Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
Рис. 3.4. Изменение количества и качества энергии в пищевой цепи (по Ю. Опуму, 1986, с изменениями)
Рис. 3.5. Изменение количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)
Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного и в 100 раз меньше, чем для образования 1 ккал биомассы хищника. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений (рис. 3.4). Рабочий потенциал электричес- кой энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины (рис. 3.5).
Показанные на рис. 3.4 и 3.5 схемы, конечно, условны. Многие исследователи пытались рассчитать количество энергии, аккумулированной на каждом этапе пищевой цепи, в реальных
экологических системах. Приведем некоторые данные для разных экосистем (рис. 3.6): поля люцерны (Ю. Одум, 1975), реки в Африке (В. Klimuszko, 1995), озеро Каюга в США (П. Рейвн и др., 1990), горячего источника Сильвер-Спрингс в шт. Флорида (Ф. Дре, 1976).
Рис. 3.6. Изменения количества и качества энергии в природных экосистемах на разных трофических уровнях («а» меняется от 1 до 9)
На рис. 3.6 видно, что количество солнечной энергии при превращении ее в биомассу растений и далее в биомассу травоядных и хищников на каждом этапе уменьшается на один-два порядка. Соответственно и качество ее по сравнению с качеством солнечной энергии возрастает на 1-2 порядка. В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца до конечного потребителя.
100
101
Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
В табл. 3.1 показано число килокалорий некоторых видов энергии, необходимое для получения 1 ккал условного топлива. Таблица позволяет также выразить энергию различных видов в эквиваленте условного топлива (уголь, нефть, газ).
Таблица 3.1
Затраты энергии разного вида на получение 1 ккал условного топлива (по Г. Одуму, Э. Одум, 1978)
|
Источник энергии |
Затраты энергии на получение 1 ккап условного топлива, ккал |
Эквивалент условного топлива на 1 ккал |
|
Рассеянная |
|
|
|
тепловая энергия |
10 000 |
0,0001 |
|
Солнечный свет |
2 000 |
0,0005 |
|
Биомасса растений |
20 |
0,05 |
|
Древесина |
2 |
0,5 |
|
Каменный уголь, нефть 1 |
0,25 |
1 |
|
Электроэнергия |
4 |
Следовательно, рабочий потенциал ископаемого топлива в 2000 раз выше, чем рабочий потенциал солнечного света, но в 4 раза ниже рабочего потенциала электроэнергии. Чтобы солнечный свет выполнял работу, равную работе, производимой углем или нефтью, его надо сконцентрировать или повысить его качество в 2000 раз. Люди не смогут перевести автомобили и другие механизмы на солнечную энергию до тех пор, пока не найдут дешевого способа повышать ее качество.
Второй закон термодинамики подразумевает также, что практически невозможно восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы.
3.2. Потоки энергии В естественных природных экосистемахв пищевых цепях не существует отходов. Все организмы,
живые или мертвые, являются пищей для других организмов: листву поедает гусеница, гусеницу съедаетдрозд, дрозд становится жертвой совы, сова - ястреба и т. д. Когда листья, гусеницы, дрозды и совы умирают, они перерабатываются редуцентами, возвращающими минеральные вещества растениям.
Перенос энергии пищи в процессе питания от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической цепью.
Трофические цепи - это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии.
Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные И детрИТНЫе (лат. detrytys - продукт распада).
Пастбищная цепь простирается от зеленых растений кконсументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).
Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества - детрита, который разрушается детритофагами (лат. phagos -пожиратель), поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих органические остатки.
Все организмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети.
При каждом очередном переносе большая часть (80 - 90 %) потенциальной энергии пищи рассеивается, переходя в теплоту.
Организмы, получающие энергию Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню.
Так, зеленые растения - продуценты - занимают первый трофический уровень; травоядные животные -первичные консу-менты - второй; хищники -вторичные консументы - третий.Могут присутствовать хищники, поедающие первых хищников -
третичные консументы, расположенные на четвертом уровне, и т. д. Но обычно наблюдается не более пяти уровней, так как на каждом уровне количество аккумулированной энергии резко падает (табл. 3.2).
102
103
iea 3. Энергия в экосистемах