Пик ресурсов 8: Хлеб-соль

Первичный океан, по нынешним меркам был практически пресным. Собственно говоря, то, что мы сейчас называем физиологическим раствором, и представляет из себя точный слепок того, что представлял из себя этот первичный мегаокеан. 0,9% массовой доли NaCl — это именно тот состав, который имел тот древний океан, который и был для нас первичным домом. Гипотеза панспермии, если вы хотите верить в неё, в том числе, кстати, должна объяснить и этот факт — ведь вся наша внутренняя среда приспособлена именно к условиям Мировии, а не некоего гипотетического океана на далёкой Альфе Центавра.

Сейчас же ситуация в Мировом океане поменялась радикально. Солёность вод, монотонно увеличивающаяся за счёт постепенного сноса минеральных веществ с суши, сейчас уже составляет около 3,5%. Меряется она в промилле (‰) или в "тысячных процентах" и, конечно, немного отличается в разных местах нашего шарика. Однако, в целом, картина для современной биосферы выглядит достаточно безрадостной — 97,5% всей находящейся на планете Земля воды практически нереально впрямую включить в биологический оборот:

Поэтому, всё последующее изложение этой статьи и будет крутиться вокруг магического треугольника "хлеб-соль-вода". Который, к сожалению, гораздо более жёсток и гораздо более жесток, нежели простенькие проблемы современного человечества с бензином и электроэнергией...


Теперь, памятуя о том, что кроме солнца, нам для существования биосферы в её современном виде, надо ещё и достаточные количества пресной воды, взглянем на картинку чистой первичной продуктивности биосферы (NPP — net primarily production) в целом по миру.
Эта картинка показывает нам, сколько могут связать в биологические соединения её основные первичные продуценты — высшие растения, мхи и водоросли. 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 всех растений.

Очевидно, что именно за счет потребления чистой первичной продукции и существуют все растительноядные животные и, опосредованно, и сам человек:

Треть территории суши представляет собой классический мир "Дюны" Херберта — минимум биологической продуктивности, несмотря на максимум солнечной радиации, падающей на эти выжженные квадраты земной поверхности. Нет воды — и любые биологические фокусы и уловки не действуют, а жизнь превращается в выживание, которое никак не может обеспечить фиксацию сколь-либо заметных количеств солнечной энергии в связанный углерод растений, выдавая на-гора "ноль целых и ноль десятых" килограмм биологического углерода в год. Аналогичная картина наблюдается и там, где вода находится в твёрдом виде льда или снега — полярные пустыни Антарктиды или Гренландии столь же безжизненны, как Сахара или пустыня Гоби.

Кроме того, понимающие люди могут оценить и абсолютную величину первичной продуктивности по углероду. Максимум, что можно выжать в год из квадрата земной поверхности в естественных условиях — это всего лишь 2,5 килограмма связанного углерода. И максимальная продуктивность у нас связана отнюдь не с агроценозами, в которых растёт столь милая человечеству пшеница или кукуруза, а со столь экзотическими системами, как коралловые рифы, болота и тропические леса:

Продуктивность агроценозов находится на весьма скромном уровне — всего лишь в пределах 500-600 граммов углерода на квадратный метр в год. Даже тайга или умеренный лиственный лес дают в полтора-два раза больше углерода (в пределах от 700 до 1200 грамм в год). Другой вопрос, что есть целлюлозу человечество пока не научилось, поэтому леса вырубаются и замещаются пастбищами или пашнями вот уже без малого около 10 000 лет.

Показательна и третья часть картинки — сколько составляет вклад каждого из биоценозов в общий баланс первичной продукции биосферы. Как видите, здесь пальму первенства уверенно держат тропический влажный лес и открытый океан, каждый из которых ответственнен за почти четверть от общей первичной продуктивности биосферы. Вместе же Мировой океан (глубоководные участи и шельф) и тропические леса выдают чуть более половины всего мирового NPP.

Пашни, самые ценные земли, разобранные здесь, обеспечивают всего лишь около 5% от общей первичной чистой продукции биосферы. Занимая при этом и того меньше — всего лишь 2,7% от общей поверхности Земли. На первый взгляд — перспектива роста здесь несомненна, чистая продукция планеты ещё на порядок больше!
Однако, надо понимать, что данная идиллия очень обманчива.
Свободной чистой продукции, которая может быть легко утилизована человеком вдобавок к уже им используемой, на самом деле на планете гораздо меньше. И связано это с двумя малоприятными факторами.

Во-первых, из чистой первичной продукции Мирового океана человек утилизирует лишь очень скромную её часть и пока не видно массовых прорывных технологий, которые могут сколь-либо эффективно включить Мировой океан в антропогенный оборот биомассы (хотя экологи, конечно скажут: "ну и слава богу, сволочи!"). В последнее время человечество понемногу переходит к разумной аквакультуре, но, на деле, это лишь первые робкие шаги перехода от собирательства и охоты, которыми, по факту, является промысел морских рыб и моллюсков к нормальным формам хозяйствования в условиях водной среды.

Во-вторых, многие сухопутные биоценозы при попытке превратить их в пастбища или пашни резко теряют в своей чистой продуктивности.
В ряде случаев, прежде всего в областях, занятых влажными тропическими лесами, которые, как мы помним, дают почти четверть всей первичной продукции биосферы, первичная продукция на возделываемых землях оказывается в несколько раз меньше той, что была свойственна природным экосистемам, существовавшим на этом месте раньше. Однако представлена она компонентами, имеющими для человека в данный период времени большую ценность (меняю целлюлозу на крахмал, с доплатой!).

Кроме того, надо понимать, что часть биоценозов, в первую очередь — лесов, хоть и не вовлечена напрямую в производство пищевых продуктов для нужд людей, служит в качестве ценного поставщика топливного и строительного ресурса — древесины. Поэтому, отказ от леса, кроме неизбежного падения первичной продукции в полтора-два раза (смотри выше) ещё и приводит к тому, что выпавшие объёмы утилизируемой в виде строительных материалов или топлива биомассы надо заменять на искусственные материалы и на минеральное топливо, что снова предсказуемо выводит нас на вопрос энергии.

Отсюда уже, собственно говоря, можно влететь напрямую к выводам вот этой статьи:

Это диаграмма, показывающая соотношение доступной и недоступной для использования чистой первичной продукции суши (без Мирового океана!):
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 ) связываемого 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 — всего лишь около 10% (в абсолютных цифрах это 5 Pg C).

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, 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 авторов цитируемой мной статьи, указывается уже на то, что человечество в той или иной форме изымает для своих нужд около 38% чистой первичной продукции. Исходя из этого, считается, что оставшиеся 62% (а это около 38 Пг углерода в год) достанутся следующим поколениям. Но на самом деле 53% всей чистой первичной продукции суши не могут быть использованы, поскольку представлены продукцией подземных органов (прирост корней), а также продукцией растительности на территории национальных парков или труднодоступных территорий. Поэтому на самом деле в свободном распоряжении человека остается всего 5 Пг углерода в год, или примерно 10% от всей чистой первичной продукции суши.

Единственным быстро утилизируемым и доступным человечеству источником чистой первичной продукции за пределами традиционных пашен и пастбищ, неожиданно являются именно засушливые и пустынные земли, где орошение и применение удобрений позволяют увеличить чистую первичную продукцию в несколько раз по сравнению с исходной продукцией естественных биоценозов.

Но и тут всё упирается в те же ограничители: в пресную воду и, опосредовано, в энергию.
Для понимания мировой ситуации можно снова посмотреть на первую картинку, чтобы понять, что вода в мире есть, да вот только расположена она часто совсем не там, где это надо человечеству. То есть её надо либо вести за полмира из Байкала в Сахару, либо опреснять из морской — прямо там, где она нужна для того, чтобы поднять чистую первичную продукцию выжженных дюн. Нефть и вода оказываются сиамскими близнецами. Ну или самое простое — качать воду из подземных резервуаров прямо под пустынными или засушливыми землями Привет, Дюна, мы помним о тебе, старик Херберт.

В результате мы имеем вот такую безрадостную картинку — именно там, где вода важнее всего, и наблюдается самый жестокий "водный стресс":

Более подробно вопрос водного стресса и его связи с исчерпаемостью подземных резервуаров пресной воды разобран в журнале моего друга danko2050 — поэтому отсылаю вас к оригинальному исследованию и рекомендую вот эту его статью: https://danko2050.livejournal.com/15447.html

В статье в качестве примера нарастающего истощения подземного резервуара воды рассмотрено самое крупное подземное озеро в мире, Огалалла, раскинувшееся под территорией восьми штатов США и занимающее около 450 тыс. км2. Воды этого подземного озера составляют треть всех грунтовых вод страны и обеспечивают почти 2 млн. человек. В 2000 году для целей орошения из озера выкачали 26 км3 воды, а в целом, с момента начала его использования — 312 км3 . По некоторым оценкам, этот резервуар может быть полностью истощен в течение следующих 25 лет.

Однако, в целом Огалалла ещё не самый проблемный подземный резервуар. Согласно вот этого исследования, ситуация с подземным резервуарами грунтовых вод в Пакистане, Индии, Иране, Мексике, Саудовской Аравии и Китае гораздо печальнее. Чем краснее, тем меньше спайса пресной воды в перерасчёте на текущие темпы её использования:

Кроме проблемы с исчерпанием воды в подземных резервуарах попутно возникает и ещё одна неприятность — неуёмное использование грунтовых вод человечеством буквально приводит к тому, что города, стоящие на истощающихся резервуарах "тонут" в море и без всякого глобального потепления.

Сегодня Индонезия спасает от воды три крупнейших города – Семаранг, Джакарту и Бандунг. Это «зоны тревоги», которые объявило министерство энергетики и горнодобывающей промышленности страны. Из-за активного использования грунтовых вод данные города потопают от проседания почвы.
На первом месте по степени проседания почвы стоит Джакарта. Ее рекорд – 10 см в год. Бандунг и Семаранг стабильно уходят под землю на 5-7 см ежегодно.

Тонет Шанхай. Крупнейший промышленно-финансовый центр Китая оседает со скоростью примерно 10 мм в год в воды реки Янцзы, на берегах которой он стоит. "Шанхай тонет, и хотя этот процесс можно приостановить, полностью прекратить его невозможно" — честно сообщает представитель геологического статистического института Шанхая, Вэй Цзысинь. Этот процесс, начавшийся ещё в 1921 году, вызван активным использованием подземных вод. За последние десять лет он замедлился, но между 1920 и 1960 годами скорость погружения была в четыре раза интенсивнее обычной. Это необратимое явление также отмечается и в прибрежных китайских провинциях Цзянсу и Чжэцзян.

В некоторых районах столицы Мексики — Мехико усадка грунта с конца 19-го века достигла 13 метров. Из-за этого не только нарушено автомобильное движение по центральным трассам города, но и появилась угроза архитектурным сооружениям, расположенным в “критических” районах.Причиной постепенного “погружения” Мехико является особенности геологического строения гигантской впадины, где расположен город. Часть мексиканской столицы находится на месте древнего озера. К тому же огромный город потребляет воду из многочисленных подземных скважин, что лишь ухудшает ситуацию.
Грунтовые воды составляют более 60% всей влаги, потребляемой жителями долины Мехико, поэтому усадка грунта неизбежна. Поэтому,если не принять срочных мер, исторические здания претерпят серьезные повреждения. Собственно, их фундаменты и так время от времени уже приходится “латать” из-за появления трещин.

Ну а в реальности это выглядит вообще неимоверно и фантастично.

И Дюна — тоже не фантастика. А лишь аллегорический вариант самого ближайшего возможного будущего, в котором у нас "внезапно" закончилась вода, еда и энергия. Сразу...