Productivitatea si energetica sistemelor ecologice

Studiul categoriilor economice de plante din structura fitocenozelor

Obiective: Familiarizarea studentilor cu principalele categorii economice de plante (furajere, alimentare, medicinale, melifere, industriale, decorative, toxice), calcularea fitomasei (masei verzi si uscate) principalelor specii din fitocenoze, in vederea estimarii potentialului productiv al fitocenozei in ansamblul ei si al componentelor sale vegetale.

Soarele asigura Pamantului doua tipuri de energie: caldura care incalzeste planeta, atmosfera, conduce ciclul apei, misca masele de aer si apa etc., si energia fotochimica pe care plantele o utilizeaza in procesul fotosintezei, produc hidrocarburi si alte substante, asigurand sursa trofica pentru majoritatea celorlalte organisme.

Energia se poate masura in diferite unitati. Cea mai convenabila unitate este gram caloria (gcal), semnificand cantitatea de caldura necesara pentru a creste temperatura unui gram de apa de la 14.5 la 15.5 grade C, sau multiplii acesteia (cel mai adesea kilogram caloria = kcal). Aceasta se raporteaza la unitatea de suprafata de teren, sau volum de apa, respectiv de sol.

1. Productia primara

Inseamna energia acumulata de plante, reprezentand forma de stocare fundamentala in structura ecosistemului. Rata cu care energia este stocata prin activitatea fotosintetica este denumita productivitate primara (PP). Definim productia primara bruta (PPB) ca energia radianta totala care este asimilata. Ca toate celelalte organisme, plantele necesita pentru supravietuire si reproducere, o anumita cantitate de energie (cheltuiala fiind estimata prin respiratie), iar ceea ce ramane stocata in materia organica formeaza productia primara neta (PPN).

Productia este de obicei exprimata prin kilocalorii raportate la metru patrat si an. Sau poate fi exprimata in gram materie organica uscata raportata la suprafata (volum) si timp.

Productia primara neta se acumuleaza in timp ca fitomasa. Este expresia cantitatii raportata la unitatea spatiala. Se poate evalua in grame (multipli sau submultipli) de masa umeda, uscata, uscata fara cenusa, continut in carbon sau echivalentul caloric respectiv energie potentiala (cal sau kcal). Fitomasa uscata reprezinta greutatea constanta a cormului total deshidratat; uscarea facandu-se in exicator cu agenti (CaCl₂, H₂SO₄, silicagel), sub vid, cu raze infrarosii sau (cel mai frecvent) in etuva.

Parte din fitomasa se descompune sezonier, alta parte se pastreaza lungi perioade de timp. Materia organica acumulata la un anumit timp si arie se mai numeste si recolta.

Plantele aloca PPN pentru formarea de frunze, ramuri, cresterea in inaltime, in grosime, formarea florilor, a semintelor etc. Cum se distribuie energia pe aceste parti este o problema care se explica prin evolutia diferitelor plante dar si prin conditiile de mediu in care acestea traiesc. De asemenea, difera si proportia de energie alocata intre partile supra- si subterane. O rata mare de alocare intre radacini - parti supraterane (R/S) indica faptul ca cea mai mare parte a productiei este canalizata pentru functii de mentinere. Plantele cu biomasa mare a radacinilor sunt competitori mult mai eficienti si pot supravietui cu mai mult succes. Cele cu rata R/S mica sunt capabile sa asimileze cu performante sporite energia radianta, rezultand o productivitate sporita. In tundre R/S prezinta valori intre 5 si 11 (Begon si col. 1986; Smith, 1990; Ricklefs, 1993). In preerii rata este de cca. 3, indicand ierni reci si rezerve de umiditate reduse. In padurile temperate valorile sunt mai mici, de exemplu in Padurea Hubbard Brook din New Hampshire, s-au inregistrat valori de 0.213 pentru arbori, 0.5 pentru tufarisuri si 1.0 pentru ierburi. Rata descreste in vegetatie pe verticala, din straturile inferioare spre cele superioare.

Biomasa si productia sunt distribuite in mod diferit pe verticala. De exemplu, intr-un lac maximumul de productie primara nu se inregistreaza in stratul superior al apei din cauza faptului ca expunerea la lumina directa inhiba fotosinteza algelor, ci la o anumita adancime, variind diurn si sezonier. Dincolo de punctul de maxim valorile scad cu adancimea pana la o limita la care respiratia egaleaza productia, care se mai numeste si punct sau adancime de compensatie. Acelasi lucru este valabil si in ecosistemele terestre.

Plantele fixeaza energia in mod continuu dar cu intensitati diferite in timpul zilei, cheltuind un minim pentru intretinere (avand ca masura respiratia). Rata dintre PPN si PPB variaza cel mai adesea intre 40 si 80%. Cele mai eficiente plante sunt cele care nu trebuie sa intretina o biomasa mare, cum sunt de exemplu speciile ierboase si algele unicelulare. PP variaza cu temperatura si umiditatea avand variatii mari in diferitele zone ale globului.

PP se modifica in timp: PPN este maxima in ecosistemele tinere (faze succesionale incipiente) si minima in ecosisteme batrane sau in stadiul de climax. In timpul oricarei succesiuni naturale rata PPB/B (=biomasa) scade in timp. PP variaza si in cadrul aceluiasi sistem de la un an la altul, in functie de variatiile factorilor fizico-chimici si meteorologici. O aprovizionare insuficienta cu azot sau fosfor limiteaza PP, la fel si daunatorii, alterarile mecanice ale plantelor prin suprapasunare, poluarea, invaziile de fitofage etc.

Calcularea productiei primare nete

Productia primara (fitomasa) neta (ceea ce ramane in plante dupa consumul de materie organica si energie utilizate in procesele fiziologice ale fitoindivizilor) constituie baza nutritionala a consumatorilor primari si a oamenilor, cea care sustine viata pe Terra. Aceasta productie este preocuparea si scopul prioritar al agriculturii (cultivarii plantelor alimentare, furajere, tehnice sau industriale, medicinale, melifere, ornamentale), pratologiei (conservarii, ameliorarii si valorificarii pajistilor naturale), silviculturii (gospodaririi si exploatarii rationale a padurilor). Daca in cazul agriculturii productia neta, mai exact recolta, se poate estima usor pe baza unor calcule aplicate in functie de specia si varietatea (soiul) cultivata, de caracteristicile topografice, pedologice si climatice ale regiunii, tehnica aplicata (lucrarile de intretinere a culturii, desimea fitoindivizilor etc.), la pajistile naturale si paduri calcularea acesteia este mai dificila, presupunand cercetari si experimente repetate pe o perioada de cel putin un sezon de vegetatie. Evaluarea productiei nete a unei paduri presupune un efort extraordinar caci, pe langa recolta (productia de lemn si eventual fructe de padure si ciuperci) trebuie calculata si productia de lastari (puieti), arbusti si arbori tineri nevalorificabili, crengi, scoarta, frunze, fructe neutilizate, radacini, ciuperci necomestibile, licheni, muschi, , ferigi, ierburi, care nu intra in calculele economice, dar care sunt produsul acestei fitocenoze.

Evaluarea productiei nete se face in kilograme sau tone pe m sau ha prin cantarirea fitomasei de pe mai multe suprafete de proba reprezentative. Daca aceasta cantarire se face o data sau de putine ori intr-o perioada de vegetatie vorbim despre productia primara neta momentana determinata la data (datele) respective. Cand cantarirea se face repetat, la intervale egale de timp pe toata perioada de vegetatie, obtinem, prin insumarea fitomaselor, productia primara neta anuala. In cazul in care se ia in calcul doar fitomasa de deasupra solului avem de a face cu productia primara neta partiala respectiv supraterana, daca se adauga si cea subterana obtinem productia primara neta globala.

Mod de desfasurare: Se va alege cate o suprafata de 1m² din cadrul unei fitocenoze de pajiste si se va secera sau se va taia vegetatia (cu secera sau foarfeca) la nivelul solului, obtinandu-se astfel productia primara neta momentana sau asa-zisa recolta supraterana. Recolta de pe fiecare metru patrat se pune intr-o punga de plastic si se cantareste pe loc cu cantarul dinamometric (In scurt timp in laborator ea se va cantari mai exact cu balanta). Se face media cantaririlor si se afla fitomasa verde medie pe metru patrat care inmultita cu 10000 da recolta la hectar. Se repeta apoi experimentul intr-o alta fitocenoza. Pe baza releveelor facute in fitocenoze cunoscandu se abundenta-dominanta speciilor (recoltarile se fac exact din suprafetele de proba ale releveelor) se pot calcula procentele de participare la edificarea fitocenozei de catre o serie de specii furajere, alimentare, medicinale, industriale, toxice, s.a.. Acest procent corelat fitomasei totale evidentiaza cantitatea de masa verde a fiecarei specii. Daca dorim sa cunoastem cantitatea de fan sau masa uscata vegetala, introducem recolta In etuva si o deshidratam. Se calculeaza astfel, sau cel putin se estimeaza, cantitatea de plante medicinale, alimentare, tinctoriale, etc. care se poate recolta dintr-o anumita fitocenoza la un anumit moment. Aceasta tehnica este de mare importanta si pentru prognozele economice, dand indicii despre potentialul productiv al fitocenozelor in diverse categorii de plante. Ea are la baza interpretarea unui indice fitocenologic cantitativ, respectiv abundenta-dominanta. AD redand sintetic atat numarul de indivizi (densitatea) cat si volumul ocupat de acestia> este un indice cu care se poate calcula, deci, fitomasa speciilor care compun fitocenoza. Presupunand ca pe trei suprafete de cate 1m² analizate fitomasa a cantarit 1,400 kg, 1,500 kg si respectiv 1,200 kg, rezulta o medie de 1,370 kg/m², adica 13700 kg/ha. Specia edificatoare a acestei fitocenoze este iarba campului (Agrostis stolonifera) care are AD 4, adica participa la formarea fitocenozei (ce acopera solul In proportie de 100%) In procent mediu de 62,5%. Din totalul de 13700 kg/ha masa verde 62,5% reprezinta 8562,5 kg/ha (fitomasa verde a speciei Agrostis stolonifera, o foarte buna planta furajera). Tot astfel se poate calcula -spre exemplu- cantitatea In care poate fi recoltata dintr-o fitocenoza o planta medicinala la care se valorifica partea supraterana (herba). Astfel In releveul nostru figureaza patlagina (Plantago media) cu AD 1. Folium plantaginis are proprietati emoliente, laxative, astringente, cicatrizante si hemostatice. AD acestei specii Insemnand un procent de participare de 5,5%, semnifica faptul ca din aceasta fitocenoza se pot recolta 753,5 kg/ha patlagina proaspata. In mod asemanator se poate estima cantitatea de diverse alte plante utile din flora spontana, aflate Intr-o fitocenoza (specii alimentar-condimentare si aromatice, tinctoriale si tanante, etc.) sau plante toxice.

Consideratii teoretice (ap. I. Pop, 1982, pag. 131-133):

Plantele spontane si subspontane cu importanta economica pot fi grupate in urmatoarele 7 categorii (cu mai multe subdiviziuni): alimentare, furajere, melifere, medicinale, toxice, industriale si decorative.

Plantele alimentare (Al.) se subdivid in functie de utilizarile si proprietatile lor in urmatoarele 3 grupe: culinare (Al. cu), folosite proaspete, conservate sau sub forma de diferite preparate> aromatice si condimentare (Al. ar), care adaugate dau gust si aroma placuta alimentelor si bauturilor> oleaginoase (Al. ol), din semintele sau fructele carora se obtin uleiuri vegetale, care pot fi intrebuintate atat in alimentatie cat si in diverse ramuri industriale. Dintre grupele de plante alimentare mentionate, cele mai numeroase sunt speciile folosite in scop culinar.

Plantele furajere (Fr.) din flora spontana, importante pentru zootehnie, sunt grupate calitativ in specii cu valoare nutritiva foarte buna (Fr. 4), buna (Fr. 3), mediocra (Fr. 2) si slaba (Fr. 1).

Plantele melifere (Me), cu evidente implicatii in apicultura, ca importante surse de polen, nectar si mana, sunt vitale pentru albine, din care ele creeaza miere si ceara, produse valorificate de om inca din cele mai vechi timpuri. Acestea sunt distribuite in urmatoarele 4 grupe: cu pondere economico-apicola foarte mare (Me. 4), mare (Me. 3), mediocra (Me. 2) si mica (Me. 1).

Plantele medicinale (Md.) sunt valorificate in marea lor majoritate de practica terapeutica, ca avand efecte curative remarcabile.

Plantele toxice (Tx.) contin alcaloizi si alte substante care deregleaza functiile organismului animal si uman, putand provoca In unele cazuri chiar moartea. Unele plante toxice pot apartine la doua sau mai multe categorii economice (Al., Me., Md., In.), legate fiind mai frecvent de grupa speciilor medicinale. Se cunosc si cazuri in care unele plante furajere (speciile de Trifolium, Medicago, Glyceria, s.a.) cu valoare nutritiva ridicata, sunt toxice in stadiu verde, iar uscate ca fan sunt considerate calitativ ca foarte bune si bune. Cunoasterea plantelor toxice din flora si vegetatia spontana este necesara pentru a putea preveni otravirea animalelor si a omului, care in anumite imprejurari poate cauza moartea.

Categoria plantelor industriale (In.) prezinta un deosebit interes practic, fiind intrebuintate in diferite ramuri ale economiei. Industria lemnului (In. lm) valorifica materialul lemnos de la 50 specii de arbori in intreprinderile de constructii, in fabricile de mobila, de chibrituri, de ambalaje, cat si in locuinte drept combustibil. Industria casnica (In. ca) foloseste ca materie prima specii de plante lemnoase si ierboase, cu organe vegetative (tulpini, ramuri) elastice si trainice, care servesc atat la confectionarea prin impletit a unor obiecte utile (cosuri, mese, scaune, rogojini, etc.) sau la legat, cat si la producerea fibrelor obtinute din specii spontane, pentru fabricarea unor panzeturi, tesaturi, franghii. Ele pot fi utile si in tapiterie. Industria chimica (In. ch) valorifica unele substante organice cum sunt rasinile, gudroanele, gutaperca, s.a. extrase din diferite specii de plante. Industria celulozei si hartiei (In. cl) foloseste ca materie prima pentru obtinerea produselor sale, organele vegetale de la specii de plante lemnoase si ierboase. Industria colorantilor si a pielariei (In. tc) beneficiaza de produsele plantelor tinctoriale si tanante.

Plantele spontane si subspontane cu insusiri decorative (De.) insumeaza specii lemnoase si ierboase, dintre care unele sunt deja introduse in cultura, iar altele pot constitui in viitor, noi si importante resurse horticole. Ele sunt apreciate atat pentru portul si frunzisul mai putin obisnuit si aspectuos, cat si pentru coloritul si parfumul atragator al florilor. Plantele decorative se cultiva in parcuri, gradini, cimitire, alei, de-a lungul strazilor, soselelor, in spatiile verzi din imprejurimile centrelor industriale, in apartamente, avand o importanta deosebita pentru om, in momentele de destindere si de recreere.

Pentru a ilustra categoriile de plante cu valoare economica din fitocenoze, raportul dintre ele si modul in care se calculeaza (estimeaza) fitomasa lor, vom efectua mai multe relevee in diferite fitocenoze aflate la altitudini diferite si apartinand la asociatii vegetale diverse.