Dòng năng lượng và hiệu suất sinh thái

Trong phần lớn hệ sinh thái, nguồn năng lượng chủ yếu là ánh sáng. Sinh vật sản xuất chuyển một phần thành năng lượng hóa học trong chất hữu cơ. Qua thức ăn, một phần năng lượng tiếp tục tới sinh vật tiêu thụ; xác và chất thải còn cung cấp năng lượng cho sinh vật sử dụng mùn bã, phân giải. Qua hô hấp và các hoạt động sống, năng lượng dần tỏa thành nhiệt ra môi trường. Năng lượng đó không được sinh vật sản xuất thu hồi để quay lại vòng quang hợp. Vì vậy, dòng năng lượng đi một chiều và hệ cần nguồn bổ sung; vật chất có thể tham gia chu trình. Năng lượng chưa truyền tới bậc tiêu thụ tiếp theo không có nghĩa tất cả biến ngay thành nhiệt: một phần còn trong cơ thể chưa bị ăn, xác hoặc chất thải và có thể đi vào con đường dinh dưỡng khác.

Sản lượng sơ cấp thô là tổng lượng chất hữu cơ hoặc năng lượng được sinh vật sản xuất tích lũy qua quá trình tạo chất hữu cơ trong khoảng xét. Trừ phần sinh vật sản xuất sử dụng cho hô hấp, ta được sản lượng sơ cấp tinh: **Sơ cấp tinh = sơ cấp thô − hô hấp của sinh vật sản xuất.** Ví dụ minh họa: cùng diện tích và một năm, thô là 24.000 kJ, phần hô hấp là 14.000 kJ, thì tinh là 10.000 kJ. Phần tinh đóng góp vào sinh trưởng, sinh sản và nguồn chất hữu cơ cho sinh vật dị dưỡng; không có nghĩa toàn bộ 10.000 kJ được một loài ăn cỏ sử dụng. Sản lượng thứ cấp được hình thành ở sinh vật dị dưỡng. Khi so năng suất, cần cùng khoảng thời gian, diện tích hoặc thể tích; không so tổng cả hồ với số trên mỗi mét vuông của hồ khác. Khi so hai hệ, phải đổi về cùng diện tích và thời gian. Ví dụ $10\,000$ kJ trên $10\,\mathrm{m^2}$ trong một năm bằng $1\,000\,\mathrm{kJ/m^2/năm}$; chỉ sau bước này mới so với số liệu theo $\mathrm{m^2/năm}$ của hệ khác.

Hiệu suất sinh thái giữa hai bậc liên tiếp được tính bằng năng lượng tích lũy ở bậc sau chia cho năng lượng tương ứng ở bậc trước, rồi nhân 100%. Hai số phải cùng đơn vị, diện tích và thời gian xét. Không mặc định hiệu suất luôn đúng 10%; dùng dữ kiện đề cho.

| Loại tháp | Đại lượng dùng | |---|---| | Số lượng | Số cá thể ở mỗi bậc trong phạm vi xét | | Sinh khối | Tổng khối lượng sinh vật trên đơn vị diện tích hoặc thể tích tại thời điểm xét | | Năng lượng | Năng lượng ở mỗi bậc trên cùng đơn vị diện tích/thể tích và thời gian | Tháp năng lượng thu hẹp dần lên các bậc cao do hao hụt khi truyền năng lượng. Tháp số lượng có thể có đáy hẹp, chẳng hạn một cây lớn cung cấp thức ăn cho nhiều côn trùng. Số cá thể nhỏ không tự có nghĩa tổng sinh khối hoặc năng lượng nhỏ. Tháp sinh khối tại một thời điểm cũng không phải tháp năng lượng theo thời gian. Trong hệ có sinh vật sản xuất tái tạo nhanh và bị ăn nhanh, sinh khối hiện có của chúng có thể nhỏ dù liên tục cung cấp thức ăn. Vì vậy, luôn đọc đại lượng và đơn vị trước khi nhận xét hình tháp.

Qua nhiều bậc, chỉ một phần nhỏ năng lượng ban đầu còn tới bậc cao. Điều này giúp giải thích vì sao cần nguồn sản xuất lớn để duy trì sinh vật ở bậc cao và vì sao khai thác phải gắn với khả năng cung cấp của hệ. Trong sản xuất thực tế, lựa chọn mô hình còn phụ thuộc nhu cầu dinh dưỡng, điều kiện môi trường và kinh tế; không rút mọi quyết định về một con số hiệu suất.