Страница 7 из 10
Аналогичному разрушению подвержены почвы и на территории бывшего СССР. Пыльные бури наиболее часто стали поражать степные районы Украины, Нижнего Поволжья, Северного Кавказа, Средней Азии, Казахстана, где ветер выдувает почву на глубину до 25 см. А. Иващенко [6] в очень профессиональном и эмоциональное очерке о проблемах земледелия пишет, что число пыльных бурь в Ставрополье за последние 100 лет увеличилось в 10 раз, а слой знаменитого чернозема толщиной в I метр (!), помещенный в Парижском институте мер и весов как эталон за последние 50 лет уменьшился в 2 раза. Известно, что на восстановления 1 см гумусного слоя требуется 50 лет!
Значительный ущерб запасу продуктивных почв, как ни странно для неспециалиста, наносит мелиорация, а точнее неразумное орошение. Водозабор из рек, осуществляемый в гигантских масштабах, не может не нанести ущерба экосистемам рек и тем районам, куда он направлен. Явление это сложное, и для его анализа и управления требуется научный подход с участием специалистов разных специальностей, в том числе и физиков. Пока, к сожалению, в деле мелиорации преобладает эмпиризм.
Наиболее показательная ситуация сложилась в Средней Азии в бассейне рек Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи в связи с превращением Узбекистана в район хлопковой монокультуры. Вода этих рек, взятая для орошения хлопковых полей, пополняется солями, химических препаратов и в таком отработанном виде сбрасывается в низины. Это привело к подъему подпочвенных соленых вод, засолению и заболачиванию миллионов гектаров плодородных земель.
Для решения этой проблемы имеется несколько путей: вернуть гармоничный' характер сельскому хозяйству Узбекистана, рационально расходовать имеющиеся воды, использовать достижения современной науки.
Интенсивное применение химпрепаратов также привело к значительной деформации почвенных экосистем, так как химические соединения ударили прежде всего по живому миру почвы, превратив ее из живого тела в носителя искусственных минеральных удобрений и ядохимикатов.
Для повышения продуктивности почвы приходится вносить в нее элементы, забираемые сельхозкультурами: С, Н, Р, В, Ca, К, Na и другие.
Особенно важны для активного развития растений и продуктивности азот и фосфор. Азота в почве содержится достаточно много, от 3 до 40 тонн на гектар. Однако он находится в труднодоступной для растений форме. Внося его в легкоусвояемой форме в виде солей аммония и нитратных солей, мы в то же время делаем азот легко вымываемым из почвы и выносимым в воздух. Подсчитано, что ежегодно с наших полей в атмосферу уносится 1,5 млн. тонн азота, что усугубляет тем самым проблему «озоновой дыры» и кислотных дождей.
Особую группу сельскохозяйственных препаратов представляют пестициды из которых гербициды предназначены для уничтожения сорняков, а инсектициды – насекомых. Молекулы ядохимикатов устойчивы и с трудом поддаются разложению, по этой причине наблюдается постоянное накопление этих соединений в биомассе Земли. Некоторые из них, как ДДТ, севин, хлорофос чрезвычайно опасны. Так, ДЦТ обнаружен у 90 из 100 беременных женщин, несмотря на то, что запрет на его использование существует почти 40 лет; севин вызывает полную стерильность мужчин и женщин. Число этих соединений уже перевалило за 1000 и на их основе в мире выпускается более 80 тысяч продуктов.
Интенсивное применение химических удобрений и ядохимикатов может привести к необратимому ухудшению почвы.
Вместе с тем за рубежом, в России, на Украине, в Белоруссии имеются примеры ведения сельского хозяйства без применения ядохимикатов. Ряд хозяйств за рубежом уже получают сельхозпродукцию вообще без применения химпрепаратов, рекламируют это и продают ее по более высоким ценам.
Энергетика биосферы. Жизнь на Земле и ее многообразие обеспечивается работой уникальной «машины» биосферы, преобразующей солнечную энергию и рассеянные в окружающей среде элементы, в высокоорганизованную материю. Эффективность работы этой «машины» можно оценить, сравнивая количество поступающей энергии и получаемой продукции. Количество солнечной энергии, поступающей в течение года на 1 гектар поверхности в районах с умеренным климатом, равно примерно 4,2×1013 Дж, количество биомассы, полученной в этих условиях, приблизительно равно 10 тонн пшеницы или 5–7 тонн прироста лиственного леса, что в энергетических единицах составляет около 34 × 1010 Дж. Из сравнения этих двух величин получается, что КПД биосферной «машины» равен приблизительно 1 %. Остальные 99 % солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отражаются растениями 35 % и 60–70 % расходуются на транспирацию (дыхание растений).
Энергия, преобразованная в биомассу, рассеивается дальше по звеньям трофической (пищевой) цепи. Растения являются первичным продуктом преобразования энергии и называются продуцентами, живые организмы, потребляющие растительную пищу представляют вторичный продукт этого процесса и называются консументами (от английского слова consumption – потребление); организмы, перерабатывающие отходы продуцентов и консументов, представляют собой класс редуцентов.
Таким образом, редуценты замыкают цикл преобразования энергии и материи в биосфере (рисунок 8).
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.