Описание потоков энергии является фундаментом эколо­гического анализа для прогнозирования выхода полезных для человека продуктов

Знание законов продуктивности экосистем, возможность коли­чественного учета потока энергии и ее распределения имеют чрезвычайное практическое значение. Первичная продукция аг-роценозов и природных сообществ - основной источник пищи для человечества. Важна и вторичная продукция, так как животные белки включают ряд незаменимых аминокислот, которых нет в растительной пище. Пользуясь расчетами продуктивности экосис­тем, можно регулировать в них круговорот веществ, добиваясь выхода выгодной для человека продукции. Но необходимо хоро­шо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы, чтобы не разрушить экосистемы.

■ Энергетические типы экосистем. Энергия - наиболее удобная основа для классификации экосистем. Различают четы­ре энергетических типа экосистем: 1) движимые Солнцем, малосубсидируемые; 2) движимые Солнцем, субсидируемые дру­гими естественными источниками; 3) движимые Солнцем и субси­дируемые человеком; 4) движимые топливом.

Во многих случаях могут использоваться и два источника энергии: Солнце и топливо.

Природные экосистемы, движимые Солнцем, малосубси­дируемые - это открытые океаны, высокогорные леса. Все они получают энергию практически только от одного источника - Солнца

Глава 3. Энергия в экосистемах

и имеют низкую среднегодовую продуктивность. Ежегодное потреб­ление энергии оценивается ориентировочно в 10³-10⁴ ккал/м². Организмы, живущие в этих экосистемах, адаптированы к скудному количеству энергии и эсрсрективно ее используют. Эти экосистемы очень важны для биоссреры, так как занимают огромные площади. Океан покрывает свыше 70 % поверхности земного шара. По сути дела, это основные системы жизнеобеспечения, механизмы, стабили­зирующие и поддерживающие условия на «космическом корабле» -Земле. Здесь ежедневно очищаются огромные объемы воздуха, воз­вращается в оборот вода, формируются климатические условия, поддерживается температура и выполняются другие функции, обес­печивающие жизнь. Кроме того, без всяких затрат со стороны чело­века здесь производится некоторое количество пищи и других мате­риалов. Следует сказать и о не поддающихся учету эстетических ценностях этих экосистем.

Природные экосистемы, движимые Солнцем и субсиди­руемые другими естественными источниками, - это экосисте­мы, обладающие естественной плодородностью и производящие излишки органического вещества, которые могут накапливаться. Они получают естественные энергетические субсидии в виде энер­гии приливов, прибоя, течений, поступающих с площади водосбо­ра органических и минеральных веществ и т. п. Потребление энергии в них колеблется от 1-10⁴ до 1-Ю⁵ ккал/м²тод. При­брежная часть эстуария типа Невской губы - хороший пример таких экосистем, которые более плодородны, чем прилегающие участки суши, получающие то же количество солнечной энергии. Избыточное плодородие можно наблюдать и в дождевых лесах. Эти экосистемы характеризуются не только высокой продуктивно­стью, но и большим видовым разнообразием живых организмов.

Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые чело­веком, - это наземные и водные агроэкосистемы, получающие энергию не только от Солнца, но и от человека в виде энергетичес­ких дотаций. Высокая продуктивность их поддерживается мышеч­ной энергией и энергией топлива, которые тратятся на возделы-

Глово 3. Энергия в экосистемах

вание почв, орошение, удобрение, селекцию, переработку, транс­портировку и т. п. Хлеб, кукуруза, картофель «частично сделаны из нефти». Самое продуктивное сельское хозяйство получает энер­гии примерно столько же, сколько самые продуктивные природные экосистемы второго типа, т. е. от 1-Ю⁴ до МО⁵ ккал/м2год. Различие между ними заключается в том, что человек направляет как можно больше энергии на производство продуктов питания ограниченного вида, а природа распределяет их между многими видами и накапливает энергию на «черный день», как бы раскла­дывая ее по разным карманам. Эта стратегия называется «страте­гией повышения разнообразия в целях выживания». Агроэкосисте-мы характеризуются низким разнообразием видов.

Высокий урожай поддерживается ценой больших вложений энергии. Эти энергетические дотации могут превышать выход энергии с урожаем. В горючем, которое расходуется сельскохо­зяйственными машинами, содержится не меньше энергии, чем в солнечных лучах, падающих на поля. Интенсивное ведение сель­ского хозяйства превращает растительные и животные организмы в живые машины для производства органических веществ. Боль­шая часть энергии для производства картофеля, хлеба и мяса берется не от Солнца, а из ископаемого топлива.

Индустриально-городские экосистемы, движимые топли­вом, - венец достижений человечества. В индустриальных горо­дах высококонцентрированная энергия топлива не дополняет, а заменяет солнечную энергию. Пищу - продукт систем, движимых Солнцем, - в город ввозят извне. Особенностью этих экосистем является огромная потребность плотно населенных городских райо­нов в энергии - она на два-три порядка больше, чем в первых трех типах экосистем. Если в несубсидируемых экосистемах приток энергии колеблется от 10³ до 10⁴ ккал/м² год, а в субсидируемых системах второго и третьего типа - от 10⁴ до 10⁵ ккал/м²тод, то - в крупных индустриальных городах ежегодное потребление энергии достигает нескольких миллионов килокалорий на 1 м²: Нью-Йорк - 4,8*10⁶, Токио - 3*10⁶, Москва - 1*10 ккал.

Глава 3. Энергия в экосистемах

Потребление энергии человеком в городе в среднем составля­ет более 80 млн ккал/год; для питания ему требуется всего около 1 млн ккал/год, следовательно, на все другие виды деятельности (домашнее хозяйство, транспорт, промышленность, обучение и т. д.) человек расходует в 80 раз больше энергии, чем требуется для физиологического функционирования организма. Разумеется, в развитых и развивающихся странах это соотношение различно. По мере углубления энергетического кризиса и роста цен на горючее люди, видимо, будут больше интересоваться использо­ванием солнечной энергии и разрабатывать технологии ее концент­рации. Возможно, в будущем и возникнет новый тип экосистем -город, движимый энергией не только топлива, но и Солнца.

В своем развитии человеческое общество прошло через все четыре типа описанных выше экосистем. Охотники и собиратели растений жили в природных экосистемах, движимых Солнцем. Люди достигали наибольшего процветания в системах второго типа с естественными энергетическими субсидиями: в прибреж­ных районах моря и речных бассейнах. С развитием сельского хозяйства, когда человек усовершенствовал свое умение выращи­вать растения, одомашнивать животных и получать урожаи с помощью дополнительной мышечной энергии, продуктивность сильно возросла - возникли экосистемы третьего типа. Но в течение многих веков основными источниками энергии для человека ос­тавались растения и животные. Города, деревни, соборы строи­лись из дерева с использованием физического труда животных и человека. Этот долгий период - эра мышечной силы.

Затем наступила продолжающаяся и сейчас эра горючих ис­копаемых, которые обеспечили такой обильный приток энергии в экосистемы четвертого типа, что население Земли стало удваи­ваться почти каждые полвека. Работа механизмов, приводимых в движение бензином и электричеством, постепенно почти полностью заменила физический труд человека в развитых странах.

Со временем стала использоваться и атомная энергия. Каза-лось вероятным, что после исчерпания топлива начнется эра 115

Глава 3. Энергия в экосистемах

атомной энергии. Но пока на «откачивание» неупорядоченнос­ти, связанной с этим источником, т. е. на переработку отходов, приходится тратить столько усилий и энергии, что будущее атом­ной энергетики неясно. Пока не отработан и не согласован весь цикл получения ядерной энергии - от добывания сырья до устранения отходов и не найдены лучшие способы извлечения энергии атома, наступление атомной эры по крайней мере откладывается.

3.3. Использование Солнечный свет падает на планету с энергии энергией 2 кал/см²-мин (солнечная постоянная), но, проходя через атмосфе­ру, он ослабляется, и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 %, т. е. 1,34 кал/см²мин. Судьба солнечной энергии в биосфере такова: отражается 30 %, превра-. щается в теплоту 46 %, расходуется на испарение воды, осадки 23 %, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2 %, идет на фотосинтез 0,8 %.

Клетки растений, связывая на свету С0₂ и Н₂0, образуют гидраты углерода (СН₂0) - углеводы, т. е. строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а эксер-гия рассеянной энергии, экспортируемой в космическое про­странство, снижается. Под воздействием определенных условий (температуры, давления и др.) в течение тысяч миллионов и милли­ардов лет избыточные органические вещества превращались в торф, уголь, нефть, т. е. энергия концентрировалась и накапли­валась в виде ископаемого топлива. В XX веке эти запасы интен­сивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем, созданных человеком (городов, заводов, самолетов, автомоби­лей и т. п.), и постепенно истощались. Уже сейчас в поисках новых месторождений топлива мы все глубже вгрызаемся в землю, уходим в море. Поэтому освоение таких ресурсов становится все более дорогостоящим. Огромная работа, выполняемая биосфе­рой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископа-

Глава 3. Энергия в экосистемах

емых и др.) за счет небольшого количества (0,8 %) сконцент­рированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

Три четверти энергии, потребляемой в современном мире, в дополнение к первичной солнечной энергии, согревающей Зем­лю, поступает от сжигания невозобновляемого ископаемого топ­лива: нефти, угля, природного газа. Источником некоторого количества энергии является сжигание потенциально возобновля­емой биомассы: дров, навоза, отмерших растений, мусора. Небольшое количество электроэнергии дают гидроэнергетика и управляемая энергия атома. И совсем ничтожное количество (около 1 %) поступает от использования внутреннего тепла Зем­ли (геотермальная энергия) и сконцентрированной с помощью гелиотехники солнечной энергии. Но на добычу и преобразова­ние энергии этих источников тоже требуется энергия. Поэтому практический коэффициент полезного действия зависит от вели­чины полученной чистой энергии.

Чистая энергия - это полезная энергия навыходе из системы после вычета всех энергозатрат на ее добычу и преоб­разование. На создание источника энергии, ее получение, под­готовку к использованию, транспортировку и др. приходится также затрачивать энергию (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Выход чистой энергии: Э_ист - источник энергии; Э_ш - энергетический штраф; Э_чист - чистая энергия

Энергию обратной связи Э_ш, необходимую для преобразова­ния энергии и эксплуатации источника энергии, называют энерге-тическим штрафом. Чистая энергия рассчитывается как разница

Глава 3. Энергия в экосистемах

между добытой энергией из источника и энергетическим штра­фом: Э_чист = 3_ra - Э_ш. Для того чтобы источник функционировал, выход чистой энергии должен как минимум в 2 раза превышать «штраф»: Э_чист > 2Э_Ш. Например, если для извлечения 12 единиц нефти путем глубокого бурения океанского дна требуется израс­ходовать 10 единиц горючего, ясно, что такой источник не решит проблем нехватки топлива.

Нехватка топлива побуждает иногда перерабатывать в горю­чее пищевую продукцию. Но исследования показали, что на производство спирта, например из кукурузы, для спирто-бензи-новой смеси уходит столько же высококачественной энергии, сколько заключено в получаемом спирте, или даже больше. Поэтому чистый выход энергии практически отсутствует. Смесь бензина со спиртом для заправки автомобилей продается, одна­ко, в «зерновом поясе» США, так как там имеются излишки зерна, которые не могут быть реализованы на мировом рынке, хотя с точки зрения экологов это неразумно и экономически нерентабельно.

Мы привыкли отождествлять энергию, затрачиваемую в про­цессе производства, с энергией топлива или электроэнергией, забывая об энергии человеческого труда и использованных ма­териалов. На самом деле энергия всех видов, затраченная на поиски, добычу, переработку и перевозку топлива, может превы­шать энергию, получаемую при его сжигании. Очевидно, напри­мер, что энергетические затраты на движение автомобиля гораздо больше, чем затраты бензина. Они включают в себя энергию, затраченную на проектирование и производство автомобиля, запасных частей, обучение шофера и подготовку ремонтных рабочих, на создание автомобильных дорог и другие работы.

Ошибка людей, определяющих те или иные затраты на какие-либо процессы, связана с тем, что они упускают из вида много­образие фактически расходуемой энергии. Кажется, например, что деятельность по обучению людей связана лишь с затратами энергии преподавателей. В действительности же эта энергия го-

Глава 3. Энергия в экосистемах

раздо больше и включает в себя энергию различных форм деятельности в сфере образования, в том числе и энергетичес­кие затраты на материальное обеспечение обучения.

Энергетические процессы рассматривают обычно как чисто физические и часто не предполагают, что мышление - это также энергетический процесс. Развитие умственных способностей свя­зано с большими энергозатратами. Интеллектуальный труд явля­ется процессом, где используются высококачественные формы энергии. Ум и знание концентрируют в себе энергию, затрачен­ную на обучение и приобретение опыта многими поколениями.

Большинство достижений экономики основано на применении многих высококачественных интеллектуальных и других дополни­тельных форм энергии, которые часто не учитываются при оценках стоимости продукции. Чем больше высококачественных форм энергии расходуется при производстве продукции, тем выше должна быть ее стоимотсь.

К сожалению, в некоторых странах, в том числе и в России, интеллектуальный труд оценивается значительно ниже, чем физический, хотя качество используемой энергии в первом случае выше, чем во втором. Несоответствие экономических правил фундаментальным законам природы в конечном счете может приводить к низкой эффективности экономических систем.

Следовательно, проблема не в том, много ли нефти в не­драх Земли, и не в количестве энергии, высвобождаемой при расщеплении урана; проблема в том, сколько высококачествен­ной энергии можно получить из этих источников после того, как будут уплачены все «энергетические штрафы», связанные в том числе с охраной здоровья людей и обработкой отходов. Поэто­му в данном случае, как и в случае биологической продук-тивности экосистем, нас должно заботить не валовое количество получаемой энергии, а количество полученной чистой энергии.

Эффективность использования энергии определяется соотношением полезной работы и величины всех энергетических затрат при ее выполнении.

Глава 3. Энергия в экосистемах

Чем больше отношение количества полезной работы ко всему количеству энергии, затраченной на ее производство, тем выше эффективность использования энергии.

Дата добавления: 2014-11-18