О влиянии биологической продуктивности суши, морей и океанов на продовольственную безопасность

Проблемы, возникающие в отношении биологической продуктивности суши, морей и океанов, на первый взгляд могут показаться узконаправленными, а потому не столь актуальными на фоне политического и экономического обострения современной международной обстановки. Однако, именно биологическая продуктивность является тем определяющим фактором, обуславливающим возникновение и эскалацию подавляющего большинства конфликтов и противоречий в современном обществе. Сказанное обосновывается прямой зависимостью развития человечества от наличия, доступности и безопасности продуктов питания, то есть от ресурсов, непосредственно обеспечивающих жизнедеятельность человечества.

Под биологической продуктивностью понимается воспроизведение биомассы растений, микроорганизмов и животных, входящих в состав экосистемы.

Этот показатель реализуется через воспроизведение видовых популяций растений и животных, происходящее с некоторой скоростью, что выражается продукцией за год на единицу площади (для наземных и донных водных организмов) или на единицу объема (для организмов, обитающих в толще воды и в почве).

Биологическая продуктивность тесно связана с тем потоком энергии, который проходит через ту или иную экосистему, причем часть приходящей энергии попадает в трофическую сеть и накапливается в виде органических соединений. Образующееся органическое вещество, создаваемое продуцентами в процессе фотосинтеза и хемосинтеза представляет из себя первичную продукцию экосистемы (сообщества), количество которой выражается в сырой или сухой массе растений, а также в энергетических единицах – эквивалентном числе калорий или джоулей.

С теоретической точки зрения возможная скорость образования первичной биологической продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. Однако, лишь определенную часть, а именно – 44% солнечного излучения, можно отнести к фотосинтетически активной радиации (ФАР), то есть только это количество энергии света может быть использовано для фотосинтеза растениями. Коэффициент же полезного действия в природе составляет не более 10-12% ФАР, что представляет собой только половину от теоретически ожидаемого.

Количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами, называется вторичной продукцией, так как сами гетеротрофы осуществляют процесс своей жизнедеятельности за счет первичной продукции сообщества. Вычисляют вторичную продукцию отдельно по каждому трофическому уровню на том основании, что прирост массы на каждом из них происходит с помощью энергии, поступающей с предыдущего уровня [3].

Человечество, как неспособное продуцировать необходимые ему органические вещества из неорганических (азота, углерода, кислорода и т.д.), относится к гетеротрофным организмам и непосредственно зависит от первичной продукции Земли, которая является основой существования жизни для всех гетеротрофов (животных, микроорганизмов, некоторых видов грибов).

Пищевой рацион людей зиждется на потреблении сельскохозяйственных культур, которые сегодня, по оценкам ученых, занимают 10% площади Земли, что недостаточно для полноценного существования и развития человечества. Причем, ежегодный прирост столь значимых для нашего существования культурных растений составляет приблизительно 16% общей продуктивности суши. Здесь важным является тот факт, что большая часть последнего показателя приходится не на продуктивность сельскохозяйственной промышленности, а на продуктивность лесов, и только половина получаемого человечеством урожая приходится на продукты питания людей, оставшаяся часть расходуется на корм домашним животным, на нужды промышленного производства и теряется в различного рода отходах. В итоге, человечеством потребляется всего лишь 0,2% первичной продукции Земли. Общая совокупность биологических ресурсов нашей планеты, включая продукцию животноводства и морского и океанического промысла, сегодня могут полноценно обеспечить лишь половину населения мира.

Исследования, проводимые научным сообществом с 1950 года, свидетельствуют о том, что наибольшее падение среднегодового производства продовольствия наблюдается в африканских странах (где проживает каждый седьмой житель планеты). Здесь в период с 1960 года по 1988 год среднее производство продовольствия на душу населения упало на 21%. Перманентность данной тенденции явилась одной из основополагающих причин принятия документа международного уровня, который носит название «Римская декларация о всемирной продовольственной безопасности и План действий Всемирной встречи на высшем уровне по проблемам продовольствия» и был одобрен Комитетом по всемирной продовольственной безопасности и на Всемирной встрече по проблемам продовольствия на высшем уровне 13 ноября 1996 года в Риме. Данный саммит проводился по инициативе Продовольственной и Сельскохозяйственной Организации ООН. Лейтмотивом выступала идея о том, что каждый житель планеты «должен иметь право на доступ к безопасным для здоровья и полноценным продуктам питания, в соответствии с правом на адекватное питание и основным правом каждого на свободу от голода» [2].

Очевидно, что именно биологическая продуктивность лежит в основе обеспечения продовольственной безопасности на уровне как отдельных государств, так и мирового сообщества, и потому заслуживает особого внимания. Считаем, что для выдвижения научных гипотез, способных принести ощутимую пользу человечеству в реальности, необходимо проанализировать факторы, от которых биологическая продуктивность суши и водных пространств нашей планеты находится в непосредственной зависимости.

С целью генерирования продукции любая экосистема нуждается в наличии и выполнении определенных условий. Для сообщества суши наличествующие факторы - это водные ресурсы, солнечный свет, углекислый газ и элементы питания почвы. В качестве условного фактора выступают сукцессионные процессы.

Доступность углекислого газа составляет примерно 0,3% от общего состава газов атмосферы. Природные колебания данного показателя незначительны и не оказывают существенного влияния на биологическую продуктивность суши.

Солнечный свет – показатель, подверженный существенным вариациям в отношении интенсивности и длительности экспозиции, что зависит от географической широты местности, климатического пояса и высоты над уровнем моря. Здесь также необходимо учитывать такой показатель, как солнечная радиация (хотя считается, что он незначительно влияет на биологическую продуктивность).

Принципиальными факторами, влияющими на биологическую продуктивность, являются влажность и температура. Следующими в иерархии выступают элементы минерального питания и сукцессии. Большое потребление воды растениями связано с технологией потребления ими углекислого газа, осуществление которой возможно только при открытых порах растения (устьицах), расположенных на эпидермисе листовых пластин, через которые и протекают процессы испарения (транспирации) и газообмена с окружающей средой. Вода имеет значение и для поддержания процесса фотосинтеза, входит в состав протоплазмы, влияет на метаболизм, но на эти цели растения расходуют ее незначительное количество. Показатели транспирирования воды растениями достигают от 50 грамм до 1 000 грамм на каждый грамм произведенной чистой продукции, что обосновывает первостепенную значимость влаги для протекания процессов биологической продуктивности суши.

Производительность имеет свои особенности в зависимости от климатической зоны. Более того, в засушливом (аридном) климате наблюдается почти прямая пропорциональная зависимость между количеством выпавших осадков и величиной чистой первичной продукции – по мере увеличения количества осадков возрастает количество производимой экосистемой суши продукции. Однако эта зависимость исчезает во влажных лесных районах, где продуктивность возрастает лишь до определенного предела, а затем практически не изменяется. Дополнительное влияние здесь оказывают показатели годового цикла температур, сезонного распределения осадков, уровня плодородия почвы, сукцессии.

В аридном климатическом поясе общее количество воды, которое почва теряет в процессе транспирации (эвапотранспирация), и испарение влаги с поверхности почвы может равняться сумме выпавших осадков. В более влажном климате такой зависимости нет, здесь эвапотранспирация меньше и возрастает по мере повышения температуры.

Чистая первичная продуктивность спелых лесов умеренного климата колеблется от 1 200 до 1 500 г/м2год. Для тропических лесов этот показатель больше – 3 000 г/м2год, а в холодном и засушливом климате – меньше. Ученые предлагают в качестве норматива использовать диапазон от 1 000 до 2 000 г/м2год. Также они выделяют четыре уровня первичной чистой продукции наземных ценозов: высокий – от 2 000 до 3 000 г/м2год (некоторые продуктивные сельскохозяйственные культуры, тропики); нормальный – 1 000 – 2 000 г/м2год (высокоурожайные культуры умеренной зоны, большинство лесов); средний – 250 – 1 000 г/м2год (зерновые культуры, злаковники, редколесье); низкий – от 0 до 250 г/м2год (тундра, пустыни и полупустыни). Несмотря на то, что высокая продуктивность является наиболее желательной, для человека подобные показатели имеют противоречивое значение. С одной стороны, существуют некоторые наземные экосистемы с высокой биологической продуктивностью, и без изменения температурного режима, периода и интенсивности освещенности, а также содержания углекислого газа в атмосфере, без значительных материальных затрат можно получать невероятно большие урожаи. С другой стороны, сообщества с наивысшей биологической продуктивностью занимают незначительную площадь планеты и практически все они уже освоены, интенсивно используются и заняты высокотехнологичными сельскохозяйственными культурами. Для того, чтобы достичь показателей высокой продуктивности, необходимо воссоздавать соответствующие условия искусственным путем, а это – высокие энергозатраты, перманентное орошение, дорогостоящие средства защиты и удобрения, специализированные сорта растений.

Однако большую часть нашей планеты занимают открытые океанические пространства, покрываемые планктоном. Именно поэтому последний представляет особый интерес с точки зрения биологической продуктивности.

Планктон представляет собой фотосинтезирующее сообщество из суспензии клеток в приповерхностных водах морей и океанов. Более точное название планктона – фитопланктон. Оценка биологической продуктивности, в данном случае, производится в столбе воды ниже одного квадратного метра поверхности открытого моря. Условия, необходимые для продуктивности, имеются только в верхней части этого столба. Объясняется это тем, что солнечный свет способен проходить только на небольшое расстояние (в верхнюю часть столба воды). Однако светопроницаемость в различных климатических условиях значительно отличается. Например, в тропиках свет может проникать на глубину более 100 метров. Для удобства проведения исследований введено понятие компенсационной точки, в которой световой энергии достаточно для того, чтобы фотосинтез был равен расходам на дыхание. Компенсационная точка принимается за нижнюю границу продуктивного горизонта. Интенсивность освещения в этой точке будет колебаться и зависеть от ряда факторов (состояния растений, состояния среды, времени проведения наблюдения), но может быть условно принята в 1% от полного дневного света, что аналогично освещенности суши под пологом леса.

В открытом океане глубина проникновения света зависит от поглощения света сестоном (который включает в себя планктон и мертвые организменные частицы) и самой водой. Понятно, что чем больше продуктивность планктона, тем больше масса сестона и тем меньше световая проницаемость воды.

Интересным является тот факт, что ни на суше, ни на открытых водных пространствах нет прямой зависимости между интенсивностью солнечного освещения и интенсивностью протекания процесса фотосинтеза. Более того, в условиях нарастания освещения, фотосинтез имеет тенденцию к замедлению.

Чистая продуктивность океана оценивается в 0,64 г/м2день сухого органического вещества. Чистая продуктивность – это скорость накопления органических веществ, исключая расходы энергии растений на дыхание.

Продуктивность морей подвержена влиянию зимних и весенних периодов. Зимой, когда интенсивность освещения ниже, продуктивность падает, а с приходом весны, когда наблюдается повышение перемешивания вод - возрастает.

Средняя годовая продуктивность для открытых вод морей и океанов колеблется в зависимости от климатического пояса в пределах 40-160 г/м2год сухого вещества.

Влияние температурного фактора на производительность водных поверхностей неоднозначно, так как в процесс образования планктона вмешиваются такие факторы, как стратификация вод, опускание планктона в более нижние водные слои, скорость поедания планктона морскими животными.

В открытом океане, независимо от климатического пояса и географической широты, продуктивность низкая. Этот показатель повышается на мелководье континентального шельфа, где доступ к элементам минерального питания проще, а температура прогревания воды выше. За пределами континентального шельфа на пространствах с подъемом глубинных вод и непосредственно на континентальном шельфе продуктивность планктона составляет 400-600 г/м2год. Там же, где глубинные воды поднимаются вдоль береговой линии в пределах континентального шельфа, продуктивность достигает значений в 1 000 г/м2год и более. Наиболее продуктивные морские территории располагаются в краевых частях океанов.

Цифровые данные биологической продуктивности морей, океанов и суши, а также факторы, определяющие их значение, представляются интересными потому, что могут выступать в качестве ориентировочных значений в ходе решения проблем продовольственного обеспечения населения, как отдельных стран и регионов, так и в глобальном масштабе. И если в отношении повышения биологической продуктивности суши используются известные методики селекции специализированных сортов растений, орошения и внесения определенных удобрений, то величина рыбных уловов находится в определенной зависимости от продуктивности планктона, на которую мы сегодня не оказываем положительного влияния. В свою очередь, планктон представляет собой питательную среду для значительного количества водных млекопитающих, рыб, дельфинов, китов, кораллов, губок, ракообразных, морских лилий и т.д. Однако, человечество использует сегодня приблизительно 1% биологической продуктивности водных поверхностей планеты в качестве отлова рыбы и увеличения этого показателя в ближайшее время не ожидается.

Необходимо заметить, что биологическая продуктивность суши и водных акваторий неразрывно связны. По нашему мнению, признаки наблюдаемой в последнее время экологической катастрофы, вызваны агрессивным использованием высокотехнологичных методов получения сельскохозяйственной продукции, что оказывает влияние на продуктивность планктона в большей степени, чем все рассмотренные выше факторы.

В связи со сказанным в отношении биологической продуктивности, грядущей актуальной проблемой для человечества является агрессивное антропогенное воздействие на окружающую среду, и главной задачей здесь является переориентация на биогенный потенциал различных экосистем, смысл которого поясним ниже.

Сегодня основным документом, устанавливающим направления решения продовольственной безопасности России, является «Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации», утвержденная указом Президента Российской Федерации 30 января 2010 года № 120 (далее - Доктрина). Именно здесь сказано:   «Стратегической целью продовольственной безопасности является обеспечение населения страны безопасной сельскохозяйственной продукцией, рыбной и иной продукцией из водных биоресурсов „. и продовольствием» [1].

В Доктрине говорится о наличии следующих рисков в отношении продовольственной безопасности нашей страны:

• -    снижения инвестиционной привлекательности реального сектора экономики и конкурентоспособности отечественной продукции;

• -    повышения зависимости отечественной экономики от внешнеэкономической конъюнктуры;

• -    отставания нашей страны от технологического развития других государств;

• -    колебания рыночной конъюнктуры и применения мер государственной поддержки в зарубежных странах;

• -    неблагоприятных климатических изменений и чрезвычайных ситуаций техногенного характера.

Практически все риски, за исключение последнего, зависят от международной политической обстановки, обуславливающей экономическое взаимодействие на международном уровне. Данная зависимость ослабляет наши возможности по обеспечению собственного населения продуктами питания. Только последний вид риска - климатические изменения - имеет отношение к факторам, оказывающим влияние на рассмотренную выше биологическую продуктивность, от которой зависит наша жизнедеятельность. Подчеркнем, именно «имеет отношение», так как существенным фактором является сам климат, а изменения обычно носят фрагментарный характер.

Указанные риски определяют меры государственного регулирования, направленные на преодоление низкого уровня покупательной способности населения; недостаточного уровня развития инфраструктуры; ценовых диспропорций сельскохозяйственной и рыбной продукции и материальнотехнических ресурсов; низкой инвестиционной и инновационной активности в сфере производства продуктов питания; дефицита квалифицированных кадров; конкурентных преимуществ зарубежной продукции. Как видно, к биологической продуктивности имеет отношение только инновационная активность, то есть активность, прежде всего, научного сообщества в решении проблем обеспечения продуктами питания нашего населения. Однако, все инновации, которые были сделаны в последние десятилетия, имеют неоднозначное значение, так как носят техногенный характер, то есть являются результатом применения производственных технологий. Последние уже оказали и продолжают оказывать разрушающее, в плане экологической безопасности, воздействие на окружающую среду и биологическую продуктивность.

Вышеотмеченное еще раз обосновывает постулат о неразрывной связи продовольственной безопасности и природной биологической продуктивности, образующей замкнутую систему в пределах планеты. Недостаточное внимание со стороны государства к данному вопросу (а мы видим, что в законодательных документах о проблемах биологической продуктивности напрямую речи сегодня не идет), может свести на «нет» все усилия нашего общества по обеспечению соответствующей безопасности.

Со своей стороны, мы предлагаем объединить усилия законодательных органов и научного сообщества и переориентировать решение данных вопросов на естественный биогенный путь развития экосистем, непосредственно связанный со стимулирующим воздействием на живые организмы рассмотренных факторов: влажности; содержания углекислого газа; интенсивности и продолжительности солнечного освещения; географического местоположения. Значительных экономических вливаний данное направление не потребует (за исключением финансирования научных исследований и наблюдений). Необходимо всего лишь грамотно рассчитать продуктивность суши и водных ресурсов наших регионов, определив соответствующий усредненный показатель. Далее работа ученых будет заключаться в тщательном подборе сельскохозяйственных культур, которые способны обеспечивать максимальную биологическую продуктивность без изменения внешних факторов. Положительный результат также может привнести селекционная работа, которая, однако, может потребовать значительного времени.

Данный подход, непроизвольно, будет способствовать решению экологических проблем, повысит природную биологическую продуктивность и позволит, в относительно короткие сроки, решить продовольственные проблемы нашей страны.