3.7. Потоки енергії (біологічної геохімічної) в екосистемах.

3.7.1. Потоки біологічної енергії. Підтримка життєдіяльності організмів і круговорот речовини в екосистемах можливі тільки за рахунок постійного припливу енергії. Все життя на Землі існують за рахунок енергії сонячного випромінювання, що переводиться фотосинтезуючими організмами (автотрофами) у хімічні зв'язки органічних сполук. Гетеротрофи (рослиноїдні й хижаки) одержують енергію з їжею. Всі живі істоти включені в трофічні зв'язки.

Харчові ланцюги й харчова мережа. У функціонуючої природної екосистемі не існує відходів. Всі організми, живі або мертві, потенційно є їжею для інших організмів: гусениця їсть листя, дрізд харчується гусеницями, яструб здатний з'їсти дрозда. Коли рослини, гусениця, дрізд і яструб гинуть, вони у свою чергу переробляються редуцентами.

Харчовий ланцюг – послідовність організмів, у якій кожний з них з'їдає або розкладає інший. Харчові ланцюги - це також рух живильних речовин від продуцентів, консументів (травоїдних, м'ясоїдних і всеїдних) до редуцентів і назад до продуцентів

Рух біологічної енергії в екосистемах відбувається за допомогою двох зв'язаних типів харчових ланцюгів: пасовищної й детритної (рис. 3.5).

У пасовищній харчовій мережі живі рослини поїдаються фітофагами, а самі фітофаги є їжею для хижаків і паразитів.

У

Рис. 3.5 - Пасовищний й детритний харчові ланцюги

детритній харчовій мережі відходи життєдіяльності й мертві організми розкладаються детритофагами й деструкторами до простих неорганічних з'єднань, які знову використовуються рослинами.

Всі організми, що користуються одним типом їжі, належать до одного трофічного рівня (від грецького слова trophos - «що живляться»).

Організми природних екосистем залучені в складну мережу багатьох зв'язаних між собою харчових ланцюгів. Така мережа називається харчовою мережею (наведена на рис. 3.6).

Піраміди енергетичних потоків. З кожним переходом з одного трофічного рівня в інший у межах харчового ланцюга або мережі відбувається робота й у навколишнє середовище виділяється теплова енергія, а кількість енергії високої якості, що використана організмами наступного трофічного рівня, знижується.

Як правило 10%: при переході з одного трофічного рівня на інший 90% енергії губиться, і 10% передається на наступний рівень.

Чим довший харчовий ланцюг, тим більше губиться корисної енергії. Тому довжина харчового ланцюга звичайно не перевищує 4 - 5 ланок.

Піраміди чисельності і біомас. Ми можемо зібрати всі зразки організмів в екосистемі й підрахувати чисельність всіх видів, виявлених на кожному трофічному рівні. Така інформація необхідна для створення піраміди чисельності для екосистем (рис. 3.7).

Рис. 3.6 - Харчова мережа

Р ис. 3.7 - Узагальнені піраміди чисельності в екосистемах.

Суха вага всіх органічних речовин, що містяться в організмах екосистеми, називається біомасою. Кожний трофічний рівень харчового ланцюга або мережі містить певну кількість біомаси. Її можна обчислити, якщо зібрати всі живі організми з різних довільно обраних ділянок. Зібрані екземпляри необхідно розсортувати по трофічних рівнях, висушити й зважити. Отримані дані надалі використаються для побудови піраміди біомас для певної екосистеми (рис. 3.8).

Рис. 3.8 - Узагальнені піраміди біомас в екосистемах. Розмір кожного шару пропорційний сухій масі на квадратний метр всіх організмів на даному трофічному рівні.

3.7.2. Круговорот геохімічної енергії. У планетарному масштабі відбувається круговорот всіх хімічних елементів, причому цикл оберту індивідуальний для кожного елемента. Всі живі організми включені в біогеохімічний круговорот з повним рециклінгом матерії. Відбувається вторинне використання атомів, постійний рух і перерозподіл речовини, що визначає формування літосфери планети. У зв'язку з фотосинтезом у біосфері в круговорот утягуються 1 млрд. т. азоту, 260 млн. т. фосфору, 200 млн. т. сірки й т.д.

Протягом 6-7 років поглинається вся вуглекислота атмосфери, за 3000-4000 років обновляється весь кисень атмосфери, а протягом 10 млн. років фотосинтез переробляє масу води, рівну всій гідросфері.

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

Вуглець є основним «будівельним матеріалом» молекул вуглеводів, жирів, білків, нуклеінових кислот (таких як ДНК і РНК) і інших важливих для життя органічних сполук.

Втручання людини в круговорот вуглецю різко зростає, особливо починаючи з 1950-х років, через швидкий ріст населення й використання ресурсів, і відбувається воно в основному двома способами:

- Вируб лісів і іншої рослинності без достатніх лісовідновлювальних робіт, у зв'язку із чим зменшується загальна кількість рослинності, здатної поглинати СО₂.

-

Рис. 3.9 – Круговорот вуглецю у біосфері

Спалювання вуглецемістких допотопних видів палива й деревини. Вуглекислий газ, що утворюється при цьому, попадає в атмосферу.

Рис. 3.10 - Спрощена діаграма частини вуглецевого циклу, що показує круговорот речовини й односпрямований потік енергії в процесах фотосинтезу й аеробного подиху.

II. Круговорот азоту (рис. 3.11).

Втручання людини в круговорот азоту полягає в наступному:

- Спалювання деревини або викопного палива (NO). Оксид азоту потім з'єднується в атмосфері з киснем і утворить діоксид азоту (NO₂), що при взаємодії з водяною парою може утворювати азотну кислоту (HNO₃).

- Виробництво азотних добрив і їхнє широке застосування.

- Збільшення кількості нітратів-іонів і іонів амонію у водних екосистемах при влученні в них забруднених стоків із тваринницьких ферм, змитих з полів азотних добрив, а також очищених і неочищених комунально-побутових каналізаційних стоків.

Рис. 3.11 - Спрощена діаграма круговороту азоту

III. Круговорот фосфору (рис. 3.12.)

Рис. 3.12 - Спрощена діаграма круговороту фосфору.

Джерела: розробка надр, стік і ерозія, річковий стік, розкладання, відходи й розкладання, птахи, що харчуються рибою.

Втручання людини в круговорот фосфору зводиться в основному до двох варіантів:

- Видобуток більших кількостей фосфатних руд для виробництв мінеральних добрив і мийних засобів.

- Збільшення надлишку фосфат-іонів у водних екосистемах при влученні в них забруднених стоків із тваринницьких ферм, змитих з полів фосфатних добрив, а також очищених і неочищених комунально-побутових стоків.

IV. Круговорот сірки (рис. 3.13).

Біля третини всіх з'єднань сірки й 99% діоксиду сірки, що попадають в атмосферу, мають антропогенне походження. Спалювання сіркоутримуючих вугіль і нафти для виробництва електроенергії дає приблизно дві третини всіх антропогенних викидів діоксиду сірки в атмосферу. Третина, що Залишилася, виділяється під час таких технологічних процесів, як переробка нафти, виплавка металів із сіркомістких мідних, свинцевих і цинкових руд.

Рис. 3.13 - Спрощена діаграма круговороту сірки

V. Круговорот води (рис. 3.14).

Круговорот води або гідрологічний цикл, у процесі якого відбувається нагромадження, очищення й перерозподіл планетарного запасу води.

Людина втручається в круговорот води двома способами:

1. Забір більших кількостей прісної води з рік, озер і водоносних обріїв. У густозаселених або інтенсивно зрошуваних районах водозабір привів до виснаження запасів ґрунтових вод або до вторгнення солоної океанічної води в підземні водоносні обрії.

2. Відомість рослинного покриву суши в інтересах розвитку сільського господарства, при видобутку корисних копалин, будівництві доріг, автостоянок, житла й інших видів діяльності. Це приводить до зменшення просочування поверхневих вод під землю, що скорочує поповнення запасів ґрунтових вод, збільшує ризик повеней і підвищує інтенсивність поверхневого стоку, тим самим, підсилюючи ерозію ґрунтів.