Развитие экосистем

Устойчивость -- один из важнейших параметров любых систем, в том числе и экологических. Она определяет способность системы сохранять себя при изменениях среды. Экологические системы за счет происходящего в них круговорота веществ обладают определенной степенью устойчивости. Это состояние стабильности получило название гомеостаза. Таким образом, гомеостаз -- это способность биологических систем (организма, популяции и экосистем) противостоять изменениям и сохранять равновесие.

Установлено три принципа устойчивого развития экосистем.

1. В естественных экосистемах использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов (в городах этот процесс нарушается, когда чуждые природе вещества накапливаются на свалках и разрывают круговорот веществ).

2. Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно (в городах в основном используется дополнительная энергия, получаемая за счет сжигания ископаемых углеводородов).

3. На конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы (отсюда вытекает предел численности жителей в экосистеме, нарушенный в городах, где происходит неконтролируемый рост населения).

Любая экосистема приспосабливается к изменениям внешней среды, находится в постоянной динамике. Суточная, сезонная и многолетняя периодичность внешних условий и проявление внутренних ритмов организмов отражаются в цикличности всего сообщества -- биоценоза. Суточные циклы наиболее резко выражены в условиях климата высокой континентальное™, где значительная разница между дневными и ночными температурами. (Например, в песчаных пустынях Средней Азии в жаркий полдень многие животные прячутся в норы, или ведут ночной образ жизни). Сезонная цикличность выражается в том, что на определенный период из биоценоза «выпадают» группы животных и даже целые популяции, впадающие в спячку при исчезновении однолетних трав, опадании листвы и т.п. Многолетняя цикличность проявляется благодаря изменениям климата. Многолетняя периодичность в изменении численности биоценоза, вызванная резко неравномерным выпадением осадков по годам, с периодическим повторением засух, хорошо иллюстрируется повторением массовых размножений животных, например саранчовых (налеты саранчи).

Для экосистем характерна смена сообществ, преемственно возникающая на одной и той же территории под влиянием природных факторов или воздействия человека, -- сукцессия. Так, заброшенное поле последовательно заселяется вначале многолетними травами, затем кустарниками и, наконец, древесной растительностью. Изменение экосистем возможно под действием разных причин. Аллогенные изменения обусловлены действием геохимических сил, действующих на экосистему извне (климатические, геологические факторы). Например, ледник в Европе, лес --> тундра, мамонт --> слон. Сдвиги в экосистемах могут вызывать такие процессы как эрозия, извержения вулканов, горообразование. Автогенные изменения обусловлены воздействием процессов, протекающих внутри экосистемы. Примером является последовательность: водоем (озеро) --> болото --> луг --> лес. Результатом сукцессии является установление равновесия между биотическим сообществом и физической средой.

Для управления экосистемами не требуется регуляция извне -- она является саморегулирующейся системой. Саморегулирующий гомеостаз на уровне экосистемы обеспечен множеством управляющих механизмов. Один из них -- субсистема «хищник -- жертва». Например, произошло чрезмерное увеличение популяции «жертвы». Но это увеличение популяции жертвы ограничивается за счет увеличения численности популяции хищников. Если в эту систему вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то в результате нарушается саморегуляция, и экологическая система может погибнуть из-за перенаселения травоядными животными, которые уничтожают всю растительность.

Из приведенного примера видно, что устойчивость экосистем подчиняется принципу Ле-Шателъе: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается какое-либо внешнее воздействие, то в системе протекают те процессы, которые ослабляют данное воздействие и возвращают систему в исходное равновесное состояние. Так, принципу Ле-Шателье подчиняется экосистема Мирового океана. Его биота поглощает до половины углекислого газа в атмосфере и тем самым компенсирует повышенное поступление антропогенного углекислого газа. Но биота суши уже выведена из состояния, когда она подчинялась этому принципу, и в наше время наземные экосистемы в сумме выделяют больше углекислого газа, чем в доантропогенную эру.

Устойчивость организмов, популяций или экосистем выражается в самом факте их существования в течение длительного времени.

Но биосистемы не существуют вечно, так как и смерть отдельных особей, так и вымирание видов являются природным процессом. В ходе эволюции, когда определенные виды вымирают и им на смену приходят другие, более приспособленные к условиям существования, видовое разнообразие биосферы возрастает. Другое дело, когда вымирание организмов и разрушения экосистем иногда становятся следствием катастрофических природных или антропогенных нарушений (извержения вулканов, наводнения и т.п.).

Иногда популяции и виды уничтожаются человеком непосредственно, а отчасти уничтожают косвенно, когда под влиянием антропогенной деятельности среда изменяется таким образом, что становится совершенно непригодным для существования любого организма. Такое опосредованное уничтожение биологического разнообразия человеком в современную эпоху является основным. Запрет охоты, например, не сохраняет от вымирания сокола-сапсана, так как полностью разрушены его места жительства и уничтожена естественная кормовая база.

Для оценки устойчивости экосистем и биосферы к воздействию природных катастроф и антропогенных нарушений целесообразно применить понятие об экологическом резерве экосистемы, введенное Ю.А. Израэль (1989): экологический резерв экосистемы -- это разница между предельно допустимым отклонением и фактическим состоянием экосистемы. Она указывает на размеры той буферной зоны, в пределах которой возможны изменения, не разрушают экосистему. К сожалению, методов оценки экологического резерва экосистем различного типа пока нет.

1.1 Антропогенные воздействия на гидросферу

Вся вода, которую мы употребляем, в той или иной точке изымается из круговорота. Еще страшнее то, что в гидрологический цикл могут попасть все производимые нами отходы и загрязнители. Более того, развитие городов, потребности сельского хозяйства, сведение лесов и опустынивание значительно повышают поверхностный сток и снижают инфильтрацию. Загрязнителем гидросферы может быть любой физический агент, химическое вещество или биологический вид (главным образом микроорганизмы), поступающий в окружающую среду или возникающий в ней в количестве, выходящем за рамки обычного, и вызывающий загрязнение среды.

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей (табл. 3.1).

Таблица 1. Главные загрязнители воды

Много загрязнителей дают различные отрасли промышленности. Так, в табл. 3.2 указаны основные загрязнители водных экосистем по основным отраслям промышленности.

Различают естественные и антропогенные источники загрязнения вод. Первые в отличие от вторых сбалансированы процессами самоочищения вод за счет их круговорота в природе. Этим механизмом природа пользуется в течение всей истории существования биосферы. Антропогенное загрязнение связано с хозяйственной деятельностью человека. Сюда относится биологическое, химическое, физическое загрязнение.

Таблица 2. Основные загрязнители водных экосистем по отраслям промышленности

Биологическое загрязнение вызывается микроорганизмами и способными к брожению органическими веществами. Биологическое загрязнение приводит к бактериологическому заражению (инфекционный гепатит, холера, тиф, дизентерия, кишечные инфекции). Здесь возникает проблема гигиены.

Бактериологические показатели питьевой воды. Питьевая вода не должна содержать болезнетворных микробов. Санитарным показателем качества воды по ГОСТ 2874-82 является титр (колититр) кишечной палочки, т.е. наименьшее количество воды, в которой обнаруживается одна кишечная палочка. Для водопроводной воды титр равняется 300. Это означает, что в 300 мл воды допускается одна кишечная палочка.

Определяется и индекс (колииндекс) кишечной палочки (наименьшее количество кишечных палочек в 1 л воды). Для водопроводной воды он должен равняться 3. Это значит, что в 1 л воды ГОСТ допускает не более трех кишечных палочек. Большее количество их указывает на возможность попадания в воду болезнетворных микробов, которые вызывают кишечные инфекционные заболевания -- дизентерию, холеру, брюшной тиф и др.

Общее количество микробов в воде также служит показателем ее санитарного качества. В 1 мл водопроводной питьевой воды по ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» допускается не более 100 микробов.

Наиболее приемлема в санитарном отношении вода, которая поступает централизованным путем из городского или поселкового водопровода, так как она подвергается систематическому лабораторному контролю и при необходимости -- предварительной очистке и обеззараживанию.

Источники загрязнения органикой: пищевые предприятия, молочные, сахарные заводы, сыроварни, животноводство; звероводство, птицеводство и т.д. Например, один целлюлозно-бумажный комбинат загрязняет воду в той же мере, что и город с населением в 0,5 млн чел. Органическое загрязнение обычно оценивается биохимическим потреблением кислорода за 5, 10, 25 сут. (БПК-5, 10, 25). Это позволяет определить, какое количество кислорода необходимо организмам-деструкторам для полной минерализации всего нестойкого органического вещества, содержащегося в 1 л воды в течение 5,10 или 25 сут.

Химическое загрязнение природных вод. В этом виде загрязнения участвуют все. виды промышленного, сельскохозяйственного производства, транспорт. Растворенные химические соединения, мигрируя, вступают в химические реакции и образуют новые соединения, оказывая отрицательное воздействие на водную биоту, а по пищевым цепям и на земную биоту и человека.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активные вещества, пестициды).

Неорганическое загрязнение. Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи организмам. Токсический эффект некоторых наиболее распространенных загрязнителей гидросферы представлен в табл. 3.3.

Кроме перечисленных в таблице веществ, к опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обусловливающие широкий диапазон pH промышленных стоков (1,0--11,0) и способных измерять pH водной среды до значений 5,0 или выше 8,0; тогда как рыба в пресной морской воде может существовать только в интервале pH 5,0--8,5.

Таблица 3. Степень токсического воздействия отдельных загрязнителей гидросферы

Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь, локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и включением ее в трофические цепи, водных организмов. Примером может служить болезнь Миноматы (см. параграф 2.5).

Органическое загрязнение. Среди вносимых в реки с суши растворимых веществ большое значение для обитателей водной среды имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в гидросферу органического вещества оценивается в 300--380 млн т/год. Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность донных микроорганизмов, участвующих в процессесамоочищения вод. При гниении донных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к полному загрязнению воды в реке. Наличие суспензий затрудняет также проникновение света на глубину и замедляет процессы фотосинтеза:

Значительный объем органических веществ, большинство которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Нарастающее загрязнение водоемов и водостоков наблюдается во всех промышленных странах. Информация о содержании некоторых органических веществ в промышленных сточных водах представлена ниже:

Загрязняющие вещества Количество в мировом стоке, млн т/год

Нефтепродукты -- 26,563

Фенолы -- 0,460

Отходы производств синтетических волокон -- 5,500

Растительные органические остатки -- 0,170

Всего -- 33,273

К числу наиболее вредных химических загрязнений относятся нефть и нефтепродукты. Ежегодно в океан попадает более 10 млн т нефти. Загрязняют поверхность танкеры, утечка сырья при бурении.

Очень ядовиты растворимые компоненты нефти. Они нередко становятся причиной гибели рыбы, морских птиц. Если оплодотворенную икру рыбы поместить в аквариум с весьма незначительной концентрацией нефтепродуктов, то большинство зародышей погибнут, а многие из уцелевших окажутся с дефектами. А ведь именно на поверхности, куда и попадают эти ядовитые вещества, развивается богатейшее сообщество разнообразнейших организмов -- нейстон (совокупность организмов, обитающих в верхних 5 см водной толщи).

Концентрация нефтепродуктов в различных районах Мирового океана колеблется в широких пределах:

Тихий океан -- 0--200 мкг/л;

Атлантический океан -- 0--160 мкг/л;

Северное море -- 0--350 мкг/л;

Средиземное море -- 0--950 мкг/л;

Балтийское море -- 0,8--8 мг/л.

Нефтяное загрязнение представляет особую опасность для морских экосистем, так как 20--30% поверхности Мирового океана покрыто нефтяными пленками. В связи с быстрыми тепами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера).

Ежегодно в реки сбрасывается около 160 км³ промышленных стоков, а так как большая часть сточных вод не очищается или очищается недостаточно, то они загрязняют 4000 км³ речных вод -- более 12% всего речного стока. Значительных размеров достигает концентрация загрязнений дождевых сточных вод -- ливневых и талых. Текущие по улицам дождевые стоки бывают более ядовитыми, чем в сточных трубах промышленных предприятий. Попадая через канализационную сеть в открытые водоемы, эти стоки отравляют природные воды. Дождевые воды, стекающие с городских свалок, несут в себе больше химических загрязнений, чем хозяйственно-бытовые.

Физическое загрязнение. Связано со сбросом тепла в воду. Это приводит к потрясению всего биоценоза водоема. Источником теплового загрязнения служат подогретые сбросные воды теплоэлектростанций и промышленности. Повышение температуры природных вод изменяет естественные условия для водных организмов, снижает количество растворенного кислорода, изменяет скорость обмена веществ. Многие обитатели рек и озер или водохранилищ гибнут, развитие других подавляется.

К физическому относится также радиоактивное загрязнение вод, попадание в водные системы различных взвесей, что приводит к изменению прозрачности воды. Неприятный запах, вкус воды также относятся к физическому загрязнению, однако причины их могут быть самыми различными.

Еще несколько десятилетий назад загрязненные воды представляли собой как бы острова в относительно чистой природной среде. Сейчас эта картина изменилась -- образовались сплошные массивы загрязненных территорий.

Человек -- дитя Природы, вся его жизнь происходит по ее законам и правилам, но при этом нельзя не отметить все увеличивающееся негативное воздействие его хозяйственной деятельности на окружающую среду. Изменения происходят во все возрастающих масштабах в результате вырубки лесов, распашки обширных площадей, гидротехнических мероприятий, влияющих на речной сток и режим грунтовых вод, забора большого количества речных, подземных и озерных вод и в особенности их загрязнения. Соответственно с этим меняется жидкий, газообразный и твердый сток в моря и океаны. Морские воды загрязняются в результате захоронения различных отходов, выброса мусора и нечистот с кораблей и, к сожалению, частых аварий. В Тихий океан ежегодно сбрасывается около 9 млн т отходов, в воды Атлантики -- свыше 30 млн т. Океаны и моря загрязняются такими вредными для них веществами, как нефть, тяжелые металлы, пестициды, радиоизотопы.

Способность воды к самоочищению порой оказывается недостаточной, чтобы справиться с постоянно увеличивающимся количеством сбрасываемых отходов. Под влиянием течений загрязнения перемешиваются между собой и очень, быстро распространяются, оказывая вредное воздействие на зоны, богатые животными и растительностью, нанося серьезный ущерб состоянию морских экосистем.

1.2 Антропогенные воздействия на атмосферу

Атмосферный воздух выполняет сложнейшую экологическую функцию, а именно:

¦ регулирует тепловой режим Земли, способствует перераспределению тепла по земному шару;

¦ газовая оболочка -- это «одеяло» Земли, предохраняющее ее от чрезмерного остывания и нагревания. Благодаря этому на Земле не бывает резких переходов от мороза к жаре, и наоборот. Если бы Земля не была окружена атмосферой, то в течение одних суток амплитуда колебаний температуры поверхности нашей планеты достигала бы 200 °С: днем стояла бы сильнейшая жара (более 100 °С), а ночью -- мороз (около -- 100 °С). В действительности средняя температура Земли благодаря атмосфере около 15 °С;

¦ спасает все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Верхние слои атмосферы частично поглощают, частично рассеивают эти лучи;

¦ защищает нас и от «звездных осколков». Размеры метеоритов в подавляющем большинстве не превышают величины горошины. Согромной скоростью (от 11 до 64 км/с) они под влиянием земного притяжения врезаются в атмосферу планеты, раскаляются за счет трения о воздух и на высоте около 60--70 км большей частью сгорают;

¦ определяет световой режим Земли, разбивает солнечные лучи на миллионы мелких лучей, рассеивает их и создает то равномерное освещение, к которому привык человек;

¦ наличие воздушной оболочки придает нашему небу голубой цвет, так как молекулы основных элементов воздуха рассеивают главным образом лучи с короткой длиной волны, т. е. фиолетовые, синие и голубые;

¦ является той средой, где распространяются звуки;

¦ обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании в приземном слое воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т.д.

Загрязнение атмосферы -- привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических агентов и веществ, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами (рис. 3.1).

Естественное загрязнение -- это геологические и геохимические процессы, всегда существовавшие на Земле с момента ее образования как геологического тела. Эти факторы не угрожают отрицательными последствиями природным экосистемам, за исключением некоторых катастрофических природных явлений. Например, извержение исландского вулкана Эйяфьядлайёкудль (рис. 3.2) в 2010 г. сопровождалось выбросом 140 млн м³ материала, который в основном представлял собой мелкозернистую летучую тефру (вулканический пепел). А в апреле 2015 г. выбросы вулканического пепла во время извержения Кальбу- ко достигли высоты 20--22 км, т.е. стратосферы. Это верный признак того, что частицы диоксида серы останутся в атмосфере довольно долго. Ведь в нижней части стратосферы, на высотах 20--40 км температура с высотой растет, и вертикальное перемешивание воздуха затруднено. Поэтому, когда вулканические частицы попадают сюда, они могут оставаться в этих слоях в течение нескольких месяцев. Сульфаты (а именно они составляют основу вулканического пепла) поглощают и рассеивают часть солнечной радиации, поступающей к поверхности Земли. Такие мощные извержения, забрасывающие вулканический пепел в стратосферу, чреваты глобальными климатическими последствиями, правда, недолговременными.

Антропогенное загрязнение спровоцировано исключительно хозяйственной деятельностью человека, его неуемным желанием создавать себе блага иногда во вред окружающей природной среде. Это загрязнение в первую очередь связано с выбросами сернистого, угарного, углекислого газов, сероводорода, оксидов и диоксидов азота, аммиака, метана, т.е. такого набора газов, которые определяли главную составляющую протоатмосферы Земли. Иными словами, человек своей хозяйственной деятельностью (вопреки фотосинтезу!) возвращает систему атмосферы в преджизненное состояние. В борьбе между фотосинтезом и загрязняющей ролью хозяйственной деятельности человека сейчас победу одерживает человек. Но эта победа скорее признак атавизма, а не прогресса.

Основные загрязнители. В качестве наиболее распространенных и опасных были выделены следующие категории загрязнителей.

Оксид углерода СО. Бесцветный и не имеющий запаха газ. Воздействует на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывает удушье. Первичный симптом отравления СО (появление головной боли) возникает у человека через 2--3 ч его пребывания в атмосфере, содержащей 200--220 мг/м³ СО; при более высоких концентрациях СО появляются ощущение пульса в висках, головокружение. Токсичность СО возрастает при наличии в воздухе оксидов азота, в этом случае концентрацию СО в воздухе необходимо снижать в примерно 1,5 раза.

Оксиды азота ЛГО_х (N0, NО₂, ЛГ₂0₃, NО₅, ЛГ₂0₄). В атмосферу выбрасывается в основном диоксид азота М0₂ -- бесцветный, не имеющий запаха ядовитый газ, раздражающе действующий на органы дыхания. Особенно опасны оксиды азота в городах, где они, взаимодействуя с углеводами выхлопных газов, образуют фотохимический туман -- смог. Отравляющее действие оксидами азота начинается с легкого кашля. При повышении концентрации Ж)_х возникают сильный кашель, рвота, иногда головная боль. При контакте с влажной поверхностью слизистой оболочки оксиды азота образуют кислоты НМО_э и НК0₂, которые приводят к отеку легких.

Диоксид серы 50₂. Бесцветный газ с острым запахом, уже в малых концентрациях (20--30 мг/м³) создает неприятный вкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути.

Наиболее чувствительны к Б0₂ хвойные и лиственные леса, так как он накапливается в листьях и хвое. При содержании Б0₂ в воздухе от 0,23 до 0,32 мг/м³ происходит усыхание сосны за два-три года в результате нарушения фотосинтеза и дыхания хвои. Аналогичные изменения у лиственных деревьев возникают при концентрации Б0₂ в количестве 0,5--1,0, мг/м³.

Углеводороды (пары бензина, пентан, гексан и др.). Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях вызывают головную боль, головокружение и т.п. Так, при вдыхании в течение 8 ч паров бензина в концентрации »600 мг/м³ возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.

Альдегиды. При длительном воздействии на человека вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, а при повышенных концентрациях (для формальдегида -- 20--70 мг/м³) отмечаются головная боль, слабость, потеря аппетита, бессонница.

Соединения свинца. В организм через органы дыхания поступает »50% соединений свинца, под действием которого нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, мочеполовых органов, нервной системы. Особенно опасны соединения свинца для детей дошкольного возраста. В крупных городах содержание свинца в атмосфере достигает 5--38 мкм/м³, что превышает естественный фон в 10⁴раз.

Атмосферная пыль. В атмосфере постоянно присутствует пыль различного происхождения и химического состава. При неполное сгорании топлива образуется сажа, представляющая собой высокодисперсный нетоксичный порошок, на 90--95% состоящий из частиц углерода. Сажа обладает большой адсорбционной способностью по отношению к тяжелым углеводородам и в том числе к бенз(а)пире- ну, что делает ее весьма опасной для здоровья человека.

В общем количестве выбросов вредных веществ в атмосферу над территорией России доминируют выбросы от передвижных источников (автотранспорт). Согласно статистическому бюллетеню «Основные показатели охраны окружающей среды» (Федеральная служба государственной статистики (Росстат), г. Москва, 2013) суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферу над территорией России в 2012 г. составил 32,5 млн т, из них выбросы от стационарных источников -- 19,6 и от передвижных источников -- 19, 630 млн т.

1.3 Антропогенные воздействия на литосферу

Различные почвенные загрязнения, большинство из которых антропогенного характера, можно разделить по источнику их поступления в почву:

1) с атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками попадают в почву. Это в основном газы -- оксиды серы, азота и др. Большинство из них не просто растворяются, а образуют с водой химические соединения, дающие кислую реакции среды;

2) осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Такие загрязнения можно наблюдать визуально, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи. Автомобили, особенно в городах и около дорог, значительно пополняют почвенные загрязнения;

3) при непосредственном поглощении почвой газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной;

4) с растительным опадом. Различные вредные соединения в любом агрегатном состоянии поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять-таки в почву.

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление дается по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина по загрязнению почвы:

1) мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами. В эту группу вводят различные загрязнения смешанного характера, включающие как твердые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади;

2) тяжелыми металлами. Данный вид загрязнений уже представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как тяжелые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к кумуляции в организме. Наиболее распространенное автомобильное топливо -- бензин -- включает в себя очень ядовитое соединение -- тетраэтилсвинец, содержащий тяжелый металл свинец, который попадает в почву. Из других тяжелых металлов, соединения которых загрязняют почву, можно назвать Сс1 (кадмий), Си (медь), Сг (хром), № (никель), Со (кобальт), Hg (ртуть), Аб (мышьяк), Мп (марганец);

3) пестицидами. Химические вещества, широко использующиеся в качестве средств борьбы с вредителями культурных растений и поэтому находящиеся в почве в значительных количествах. По своей опасности для животных и человека они приближаются к предыдущей группе. Именно по этой причине был запрещен для использования препарат дихлор-дифенил-трихлорметилметан (ДДТ), являющийся высокотоксичным соединением, обладающим значительной химической стойкостью, не разлагаясь в течение десятков (!) лет. Следы ДДТ были обнаружены исследователями даже в Антарктиде! Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли;

4) микотоксинами. Данные загрязнения не являются антропогенными, потому что выделяются некоторыми грибами, однако по своей вредности для организма стоят в одном ряду с предыдущими;

5) радиоактивными веществами. Они стоят несколько обособленно по своей опасности прежде всего потому, что по своим химическим свойствам практически не отличаются от аналогичных нерадиоактивных элементов и легко проникают во все живые организмы, встраиваясь в пищевые цепочки. Среди радиоактивных изотопов можно отметить в качестве примера один из наиболее опасных -- ^г (стронций-90). Этот изотоп имеет высокий выход при ядерном делении (2--8%), большой период полураспада (28,4 года), относительно высокую подвижность в почве, химическое сродство с кальцием, а значит, способность откладываться в костных тканях животных и человека. Совокупность названных качеств делает его весьма опасным радионуклидом. ¹³⁷Сз (цезий-137), ¹⁴⁴Се (церий-144) и ³⁶С1 (хлор-36) также являются опасными радиоактивными изотопами. Хотя существуют и природные источники загрязнений радиоактивными соединениями, но основная масса наиболее активных изотопов с небольшим периодом полураспада попадает в окружающую среду антропогенным путем: в процессе производства и испытаний ядерного оружия, из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях, при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы, и т.д.

Антропогенное воздействие на литосферу в первую очередь проявляется в деградации почвы. Деградация почвы -- это постепенное ухудшение ее свойств, которое сопровождается уменьшением содержания гумуса и снижением плодородия. К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера: эрозия; загрязнение, вторичное засоление, заболачивание, опустынивание.

Десятки миллионов гектаров земель в России подвержены эрозии (разрушение водой) и дефляции (разрушение ветром) (рис. 3.3).

Ежегодно наша страна теряет от эрозии около 150 тыс. га пашни, которая переходит в менее ценные угодья. Эрозия проявляется на склонах, по которым стекает дождевая и талая вода. Дефляция развивается на любых типах рельефа, в том числе на равнинах. Даже ветры малой скорости поднимают в воздух почвенные частицы и переносят их на другие участки. Пыльные бури выдувают верхний плодородный слой почвы и переносят почвенные массы на большие расстояния.

Рис. 3.3. Эрозия почв

При интенсивной эрозии снижается плодородие почвы, повреждаются посевы. Промоины, рытвины, овраги превращают сельскохозяйственные угодья в неудобные земли, затрудняют обработку полей. Смываемый слой почвы выносится в реки и водоемы, вызывает их заиливание. Эрозия приводит к разрушению дорог, линий связи, электропередач и других коммуникаций.

Эрозия способствует проявлению почвенной засухи. Это объясняется тем, что значительная часть осадков стекает со склонов. Кроме того, на эродированных почвах с плохими физическими свойствами увеличивается потеря влаги на испарение и транспирацию влаги растениями. Поэтому засуху в районах проявления эрозии нередко называют «эрозийной засухой».

В связи со смывом минеральных элементов питания растений, усилением почвенной засухи, ухудшением физических свойств почв, снижением их биологической активности на склонах с эродированными почвами резко снижается урожай возделываемых культур.

Важной составляющей бережного отношения к земельным ресурсам является охрана их от истощения и эрозии. С этой целью создаются полезащитные лесные полосы, производится террасирование крутых склонов, осуществляется рекультивация земель.

Оползни -- скользящее смещение масс горных пород вниз по склону под влиянием силы тяжести. Они возникают на участке склона или откоса вследствие нарушения равновесия пород, вызванного увеличением крутизны склона в результате подмыва водой, ослаблением прочности пород при выветривании или переувлажнении осадками и подземными водами, воздействием сейсмических толчков, а также строительной и хозяйственной деятельностью без учета геологических условий местности. Наиболее часто оползни возникают на склонах, сложенных чередующимися водоупорными и водоносными породами. Развитию оползней способствуют наклон слоев земли в сторону уклона, трещины в породах, направленные также в сторону уклона. В сильно увлажненных глинистых породах оползни приобретают форму потока. Оползни наносят большой ущерб сельскохозяйственным угодьям, промышленным предприятиям, населенным пунктам. Для борьбы с ними применяются берегоукрепительные и дренажные сооружения, закрепление склонов сваями, насаждение растительности.

В горной местности и в северных районах страны толщина почвенного покрова составляет всего несколько сантиметров. Его легко нарушить, но очень трудно восстановить. В качестве примера можно привести район Орлиной сопки во Владивостоке, где в начале XX в. был вырублен лес. С тех пор на сопке нет растительности, и после каждого ливня с нее на улицы города устремляются бурные грязевые потоки.

Сель -- внезапно формирующийся в ущельях водяной поток с большим содержанием твердого материала. Сели возникают в результате интенсивных и продолжительных ливней, бурного таяния ледников или сезонного снегового покрова, а также вследствие обрушения в русло горных рек больших количеств рыхлообломочного материала. Сели характерны для большинства горных районов России, Кавказа, Средней Азии, Восточной Сибири. Наиболее мощные сели возникают обычно в июле, когда под жаркими лучами солнца интенсивно тают ледники и миллионы тонн воды аккумулируются в моренах -- гигантских скоплениях обломков горных пород, отложенных ледником. Если моренное озеро, расположенное на высоте 3000--3500 м над уровнем моря, выходит из берегов, начинается как бы цепная реакция: возникает грязекаменный поток, который устремляется вниз, непрерывно увеличиваясь в объеме и наращивая силу. Основные меры борьбы с селями -- закрепление и стимулирование развития почвенного и растительного покрова на горных склонах, особенно на участках зарождения селей, расчистка скоплений рыхлообломочного материала и стабилизация горных русел системами противоселевых плотин.

Засоление -- еще один путь к опустыниванию земель. В районах, где в воде, используемой для орошения, содержится много растворимых солей, при неадекватном поливе и отсутствии дренажа часто откладываются соли, что прямо вредит растениям. Какая-то часть солей захватывается растениями, но большая часть просто остается в почве по мере испарения воды. Что делать при засолении почвы, известно: соли надо отмыть из корневой зоны избытком воды. Но нередко промывание лишь усугубляет засоление. Ключевая проблема снижения засоления -- отсутствие правовых механизмов, которые бы вынуждали владельцев индивидуальных и государственных хозяйств учитывать последствия своей деятельности для соседних земель и водных бассейнов рек.

Опустынивание -- это процесс деградации всех природных систем жизнеобеспечения, падение и в самых крайних случаях полное уничтожение биологического потенциала Земли, что приводит к условиям, аналогичным естественной пустыне. Естественные пустыни и полупустыни занимают более 1/3 земной поверхности. На этих землях проживает около 15% населения мира. Пустыни -- это территории с крайне засушливым континентальным климатом, обычно получающие в среднем всего 150--175 мм осадков за год. Испарение с них гораздо выше, чем увлажнение. Наиболее обширные массивы пустынь располагаются по обе стороны от экватора, между 15 и 45° северной широты, а в Средней Азии и Казахстане пустыни достигают 50° северной широты. Пустыни -- естественные образования, играющие определенную роль в общей экологической сбалансированности ландшафтов планеты.

Опустыниванию подвергаются земли в разных климатических поясах, но особенно интенсивно процесс опустынивания протекает в жарких и засушливых регионах (так называемых аридных областях) планеты. Третья часть всех аридных областей мира находится на Африканском континенте, широко распространены они и в Азии, Австралии и Латинской Америке. Например, в Африке деградация земель ежегодно приводит к потере в среднем более 3% сельскохозяйственного валового внутреннего продукта в странах Африки к югу от Сахары. Если процесс деградации земель продолжится теми же темпами, то прогнозируется, что к 2050 г. более половины обрабатываемых сельскохозяйственных площадей в Африке могут стать непригодными к использованию, а к 2025 г. регион будет в состоянии прокормить лишь 25% своего населения.

Процесс опустынивания обычно вызывается совокупным действием природы и человека. Особенно губительно это действие в аридных районах со свойственными им хрупкими, легко разрушающимися экосистемами. Уничтожение скудной растительности из-за чрезмерного выпаса скота, вырубки деревьев и кустарников, распашка земель, малопригодных для земледелия, и другие виды хозяйственной деятельности, нарушающей хрупкое равновесие в природе, многократно усиливают действие ветровой эрозии, иссушение верхних слоев почвы. Резко нарушается водный баланс, снижается уровень грунтовых вод, колодцы пересыхают. Разрушается структура почв, усиливается их насыщение минеральными солями. Вследствие избыточной хозяйственной нагрузки сложно организованные бассейново-речные системы превращаются в примитивно организованные пустынные ландшафты.

Отторжение сельхозугодий за счет роста городов, промышленности -- неизбежное явление цивилизации, сопутствующее экономическому развитию. Иногда здесь просматривается угроза сельскому хозяйству.

Сложнее дело обстоит с отчуждением земель за счет прокладки железных дорог, автодорог, трубопроводов, ЛЭП, строительства водохранилищ. Здесь особенно велик объем отчуждения земельных ресурсов, часто представляющих собой великолепные пашни. Проблема отчуждения земель также связана с существованием военно-промышленного комплекса, которому необходимы полигоны для испытания всех видов оружия, для ведения учебных действий различных родов войск, совместных учений стран и целых блоков. Особо надо сказать об участках земель, где происходят испытания и разработка новых видов химического и других видов оружия. Военные действия -- апофеоз отчуждений земельных ресурсов, особенно в связи с испытанием ядерного оружия, созданием ракетно-космических вооружений. Примеры: Калифорния в США, Байконур в СНГ, Плесецк в России.

Прирост пахотных земель за счет расчистки лесов снижает разнообразие растительности и лишает животных их мест обитания. Это еще один фактор потрясения биоты Земли.

Таким образом, показателем состояния использования земельных ресурсов является опустынивание, включающее ветровую и водную эрозию почв, засоление, заболачивание, отчуждение, наступление песков и сведение лесов.

Недра -- верхняя часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных ископаемых. Являясь естественным фундаментом земной поверхности, недра активно влияют на окружающую среду. В этом заключается их главная экологическая функция. Недра содержат минеральные ресурсы -- основу ведущих отраслей мирового хозяйства.

Значение недр и их богатств повышается в условиях быстрого развития экономики и научно-технического прогресса. Из недр извлекают уголь, нефть, газ -- основные энергетические ресурсы, а также полезные ископаемые, используемые для получения металлов, сырья для химической промышленности, удобрений для сельского хозяйства, строительных материалов; из недр извлекают лечебные минеральные и термальные воды. В недрах размещаются разнообразные технические и транспортные коммуникации и сооружения. Недра используются для хранения нефти, газа, различных материалов, а также для захоронения вредных веществ и отходов производства.

Человечество ежегодно извлекает из земных недр свыше 100 млрд т полезных ископаемых, выплавляет 800 млн т различных металлов, рассеивает на полях свыше 500 млн т минеральных удобрений. Ежегодно сжигает около 9 млрд т условного топлива, что приводит к выбросу в окружающую среду более 20 млрд т углекислого газа и более 700 млн т других соединений.

Человек внедряется в жизнь земной коры, добывая огромное количество полезных ископаемых и перемещая их по поверхности Земли. Чрезмерная добыча полезных ископаемых, в том числе и подземных вод, стала вызывать проседание земной коры. Откачка подземных вод приводит к проседанию почв. Сильно прогибается почва под Красноярским и другими водохранилищами России. Крупные водохранилища способствуют повышению сейсмичности в горных районах. Огромные площади занимают нефтегазоносные и угольные бассейны, карьеры горнодобывающих предприятий. Ежегодное увеличение площадей под карьерами в России составляет 350 км². Общая площадь под карьерами занимает свыше 21 тыс. км². Представляют угрозу также ядерные взрывы при испытании ядерного оружия и использовании их с целью создания водо-, газо- и нефтепритока, гашения подземных пожаров и др.

2.Антропогенные воздействия на биотические сообщества

Все виды живых существ в совокупности называют биотой. Естественная биота важна для сегодняшней жизни человечества и для его выживания в будущем не менее, чем в прошлом, когда не было больших городов с развитой инфраструктурой. Сохранение естественной биоты свидетельствует о глобальной сбалансированности системы, т.е. о ее устойчивом развитии.

Ценность естественной биоты для человека заключается в том, что она:

¦ является основой сельского и лесного хозяйства;

¦ предоставляет ресурсы для медицины;

¦ имеет прямую пользу;

¦ дает возможности для отдыха, удовлетворения эстетических и научных потребностей;

¦ открывает коммерческие возможности.

Гибель лесов, растительности и животного мира -- это разрушение естественной среды обитания человека с непредсказуемыми последствиями. Утрата же биоразнообразия ставит под угрозу не только благополучие человека, но и само его существование.

Антропогенное воздействие на растительный мир. Растительность выполняет в планетарном масштабе средообразующую функцию, она создает условия для существования животного мира, а следовательно, и человека. Без преувеличения можно сказать, что жизнь на Земле базируется на зеленом листе растения.

Значение леса беспредельно. Лес:

¦ дает чистый воздух, которым мы дышим и который необходим для жизни людей, как хлеб и вода. Один столетний бук каждый час абсорбирует около 2,5 кг углекислого газа, выделяя при этом 1,7 кг кислорода. Его дневное производство кислорода может удовлетворить потребность в нем 64 человек;

¦ формирует озоновый экран, предохраняющий человека и животных от жесткого ультрафиолетового облучения;

¦ является могучим фактором поддержания биологического круговорота веществ;

¦ защищает почву от эрозии и засоления, повышает ее дрениро- ванность;

¦ надежный страж водных ресурсов. Продолжительность таяния снега в лесу значительно большая, чем на безлесных участках, вследствие чего вода с лесных водосборов постепенно питает реки. Леса способствуют уменьшению паводков, предотвращают наводнения, улучшают условий судоходства. Это мощное средство сохранения свежести воды в наших реках;

¦ поглощает из атмосферного воздуха многие вредные вещества. Только 1 га зеленых насаждений очищает от пыли и вредных примесей 18 млн м³ воздуха; только одно взрослое дерево за день абсорбирует около 1 кг пыли;

¦ защищает от шума: почти 30% городских звуков поглощается деревьями, а остальная часть рассеивается в пространстве;

¦ выделяет в окружающую среду фитонциды. Так, 1 га зарослей можжевельника выделяет в сутки до 30 кг фитонцидов, которые способны очищать воздух большого города. Был проведен такой эксперимент: в комнату, где находился больной ребенок, вносили ветку белой пихты. Через короткое время количество микробов в комнате снижалось в 3 раза;

¦ способствует образованию в воздухе больше легких ионов, что благоприятно для здоровья человека. Люди, проводящие свободное время в лесу, менее подвержены простудным заболеваниям, у них значительно улучшается состав крови, увеличивается содержание гемоглобина, снижается давление крови, снимается усталость, восстанавливаются утраченные силы;

¦ дает нам не только строительный материал и топливо, но древесина идет на изготовление телеграфных столбов, используется в качестве стоек в шахтах, в судостроении, сельскохозяйственном машиностроении, на железнодорожном транспорте (шпалы, вагоны), для изготовления мебели, спортинвентаря, музыкальных инструментов;

¦ служит источником получения бумаги, винного спирта, скипидара, канифоли, глицерина, моющих веществ, смолы, кормовых дрожжей, хвойно-витаминной муки, дубителей, эфирных масел и т.д. Из древесины получают до 20 тыс. разных предметов и веществ. Расчеты показывают, что современный человек в течение своей жизни использует около 200 деревьев (это мебель, игрушки, тетради, спички, газеты, карандаши, дрова и т. д.);

¦ предоставляет возможность вести охоту, пчеловодство, дает много технического и лекарственного сырья, пищевой и другой продукции. В лесах России произрастает около ста видов диких плодовых, ягодных и орехоплодных растений. Широко известны целебные и питательные свойства облепихи, черемухи, лимонника, малины, шиповника, золотого корня, зверобоя, толокнянки, смородины. В средней и южной частях тайги огромные пространства занимает сибирский кедр. Крупные массивы грецкого ореха имеются в некоторых районах Средней Азии. Из других дикорастущих орехоплодных можно назвать настоящий каштан (западная часть Закавказья); бук, орешки которого съедобны и дают ценное масло, (пищевое и техническое); фисташку (Средняя Азия); лещину, образующую подлесок в широколиственных лесах;

¦ становится местом массового отдыха. Рекреационное лесопользование имеет огромное значение для повышения ресурсного потенциала нашего общества: отдых на природе, снятие рабочего напряжения, оздоровляющие физические нагрузки положительно сказываются на работоспособности человека;

¦ среда обитания множества птиц и зверей. В прохладных и прозрачных лесных речках и озерах водятся рыба и водоплавающая птица.

Таким образом, лес в жизни общества выполняет много функций. Доказано, что только рекреационная ценность лесов в десятки раз выше стоимости их древесины.

Воздействие человека на леса и вообще на весь растительный мир может быть прямым и косвенным. К прямому воздействию относятся:

1) вырубка лесов;

2) лесные пожары и выжигание растительности;

3) уничтожение лесов и растительности при создании хозяйственной инфраструктуры (затопление при создании водохранилищ, уничтожение вблизи карьеров, промышленных комплексов);

4) усиливающийся пресс туризма;

5) выкашивание, сбор с различными целями, стравливание домашними животными.

Косвенное воздействие -- это изменение условий обитания в результате антропогенного загрязнения воздуха, воды, применения пестицидов и минеральных удобрений, при орошении, осушении, засолении почв, изменении гидрологии водоемов. Определенное значение имеет также проникновение в растительные сообщества чуждых видов растений (интродуцентов), заносе вредных организмов (возбудителей болезней) и др.

Любое указанное воздействие может привести к деградации растительного покрова. Особую тревогу вызывают темпы уменьшения тропических лесов, которые, связывая углекислый газ и выделяя кислород, являются так называемыми легкими планеты.

Одним из способов восстановления растительного покрова является лесовозобновление -- выращивание леса на некогда вырубленных, выжженных и других лесных площадях. Лесовозобновление бывает двух типов: естественное -- процесс образования леса естественным путем на безлесных (ранее лесных площадях), нарушенных промышленными разработками и т.п. территориях; искусственное -- выращивание леса путем его посадки с последующим уходом за лесным молодняком.

Антропогенное влияние на животный мир. Животный мир представляет собой важную часть биосферы нашей планеты и имеет огромное значение в развитии и жизни природы и человека. Прежде всего животные выступают неотъемлемым звеном в цепи экологических систем, необходимым компонентом в процессе круговорота веществ в природе, активно влияющим на функционирование естественных сообществ, структур и естественное плодородие почв, формирование растительного покрова, биологические свойства воды и качество окружающей среды в целом. Дождевые черви, муравьи и другие мелкие животные постоянно вносят в почву органические вещества, измельчают их и тем самым способствуют созданию перегноя. Черезнорки этих роющих животных легче проникают к корням необходимые для жизни растений вода и воздух. Зеленые растения обогащают воздух кислородом, необходимым для дыхания всех живых существ. Растения служат пищей растительноядным животным, а те в свою очередь хищным. Очень велико санитарное значение животных -- уничтожение ими трупов других животных, остатков отмерших растений и опавшей листвы. Многие водные животные очищают воду, чистота которой для жизни столь же важна, как и чистота воздуха. Животный мир также является источником пищевых продуктов, промышленного и лекарственного сырья и т.п.

Главные причины утраты биологического разнообразия, сокращения численности и вымирания животных:

¦ нарушение среды обитания;

¦ чрезмерное добывание, промысел в запрещенных зонах;

¦ интродукция (акклиматизация) чуждых видов;

¦ прямое уничтожение с целью защиты продукции;

¦ случайное (непреднамеренное) уничтожение;

загрязнение среды. Нарушение среды обитания вследствие вырубки лесов, распашки степей и залежных земель, осушения болот, зарегулирования стока, создания водохранилищ, применения химических веществ для борьбы с вредителями сельского хозяйства и других антропогенных воздействий, коренным образом меняет условия размножения диких животных, пути их миграции, что весьма негативно отражается на их численности и выживании. К числу вымерших животных относятся: тур, тарпан, морская (стеллерова) корова, бескрылая гагарка, очковый (стеллеров) баклан, голубая лошадиная антилопа, зебра кваггу, нелетающий голубь дронт и др.