Правило десяти процентов. Правило одного процента

В соответствии с законом пирамиды энергий, с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более 10% энергии — это правило десяти процентов. Закон пирамиды энер­гий позволяет делать расчеты необходимой земельной площади для обес­печения населения продовольствием и другие эколого-экономические подсчеты. Среднемаксимальный переход энергии (или вещества в энер­гетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, составляя 10%, может колебаться в пределах 7—17%. Превышение этой величины недопустимо, иначе могут произойти пол­ные исчезновения популяций.

Правило одного процента — изменение энергетики природной системы в пределах одного процента выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния. Эмпирически это правило подтверждает­ся исследованиями климата и других природных процессов.

Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (мощные ци­клоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты. Пере­ход энергетики процесса за это значение обычно приводит к существен­ным аномалиям — резким климатическим отклонениям, переменам в ха­рактере растительности, крупным лесным и степным пожарам.

Как и в случае правила десяти процентов, многое зависит от состоя­ния природной системы, в которой происходят изменения. Это делает данное правило вероятным, дает лишь ориентиры, которым целесообраз­но следовать или учитывать возможную с большой вероятностью цепь событий, связанных с выходом системы из равновесного (квазистацио­нарного) состояния.

Особое значение правило данного процента имеет для глобальных сис­тем. Их энергетика, как предполагают, принципиально не может пре­взойти уровень примерно 0,2% от поступающей солнечной радиации (уровень энергетики фотосинтеза) без катастрофических последствий. Вероятно, это непреодолимый и недопустимый для человечества порог (из него следует и "ядерная зима").

 

 

 

 

Рис. 2. Тепловая энергия, теряющаяся при дыхании

 

Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организ­мов, называют цепями выедания (пастбищными, цепями потребления).

Цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экс­крементов животных — детритные цепи разложения.

Трофические цепи не изолированы друг от друга; тесно переплетаясь, они образуют трофические сети. Благодаря трофическим связям в экоси­стеме происходит трансформация биогенных веществ и аккумуляция энергии с последующим распределением их между видами и популяциями. Чем богаче видовой состав, тем разнообразнее направление и скорость потоков энергии в экосистеме.

Трофические цепи питания основываются на:

- втором законе термодинамики, согласно которому некоторая часть энергии рассеивается и становится недоступной для использования в виде тепловой энергии;

- а также на закономерностях поедания организмов, которые заключаются в том, что по мере продвижения по трофической цепи хищников жи­вотные увеличиваются в размерах, но число их уменьшается. И на­оборот, в трофических цепях паразитов организмы уменьшаются в раз­мерах, а их численность увеличивается.

В экосистемах разных типов мощность потоков энергии через цепи вы­едания и разложения различна:

- в водных сообществах часть энергии, фиксированной одноклеточными водорослями, поступает к питающимся фитопланктоном животным, да­лее к хищникам и уже меньшая часть включается в цепи разложения;

- в большей части экосистем суши наблюдается обратное соотношение. Так, в лесах более 90% ежегодного прироста растительной массы поступает через опад в детритные цепи.

Число звеньев в цепи питания может быть различным, но в основном их обычно бывает от 3 до 5.

Совокупность организмов, объединенных определенным типом питания, носит название "трофический уровень". Различают:

- первый уровень, который занимают автотрофы (продуценты);

- второй — растительноядные животные (консументы первого порядка);

- третий - хищники, питающиеся травоядными животными (консументы второго порядка), и паразиты первичных консументов;

- четвертый трофический уровень образуют вторичные хищники (консу­менты третьего порядка) и паразиты вторичных консументов.

Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются пара­зиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Примером цепи питания может служить цепь питания биологического биоценоза.

Например, начинается цепь с улавливания солнечной энергии: цветком. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой второе звено в этой цепи. Стрекоза нападает на бабочку. А спрятавшаяся лягушка ловит стрекозу, но сама является добы­чей для ужа, который в свою очередь будет съеден ястребом. Цепь питания замкнулась. Потенциальным (но не обязательным) заключительным звеном пищевой цепи является человек.

Все рассмотренные выше процессы связаны с синтезом и трансфор­мацией органического вещества в трофических сетях и характеризуют "пастбищные цепи".

"Детритные цепи" начинаются с разложения мертвой органики особыми группами консументов — сапрофагами. Сапрофаги механически, а отчасти и химически, разрушают мертвое органическое вещество, подготавливая его к воздействию редуцентов. В наземных экосистемах этот процесс (по большей части) проходит в подстилке и в почве. Активное участие в раз­ложении мертвого органического вещества принимают почвенные беспо­звоночные животные (членистоногие, черви) и микроорганизмы. Процесс деструкции идет последовательно, сапрофаги меняют друг друга в соот­ветствии со спецификой видового питания. Механическое разрушение производят крупные сапрофаги (например, насекомые), а процесс мине­рализации осуществляют уже другие организмы (прежде всего бактерии и грибы).

Поскольку сообщества сапрофагов отличаются относительно слабой жесткостью организации, то в детритных цепях идут стохастические про­цессы формирования сапрофагов, отдельные их виды легко заменяются другими видами, велика роль внешних факторов среды обитания и кон­курентного исключения (Н.М. Чернова, Н.А. Кузнецова, 1986). То есть с уровня консументов поток органического вещества идет по разным груп­пам потребителей: живое органическое вещество идет по "пастбищным цепям", а мертвое — по "детритным цепям".

 

Продуктивность экосистемы

Зависимость между продуктивностью и климатическими характеристика­ми. Все организмы нуждаются для построения своих тел в веществе, а для поддержания своей жизнедеятельности — в энергии. Солнечный свет, двуокись углерода, вода и минеральные соли — это ресурсы, необходимые для создания первичной продукции. На скорость фотосинтеза оказывает существенное влияние и температура. Качество и количество света, наличие воды и биогенных элементов, а также температура — весьма изменчивые факторы, которые способны лимитировать первичную продукцию.

На каждый квадратный метр земной поверхности ежеминутно попа­дает от 0 до 5 Дж солнечной энергии. По спектральному составу только около 44% падающего коротковолнового света пригодно для синтеза, а значительная доля солнечной энергии растениям недоступна. Наиболее высокой эффективностью использования солнечной энергии обладают хвойные леса: 1-3% физиологически активной 'радиации (ФАР) они превращают в биомассу. Листопадные леса превращают в биомассу только 0,5-1% ФАР, а пустыни еще меньше - 0,01-0,02%. Максимальная эффективность фотосинтеза зерновых культур при идеальных условиях не превышает 3-10%.

Использование доступного для растения света немного улучшается при хорошей обеспеченности и другими ресурсами.

Вода - незаменимый ресурс и как составная часть клетки, и как уча­стник фотосинтеза. Потому продуктивность всегда тесно связана с коли­чеством выпадающих осадков.

На продуктивность существенное влияние оказывает и температура среды. Эта зависимость носит сложный характер.

Продукция наземного сообщества зависит и от содержания в почве не­обходимых для растений различных микроэлементов. Особенно большое влияние оказывают соединения азота. Причем их происхождение должно быть биологическим, т. е. результатом фиксации азота микроорганизма­ми, а не геологическим.

На продуктивность существенное влияние оказывает и деятельность человека. По мере развития сельского хозяйства в направлении получе­ния максимума продукции воздействие на природу, обусловленное пере­распределением энергии и веществ на поверхности Земли, постоянно возрастает. Совершенствование орудий труда, внедрение высокоурожай­ных культур и сортов, требующих большого количества питательных ве­ществ, стали резко нарушать природные процессы.

Разрушительно действуют необоснованные земледельческие приемы и сис­темы земледелия, которые вызывают:

- эрозию почв и утрату плодородного слоя;

- засоление и заболачивание орошаемых массивов;

- снижение биологического разнообразия естественных ландшафтов;

- загрязнение поверхностных и подземных вод остатками пестицидов и нитратов;

- исчезновение диких животных в результате разрушения мест их оби­тания и многое другое.

Для регулирования и решения этих проблем предлагают научно обос­нованные приемы и способы, позволяющие в определенных случаях лишь частично предотвратить или снизить нежелательные эффекты, воз­никающие при получении первичной биологической продукции. В по­следние десятилетия все активнее вводятся экологические ограничения.

Существует объективный природный предел - порог снижения есте­ственного плодородия, при приближении к которому вся техническая мощь человека становится менее эффективной. Во второй половине XX в. произошло существенное увеличение первичной биологической продук­ции за счет внедрения новых высокоурожайных сортов зерновых культур, применения большого количества минеральных удобрений и использо­вания средств защиты растений. Однако этот показатель перестал расти, что явилось отражением действия закона снижения энергетической эф­фективности природопользования.

Но численность человечества продолжает расти, а плодородной земли больше не становится. Поэтому увеличение КПД зеленых растений является наиболее насущной проблемой при решении первейших задач жизнеобеспе­чения человека. В табл. 4 проведен один из вариантов расчета первичной продукции земного шара по итогам исследований П. Дювиньо.

 

Экосистема	Поверхность, млн км2	Выход фо­тосинтеза, %	Продуктивность, т/га	Общая продук­тивность органи­ческого вещест­ва млрд т/га
Леса	40,7	0,38		20,4
Степи	25,7	0,1	1,5	3,8
Пашни	14,0	0,25		5,6
Пустыни	54,9	0,01	0,2	1,1
Антарктида	12,7
Океан		0,05	0,8
Всего				60,9

 

Из данных табл. 4 видно, что экосистема океана дает половину всей продукции планеты, леса — третью часть, а пашни (вместе со степями) - около одной десятой.

При подсчете вторичной продукции экосистем производят вычисле­ния отдельно для каждого трофического уровня, потому что при движе­нии энергии от одного трофического уровня к другому она прирастает за счет поступления с предыдущего уровня. При изучении общей продук­тивности экосистемы следует помнить, что прирост вторичной продук­ции всегда происходит не параллельно росту первичной, а за счет унич­тожения какой-то ее части. То есть происходит как бы изъятие, вычита­ние вторичной продукции из общего количества первичной. Поэтому оценку продуктивности экосистем всегда проводят по первичной про­дукции. В целом вторичная продуктивность колеблется в пределах от 1 до 10%, а это в свою очередь зависит от свойств животных и особенно­стей поедаемого или корма.