Полная версия

Главная arrow Агропромышленность arrow ОСНОВЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Биосфера и антропогенное воздействие

Биосфера — это наружная оболочка Земли, населенная и преобразованная живыми организмами. Термин «биосфера» был впервые введен в научную лексику французским естествоиспытателем Ж. Б. Ламарком (1744—1829).

Развернутое учение о биосфере было создано великим русским естествоиспытателем академиком В. И. Вернадским (в 1926 г. вышла его книга «Биосфера»). Именно он определил биосферу как поверхностную оболочку Земли, созданную и преобразуемую деятельностью живых организмов[1]. Биосфера является самой большой экосистемой на нашей планете, объединяя все остальные экосистемы воедино.

Биосфера распространяется в атмосфере до высоты около 25 км. Это определяется высотой расположения озонового слоя Земли, выше которого существование живых организмов невозможно из-за присутствия жесткого ультрафиолетового излучения, приходящего от Солнца. Биосфера занимает всю толщу гидросферы. Даже на максимальных глубинах впадин Мирового океана, например на дне Марианской впадины на глубине около 11 тыс. м, обитают живые организмы. В литосфере любые формы жизни не могут существовать глубже 5 км из-за высокой температуры глубинных слоев земной коры (до +105 °С). Здесь следует напомнить, что литосфера — верхняя «твердая» оболочка Земли, достигает толщины 75 км на континентах и 10 км под дном океана. Таким образом, толщина биосферы равна в среднем 36 км, что составляет приблизительно 0,5% от величины земного радиуса. Фактически биосферу можно рассматривать как тонкую уязвимую пленку на поверхности нашей планеты. Растущее давление со стороны человеческой цивилизации все чаще превышает гомеостатические возможности биосферы, что приводит к возникновению так называемых глобальных экологических проблем.

Биосфера состоит из трех основных компонент:

  • живое вещество планеты — вся сумма живых организмов, находящихся на планете в данный исторический период. Биомасса живого вещества биосферы Земли составляет приблизительно 2324,2 • 109 т;
  • биогенное вещество — органическое или органоминеральное вещество, созданное организмами прошлых геологических эпох и к настоящему моменту представленное в виде каменного угля, горючих газов, нефти, горючих сланцев, сапропеля, торфа. Эти вещества возникли благодаря тому, что в геологическом прошлом большие массы живых организмов были похоронены под слоями неорганических отложений, таких как вулканический пепел, и претерпели метаморфозы в условиях дефицита кислорода;
  • биокосное вещество — неорганические вещества, преобразованные деятельностью организмов. Примерами являются вода, воздух, железная и марганцевая руды. Эти составляющие биосферы приняли свой современный состав и форму во многом благодаря деятельности живых организмов. Например, повышение содержания кислорода в атмосфере произошло благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов.

В основе существования биосферы лежат биогеохимические циклы. Для всех экосистем в биосфере характерен постоянный обмен веществом и энергией между биотическим и абиотическим компонентами. В результате возникает так называемый круговорот веществ. Все химические элементы (микро- и макроэлементы) циркулируют в биосфере по определенным путям: из внешней среды в организмы и из организмов опять во внешнюю среду. Эти пути, в большей или меньшей степени замкнутые, называются биогеохимическими циклами. Биогеохи- мический цикл — это циркуляционное движение между биоценозом и биотопом неорганических веществ и химических элементов. Эти круговороты являются одним из непременных условий существования жизни на нашей планете. В каждом круговороте веществ различают две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном представляющие собой небиологический компонент цикла. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

Существуют различные научные методы описания биогеохими- ческих круговоротов. В целом же солнечная энергия «обеспечивает» на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический), и малый, или биологический (биотический).

Геологический круговорот веществ — это многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее цикличный характер. Большой круговорот проявляется, в частности, в круговороте воздушных масс и воды. Круговорот воды — один из важнейших био- геохимических круговоротов на планете. Круговорот воды воздушных масс обеспечивает перенос минеральных соединений из одного места в другое в масштабе всей биосферы. Около трети поступающей солнечной энергии затрачивается на движение воды. Испарение воды происходит непосредственно под воздействием солнечной энергии, а выпадение осадков отдает энергию озерам, рекам, океанам и экосистемам. Большую роль в испарении воды играет растительность, во многом определяя климат регионов Следует напомнить, что совокупный объем воды на планете равен приблизительно 1386 млн км3. Соленая вода составляет около 97,5% объема всей водной массы; 78% пресной воды сосредоточено в ледниках и снежном покрове.

На основе геологического круговорота возникает круговорот органических веществ. Биологический круговорот веществ — это единство двух процессов:

  • • аккумуляции элементов в живых организмах;
  • • минерализации в результате разложения мертвых организмов.

Биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества расходуется менее процента энергии Солнца, поступающей к поверхности нашей планеты. Биологический круговорот состоит главным образом из круговоротов углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и многих других веществ, входящих в состав живых организмов. Каждый из круговоротов имеет так называемые узкие места, составляющие уязвимость для стабильного осуществления круговорота. Эти узкие места могут являться частью экологических проблем, поскольку торможение любого круговорота приводит к дефициту соответствующих веществ в биосфере и, соответственно, к экологическому кризису того или иного масштаба.

В целом для биогеохимических циклов характерно то, что образование живого вещества преобладает на поверхности суши и в верхних слоях морей. Минерализация мертвых органических остатков происходит главным образом в почве и на океанском дне.

В масштабах биосферы, как и в локальных экосистемах, биогео- химические циклы замкнуты. Но для обеспечения своих хозяйственных потребностей человек изымает из биогеохимических циклов значительные количества химических веществ и элементов в той или иной форме. Разомкнутость естественных круговоротов в масштабе биосферы приводит к уже упомянутым глобальным экологическим проблемам. Основными глобальными экологическими проблемами, связанными с природопользованием, в настоящее время являются парниковый эффект, истощение озонового слоя, опустынивание, снижение видового разнообразия в биосфере, качественное и количественное истощение природных ресурсов в глобальном масштабе.

Парниковым эффектом называют повышение среднегодовой температуры атмосферы вследствие накопления в ней парниковых газов. Основными парниковыми газами являются водяной пар, углекислый газ, метан, оксиды азота, фреоны. В основе усиления глобального парникового эффекта лежит главным образом проблема разомкнутое™ цикла углерода. И здесь особое внимание следует уделить роли техногенного круговорота (рис. 1.16) углерода, значение которого многократно увеличилось с началом промышленной революции.

Техногенный круговорот углерода

Рис. 7.76. Техногенный круговорот углерода

Как видно из рис. 1.16, углекислый газ изымается из атмосферы главным образом за счет процесса фотосинтеза, в результате которого молекулы С02 включаются в состав тканей живых организмов. Если отмершие органические остатки затем оказываются по тем или иным причинам захоронены в условиях дефицита кислорода, то процесс гниения не происходит. С течением времени атомы водорода, присутствующие в составе органических веществ, отщепляются и диффундируют в атмосферу. Происходит так называемый метаморфоз органического вещества. На месте захоронения органики остается в основном углерод. Примером могут служить залежи каменного угля. Таким образом, углерод оказывается на долгое время, даже с геологической точки зрения, изъят из атмосферы. На протяжении истории биосферы этот процесс позволял эффективно удалять избыток углекислого газа из атмосферы. Помимо процесса фотосинтеза углекислый газ покидает атмосферу благодаря растворению в водах Мирового океана. Оба эти процесса эффективно регулируют содержание углекислоты в атмосфере. Ситуация существенно изменилась в ходе промышленной революции. Человек стал активно извлекать депонированный в недрах углерод, сжигать его с целью получения энергии и таким образом возвращать углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В результате содержание углекислоты в атмосфере стало расти, так как процессы ассимиляции уже не смогли компенсировать его поступление в атмосферу, даже несмотря на рост интенсивности фотосинтеза при увеличении концентрации углекислоты в атмосфере.

Как видно из приводимой на рис. 1.17 схемы, солнечные лучи, падающие на Землю, трансформируются: 30% их отражается в космическое пространство, остальные 70% поглощаются поверхностью суши и океанов.

Парниковый эффект

Рис. 1.17. Парниковый эффект

Поглощенная энергия солнечного излучения в основном преобразуется в тепловую энергию, направленную обратно в космос в виде ИК-лучей. Но атмосфера, содержащая пары воды, диоксид углерода и другие парниковые газы, не пропускает инфракрасные лучи, благодаря чему воздух нагревается. Таким образом, парниковые газы выполняют функцию пленочного покрытия поверхности Земли. В результате среднегодовая температура атмосферы повышается, что приводит к целому ряду нежелательных последствий. К таким последствиям относится, например, таяние полярных льдов, из-за которого цвет поверхности меняется с белого на иной. В любом случае альбедо[2] уменьшается. Следовательно, любая естественная поверхность, не покрытая снегом, будет нагреваться сильней, чем белая. При этом атмосфера, контактирующая с нагретой поверхностью, будет нагреваться, и потепление продолжится. Поэтому существует правило: чем теплее становится, тем быстрей теплеет дальше. С увеличением температуры атмосферы растет температура вод Мирового океана. С увеличением температуры снижается растворимость газов в воде. Соответственно, растворенный в воде углекислый газ вновь поступает в атмосферу, способствуя дальнейшему потеплению. В вечной мерзлоте заключено большое количество метана. При термическом разрушении вечной мерзлоты эти запасы могут попасть в атмосферу. Метан также является парниковым газом, но при этом приблизительно в 20 раз более сильным, чем углекислый. Его эмиссия еще больше усиливает процесс потепления. Таким образом, процесс развития парникового эффекта на нашей планете является автокаталитическим.

Подсчитано, если на планете растают все ледники, в том числе и на полюсах, уровень Мирового океана поднимется приблизительно на 20 м. При этом будут затоплены обширные прибрежные территории, на которых проживает основная часть народонаселения планеты и на которых производится основная масса сельскохозяйственной продукции. Изменение климата, вызванное парниковым эффектом, может привести к нехватке продовольствия, к возникновению такого явления, как климатические беженцы, к исчезновению многих биологических видов, например белых медведей, которым для успешной охоты необходимо наличие ледяного покрова. Снижение видового разнообразия, как известно, приводит к снижению устойчивости экосистем и, следовательно, биосферы в целом. Это, в свою очередь, угрожает жизни человека как биологического вида.

В последние годы среди ученых всего мира наблюдается раскол во мнениях по поводу актуальности проблемы антропогенного парникового эффекта. Все больше голосов звучит в пользу того, что антропогенные эмиссии углекислого газа (С02) в атмосферу не могут существенно изменить климат на планете, так как даже незначительное увеличение содержания диоксида углерода в атмосфере приводит к росту интенсивности фотосинтеза и выравниванию газового состава атмосферы Земли. Скорее всего, наблюдающееся увеличение среднегодовой температуры атмосферы Земли связано с естественными циклами изменения солнечной активности[1].

Опустынивание — процесс деградации экосистем, ведущий к кардинальному снижению видового разнообразия и полной утрате существующего в данном биотопе биоценоза. Не всегда под опустыниванием понимают развитие на какой-либо территории классической пустыни с песчаными барханами. Термин «опустынивание» имеет более широкое значение и используется для обозначения любой катастрофической деградации экосистем. Опустынивание, как правило, есть результат совместного действия природных и антропогенных факторов и проявляется чаще всего в районах, где имеют место экстремальные отклонения экологических факторов от нормы (например, аридные зоны планеты, районы Крайнего Севера). Именно в этих районах природные биотические сообщества находятся в напряженном состоянии и даже незначительное негативное воздействие со стороны человека может привести к их разрушению. В XX столетии процесс опустынивания все чаще становится последствием исключительно антропогенного воздействия. Одним из печальных примеров этого служит гибель Аральского моря из-за чрезмерной эксплуатации водных ресурсов с целью наращивания производства хлопка. Опустыниванием может считаться деградация пахотных земель при чрезмерно интенсивном ведении сельского хозяйства или при нарушении правил обработки почвы. Пример одной из форм опустынивания — деградация больших площадей сельскохозяйственных земель в 1950-х гг. при освоении целинных земель в Советском Союзе. Тогда не были учтены агроклиматические особенности осваиваемых земель, что привело к сдуванию больших масс ценнейших черноземов в процессе ветровой эрозии. Экологические последствия особенно тяжелые в случае, если вместе с верхним плодородным слоем происходит утрата и материнской породы. Такая ситуация часто возникает в процессе водной эрозии и сопровождается образованием оврагов. Если происходит разрушение не только верхнего плодородного слоя, но и материнской породы, то процесс восстановления территории считается невозможным, и она причисляется к зонам экологических катастроф.

В результате деятельности человека к последней четверти XX в. появилось еще свыше 9 млн км2 пустынь различных типов. Опустыниванию подвергаются в среднем за год 6 млн га обрабатываемых земель, которые полностью разрушаются, и свыше 20 млн га снижают свою продуктивность. Страны тропического и субтропического поясов нашей планеты ежегодно теряют приблизительно 6 млн га плодородных земель. Примерно 30 млн га земель в этих странах находятся под угрозой опустынивания. Эта ситуация во многом результат несбалансированного применения химических удобрений, избыточного механического воздействия на почву и пр. Эрозия почвы в развивающихся странах превышает соответствующие показатели для развитых стран примерно в два раза. Образование Сахары, как показывают современные исследования, началось примерно с конца IV в. до н.э., в связи с распашкой земель и одновременным уменьшением среднегодового количества осадков в том регионе. За последние десятилетия южная граница Сахары продвинулась в сторону экватора на 200 км, ее площадь увеличилась примерно на 65 млн га. Около 10% населения Африки в настоящее время проживает в районах, находящихся под реальной угрозой опустынивания[1].

Явление ветровой и водной эрозии как видов опустынивания приобрело настолько масштабный характер, что по праву может считаться одной из глобальных экологических проблем в биосфере. Как полагают эксперты ООН, современные потери продуктивных земель приведут к тому, что к концу XXI столетия мир может лишиться почти трети своих пахотных земель. В сочетании с безудержным ростом населения и соответствующим увеличением потребности в продовольствии это может стать гибельным для человечества.

Истощение озонового слоя, как экологическая проблема биосферного уровня, выявлена в последней четверти XX столетия. На высотах

20—25 км, в стратосфере, присутствует повышенная концентрация озона (03), который защищает живущие на суше организмы от губительного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Это излучение располагается в полосе длин волн от 220 до 290 нм. Озоновый слой появился вместе с возникновением в земной атмосфере кислорода за счет диссоциации (распада) его молекул на атомарный кислород (02—> О + О). Озона в атмосфере очень мало, всего 4 • 10~7% (по объему). Если собрать весь озон атмосферы в один слой и опустить его на поверхность Земли, то толщина такого слоя при нормальных условиях (температуре О °С и давлении 760 мм рт. ст.) составит всего лишь 3 мм. Однако это количество озона почти полностью поглощает всю энергию ультрафиолетовой радиации Солнца, вплоть до 290 нм, вследствие химических и физических его особенностей. Кроме того, озон отражает инфракрасное излучение Земли, препятствуя ее охлаждению.

В случае истощения озонового слоя биологи предсказывают резкое увеличение частоты мутаций как фауны, так и флоры, включая сельскохозяйственные культуры растений и породы домашних животных. Под влиянием этих лучей происходит распад важнейших частей клетки. В ней формируются вещества, блокирующие процессы воспроизводства ДНК и синтез РНК. Особенно сильно отреагируют на излучение с длиной волны менее 280 нм одноклеточные организмы и простейшие (бактерии, планктон), что приведет к пока плохо предсказуемым последствиям для всех представителей биосферы, ведь они являются основанием многих экологических пирамид.

Заметные изменения в частоте заболеваний и мутаций должны начаться уже при глобальном уменьшении содержания озона даже на несколько процентов. «Утоньшение» слоя озона даже на 1% может увеличить интенсивность эффективного излучения, приводящего к заболеваниям раком кожи людей; уменьшение на 1,5—2,5% может вызвать рост числа таких заболеваний на 10—20%.

Разрушение озона происходит в силу самых разных факторов. Например, солнечное излучение, с одной стороны, создает условия для образования молекул озона, но с другой — способствует дестабилизации уже образовавшихся молекул. Понижение температуры приводит к снижению скорости образования озона в стратосфере. Отчасти и по этой причине в зимне-весенний период над севером России фиксируется существенное снижение содержания стратосферного озона.

Помимо всего прочего к разрушению озона приводят химические реакции между озоном и некоторыми веществами, содержащимися в атмосфере. Этот путь носит название «неблагоприятные затраты озона». Эти затраты характеризует уравнение

где А — агент, получившийся в результате антропогенной деятельности, например оксид азота (N0) (образующийся при сгорании топлива), хлор (Cl-) (продукт распада фреонов). Фреоны под воздействием ультрафиолетового излучения вступают в реакцию с выделением хлора. Последний вступает в реакцию с озоном и разрушает его. В настоящее время в мире в год производится около 1,3-106 т разрушающих озон веществ, в том числе и фреонов. Механизмы поступления фреонов в стратосферный слой атмосферы определяются особенностями глобальной циркуляции атмосферы. В результате действия этих механизмов образуются локальные зоны пониженного содержания озона (озоновые дыры). Термин «озоновые дыры» означает, что в данном месте атмосферы содержание стратосферного озона понижено на 10—50% и более по сравнению с многолетней нормой. Помимо фреоноподобных веществ озон разрушается вследствие самых разных факторов. Установлено, что выбросы сверхзвуковых самолетов могут привести к уничтожению 10% озонового слоя атмосферы, один запуск космического корабля типа «Шаттл» в прошлом приводил к так называемому гашению около 100 млн т озона.

На рис. 1.18 проиллюстрирован механизм потери озона в стратосфере. В настоящее время в научном мире ведутся дискуссии по роли каждого из двух описанных механизмов разрушения озона в общем балансе озона в стратосфере.

Схема затрат стратосферного слоя

Рис. 1.18. Схема затрат стратосферного слоя

Многие ученые считают, что описанный механизм антропогенного разрушения озона в стратосфере не имеет такого большого значении для озонового слоя в целом, как это принято считать. Существует мнение, что намеренно преувеличивая роль фреонов в разрушении озонового слоя, некоторые ученые играли роль своеобразного экологического оружия в торговых войнах. Как известно, благодаря заявлениям экологов о глобальной опасности использования фреонов в бытовой технике фреоны пришлось заменить другими веществами, которые при аналогичных с фреонами технических свойствах не могут нарушить озоновый слой планеты. В результате в 1990-х гг. с европейского рынка были вытеснены товары многих производителей, не отвечавшие новым экологическим стандартам, и европейские производители бытовой техники и бытовой химии получили многомиллиардные прибыли из-за ослабления конкуренции.

Большое значение с точки зрения природопользования имеет продуктивность биосферы. Продуктивность различных участков биосферы сильно различается и зависит от многих факторов, среди которых в первую очередь следует отметить: доступность солнечной энергии, температурный фон, доступность химических элементов, наличие воды и т.д. Так, например, биоценозы тропических лесов — это самые высокопродуктивные сообщества на Земле. Уровень биологической продуктивности в тропических лесах 3,5 кг/м2 в год. Биомасса здесь достигает 1000 т/га и более. Покрывая около 6% поверхности суши планеты, тропические леса дают около 28% общей продукции органического вещества. Основная часть биомассы тропических лесов сосредоточена в живых растениях. Из-за интенсивности процесса промывания и обилия беспозвоночных и грибов, разрушающих подстилку, ее запас в дождевом тропическом лесу, несмотря на большой опад листьев, в 10—40 раз меньше, чем в таежных лесах (бореальных). Почвы здесь бедные. Дождевые тропические леса связывают в органическом веществе 4,60-1011 т С02.

Из табл. 1.1 видно, что наибольшей продуктивностью на суше обладают лесные экосистемы, что подчеркивает их особую значимость для человечества с точки зрения природопользования.

Таблица 1.1

Первичная чистая продуктивность по различным макроэкосистемам1

Макроэкосистемы

Площадь (х109 га)

Органическое вещество, млрд т

Коэффициент использования человеком

Пустыни

5,42

5,4

0,00

Леса

4,06

28,4

0,02

Степи и луга

2,60

10,4

0,03

Пашня

1,46

8,7

6,0

Океаны и моря

36,3

30,0

0,01

Итого по биосфере

51,0

82,9

0,20

Низкая продуктивность — 0,1—0,5 г/м2 в сутки — характерна для зоны пустынь и арктического пояса. Средний уровень продуктивности — 0,5—3 г/м2 в сутки — для тундры, лугов, полей и некоторых лесов умеренной зоны. Высокий уровень продуктивности — более 3 г/м2 в сутки — для экосистем тропических лесов, пашни, морских мелководий. Следует отметить, что биологическая продуктивность в океане распределяется весьма неравномерно. Главным образом это связано с присутствием в поверхностных слоях воды элементов минерального питания фитопланктона. На большей части акватории [5]

Мирового океана существует дефицит биогенных элементов, что существенно сдерживает процесс фотосинтеза у фитопланктона и, соответственно, снижает уровень продуктивности морских экосистем и их ценность с точки зрения природопользования. Тем не менее в океане существуют так называемые зоны апвеллинга, в которых наблюдается подъем океанических холодных глубинных вод, богатых питательными элементами, к поверхности океана. В результате в этих зонах интенсивность фотосинтетических процессов существенно выше по сравнению с другими участками Мирового океана за счет эффекта эвтрофирования. Самая мощная продуктивная океаническая экосистема находится у берегов Перу, где Перуанский апвеллинг, занимающий всего 0,02% океанской акватории, дает до 20% мирового улова рыбы. Чаще всего апвеллинг происходит вблизи западных границ материков. Один из крупных апвеллингов существует в Южном океане. Большая зона апвеллинга присутствует в экваториальных районах Тихого океана. Все указанные зоны представляют большой интерес с точки зрения природопользования, так как отличаются большими запасами биотических природных ресурсов.

  • [1] См.: Кузнецов Л. М., Николаев А. С. Экология.
  • [2] Напомним, что под альбедо понимают отражательную способность поверхности.В целом альбедо определяется соотношением светового потока, отраженного поверхностью к падающего на нее световому потоку.
  • [3] См.: Кузнецов Л. М., Николаев А. С. Экология.
  • [4] См.: Кузнецов Л. М., Николаев А. С. Экология.
  • [5] Приводится по: Кузнецов Л. М., Николаев А. С. Экология.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>