משתמש:Eburcat/ארגז החול - ערכים מומלצים 2

ייצור ראשוני (Primary production) הוא הייצור של תרכובות אורגניות מתוך פחמן דו-חמצני אן-אורגני שמקורו באטמוספירה או בים, בעיקר על ידי תהליך הקיבוע של הפוטוסינתזה (ניצול אור שמש על ידי צמחים), כאשר כימוסינתזה היא תהליך מצומצם בהרבה. כל החיים בכדור הארץ מסתמכים באופן ישיר או עקיף על הייצור הראשוני. היצורים האחראים על הייצור הראשוני נקראים יצרנים ראשוניים או אוטוטרופים והם הבסיס של מארג המזון. באזורים אקולוגיים יבשתיים, אלו הם בעיקר צמחים, ואילו במערכות אקולוגיות ימיות האצות הן היצרנים הראשוניים העיקריים.

מבחינים בין ייצור ראשוני גולמי (GPP) - שהוא הכמות הכוללת של פחמן דו חמצני שמקובעת על ידי הפוטוסינתזה (או כימוסינתזה), לבין יצור ראשוני נטו (NPP) - שהוא כמות הפחמן הדו חמצני שקובעה לאחר קיזוז הפסדי פחמן עקב תהליכים כמו נשימה של הצמח (הגורמת לפליטה של פחמן דו חמצני חזרה לסביבה הלא אורגנית).

ברמה הפיזיקלית, כמעט כל הייצור הראשוני הוא המרה של אנרגיה מהצורה של קרינה אלקטרומגנטית לצורה אגורה של אנרגיה כימית, שמתבצעת על ידי יצורים חיים. המקור העיקרי לאנרגיה זו הוא אנרגיית השמש. חלק זעיר מהייצור הראשוני נובע מחיידקים שמנצלים אנרגיה כימית שאצורה במולקולות כימיות אנ-אורגניות.

ללא קשר למקור שלה, אנרגיה זו משמשת כדי לסנתז מולקולות אורגניות מורכבות, ממולקולות אן-אורגניות פשוטות יותר כמו פחמן דו חמצני (CO₂) ומים (H₂O). שתי המשוואות הבאות הן ייצוג מופשט של פוטוסינתזה (משוואה ראשונה) ושל כימוסינתזה (משוואה שניה):

CO₂ + H₂O + light -> CH₂O + O₂

CO₂ + O₂ + 4 H₂S -> CH₂O + 4 S + 3 H₂O

בשני המקרים, התוצר הסופי הוא פחמימה (CH2O), בדרך כלל גלוקוז או סוכרוז אחר. מולקולות פשוטות יחסית אלה יכולות לשמש בסינתזות כימיות אחרות לייצור מולקולות מורכבות יותר המשמשות את כל היצורים החיים - כמו חלבונים, פחמימות מורכבות, חומצות שומן או חומצות גרעין. הן יכולות לשמש גם כמקור אנרגיה לתאים כחלק מתהליך הנשימה של תאים. צריכה של יצרנים ראשוניים על ידי אוכלי צמחים משנעת את המולקולות האורגניות האלו (והאנרגיה האצורה בהן) במעלה מארג המזון ובכך מאפשרת הזנה וקיום של כל היצורים החיים בכדור הארץ.

מגבלות על הייצור הראשוני

רק חלק זעיר, פחות מפרומיל, מסך אנרגיית השמש המגיעה לכדור הארץ, מתורגם לאנרגיה זמינה ליצורים החיים. דבר זה נובע משתי סיבות עיקריות.

הסיבה האחת היא החוק השני של התרמודינמיקה, לפיו התמרה של אנרגיה אינה יכולה להתבצע ביעילות תרמודינמית של 100%. חלק מהאנרגיה חייב להתבזבז לסביבה כחום.

הסיבה השנייה והמשמעותית יותר, קשורה למגבלות שונות שיש על התשומות הנדרשות לתהליך ההטמעה - כמות ואיכות הקרינה שמגיעה אל הצמחים, כמות המים, כמות חומרי ההזנה שיש להם, ועוד. הטמפרטורה של הסביבה משפיעה על הקצב בו ניתן לבצע הטמעה ואקלים יכול להשפיע בצורות אחרות - לדוגמה שלג מגביל את גודל העלים באיזורים קרים.

כמות וסוג הקרינה

כמות האנרגיה הסולארית שמגיעה לכדור הארץ מהשמש בשנה עומדת על 5.5×10²⁴ ג'ול. אנרגיה זו אינה מתחלקת בצורה שווה והיא חזקה בהרבה באיזור קו-המשווה. בממוצע כל מטר רבוע מקבל בשנה 1.05×10¹⁰ קלוריות. מתוך זה חלק מהאקסרגיה אובדת באטמוספירה על ידי בליעה והחזרה.

הייצור הראשוני הגולמי העולמי הממוצע עומד על 5.83×10⁰⁶ קלוריות למטר רבוע בשנה שהן רק 0.06% מכמות האנרגיה שהתקבלה למטר רבוע. לאחר הורדת עלויות אנרגטיות של נשימה, הייצור הראשוני נטו הוא כ-4.95×10⁰⁶ קלוריות למטר רבוע בשנה או כ-0.05% מתוך זרם האנרגיה המגיע לכדור הארץ. זו היעילות התרמודינמית הממוצעת של הייצור הראשוני. בצמחי יבשה היעילות יכולה להגיע ליעילות גבוהה יותר ולעמוד על כ-2%-3%, ובאצות ימיות היא יכולה להגיע עד ליעילות של כ-1%.

צמחים אינם יכולים להשתמש בכל אנרגיית האור שזמינה להם. מתוך סך קרינת האור שמגיעה לפני השטח של כדור הארץ, כ-10% היא קרינה אולטרה סגולה, וכ-45% היא קרינת אור נראה ואור אינפרא-אדום. צמחים ואצות יכולים לנצל רק חלק מאורכי הגל והם מנצלים בעיקר אור-נראה בגוונים אדום וכחול (זו הסיבה שהם נראים לנו ירוקים - עקב החזרת אור בצבע ירוק), וכן ספקטרום מתחום האינפרא אדום הרחוק, והם מחזירים גם אור בתחום האינפרא אדום הקרוב.

יעילות זו, כפול שטח המחיה של אצות וצמחייה, יחד עם משך זמן הפעילות של פוטוסינתזה (כמות שעות האור ביום), קובעים את כמות האנרגיה הכימית הזמינה תאורטית לכלל היצורים החיים, אך יש מגבלות נוספות המקטינות את צריכת האנרגיה, שכן צמחים דורשים תנאים נוספים כדי לגדול - לא רק אור שמש.

מגבלות ביבשה

ללא מים צמחים אינם מסוגלים לבצע הטמעה גם אם יש להם כמות גבוהה של קרינת שמש. לכן אחד הגורמים המגבילים העיקריים ביבשה הוא כמות המים ולאו דווקא כמות הקרינה באותו מקום. כך שאיזור מדברי ייצר כמות מועטה של ייצור ראשוני גם אם יש בו כמות גבוהה של קרינת שמש.

פוטוסינתזה רבה יותר מבוצעת באיזורים יבשתיים טרופיים בהם יש שפע של מים ושמש (והמגבלה האפקטיבית נובעת מחומרי הזנה). לעומת זאת באיזורים יבשתים אחרים המגבלות על פוטוסינתזה נובעות ממחסור במים (איזורים יבשים, מדבריות), קור, או מקשיים אחרים (יערות מחטניים באיזורים קרים).

מגבלות בים

חומרי ההזנה בים הם מועטים והם שוקעים לקרקעית, לעומק בו אור השמש אינו מגיע. כך שזמינות של מינרלים כמו זרחן וחנקן הם הגורמים המגבילים העיקריים בים.

מסיבה זו עיקר הייצור הראשוני בים מתרחש במקומות בהם יש "משאבת מים" - מים עמוקים ועשירים בחומרי הזנה עולים לפני השטח ומאפשרים קיבוע פחמן. תנאים אלה מתרחשים ליד היבשה (מדפי יבשה) וכן בקטבים.

ייצור ראשוני במערכות אקולוגיות שונות

מערכות אקולוגיות שונות הן בעלות תרומה שונה מאד לייצור הראשוני. אפשר לבחון את כמות הייצור הראשוני במערכות אקולוגיות שונות כדי להבין את ההבדלים בינן:

• יער משווני או ביצה משוונית - כ-7,000 ק"ג פחמן לדונם לשנה, זהו שיעור הייצור הראשוני הגבוה ביותר.
• איזורי יער צפוני מייצרים 2,000-3000 ק"ג לדונם לשנה.
• איזור מדברי - כ-100-50 ק"ג לדונם בשנה.
• תירס לדוגמה מגיע עד לכ-2,000 ק"ג לדוגם בשנה - גידולי חקלאות מיוצרים רק בחלק מעונות השנה, ולכן התרומה שלהם קטנה יותר יחסית לצמחים אחרים.
• באוקיינוסים באיזורי ערבול מים - בין 1000 ל-2000 ק"ג לדונם לשנה. באיזורים אלה (ליד הקטבים ובמדפי יבשת), יש הרבה יותר ייצור ראשוני ולכן פעילות גבוהה יותר של יצורים חיים.
• אוקיינוס פתוח מייצר בין 50 ל-200 ק"ג לדונם בשנה.

דברים אלה מצביעים על חשיבות היערות המשוונים - למרות שהאוקיינוס הפתוח תופס כ-70% משטח הפלנטה הוא מייצר פחות מ-20% מהייצור הראשוני. לעומתו היער המשווני שתופס רק 5% משטח כדור הארץ תורם 25%-30% מכלל הייצור הראשוני.

רמות טרופיות

כל יצור חי, ולמעשה כל מערכת מפזרת, זקוק לזרם מתמיד של אקסרגיה - של אנרגיה בעלת אנטרופיה נמוכה, כדי להיות מסוגל להתקיים. רוב האקסרגיה שמפרנסת את המערכת האקולוגית מקורה באנרגיית השמש ובייצור הראשוני. צמחים ואצות מסוגלים לספק אנרגיה זו ומספקים אנרגיה כימית שזמינה לכלל היצורים החיים.

שאר היצורים החיים יכולים לקבל רק שאריות של האנרגיה שנקלטה על ידי הצמחים. אוכלי צמחים מתחלקים לאוכלי עשב וכן ליצורים זעירים שמעכלים את הצמח לאחר מותו ומסייעים להתפרקותו ולהשלמת מחזורי המינרלים שהיו בצמח. יצורים נוספים, כמו טורפים או טפילים ניזונים מאוכלי הצמחים וכך הלאה. כל שלב כזה נקרא "רמה טרופית".

בגלל החוק השני של התרמודינמיקה, בכל רמה טרופית יש לכלל היצורים פחות אקסרגיה מכמות האקסרגיה שהיתה זמינה ליצורים לפניהם, וחלק מהכמות המקורית מתפזר כחום - אנרגיה בעלת אנטרופיה גבוהה יותר שהיצורים החיים ומנועי חום-אינם מסוגלים לנצל. מסיבה זו בכל רמה טרופית, יש תוספת קטנה יותר של מסת גוף בשנה (כמות היצורים ברמה הטרופית כפול כמות הגידול במסה בשנה ליצור פחות כמות האובדן). כמו כן זוהי הסיבה שנדיר למצוא יותר מ-4-5 רמות טרופיות במערכת אקולוגית.

השפעה ושימוש על ידי בני האדם

בני אדם, כמו כל יצור חי אחר, נדרשים לייצור הראשוני לשם המזון שלהם. מצד שני, שימושי קרקע כמו בירוא יערות ופעילויות אנושיות שונות כמו חקלאות או ערים הן בעלות השפעות שונות על הייצור הראשוני נטו בפועל (NPP_act). בכמה אזורים, כמו בעמק הנילוס, השקייה וטיפוח החקלאות הובילה להגדלה ניכרת של הייצור הראשוני, אך דבר זה הינו היוצא מהכלל. לרוב, פעילות האדם גורמת להפחתה בגודל הייצור הראשוני. הקיטון ב-NPP עקב שינויי קרקע (ΔNPP_LC) הוא של 9.6% בהתייחס לשטח הקרקעי העולמי.

שימוש בידי בני אדם

הצריכה הסופית של בני האדם מתוך סך הייצור הראשוני נקראת הלקיחה האנושית מהייצור הראשוני נטו (HANPP - Human Appropriation of Net Primary Productivity). ניתן לחלק צריכה זו לפי ענפים: צריכה של מוצרי עץ לדלק, בניין וריהוט; עץ וסיבים לנייר; חקלאות לסיבים (להפקת בדים) וגידול צמחים וחיות למזון - תזונה צמחונית, בשר, חלב, וביצים.

ביוני 2004 פרסם מגזין נייצ'ר גליון מיוחד בנושא הייצור הראשוני שכלל הערכה של הייצור הראשוני והצריכה האנושית שלו. המחקר בוצע על ידי חוקרים מנאס"א, אוניברסיטת מרילנד, WWF, ואוניברסיטת סטנפורד. ממצאי הדו"ח מוצגים בצורת מפות ונגישים לציבור. על פי הדו"ח, צריכת האנושות כולה עמדה על 11.45 מיליארד טונות של פחמן בשנה. צריכה זו עומדת על כ-3.72 טונות לאדם ממוצע במדינות המפותחות, שסה"כ צורכות יחד 3.4 מיליארד טונות פחמן, ו-1.27 טונות לאדם ממוצע במדינות העניות יותר, שצורכות יחד 8 מיליארד טונות פחמן. אילו כל בני האדם היו צורכים כמו האוכלוסייה המערבית, באוכלוסייה בגודל של 1995, סה"כ הצריכה היתה עומדת על 18 מיליארד טונות פחמן בשנה.

סך הצריכה האנושית מתוך הייצור הראשוני, ה- HANPP עלתה ל-23.8% מתוך ה"פוטנציאל הצמחי" (NPP₀). על פי הערכה, נכון לשנת 2000, האדם ניצל 34% מהשטח היבשתי שאינו מכוסה בקרח תמידי לצרכי חקלאות (12% לגידולי חקלאות ו-22% למרעה) כמות זו נלקחת על חשבון אנרגיה שאינה זמינה יותר למינים אחרים, ויש לה השפעה ניכרת על מגוון המינים; על מחזורי פחמן, מים ומחזורים אחרים, על מאזן אנרגיה במערכת האקולוגית העולמית; ועל שירותי המערכת האקולוגית.

חלוקת צריכת הייצור הראשוני על פני ענפים ומדינות

צריכת היצור הראשוני העולמית מתחלקת בצורה שונה בין ענפים שונים - 58% לעץ ומוצריו - כולל עץ לבניה ועץ המשמש כדלק, 16% לבשר, 15% לצריכת קלוריות מהצומח, 3% לסיבים, 2.4% לחלב, 2.3% לנייר, ו-1.4% לביצים.

המדינות בעלות צריכת הייצור הראשוני הגבוהות ביותר היו (לפי סדר יורד) סין, ארצות הברית, הודו, ברזיל, אינדונזיה, רוסיה, קנדה, ניגריה, יפן, גרמניה וצרפת. כל המדינות בעלות אוכלוסייה גבוהה הן בעלות צריכה גבוהה של ייצור ראשוני- מבין 18 המקומות הראשונים, המדינות היחידות שאינן בעלות אוכלוסייה גבוהה הן קנדה ומאלזיה.

18 המדינות בעלות צריכת הייצור הראשוני הגבוהה ביותר בעולם מכלות יחד 66% מהצריכה האנושית. שאר 200 המדינות מכלות יחד רק 18.33%. המדינות האלה מהוות גם 66% מאוכלוסיית העולם, כך שאין הבדל מהותי בין קבוצת מדינות זו לבין קבוצת המדינות האחרות בהיבט של צריכת ייצור ראשוני לנפש (כאשר מסתכלים על 2 קבוצות המדינות כקבוצה).

ברוב המדינות בעלות צריכה גבוהה של ייצור ראשוני, הסיבה היא אוכלוסייה גדולה, ובהן הצריכה לנפש נעה בין 0.9 ו-0.7 טונות פחמן בשנה, בהודו ובנגלדש בהתאמה, לבין ערכים של 2.5 טונות לאדם בגרמניה, צרפת, אינדונזיה ורוסיה. הצריכה הנמוכה יחסית בגרמניה וצרפת רומזת על כך שניתן לקיים רמת חיים גבוהה גם בערכים אלה. לעומת זאת, הצריכה השנתית לאדם בכמה מדינות גבוהה בהרבה - 3 טונות בברזיל, 4 טונות בארצות הברית, 5 במלזיה, ו-9 טונות בקנדה.

במדינות העניות יותר כמו גם בקנדה צריכת עץ היוותה 70-80% מהצריכה של הייצור הראשוני. בעוד שבמדינות כמו גרמניה וצרפת היא היוותה רק כ-30% וביפן 25%. בקרב רוב המדינות העשירות יותר כמו ארצות הברית, צרפת, גרמניה ויפן צריכת הבשר כאחוז מהייצור הראשוני גבוהה יותר מהממוצע העולמי (וכן במדינות ביניים כמו רוסיה, סין, ומקסיקו), ובחלקן גם צריכת המזון הצמחי גבוהה יותר. במדינות העניות יותר וביפן צריכת המזון הצמחי עמדה על כ-20%-25% מהצריכה הראשונית האנושית. במדינות העשירות גם צריכת הנייר גבוהה יחסית לממוצע העולמי (5%) וביפן היא מגיעה ל-14% מסך צריכת הייצור הראשוני במדינה.