di un fattore limitante ma meno del fosforo che in acqua è più o meno garantito. Il ferro invece è il più limitante fra i tre. Un terzo del ferro che troviamo in oceano proviene dal decongelamento dei ghiacciai perenni e semi-perenni (lo scioglimento eccessivo dei ghiacciai rilascia quantità maggiori di ferro che non è un fatto positivo). Troviamo una maggiore concentrazione di tutti e tre gli elementi nelle zone di upwelling.

Nell’acqua dolce si è visto che una maggior quantità di fosforo porta ad una maggiore quantità di clorofilla. La produttività secondaria è derivabile dalla produttività primaria sia per quanto riguarda la velocità sia per quanto riguarda la biomassa e il consumo. Il consumo nel senso di pascolo. In acqua la proporzionalità diretta tra produzione primaria e secondaria è maggiore, la produzione da parte del fitoplancton va ad alimentare nella quasi totalità il zooplancton (quindi un trasferimento di energia per lo più nel flusso dell’alimentazione eterotrofa, quindi il passaggio da produttore a erbivoro, consumo).

Sulla terra la maggior parte dell’energia prodotta dagli autotrofi va a finire nei rifiuti organici di cui poi si occupano i saprofiti. Le due catene, pascolo e detrito, sono interconnesse. Nel detrito organico vi finisce anche guano, feci, carcasse. In paludi, acquitrini e acque profonde la situazione è più simile a quella terrestre eccetto che per le fumarole nere e zone di upwelling. Nei tratti montani dei sistemi fluviali il contributo energetico maggiore è fornito dalla sostanza organica alloctona (foglie e altro materiale proveniente dalle sponde del fiume). Nelle zone più pianeggianti dove l’acqua rallenta e in alcune zone si fa quasi stagnante, il maggior contributo energetico proviene dalla sostanza organica autoctona (alghe, fitoplancton e macrofite). Perciò il sistema fluviale è prevalentemente eterotrofo in montagna e nei piccoli corsi d’acqua come torrenti e autotrofo in zone pianeggianti e nei grandi fiumi.

Nell’immagine sopra abbiamo espressa in kcal la produttività primaria netta proveniente da un autotrofo che in parte entra subito nel ciclo del detrito e in parte entra in un erbivoro. Di ciò che entra nell’erbivoro una buona parte finisce subito nei rifiuti fisiologici (andando anch’essa nel ciclo del detrito) e l’altra parte viene assimilata. La quantità di energia assimilata dipende dall’organismo, generalmente la capacità di assimilazione di un erbivoro, come in questo caso, è bassa. Di ciò che viene assimilato la maggior parte (in questo caso) serve alla respirazione e solo un 14 kcal vanno ad accrescere l’organismo.

Il rapporto (E uscita/E entrata) è l’efficienza. In ecologia si parla di efficienza trofica e nello specifico si calcola: pn/pn-1.

L’efficienza trofica dell’erbivoro è scarsa, in questo caso, in percentuale vale 1,4%. Il salto tra i due livelli trofici quindi è 1,4%, è un’efficienza trofica bassa, tipica del primo scalino della catena trofica, nei seguenti l’efficienza è del 10%. Il salto più grosso si trova tra autotrofi ed erbivori. All’apice della catena arriva poca energia. Il diagramma di una rete trofica ci indica i passaggi di energia da un livello all’altro. Aumentare i livelli significa un aumento di biomassa, quindi di complessità, l’ambiente si rafforza. La relazione principale tra specie diverse è quella comportamentale trofica.

Le specie chiave sono quelle specie che si relazionano con molte altre specie, se queste vengono improvvisamente rimosse dalla rete trofica ci sono delle implosioni energetiche.
A rigor di logica, l’eliminazione di un predatore dovrebbe causare l’aumento dei livelli trofici inferiori, in realtà uno studio svolto sulle scogliere ha dimostrato che la rimozione di un predatore può causare un’implosione. La regolazione bottom-up e top-down indica che sia animali di livelli trofici alti che bassi creano gravi problemi all’ecosistema scomparendo.

Nell’ambiente terrestre la biomassa vegetale è molto più abbondante del secondo livello trofico degli erbivori (man mano che si sale nei livelli trofici il numero di individui si abbassa). Nell’ambiente marino invece è maggiore la biomassa dei consumatori rispetto a quella dei produttori. C’è meno fitoplancton di zooplancton. Questo apparente controsenso è dovuto al fatto che hanno cicli vitali differenti, lo zooplancton si accresce molto rapidamente e il fitoplancton ha un ciclo vitale molto breve e discontinuo (a seconda delle condizioni ambientali). Sappiamo poi che l’eccesso di fitoplancton porta ad una situazione sfavorevole di eutrofia.