Физика окружающей среды - Александр Рыженков

Рис. 8. Преобразование энергии в биосфере

В каждом из звеньев трофической цепи происходит накопление и рассеяние энергии.

Мощность потока солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, равен 1000 Вт/м2. Эта энергия, как показано в таблице, распределяется между многими видами движения органической и неорганической материи.

Таблица 6

Глобальные потоки энергии

Эти данные представляют большой интерес тем, что показывают распределение энергии в разных частях биосферы и дают возможность оценить энергоресурсы, которые могут быть использованы человечеством.

Распределение энергии по звеньям трофической цепи можно оценить, пользуясь уравнением фотосинтеза:

6СО2 + 6Н20 + 8 фотонов C6H12O6 +6О2.

Академик К. А. Тимирязев в 1875 году определил количество фотосинтетической энергии радиации Солнца (8 молей фотонов на частоте красной и сине-зеленой области спектра) равно 16,8 106 Дж. Эта энергия необходима для связывания одного моля СО2 и преобразования его в органику, количество которой эквивалентно 4,8 105 Дж. Отсюда максимальный теоретический КПД фотосинтеза равен 0,3. Эта величина не учитывает расход энергии на образование меж молекулярных связей, на образование более сложных структур, например клеток, на дыхание, испарение и т. п.

С другой стороны, эффективность преобразования солнечной энергии в биомассу можно получить, если рассматривать ее как отношение чистой первичной продукции (реальный прирост массы растений – Р1) к энергии фотосинтетической радиации – Wф. При таком расчете получается, что эффективность:

ηф = Р1/Wф ≤ 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 Wф. 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 Р1 и испаренной растениями влагой описывается линейной зависимостью:

kсР1 = KcαтρE,

где кс, – коэффициент транспирации, т. е. количество влаги, испаренной с 1 га, αт – доля транспирации в полном испарении с единицы площади, Кс – 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 αт зависит 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:

αт = (2/3) 0,4 + (1/3) 0,9 = 0,55.

Тогда количество произведенной биомассы (чистый продукт) на суше, на площади S и Кс = 19 1013 Дж:

Р = SP1 = KcαтSρE/кс = 6 ×1013 Вт.

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:

ηт = αт Lв ρE/ Wф

где Lв = 25,7 103 Дж/г – скрытая теплота испарения воды.

Связь между ηт и ηф находится из выражения:

ηф = Р1/Wф = Kc ηт/ Lв кт = (7.6/ кс) ηт

Предполагая, что для поверхности суши, не преобразованной человеком, величина αт = 0,9, а значение ηф = 0,05, получим ηт = 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 Вi звеньев цепи от 0 до n, рис. 10.

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

Здесь Wi – потребление энергии, Ri – энергия дыхания, Pi – полная энергия на выходе, Bi – количество биомассы. Значения индексов: i = 1 растения, i = 2 – консументы 1 рода, растительноядные животные; i = 3 – консументы 2 рода, животные-хищники; mi – количество отмирающей биомассы.

Чистая первичная продукция растений Рi используется 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:

Wi = Ri + Pi,

где Wi – полная потребляемая (входная) мощность, Ri – мощность, расходуемая на дыхание, Pi, – полная мощность на выходе звена.

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

W – Рэ = ηW, Pi / W = α, αэ = Pэ / 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 αэ = 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

1. Пирамида чисел, 2. Пирамида энергии (Дж)

Закономерность распределения энергии и массы в трофических цепях имеет важное приложение для определения уровня загрязнений элементов цепи. Дело в том, что ряд синтетических препаратов и тяжелых металлов таких, как, например, ДЦТ и ртуть, имеют свойство накапливаться в организме. Перемещаясь по звеньям трофической цепи вместе с биомассой, ДЦТ не расщепляется и не выносится с экскрециями, а накапливается, и концентрация его повышается. Таким образом, концентрация ДЦТ в молоке коровы может превысить допустимый уровень хотя при распылений для обработке поля ПДК превышено не было.