Человечество скоро столкнется с нехваткой ресурсов

Распределение величины чистой первичной продукции (кг углерода на 1 кв. м за год) в 2002 году

Распределение величины чистой первичной продукции (кг углерода на 1м2 за год) в 2002 году. Оценки приведены по спектрорадиометрическим данным, полученным с помощью аппарата MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). Очевидно, что наиболее продуктивные районы — те, где произрастают влажные тропические и субтропические леса. Из статьи: Running, et al., 2004

Чистая первичная продукция суши (прирост массы всех растений за определенное время) — важнейший параметр, определяющий возможности дальнейшего увеличения численности людей на Земле. Некоторый запас пока еще не использованной первичной продукции есть, но хватит его в лучшем случае на несколько десятилетий.

Сорок лет назад, в 1972 году, была опубликована получившая всемирную известность работа Донеллы Медоуз, Денниcа Медоуза, Йоргена Рандерса (Jørgen Randers) и Уильяма Беренса «Пределы роста» (“The Limits to Growth”). Опираясь на довольно простые (с современных позиций) модели, Медоуз и ее соавторы пришли к заключению, что в течение первых десятилетий XXI века на Земле начнет сказываться нехватка ресурсов, ключевых для дальнейшего существования человека.

Ряд публикаций последних лет, в общем, подтверждает справедливость сделанного прогноза. Йохан Рокстрём (Johan Rockström) из Стокгольмского института окружающей среды (Stockholm Environment Institute) вместе с большой группой коллег в 2009 году предложили понятие «планетарных границ» (planetary boundaries) для обозначения девяти измеряемых переменных величин, определяющих пригодность Земли для обитания человека. Эти переменные включают:
    1) изменениe параметров климата (содержания в воздухе СО2 и потока энергии, который нагретая солнцем Земля переизлучает в космос);
    2) скорость потери биоразнообразия (число вымерших видов в расчете на миллион видов за год);
    3) изменения в глобальных круговоротах азота (количество азота, изымаемого человеком из атмосферы для своих нужд) и фосфора (количество фосфора, выносимого реками в океан и таким образом утерянного для дальнейшего использования человеком);
    4) скорость разрушения озонового слоя стратосферы;
    5) скорость закисления океана;
    6) расходование человеком запасов пресной воды на суше;
    7) изменения в использовании земли (процент земной поверхности, превращенный в поля);
    8) рост содержания аэрозолей в атмосфере (особенно в некоторых районах);
    9) рост химического загрязнения окружающей среды (органические поллютанты, пластик, тяжелые металлы, радиоактивные материалы и т. п.).

Отдельные сектора диаграммы — это переменные, определяющие планетарные границы (planetary boundaries) возможного существования человека на Земле

Отдельные сектора диаграммы — это переменные, определяющие планетарные границы (planetary boundaries) возможного существования человека на Земле (подробности см. в тексте). Красный сектор слева — «Потеря биоразнообразия» (Biodiversity loss). Далее по часовой стрелке: «Содержание аэрозолей в атмосфере», «Химическое загрязнение», «Изменение климата», «Подкисление океана», «Разрушение озонового слоя стратосферы», «Цикл азота» (показан красным) и «Цикл фосфора», «Расходование запасов пресной воды», «Изменения в использовании земли». Зеленым кружком в центре показана область значений всех переменных, гарантирующая успешное выживание человека. Красным цветом показано текущее значение каждой переменной (для некоторых его еще нельзя установить). Граничные значения трех переменных (скорость утраты биоразнообразия, изменение климата и воздействие человека на цикл азота), уже превышены. Из статьи: Rockström, et al., 2009

Далеко не всем переменным, обозначенным Рокстрёмом и его соавторами, легко дать количественные оценки, по крайней мере в настоящее время. А невозможность оценки существенно затрудняет использование этих величин для дальнейшего прогноза. Однако, как показал недавно Стивен Раннинг (Steven W. Running) из Университета Монтаны (Миссула, Монтана, США), вместо нескольких предложенных ранее переменных можно использовать одну, гораздо более точно измеряемую, а именно величину чистой первичной продукции (Net Primary Production, NPP) суши. На суше основные продуценты — это высшие растения, а их чистая продукция — это количество связанного в процессе фотосинтеза углерода (в виде СО2) минус то его количество, которое выделилось в процессе дыхания самих автотрофов. Иными словами, чистая первичная продукция — это реальный прирост массы растений. Очевидно, что за счет потребления чистой первичной продукции и существуют все растительноядные животные и человек.

Для оценки глобальной, то есть относящейся ко всему земному шару, чистой первичной продукции в настоящее время используют полученные дистанционно (со спутников) данные о площади и плотности растительного покрова, а также подробные сведения о погодных условиях в той или иной местности, поскольку они нередко ограничивают рост растений. Подчеркнем, что состояние растительного покрова оценивалось для всей поверхности суши, включая как участки нетронутой природы, так и земли, возделываемые человеком. Данные за 1982–1993 гг. показали небольшое увеличение чистой первичной продукции, но за период 2000–2010 гг. она несколько уменьшилась. В целом, согласно имеющимся данным, можно с уверенностью говорить, что в течение последних 30 лет годовая чистая первичная продукция суши составляла 53,6 Пг (петаграмм, 1015 г, или, что тоже самое — миллиардов тонн) углерода. При этом колебания год от года не превышали 1 Пг, то есть были около 2% от средней. Столь низкая вариабельность этой величины на самом деле неудивительна и свидетельствует о значительном постоянстве (на протяжении по крайней мере 30 лет) основных факторов, ее определяющих. Так, общее количество солнечного излучения, получаемого Землей, год от года варьирует в пределах 0,001%. Общее количество выпадающих на континентах осадков тоже оказывается довольно постоянным, меняющимся год от года в пределах 2%, хотя по отношению к отдельным местностям колебания эти, как мы все хорошо знаем, могут быть весьма значительными.

Диаграмма, показывающая соотношение доступной и недоступной для использования чистой первичной продукции суши

Диаграмма, показывающая соотношение доступной и недоступной для использования чистой первичной продукции суши (NPP — Net Primary Production): 1) изымаемой человеком чистой первичной продукции (Human appropriation of NPP); 2) доступной, но еще не изымаемой чистой продукции (Available); 3) недоступной для использования чистой продукции, находящейся в подземных органах растений (Belowground NPP); 4) недоступной чистой первичной продукции (национальные парки, заповедники, труднодоступные районы). Величины чистой первичной продукции (NPP) приведены в Pg (петаграммах, 1015 г) углерода за год. Площади, к которым относится оценка NPP, — в миллионах км2. В изымаемой продукции приведены отдельно цифры для полей (Agriculture) и не возделываемых земель (пастбища и места сбора топлива). Обратите внимание, что доля доступной, но пока еще не изымаемой человеком чистой первичной продукции, очень невелика — около 10% (в абсолютных цифрах это 5 Pg C). Из обсуждаемой статьи в Science

Постоянство величины чистой первичной продукции суши свидетельствует о том, что ожидать значимого прироста этой величины (а следовательно, и существенного увеличения производства пищи) не приходится. По расчетам многих авторов к 2050 году численность народонаселения возрастет на 40%. Но вопрос в том, сможет ли такую нагрузку вынести биосфера. Еще пять лет назад считалось (см. Habert et al., 2007), что в 2000-е годы человечество изымало с суши за год 15,5 Пг углерода (или 23,8% всей чистой первичной продукции суши). Однако в работе этого года, выполненной при участии Раннинга, указывалось уже на то, что человечество изымает для своих нужд 38% чистой первичной продукции. Считается, что оставшиеся 62% (а это около 38 Пг углерода в год) достанутся следующим поколениям. Но на самом деле 53% всей чистой первичной продукции не могут быть использованы, поскольку представлены продукцией подземных органов (прирост корней), а также продукцией растительности на территории национальных парков и труднодоступных территорий. Поэтому на самом деле в распоряжении человека остается всего 5 Пг углерода в год, или примерно 10% всей чистой первичной продукции суши.

Под сельское хозяйство сейчас занято 34% территории суши, а увеличение этой доли может быть только очень незначительным, в основном в Африке и Южной Америке. В ряде случаев, прежде всего в областях, занятых влажными тропическими лесами, первичная продукция на возделываемых землях значительно меньше той, что была свойственна природным экосистемам, существовавшим на этом месте раньше, но представлена она компонентами, имеющими для человека в данный период времени большую ценность. Однако в случае засушливых земель орошение и применение удобрений позволяют увеличить чистую первичную продукцию в несколько раз по сравнению с исходной.

Более точный прогноз требует введения целого ряда предположений, однако вопрос о том, будет ли достигнут допустимый предел в использовании чистой первичной продукции, уже не стоит. Вопрос заключается в том, когда он будет достигнут. Наиболее часто даваемые прогнозы — это несколько десятилетий.

Источник: Steven W. Running. A measurable planetary boundary for the Biosphere // Science. 2012. V. 337. P. 1458–1459. DOI: 10.1126/science.1227620.

См. также:
1) Johan Rockström, Will Steffen, Kevin Noone, et al. A safe operating space for humanity // Nature. 2009. V. 461. P. 472–475. DOI:10.1038/461472a.
2) Helmut Haberl, K. Heinz Erb, Fridolin Krausmann, et al. Quantifying and mapping the human appropriation of net primary production in earth's terrestrial ecosystems // PNAS. 2007. V. 104. P. 12942–12947. DOI: 10.1073/pnas.0704243104 (вся статья в свободном доступе).
3) Steven W. Running, Ramakrishna R. Nemani, Faith Ann Heinsch, et al. A continuous satellite-derived measure of global terrestrial primary production (PDF, 1,7 Мб) // BioScience. 2004. V. 54. P. 548–560.

Алексей Гиляров


6
Показать комментарии (6)
Свернуть комментарии (6)

  • glagol  | 17.10.2012 | 10:57 Ответить
    Ничуть не пытаясь поставить под сомнение научную достоверность и значимость статьи, хочу отметить, что прогнозы о скором исчерпании ресурсов (особенно продовольственных) делались неоднократно - как минимум, начиная с Мальтуса. В середине двадцатого века казалось, что скоро с продовольствием все будет совсем плохо- и тут подоспели сорта Нормана Борлоуга и грянула очередная "зеленая революция". Так, может быть, и сейчас первичную продукцию удастся увеличить - генная инженерия, борьба с эрозией, аквакультура, то-сё - глядишь, и пронесет? А там, глядишь, замедлится рост населения и подоспеет еда "из пробирки".
    Ответить
  • festival  | 17.10.2012 | 18:42 Ответить
    С сушей понятно, но ресурсы океана ни как не учитываются.
    Ответить
    • Скеп-тик > festival | 17.10.2012 | 20:07 Ответить
      Океан уже пустыня. Только север Тихого океана практически закрыт американским военным флотом и лососина первой свежести есть. А так китов выели, анчоусы по списку, акул доедают. Осталось чуть-чуть вокруг Антарктиды дочистить - и кроме нефти, в океане ничего не останется.
      Ответить
    • Алексей Гиляров > festival | 17.10.2012 | 20:45 Ответить
      Первичная продукция океана очень низкая. Огромные акватории центральных областей всех океанов - это фактически пустыня. Там наблюдается резкая нехватка фосфора и азота в минеральной форме - отсюда крайне низкая продукция фитопланктона. Области достаточно высокой продуктивности занимают очень небольшую площадь, а в сравнении с сушей и там продукция невысокая. Это когда я учился в университете (1960-65 гг.) проф. Лев Александрович Зенкевич уверял нас, что океан прокормит человечество. Этот оптимизм основывался на том, что высокие оценки первичной продукции, полученные на биостанциях в прибрежных водах, относили ко всей акватории Мирового океана. Почти никто тогда и не предполагал, что океан довольно пустой на большей части своей площади. См. карту: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Seawifs_global_biosphere.jpg
      Кроме того, существует такая вещь как максимально допустимая плотность хлорофилла на единицу поверхности (неважно - океана или суши), лимитированная самозатенением...
      Ответить
      • glagol > Алексей Гиляров | 18.10.2012 | 21:46 Ответить
        На качественном уровне все это верно. Но тут тоже надо посчитать - когда наступит этот лимит. Кажется, на порядок повысить первичную продукцию по сравнению со среднестатистической удается. Если, например, получить хороший источник энергии (термояд?), то можно в теплицах выращивать урожай круглогодично.

        А что касается океана - во-первых, можно есть больше водорослей (а не только рыбу, мидий и креветок). Подселить всем японских бактерий - и вперед! А во-вторых, океан ведь можно и удобрить. Страшновато, конечно, но если жизнь заставит - может, и придется...Тут опять же вопрос в допустимых пределах - сколько для этого азота можно забрать из атмосферы? есть ли где взять фосфор? будет ли рентабельно для этого поднимать глубинные воды и ил со дна?

        В целом, мне кажется, при нынешней скорости развития науки и техники трудно даже на 50 лет вперед предсказать, какой может быть найден выход. То, что в принципе можно повысить первичную продукцию - по-моему, очевидно. Другой вопрос - будет ли это сделано, или все деньги уйдут на военные расходы в связи с популярными прогнозами политологов, что грядет война за ресурсы, и разными привходящими обстоятельствами.
        Ответить
        • Aab > glagol | 21.10.2012 | 18:19 Ответить
          == Если, например, получить хороший источник энергии (термояд?), то можно в теплицах выращивать урожай круглогодично. ==

          Если энергия будет дешёвой, то много чего можно вытворять. Можно делать азотную кислоту, минуя аммиак, из азота и кислорода (и воды - потом). Собственно аммиак тоже можно так делать (хотя реакция его получения и экзотермическая, в отличии от первого случая). Можно делать синтез-газ из смеси CO2 и Н2. Можно воду разлагать на кислород и водород.

          Но только к 2050 году самые ярые оптимисты ожидают термоядерного чуда в негомеопатических количествах.

          == или все деньги уйдут на военные расходы в связи с популярными прогнозами политологов, что грядет война за ресурсы, и разными привходящими обстоятельствами. ==

          И начнётся глобальная "оптимизация" численности населения?

          ЗЫ А с фосфором, я читал, лет через 30 придётся что-то кардинальное предпринимать :(
          Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»