IX.2. Биотическое управление экосферой и роль деятельности человека

Величина первичной биологической продукции - это общее коли­чество органического вещества, создаваемого в ходе фотосинтеза за единицу времени (обычно за год) на определенной площади. Как правило, в литературе рассматривается "чистая " первичная биоло­гическая продуктивность, представляющая общую биопродуктив­ность за вычетом расходов синтезированного органического веще­ства на дыхание растений.

Величины биопродуктивности выражаются обычно или в массе органического вещества (в сухом состоянии), или в массе содержащего­ся в нем углерода. Средний коэффициент пересчета от массы органиче­ского вещества к массе углерода принимается равным 0,45, а чтобы по­лучить величину массы органического вещества из массы углерода не­обходимо последнее умножить на 2,2. Удельные величины биологиче­ской продуктивности выражаются обычно в г/м² или в т/км² за год, а в российской литературе также и в центнерах с гектара за год.

Вследствие сложностей расчетов или полевых измерений биомас­сы и ее прироста, величины биопродуктивности, полученные раз­личными исследователями, заметно различаются. Для суши мира она составляет в год около 130 млрд. т органического вещества, или око­ло 60 млрд. т углерода. Для Мирового океана эти величины, соответ­ственно, 90 млрд. т и 40 млрд. т. Общемировая величина "чистой" первичной биологической продуктивности составляет 220 млрд. т за год в органическом веществе, или приблизительно 100 млрд. т уг­лерода. Средняя для мира удельная биологическая продуктивность составляет приблизительно 430 г/м², или 43 ц/га. Средняя для всей

свободной от ледников суши удельная продуктивность органическо­го вещества равна около 1000 г/м², или 100 ц/га. Для океана эта ве­личина равна всего лишь 250 г/м², или 25 ц/га.

Фитомасса составляет подавляющую часть биомассы суши, а мас­са лесов представляет 87% фитомассы. Подавляющая часть массы живого вещества находится на суше, но вследствие большего, чем на суше, количества беспозвоночных и микроорганизмов, отличающих­ся более высокой скоростью метаболизма, океан производит за год лишь вдвое меньше первичной биологической продукции, чем суша.

Общая масса живого вещества Земли составляет величину порядка 1300 млрд. т, или 590 млрд. т углерода. Общая масса неживого орга­нического вещества в биосфере оценивается в 3200 млрд. тонн, что приблизительно соответствует 1300 млрд. т углерода (Д.Алькамо, 1994).

Первичная биологическая продукция является основой жизнедея­тельности большинства живых существ. Она расходуется на питание на всех трофических уровнях экологической пирамиды. В предшест­вующих главах мы уже говорили, что баланс углерода как для эко­сферы в целом, так и для первичных (незатронутых человеком) эко­систем замыкается с весьма высокой степенью точности. Можно сказать, что в масштабе времени до 1000 лет для первичных экоси­стем существует квазистационарный баланс источников и стоков.

Результирующая баланса за год в этом масштабе времени состав­ляет весьма малую величину, как правило, всего лишь около 0,1% от биопродуктивности, но именно она предопределяет естественную эволюцию экосистем. Остаточный член баланса органического ве­щества (или баланса углерода) называется чистой экосистемной про­дуктивностью. Если экосистемная продуктивность положительна, то это указывает на накопление углерода в экосистеме, и наоборот.

Вследствие деятельности человека величина экосистемной про­дуктивности углерода (то есть степени разомкнутости его баланса в экосистеме) возрастает и начинает оказывать решающее влияние на глобальные геоэкологические процессы. В разделе, посвященном факторам парникового эффекта, например, указывалось, что вслед­ствие антропогенного преобразования экосистем, главным образом в тропической и экваториальной зонах, в атмосферу из ландшафтов Земли (то есть из биосферы) выносится 1,6±1,0 млрд. т углерода в год, что составляет уже 3% первичной продукции, а это говорит о высокой степени разомкнутости баланса углерода и органического вещества экосферы.

Расчеты по одной из моделей современного цикла углерода для суши показали, что при глобальной чистой первичной продукции экосистем суши равной 60,6 млрд. т углерода в год экосистемная продукция составила 2,4 млрд. т углерода, или 4% первичной про­дукции. На 2050 г. ожидается, что вследствие изменения климата чистая первичная продукция увеличится и составит 82,5 млрд. т в год при экосистемной продукции равной 8,1 млрд. т. Таким образом, степень разомкнутости увеличится до 10%, что указывает на про­грессирующее неблагополучие экосферы, в том случае, если страте­гия человечества в отношении проблем геоэкологии не будет корен­ным образом изменена.

Процесс фотосинтеза - основа жизнеобеспечения на Земле, а его результат, биологическая продукция, - наиважнейший возобнови­мый ресурс. Эти 220 млрд. тонн органического вещества в год - главнейший возобновимый ресурс экосферы, обеспечивающий сель­ское хозяйство, лесоводство, рыбное хозяйство и другие сектора эко­номики, связанные с использованием возобновимых природных ресур­сов.

Еще более важна роль биологической продукции и биоты в целом в обеспечении устойчивого функционирования экосферы. Об этой наиважнейшей, стабилизирующей роли биоты часто забывают. Син­тез и соответствующая ему деструкция органического вещества ле­жат в основе глобального биогеохимического цикла углерода, а в локальном плане - в основе устойчивости экосистем. При этом, со­гласно В.Г.Горшкову^[9], на глобальном уровне синтез и деструкция балансируются с точностью 10"^[10] для промежутков времени продол­жительностью порядка 10000 лет.

Антропогенное нарушение глобальных и локальных циклов угле­рода связано со многими факторами. Суммарная для мира первичная биологическая продуктивность неизмененных человеком ландшаф­тов ("потенциальных ландшафтов") представляет, по-видимому, верхний предел глобальной естественной биопродуктивности. Ан­тропогенные воздействия, преобразующие ландшафты, приводят, как правило, к снижению биопродуктивности. Земледелие в мире использует 15 млн. км² земли, на которых выращивается примерно 2500 млн. т сельскохозяйственных продуктов (в сухом весе). Таким образом, средняя урожайность составляет 17 ц/га.

Значительна роль биоты в глобальном гидрологическом цикле. Поскольку живое вещество приблизительно на 90% состоит из воды, то ежегодно биота связывает во вновь фотосинтезированном органи­ческом веществе 60 млрд. т углерода и около 500 куб. км воды. В процессе синтеза органического вещества растительность пропуска­ет сквозь себя на два порядка больше воды, чем то, которое в конце концов оказалось связанным в органическом веществе. Эта вода за­бирается растениями из почвенной влаги, участвует в функциониро­вании растений, а затем транспирирует в атмосферу. Таким путем в биологическом звене глобального круговорота воды (гидроло­гического цикла) участвует около 30000 куб. км воды в год. Это око­ло 25% суммарного количества осадков, выпадающих на поверх­ность суши.

Величина солнечной энергии, используемой для построения орга­нического вещества в процессе фотосинтеза, составляет 133х10¹² ватт. Это в 13 раз больше общемирового потребления энергии чело­веком, но всего лишь 0,16% приходящей к поверхности Земли сол­нечной радиации. Отношение затрат энергии на синтез биомассы к общему количеству поглощенной солнечной радиации находится в пределах от 0,1% до 1%, а в среднем порядка 0,5%.

Средняя величина коэффициента использования фотосинтетиче- ски активной солнечной радиации (ФАР), приходящей в течение ве­гетационного периода, растительным покровом территории бывшего СССР составляет примерно 0,8%, с колебаниями от 0,1% в пустынях Средней Азии до 1,8-2,0% на Черноморском побережье Кавказа. Средний для СССР коэффициент использования суммарной солнеч­ной радиации составляет около половины коэффициента использо­вания ФАР, или примерно 0,4%.

Величины коэффициента использования солнечной радиации для синтеза первичной продукции на первый взгляд кажутся весьма низ­кими. Некоторые специалисты рассматривают повышение первич­ной биологической продуктивности как один из важнейших путей решения фундаментальных проблем человечества, таких как его обеспечение продовольствием или энергией. Казалось бы, решить эту задачу можно посредством увеличения доли ассимилируемой солнечной энергии. Однако усилия в этом направлении пока безус­пешны, и можно полагать, что природа не случайно "установила для себя" столь низкий к.п.д., потому что антропогенная разбалансиро- ванность этого соотношения может привести к серьезным наруше­ниям глобального баланса углерода и, следовательно, к нарушениям устойчивости экосферы.

Передача энергии в пределах экологической пирамиды от первич­ной биологической продукции к более высоким уровням сопровож­дается значительными потерями энергии. Отношение биомассы ор­ганизмов к количеству потребляемого ими органического вещества обычно не превышает 10-20%. При перемещении к более высоким трофическим уровням это приводит к быстрому сокращению био­массы и потребляемой ею энергии. В природных экосистемах с од­ного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень в среднем не более 10% энергии (и вещества в энергетическом выражении).

Еще более жесткое соотношение обусловливает устойчивость природных систем: эмпирически установлено, что изменение энерге­тики системы в пределах всего лишь 1% выводит ее из равновесного (квазистационарного) состояния. Не случайно доля суммарной ра­диации, используемой для устойчивого процесса фотосинтеза со­ставляет только 0,16% приходящей суммарной солнечной радиации.

В.Г.Горшковым было установлено, что в пределах биосферы био­та сохраняет способность контролировать условия окружающей сре­ды, если человек в процессе своей деятельности использует не более 1% чистой первичной продукции биоты. Остальная часть продукции должна распределяться между видами, выполняющими функции стабилизации окружающей среды. Следовательно, с точки зрения человечества, биота представляет собой механизм, обеспечивающий человека питанием (энергией) с коэффициентом полезного действия 1%, а 99% идет на поддержание устойчивости окружающей среды.

Если рассматривать человека как биологический вид, находящий­ся на вершине экологической пирамиды, то ему, по законам биоло­гической экологии, полагалось бы на питание лишь несколько про­центов производимой на суше первичной биологической продукции, то есть порядка 10 млрд. тонн в год. Фактически, благодаря исполь­зованию пашни, пастбищ и лесов, человек поглощает сельскохозяй­ственные и лесные продукты общей массой 31 млрд. т. Кроме того, вследствие деятельности человека, современная первичная продук­тивность меньше исходной на 27 млрд. т вследствие: а) деградации естественных ландшафтов и б) превращения естественных экосистем в антропогенные. Тогда общее количество потребляемой и разру­шаемой человеком биомассы суши равно 58 млрд. т в год, или почти 40% первичной биологической продукции суши. Эти величины, по­лученные в 1986 г. П.Витусеком с соавторами (США), стали широко известны в мире среди специалистов как еще один показатель гло­бального экологического кризиса. Менее известно, что подобные ре­зультаты получены В.Г.Горшковым в России еще в 1980 г.

Ясно, что потребление первичной биологической продукции чело­веком превосходит все мыслимые пределы уже сейчас. При даль­нейшем росте населения мира его потребности можно будет удовле­творять только за счет потребностей других живых организмов, а это неизбежно, рано или поздно, приведет к катастрофической деграда­ции биосферы и, следовательно, и экосферы в целом. В проблемах деградации биосферы есть два наиболее серьезных аспекта: во- первых, как мы только что видели, чрезмерное, не соответствующее установленному природой уровню антропогенное поглощение и раз­рушение возобновимых биологических ресурсов и, во-вторых, сни­жение роли биосферы в стабилизации состояния экосферы. Обе про­блемы чрезвычайно серьезны, но, вероятно, вторая проблема более важна, потому что она затрагивает основные, глубинные, системные процессы функционирования экосферы. Можно считать, что величи­на антропогенной доли поглощения и разрушения первичной биоло­гической продукции суши - важнейший геоэкологический индекс чрезвычайно неблагоприятного, кризисного состояния экосферы.