Повна версія

Головна arrow Екологія arrow Теорія систем в екології

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

Енергетичний баланс екологічних систем та їх продуктивність

Енергетичний баланс екологічних систем

Енергію визначають як здатність виконувати роботу. Властивості енергії описуються двома законами термодинаміки. Перший закон термодинаміки, або закон збереження енергії, гласить, що енергія не зникає і не утворюється заново, вона лише може переходити з однієї форми в іншу. Другий закон термодинаміки, або закон ентропії, формулюється по-різному, зокрема: процеси, пов'язані з перетворенням енергії, можуть проходити самоплинно лише за умови, що енергія переходить з більш концентрованої форми до більш розсіяної, тобто деградує. Другий закон можна сформулювати і так: будь-яке перетворення енергії з однієї форми в іншу неминуче супроводжується розсіюванням її частини у формі, недоступній для подальшого використання. Одним із наслідків цього є неможливість створення вічного двигуна.

Ентропія (від грецького entropia – перетворення, поворот) – міра кількості зв'язаної енергії, що стає недоступною для використання. Цей термін також використовується як міра зміни невпорядкованості системи, що відбувається при деградації енергії.

Енергетичний підхід до вивчення екологічних процесів значною мірою сприяв формуванню екології як науки, оскільки саме він дав змогу вивчати дивовижне розмаїття життя в усіх його проявах через установлення кількісних закономірностей як міжорганізмових, так і міжпопуляційних відносин, визначати енергетичні баланси біо- й екосистем різного рівня організації. Колосальна кількість публікацій цього напрямку сприяла з'ясуванню загальних закономірностей трансформації енергії як окремими організмами, популяціями, угрупованнями, так і складових енергетичного балансу біосистем різного рівня організації. Але при цьому практично не враховується вплив якості середовища на жоден продукційно-енергетичний параметр. У практиці біопродукційних досліджень часто майже всі величини одержують розрахунковими методами, використовуючи продукційно-біомасові (P/В) коефіцієнти, одержані (у більшості випадків) десятки років тому за умов зовсім іншого екотоксикологічного стану екосистем. Це не лише унеможливлює одержання об'єктивної інформації з продукційних параметрів різних видів, популяцій і трофічних рівнів, беручи до уваги значне погіршення стану середовища останніми десятиліттями. Тим паче що за рівнем забруднення окремі екосистеми відрізняються настільки істотно, що його неврахування зводить нанівець цінність проведених таким чином біопродукційних досліджень.

Важливим етапом розвитку цієї проблеми є з'ясування понятть "норма" і "патологія" екосистем. У цьому аспекті першочерговим завданням потрібно визнати розроблення кількісних критеріїв, які спроможні давати об'єктивну оцінку стану якості середовища за ступенем його адекватності особливостям живої матерії.

Основним джерелом енергії для багатьох процесів у екосистемі е сонячна. Порівняно з нею енергії до екосистеми від інших джерел надходить дуже мало (теплової енергії з надр Землі – 0,04 % сумарної сонячної радіації, тектонічних рухів – 0,0005 %). Тому сонячна енергія і використовується в екосистемі найбільш ефективно: вона здатна трансформуватися в інші види енергії (теплову, хімічну, механічну), завдяки їй відбувається продукування біомаси, вологообіг, циркуляція повітряних мас тощо.

Загальну схему потоку і трансформації сонячної енергії в екосистемі наведено на рис. 2.15. На верхню межу атмосфери надходить 2 кал/см2хв сонячної енергії. Проходячи крізь атмосферу, вона послаблюється атмосферними газами та пилом. При цьому ступінь послаблення залежить від довжини хвилі (частоти) світла. З екологічної точки зору найбільш важливими обставинами диференційованого послаблення випромінювання є дві:

  • 1) ультрафіолетове випромінювання (найбільш небезпечне для протоплазми) практично не проходить крізь озоновий шар, що й забезпечує можливість життя на планеті;
  • 2) менше за все послаблюється видиме світло, що необхідне для фотосинтезу, а тому він може відбуватись і в похмурі дні.

За кількістю енергії, яку отримує екосистема, розрізняють такі: мегатермні (радіаційний баланс RB > 80 ккал/см2 на рік, поширені в екваторіальній зоні); макротермні (RB 50-70, поширені в тропіках); мезотермиі (RB 50-70, суб- і Середземномор'я); субмезотермні (RJB 40-50, неморальна зона); субмікротермиі (RB 30-40, суббореальна зона); мікротермні (RB 20-30, бореальна зона); нанотермні (ЯВ < 20 ккал/см2 на рік, поширені в суб- та арктичній зонах).

Схема потоку енергії в екосистемі.

Рисунок 2.15 – Схема потоку енергії в екосистемі.

Сонячна радіація: R – сумарна, RI – пряма, RS – розсіяна, RA – відбита; RE – ефективне випромінення; RB – радіаційний баланс; Т – витрати тепла на транспірацію; Е – те саме на фізичне випаровування; Q – турбулентна віддача тепла атмосфері; Р – енергія на фотосинтез; Рь- енергія дихання рослин; Рд-чиста первинна продукція; Р„- втрата енергії з опадом; Р–-енергія у фітомасі; ВМ – енергія, накопичена в прирості біомаси; Z – енергія, що надходить до травоїдних тварин (консументів 1-го трофічного рівня); Zb – енергія дихання тварин; Ζί – енергія синтезу нової зоомаси; Zm – енергія, що втрачається разом із загибеллю тварин; Z, – енергія, що переходить до наступного трофічного рівня; М – енергія мортмаси; Мь – енергія на дихання сапротрофів; Мс – енергія окиснення мортмаси; Мт – енергія мінералізації мортмаси; Н – енергія, накопичена в гумусі

За ступенем поглинання сонячної радіації рослинним покривом (перехопленням світла фітогеогоризонтами та ступенем освітленості поверхні Грунту) екосистеми можна поділити на: геліоморфні (геосистеми лише з трав'яним покривом чи позбавлені його); субгеліоморфні (чагарники, рідколісся); семігеліоморфні (світлохвойні, дрібнолисті ліси); сціоморфні (зімкнені темнохвойні та широколисті ліси). Від типу затіненості геосистеми істотно залежать видовий склад, продуктивність, конкурентні відношення та деякі інші ознаки нижніх фітогеогоризонтів.

Практично будь-який аспект діяльності людини в екосистемі призводить до зміни у ній інтенсивності енергетичних потоків. Причому змінюються величина та співвідношення не лише внутрішньогеосистемних потоків, а й вхідних та вихідних. Через забруднення атмосфери аерозолями дещо збільшується відбита радіація, тому до геосистем може надходити менше сумарної радіації. Так, смог здатний зменшити її на 30-40 %. У потоці сумарної радіації збільшується частка розсіяної, що призводить до деякого нівелювання експозиційних відмінностей геосистем схилів.

В агроекосистемах значне збільшення надходження енергії пов'язане із внесенням органічних добрив. Частина цієї додаткової енергії йде на формування врожаю, невелика частина консервується в гумусі, а значно більша (на схилах – до 60-70 %) непродуктивно втрачається геосистемою разом із виносом поверхневим та ґрунтовим стоками.

Трансформація характеру діяльної поверхні екосистеми внаслідок розорювання, зведення лісів, меліорації тощо призводить до зміни величини альбедо, а через неї – і до зміни структури радіаційного балансу. Так, альбедо систем із степовою рослинністю становить 19-23 %, а свіжозораних агроугідь на їх місці – 5 %; широколистих лісів 12-17 %, а полів зернових культур на їх місці – 22-28 %. Відповідно змінюється і частка відбитої радіації.

Зміни вертикальної структури екосистеми, пов'язані зі зведенням природної рослинності, призводять до трансформації трофічної структури систем, а відтак – і потоків енергії між біотичними елементами. Найістотнішими тут є щорічні втрати енергії, накопичені геосистемою у фітомасі. Внаслідок цього зменшується потік енергії, що надходить до детритного циклу – основи процесу продукування гумусу. Загалом трофічна структура агрогеосистем сильно спрощується, інтенсивність потоків енергії від продуцентів до первинних консументів значно зменшується, а сама сітка цих потоків стає менш розгалуженою. Це, зокрема, зумовлює низьку стійкість агрогеосистем порівняно з природними.

Важливим елементом біотичної структури екосистем є своєрідність ланцюгів живлення в кожній з них.

У природі не існує такого виду, який не був би пов'язаний з іншим. Як уже зазначалося, живлячись за рахунок інших істот, організми дістають енергію. Внаслідок цього у природі виникають ланцюги живлення. Ряди взаємозв'язаних видів, у яких кожний попередній є об'єктом живлення наступного, називають ланцюгами живлення. Розрізняють ланцюги живлення різних типів. Тип ланцюга залежить від початкової ланки.

Рух енергії в екосистемах відбувається за допомогою двох зв'язаних типів харчових мереж: пасовищної і детритної.

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

У детритній харчовій мережі відходи життєдіяльності та мертві організми розкладаються детритофагами й деструкторами до простих неорганічних сполук, які знову використовуються рослинами.

Тобто початковою ланкою в ланцюгах живлення можуть бути рослини, мертві рослини, рештки чи послід тварин. Наприклад, рослини – попелиці – дрібні комахоїдні птахи – хижі птахи; рослими – зайці – лисиці – вовки. У цих випадках ряди починаються з рослин. До іншого типу рядів живлення належать ряди, що розпочинаються з посліду тварин із невикористаними запасами речовин: коров'ячий послід – личинки мух – комахоїдні птахи – хижаки. Прикладом ланцюгів живлення, які починаються з рослинних решток, може бути: рослинний перегній – дощові черв'яки – кроти. Ланцюг живлення можна уявити у вигляді піраміди чисел, фундамент якої становлять численні види рослин, наступні рівні утворюють рослиноїдні та м'ясоїдні тварини, чисельність яких швидко зменшується в напрямку до вершини, яку посідають нечисленні великі хижаки.

Є три основних типи пірамід:

  • • піраміда чисел показує чисельність окремих організмів;
  • • піраміда біомаси характеризує загальну суху вагу, калорійність або іншу міру загальної кількості живої речовини;
  • • піраміда енергії відповідає величині потоку енергії або "продуктивності" на послідовних трофічних рівнях.

Піраміди чисел і біомаси можуть бути оберненими (або частково оберненими), тобто основа може бути меншою, ніж один або кілька верхніх поверхів. Так буває, коли середні розміри продуцентів менші, ніж розміри консументів. Навпаки, екологічна енергетична піраміда завжди звужується догори за умови, що будуть враховані всі джерела енергії живлення в системі.

Як приклад використання енергетичного балансу під час вирішення екологічних завдань розглянемо таку задачу: скільки людей протягом року зможуть прогодуватися з 1 га морської акваторії, багатої планктоном, якщо людині на рік необхідно отримувати з їжею 4,19106 кДж енергії, а біопродуктивність 1 м2 акваторії з урахуванням трофічних ланцюгів становить 600 г/м2,рік доступної для людини сухої речовини (1 г сухої речовини в середньому акумулює 20 кДж енергії)?

Для розв'язання цієї задачі визначаємо річну енергетичну продуктивність 1 га акваторії: (600 г/м2-20 кДж/г)• 10000 м2= 120000000 кДж.

Потім визначаємо кількість людей, які зможуть задовольнити свої потреби з цієї акваторії: 120000000 кДж / 4190000 кДж = 29 осіб.

Хімічні елементи, що становлять географічну оболонку, по-різному проявляють себе в екосистемах. Це стосується як їх мас у екосистемі, так і особливостей поведінки – міграції між елементами вертикальної структури, здатності включатися в кругообіги, поглинатися рослинами тощо. Кожний елемент в екосистемі має власну частину. Проте виділяються деякі загальні закономірності потоків різних речовин в екосистемах, тому й існують загальні підходи до їх дослідження.

Загальну схему потоків мінеральних речовин у геосистеми наведено на рис. 2.16. Як бачимо, основні вхідні потоки речовин до геосистеми надходять з атмосферними опадами R та пилом D за рахунок вивітрювання первинних мінералів гірських порід W, розчинення солей осадових порід S, унаслідок господарської діяльності А.

З атмосферними опадами на поверхню Землі щорічно потрапляє 1800 млн т, або 12 т/км2, розчинних речовин, а на територію України – 7,3 млн т, або 12,1 т/км2. Найбільше цим шляхом надходить сірки (до 2,6 т/км2 у південних районах України), дещо менше – кальцію та азоту. За рахунок осаду з атмосфери пилу до екосистем щорічно надходить до 10 т/км2 речовин, а в промислових регіонах – у десятки разів більше.

Схема потоків мінеральних речовин у геосистемі (за М. Д. Гродзинським, 1993)

Рисунок 2.16 – Схема потоків мінеральних речовин у геосистемі (за М. Д. Гродзинським, 1993)

Утворення легкорозчинних солей під час вивітрювання первинних мінералів – процес, що відбувається в усіх екосистемах, але дуже повільно. Надходження ж до екосистем солей унаслідок розчинення солей осадових порід може бути значним у регіонах, де породи галогенної формації залягають близько до поверхні. В Україні такими регіонами є Прикарпаття та Закарпаття, Дніпровсько-Донецька западина, Донбас та інші, де значно поширені соляні відклади (купольні структури, штоки тощо).

Мінеральні речовини, що надійшли до геосистем, можуть знаходитись у вигляді її резервного фонду або здійснювати кругооборот у її вертикальному профілі. Резервний фонд становлять речовини, що знаходяться у нерухомих формах, а також легкодоступні речовини, накопичені в геосистемі в надмірних кількостях, через що вся їх маса не може бути охоплена кругообігом. Речовини резервного фонду частково поповнюються за рахунок мігруючих речовин і також можуть включатися в міграційні процеси. Ці процеси зумовлені двома основними факторами: потоком води та п властивостями як хімічної речовини (гідрогенезом); синтезом та розчиненням органічної речовини (біогенезом).

Роль води як фактора міграції речовин полягає не лише в її мобільності в екосистемі. У її водному середовищі відбувається переважна більшість хімічних реакцій. Потік води у вертикальному профілі геосистеми супроводжується процесами розчинення, видужування, іонного обміну, адсорбції, внаслідок чого хімічні елементи та сполуки певних геомас переходять до водного розчину й далі переміщаються з ним (рис. 2.J7). Внаслідок випаровування вологи, кристалізації, сорбції та інших гідрогенних процесів з водного розчину випадають мінеральні речовини, акумулюючись у певних геомасах або геогоризонтах. Нарешті, практично лише з водним розчином мінеральні речовини з фунту можуть потрапити до рослин і далі взяти участь у біогенній міграції по трофічній сітці геосистеми.

Схема потоків вологи в геосистемі

Рисунок 2.17 – Схема потоків вологи в геосистемі

Фізико-хімічні, термодинамічні та інші умови геогоризонту, крізь який проходить потік водного розчину, визначають ступінь рухомості кожного з хімічних елементів та їх сполук. Практично в усіх геосистемах у вертикальній структурі виділяються суміжні геогоризонти, що значно відрізняються один від одного за дими умовами. Тут різко змінюються умови міграції різних речовин – одні з них випадають із розчину і концентруються, інші мігрують менш інтенсивно і накопичуються частково, треті не реагують на зміну умов міграції, В геохімії ландшафту місця, де різка зміна умов міграції призводить до накопичення елементів, називаються ландшафтно-геохімічними бар'єрами (термін увів О. І. Перельман). Залежно від параметрів, значення яких різко змінюються на бар'єрі, виділяють їх різні типи. При цьому на кожному з типів бар'єрів накопичується характерна асоціація хімічних елементів (табл. Б. 5, додаток Б). У різних геосистемах кількість та склад ландшафтно-геохімічних бар'єрів неоднакові. Так, у лісових геосистемах України переважають кислі и глейові бар'єри, степових – лужні, випаровувальні та ін.

Із ландшафтно-екологічної точки зору, крім типу бар'єра, важливо враховувати і його місцеположення у вертикальній структурі геосистеми. Так, бар'єри, розміщені в ґрунті нижче його кореневмісного шару, в екологічному плані можуть відігравати позитивну роль – токсичні елементи, що тут накопичуються, рослинами споживатися не можуть, і водночас цей бар'єр перешкоджає досягненню токсичними елементами ґрунтових вод, лімітуючи їх забруднення. Такий бар'єр виконує функцію консерватора ("кладовища") забруднень у геосистемі. Натомість бар'єри, розташовані у межах кореневмісного шару ґрунту, можуть бути вкрай небезпечними для рослин.

Напрямок гідрогенних потоків речовин у геосистемі відповідає напрямку потоку вологи. За переважання низхідних потоків води речовини можуть виноситися за межі ґрунту і досягати рівня ґрунтових вод. Унаслідок цього розсолюються ґрунти, підвищується мінералізація ґрунтових вод, а при інтенсивних потоках вологи в піщаних ґрунтах зростає дефіцит поживних речовин. Проте частіше хімічні елементи накопичуються на бар'єрах у педогеогоризонтах та в зоні аерації. При висхідних потоках води внаслідок фізичного випаровування ґрунтових вод вміст солей у ґрунті та підґрунті зростає, що призводить до засолення геосистем.

Важливим фактором міграції речовин в екосистемі є життєдіяльність рослин. Встановлено, що практично всі хімічні елементи, що містяться в географічній оболонці, необхідні рослинам і споживаються ними. З них незамінні лише деякі: N, Р, К, S, Са, Mg (макроелементи – споживаються у великих кількостях) та Fe, Мл, Zn, Cu, Мо, В та Cl (мікроелементи – споживаються у менших кількостях).

Із атмосфери надземні органи рослин засвоюють мінеральні речовини в дуже незначних кількостях, а основна їх маса поглинається з ґрунту. Корінь одержує мінеральні речовини шляхом: поглинання іонів з ґрунтового розчину; обмінного поглинання сорбованих іонів (віддає іони Н+ та НСO03-, а замість них отримує іони поживних солей); розчинення зв'язаних запасів мінеральних речовин (виділяючи органічні кислоти, корінь вивільняє з хімічно зв'язаного стану елементи, зокрема важкі метали, і потім легко поглинає їх). Потрапивши до кореня, іони переносяться до інших органів рослин. Це перенесення потребує витрат енергії, джерелом якої є дихання рослин, тому інтенсивність поглинання ними мінеральних речовин визначається едафічними факторами дихання (оптимальним температурним режимом, освітленістю, співвідношенням між вологістю та аерацією ґрунту тощо).

Із розрахунків мас хімічних елементів, які щорічно залучаються до техногенних потоків, відомо, що з 60-х років XX ст. геохімічна діяльність людини за потужністю не поступається природним процесам. За рахунок цієї діяльності поверхня суші щорічно збагачується на мільйони тонн Р, Ті, Си, Μη, Zn, Pb та інших елементів, на десятки тисяч тонн Rb, Н, Zr. Основні джерела надходження забруднень до геосистем – атмосфера, внесення добрив та обробка агрогеосистем пестицидами та отрутохімікатами, забруднені підземні води, захоронені в ґрунті та породах зони аерації техногенні речовини, зрошення стічними та забрудненими річковими водами.

Потрапляючи до атмосфери, забруднювальні речовини (це 90 % газів і 10 % твердих частинок) досить швидко розсіюються. Середня тривалість знаходження газів у тропосфері становить 2-4 місяці, аерозолів – 4 місяці біля тропосфери, 1 місяць у верхньому та 6-10 діб у нижньому шарах тропосфери. Ці дані потрібно розглядати як орієнтовні, оскільки тривалість перебування викидів в атмосферу визначається багатьма метеорологічними умовами, що дуже мінливі в просторі й часі. Атмосферні забруднення можуть проникати в рослини внаслідок їх газообміну, осаду на поверхні листя та пагонах. За тривалої дії навіть невисоких концентрацій забруднень у рослин виникають хронічні пошкодження (депрегія фотосинтезу, порушення росту, відмирання клітин тощо). Різні рослини неоднаково реагують на атмосферні забруднення. Найбільш чутливі до ник лишайники, з дерев – ялина (до дії HF, SO2, НС1), сосна (до HF, NH3 SO2), горіх (HF, NH3). Стійкими вважаються туя, деякі види дубів, кленів, граб.

Чутливість рослин до атмосферних забруднень залежить від едафічних факторів. Установлені такі основні закономірності: температура – з її підвищенням чутливість рослин дещо зростає; вологість повітря – в діапазоні 30-60 % чутливість рослин зростає слабо, понад 60 % – різко; вологість ґрунту- чим вологіший ґрунт, тим чутливість більша, проте сукулентні галофіти на цей параметр практично не реагують; наявність поживних елементів у ґрунті – рослинність бідних, особливо піщаних ґрунтів чутлива до атмосферних забруднень, чим вищий у ґрунті вміст N, Р, К та СаСO3, тим чутливість менша; за нестачі в ґрунті певного елемента стійкість рослин до атмосферного забруднення менша.

Потрапляючи на поверхню ґрунту, забруднювальні речовини включаються у вертикальні потоки і при цьому можуть значно трансформувати їх налагоджений механізм. Це пов'язано з тим, що багато забруднювальних речовин здатні руйнувати деякі важливі ландшафтно-геохімічні бар'єри, створювати нові, змінювати тип тих, що були раніше, внаслідок зміни кислотно-лужних або окисно-відновних властивостей ґрунту змінювати і швидкість міграції різних речовин. Проходячи крізь Грунт, забруднені води можуть частково або й повністю очищуватися, проте сам ґрунт при цьому забруднюється. Хімізм цього забруднення та вертикальний розподіл акумульованих речовин залежать від типу ландшафтно-геохімічних бар'єрів та їх місцеположення в геосистемі.

Будь-яку забруднювальну речовину, що потрапила до ґрунту, можуть поглинати живі організми. З рослин-автотрофів, що акумулюють забруднювальні речовини, починається забруднення всієї трофічної сітки геосистеми. Накопичення токсичних речовин у живих організмах збільшується з кожним наступним трофічним рівнем). Тому навіть незначна концентрація забруднювальних речовин у рослинах може викликати токсикацію тварин вищих трофічних рівнів.

Завдяки живим організмам забруднення залучається до кругообігу мінеральних речовин, і виведення їх з геосистеми ускладнюється. Однак геосистеми мають певні механізми, що дозволяють їм знешкодити забруднення або вивести їх з кругообігу та з геосистеми взагалі. Сукупність цих механізмів називається самоочищенням геосистем.

Самоочищення геосистем може реалізовуватись у трьох групах процесів: винесення забруднень за межі геосистем ґрунтовими водами, вітром та з урожаєм; зв'язуванням забруднень у важкодоступні (зокрема нерозчинні) форми, так що їх споживання живими організмами стає практично неможливим; розкладання токсичних речовин на сполуки та елементи, які не є небезпечними для живих організмів.

Як умовну форму самоочищення геосистеми можна також вважати концентрацію забруднень на ландшафтно-геохімічних бар'єрах, що розташовані між ґрунтовим профілем та капілярною каймою ґрунтових вод так званому "мертвому горизонті"). Тут забруднювальні речовини можуть накопичуватися в легкорозчинній формі й у значних кількостях, але при цьому вони нешкідливі ні для рослин, ні для ґрунтових вод. Для коренів рослин забруднювальні речовини недосяжні, а проникнення їх до ґрунтових вод блокується ландшафтно-геохімічним бар'єром та (або) непромивним водним режимом геосистеми.

У водних екосистемах, особливо океанічних, процеси накопичення та передачі енергії мають свої структурно-функціональні особливості. Так, життя розподілене в океані дуже нерівномірно. Ще В. І. Вернадський виділяв дві форми концентрації живої речовини: життєві плівки та згущення життя. Життєві плівки охоплюють поверхню і дно океану. На межі газоподібного і рідкого середовищ розташовується планктонна плівка життя, на межі рідкого і твердого середовищ – донна. Згущення життя В. І. Вернадський розділяв на три типи: прибережні, саргасові, рифові. Пізніше були відкриті ще два типи: апвелінгові і гідротермальні рифтові (рис. 2.18). Решта частини океаносфери є зоною розрідження живої речовини.

Плівки і згущення життя в Світовому океані, за А. В. Лапо:

Рисунок 2.18 – Плівки і згущення життя в Світовому океані, за А. В. Лапо:

1 – планктонна плівка життя; II–донна плівка життя; Ш – згущення життя: 1 – прибережне; 2 – саргасове; 3 – рифове; 4 – апвелінгове; 5 – гідротермальне рифове; IV – апвелінг; А – область розрідження живої речовини

Між розподілом біомас планктонної і донної плівок життя у відкритому океані існує тісна кореляційна залежність: акваторіям із високою продуктивністю планктону відповідають ділянки з підвищеною біомасою бенталі.

Для забезпечення екологічної рівноваги всієї біосфери ці плівки і згущування життя в океані відіграють ключову роль. Жива речовина океану робить свій внесок не лише в продукування біомаси, а й у підтримання газового складу атмосфери, регулювання хімічного складу океанічних вод, процесів утворення осадових гірських порід, формування берегів і підводного рельєфу.

Океан неоднорідний і за фізико-географічними умовами. Елементи його структури, що відрізняються за характером природних процесів, розділяють так звані активні граничні поверхні, що є водночас областями біологічних процесів, що бурхливо проходять: контакт поверхневої товщі океану з атмосферою; контакт океану із сушею (морські мілководдя, шельф); контакт океану із дном.

Єдність океану підтримується цілісністю його екологічної системи. Океан заповнений життям від поверхні до максимальних глибин. Проте весь процес біологічного кругообігу починається у верхньому, освітлюваному Сонцем шарі води. Головним виробником первинної біологічної продукції в океані є фітопланктон – мікроскопічні водорості (продуценти), що плавають у товщі фітопланктоном, різних хижаків, що поїдають свої жертви, детрітофагів і мікроорганізмів-редуцентів (рис. 2.19). У ланцюжку харчових зв'язків приріст біомаси кожного подальшої ланки приблизно в 10 разів менший, ніж попередньої (рис. 2.20).

Екологічна система океану. Стрілками показані трофічні зв'язки, кругообіг речовини та енергії (за П. Дювіньо і М. Танг)

Рисунок 2.19 – Екологічна система океану. Стрілками показані трофічні зв'язки, кругообіг речовини та енергії (за П. Дювіньо і М. Танг)

Одна з особливостей техногенезу – активне розсіяння металів, саме тому сьогодні відбувається інтенсивна "металізація" загального фону геохімічного середовища. Більше 30 хімічних елементів небезпечні для морських організмів і людини, причому велику частину становлять перехідні й важкі метали. Багато з них біофільні, тобто морські організми накопичують їх у своїх тканинах, у концентраціях, що у десятки, сотні тисяч разів перевищують вміст металів у морській воді.

Небезпека полягає в тому, що вміст важких металів та отрутохімікатів збільшується з просуванням по трофічному ланцюжку. В 1 кг великої хижої риби їх міститься приблизно стільки ж, скільки їх сконцентровано в 10 000 кг фітопланктону. Порівняно з пірамідою біомас піраміда вмісту важких металів та отрутохімікатів в екосистемі виявляється перевернутою (див. рис. 2.20).

Ця закономірність накопичення забруднювальних речовин і екотоксикантів спостерігається і в наземних системах.

Піраміда чисел в екосистемі океану (за G. М. Woodwell): а – піраміда біомас; б – перевернута піраміда концентрації забруднювальних речовин (ДДТ) у ланках харчового ланцюга

Рисунок 2.20 – Піраміда чисел в екосистемі океану (за G. М. Woodwell): а – піраміда біомас; б – перевернута піраміда концентрації забруднювальних речовин (ДДТ) у ланках харчового ланцюга

 
<<   ЗМІСТ   >>