Превращения энергии в экосистемах.

Основным источ­ником энергии для экосистем является энергия Солнца. Именно она создает тепло на поверхности планета, кинетическую энергию потоков воздуха и потенциальную энергию гидросферы. Потреб­ность человека в энергии около 40 ккал/кг в день. Потребность живых организмов в энергии с уменьшением их размеров резко возрастает (для птиц она 1000 ккал/кг в день, а для насеко­мых - 5000 ккал/кг в день). Солнечный свет дает 2 кал*см² *мин^-1, но до земной поверхности в полдень доходит не более 1,34 кал*см²*мин^-1. При этом 40% солнечной энергии отражается в кос­мос, 60% переходит в тепло, расходуется на испарение, осадки, ветер, волны и фотосинтез. Из 100% солнечной энергии, падающей на зеленый лист, усваивается и запасается в органическом ве­ществе всего 2 %.

Для оценки эффективности поглощения солнечной энергии ис­пользуется понятие продуктивности. Различаются: 1) первичная продуктивность, т.е. общая скорость фотосинтеза; 2) чистая первичная продуктивность или чистая ассимиляция - скорость фо­тосинтеза за вычетом потерь энергии на дыхание; 3) чистая про­дуктивность сообществ - чистая ассимиляция за вычетом потерь на дыхание и у гетеротрофов и 4) вторичная продуктивность или энергия, накопленная у консументов. В чистую первичную продук­цию у растений попадает только 0,1% падающей на них солнечной энергии. При этом 25% всей ассимилированной энергии растениями идет на дыхание, зерно (экспорт из системы) – 32%, остается в поле (стебли, корни) – 33%, на микробы и болезни расходуется

10%.

Доля первичной продукции, переходящей в чистую, в умерен­ном поясе составляет 60...70%, на экваторе – 40% (при высоких температурах большие расходы на дыхание). Человек в основном

увеличивает доли чистой продукции (повышает отношение пищи к волокну). Чистая первичная продукция у деревьев почти на 80% сосредоточена в кронах, а у трав - 2/3 в корнях. Продуктив­ность агросистем и пустынь может различаться на 2 порядка (т.е. в 100 раз).

Наибольшая продуктивность в агросистемах получена в пере­довых странах (урожай зерновых по 50...60 ц с га) и значитель­но ниже она в отсталых странах (11...15 ц с га). На суше соз­дается 3300 млн.т биомассы (78% - растения и 22% - животные), а в океане - 73 млн.т ( 0,9% - растения и 99,1% - животные).

Превращения энергии в экосистемах идут по пищевым (тро­фическим) цепям. У продуцентов она идет на рост биомассы, соз­дание запасов и дыхание. Начало пищевых цепей - растение, его живая ткань (прямое поедание), семена (зерноядные), проводящая ткань (активное извлечение микоризой), мертвая ткань (диспергированная органика), эксудаты (растворенная органика) и, на­конец, цветки (нектар). Общая схема превращения энергии расте­ниями включает поедание их растительноядными для живой ткани и потребителями диспергированной органики - детрита для мертвой ткани. Потребители детрита и растительноядные становятся пищей хищников. Каждый переход энергии уменьшает ее примерно на один порядок.

При анализе пищевых цепей необходимо учитывать возмож­ность концентрации токсических соединений при движении по це­пи. Так, содержание радиоактивного фосфора в яйцах гусей в 1 млн. раз выше, чем в воде; при содержании ДДТ в воде 0,00005 части на миллион частей воды его концентрация при переходе от простейших к рыбам и птицам увеличивается в 0,5 млн. раз.

По мере превращения энергии в пищевых цепях происходит повышение ее качества: количество ассимилированной энергии растения при переходе ее к хищникам уменьшается в тысячи раз, а качестве повышается тоже в тысячи раз (в цепи растение-уголь -электроэнергия количество и качество меняются в 8 раз).

Экологическая или пищевая пирамида - это трофическая по численности, биомассе и энергии живых организмов в экосистеме. Иначе, это диаграмма, в которой количество особей, биомасса или энергия изображены в виде горизонтальных прямоугольников, поставленных друг на друга. Основанием служит первый уровень (уровень продуцентов), а последующие уровни (консументы) образуют этажи и вершину пирамиды.

Экологическая пирамида по численности мало информативна, так как численность особей в популяциях может варьировать в

10¹⁷ раз; более информативны пирамиды по биомассе (их варьирование не выше 10⁵) и энергии (всего в 5 раз). Примерами пищевой пирамиды могут быть биомассы кедровых орехов, питающихся орехами белок и питавшихся белками горностаев. Соотношение би­омассы в экосистеме люцерна – телята - мальчик (при условии, что мальчик в течение года питается только телятами) составляет 8211 кг люцерны, 1035 кг телят и 48 кг мальчика; по энергии цифры соответственно составляют 1,49*10⁷ кал; 1,19*10⁶ кал и 8,3*10³ кал. Различие в результатах по биомассе и энергии от­части объясняется изменениями обмена в зависимости от размеров (обмен растет пропорционально массе в степени 2/3).

Увеличение размеров экосистем повышает обычно величину ее отдачи, но в то же время снижает долю чистой продукции из-за роста стоимости самоподдержания системы. Уравновешивание ско­рости поступления и расхода энергии приводит к прекращению роста биомассы, объем которой в этот момент характеризует мак­симальную поддерживающую емкость среды. Оптимальная емкость, при которой скорость образования биомассы будет наибольшей, ниже максимальной емкости примерно в 2 раза. Так, в естествен­ном опыте максимальное число оленей в загоне 500 га через нес­колько лет составило 200 голов, а оптимальным установившемся уровнем оказалось 100 голов.

Классификация экосистем.

Энергетическая классифи­кация экосистем различает 4 типа: 1) природные несубсидированные экосистемы, получающие энергию только от Солнца (откры­тые океаны, глубокие озера, высокогорные леса); 2) природные экосистемы, субсидируемые Солнцем и другими естественными ис­точниками (дождевые леса, приливные зоны и т.д.); 3) природные зоны, субсидируемые человеком и Солнцем (агрозкосистемы, аква-культура); 4) зоны, получавшие энергию от других экосистем в виде питания и топлива (города или урбанизированные террито­рии).

Наибольший интерес из субсидируемых экосистем представля­ют урбанизированные территории и агроэкосистемы. Экологические особенности урбанизированных территорий рассматриваются ниже в подразделе 3.2.

Интенсивные агроэкосистемы в настоящее время занимает около 60% всей пашни планеты. Для них характерно применение дополнительного потока энергии (кроме солнечной), резкое уменьшение разнообразия живых организмов и доминирование ис­кусственного отбора. В доиндустриальных агроэкосистемах требо­валось меньше затрат, но они были менее эффективны при большей

продуктивности на количество вложенного человеческого труда. В индустриальных агроэкосистемах затраты человеческого труда на единицу продукции меньше (в США 4% населения в сельской мест­ности кормит остальные 96%), но общие затраты резко возраста­ют, что приводит к выделению больших государственных субсидий на горючее. Обеспечение населения сбалансированными продуктами питания уже сейчас привело к пятикратному, по сравнению с людьми, увеличении расходов на сельскохозяйственных животных. От интенсификации агроэкосистем выигрывают прежде всего бога­тые страны. Применение же самых современных и высокопродуктив­ных сортов растений и пород животных без соответствующего обеспечения энергией и необходимыми питательными веществами оборачивается в бедных странах убытками.

Помимо энергетической классификации экосистемы классифи­цируются и по Фауне, т.е. по виду продуцентов: на суше - пус­тыни, луга (прерии, степи, саванны, пампасы и тундра), леса (сухие и влажные тропические леса, хвойные и лиственные леса умеренного климата). В водных экосистемах выделяются речные и озерные, экосистемы затопляемых устьев рек или эстуариев, эко­системы прибрежных вод и океанических глубин.