| Головна |
| « Попередня | Наступна » | |
1У.4. Енергетика екосистем |
||
|
Живі організми, що входять в екосистеми, для свого існування повинні постійно поповнювати і витрачати енергію. Рослини, як відомо, здатні запасати енергію в хімічних зв'язках в процесі фотосинтезу або хемосинтезу. При фотосинтезі зв'язується тільки енергія з певними довжинами хвиль -380-710 нм. Цю енергію називають фотосинтетично активною радіацією (ФАР). Вона по довжинах хвиль близька до видимої частини спектру. На цю радіацію зазвичай припадає близько 40% загальної сонячної радіації, що досягає земної поверхні. Інша частина спектра відноситься або до більш короткої (ультрафіолетової), або до більш довгої (інфрачервоної) радіації. З останньою зазвичай пов'язаний тепловий ефект. Рослини в процесі фотосинтезу пов'язують лише невелику частину сонячної радіації. Навіть по відношенню до фотосинтетичний активній - це в середньому для земної кулі менше 1%. Тільки найбільш продуктивні екосистеми, такі як плантації цукрової тростини, тропічні ліси, посіви кукурудзи, в оптимальних умовах можуть зв'язувати до 3-5% ФАР. У дослідах з кондиціонованими умовами по всіх факторів середовища за короткі періоди часу вдавалося досягти ефективності фотосинтезу по засвоєнню сонячної енергії близько 8-10% ФАР. Рослини є первинними постачальниками енергії для всіх інших організмів в ланцюгах харчування. Існують певні закономірності переходу енергії з одного трофічного рівня на інший разом з споживаної їжею. Основна частина енергії, засвоєної консументам з їжею, витрачається на його життєзабезпечення (рух, підтримку температури тіла і т. п.). Цю частину енергії розглядають як витрати на подих, з яким в кінцевому рахунку пов'язані всі можливості її вивільнення з хімічних зв'язків органічної речовини. 57 Частина енергії переходить в тіло організму-споживача разом з збільшується масою (приростом, продукцією). Деяка частка їжі, а разом з нею і'енергія не засвоюються організмом. Вони виводяться в навколишнє середовище разом з продуктами життєдіяльності (екскрементами). У подальшому ця енергія вивільняється іншими організмами, які споживають продукти виділення. Баланс їжі і енергії для окремої тварини організму можна, таким чином, представити у вигляді наступного рівняння: Е = Е + Е + Е, п д пр п.в7 де Еп - енергія спожитої їжі, Е - енергія дихання або забезпечення життєдіяльності організму, включаючи рух, підтримку температури тіла, серцебиття і т. п., Е - енергія приросту (запасені в тілі організму-споживача), Еп в - енергія продуктів виділення (в основному екскрементів). Кількість енергії, що витрачається організмами на різні цілі, неоднозначно. У періоди інтенсивної життєдіяльності дорослого організму в тілі його може абсолютно не фіксуватися енергія. Навпаки, витрати її в ряді випадків перевищують надходження (організм втрачає вагу). У той же час в періоди інтенсивного росту організмів, особливо в періоди розмноження (вагітності), в тілі фіксується значна кількість енергії. Виділення енергії з екскрементами у м'ясоїдних тварин (наприклад, хижаків) невелика, у травоїдних воно більш значно, а гусениці деяких комах, що харчуються рослинами, виділяють з екскрементами до 70% енергії. Однак при всій різноманітності витрат енергії в середньому максимальні витрати на подих, які в сумі з незасвоєний їжею становлять близько 90% від спожитої. Тому перехід енергії з одного трофічного рівня на інший в середньому приймається близьким до 10% від енергії, спожитої з їжею. Ця закономірність розглядається звичайно як «правило десяти відсотків». Дане правило треба оцінювати як відносне, орієнтовний. Разом з тим з нього випливає, що ланцюг харчування має обмежену кількість рівнів, зазвичай не більше 4-5. Пройшовши через них, практично вся енергія виявляється розсіяною. Закономірності потоку і розсіювання енергії мають важливі в практичному відношенні слідства. По-перше, з енергетичної 58 точки зору вкрай недоцільно споживання тваринної продукції, особливо з високих рівнів ланцюгів живлення. Утворення цієї продукції пов'язане з великими втратами (розсіюванням) енергії. Особливо великі втрати енергії при переході з першого трофічного рівня на другий, від рослин до травоїдним тваринам. Часто в екологічній літературі розглядається як приклад ланцюг харчування: люцерна-телята-хлопчик. Показано, що якби хлопчик вагою 48 кг харчувався тільки телятиною, то за рік йому потрібно було б для забезпечення життєдіяльності 4,5 теляти, для живлення яких, в свою чергу, необхідний урожай люцерни з площі 4 га вагою 8211 кг. Така енергетична ціна тваринної їжі. По-друге, щоб скоротити ймовірність дефіциту продуктів харчування для інтенсивно зростаючої чисельності населення (за закономірності, близької до експоненті), треба, щоб у раціоні людей більшу питому вагу займала рослинна їжа. Енергетично ідеально - вегетаріанство. По-третє, для збільшення ККД використання їжі при отриманні тваринницької продукції в умовах культурного господарства дуже важливо зменшити основну статтю нераціонального витрачання енергії - її витрати на подих. Це можливо за рахунок підтримки оптимального температурного режиму в тваринницьких приміщеннях, обмеження рухливості тварин і, природно, збалансованості кормового раціону по різним елементам харчування, а також застосування різних біотехнічних прийомів (помірні добавки стимуляторів росту, речовин, що сприяють поліпшенню апетиту і т. п.) . Суперечки про допустимо можливої чисельності населення з точки зору забезпечення харчуванням значною мірою відносні, якщо вони не враховують, який в середньому питома вага в раціоні відводиться тваринної і рослинної їжі. Якщо виходити з раціону харчування заможної частини населення, яка споживає м'яса 80-100 кг на рік на одну людину, то явно неможливо забезпечення таким раціоном сучасної чисельності населення Землі (близько 6 млрд. чоловік). Якщо ж виходити з необхідності забезпечення мінімальних потреб життєдіяльності організму, при теперішньому виробництві продуктів харчування можливо виключити голод і, крім того, прогодувати на 3-4 мільярди населення більше сучасного. 59 більш збалансованого розподілу продуктів харчування. Перехід на вегетаріанство і тим більше розширення асортименту рослин, які використовуються в їжу, може забезпечити життєдіяльність (з енергетичної точки зору) чисельності населення в 2-3 рази більше сучасної. Ясно, однак, що при цьому залишаться невирішеними багато медико-біологічні проблеми здоров'я і довголіття, а також допустимі межі антропогенних навантажень на екосистеми і біосферу в цілому. 1У.5. Продуктивність і біомаса екосистем Одне з найважливіших властивостей організмів, їх популяцій та екосистем в цілому - здатність створювати органічна речовина, яке називають продукцією. Освіта продукції в одиницю часу (годину, добу, рік) на одиниці площі (метри квадратні, гектар) або об'єму (у водних екосистемах) характеризує продуктивність екосистем. Продукція і продуктивність можуть визначатися для екосистем у цілому або для окремих груп організмів (рослин, тварин, мікроорганізмів) або видів. Продукцію рослин називають первинною, а тварин-вторинною. Поряд з продукцією розрізняють біомасу організму, груп організмів або екосистем в цілому. Під нею розуміють всю живу органічну масу, яка міститься в екосистемі або її елементах поза завнсімостн від того, за який період вона утворилася і накопичилася. Біомаса та продукція (продуктивність) зазвичай виражаються через абсолютно сухий вагу. Неважко зрозуміти, що величина біомаси екосистем або їх ланок в чому залежить не стільки від їх продуктивності, скільки від тривалості життя організмів і екосистем у цілому. Наприклад, велика біомаса характерна для лісових екосистем: у тропічних лісах вона досягає 800-1000 т / га, в лісах помірної зони -300-400 т / га, а в трав'янистих співтовариствах звичайно не виходить за межі 3-5 т / га. Водночас лісові та трав'янисті (наприклад, лугові) екосистеми в подібних умовах існування по продуктивності можуть мало відрізнятися або різняться в бік більшої продуктивності як лісових, так і трав'янистих співтовариств. Для екосистем, представлених однорічними організмами, їх річна продуктивність і біомаса практично збігаються. Для 60 деревних спільнот вони різко розрізняються. Взагалі співвідношення біомаси та річної продукції екосистем можна виразити формулою: Б = 1П-1Д, де Б - біомаса в даний момент часу, П - річна продукція, Д - дихання. Під останнім стосовно до екосистемам розуміється вся сума живої речовини, відчужуваного на процеси розкладання в результаті загибелі цілих організмів (отпад) або їх частин - сучків, кори, листя, зовнішніх покривів (опад) і споживання гетеротрофами. Екологічні параметри продуктивності. Продукція і біомаса екосистем - це не тільки ресурс, який використовується в їжу або в якості різних видів сировини (технічне, паливо і т. п.). Від цих показників у прямій залежності перебуває серед-твірна і средостабілізірующая роль екосистем. Так, з продуктивністю рослин і їх спільнот тісно пов'язана інтенсивність поглинання вуглекислого газу і виділення кисню. Для утворення однієї тонни рослинної продукції (абсолютно суха вага) зазвичай поглинається 1,5-1,8 т вуглекислого газу і виділяється 1,2-1,4 т кисню. Біомаса, в тому числі і мертве органічна речовина, є основними резервуарами концентрації вуглецю. На суші це практично єдиний фактор виведення вуглекислого газу з процесів круговороту на тривалий час. Частина цього органічного речовини і зовсім виключається з кругообігу або, як зазначав В. І. Вернадський, «йде в геологію» (торф, вугілля, нафта і т. п.). Найчастіше в гумідних (вологих) районах фактором, що переривають кругообіг, виступає недолік кисню і кисле середовище. Тут основними осередками накопичення органіки є болота. На дні глибоких водойм поховання органічної речовини також обумовлюється нестачею кисню або надлишком отруйних речовин (наприклад, сірководню). У вкрай сухих (аридних) умовах круговорот переривається найчастіше нестачею вологи. У зв'язку з тим, що дощові тропічні ліси характеризуються максимальною продуктивністю (до 20-25 т / га / рік) і біомасою (до 700-1000 т / га), їх розглядають як основні акумулятори вуглецю і збагачення атмосфери киснем, називаючи «легенями планети». У північних лісах, як відомо, продуктивність (6-10 т / га / рік) і біомаса (300-400 т / га) значно нижче. Однак на цьому осно 61 вании північним лісах ніяк не можна відводити менш значну роль в позитивному балансі кисню і вуглекислоти. Навпаки, їх роль в цьому відношенні часто більш значна. Ці питання розглянуті в другій частині посібника (див. разд.ГХ.4). Є й інші екологічні аспекти продуктивності та біомаси екосистем. Зокрема, чим більше біомаса, тим сильніше її контакт з навколишнім середовищем і тим значніше такі средоох-ранние властивості, як очищення повітря від пилу та хімічних агентів, регулювання влагооборота, гасіння шумових впливів і т. п. (див. докладніше ч. II посібники, розд. 1Х.2). Продуктивність різних екосистем біосфери. До недавнього часу приймалося за аксіому, що основний обсяг первинної продукції утворюється в морях і океанах, на частку яких припадає близько 70% поверхні земної кулі Проте за останніми даними, отриманими в основному в результаті здійснення Міжнародної біологічної програми (МБП), яка проводилася в 1964 -1974 рр.., було встановлено, що основна маса первинної продукції утворюється в екосистемах суші (близько 115 млрд. тонн на рік) і лише близько 55 млрд. тонн на рік - в екосистемах океану (табл. 2). Справа в тому, що внутрішні води океану, розташовані за межами прибережної (шельфовій) зони, по продуктивності близькі до пустель наземних екосистем (10-120 г/м2 за рік первинної продукції). Для порівняння зазначимо, що продуктивність лісів тайги складає в середньому близько 700-800, а вологих тропічних лісів - 2000-2200 г/м2 за рік. Друге питання, на який важливо отримати відповідь: які ж екосистеми в межах океану і суші є найбільш продуктивними? В. І. Вернадський у свій час виділив вогнища найбільшої концентрації життя, назвавши їх плівками н згущеннями живої речовини. 62 У наземних екосистемах також виділяють дві плівки живої речовини. Приземна, укладена між поверхнею грунту і верхньою межею рослинного покриву, має товщину від декількох сантиметрів (пустелі, тундри, болота та ін.) до декількох десятків метрів (лісу). Друга плівка - грунтова. Ця плівка найбільш насичена життям. На 1 м2 грунтового шару налічують мільйони комах, десятки і сотні дощових черв'яків і сотні мільйонів мікроорганізмів. Товщина даної плівки знаходиться в прямій залежності від потужності грунтового шару і його багатства гумусом. У тундрах і пустелях це кілька сантиметрів, на чорноземах, особливо огрядних, - до 2-3 метрів. Підвищені концентрації живої речовини в біосфері зазвичай приурочені до умов так званого «крайового ефекту», або екотомов. Такий ефект виникає на стиках середовищ життя або різних екосистем. У наведених прикладах для водних екосистем поверхнева плівка - це зона контакту атмосфери і водного середовища, донна - водної товщі і донних відкладень, грунтова - атмосфери і літосфери. "Таблиця 2 Продуктивність і біомаса екосистем материків і океанів земної кулі (Уиттекер, 1980) ' Екосистеми Площа млн. км2 Рослини Продукція тварин млрд, Т / ТОД Біомаса тварин млрд. т. Продукція Біомаса Споживання жи-ось-ни-ми, млрд т / г т / га в рік глобальна млрд. т / рік т / га глобальна, млрд. т Континентів 149 7,73 115,0 123,0 1837,0 7,8 0,909 1,005 Океану 361 1,52 55,0 0,1 3,9 20,2 3,045 0,997 Всього 510 3,33 170,0 3,6 1841 28,0 3,934 2,002 Оброблювані - ег »» * г | | * 6,50 9,1 10,0 14 0,009 0,006 14 0,09 63 Прикладом підвищеної продуктивності на стиках екосистем можуть служити перехідні екосистеми між лісом і полем («опушечной ефект»), а у водних середовищах - екосистеми, що виникають в естуаріях рік (місця впадання їх у моря, океани і озера і т. п.). Цими ж закономірностями в чому обумовлюються згадувані вище локальні згущення великих мас живої речовини (найбільш високопродуктивні екосистеми). Зазвичай в океані виділяють наступні згущення життя: 1. Прибережні. Вони розташовуються на контакті водної та назем-но-повітряного середовища. Особливо високопродуктивні екосистеми естуарії. Протяжність цих згущувань тим значніше, чим більше винос річками органічних і мінеральних речовин з суші. 2. Коралові рнфи. Висока продуктивність цих екосистем пов'язана насамперед із сприятливим температурним режимом, фільтраційним типом харчування багатьох організмів, видовим багатством спільнот, симбиотическими зв'язками та іншими факторами. 3. Саргасове згущення. Створюються великими масами плаваючих водоростей, найчастіше саргассових (в Саргассовому море) і Філофорного (в Чорному морі). 4. Апвеллніговие. Ці згущення приурочені до районів океану, де має місце висхідний рух водних мас від дна до поверхні (апвелінг). Вони несуть багато донних органічних і мінеральних відкладень і в результаті активного перемішування добре забезпечені киснем. Ці високопродуктивні екосистеми є одним з основних районів промислу риб та інших морепродуктів. 5. Рнфто-ші глибоководні (абісальні) сгущеіня. Ці екосистеми були відкриті тільки в 70-х роках цього століття. Вони унікальні за своєю природою: існують на великих глибинах (2-3 тис. метрів). Первинна продукція в них утворюється тільки в результаті процесів хемосинтезу за рахунок вивільнення енергії з сірчистих сполук, що надходять з розломів дна (ріфтов). Висока продуктивність тут зобов'язана перш за все сприятливим температурним умовам, оскільки розломи одночасно є осередками виходу з надр підігрітих (термальних) вод. Це єдині екосистеми, які не використовують сонячну енергію. Вони живуть за рахунок енергії надр Землі. На суші до найбільш високопродуктивним екосистемам (згущене живої речовини) відносять: 1) екосистеми берегів морів н океанів в районах, добре забезпечених теплом; 2) екоснс 64 теми заплав, періодично заливаються водами річок, які відкладають мул, а разом з ним органічні і біогенні речовини; 3) екосистеми невеликих внутрішніх водойм, багаті поживними речовинами, а також 4) екосистеми тропічних лісів. Продуктивність інших екосистем видна з табл.3. Вище ми вже відзначали, що людина повинна прагнути зберегти високопродуктивні екосистеми - цей щонайпотужніший каркас біосфери. Його руйнування пов'язане з найбільш значними негативними наслідками для всієї біосфери. Що стосується вторинної (тваринної) продукції, то вона помітно вище в океані, ніж у наземних екосистемах. Це пов'язано з тим, що на суші в ланку консументів (травоїдних) в середньому включається лише близько 10% первинної продукції, а в океані - до 50%. Тому, незважаючи на більш низьку первинну продуктивність океану, ніж суші, по масі вторинної продукції ці екосистеми приблизно рівні (див. табл. 2). У наземних екосистемах основну продукцію (до 50%) і особливо біомасу (близько 90%) дають лісові екосистеми. Разом з тим основна маса цієї продукції надходить відразу в ланку деструкторів і редуцентів. Для таких екосистем характерно переважання детрнтіих (за рахунок мертвої органічної речовини) ланцюгів живлення. У трав'янистих екосистемах (луки, степи, прерії, савани), як і в океані, значно більша частина первинної продукції прижиттєво відчужується фитофагами (травоїдними тваринами). Такі ланцюги носять назву пасовищних або ланцюгів виїданням.
|
||
| « Попередня | Наступна » | |
|
|
||
Інформація, релевантна "1У.4. Енергетика екосистем" |
||
|
||