Страница 8 из 10
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.
Антропогенное вмешательство неизбежно деформирует естественные трофические циклы и может привести к негативным и необратимым последствиям.
В этом плане поучительна история с истреблением воробьев в Китае в 50-х годах прошлого века. Желая сохранить урожай, китайцы провели национальную кампанию по истреблению воробьев. В результате этого чрезвычайно расплодились насекомые, служившие пищей для воробьев, и посевам зерновых был нанесен значительно больший ущерб. К счастью, это вмешательство имело обратимый характер и равновесие удалось восстановить за 3 года.
Последствия антропогенного вмешательства могут быть и более серьезными. В. Г. Горшков и В. Р. Дольник [7] предупреждают, что «замыкание значительной части биосферного потока на антропогенный канал приводит к вытеснению естественных видов организмов и перераспределению потребления в биосфере.
В этих условиях с течением времени человек может столкнуться с нехваткой энергии и истечением запасов ископаемых химических элементов, необходимых для построения биомассы культурных растений и индустриальной продукции». Интересно отметить, что этот вывод сделан физиками.