생태계 생태학

Ecosystem ecology
그림 1미국 뉴햄프셔주 화이트 마운틴에 있는 리파리안 숲.

생태계 생태학은 생태계의 생물(생물) 및 무생물(생물) 구성요소 및 생태계의 프레임워크 내에서 이들의 상호작용에 대한 통합 연구입니다.이 과학은 생태계가 어떻게 작용하는지를 조사하고 화학 물질, 암반, 토양, 식물, 동물과 같은 그들의 구성 요소와 관련짓는다.

생태계 생태학에서는 물리적 및 생물학적 구조를 조사하고 이러한 생태계 특성이 서로 어떻게 상호작용하는지 조사합니다.궁극적으로, 이것은 고품질의 물과 경제적으로 실행 가능한 상품 생산을 유지하는 방법을 이해하는 데 도움이 됩니다.생태계 생태학의 주요 초점은 생태계가 생산한 구조와 서비스를 유지하는 기능적 프로세스, 생태학적 메커니즘에 있습니다.여기에는 1차 생산성(바이오매스 생산), 분해 및 영양 상호작용이 포함됩니다.

생태계 기능에 대한 연구는 사료, 섬유, 연료, 물의 지속 가능한 생산에 대한 인간의 이해를 크게 향상시켰다.기능 프로세스는 지역 간 기후, 교란 및 관리에 의해 조정됩니다.따라서 생태계 생태학은 지구 환경 문제, 특히 지구 온난화와 지표수의 열화와 상호작용하는 생태학적 메커니즘을 식별하기 위한 강력한 프레임워크를 제공한다.

다음 예에서는 생태계의 몇 가지 중요한 측면을 보여 줍니다.

  1. 생태계의 경계가 불분명하고 시간이 지남에 따라 변동하는 경우가 많다
  2. 생태계 내의 유기체는 생태계 차원의 생물학적, 물리적 프로세스에 의존합니다.
  3. 인접한 생태계는 밀접하게 상호 작용하며, 종종 생산성과 생물 다양성을 유지하는 커뮤니티 구조와 기능 프로세스의 유지에 상호 의존합니다.

이러한 특징들은 또한 천연자원 관리에 실질적인 문제를 야기한다.누가 어떤 생태계를 관리합니까?숲 속의 벌목은 하천에서의 레크리에이션 낚시를 저하시킬까?한 생태계의 결정이 다른 생태계에 영향을 미치더라도 생태계 간의 경계가 불분명한 상태에서 토지 관리자들이 이러한 문제를 해결하기는 어렵습니다.이러한 문제에 대처하기 위해서는 이러한 에코시스템의 상호작용과 상호의존성, 그리고 이러한 에코시스템을 유지하는 프로세스를 보다 잘 이해할 필요가 있습니다.

생태계 생태학은 본질적으로 학제간 연구 분야이다.개별 생태계는 유기체 집단으로 구성되고, 공동체 내에서 상호작용하며, 영양소의 순환과 에너지의 흐름에 기여합니다.생태계는 생태계 생태학의 주요 연구 단위이다.

개체군, 공동체, 그리고 생리학적 생태학은 생태계와 그들이 유지하는 과정에 영향을 미치는 많은 기본적인 생물학적 메커니즘을 제공합니다.생태계의 에너지 흐름과 물질의 순환은 생태계 생태계에서 종종 조사되지만, 전체적으로 이 과학은 규모보다는 주제에 의해 정의된다.생태계 생태는 생물 지구화학과 [1]같은 관련 과학과 구별되는 통합된 시스템으로서 유기체와 비생물 에너지와 영양소에 접근한다.

생물 지구 화학과 수문학은 영양소의 생물학적 매개 화학 순환과 물의 물리적 생물학적 순환과 같은 몇 가지 기본적인 생태계 과정에 초점을 맞추고 있습니다.생태계 생태학은 경관-지역 수문학, 지구 생물 화학 및 지구 시스템 [1]과학으로 둘러싸인 지역 또는 지구 과정의 기계적 기반을 형성합니다.

역사

생태계 생태는 철학적, 역사적으로 육지 생태에 뿌리를 두고 있다.생태계의 개념은 생태계의 구체적인 정의와 생리적 과정이 생태계의 발전과 [2]지속성에 책임이 있다고 주장한 식물학자 프레데릭 클레멘트에 의해 개발된 중요한 아이디어와 함께 지난 100년 동안 빠르게 진화했습니다.클레멘트의 생태계 정의는 크게 수정되었지만 처음에는 헨리 글리슨과 아서 탠슬리에 의해, 나중에는 현대 생태학자에 의해 생리적 과정이 생태계 구조와 기능의 기본이라는 생각은 생태학의 중심입니다.

그림 3Silver Springs [3]모델을 채택한 생태계를 통해 에너지와 물질이 흐릅니다.H는 초식동물, C는 육식동물, TC는 상위 육식동물, D는 분해동물이다.사각형은 생물 풀을 나타내며 타원형은 시스템에서 나오는 플럭스 또는 에너지 또는 영양소입니다.

나중에 유진 오둠과 하워드 T에 의해 작업되었다. Odum은 생태계 수준에서 에너지와 물질의 흐름을 수량화하여 Clements와 그의 동시대 Charles Elton에 의해 제안된 일반적인 아이디어를 기록했습니다.

이 모델에서 전체 시스템을 통한 에너지 흐름은 각 개별 구성요소(종, 무기 영양소 풀 등)의 생물 및 비생물적 상호작용에 의존했다.이후 연구에서는 이러한 상호작용과 흐름이 영양 주기에 적용되고, 승계 과정에서 변화하며, 생태계 생산성에 [4][5]대한 강력한 통제력을 보유한다는 것이 입증되었습니다.에너지와 영양소의 이동은 수생이든 육생이든 상관없이 생태계에 내재되어 있다.따라서 생태계 생태는 식물, 동물, 육상, 수생, 해양 생태계에 대한 중요한 생물학적 연구로부터 생겨났다.

생태계 서비스

주요 기사:생태계 서비스

생태계 서비스는 건강한 인간 [6]사회를 유지하기 위해 필수적인 생태학적 매개 기능 프로세스입니다.급수·여과, 임업·농어업 바이오매스 생산, 대기 중 이산화탄소(CO2) 등 온실가스의 제거 등은 공공보건·경제적 기회에 필수적인 생태계 서비스 사례다.영양 순환은 농업과 산림 생산에 필수적인 과정이다.

그러나 대부분의 생태계 프로세스와 마찬가지로 영양소 순환은 가장 바람직한 수준으로 "다이얼링"할 수 있는 생태계 특성이 아닙니다.노후화된 시스템에서의 생산을 최대화하는 것은 기아와 경제적 안전이라는 복잡한 문제에 대한 지나치게 단순한 해결책입니다.예를 들어, 미국 중서부에서의 집중적인 비료 사용은 멕시코만의 [7]어업 저하를 초래했다.유감스럽게도, 집약적인 화학 비료의 "녹색 혁명"이 선진국과 개발도상국의 [8][9]농업에 권장되고 있다.이러한 전략은 특히 영향을 적절히 평가하지 않고 광범위하게 적용할 경우 복구가 어려울 수 있는 생태계 프로세스를 변경할 위험이 있습니다.생태계 프로세스는 심각한 [5]장애로부터 복구하는 데 몇 년이 걸릴 수 있습니다.

예를 들어, 18세기와 19세기 동안 미국 북동부의 대규모 산림 개간은 오늘날 [10][11]산림 생산성에 영향을 미치는 방식으로 토양의 질감, 지배적인 식생, 영양 순환을 변화시켰다.농업이든 임업이든 생산성 유지에 있어 생태계 기능의 중요성에 대한 인식은 필수 공정의 복원 계획과 함께 필요하다.생태계 기능에 대한 개선된 지식은 세계에서 가장 가난한 지역에서 장기적인 지속 가능성과 안정성을 달성하는 데 도움이 될 것입니다.

작동

바이오매스 생산성은 가장 명백하고 경제적으로 중요한 생태계 기능 중 하나이다.바이오매스 축적은 광합성을 통해 세포 수준에서 시작된다.광합성은 물을 필요로 하며, 따라서 연간 바이오매스 생산의 전지구적 패턴은 연간 [12]강수량과 관련이 있다.생산성의 양은 또한 식물의 잎 면적 및 N 함량과 직접적으로 상관되는 햇빛을 포착하는 식물의 전체 용량에 좌우된다.

순 1차 생산성(NPP)은 생태계 내 바이오매스 축적의 주요 지표입니다.순 1차 생산성은 생물학적 프로세스의 유지보수를 통해 총 생산성 손실을 조정하는 간단한 공식으로 계산할 수 있습니다.

NPP = GPP – Rproducer
그림 4마우나 로아 하와이(대기 중)와 매사추세츠(숲)의 낙엽성 숲의 캐노피 위에서의 주변 이산화탄소(CO2) 농도의 계절적 및 연간 변화.데이터는 NPP가 높고 낮은 기간과 전체 대기 중 CO의2 연간 증가와 관련된 명확한 계절적 추세를 보여준다.킬링, 워프[13], 바포드에 [14]의해 보고된 데이터의 근사치.

여기서 GPP는 총 1차 생산성이고producer R은 세포 호흡으로 손실된 광합성산염(탄소)입니다.

NPP는 측정하기 어렵지만, 에디 공분산이라고 알려진 새로운 기술은 자연 생태계가 대기에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀냈다.그림 4는 1987년부터 1990년까지 하와이 마우나 로아에서 측정된 계절 및 연간 CO 농도 변화를2 보여준다.CO2 농도는 꾸준히 증가했지만 1957년 측정이 시작된 이후 연간 증가폭보다 더 컸다.

이러한 변화는 여름철 CO의2 계절적 섭취에 의한 것으로 생각되었다.생태계의 NPP를 평가하기 위해 새롭게 개발된 기술은 식물에 의한 CO [15][14]흡수의 계절적2 변화에 의해 계절적 변화가 발생한다는 것을 확인했다.이것은 많은 과학자들과 정책 입안자들이 생태계가 지구 온난화 문제를 개선시킬 수 있다고 추측하게 만들었다.이러한 유형의 관리에는 세계 여러 지역에서 산림 재배 또는 산림 수확 일정 변경이 포함될 수 있습니다.

분해 및 영양 순환

분해와 영양 순환은 생태계 바이오매스 생산의 기본이다.대부분의 자연 생태계는 질소(N)가 한정되어 있으며 바이오매스 생산량은 N [16][17]전환량과 밀접하게 관련되어 있습니다.일반적으로 영양소의 외부 투입량은 매우 낮고 영양소의 효율적인 재활용은 [5]생산성을 유지합니다.식물 쓰레기의 분해는 생태계를 통해 재활용되는 영양소의 대부분을 차지한다(그림 3).식물 쓰레기의 분해 속도는 쓰레기의 품질에 크게 좌우됩니다. 식물 쓰레기의 페놀 화합물, 특히 리그닌의 고농도는 쓰레기 [18][19]분해에 지연 효과가 있습니다.더 복잡한 C 화합물은 더 천천히 분해되고 완전히 분해되기까지 몇 년이 걸릴 수 있습니다.분해는 전형적으로 기하급수적인 붕괴로 설명되며 [20][21]잎 더미의 미네랄 농도, 특히 망간과 관련이 있다.

그림 5지수 모델(B)과 결합된 지수 선형 모델(C)로 설명된 분해 식물 쓰레기의 역학.

세계적으로 부패율은 쓰레기의 질과 [22]기후에 의해 좌우된다.리그닌 농도가 낮은 식물이 지배하는 생태계는 종종 빠른 분해 속도와 영양 순환을 보인다(Chapin 등 1982년).화합물을 함유한 단순 탄소(C)는 분해기 미생물에 의해 우선적으로 대사되어 초기 분해 속도가 빨라진다(그림 [23]5A 참조). 일정한 붕괴 속도에 의존하는 모델, 이른바 "k" 값, 그림 [24]5B 참조).쓰레기의 질과 기후 외에도, 토양 동물군의 활동은 매우 중요하다.

그러나 이러한 모델은 분해 중에 발생할 수 있는 선형 및 비선형 붕괴 프로세스를 동시에 반영하지 않습니다.예를 들어, 단백질, 당질 및 지질은 기하급수적으로 분해되지만 리그닌은 보다[18] 선형적인 속도로 분해된다. 따라서 단순화된 모델에 [26]의해 쓰레기 부패가 부정확하게 예측된다.

그림 5C에 제시된 간단한 대안 모델은 그림 4B의 표준 모델보다 훨씬 더 빠른 분해 속도를 보여준다.분해 모델에 대한 더 나은 이해는 생태 생태계의 중요한 연구 영역입니다. 왜냐하면 이 과정은 영양소 공급과 생태계가 대기 중 이산화탄소를 격리하는2 전반적인 능력과 밀접하게 연관되어 있기 때문입니다.

영양역학

영양역학은 유기체 간의 에너지와 영양소 이동 과정을 말한다.영양역학은 생태계의 구조와 기능의 중요한 부분이다.그림 3은 플로리다 실버 스프링의 생태계를 위해 전달되는 에너지를 보여줍니다.1차 생산자(식물, P)가 얻은 에너지는 초식동물(H)이 소비하고, 초식동물(C)은 초식동물(H)이 소비하며, 초식동물(C)은 초식동물(TC)이 소비한다.

그림 3에서 가장 명백한 패턴 중 하나는 영양 수준이 높아지면(즉, 식물에서 최상위 육식 동물로) 총 에너지 양이 감소한다는 것이다.식물은 시스템에 [27]유입되는 에너지의 총량을 결정함으로써 생태계의 에너지 구조를 "상향적"으로 통제한다.

그러나 포식자는 위에서 아래로 영양 수준이 낮은 구조에도 영향을 미칠 수 있습니다.이러한 영향들은 육상과 해양[28][29] 시스템에서 지배적인 종들을 극적으로 바꿀 수 있습니다. 생태계 구조와 기능에 대한 하향식 제어 대 상향식 제어의 상호작용과 상대적인 강도는 생태계의 더 큰 분야에서 중요한 연구 영역입니다.

영양 역학은 시간과 공간에서의 분해와 영양 순환 속도에 강한 영향을 미칠 수 있습니다.예를 들어, 초본은 쓰레기 품질의 직접적인 변화와 지배적인 [30]식생 변화를 통해 쓰레기 분해와 영양 순환을 증가시킬 수 있습니다.곤충 초본은 쓰레기의 질적 변화와 프라스 [1][31]투입량 증가로 인해 분해 및 영양소 전환 속도를 증가시키는 것으로 나타났다.

하지만, 곤충의 발생이 항상 영양 순환을 증가시키는 것은 아니다.Stadler는[32] 진딧물의 발생 동안 생산된 풍부한 꿀이 토양 미생물에 의한 N 고정화를 증가시켜 영양 순환을 늦추고 잠재적으로 바이오매스 생산을 제한할 수 있다는 것을 보여주었다.북대서양 해양 생태계는 대구의 남획으로 크게 변화했다.1990년대 새우 대게[29] 등 먹잇감이 늘어나면서 대구의 개체수가 급감하면서 생태계에 대한 인간의 개입은 생태계의 구조와 기능에 큰 변화를 가져왔다.이러한 변화는 빠르게 일어나고 있으며 경제 안보와 인간의 [33]복지에 알려지지 않은 결과를 초래하고 있다.

응용 프로그램 및 중요도

중앙아메리카의 두 도시에서 얻은 것

생물권은 인간사회의 요구에 의해 크게 변화되어 왔다.생태계 생태학은 현재 가장 시급한 환경 문제를 이해하고 적응하는 데 중요한 역할을 한다.복원 생태학과 생태계 관리는 생태계 생태학과 밀접한 관련이 있다.성능이 크게 저하된 자원을 복원하려면 [34]생태계의 기능 메커니즘이 통합되어야 합니다.

이러한 기능이 온전하지 않으면 생태계의 경제적 가치가 크게 저하되고 현장에서 잠재적으로 위험한 상황이 발생할 수 있습니다.예를 들어 과테말라의 산악 지대인 서부 고지 내의 지역은 삼림 자원의 상실로 인한 심각한 산사태와 계절적 물 부족에 더 취약하다.이와는 대조적으로, 강력한 사회 제도를 통해 숲을 보존한 토토니카판 같은 도시는 더 큰 지역 경제 안정과 전반적으로 더 큰 인간 [35]복지를 가지고 있다.

이들 지역이 가깝고 주민 대다수가 마야계이고 지형과 자원 전반이 비슷하다는 점을 감안하면 이 같은 상황은 충격적이다.이것은 두 그룹의 사람들이 근본적으로 다른 방식으로 자원을 관리하는 경우입니다.생태계 생태학은 열화를 방지하고 인간의 기본적인 요구를 충족시키는 생태계 프로세스를 복원하는 데 필요한 기초 과학을 제공합니다.

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