Современное состояние биосферы и экологическая политика

Ижко Ю. А.

Мы не будем касаться вопросов, связанных с рациональным введением лесного хозяйства, а обратим внимание на то, что человек потерял в результате интенсивной вырубки леса. Способен ли этот процесс внести свой негативный вклад в нарушение принципа Ле Шателье в современной биосфере?

Напомним, что в настоящее время происходит быстрое увеличение в атмосфере концентрации СО₂.

Известно (Лархер, 1978, с. 141), что в процессах фотосинтеза и дыхания обмен углекислоты и обмен кислорода связаны друг с другом. Именно процесс фотосинтеза ответственен за выделение кислорода, который обеспечивает живые организмы нормальным дыханием.

Подсчитано, что наземные и морские (фитопланктон и макрофиты) растения выделяют ежегодно в атмосферу 70 10⁹ т кислорода. На долю леса приходится 55 10⁹ т. В умеренной зоне 1 га леса весной и летом выделяет в среднем 25 кг О₂ в день (Лархер, 1978, с. 143).

Для

последующих оценок будем исходить из представлений, что флору Приморья (да и всего Дальнего Востока) природа (эволюция) запрограммировала такой, которую мы в настоящее время и воспринимаем.

Что же собой представляет программирование урожая? Программирование урожайности отличается как от прогнозирования, так и от планирования. Это заблаговременное предопределение и направление процессов формирования урожая по заранее составленной программе с учетом физико-географических, почвенно-климатических факторов и биологических особенностей культивируемых растений. Точнее, сущность оптимизации программирования заключается в отыскании наивыгоднейшего варианта количественного и качественного сочетания основных факторов внешней среды, когда в каждом конкретном случае обеспечивается наибольшая, экономически целесообразная продуктивность возделываемых культур (Климова с соавт., 1974). Но это прямое участие человека в процессе продуцирования растений.

Можно подойти к пониманию идеи программирования урожаев несколько иначе. За длительный исторический период природа как бы «сама» создала на данной территории такие условия, которые стали наиболее оптимальными для произрастания растений и которые выработали адаптивные механизмы, позволившие им освоить искомую площадь наилучшим образом. Критерием данного «программирования» лесов (до вмешательства человека) было существование в Приморье обильных лесов.

Высокая продуктивность растений возможна при полной обеспеченности их всеми факторами жизни. Первым таким фактором является фотосинтетическая активная радиация (ФАР), которая участвует в процессах фотосинтеза и равна ц=40–50 % от общей, приходящей на данную местность и время, солнечной радиации. Поэтому первым этапом программирования урожая является определение максимально возможного (потенциального) урожая (Y_max), величина которого зависит от приходящей за вегетационный период ФАР и коэффициента (q) использования растениями приходящей ФАР на формирование биомассы (%). ФАР зависит еще и от широты местности, числа суммарной, прямой и рассеянной радиации Солнца и других величин. Этот показатель можно определить в соответствии со следующей закономерностью (Быков и Зеленский, 1982, с. 14–24):

О_фар = О_с, (13)

где Q_c – суммарная (интегральная) радиация Солнца, – коэффициент, равный 0,43-0,49.

Зная ФАР, можно определить коэффициент полезного действия фотосинтеза растений (q = к. п. д.) как долю или процент падающей энергии, которая запасается в конечных продуктах фотосинтеза:

, (14)

где Y_max – фитомасса растений (кг/га), Е – количество заключенной в растении энергии (ккал/кг), и Q_фар – приходящая фар (ккал/га).

Энергетическую эффективность фотосинтеза можно еще выразить как (Быков, Зеленский, 1982, с. 14–24):

q = К_фар Р_погл F_этц W_зам, (15)

где приведенные в (15) зкоэффициенты имеют, соответственно, следующие обозначения – коэффициент перехода от потока суммарной радиации к потоку ФАР, примем равным 0,47; второй коэффициент учитывает долю падающей ФАР поглощенной растениями. Естественно его величина зависит от плотности и структуры (архитектоники) распределения растений, пигмента, физиологического состояния растений и т. д. Примем в среднем за верхний предел поглощения ФАР лесом 0,85.

Третий коэффициент показывает долю ФАР, запасенную в первичных продуктах фотосинтеза (ЭТЦ – электротранспортная цепь).

Известно, что на восстановление одной молекулы СО₂ до уровня углеводов требуется 4 электрона, а перенос каждого из них по ЭТЦ осуществляется эстафетой по Z-схеме двумя квантами света. Квантовый выход фотосинтеза таков, когда количество молекул реагирующего углекислого газа на квант света, который поглощается при фотосинтезе, равен приблизительно 0,25. Следовательно, на восстановление одной молекулы СО₂ расходуется 4 кванта (hv) красного света (Лебедев, 1982, с. 151). Многочисленные экспериментальные определения квантовых выходов фотосинтеза показали, что при восстановлении одной

молекулы СО₂ поглощается 8-12 квантов света, или 8 энштейнов ФАР. Средний энштейн ФАР Солнца соответствует монохроматическому свету с длиной волны 575 нм. Его величина равна 49,7 ккал. При 8-квантовом расходе энергии, затрачивается на восстановление 1 моля СО₂, до уровня крахмала, – 49,7 8 = 397,6 ккал. Калорийность крахмала равна 114 ккал/моль углерода, отсюда эффективность использования ФАР составляет F_эта = 0,286. Четвертый коэффициент в формуле (15) учитывает энергозатраты растения на разнообразные жизненные функции, связанные с дыханием, обменом и передвижением веществ, делением и размножением клеток. При средних температурах 20–25 С эти расходы органического вещества на свету и в темноте составляют приблизительно одну треть того, что первоначально запасается при фотосинтезе. Поэтому искомый коэффициент равен Ж_зап=1 – 0,333 = 0,667. Калорийность сухого вещества фитомассы находится в пределах 4,5 ± 0,5 ккал/г (Быков, Зеленский, 1982, с. 14–24). Рассмотренные величины позволят оценить потенциальную продуктивность (Y_max) растений в любом районе, где имеются данные о приходе солнечной радиации за выбранный промежуток времени (неделя, месяц, вегетационный период). Следует заметить, что показатель Y_max определяется как максимальный прирост сухой фитомассы за исследуемый период времени в расчете на единицу площади произрастания растений.

(16)

где у =10, коэффициент согласованности размерностей в правой и левой частях равенства (16).

По количеству солнечного тепла Приморье занимает одно из первых мест в нашей стране, не уступая даже таким территориям, как Крым и Черноморское побережье Кавказа. За год на территорию Приморья поступает солнечного тепла (110–115 ккал/см²). Наибольший приток солнечного тепла происходит зимой (8085 % от теоретически расчетного количества), потому что в это время отмечается наибольшее количество дней с безоблачным небом. Летом значительная пасмурность и туманы снижают приток прямой лучистой энергии и, наоборот, увеличивают долю рассеянной (которая в это время составляет 40–50 % от суммарной радиации). Общее количество солнечного тепла:

во Владивостоке, окруженном со всех сторон морем, достигает 120 ккал/см²;

в то время как в Санкт-Петербурге оно равно 82 ккал/см²;

в Карадаге (Крым) – 124 ккал/см²;

в Ташкенте – 134 ккал/см².

За год на широте Приморья приход солнечной радиации равен 140–160 ккал/см². Согласно оценкам Н. А. Ефимовой (1966, с. 7077), в муссонных областях Дальнего Востока ФАР уменьшается, по сравнению с другими районами, до 6 ккал/см² в месяц. Примем эту величину равной 6-7ккал/см² в месяц. Калорийность сухого вещества фитомассы по данным В. Лархер (1978, с. 133–134) следующая:

листопадные растения (средняя из данных калорийности листьев, древесных стволов и корней) – 4,4 ккал/г;

хвойных (хвоя и ствол) – 4,85 ккал/г.

Мы взяли для расчетов величину, равную 4,5 ккал/г. Тогда, в соответствии с формулой (16), имеем

Таким образом, при всех прочих оптимальных условиях, леса Приморья способны продуцировать максимально возможную фитомассу в абсолютно сухом измерении 216–252 ц/га в месяц. Если перевести эти величины в сырой вес (влажность 90–95 %), то цифра увеличится до 1971–4104 (при ФАР 6 ккал/см²) и 22684788 ц/га (при ФАР 7 ккал/см²) в месяц. Такой выход продукции в реальных условиях не достижим в силу того, что существуют объективные факторы, влияющие на снижение интенсивности продуцирования растений:

не всегда оптимальная в кронах концентрация СО₂;

фактор влагообеспеченности растений;

колебание ФАР (облачность и др.);

неустойчивость температурного режима (сумма активных температур);

эдафическиее условия (лимит NPK) и другие причины.

Примем за среднюю фитомассу леса величину из трех величин пород деревьев, исчисленную нами выше (хвойные, кедр, твердолиственные) – 889 ц/га. Видно, что максимально возможный урожай превышает ее в 2–5 раз. Способов увеличить продуктивность леса, как это практикуется в отношении сельскохозяйственных культур, нет. Поэтому ее величина была предопределена всей историей воспроизводства растений на этой широте. Исходя из этих данных, можно утверждать, что неразумные эксперименты с лесом чреваты серьезными последствиями для его дальнейшей судьбы. Пожары, вырубки и другие вмешательства в жизнь леса, исходя из не очень высокой его воспроизводительной способности быстро наращивать фитомассу, – очень опасны.