Александр Рыженков - Физика окружающей среды

С другой стороны, эффективность преобразования солнечной энергии в биомассу можно получить, если рассматривать ее как отношение чистой первичной продукции (реальный прирост массы растений – Р 1) к энергии фотосинтетической радиации – W ф. При таком расчете получается, что эффективность:

η ф= Р 1/W ф≤ 0,05

Это очень важная величина, показывающая принципиальное ограничение повышения урожайности. Однако, тот факт, что для многих видов сельскохозяйственного производства у нас этот коэффициент на порядок ниже, дает уверенность в возможности решения продовольственной программы без увеличения площадей.

Как видно из сказанного, энергетика фотосинтеза довольно проста. Однако ситуация чрезвычайно усложняется при переходе к анализу энергетики экосистем, состоящих из трофических цепей разной сложности.

Трудность состоит в том, что первичная энергия на входе в биосистему идет не только на производство биомассы. Часть ее расходуется на дополнительные процессы, такие, как дыхание, транспирация (испарение при дыхании), экскреция. На дыхание уходит 1/3 первичной энергии W ф. Для анализа энергетики трофических цепей вводят две величины продуктивность (валовая продукция) и продукция (чистая продукция – биомасса). Можно бы упростить задачу, отбросив дополнительные потери энергии. Но при этом можно потерять некоторые и даже многие звенья трофических цепей, например, множество насекомых и микроорганизмов.

Таким образом, исследовать продуктивность – значит определить распределение энергии по звеньям трофической цепи. Определить продукцию – значит оценить реально произведенную био массу, т. е. центнеры с гектара, суточный привес животных и т. п.

Связь между количеством произведенной биомассы Р 1и испаренной растениями влагой описывается линейной зависимостью:

k сР 1= K cα тρE,

где к с, – коэффициент транспирации, т. е. количество влаги, испаренной с 1 га, α т– доля транспирации в полном испарении с единицы площади, К с– калорийность сухой органической массы, Е – скорость испарения в мм/год, ρE – количество влаги, испаренной с единицы площади. Среднее значение ρE равно 400, это значит, что для синтеза 1 т растений требуется 400 т воды.

Полезно сравнить эту вели чину с потребностью воды для искусственного синтеза: для лав сана требуется – 4200 тонн воды при синтезе 1 тонны, для капрона – 5600 тонн! (См. таблицу 4)

Можно только восхищаться совершенством «технологии» при роды. Коэффициент α тзависит от характера поверхности, для обработанной почвы 0,4, для необработанной – 0,9. Учитывая, что доля обработанной суши равна примерно 2/3 всей, получим для среднего значения:

α т= (2/3) 0,4 + (1/3) 0,9 = 0,55.

Тогда количество произведенной биомассы (чистый продукт) на суше, на площади S и Кс = 19 10 13Дж:

Р = SP 1= K cα тSρE/к с= 6 ×10 13Вт.

Распределение материи в трофической цепи удобно определять в Вт. Эта величина достаточно хорошо совпадает с экспериментально определенной. Теперь необходимо учесть долю энергии, расходуемой на транспирацию:

η т= α тL вρE/ W ф

где L в= 25,7 10 3Дж/г – скрытая теплота испарения воды.

Связь между η ти η фнаходится из выражения:

η ф= Р 1/W ф= K cη т/ L вк т= (7.6/ к с) η т

Предполагая, что для поверхности суши, не преобразованной человеком, величина α т= 0,9, а значение η ф= 0,05, получим η т= 0,25.

Это значит, что на транспирацию растений используется до 25 % солнечной энергии, падающей на Землю. А так как возобновляемые запасы пресной воды существуют только благодаря испарению с поверхности океана, то можно считать, что растения используют около 60 % всех возобновимых водных ресурсов. Труд но представить, но это факт. Большая часть всех пресных вод на Земле проходит через биологическую «машину» биосферы.

В связи с этим важно подчеркнуть, что загрязняя воды мы неизбежно вводим эти загрязнения в биоценозы, а через них по трофическим цепям в себя.

Теперь снова вернемся к трофической цепи после того, как определено распределение солнечной энергии в ее первом звене – продуцентах. Простая трофическая цепь может быть составлена из четырех звеньев. В трофических цепях реализуется круговорот вещества и энергии, называемый биоциклическим. Он не является изолированным, он входит в геологический круговорот, рис. 9.

Рис. 9. Круговорот вещества и энергии в трофической цепи

Биогеоценоз или экосистему можно рассматривать как «машину» по трансформированию вещества и энергии. Очевидно, что антропогенное воздействие нарушает работу этой «машины» так как детерминированность биопроцессов мала по сравнению, например, с прохождением тока по проводнику или движением поршня в цилиндре.

Абстрагируя элементы трофической цепи, представим ее в виде схемы. Цифра в круге – номер биомассы В iзвеньев цепи от 0 до n, рис. 10.

Рис. 10. Перенос вещества и энергии в трофической цепи.

Здесь W i– потребление энергии, R i– энергия дыхания, P i– полная энергия на выходе, B i– количество биомассы. Значения индексов: i = 1 растения, i = 2 – консументы 1 рода, растительноядные животные; i = 3 – консументы 2 рода, животные-хищники; m i– количество отмирающей биомассы.

Чистая первичная продукция растений Р iиспользуется консументами и редуцентами следующего звена и так далее по звеньям.

Связь между потоками энергии и вещества в каждом звене цепи можно представить в виде уравнения:

W i= R i+ P i,

где W i– полная потребляемая (входная) мощность, R i– мощность, расходуемая на дыхание, P i, – полная мощность на выходе звена.

Выходящие потоки энергии складываются из вновь синтезируемой органики P iи неусвоенной части потребляемой органики (экскретов) Р. Эти потоки могут быть заданы с помощью коэффициентов усвоения η и эффективности трансформации энергии – α:

W – Р э= ηW, P i/ W = α, α э= P э/ W = 1 – η

где ηW – усвоенная часть входного потока энергии (метаболизм). Для большинства организмов биосферы η = 0,8 и зависит он от того, чем питается данный вид. Коэффициент эффективности трансформации энергии в пищи в продукцию α = 0,1. Коэффициент α э= 1 – η = 0,2 характеризует трансформацию входной энергии в экскреты, служащие пищей для редуцентов. Таким обрезом, эти теоретические и не очень сложные вы кладки подтверждают тот факт, что 90 % энергии, входящей в каждое звено трофической цепи, рассеивается на дыхание, транспирацию, экскрецию и только 10 % идет на накопление биомассы. Приводимая диаграмма иллюстрирует эту закономерность.

Рис. 11. Экологические пирамиды В. Одума