Энергетика и продуктивность экосистем

Энергию определяют как способность производить работу. Свойст­ва энергии описываются следующими законами. Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энер­гия может переходить из одной формы в другую, но она не ис­чезает и не создается заново. Свет, например, есть одна из форм энергии, так как его можно превратить в работу, тепло или по­тенциальную энергию пищи в зависимости от ситуации, но энер­гия при этом не пропадает. Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному, в частности таким образом: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (дегради­рует). К примеру, тепло горячего предмета самопроизвольно стремится рассеяться в более холодной среде.

Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом — способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. со­стояние с низкой энтропией. Энтропия (от греч. entropia — поворот, превраще­ние) — мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. Низкая энтропия достигается по­стоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергии (например, энергии света или пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую). Упорядоченность экосистемы, т.е. сложная структура биомассы, поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно «откачивает из сообщества неупорядоченность». Таким образом, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравно­весные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим эн­тропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термодинамики.

Рассмотрим превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза на примере дубового листа, который подтверждает действие этих 2-х законов.

Попадая на дубовый лист большая часть энергии (98 ед) рассеивается в виде тепла, а другая его часть (2 ед) преобразуется в концентрированную энергию и передается по пищевой цепи. Т.е. лишь очень небольшая часть световой энергии, поглощенной зелеными растениями, превращается в потенциальную энергии пищи, большая ее часть превращается в тепло, покидающее затем и растение, и экосистему, и биосферу.

Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии, хотя энергия при этом не создается и не унич­тожается (первый закон термодинамики). Энергия, получаемая в виде света поверхностью Земли, уравновешивается энергией, из­лучаемой с поверхности Земли в форме невидимого теплового излучения. Сущность жизни состоит в непрерывной последова­тельности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и син­тез сложных химических соединений. Без переноса энергии, со­провождающего все эти изменения, не было бы ни жизни, ни эко­логических систем.

Общий поток энергии, характеризующий экосистему, состоит из солнечного излучения и длинноволнового теп­лового излучения, получаемого от близлежащих тел. Оба вида излучения определяют климатические условия сре­ды (температуру, скорость испарения воды, движения воздуха и т. д.), но в фотосинтезе, обеспечивающем энергией живые компоненты экосистемы, используется лишь малая часть энергии солнечного излучения. За счет этой энергии создается основная, или первичная, про­дукция экосистемы.

Одно из важнейших свойств организмов, их популяций и экосистем в целом - способность создавать органическое вещество, которое на­зывают продукцией. Образование продукции в единицу време­ни (час, сутки, год) на единице площади (метры квадратные, гектар) или объема (в водных экосистемах) характеризует про­дуктивность экосистем. Т.е. реально продуктивность это скорость образования биомассы.

Под ней понимают всю живую органическую массу, которая содержится в эко­системе или ее элементах вне зависимости от того, за ка­кой период она образовалась и накопилась. Биомасса и про­дукция (продуктивность) обычно выражаются через абсолютно сухой вес.

Продуктивность можно выразить в т/га в год, в количестве ккал/га в год; кДж/га в год, по количеству употреблений углекислоты. Т.е. продуктивность лесов можно определить по балансу кислород/углекислый газ (О₂/СО₂).

Продукция и продуктивность могут опре­деляться для экосистем в целом или для отдельных групп организмов Растений, животных, микроорганизмов) или видов.

В процессе производства органического вещества следует выделить четыре последовательных уровня или ступени продуктивности.

Валовая первичная продуктивность — это скорость на­копления в процессе фотосинтеза органического веще­ства, включая ту его часть, которая за время измерений будет израсходована на дыхание. Ее обозначают Р_е и выражают в единицах массы или энергии, приходящих­ся на единицу площади или объема в единицу времени.

Чистая первичная продуктивность — скорость накопле­ния органического вещества в растительных тканях за вы­четом той его части, которая использовалась на дыхание (R) растений в течение изучаемого периода: P_N = P_g-R.

Вторичная продуктивность — скорость накопления органического вещества на уровне консументов. Она обо­значается через Р₂, Р₃ и т. д. в зависимости от трофи­ческого уровня.

Чистая продуктивность сообщества — скорость накоп­ления органического вещества, не потребленного гетеротрофами, т. е. чистая первичная продукция за вычетом той ее части, которая в течение изучаемого периода (обычно за вегетационный период или за год) была по­треблена гетеротрофами: P_N—(P₂ + Р₃ + Р₄+...).

Основная масса первичной продукции образуется в экосистемах суши прибл. 115 млрд. тонн в год, и около 55 млрд. т/год – в экосистемах океана. Например продуктивность лесов тайги в среднем около 700-800 г/м³, а влажных тропических лесов – 2000-2200 г/м³.

Вся пища человека составляет 1 % от чистой продуктивности или 0,5 % в валовой первичной продуктивности (сюда включена и продуктивность с/х угодий).