Потоки энергии (биологической геохимической) в экосистемах

3.7.1. Потоки биологической энергии. Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводиться фотосинтезирующими организмами (автотрофами) в химические связи органических соединений. Гетеротрофы (растительноядные и хищники) получают энергию с пищей. Все живые существа включены в трофические связи.

Пищевые цепи и пищевая сеть. В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.

Пищевая цепь – последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Пищевые цепи – это также движение питательных веществ от продуцентов, консументов (травоядных, плотоядных и всеядных) к редуцентам и обратно к продуцентам.

Движение биологической энергии в экосистемах происходит посредством двух связанных типов пищевых цепей: пастбищной и детритной (рис. 3.5).

В пастбищной пищевой сети живые растения поедаются фитофагами, а сами фитофаги являются пищей для хищников и паразитов.

В детритной пищевой сети отходы жизнедеятельности и мертвые организмы разлагаются детритофагами и деструкторами до простых неорганических соединений, которые вновь используются растениями.

Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню (от греческого слова trophos – «питающиеся»).

Организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью (приведена на рис. 3.6).

Пирамиды энергетических потоков. С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.

Рис. 3.6 – Пищевая сеть

Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и 10% передается на следующий уровень.

Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4 - 5 звеньев.

Пирамиды численностей и биомасс. Мы можем собрать все образцы организмов в экосистеме и подсчитать численность всех видов, обнаруженных на каждом трофическом уровне. Такая информация необходима для создания пирамиды численностей для экосистем (рис. 3.7).

Рис. 3.7 - Обобщенные пирамиды численностей в экосистемах.

Сухой вес всех органических веществ, содержащихся в организмах экосистемы, называется биомассой. Каждый трофический уровень пищевой цепи или сети содержит определенное количество биомассы. Ее можно вычислить, если собрать все живые организмы с различных произвольно выбранных участков. Собранные экземпляры необходимо рассортировать по трофическим уровням, высушить и взвесить. Полученные данные в дальнейшем используются для построения пирамиды биомасс для определенной экосистемы (рис. 3.8).

Рис. 3.8 - Обобщенные пирамиды биомасс в экосистемах. Размер каждого слоя пропорционален сухой массе на квадратный метр всех организмов на данном трофическом уровне.

3.7.2. Круговорот геохимической энергии. В планетарном масштабе происходит круговорот всех химических элементов, причем цикл оборота индивидуален для каждого элемента. Все живые организмы включены в биогеохимический круговорот с полным рециклингом материи. Происходит вторичное использование атомов, постоянное движение и перераспределение вещества, что определяет формирование литосферы планеты. В связи с фотосинтезом в биосфере в круговорот вовлекаются 1 млрд. т. азота, 260 млн. т. фосфора, 200 млн. т. серы и т.д.

В течение 6-7 лет поглощается вся углекислота атмосферы, за 3000-4000 лет обновляется весь кислород атмосферы, а в течение 10 млн. лет фотосинтез перерабатывает массу воды, равную всей гидросфере.

I. Круговорот углерода (рис. 3.9-3.10).

Углерод является основным «строительным материалом» молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот (таких как ДНК и РНК) и других важных для жизни органических соединений.

Рис. 3.10 - Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества и однонаправленный поток энергии в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания.

Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, из-за быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

- Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО2.

- Сжигание углеродосодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу.

II. Круговорот азота (рис. 3.11).

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

- Сжигание древесины или ископаемого топлива (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образует диоксид азота (NO2), который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO₃).

- Производство азотных удобрений и их широкое применение.

- Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.

Рис. 3.11 - Упрощенная диаграмма круговорота азота

III. Круговорот фосфора (рис. 3.12.)

Рис. 3.12 - Упрощенная диаграмма круговорота фосфора.

Источники: разработка недр, сток и эрозия, выщелачивание, выщелачивание и эрозия, речной сток, разложение, отходы и разложение, птицы, питающиеся рыбой.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

- Добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных удобрений и моющих средств.

- Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.

IV. Круговорот серы (рис. 3.13).

Около трети всех соединений серы и 99% диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов диоксида серы в атмосферу. Оставшаяся треть выделяется во время таких технологических процессов, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

Рис. 3.13 - Упрощенная диаграмма круговорота серы.

V. Круговорот воды (рис. 3.14).

Круговорот воды или гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.

Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:

1. Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.

2. Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым, усиливая эрозию почв.