3. Энергетические характеристики биосферы

На биосферу из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал/см² мин (так называемая «солнечная постоянная»). Но, проходя через атмосферу, он экспоненциально ослабляется; в ясный полдень до поверхности Земли может дойти не более 67% энергии Солнца, то есть 1.34 кал/см² мин. Ещё более ослабляет интенсивность солнечного света облачный покров, вода и растительность. В итоге, поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день варьирует от 100 до 800 кал/см² (в среднем 300-400 кал/см²). Неоднородно поглощение биосферой солнечного света и по частоте. Растительность сильно поглощает синие и красные лучи, а также дальнее инфракрасное излучение; зелёный свет поглощается не так сильно, ближнее инфракрасное излучение – очень слабо.

Попадаемая в биосферу солнечная энергия делится в следующей пропорции: 30% - отражается, 46% - прямо превращается в тепло, 23% - обуславливают испарение и осадки, 0.2% - тратится на ветер, волны, течения, 0.8% - идёт на фотосинтез.

Итак, большая часть биосферы получает ежедневно около 3000 ÷ 4000 ккал/м² или 1.1÷1.5 млн. ккал/м² в год. Из них в валовую первичную продукцию автотрофов переходит максимум 50 тыс. ккал/м² в год, в среднем для биосферы – 2 тыс. ккал/м² в год; в чистую первичную продукцию переходит максимум 40 тыс. ккал/м² в год, в среднем для биосферы – 1 тыс. ккал/м² в год.

4. Концепция энергетической субсидии

Высокая продуктивность и высокое отношение чистого урожая к валовому поддерживаются ценой больших вложений энергии, затрачиваемой на обработку земли, орошение, удобрение, селекцию, борьбу с вредными насекомыми. В горючем, которое расходуется сельскохозяйственными машинами, заключено не меньше энергии, чем в солнечных лучах, падающих на поля. В США вклад энергии топлива в сельское хозяйство увеличился с 1900 по 1970-е годы в 10 раз, примерно с 1 до 10 калорий на каждую калорию полученной пищи.

Сельское и лесное хозяйство, животноводство и т.п. требуют огромных потоков дополнительной энергии, которая выполняет немалую часть работы, в естественных условиях производящейся за счёт самой системы. Естественно, что при появлении этой дополнительной поддержки виды, входящие в естественную систему, оказываются неприспособленными к новой ситуации; поскольку их генетическая программа заставляет их по-прежнему выполнять всю работу, никакого выигрыша не получается. Но виды, не приспособленные к «самообслуживанию», в таких условиях получают преимущества, и им благоприятствует как искусственный, так и естественный отбор. Далеко зашедшее одомашнивание превращает организмы в «живые машины для производства органики». Работа этих организмов по самоподдержанию заменяется работой сельскохозяйственных механизмов и машин, направляемых человеком. Таким образом, большая часть энергии при производстве современной сельскохозяйственной продукции берётся не от Солнца, а из ископаемого топлива.

Всякий источник энергии, уменьшающий затраты на самоподдержание экосистемы и увеличивающий ту долю энергии, которая может перейти в продукцию, называется вспомогательным потоком энергии, или энергетической субсидией.

Виды, приспособленные к наличию энергетической субсидии, резко снижают свою производительность в отсутствии последней. Поэтому развивающиеся страны не смогли воспользоваться достижениями «зелёной революции», произведёнными в развитых странах.

“Зелёная революция” была вызвана выведением путём селекции новых сортов сельскохозяйственных культур с высоким отношением пищи к волокну, приспособленных к тому, чтобы хорошо реагировать на массивные субсидии в форме энергии, орошения и удобрения. Без этих поступлений “чудесный рис” и другие новые сорта дают урожай ниже, чем традиционные сорта, не требующие таких субсидий.

Важен также и уровень субсидии. Малая субсидия также плоха, как и большая. Существует оптимальный уровень субсидии, отклонения от которого приводит к снижению производительности.

Источник энергетической субсидии может быть как естественного характера, так и антропогенного характера. В естественных условиях естественные сообщества, получающие добавочную энергию от природных её источников, дают наибольшую валовую продуктивность. Так, например, участок побережья, получающий в виде приливных или других потоков воды оптимальную энергетическую субсидию, имеет примерно такую же валовую продуктивность, как и интенсивно возделываемое кукурузное поле. Указанная энергетическая субсидия замещает часть энергии, затраченной на дыхание и другие функции, поддерживающие целостность системы, в результате чего эта энергия идёт на перенос минеральных веществ и перемещение пищи и отходов.

Как правило, по валовой продуктивности культурные экосистемы не превосходят некоторые природные. Конечно, человек увеличивает валовую продуктивность, доставляя воду и питательные вещества туда, где они служат лимитирующим фактором (в пустынях). Но больше всего человек увеличивает чистую продуктивность сообщества, направляя туда дополнительную энергию и уменьшая тем самым расход продукции на автотрофном и гетеротрофном уровнях (и увеличивая тем самым урожай на потребу себе самому).