Энергетические типы экосистем

Описание потоков энергии является фундаментом эколо­гического анализа для установления зависимости выхода полезных для человека продуктов от функционирования экосистемы.

Знание законов продуктивности экосистем, возможность коли­чественного учета потока энергии имеют чрезвычейное практи­ческое значение. Первичная продукция агроценозов и природных сообществ - основной источник пищи для человечесва. Важна и вторичная продукция, так как животные белки включают ряд незаменимых аминокислот, которых нет в растительное 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.

Энергия - наиболее удобная основа для классификации экосистем. Различают четыре фундаментальных типа экосистем:

1) движимые Солнцем, малосубсидируемые;

2) движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками;

3) движимые Солнцем и субсидируемые человеком;

4) движимые топливом.

В большинстве случаев могут использоваться и два источника анергии – Солнце и топливо.

Природные экосистемы, движимые Солнцем, малосубси-

ируемые - это открытые океаны, высокогорные леса. Все они. получают энергию практически только от одного источника - Солн­ца и имеют низкую продуктивность. Ежегодное потребление энергии сценивается ориентировочно в 10³-10⁴ ккал^.м². Организмы, живущие в этих экосистемах, адаптированы к скудному количеству энергии и других ресурсов__и_ эффективно их используют. Эти экосистемы очень важны для биосферы, так как занимают огромные площади. Океан покрывает около 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, I 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 с дождем и ветром органических и минеральных веществ и,т.п. Потреб­ление энергии в них колеблется от 1^.10⁴ до 4^.10⁴ ккал^.м^2.год^-1. 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.

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 поддержи веется мышечной энергией и энергией топлива, которые тратятся на возделывание, орошении, удобрение, селекцию, 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. Их продукция достигает приблизительно 50000 ккал^.м^2.год^-1. 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».

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 10³до 10⁴ ккал.м^2.тод^-1, а в субсидируемых системах второго и третьего типа - от 10⁴ до 4^.10⁴ ккал^.м^2.тод^-1, то в крупных индустриальных городах потребление энергии дости-

гает нескольких миллионов килокалорий на 1 м² Нью-Йорк -4,8-10⁶, Токио – 3^.10⁶, Москва - 10⁶ ккал^.м^2.год^-1.

Потребление энергии человеком в городе в среднем составляет более 80 млн ккал^.год^-1; для питания ему требуется всего около 1 млн ккал^.тод^-1, следовательно, на все другие виды деятельности (домашнее хозяйство, транспорт, промышленность и т. д.) человек расходует в 80 раз больше энергии, чем требуется для физиологического функционирования организма. Разумеется, в развиваю­щихся странах положение несколько иное.

Чистая энергия - это энергия на выходе из системы в виде, продукции после вычета всех энергозатрат на ее преобразования. Энерго- и эксергоэффективность системы определяются выходом чистой энергии. Следует помнить, что на создание источника энергии и поддержание поступления пригодной к использованию энергии приходится также затрачивать энергию. Необходимо думать и о более эффективном использовании остающихся на планете горючих ископаемых. Выбор источников энергии надо основывать на поисках способа, дающего наибольший выход чистой энергии (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Выход чистой энергии: Э_ист - источник энергии; Э_ш - энергетический штраф; Э_чист - чистая энергия

Энергию обратной связи Э_ш, необходимую для поддержания выхода, иногда называют энергетическим штрафом. Для того чтобы источник "энергии 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 12 единиц горю­чего, ясно, что такой источник не решит проблем нехватки топлива. 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 сохранением глобальных систем жизнеобеспече­ния. Поэтому в данном случае, как и в случае биологической продуктивности, нас должно заботить не валовое количество энер­гии, а количество чистой энергии.

Дата добавления: 2014-01-04